Содержание:
Военные конфликты последних лет со всей очевидностью вывели на одно из первых мест управляемые снаряды для ствольной артиллерии. Никто в здравом уме уже не усомнится, что один легший точно в цель управляемый снаряд ценнее вагонов выпущенных «по площадям» обычных боеприпасов. И мне захотелось поговорить о том, где и когда родилась сама идея — управления артиллерийским снарядом…
В конце Второй Мировой Войны, кризис традиционной ствольной зенитной артиллерии стал очевиден всем. Рост скорости и высоты полета самолетов привел к радикальному снижению эффективности зениток: они просто не успевали выпустить достаточно снарядов, чтобы успеть поразить цель за время ее пролета через зону поражения.
И тем не менее, ствольная артиллерия не собиралась уступать позиции совсем уж без боя. На ее стороне был огромный практический опыт — накопленный буквально столетиями — и ясное понимание процессов внутренней и внешней баллистики. Если полет управляемой ракеты (особенно сверхзвуковой) был для инженеров Terra Incognita со многими неизвестными, то поведение артиллерийских снарядов они представляли прекрасно.
В июне 1947 года Лаборатория Флотских Боеприпасов (англ. Naval Ordnance Laboratory — NOL) ВМФ США инициировала работу над проектом принципиально нового зенитного боеприпаса: снарядом «Зевс». Он представлял собой радикальный отход от всех традиционных концепций в артиллерии — подкалиберный оперенный зенитный снаряд, выпускаемый из гладкоствольной пушки. Такой подход позволял добиться начальной скорости значительно выше, чем у традиционных снарядов (порядка 1200 м/с против 600-800 м/с) и соответственно значительно большей дальности и большей точности на дистанции (так как траектория подкалиберного снаряда была «прямее» и менее подвержена сносу).
Сравнение траекторий обычного (пунктирная линия) и оперенного подкалиберного (сплошная линия) снарядов при одинаковых углах возвышения. По вертикали — высота в тысячах футов. По горизонтали — дальность в ярдах. Кружки с цифрами обозначают время полета в секундах
Уже такое повышение характеристик выглядело вполне перспективно. Но на этом инженеры NOL не остановились. Понимая, что простое улучшение дальности и скорости снарядов не решает принципиальной проблемы (и будет нивелировано дальнейшим ростом скоростей самолетов), они предложили революционный концепт — снаряд, которым можно управлять в полете.
Выглядело это следующим образом. Внутри корпуса оперенного подкалиберного снаряда располагался заряд твердого ракетного топлива с соплом (или несколькими) направленным перпендикулярно его корпусу. Зажигаемый по команде с корабля, двигатель выдавал короткий импульс, направленный под прямым углом к направлению полета снаряда — тем самым, смещая его траекторию примерно на 3-6 градусов от исходного направления.
Таким образом, каждый снаряд «Зевс» мог выполнить в полете ровно одну коррекцию своей траектории в требуемом направлении. Столь ограниченные возможности маневрирования не позволяют отнести «Зевс» к управляемым снарядам в современном понимании; скорее, к корректируемым. Однако и теоретические расчеты и практические испытания прототипов показывали, что даже способный к одной-единственной коррекции снаряд будет значительно эффективнее обычных.
На представленном выше графике приведена совокупная вероятность поражения цели (вертикальная шкала) различными типами снарядов на разной наклонной дальности до цели. В качестве цели рассматривался реактивный бомбардировщик, летящий прямо на корабль на скорости 500 узлов (926 км/ч), способный маневрировать с перегрузкой до 0,8 g и по живучести сопоставимый с SB2C «Хеллдайвер». Расчет поражения велся исходя из того, что по самолету стреляет одна трёхорудийная установка, выпускающая до 30 снарядов в минуту.
Слева-направо приведены кривые, соответственно для:
* Обычного 8-дюймового фугаса с зенитным взрывателем
* Подкалиберного снаряда типа «Зевс» не использующего коррекцию курса
* Подкалиберного снаряда типа «Зевс», в котором вся электроника и двигательный заряд заменены дополнительным взрывчатым веществом (для увеличения поражающего эффекта)
* Подкалиберного снаряда типа «Зевс», использующего коррекцию курса на 3 градуса.
На графике достаточно ясно продемонстрировано преимущество корректируемого «Зевса» над не-корректируемыми снарядами, выраженное в почти двукратно большей дальности для равной вероятности поражения. Расчеты вероятности поражения цели одним снарядом показывали, что на дистанции в 5000 ярдов (4600 метров), «Зевс» может обеспечить таковую в районе 0.3 — в сравнении с 0.025 для стандартной 5-дюймовой зенитки. Таким образом, применение «Зевса» могло значительно поднять эффективность зенитного огня на любых дистанциях.
Обычный 8-дюймовый фугасный снаряд (сверху) и подкалиберный оперенный снаряд «Зевс» (снизу). Буквенные обозначения: а — боевая часть, b — двигательный заряд с боковыми дюзами, с — электронная аппаратура
Изначально, программа корректируемого зенитного снаряда шла под обозначением «Зевс». При этом под обозначением «Зевс-I» проходил просто корректируемый снаряд, а под обозначением «Зевс-II» — корректируемый снаряд с дополнительным ракетным ускорителем, позволяющим значительно увеличить дальность стрельбы.
В 1948 году программе дали официальное альфанумерическое обозначение XSAM-N-8 — что в тогдашней системе означало «Экспериментальный (X, eXperimental) противовоздушный (SAM, Surface-to-Air) управляемый боеприпас (Missile в то время обозначало управляемое оружие вообще), флотский (N, Navy), восьмой по порядку (8)»
В 1950 году все программы подкалиберных оперенных снарядов объединили под общим обозначением «Arrow» (англ. стрела). Конкретно «Зевс» стал называться «Angled Arrow», что можно примерно перевести как «отклоненная стрела». Следует отметить, что в номенклатуре американских проектов 1950-ых достаточно много путаницы (связанной с разными системами обозначений) и в тексте я собираюсь придерживаться исходного обозначения «Зевс».
Экспериментальный зенитный снаряд «Зевс» имел стреловидную форму и длину 91,4 см при диаметре 10 см. Из орудийного ствола он запускался с помощью двух отделяемых поддонов — в центральной и задней части корпуса — которые сбрасывались при вылете из ствола. Размещенное в хвостовой части снаряда оперение обеспечивало как стабилизацию в полете, так и плавную раскрутку снаряда до 40 оборотов в секунду.
Электронная аппаратура — радиоприемник, усилитель сигнала, и неконтактный взрыватель — размещалась в носовой части снаряда. Центральная была занята двигательным зарядом с выведенным на бок соплом. Наконец, в хвостовой части располагался взрывчатый заряд с детонатором.
В качестве основного «пускового устройства» для корректируемых снарядов были выбраны 203-миллиметровые 55-калиберные автозарядные пушки Mark-16RF (англ. Rapid Fire — скорострельные). Этими орудиями были оснащены три тяжелых крейсера типа «Де Мойн», завершенные уже после войны. Хотя их трехорудийные башни не были в полной мере универсальными — максимальный угол возвышения был ограничен +41 градусом — способность выпускать по 10 снарядов в минуту на ствол делала их вполне эффективным противовоздушным вооружением.
На базе установок «Де Мойнов» предполагалось разработать 3-4 орудийные башни с гладкоствольными орудиями, оптимизированными для стрельбы подкалиберными оперенными снарядами. Следует отметить, что конструкция башен «Де Мойнов» отличалась прекрасной надежностью, и максимальный темп стрельбы неоднократно демонстрировался на практике.
В дальнейшем также предполагалось разработать версии «Зевса» для 152-дюймовых универсальных орудий Mark-16DP (стоявших на легких крейсерах типа «Вустер») и в итоге и для 127-мм зениток Mark-12, составлявших основу противовоздушного вооружения существующих кораблей американского флота. Эти планы, однако, так и не были реализованы.
НАВЕДЕНИЕ
Наведение «Зевса» на цель выполнялось следующим образом. Аналоговый компьютер в системе управления зенитным огнем рассчитывал в реальном времени точку упреждения по летящему самолету (на основании данных от «ведущего» самолет зенитного радара Mk-25) и сопоставлял ее с предполагаемой траекторией полета снаряда (экстраполируемой из положения пушки в момент выстрела). Если расчетная точка упреждения смещалась от траектории снаряда — например, в результате маневра цели — то компьютер определял направление необходимой поправки и посылал команду на прожиг двигателя снаряда в тот момент, когда сопло снаряда смотрело в нужном направлении.
Вполне естественно, что для эффективной работы такой системы, бортовой компьютер корабля должен был точно знать, в каком положении находится снаряд в каждый конкретный момент времени. В противном случае, корректирующий импульс мог оказаться направлен не туда. Только зная с необходимой точностью, куда именно направлено сопло снаряда сейчас, компьютер мог определить момент выдачи импульса, чтобы сместить траекторию снаряда в желаемом направлении.
Были разработаны две разные системы определения положения снаряда: XRAM (произносится как «эксрэм») и XRAT (произносится как «эксрэт»).
Система XRAM — что расшифровывалось как eXperimental Radio Angular Mirror (англ. Экспериментальное Угловое Радиозеркало) — основывалась на сопровождении летящего снаряда узким лучом радара. В хвостовой части снаряда был смонтирован наклонный, вертикально поляризованный отражатель, соответствующий по размерам длине волны радара. Вращение снаряда в полете приводило к тому, что наклонное «зеркало» выдавало заметный пик отраженного сигнала в тот момент, когда поляризация «зеркала» совпадала с поляризацией антенны радара.
По промежуткам времени между пиками сигнала, корабельный компьютер рассчитывал скорость вращения снаряда — и, соответственно, мог определить его ориентацию в пространстве в каждый конкретный момент времени. Чтобы направить снаряд в нужную сторону, компьютер просто дожидался очередного пика, выжидал несколько миллисекунд пока сопло снаряда не окажется в нужном положении, и затем передавал команду на прожиг.
Отслеживание полета снаряда предполагалось осуществлять при помощи радара S- или Х-диапазона (частотой 2-4 ГГц или 8-12 ГГц), расположенного на крыше каждой орудийной башни. Радар должен был генерировать очень узкий луч — порядка 3 градусов шириной для S-диапазона и около 2 градусов для Х-диапазона — и сопровождать выстреливаемые снаряды лучом либо автоматически (моноимпульсным сканированием), либо под управлением бортового компьютера.
Для передачи командного сигнала использовался тот же луч радара, что и для сопровождения цели. Снаряд системы XRAM оснащался приемником соответствующего диапазона (кристаллическим или супергетеродиновым), двухконтурным усилителем сигнала и декодирующим устройством, соединенным с контуром воспламенения двигательного заряда. Приемная антенна встраивалась в хвостовое оперение снаряда.
Для подрыва снаряда XRAM вблизи цели предполагалось использовать обычный неконтактный радиовзрыватель VT-типа. Однако насчет его эффективности для корректируемого снаряда высказывались определенные сомнения, и поэтому было решено дополнить радиовзрыватель командным подрывом. Расположенная рядом с радаром дополнительная антенна по команде от компьютера (передаваемой, когда снаряд и цель оказывались на равном расстоянии от корабля) посылала достаточно мощный сигнал, чтобы заставить сработать VT-взрыватель.
Главной проблемой системы XRAM была необходимость в чрезвычайно быстро реагирующем радаре, способном «захватить» узким лучом вылетевший из ствола снаряд, сопровождать его до выдачи корректирующей команды, и затем столь же быстро переключиться на другой. Расчеты показывали, что в типовой реакции перехвата летящей наискось цели, радару HRAM придется переключаться со снаряда на снаряд в среднем каждые две секунды. Такой темп работы накладывал чрезвычайно жесткие требования на механику радара, которой еще и предстояло выдерживать непрерывное сотрясение от выстрелов зениток.
Существовала и другая проблема. Если цель двигалась прямо на корабль, то все летящие в нее снаряды оказывались в одном луче радара. В этом случае команда на коррекцию курса могла быть одновременно воспринята сразу несколькими снарядами — с удручающими результатами. Эту проблему предлагали решить интеграцией электронного таймера, основанного на «фантастроне» (особой конструкции электровакуумной лампе), который перед выстрелом устанавливался бы на необходимую задержку.
Третьей проблемой была зависимость XRAM от положения снаряда относительно линии визирования радара. Эксперименты демонстрировали, что если продольная ось снаряда отклоняется от линии визирования радара более чем на 6 градусов, то способность радара выделять пики сигнала резко снижается.
Сопоставление система XRAM (пунктирная линия) и XRAT (сплошная линия) по способности выделять пики модулируемого сигнала. По вертикали — градус отклонения оси снаряда от линии визирования радара
С другой стороны, система XRAM имела и достоинства. Использование в ней радаров с очень узким лучом сводило к минимуму проблему взаимных помех при обстреле одной цели с нескольких кораблей. В пределах одного корабля, необходимо было использовать разнесение по частоте между отдельными радарными установками примерно в 100 МГц. Разные же корабли могли применять XRAM с минимальным риском взаимных помех. Кроме того, узколучевая система XRAM была в значительной степени устойчива к радиопомехам: так как радар отслеживал полет снаряда по дальности, он мог легко отстроиться от сторонних помех.
Система XRAT — что расшифровывалось как eXperimental Radio Angular Transmitter (англ. Экспериментальный Угловой Радиопередатчик) — использовала компактный передатчик, размещенный в самом снаряде, и широкоугольную антенну на корабле. Передатчик (являвшийся модификацией стандартного радиовзрывателя VT-типа) посылал непрерывный сигнал на частоте 160 МГц. Этот сигнал принимался вертикально поляризованной корабельной антенной: в тот момент, когда поляризация вращающейся антенны снаряда совпадала с поляризацией антенны корабля, последняя принимала отчетливый пик сигнала.
По частоте повторения этих пиков, бортовой компьютер — такой же, как и для XRAM — рассчитывал частоту вращения снаряда вокруг продольной оси, и определял текущее положение сопла снаряда для подачи корректирующего импульса. Поскольку корабельная антенна XRAT принимала не «эхо» своего сигнала, а непосредственно сигнал передатчика на снаряде, то принимаемый сигнал был значительно «чище» и содержал меньше сторонних помех.
Визуализация сигнала, принимаемого от снаряда системы XRAT, в зависимости от дальности (выражаемой во времени полета)
Поскольку электроника XRAT была разработана на базе VT-взрывателя, то инженеры воспользовались предоставленной возможностью, и объединили всю электронику снаряда — передатчик системы ориентации, приемник коррекционной команды и, собственно, неконтактный взрыватель — в единый приемо-передающий комплекс. Единственная общая антенна отвечала и за передачу ориентационного сигнала (служившего также детекторным сигналом для радиовзрывателя) и за прием как коррекционной команды, так и отраженного от цели сигнала для подрыва боевой части. Рассматривался также командный подрыв снаряда повторной посылкой коррекционного сигнала.
Корабельная приемная антенна была достаточно сложной конструкцией, состоявшей из двух компонентов: вертикально поляризованной антенны Яги-Уда, предназначавшейся для приема сигналов от летящего снаряда, и спиральной передающей антенной, предназначавшейся для трансляции команды. Поскольку XRAT не требовала точного сопровождения каждого отдельного снаряда, то угол обзора антенны был достаточно широким и составлял порядка 50 градусов.
Для того, чтобы корабельная антенна могла распознавать отдельные летящие снаряды, частота излучаемого ими сигнала настраивалась индивидуально для каждого орудия. Принимаемый башенной антенной сигнал разделялся на три приемных устройства. Это позволяло значительно снизить требования к скорости реагирования системы и корректировать три снаряда параллельно.
Большим недостатком системы XRAT являлась ее относительная широконаправленность и чувствительность к сторонним сигналам. Это создавало значительные проблемы при стрельбе нескольких кораблей по одной цели. Чтобы решить проблему, было предложено использовать разделение сигналов по узким частотным диапазонам (в 0,5 МГц) в промежутке между 150 и 167 МГц. Также XRAT была в значительной степени восприимчива к радиопомехам, что планировали решить введением кодирования сигналов.
ИСПЫТАНИЯ
Испытания снарядов проекта «Зевс/Эрроу» начались в 1948 году на полигоне в Дальгрене (штат Вирджиния). Для экспериментов использовалась установленная на наземном лафете 203-мм 55-калиберная пушка со специально изготовленным гладким лейнером. Семьдесят шесть снарядов было отстреляно к концу 1949 года, подтвердив жизнеспособность концепции оперенного подкалиберного снаряда. В ходе испытаний также была успешно продемонстрирована возможность отклонить летящий снаряд в заданном направлении с помощью установленных перпендикулярно ракетных двигателей.
8-дюймовое 55-калиберное орудие на испытательном стенде полигона Дальгрена
Значительной головной болью для инженеров стала низкая надежность сложной электроники. Поначалу примерно в половине случаев, электроника отказывала при выстреле, и, поскольку выпущенные снаряды тонули в Потомаке, установить конкретные причины отказов было очень трудно. Чтобы решить эту проблему, инженеры полигона Дальгрена придумали изящное решение: плавающий снаряд! Названный «Пиноккио», этот «боеприпас» был изготовлен из дерева и стекловолокна и при падении в воду всплывал — после чего мог быть легко подобран для изучения. За счет применения «Пиноккио» и более эффективных методов тестирования в итоге удалось добиться 90% надежности электронной аппаратуры.
Для определения точности работы системы установления ориентации снаряда использовалась концепция, называемая «Sun Sonde» (англ./нем. солнечный зонд). Заключалась она в том, что экспериментальный приемо-передатчик оснащался узконаправленным фотоэлементом, реагирующим на солнечный свет. В момент, когда фотоэлемент оказывался направлен на солнце, происходил резкий скачок мощности сигнала.
Приемо-передатчик типо «Sun Sonde» с прорезью под фотоэлемент на боку
В полете, устройство «Sun Sonde» давало два различимых пика ориентационных сигнала. Первый — когда поляризация антенны снаряда совпадала с поляризацией антенны корабля. И второй — когда фотоэлемент оказывался направленным точно на солнце. Так как положение солнца на небе было известно с абсолютной точностью, то по степени расхождения между наблюдаемыми пиками можно было делать выводы о точности работы самой системы.
На испытаниях с «Sun Sonde» снаряды системы XRAM продемонстрировали среднюю точность в 5.8 градуса на временном интервале 4-11 секунд после запуска. Было отмечено, что после 14-15 секунды полета, отраженный сигнал от снаряда становился слишком «шумным», чтобы можно было выделить пики активности. Хотя эту проблему можно было решить, используя более крупные отражатели, тем не менее она представлялась фундаментальной для всей системы XRAM.
Система XRAT, в свою очередь, на испытаниях с «Sun Sonde» продемонстрировала среднюю точность в 4.8 градуса на временном интервале 1-28 секунд. Причем ее ориентационный сигнал оставался различим и на большем удалении. Кроме того, способность XRAT выделять пики принимаемого сигнала практически не зависела от наклона снаряда относительно линии визирования антенны — в то время как эффективность XRAM сильно падал, если отражатель смотрел не прямо на антенну. Окончательный выбор был сделан в пользу системы XRAT в 1950 году.
Для корабельных испытаний системы осенью 1952 был выбран тяжелый крейсер USS «Мэкон». В качестве прототипов использовались обычные учебные (инертные) 203-мм снаряды, которые оснащали экспериментальным приемо-передатчиком типа «Sun Sonde». Так как приемо-передатчик XRAT являлся модификацией стандартного головного взрывателя VT-типа, то его просто вкручивали в соответствующее гнездо учебного снаряда.
Крейсер «Мэкон», оснащенный для испытаний управляемых снарядов
Финальные испытания «Зевса/Эрроу» состоялись в 1953 году в Дальгрене. На них присутствовал лично начальник Бюро Боеприпасов (англ. Bureau of Ordnance, BuOrd), контр-адмирал Малкольм Шоффель. Было выпущено десять экспериментальных снарядов; для каждого выстрела, начальник BuOrd лично задавал угол возвышения и желаемое отклонение снаряда. И «Зевс» не подвел. Все десять выстрелов прошли безупречно, снаряды отклонялись строго в требуемом направлении (что легко можно было наблюдать по всплескам от их падения в Потомак).
По результатам тестов, BuOrd сделало вывод, что программа управляемых снарядов «развивается успешно», и «Зевс/Эрроу» может быть поставлен на вооружение в разумные сроки. Правда, к этому времени флот уже сомневался, что 203-мм орудие является оптимальной пусковой установкой — главным образом потому, что таких орудий было мало, и они могли устанавливаться только на сравнительно крупные крейсера — но инженеры NOL были убеждены, что смогут без особого труда разработать 127-мм версию «Зевса/Эрроу», которой можно будет стрелять из обычных зениток.
Проект достройки линкора BB-66 «Кентукки» (тип «Айова») в качестве корабля ПВО с тремя четырехорудийными 203-мм башнями, стреляющими управляемыми снарядами
И тем не менее, несмотря на успешные испытания, флот США принял решение прекратить финансирование программы управляемых пушечных снарядов. С точки зрения адмиралов, управляемые зенитные ракеты были просто более перспективны. В этом был как элемент характерной для 1950-ых «ракетомании», так и вполне себе трезвый расчет: потенциал развития ракет был значительно выше чем у пушечных снарядов, проектировать ракеты было значительно проще (ввиду намного меньшего ускорения чем при выстреле из пушки, требования к электронике и механике были намного легче для ракет) и ракеты не имели отдачи. Их можно было запускать с легкой и компактной направляющей, а не только из многотонного орудия. Что представлялось немаловажным в условиях, когда финансирование флота не позволяло строить в должных количествах даже эсминцы.
Ракетный крейсер «Канберра» — один из двух первых ракетоносцев американского флота — демонстрирует свои пусковые установки
Главным же виновником «падения» «Зевса» оказался «Терьер». Внеплановая зенитная ракета — созданная в кратчайшие сроки на основе испытательной ракеты для отработки систем наведения — вполне успешно перекрывала тактическую нишу «Зевса», при этом обладая значимыми преимуществами по дальности и мощности боевой части. Недостатком, правда, была неспособность ранних «Терьеров» работать по низколетящим целям — но эту проблему собирались решить (и в итоге успешно решили) доработкой системы наведения.
В 1953 году, программа «Зевс» была закрыта. Многие офицеры считали, что этот проект стал «последним артиллерийским испытанием когда-либо проводившимся для американского флота», и его закрытие стало окончательным символом победы ракет над ствольной артиллерией. Хотя в итоге это оказалось далеко не так, артиллерийские испытания в Дальгрене (за исключением тестирования новых боеприпасов) не возобновлялись до 1960-ых.
