Миф о перегрузках в воздушном бою (теперь и в космосе)

Недавно посмотрел одно видео, с которого у меня пригорело к газоструйным рулям. Девушка — писательница космофантастики рассказывала, как будет выглядеть реальный космический бой. И практически начала с того, что пилот выдерживает «жалкие 9 g», а металлические конструкции гораздо больше. Что иронично, начала с ограничений химических ракет, из-за которых придётся облегчать конструкцию, и продолжила через «для космоса 3 млн км это почти в упор». Я не буду говорить про «жалкие 9 g»: о масштабах величин уже писал. Хочется сказать «вот что даёт общение с железным без критического мышления», но интересно рассказать не об этом. Интересно развенчать распространённый миф, что в авиации перегрузки ограничены человеком в кабине, а значит и в космонавтике будут.

Миф основан на том, что для разных зенитных ракет и РВВ заявлена эксплуатационная перегрузка 30-40-60-ктобольше, а норматив для допуска к пилотированию истребителя — 15 секунд сохранять периферийное зрение в кресле под 7-8 g. На основании чего делается вывод, что плоть слаба, и если мы уберём пилота из кабины, самолёт тоже будет выдерживать 30-40-60-ктобольше. Ну а в космические истребители пилота пока не сажали, значит и не надо. Характерный пример нейросетевого мышления, когда мы смотрим на цифры без понимания сути процессов.

Это кого надо перегрузки

Тот самый норматив касается положительной перегрузки по линии голова-ноги. 7 для обычного кресла, 8 — наклонного. Почему так? Это имитирует действие аэродинамических сил на вираже. Да, есть такой нюанс, что за счёт подъёмной силы самолёт не только летает, но и меняет курс. Там нет руля, там элероны вращают планер по крену (вдоль продольной оси), после чего у подъёмной силы появляется горизонтальная составляющая, которая и поворачивает самолёт в плоскости, параллельной земле. Вертикальная составляющая при этом очевидно уменьшается, и чтобы компенсировать просадку, штурвал тянут на себя, увеличивая угол атаки. В некотором роде, вираж это петля, положенная на бок. Руль направления на хвосте нужен не чтобы серьёзно изменить курс, а чтобы подруливать, устраняя небольшое скольжение, которое может возникнуть в полёте по разным причинам. Но это детали. Главное что равное действию противодействие направленно строго вниз в системе координат самолёта. Дополнительный вес возникает за счёт того, что если у подъёмной силы появилась горизонтальная составляющая, а вертикальная не уменьшилась, общая её величина возросла как единица делить на косинус угла крена. Потеря сознания происходит из-за того, что «потяжелевшую» под действием центробежной силы кровь сложнее качать вверх до мозга.

Почему в кабине истребителя пилот должен именно сидеть вертикально относительно крыльев? Ну, ему надо смотреть через кокпит, кто там у него на хвосте, и что там индикатор на лобовом стекле рисует. При наклоне спинки больше 30 градусов крутить головой будет крайне неудобно. Плюс куча других причин, связанных с эргономикой. В том числе катапультирование. Предел в 30 градусов экспериментально нащупали с F-16: пилоты массово жаловались на сильные боли в шее, так как им приходилось постоянно выгибать голову вперед, чтобы смотреть на ИЛС. Плоть слаба? Yes, but...

Когда говорят, что зенитная ракета выдерживает 30-40-60, речь именно о такой перегрузке. Противодействии подъёмной силе на вираже. Которой в космосе не бывает из-за отсутствия воздуха. Перегрузки продольные, которые возникают при разгоне и давят от груди к спине, человек и 10-15 выдерживает без потери сознания. Таких перегрузок у самолётов естественным образом не возникает.

А насколько большая перегрузка может потребоваться ракете с учётом ограниченности топлива и желания облегчить конструкцию? Ведь зенитная ракета ограниченна в размерах: снизу боеголовкой, достаточной для поражения цели, а сверху — габаритами пускового контейнера. Лишняя перегрузка всегда даёт лишний вес несущей конструкции, а где его взять? Вместо погони за максимальным ускорением ищут оптимальное сочетание возможностей с боезапасом.

Красный багги обгоняет всех

Математика говорит нам, что до скорости 3-4 Маха, на которой работает большинство проивовоздушных ракет, с ускорением 10-15 g можно разогнаться за 7-15 секунд, пролетев при этом километров 5-7. В реальности РВВ средней и большой дальности (100+ км) имеют скорее ускорение 15-25 g, редко 30, и до 10 секунд разгона. Единственное исключение — аналоговнетный «Метеор» от европейцев, но там из-за прямоточника, это отдельная песня.

А зенитные делают не совсем так. Советская и китайская школа в основном использует т.н. холодный старт. Сначала газовый поршень выбрасывает ракету вверх из контейнера, это ~четверть секунды с перегрузкой 10-15. Потом зависание и разворот с помощью импульсных микродвигателей. Потом 2-3 секунды работает стартовый ускоритель, перегрузка зависит от, но для комплексов средней и большой дальности это 25-40. Потом включается маршевый двигатель, и весь остальной полёт продольная перегрузка не превышает 3-5 g либо вообще отсутствует. Вариант с горячим стартом, когда ракета включается прямо на пусковой, доминирует в натовских комплексах. Это упрощает конструкцию самой ракеты, но накладывает дополнительные ограничения на пусковую. Возможности стартового ускорителя принципиально не меняются.

Бороться за ускорение побольше можно ради уменьшения мёртвой зоны, например, когда речь идёт о ракетах «воздух-воздух» малой дальности, применимых в the dogfight. Но там конструкторы не пробивают стенку головой с разбега, а добиваются уменьшения минимальной дистанции пуска за счёт управляемого вектора тяги, который позволяет ракете маневрировать до того, как она набрала полную скорость. Для этого нужна, собственно, большая тяга, что достигается за счёт мощного стартового импульса. Перегрузка 30-50 длится секунду или две, за которые двигатель прогорает. Ракета для догфайта это по сути умная пуля, которая бьёт реально на те самые 5-7 км, если пускать её вдогон из положения «я у него на хвосте». Указанные в Википедии цифры 15-20 км это пуск на встречных курсах и на излёт с крайне невысокими шансами попасть.

У РВВ для the BVR, как я уже сказал выше, перегрузка на разгоне 15-25, т.к. им нет совсем никакого смысла набирать скорость быстро. В наземной эшелонированной ПВО проблему мёртвой зоны в несколько км предпочитают решать в первую очередь за счёт пушек, вполне эффективных на таком расстоянии. Или за счёт своего пути в виде «Панциря», где ракета действительно имеет стартовую перегрузку 50, но ценой всего %данные удалены%. Не так важно, чего именно, главное понимать, что это именно особый путь: мировой мейнстрим движется в сторону C-RAM.

А что там у кожаных? Эксперименты в центрифугах НАСА и советских космических программ подтвердили, что в течение секунды-двух добровольцы сохраняли когнитивные функции и понимали, что происходит вокруг, при продольных перегрузках до 25. Но это подводит нас к тому, зачем вообще ракета быстро набирает скорость.

Наш любимый квадратокуб, куда без него

Зачем нужны 3-4 Маха — понятно. Чтобы достичь границы радиуса действия (несколько сотен километров) быстрее, чем ситуация изменится по сравнению с моментом, когда принято решение на пуск. Ракета уступает самолёту по энергетике: имеет радикально меньший запас хода. Заблаговременно узнав о пуске, истребитель-бомбардировщик со скоростью в районе 1 Маха (и более на форсаже) может просто покинуть зону досягаемости. В особо запущенном случае — ещё и сделав какое-нибудь грязное дело, после которого перехватывать придётся уже ФАБ-ы с УМПК. Но зачем набирать их сразу после старта, если какой-нибудь С-300 бьёт на несколько сотен километров, как и современные РВВ?

Требование компактности в контейнере ведёт к тому, что ракета не может без проблем иметь огромные крылья. К счастью, подъёмная сила пропорциональна квадрату скорости, но линейно зависит от площади поверхности. При скорости 3-4 Маха, которая всё равно нужна для дальнобойности, основную подъёмную силу обеспечивает сам корпус. При скорости в районе нуля он ещё недостаточно силы создаёт, и какое-то время приходится взлетать на струе, ради чего и делается стартовый бустер, превосходящий по тяге маршевый двигатель. Естественно, у ракет «воздух-воздух», которые изначально запускаются истребителем на трансзвуковой скорости, нет такой проблемы.

Обратная сторона медали: органы управления, которые рассчитаны на такую скорость, просто не смогут поворачивать ракету, пока не наберут её. И скорость, при которой ракета в принципе может лететь, намного меньше той, при которой она может маневрировать. Наклон крыла не приведёт к появлению достаточно большой подъёмной силы, пока не наберутся те самые 3-4 Маха. Из-за чего и возникает мёртвая зона/минимальная дальность пуска. И уже не приведёт, когда скорость снизится из-за трения об атмосферу, поэтому попадания на излёте маловероятны. Пока ракета не разогналась, она не может выйти на цель с помощью аэродинамаческих органов управления. Именно эту проблему в современных ракетах ближнего боя решают управляемый вектор тяги и газодинамические рули — манёвр с их помощью возможен на любой скорости, была бы реактивная струя. А в некоторых ракетах для BWR делают вторую ступень, которая включается в окрестностях цели, чтобы снова набрать скорость после долгого полёта по инерции.

Но почему ракете нужна перегрузка в 4-9 раз больше, чем у самолёта, чтобы уверенно в него попадать? Потому что радиус виража в первом приближении определяется известной со школы формулой для движения по окружности с постоянным ускорением: R = V^2/a. Если мы летим в 2-3 раза быстрее, а вираж хотим делать с тем же радиусом, то должны выдержать перегрузку в 4-9 раз больше. Поэтому, хотя ваша наивно-житейская интуиция, основанная на движении объектов по земле, говорит, что классическая ракета «Сайдуиндер» с заявленной перегрузкой 20 или 35 должна точно догонять и поражать современный ей МиГ-23 с заявленной перегрузкой 8.5… в воздухе это нифига не так. Наоборот опыт боевого применения классического «Сайдуиндера» показал его недостаточную манёвренность. Потому что он свой вираж с перегрузкой 20-35 крутит на скорости, втрое большей, чем МиГ-23 крутит свой вираж с заявленной перегрузкой 8.5. V^2 отличается в 9 раз. Значит, пока «Сайдуиндер» не прокачается до перегрузки 70-80 (прокачался только в версии AIM-9X), МиГ всё ещё может увернуться. Нюанс в том, что при сверхзвуковом полёте у МиГ-23 максимальная перегрузка ниже… но это уже другая история о том, почему следующее после него четвёртое поколение истребителей получилось именно таким. Вкратце: оптимизация под догфайт на дозвуковых скоростях вызвана тем, что так живучесть радикально повышается.

Сравнение жопы с пальцем

Но ведь в космосе нет виражей, там же всё должно так работать? По наивно-житейской интуиции.

Да и нет. Мы разобрались, какая и зачем ракете нужна перегрузка в 9 раз больше, чем самолёту, осталось понять, почему это возможно обеспечить. Просите за грубость, но тут буквальная ситуация про жопу с пальцем. Твердотопливная ракета представляет собой палец монолитный карандаш, который хорошо сопротивляется нагрузкам на изгиб. Подъёмную силу создаёт весь корпус, значит, нагрузка распределена равномерно. Единственные трудности могут возникнуть в местах крепления электроники, но её тупо заливают смолой. В жопе боевом самолёте нагрузкам на изгиб должно сопротивляться крепление крыла к фюзеляжу. Сам фюзеляж при этом полый не только из-за кабины пилота, но ещё из-за топливных баков, люков для внутренней подвески ракет, шасси тоже куда-то убирать надо и так далее.

Добавим сюда закон квадрата-куба. Прочность конструкции растёт пропорционально площади сечения, а масса - объёму. Убрав из истребителя пилота, мы не получим автоматически возможность выдержать перегрузку в 9 раз больше. И далеко не факт, что выигрыша в массе хватит на требуемое усиление силового набора. В форм-факторе истребителя и с учётом его задач это, скорее всего, вообще невозможно.

Теперь и в космосе

В космосе виражей нет. Любые резкие маневры делаются за счёт включения маршевого двигателя. Нет противоречия между векторами тяги и подъёмной силы, значит, серьёзных нагрузок на изгиб и перегрузок по линии голова-ноги не возникает. Материал испытывает нагрузку на сжатие, а пилот, лежащий в кресле — продольную перегрузку. В течение 1-2 секунд тренированный космонавт может выдержать до 25g, чуть подольше — 10-15 без потери сознания. Это охватывает штатные перегрузки любых тяжелых ракет на старте. И даже нештатные. Собственно, система аварийного спасения космонавтов создаёт такие перегрузки, и именно ради неё проводились ужасные научные эксперименты.

Штатная перегрузка беспилотных грузовых ракет при старте (что у Протона, что у Falcon-9) составляет 5-7 g. 15-20 бывает у военных МБР. Единственное заметное исключение — противоракеты первого поколения, предназначенные для перехвата на терминальном участке. Которые делались из вообще нетипичных ни для космонавтики, ни для авиации материалов, чтобы выдержать продольные 100g на сжатие и движение в плотных слоях атмосферы со скоростью 10 Махов. У них была в этом довольно экзотическая необходимость. Радары того времени были относительно примитивны и неспособны обеспечить никакую селекцию ложных целей на заатмосферном участке траектории МБР. Поэтому добавление к боеголовке простых советских надувных шариков начисто исключало любую возможность экономически оправданного перехвата выше 60-80 км. И даже возможность понять, что именно ваш объект действительно атакован. А системы управления того времени не позволяли гарантировано поразить боевой блок неядерной боеголовкой. Отсюда минимальное ограничение по высоте, на которой вы готовы устроить над своей территорией множество ядерных взрывов. Надо попадать в рамочку. Математика сходится на необходимости неадекватного ускорения, которое больше ни в каких задачах не возникает. Даже в современной задаче ПРО, ведь радары стали лучше, простые советские надувные шарики больше не работают, и цель теперь поражается прямым попаданием.

Т.е., если вам очень хочется ходить в туалет, делая берёзку на сливном бачке, объяснить, зачем космической ракете нужна сверхчеловеческая перегрузка, можно. Я сам предложил возможное объяснение в КГСС

Два лишних порядка энерговооруженности позволяют создать лазер, эффективный против крейсера на дистанции в десятки тысяч километров, с которой от любого реалистичного рейлгана можно уклоняться легко и непринужденно. На расстоянии до тысячи километров этот монстр будет просто дезинтегрировать что угодно, так что, характерные дистанции перестрелок резко возрастают. Неизбежно становятся крайне популярны технологии снижения заметности и прочей радиоэлектронной борьбы. ... Торпедам становится гораздо сложнее: они теперь не могут рассчитывать приблизиться к цели даже на 2000 км, и должны развить скорость, позволяющую пролетать такое расстояние за доли секунды (но см. примечание). Чтобы разогнаться так за 10 минут, нужно уметь обеспечить себе ускорение по меньшей мере 30 g и миллион км дистанции про запас.

Но когда писал «Кровь и ядерное топливо», вспомнил о том, что инженеры предпочитают не пробивать стенку головой с разбега, а искать калитку. И последние 2000 км преодолевал рентгеновский лазер с накачкой от ядерного взрыва.

Только у писательницы, с которой всё началось, космический бой это перестрелка ракетами на миллионах километров, а лазеры условно современные и могут только сенсоры выжигать. Откуда в такой картине возникает необходимость многоразовой ракеты с ускорением больше 20g — ума не приложу.