«Железный купол»: логика работы и техническое воплощение

Защита от атак реактивных снарядов жизненно необходима для Израиля. Тактическая система их перехвата постоянно проходит проверку на прочность в реальных ракетных нападениях. Мы расскажем о принципах работы и основах устройства эффективного противоракетного комплекса, прикрывающего города.

Простой снаряд с несложным запуском

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Реактивные снаряды прошли долгий путь от средневековых пороховых ракет до реактивных систем залпового огня. Они широко прижились в системах вооружений: это блоки неуправляемых авиационных ракет для самолетов и вертолетов и многие системы залпового огня. Простота конструкции позволяет делать их при минимуме производственного оборудования. Как и простейшие пусковые устройства, вместе образующие кустарный ракетный комплекс дальностью в десяток километров. Примером служит «Кассам», возникший в начале нашего века.

Это металлическая труба длиной от менее метра до трех и более и диаметром с руку или ногу человека (6–18 см). Спереди у нее заряд взрывчатки и взрыватель, а основную часть трубы заполняет масса твердого топлива. Завершается корпус донным блоком с несколькими соплами и стабилизаторами снаружи.

Тяга двигателя сдергивает ракету со стартового устройства и бросает на 8–15 км, а тяжелые варианты и на 40–60 км. Реактивный снаряд летит подобно артиллерийскому снаряду гаубиц калибра 152 мм, на сопоставимые расстояния и с похожей скоростью. Топливо в тонком корпусе ракеты сгорает под меньшим давлением и не так эффективно, как порох в стволе орудия, поэтому им заполняют почти всю трубу. Неэффективно и прицеливание через простую установку стартового устройства в нужном направлении. Попадание по точечной цели невозможно из-за разброса характеристик ракеты и низкой точности ее изготовления.

Но пролететь свои километры «Кассам» может, поэтому его запускают по площадным целям с жилой застройкой. Осколочно-фугасная боевая часть способна поразить незащищенных людей, транспорт, повредить или поджечь здания. «Кассамы» запускают по израильским городам вблизи сектора Газа — Сдероту и Ашкелону.

Используя заводскую или кустарную пусковую установку, можно запустить и снаряд от реактивной системы залпового огня «Град». Диаметром 12 см и длиной почти 3 м, он может улететь на 20–40 км. Точность его пуска тоже невысока, но падение на город вполне может получиться.

Простота кустарной работы позволяет делать «Кассамы» во множестве. Снаряды «Градов» тоже не штучные: боекомплект полного снаряжения установки составляет 40 снарядов. Если к ним есть доступ, то не к одной ракете. Возникает возможность залповой атаки многими снарядами, для защиты от которых нужна противостоящая техническая система.

Птицу видно по полету

Возможности и технические черты такой системы происходят от свойств ее типовых целей: множественность, неуправляемость и диапазон скоростей. Системе нужно уметь поразить сразу десяток или больше целей. Их скорости определяются дальностью: чем больше дальность, тем выше для нее нужна скорость снаряда. На дальностях в первые километры скорость самых медленных «Кассамов» может быть дозвуковой. Реактивный снаряд «Града» после выгорания топлива получает сверхзвуковую скорость около 700 м/с. Атмосфера «съест» часть скорости аэродинамическим сопротивлением, но сверхзвуковой режим полета сохранится.

На масштабе десятков километров гравитационное поле Земли однородно, его силовые линии параллельны. Траектория свободного баллистического полета будет опрокинутой параболой с восходящей к вершине частью и нисходящей к точке падения. Без атмосферы эти две части одинаковы и симметричны. Но воздух «съедает» скорость снаряда, замедляя его к нисходящей части, и она снижается круче восходящей. Это привычная, хорошо изученная и освоенная траектория пуль и артиллерийских снарядов.

Важная их черта — неуправляемость. Снаряд падает по свободной баллистической траектории. С ее расчетной линии он немного сдвигается комплексом возмущений. Это небольшие углы атаки от неточности формы снарядов, их колебаний и вращений и снос бурлящей атмосферой. В силу случайности возмущений они частично парируются, и снаряд не уходит далеко от расчетной траектории; его путь и положения в небе легко предсказать.

Не самая большая сверхзвуковая скорость и понятная траектория делают эту цель не очень трудной. Осложняют ситуацию малое время полета и множественность целей. Как решать задачу их перехвата?

Способ и средство поражения

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Перехватом называют принудительное прекращение полета цели в прежнем направлении. Для баллистических целей это уничтожение или отклонение точки падения от защищаемого объекта. Уничтожение — самый верный путь; нужно выбрать способ.

Атакующий реактивный снаряд направлен вдоль своей скорости, подобно стреле. Ближе к цели он летит носом к ней и виден оттуда в анфас, в самом скромном ракурсе. В его 16-см диаметр надежно не попасть из зенитной пушки. А прямое попадание нужно и бронебойному снаряду, и ударному взрывателю для срабатывания.

Гораздо лучше взорвать у цели мощный осколочно-фугасный заряд. Он разрубит цель на куски действием ударной волны взрыва или сильно отклонит вбок ее движение. Поток осколков пробьет цель во многих местах, помогая ударной волне и выводя из строя начинку. С выбором осколочно-фугасной боевой части задача перехвата разделяется на два этапа: доставка заряда к цели и подрыв его там.

Лучшая доставка будет управляемой ракетой. Сверхзвуковая скорость обеспечит быстроту и короткое время, а управление полетом приведет к цели до поражающей близости. Система подрыва в нужный момент взорвет боевую часть ее полным действием по цели.

Сверхзвуковая скорость даст перехватчику также и маневренность. С помощью управляющих «крылышек» ракета займет угол атаки в 2–3 градуса к набегающему потоку воздуха. И этим создаст мощное газодинамическое сжатие потока на обдуваемой боковой поверхности перехватчика. Возникшая вдоль всего корпуса зона высокого давления даст боковые силу и перегрузку в десятки раз больше ускорения силы тяжести. Эта перегрузка энергично и быстро развернет полет в нужную сторону, обеспечив высокую маневренность ракеты-перехватчика. Но зачем она нужна? Ведь цель летит по понятной, плавно изгибающейся кривой, не меняя генерального движения.

Маневренность понадобится на последнем этапе сближения с целью. В процессе управления полетом всегда есть текущая ошибка, ракета летит с текущим промахом. Цель с приближением не остается точно впереди перехватчика, а смещается вбок от его курса. И чем ближе, тем сильнее и быстрее. Перехватчик стремится довернуть свой полет на цель, чтобы лететь прямо к ней, а не мимо. И создает для этого все большую боковую перегрузку, возрастающую вблизи цели. Именно она изгибает траекторию полета, которую нужно провести через убегающую цель.

Как обнаружить летящий снаряд

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Но как разглядеть в небе запущенный реактивный снаряд? И сделать это как можно раньше, чтобы успеть с ответными действиями. Оптические средства не годятся, они не разглядят снаряд ни ночью, ни в сложных метеоусловиях: за плотными низкими облаками или в тумане, дымке, дожде. Инфракрасный (тепловой) канал наблюдения тоже неэффективен: в нем видно только горячие цели, источники теплового излучения. Например, сопла двигателей самолетов и ракет или раскаленную реактивную струю из них.

Но двигатель реактивного снаряда работает всего 5–10 секунд. Затем горячий выхлоп исчезает, а сопло остается направлено к точке пуска, а не к району будущего падения, откуда его не видно. Сверхзвуковое обтекание тоже не разогревает переднюю часть корпуса до яркости в инфракрасном диапазоне. Как тепловая цель реактивный снаряд тускл и малоразличим. Дождь, туман или облака не позволят разглядеть в небе слабый источник инфракрасного излучения.

Зато металлический снаряд хорошо отражает радиоволны. Поэтому радиолокационный канал обнаружения и измерения движения решит обе эти задачи. Радар не только обнаружит цель, но и определит тип снаряда. Это можно сделать по сигнатурам — мелким индивидуальным особенностям отраженного сигнала, характерным для каждого типа цели: конкретного варианта «Кассама», «Града» или других снарядов. Тип цели поможет уточнить прогнозы по движению, потому что у каждого типа снаряда свой баллистический коэффициент, говорящий о его торможении воздухом.

Увидев цель, радар несколько раз измерит положение снаряда в пространстве, его координаты. Сделав это последовательно, радар построит текущую траекторию и вектор скорости цели, ее величину и направление. Составляющие скорости радар увидит и по изменению частоты отраженного снарядом радиоизлучения радара, ее смещение покажет радиальную скорость цели. По этим данным можно рассчитать будущую траекторию. Полученную радаром информацию радиолокационная станция отправит в вычислительный центр управления боем и оружием, или центр управления огнем.

Дирижер перехвата

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Он рассчитает дальнейшую траекторию цели и спрогнозирует будущую точку падения. Станет понятно, придется ли она на населенный пункт, аэродром или другой защищаемый объект. Или боевая часть снаряда разорвется в пустыне или море, не причинив вреда. Из-за кустарности «Кассамов» и несовершенства прицеливания снарядов «Града» только примерно пятая часть запущенного летит на защищаемые объекты. Надо определить угрозы и работать только с ними, не отвлекаясь на остальные цели. Так летящие снаряды селектируют на опасные и неопасные.

Для траектории станут известны и положения на ней снаряда в любой момент времени — прогноз движения и оставшееся полетное время. Зная путь в небе и «график движения» по нему, можно рассчитать перехват. В подчинении центра управления огнем есть три или четыре пусковые установки с готовыми к старту ракетами-перехватчиками, стоящие в разных точках местности вокруг защищаемого объекта. Центр выбирает лучшую для запуска ракеты установку и определяет момент старта.

В отличие от радиолокационной станции центр управления огнем работает напрямую не с целью, а с ракетами-перехватчиками. Он рассчитывает их траектории, проходящие через будущие положения цели. Выбрав лучшие (самые эффективные и своевременные) траектории, он дает команду на запуск двух ракет с выбранных пусковых установок в оптимальной последовательности.

Алгоритмы расчета, как и программное обеспечение, не афишируют; для быстроты используют вычисленные заранее типовые ситуации. Аналог библиотек готовых траекторий для всей зоны действия комплекса. Их быстрее скорректировать по фактической задаче и параметрам движения цели. Это сократит время выбора ракеты и выдачи команды на запуск перехватчика.

Дело кажется не очень сложным, но цель может быть не одна. В боевой ситуации возникают десятки целей в пространстве, каждая со своими параметрами движения. Измерить и обсчитать этот массив данных — одна половина задачи. Вторая — как оптимально сбить все требующее перехвата. Сколько ракет, с каким избытком, с учетом меняющейся ситуации в ходе текущих перехватов. Новые цели непрерывно обнаруживаются, сбитые удаляются из списка. Как развивается вся оперативная насыщенная картина, какова динамика этой большой системы? О чем она говорит, каким языком описана и что с ней делать?

В сложных, нагруженных множественными целями моментах становится важна не сама по себе скорость перехватчика, его маневренность или мощность боевой части. С усложнением баллистической обстановки обеспечивать победу начинает оптимизация запусков и быстрота принятия решений. Эффективность перехвата многих целей достигается не только нужным количеством ракет, но и оптимальным расходованием их. Дирижирование сложным боем определит его успех больше, чем параметры ракеты-перехватчика. Быстрый выбор и принятие решений о запусках обеспечивает центр управления огнем, выдавая команды на запуск всего через несколько секунд после обнаружения целей.

Погоня сверхзвуковой гончей

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

С боевой командой на запуск эстафета переходит к перехватчику. С оглушительным звуком из пусковой установки вылетает фонтан огня с одной стороны и ракета-перехватчик с другой. В считаные секунды твердотопливный двигатель разгоняет ракету до сверхзвуковой скорости, и она начинает свою стремительную погоню.

Чтобы попасть в цель самонаведением, ракете нужно ее видеть. В полете перехватчик управляется видимым положением цели относительно центра его поля зрения. Самонаведение стремится либо загнать цель в центр поля зрения (доворотом на нее ракеты), либо удерживать в небольшом отступе от центра, не позволяя ему увеличиваться. Детали определит конкретный метод самонаведения, которых существует несколько. Обзор пространства перед перехватчиком, наблюдение в нем положения цели и выработку управляющих команд делает головка самонаведения.

Зрение ракеты реализуется технически в приеме электромагнитного излучения, испускаемого целью. Это может быть инфракрасный (тепловой), оптический или ультрафиолетовый диапазон. Но они плохо работают в тумане и дымке, дожде и облаках, не видя цель в завесе плохих погодных условий. Можно использовать отраженные от цели радиоволны, направляемые излучателем ракеты; тогда головка самонаведения будет активной радиолокационной.

Чем мощнее излучение, тем дальше «видит» радиолокационная головка самонаведения. Мощность излучения требует, однако, емкого источника питания; вместе с излучателем это масса на борту перехватчика, делающая его тяжелее. Требования легкости и компактности бортового оборудования ограничивают дальность работы радиолокационной головки, и она не видит цель так далеко, как мощный наземный радар.

Однако ракету можно запустить и без наблюдения ею цели. В этом случае самонаведения не получится; но управление полетом может быть и другим. В том числе по командам, посылаемым на борт. Оно так и называется: командное наведение. Для него нужен центр выработки управляющих команд, канал связи с ракетой для их передачи на борт и наблюдение «сторонним» радаром взаимного положения и поведения ракеты и цели, по которым будут вырабатываться управляющие команды.

Это сложнее технически, зато экономит время (старт можно делать раньше) и снижает массу ракеты, делая ее более скоростной и маневренной. Эффективность — сложные весы из многих чаш. Первая (и часто основная) часть полета происходит по командному наведению, подводящему ракету к цели до «прозрения» головки самонаведения. После того как она заметила («захватила») цель, управление погоней переключается с командного на самонаведение, продолжающее стремительное и более точное сближение с целью. Это повышает надежность перехвата.

Можно после старта лететь не сразу прямо на цель, а завести ракету в точки будущей траектории цели. Оттуда сближение с целью будет лобовым, там она не смещается из центра поля зрения головки, а лишь растет в размерах. Неподвижная цель в центре, в нуле отклонений, самая простая ситуация: управление полетом здесь лишь стабилизирует прямолинейное сближение. Из точек возле траектории подлетающая цель видна в медленном и потому рабочем сползании из центра поля зрения перехватчика, которое легче отработать возможностями ракеты. Командное наведение позволяет завести ракету в нужные области пространства, оптимальные для перехвата, и там развернуть ее в сторону цели. Дальнейшее сближение обеспечит захват цели головкой ракеты и включит самонаведение перехватчика.

Финальная вспышка

Но вот цель рядом, и наступает критический момент: получится или не выйдет поразить ее. Как мы помним, это делает взрыв осколочной-фугасной боевой части. Ее нужно взорвать так близко к цели, чтобы действие взрыва и осколков было мощным, разрушающим и решающим.

Прямого попадания в цель может и не случиться: система управления полетом перехватчика работает с ошибкой, с текущим промахом. Он может быть совсем небольшим, и ракета пройдет впритирку к цели, в полуметре, но не зацепит прямым контактом. Значит, контактный ударный взрыватель использовать нельзя.

И это обычная ситуация для зенитных ракет. Команда на подрыв боевой части без прямого удара по цели может вырабатываться самыми разными способами. Распространенное решение — радиолокационные взрыватели. Они сработают по достижении критической близости цели, и этот момент определяют тоже разными методами. Не вдаваясь в их тонкости и детали, просто отметим, что неконтактный подрыв боевой части решает проблему с текущим промахом. И когда цель окажется в зоне поражения боевой части, система подрыва выдаст боевую команду на взрыв, немедленно исполненную.

«Железный купол»

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

В таком формате и была создана израильская тактическая система перехвата неуправляемых реактивных снарядов «Железный купол» (Iron Dome, на иврите «Киппа?т барзе?ль»). Она создавалась для защиты от атак «Кассамов», «Градов» и других похожих снарядов, в том числе артиллерийских (имеющих сходные калибр, скорость и характер движения), выпущенных с расстояния до 70 км (оно определяет скорость полета).

В апреле 2007 года Министерство обороны Израиля заключило контракт на разработку и производство комплекса с израильской компанией Rafael. Система создавалась сразу с учетом перспективы роста дальности реактивных снарядов, которые необходимо перехватить.

В марте 2011 года первые две батареи начали боевое дежурство, в апреле перехватив восемь ракет «Градов», запущенных из Газы. За год работы «Железный купол» сбил 93 ракеты, а за ноябрь 2012 года уничтожил 421 ракету. В мае 2021 года за 10 дней из Газы было запущено более 4,3 тыс. ракет; только в первые сутки конфликта их запустили 470. «Железный купол» перехватил более 90% ракет, летящих на населенные пункты.

Сегодня 10 батарей «Железного купола» несут круглосуточное боевое дежурство. Батарея — это единица комплекса в полном составе. В нее входит многоцелевая радиолокационная станция EL/M-2084 компании ELTA Systems, центр управления огнем и три или четыре пусковые установки по 20 ракет в каждой, размещенные в разных точках местности. Все части комплекса соединены беспроводной связью с высокой степенью защищенности.

Ракета «Тамир» (сокращение слов «ракета-перехватчик» на иврите) длиной 3 м и диаметром 16 см весит 90 кг. Управление сочетает командное наведение на начальном этапе полета и самонаведение на конечном. Его выполняет активная (с бортовым излучателем) радиолокационная головка самонаведения и «крылышки» аэродинамических рулей. Твердотопливный двигатель разгоняет ракету до 730 м/с, дульной скорости пули при выстреле из автомата Калашникова. Это позволяет перехватчику успеть встретить цель еще в отдалении от защищаемой территории. Одна батарея прикрывает около 150 км? местности, что эквивалентно площади круга диаметром 14 км.

Сегодня и завтра «Железного купола»

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Самая массированная атака из Газы началась утром 7 октября 2023 года с запуска около 5 тыс. реактивных снарядов. Противостояние шло по количественному фактору: 10 батарей «Железного купола» содержат максимум (если во всех батареях по четыре пусковые установки) 800 ракет-перехватчиков. Взяв 20% опасных снарядов из 5 тыс. запущенных, получим 1 тыс. снарядов на 800 «Тамиров». Притом что по одной цели часто запускаются две ракеты для надежности. Массовость атаки преодолела возможности «Железного купола»: часть реактивных снарядов перехватить не удалось.

Это усиливает уже звучавшие оценки, что Израилю нужны 15 батарей «Железного купола». Вопрос в финансах, производстве и времени: одна батарея стоит около $50 млн, одна ракета «Тамир» обходится в $50–80 тыс. Затраты на перехват цели выходят порядка $100–150 тыс.

Но стоимость защищаемых объектов намного выше, а человеческие жизни и вовсе не оценить в долларах. Поэтому нет сомнений, что количество несущих дежурство батарей «Железного купола» в Израиле вырастет. Одновременно ведется модернизация системы для перехвата снарядов с дальностью пуска в 200–250 км, появление которых у атакующих сторон вопрос времени.

Эффективность «Железного купола» вывела его на международный рынок. Батареи комплекса закупили США, Индия, Румыния и Азербайджан. Намерения приобрести и подписание соглашений в разное время озвучивались Кипром, Саудовской Аравией, Сингапуром и Южной Кореей. Кроме этого, разработчик комплекса компания Rafael создает вариант для морского базирования. В нем можно использовать радар корабля, удешевляя систему, а компактность пусковых установок позволяет размещать их на небольших кораблях или даже на морских нефтяных и газовых платформах.

Угрозы атак тактическими реактивными (и артиллерийскими) снарядами растут, доступ к этому оружию получают все больше организаций и группировок. Мало сомнений, что актуальность систем для их перехвата будет расти, а использование — расширяться. Оборона — дело жизненной важности, и дальнейшее развитие и распространение «Железного купола» легко предсказать. Как и где он отработает будущие атаки, покажет время.

Николай Цыгикало, член-корреспондент Российской инженерной академии