XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji Prof. WAT dr hab. inż. Jan PIETRASIEŃSKI Dr inż. Marcin WARCHULSKI Dr inż. Jacek WARCHULSKI Mgr inż. Witold BUŻANTOWICZ Wojskowa Akademia Techniczna UWARUNKOWANIA KINEMATYCZNE OBSERWACJI POCISKÓW BALISTYCZNYCH Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań symulacyjnych ruchu pocisków balistycznych oraz wskazano uwarunkowania kinematyczne ich obserwacji. KINEMATIC DETERMINANTS OF BALLISTIC MISSILE TRACKING Abstract: The article presents the results of simulation research of motion and indicates the determinants of ballistic missile tracking. Słowa kluczowe: pociski balistyczne, trajektorie kinematyczne Keywords: ballistic missiles, kinematic trajectories 1. WPROWADZENIE Rakietowe pociski balistyczne stwarzają poważne zagrożenie dla globalnego bezpieczeństwa. Wynika to z konsekwencji, jakie może przynieść ich zastosowanie w przypadku ewentualnych konfliktów międzynarodowych. Już w czasie zimnej wojny rozpoczęły się wnikliwe analizy skutków, jakie może spowodować użycie tak groźnej broni oraz poszukiwanie sposobów i środków przeciwdziałania. Okazało się, że nie ma do tej pory na tyle skutecznych systemów obrony, którymi można przeciwdziałać rakietom balistycznym, aby całkowicie wyeliminować ich niszczące działanie. Dziś tworzonych jest wiele systemów obrony, najgłośniejszym z nich jest amerykański wielonarodowy i wielowarstwowy system obrony przed rakietami balistycznymi, potocznie nazywany tarczą antyrakietową, który ma pozwalać nawet na obronę przed zmasowanym atakiem rakietowym. Jednak wraz z rozwojem systemów obrony, rozwija się też systemy ułatwiające ich penetrację. Dodatkowy problem stanowi kwestia proliferacji pocisków balistycznych i technologii ich wytwarzania. Ponad 30 państw obecnie posiada rakiety balistyczne lub prowadzi programy ich rozwoju. Równie istotnym zjawiskiem jest znaczący wzrost liczby miejsc, gdzie znane są technologie produkcji rakiet balistycznych. Obecnie USA, Rosja, Francja, Chiny, Korea Północna i Południowa, Tajwan, Indie, Pakistan, Iran, Izrael, Egipt i Syria posiadają wiedzę i produkują balistyczne pociski rakietowe. Mogą one być używane do niszczenia ważnych obiektów militarnych i gospodarczych na głębokim zapleczu przeciwnika, bez ryzyka dla sił własnych. Największe kontrowersje budzi zastosowanie tego rodzaju broni w celu niszczenia dużych skupisk ludności cywilnej, na przykład miast. Do takich sytuacji dochodziło w wojnach pomiędzy krajami arabskimi. 2. OGÓLNE WIADOMOŚCI O RAKIETACH BALISTYCZNYCH 2.1. Kategorie rakiet balistycznych Wśród parametrów charakteryzujących rakietowe pociski balistyczne najbardziej istotnym i najczęściej stosowanym do podziału jest zasięg. Poniższa klasyfikacja wybranych rakiet 569
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputeroweg go Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji balistycznych wykorzystuje następujący podziałł najczęściej stosowany w podejściu analityków europejskich [1]: rakiety balistyczne krótkiego zasięgu (Short-Range Ballistic B Missile SRBM): od 70 do 1000 km; rakiety balistyczne średniego zasięgu (Medium-Range Ballistic Missile MRBM): od 1000 do 5000 km; rakiety balistyczne dalekiego zasięguu (Intercontinental Ballistic Missile ICBM): ponad 5000 km. W Stanach Zjednoczonych wyróżniaa się dodatkowo kategorię rakiet balistycznych pośredniego zasięgu od 1000 do 3000 km. Inny podział stosowany przezz Rosję klasyfikuje zasięg w zależności od rodzajów działań: taktycznych, operacyjnych oraz strategicznych. 2.2. Fazy lotu rakiety balistycznej Pociski balistyczne poruszająą się po krzywej balistycznej, w której można wyróżnić trzy etapy: fazę startową, fazę środkową i fazęę terminalną. Rys. 1. Fazy lotu rakiety balistycznej Prędkość, potrzebna do osiągnięcia wymaganego zasięgu, nadawana jest przezz silniki startowe w pierwszej fazie. Ważne jest, aby prędkość ta nie przekraczała I prędkości kosmicznej, wynoszącej 7,91 km/s. Faza ta trwa od 2 do 3 minut i rozpoczyna się najczęściej pionowym startem pocisku, w celu przebycia jak najszybciej gęstych warstw atmosfery. Następnie, po osiągnięciu zakładanej wysokości, następuje pochylenie pocisku w kierunku celu. Faza startowaa kończy sięę wypaleniem paliwa lub jego odcięciem przez układ sterowania w przypadku ciekłych materiałów pędnych, a w przypadku rakiet wielostopniowych również odłączeniem stopni napędowych. Faza środkowa trwa najdłużej i to od niej w dużej mierze zależy dokładnośćć naprowadzania. W trakcie tej fazy pociskk porusza się za pomocą siły bezwładności, dzięki nadanej wcześniej prędkości. Pociski o znacznym zasięgu często osiągająą wysokie warstwy atmosfery, przekraczając jej umowną granicę na wysokości 100 km nad powierzchnią Ziemi. Po osiągnięciu apogeum pocisk zaczyna opadać po krzywej balistycznej, zwiększając prędkość. Po wejściu w atmosferę stawiany opór aerodynamiczny hamuje rakietę, do prędkości około 1 km/ /s przy upadku. W dolnych warstwach atmosfery siła oporu powietrza rozgrzewa powierzchni ię pocisku, do temperatury sięgającej kilku tysięcy stopni Celsjusza. 2.3. Pociski R-11 / R-17 (Scud-A SS-1b / Scud-B SS-1c) Pociski balistyczne Scud należą do najbardziej rozpowszechnionych rakiet balistycznych na świecie i zostały sprawdzone operacyjnie w wielu konfliktach. Wiele państw, m.in. Korea Północna, Iran, Irak, Pakistan, Indie czy Syria przeprowadziło ich modernizacje lub wprowadziło na ich podstawie własne kopie [4]. Pociski Scud zostały opracowane jako broń taktyczna do niszczenia dużych obiektów oraz zgrupowań wojskowych i cywilnych, 570
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji z wykorzystaniem głowic konwencjonalnych i jądrowych. Początkowo Scudy były przenoszone przez pojazdy gąsienicowe, skonstruowane na podwoziu czołgu ISU-152, które w późniejszych wersjach zostały zamienione na kołowe pojazdy MAZ-543. Napęd pocisku zapewnia jednostopniowy silnik rakietowy z turbiną gazową na paliwo ciekłe. Rakieta rozpędza się do 1,5 km/s, na trajektorii o zasięgu od 50 do 300 km i wysokości maksymalnej 86 km w wersji Scud-B. Naprowadzanie na cel zapewnia układ sterowania inercyjnego wraz z elementami wykonawczymi, w postaci czterech stabilizatorów lotu i czterech grafitowych łopatek, sterujących wektorem ciągu rakiety. Tor lotu pocisku jest programowany na wyrzutni, a następnie za pomocą żyroskopów i integratorów przyspieszeń wyliczane są odchylenia od wybranej trajektorii. Jeśli rakieta jest zaprogramowana do zasięgu krótszego niż maksymalny, układ sterowania odcina dopływ paliwa do silników. Rys. 2. Wyrzutnia i rakieta systemu rakietowego Scud-B [5] Tabela 1. Dane taktyczno-techniczne pocisków R-11 i R-17 masa zasięg pocisk napęd głowica [kg] [t] [km] CEP 1 [m] liczba R-11 5,4 1 stopień paliwo ciekłe 180 1 900 3 000 R-17 5,9 1 stopień paliwo ciekłe 300 1 985 450 1025 2 1 Circular Error Probable, 2 przybliżona liczba wyprodukowanych przez ZSRR wyrzutni 3. BADANIA SYMULACYJNE Model ruchu rakiety balistycznej opracowano w środowisku Matlab-Simulink, opierając się na metodykach i danych zawartych w publikacjach [2, 3]. Przeprowadzono badania symulacyjne ruchu rakiety balistycznej, przy czym za wzorzec fizyczny przyjęto rakietę zestawu Scud-B. Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono typową trajektorię oraz profil prędkości rakiety balistycznej. Na rysunkach 5-9 zilustrowano warunki i wybrane wyniki badań symulacyjnych, w postaci zmiany prędkości kątowych linii obserwacji rakiety balistycznej dla poszczególnych faz lotu, dla różnych położeń obserwatora. 571
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputeroweg go Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji Rys. 3. Typowa trajektoria lotu rakiety balistycznej Rys. 4. Przykładowy profil prędkości rakiety balistycznej Rys. 5. Warunki badań symulacyjnych 572
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputeroweg go Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji Rys. 6. Wyniki badań symulacyjnych prędkość kątowa linii obserwacji w elewacji Rys. 7. Warunki badań symulacyjnych Rys. 8. Wyniki badań symulacyjnych prędkość kątowa linii obserwacji w elewacji 573
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji Rys. 9. Wyniki badań symulacyjnych prędkość kątowa linii obserwacji w azymucie 4. WNIOSKI Rozpatrując pocisk balistyczny jako obiekt obserwacji, uwzględnić należy następujące uwarunkowania i osobliwości. W trajektorii lotu wyróżniamy 3 fazy: startową, środkową i terminalną. Cechą charakterystyczną wszystkich faz jest silna zmiana parametrów linii obserwacji, wynikająca ze stromości trajektorii w początkowej i końcowej fazie lotu oraz z dużych wysokości i prędkości osiąganych przez rakiety. Wyróżnikami kinematycznymi fazy startowej rakiet są: prawie pionowe wznoszenie, znaczna (ponad 1 km/s) i narastająca prędkość wznoszenia, czas trwania kilkadziesiąt sekund. Jeżeli punkt startu rakiety jest oddalony od obserwatora o kilkaset kilometrów, to konsekwencją są następujące uwarunkowania obserwacyjne rakiety: opóźniona widoczność na skutek krzywizny Ziemi, mała prędkość radialna (rzędu pojedynczych mrd/s), bliskie zeru kąty elewacji. Należy nadmienić, iż inny model ruchu obowiązuje dla rakiet sterowanych aerodynamicznie aerobalistycznych. Rakiety te po osiągnięciu wysokości 45-50 km przechodzą do lotu poziomego i przemieszczają się ze stałą prędkością ponad 2 km/s. Natomiast po osiągnięciu rejonu celu zaczynają pionowo zbliżać się do powierzchni Ziemi. LITERATURA [1] Pacholski P.: Proliferacja rakiet balistycznych i rozwój systemów obrony przeciwrakietowej, Agencja wydawnicza ARGI s.c., Warszawa, 2004. [2] Pietrasieński J., Warchulski M., Warchulski J.: Badania symulacyjne ostrzału rakiet balistycznych przeciwlotniczym zestawem dalekiego zasięgu Wega, Mechanik, nr 7/2012, s. 763-774. [3] Warchulski M., Warchulski J.: Model symulacyjny rakiety balistycznej jako celu dla systemu obrony przeciwlotniczej (przeciwrakietowej), X Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, Jurata, 8-12 maja 2006, s. 253-262. [4] Zaloga S.J.: Scud Ballistic Missile and Launch Systems 1955-2005, Osprey Publishing, New York, 2006. [5] http://www.armyrecognition.com/russia_russian_missile_system_vehicle_uk/scud_scud-a _scud-b_ss-1_9k72_r-11_ground_to_ground_medium_range_ballistic_missile_data_shee t_uk.html 574