Поехали к очень известным радиофизикам, корифеям в области высокочастотных процессов и электродинамики Л. Д. Бахраху и Н. Д. Папалекси. Они были также крупными специалистами по расчету антенн. Попросили их помочь спроектировать обтекатель так, чтобы устранить раскачивание "пролета". Сами мы пытались добиться этого за счет подбора подходящей формы и материала обтекателя. Вначале это было стекловолокно, потом стали пробовать керамику… Проведя большую работу, мы поняли, что оба эти пути не безнадежны, но сколько ни бились, меняя форму и материалы, до конца эффект не устранялся. Вначале мы пробовали даже создавать "управляемое", прогнозируемое преломление, наклеивая на обтекатель станиолевые ленты. Оказалось, что это позволяет в какой-то мере контролировать процесс появления синхронной ошибки. Кажется, эта идея впервые пришла в голову А. И. Брызгалову и В. А. Черке.
И действительно, изменяя с помощью этих лент пеленгационную ошибку, мы научились как бы управлять коэффициентом преломления луча в обтекателе.
Когда мы приехали к Бахраху и рассказали о своих проблемах, он очень удивился и увидел в наших действиях чуть ли не великое открытие в электродинамике. После этого я понял, что даже крупные специалисты в данной области недалеко ушли в своей науке от нас, практиков, даже в общем-то дилетантов.
Поскольку я по образованию немножко радист, то мне еще и до этого стало ясно, что справиться с данной проблемой можно было бы только путем решения сложнейших уравнений математической физики, а этого, увы, не позволяют сделать методы вычислительной математики. И не было тогда инструментов, которые позже стали известны нам как компьютеры. Пришлось искать решения эмпирически. Собственно, так мы наткнулись и на станиолевые ленты. Но оказалось, что и они улучшали точность полета ракет, если луч попадал на какое-то определенное сечение обтекателя, где они были наклеены. Если же он падал на другое сечение, то ситуация ухудшалась. Мы поняли, что этот путь тоже ложный, и от него отказались.
В конце концов мы пришли к выводу, что самым верным решением проблемы будет просто изготовление обтекателя наиболее совершенной формы из материала с наименьшим преломлением, а также уменьшая нагрузку на крыло, увеличивая площадь крыла. Но для этого нам понадобился - ни много ни мало - год упорнейшей работы.
Надо сказать, что при самонаведении на цель истребителя наблюдались те же раскачивания, с которыми столкнулись и мы, но протекали они менее динамично, поскольку масса самолета намного больше маленькой ракеты, и с ними легко справлялись. Нам же пришлось поломать голову…
По-своему решили аналогичную проблему "зенитчики". В это же время в КБ-1 создавалась первая самонаводящаяся зенитная ракета системы С-200 (та самая, которой был сбит наш самолет Ту-154М украинскими ПВО в 2001 году). Характерной особенностью работы "оборонки" середины 50-х годов, да и позже, было то, что "зенитчики", которые тоже боролись с синхронной ошибкой, работали всего в паре километров от НИИ-2, но из-за режима секретности никакого обмена информацией между нами не было. И они пошли по другому пути - создавали матрицу ошибок на каждый конкретный обтекатель, а в полете специальный вычислительный блок в автопилоте компенсировал эту ошибку. Решение, конечно, "лобовое", громоздкое, но поскольку габариты зенитной ракеты вполне позволяли разместить вычислитель, то, видимо, в КБ-1 и не стали искать более простых путей. Мы же такими роскошными габаритами не располагали. Но примечательно, что позже и "зенитчики" использовали найденные нами решения, поскольку они наиболее рациональны в инженерном и технологическом плане.
В общем, с этими синхронными ошибками повозиться пришлось. Кстати, они возникали не только от обтекателя, но и от ошибок гиростабилизатора. В нашем институте этой проблемой занимался Авенир Константинович Неусыпин, мой однокашник по МВТУ, - только гироскопист по специальности, - который вскрыл эти ошибки и нашел способ избавления от них.
Еще одна проблема, которая очень остро встала перед нами при создании К-8, - это борьба с флюктуационной ошибкой. Когда цель облучается радиолокатором, то различные ее участки по-разному отражают эти сигналы. Так возникает флюктуация. Она зависит, от множества факторов: способа "подсветки" самолета, его поведения в полете, особенностей прохождения радиосигнала в воздушной среде и т. д. В итоге помимо регулярного отраженного сигнала, который используется для наведения ракеты на цель, возникает случайная составляющая. Она попадает на вход автопилота вместе с полезным сигналом и вызывает случайную ошибку наведения. Ее приходится учитывать при выборе боевой части, других компонентов ракеты. Методы борьбы с этими ошибками известны - фильтрация сигнала. Но всякая фильтрация неизбежно ведет к ухудшению динамики ракеты, то есть снижает скорость ее реакции на перемещение цели. Мощные фильтры могут "задушить" случайную составляющую, но ракета становится "вялой", инертной, и, естественно, возрастает вероятность динамических ошибок. Поэтому нам надо было найти компромисс между величиной фильтрации и конечным пролетом. Это и по сей день единственный способ уберечь ракету класса "воздух - воздух" от случайной ошибки, но тогда мы делали к нему лишь первые шаги, пытаясь отфильтровать сигнал.
Однако, чтобы двигаться в этом направлении, нам надо было изучить параметры флюктуации. Для этого пришлось ставить очень сложный летный эксперимент, когда в воздух одновременно поднимались три самолета: самолет-цель Ту-16, самолет-носитель Як-28 с радиолокационной станцией "Орел" главного конструктора Г. М. Кунявского и самолет-"ракета" Як-25, на котором размещалась головка самонаведения. Эти три машины надо было свести в пространстве и, управляя расстоянием между ними, фиксировать отраженный от цели флютуирующий сигнал.
Тогда я впервые столкнулся с летными испытаниями и понял, какое это дорогостоящее мероприятие, как сложно увязать между собой работу в небе трех самолетов через полетные задания, инструкции летчикам, команды с диспетчерского пункта и т. д. И все же нам удалось провести довольно большое количество экспериментов. Для записи их результатов использовались шлейфовые осциллографы. Километры фотопленки фиксировали случайный сигнал, ее требовалось проявить и определить статистические параметры флюктуации. Согласно теории случайных процессов следовало по каждой записи построить так называемую коррелляционную функцию и по ней вычислить спектральную плотность процесса, которая и служила основой для последующих расчетов: то есть, если знать эту спектральную плотность в разных условиях, то всегда можно достаточно реально смоделировать и учесть случайную составляющую отраженного от цели сигнала. Этот эксперимент мы вели весь летный период. Далее требовалось обработать экспериментальные записи и построить корреляционные функции. Мы же тогда не имели никаких приборов для обработки случайных процессов.
Но как раз в это время в НИИ-5, который работал на судостроительную промышленность, тоже изучали случайные составляющие сигналов корабельных радиолокационных станций. Там был создан механический коррелятор, на котором два оператора прокручивали километры такой же фотопленки. С помощью рукояток, чем-то похожих на прибор управления зенитным огнем, один из них отслеживал положение записанной на пленке кривой, а движения рукояток передавались на электромеханический интегратор, который и вычислял корреляционную функцию. Этот коррелятор построил заведующий кафедрой МВТУ Л. Н. Преснухин. В настоящее время он член-корреспондент РАН. Он готовил к защите докторскую диссертацию и изучал человека как звено в системе слежения за целью. А оператор, который наблюдает за импульсом, отраженным от цели на экране локатора, как раз и фиксирует случайную флюктуационную ошибку. И вот, чтобы изучить проявление этой случайности, был спроектирован механический коррелятор, который изготовили в НИИ-5 в двух экземплярах. Один из них они оставили себе, а второй продали нам, поскольку я был хорошо знаком с автором прибора. Это позволило нам ускорить процесс обработки пленок и нахождения корреляционных функций.
Получив первые результаты, мы поняли, что имеем дело с явно нестационарным процессом (то есть у которого даже статистические, усредненные параметры меняются во времени). И никакой закономерности в формировании сигнала поймать не смогли, потому что случайны не только условия отражения - им сопутствует множество других факторов: как ракета будет подходить к цели, с какого ракурса, каким будет ее движение и т. д. В общем, изучаемый нами процесс оказался очень сложным и выявить его какие-то устойчивые характеристики и четкие зависимости невозможно. Поэтому от подобных попыток отказались, и, насколько мне известно, по сей день вся российская радиолокация так и не знает реальных закономерностей отражения радиосигнала от воздушной цели.
Забегая вперед, скажу, что в конце девяностых годов мы были в гостях в США, куда нас пригласила фирма "Хьюз". Состоялся очень откровенный разговор между нашими и их специалистами, создававшими ракеты класса "воздух - воздух". Я задал им вопрос:
- А как вы изучаете случайные ошибки и отраженные сигналы?
И к своей большой радости узнал, что и американцы не смогли справиться с этими задачами, хотя они тоже изучали прохождение сигнала через обтекатель и флюктуационные ошибки и ставили сложные и дорогие эксперименты. Но пришли к тому же, что и мы: игра не стоит свеч. Частично они флюктуационную ошибку "давили" фильтрами, а частично компенсировали ее увеличением веса боевой части, то есть сделали то же, что и мы. Конечно, если бы удалось установить закономерности отражения, можно было бы придумать и какой-то нестационарный фильтр, снизить вес боевой части, но до нуля эту ошибку все равно не доведешь.
В общем, в процессе летных испытаний К-8 задавала нам загадки неожиданные, сложные, и пришлось немало поработать, чтобы отгадать их и найти способы нейтрализации. К-8 была и первой ракетой класса "воздух - воздух", которая прошла летные испытания в летном центре ГНИКИ ВВС, так называемой Владимировке. Вместе с ней рождались первые телеметрические системы (передачи данных), системы слежения - кинотеодолиты, методы первичной и вторичной обработки телеметрической информации, то есть возникла целая наука летных испытаний, в которых наш институт, и в частности мой отдел, принимал очень активное участие. Ведущим инженером по летным испытаниям был Г. А. Кирюшин, который по несколько месяцев безвылазно сидел в степи, потому что Владимировка тогда была совершенно не похожа на нынешний Ахтубинск - город со всей присущей ему инфраструктурой. Вдоль дороги стояли простые вагончики, которые не защищали ни от жары, ни от холода, ни от пыли. В них почему-то развелось много клопов, заползала и другая степная живность… Условия были чисто фронтовые, но суровый быт уходил как-то на второй план, поскольку все мы были поглощены этими летными экспериментами и делали Историю - создавали первые ракетные системы.
В конце концов К-8 была принята на вооружение, да к тому же она породила целое семейство ракет Бисновата, которые в последующем создавались для других самолетов. К-8 - это наименование опытного изделия, когда же она пошла в серию, ее переименовали в Р-8. Потом на ее базе построили Р-80, которая от своего прообраза отличалась только большими размерами и была неким геометрическим подобием Р-8. Р-80 сделали для самолета Ту-128.
Дело в том, что в области перехвата для истребителей среди военных специалистов существовало две тенденции. Первая заключалась в создании барражирующего дальнего перехватчика, своего рода летающей зенитной батареи. Вторая основывалась на удлинении "поражающей руки" перехватчика, уходящего на "охоту" с участием наземной системы наведения. Истребитель становился как бы элементом мощной системы ПВО.
Ту-128 и был такой летающей зенитной батареей, которая должна была работать в условиях плохой информации с земли, когда ей сообщают только то, что в таком-то направлении, на такой-то высоте обнаружена цель - и все. Никаких четких координат ее нет, и самолет должен сам выйти в зону перехвата, обнаружить цель и уничтожить ее. Поэтому он должен уметь долго держаться в воздухе. Иметь соответствующий запас топлива, а главное, иметь оружие, обладающее большой дальностью. В общем, это большой самолет, и А. Н. Туполев сделал его на базе морского бомбардировщика - такой своеобразный морской истребитель Ту-128 для северных зон, где у нас не было широкой сети аэродромов, а дальние рубежи прикрывать надо. Позже эти идеи были воплощены в тяжелом дальнем перехватчике МиГ-31. Рождение таких машин обусловлено спецификой России с ее обширной территорией, на которой трудно создать везде плотную наземную инфраструктуру противовоздушной обороны. Поэтому волей-неволей самолету приходится брать на себя решение многих сложных задач, так что действительно получается не истребитель, а некая летающая платформа зенитных ракет. Для них и создавалась ракета Р-80 коллективом Бисновата с участием нашего института. Позже родилась Р-40. Стал создаваться целый спектр ракет "воздух - воздух" для перехватчиков на базе тех фундаментальных результатов, которые были получены при создании Р-8.
Опыт воссоздания американской ракеты "Сайдуиндер". Ракеты маневренного воздушного боя
Американская ракета "Сайдуиндер". Это очень интересная в инженерном плане ракета, имеющая целый ряд поистине гениальных решений, найденных одним человеком. Его фамилия Макклин, он служил в Военно-морском флоте США. Взяв за основу неуправляемую ракету, он создал очень интегрированную, чрезвычайно экономную конструкцию.
Весьма остроумной была система стабилизации. На оперении были поставлены роллерончики - небольшие диски, которые вращались от набегающего воздушного потока. Они раскручивались и, тем самым создавая гироскопический момент, стабилизировали полет ракеты по крену.
Ракета эта имела большое удлинение, поэтому обладала большой статической устойчивостью, и на ней не надо было ставить классический автопилот.
Автопилот "Сайдуиндера" не имел обратной связи по рулям. Им была придана такая форма, что на них возникал значительный аэродинамический шарнирный момент, который обычно старались, наоборот, снизить. Этот момент - зависящий, естественно, от скоростного напора, непосредственно нагружал привод рулей, так что при их вращении создавалась аэродинамическая обратная связь. Когда строишь классический автопилот ракеты, ты должен найти способ перестраивать коэффициент автопилота в зависимости от скоростного напора. А в "Сайдуиндере" автоматически шла самонастройка по этому параметру за счет шарнирного момента. Это тоже очень интересное инженерное решение.
Оригинально была сделана и тепловая головка самонаведения. За счет вращения одной из ее деталей создавался гироскопический момент, который стабилизировал положение фотоэлемента. Но этот "гироскоп" не существовал в виде отдельного узла. Вращалось само зеркало фотоприемника, и поэтому не надо было делать отдельный гиростабилизатор, поскольку зеркало и давало эффект гироскопической стабилизации.
Наконец, в "Сайдуиндере" применялись "горячие" привода - на пороховых газах, в то время как у нас они работали на сжатом воздухе. Пороховая шашка сгорала, наполняя газами аккумулятор давления, который затем раскручивал турбину, питающую головку самонаведения, и одновременно горячий газ поступал на рулевые машинки, управляющие плоскостями рулей ракеты…
В общем, "Сайдуиндер" - яркий пример того, как один человек в комплексе продумал и объединил широкий ряд оригинальнейших решений.
Ракета эта была создана для самолетов ВМФ и продана Тайваню вместе с самолетами F-105, которые поступили на вооружении этой страны. Когда возник конфликт между Китаем и Тайванем в Тонкинском проливе из-за лежащих в нем островов, он перерос в военные столкновения F-105 с китайскими истребителями - нашими МиГ-17, стоявшими на вооружении Китая. И вот в этих столкновениях впервые в истории была применена ракета класса "воздух - воздух". Было сбито несколько китайских истребителей, но некоторые ракеты не взорвались и упали на территорию Китая. В это время отношения между нашими странами еще не были испорчены, только начинала нарастать напряженность - и китайцы, получив эти ракеты, передали одну из них нам.
Так "Сайдуиндер" попал в НИИ-2, в мой отдел. Мы стали изучать его и впервые столкнулись с теми оригинальнейшими решениями, о которых я рассказал выше. Быстро разобрались, как работает головка самонаведения, хотя от зеркальца остался только кусочек. Зато хорошо сохранился фотоэлемент. Хорол оперативно воспроизвел электронно-оптическую часть, но мы долго не могли понять, как вращается зеркало-"волчок". Ясно было, что мы столкнулись с каким-то электродвигателем, но его конкретное устройство оставалось непонятным. За дело взялся профессор М. И. Романов из МИФИ, специалист по электроприводам. Он быстро разгадал загадку. На зеркальце был закреплен магнит, и когда ток проходил по обмотке статора, магнитик этот затягивался возникавшим магнитным полем и зеркало начинало вращаться. В это время сам же движущийся магнитик производил переключение - ток подавался на следующую обмотку - и так, вращаясь, магнитик переключал ток на очередные обмотки. Обмотка же располагалась в корпусе ракеты, образуя статор электродвигателя. Романов посмотрел на нас и сказал:
- Ребята, это же патефонный синхронный двигатель…
Оказывается, когда-то до войны у нас на этом принципе были созданы патефоны.
А мы ничего не могли понять потому, что китайцы умудрились выковырять обмотку статора из заливавшего ее компаунда. И когда нам вдогонку прислали пук проводов, мы не понимали, как они включались. Хорошо, Романов помог.
Как действует рулевая машина, понять не могли, пока не получили крышку. Сначала китайцы нам ее просто не дали, а мы были уверены, что именно в ней должен находиться потенциометр обратной связи, поскольку больше нигде его не было. Мы уже поняли, что привод работает от пороховых газов, однако он же не может просто "хлопать" рулями, а должен отклоняться пропорционально сигналам, но для этого нужна обратная связь. Начали слать в Китай запросы: "Пришлите крышку!" В конце концов нашли, прислали, и - никакого потенциометра в ней не оказалось. Но в это время в ЦАГИ в аэродинамической трубе продули рули. А мы привыкли: когда получаем данные по продувке своих рулей, то шарнирные моменты по углу атаки ракеты и по отклонению руля всегда небольшие, потому что его стараются всегда сбалансировать так, чтобы на привод не было нагрузки от несимметрии обтекания его воздушным потоком. Тут же вдруг получаем какой-то фантастический момент по отклонению руля, который показывает, что при отклонении возникает очень сильный дисбаланс нагрузок. В ЦАГИ продувками занимались известные специалисты В. И. Шурыгин и А. Ф. Митькин. Я приехал к ним и говорю:
- Вы неправильно продули. У вас ошибка на порядки цифр.
- Этого не может быть, - засмеялись они, - слава Богу, дуем уже почти сто лет, методика отработана. Но, если хочешь, продуем вторично.
Подтвердились первоначальные данные. И вот тогда-то меня осенило, что за счет формы руля и возникает обратная связь - чисто аэродинамическая. А значит, не нужен потенциометр, одновременно получается автоматическая настройка передаточных коэффициентов по скоростному напору…