Физика в бою - В. Жуков

По мнению руководящих деятелей Пентагона, эта задача должна решаться созданием подземных, так называемых шахтных пусковых установок. Однако на деле это оказалось не так-то просто. При разработке и строительстве шахтных установок возник ряд сложных научно-технических проблем. Одна из них как раз и ставит вопросы обеспечения сохранности ракет и различного электронного пускового оборудования от силового воздействия взрывов ядерных зарядов и вызываемых ими колебаний грунтовых массивов в местах расположения защитных сооружений — пусковых шахт и центров управления ракетных баз. Решить эту задачу, как отмечали зарубежные специалисты, оказалось особенно трудно в связи с тем, что американские межконтинентальные ракеты на жидком топливе типа «Атлас» и «Титан» и на твердом топливе «Минитмен» весьма чувствительны к сравнительно небольшим силовым перегрузкам.

Известно, что при взрыве ядерного заряда на поверхность земли действует огромное давление. От эпицентра взрыва распространяются ударные волны в воздухе и волны сжатия в грунте. В результате их воздействия в сооружениях возникают, как правило, быстрые по времени перемещения, приводящие к вертикальным, горизонтальным и крутильным колебаниям шахтных пусковых установок с относительно большими амплитудами и частотами, а на ракеты и оборудование, размещенные в шахтах, действуют значительные инерционные и вибрационные нагрузки.

Характер колебательных движений шахты существенно зависит от физико-механических свойств грунта и геологического строения района, где сооружена шахтная пусковая установка. В специальной литературе указывается, что параметры движения шахты при одном и том же избыточном давлении больше зависят от геологических условий, чем от мощности ядерного взрыва. Если шахта заложена в мягком грунте, имеющем низкочастотные характеристики колебаний, она будет подвержена большим перемещениям и сравнительно малым ускорениям. Иное дело — шахта, размещенная в твердых породах, обладающих высокочастотными характеристиками колебаний. Под воздействием взрыва она получит лишь небольшие перемещения, но зато значительные по величине ускорения.

В большинстве случаев шахтные пусковые установки, из-за их больших вертикальных размеров, приходится располагать в неоднородных грунтах, характеризующихся различной плотностью и частотными характеристиками. В связи с этим в американской практике возникли два направления в проектировании таких установок. Первое базируется на заблаговременной геологической разведке в районах предполагаемого строительства ракетных баз. В зависимости от геологического разреза и расчетного эквивалента ядерного заряда определяются период и амплитуды колебаний грунта и расчетные параметры движения шахты. Второе направление предусматривает разработку и проектирование шахтных пусковых установок для наиболее распространенных, так называемых «стандартных», грунтовых условий, с последующим проведением проверочных расчетов применительно к конкретным геологическим условиям, выявленным в процессе проходки шахт и их возведения. В американской печати сообщалось, что, как правило, проектировщики используют второе направление и только в исключительных случаях первое.

На рис. 4 показана зависимость перемещений и ускорений шахты от частотных характеристик колебаний «стандартного» грунта, возникающих при наземном ядерном взрыве. Как видно из графиков, чем меньше частота колебаний грунта, тем больше перемещение и меньше ускорение шахты.

Проектирование и строительство шахтных пусковых установок и обеспечение сохранности ракет и электронного пускового оборудования, отмечалось в иностранной печати, в значительной степени усложняется, когда ракетные базы размещаются в районах с водонасыщенным грунтом. Требуется знать его гидростатическое давление (гидростатика — часть гидродинамики, изучающая равновесие жидкости, а также равновесие твердых тел, полностью или частично погруженных в жидкость). При наличии гидростатического давления грунтовых вод горизонтальные ускорения пусковой шахты по своей величине будут близкими к вертикальным и могут достичь весьма значительных величин.

Следует, однако, заметить, что источником нагрузок и вибраций могут быть не только взрывы ядерных зарядов, но и работа вспомогательных агрегатов и машин. Ее тоже приходится учитывать проектировщикам.

Колебания шахтных пусковых установок вызывают расстройство функций аппаратуры и систем, размещаемых на борту ракеты, а также механизмов технологического оборудования. Все это может сорвать боевой пуск ракет. И вот, для того чтобы снизить действующие на ракету перегрузки до безопасных значений, применяют специальные системы амортизации как для ракет в целом, так и для отдельных, наиболее чувствительных объектов технологического оборудования и пусковой аппаратуры.

Системы амортизации, по мнению зарубежных специалистов, значительно повышают вибростойкость ракет и позволяют изолировать от нежелательных колебаний оборудование шахты. Действительно, если ракета жестко соединена с опорным основанием шахтной пусковой установки, она и ее системы будут испытывать те же ускорения, скорости и перемещения, которым подвержена сама установка. Особенно опасны ускорения, поскольку они способны развивать значительные силы инерции и приводить в конечном счете к расстройству бортовых систем ракет и механизмов шахтного оборудования.

Чтобы избежать этих нежелательных явлений, ракеты в шахтах устанавливают на упругие элементы — амортизаторы, которые растягивают во времени действие сил инерции и таким образом уменьшают передаваемые усилия.

Однако разработка эффективных систем амортизации ракет и объектов технологического оборудования вызывает за рубежом значительные научно-технические трудности. Процессы взаимодействия шахт с грунтом при механическом действии ядерного взрыва еще недостаточно изучены. В американской практике расчетные параметры амортизации ракет и технологического оборудования выбираются на основании обобщения большого количества опытных данных с учетом собственных колебаний амортизируемых объектов.

Ракеты и другие крупные объекты технологического оборудования шахты имеют низкие частоты собственных колебаний, в то время как большинству элементов электронно-пусковой аппаратуры свойственна высокая частота колебаний. Поэтому системы амортизации ракет и оборудования шахт и центров управления ракетными базами в США конструктивно выполняются по трем различным схемам.

По первой схеме ракета и все оборудование шахты объединяются в общую клеть, снабженную единой системой амортизации.

По мнению американских специалистов, основное преимущество такой схемы заключается в том, что из-за большой массы она способна гасить высокочастотные колебания и ускорения шахты, а также снижать низкочастотные колебания. К таким колебаниям чувствительны ракеты и крупные объекты технологического оборудования.

При разработке подобной амортизации общая масса колебательной системы и суммарная жесткость ее упругих элементов выбирается в зависимости от частоты вынужденных колебаний шахты. Сообщалось, что, если удачно выбраны расчетные параметры, такая система значительно ослабляет действие вынужденных колебаний шахты на ракету и оборудование. Она особенно эффективна для шахт, размещаемых в грунтовых породах, частотные характеристики которых мало изменяются при взрывах ядерных зарядов различной мощности.

Надо сказать, что общая система амортизации накладывает определенные условия на конструктивную стойкость отдельных элементов оборудования. Элементы, находящиеся в общей колебательной системе, должны быть устойчивы к перегрузкам, возникающим при избыточных давлениях во фронте воздушной ударной волны до 2 кг/см2. Что же касается работающих агрегатов технологического оборудования, размещенных в шахте, то они должны иметь собственные системы виброизоляции, чтобы исключить передачу вибраций (колебаний, дрожаний) опорным основаниям.

Общая система амортизации нашла применение в шахтных пусковых установках для амортизации ракеты «Атлас». Она состоит из четырех пружинных блоков-подвесок, поддерживающих квадратную клеть с ракетой и необходимым оборудованием. Общий вес клети составляет 1350 т, высота ее 45 м при длине стороны основания 14,7 м.

В клеть вмонтирована ферма, обеспечивающая распределение нагрузки от четырех точек крепления на десять вертикальных несущих элементов. Верхняя часть пружинного блока крепится к металлическим кронштейнам на стене шахты, а нижняя — к кронштейнам клети. Каждая блок-подвеска представляет собой набор из шести пар параллельно работающих телескопических пружин. Диаметр одной пружины 600 мм, толщина прутка, из которого она изготовлена, — 62,5 мм.