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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Missile balistique. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Un missile balistique est un type d'arme de missile. Il effectue la majeure partie du vol le long d'une trajectoire balistique, c'est-à-dire qu'il est en mouvement incontrôlé. La vitesse et la direction de vol souhaitées sont communiquées au missile balistique dans la phase active du vol par le système de commande de vol du missile. Après avoir éteint le moteur, le reste du chemin, l'ogive, qui est la charge utile de la fusée, se déplace le long d'une trajectoire balistique. Les missiles balistiques peuvent être à plusieurs étages, auquel cas, après avoir atteint une vitesse donnée, les étages épuisés sont jetés. Ce schéma vous permet de réduire le poids actuel de la fusée, vous permettant ainsi d'augmenter sa vitesse.
Au cours de ses presque mille ans d'histoire de développement, la technologie des fusées a parcouru un long chemin depuis les "flèches enflammées" primitives jusqu'aux lanceurs modernes les plus puissants capables de lancer des engins spatiaux de plusieurs tonnes en orbite. La fusée a été inventée en Chine. La première information documentée sur son utilisation au combat est associée au siège par les Mongols de la ville chinoise de Pien-King en 1232. Les roquettes chinoises, qui ont ensuite été lancées depuis la forteresse et ont instillé la peur dans la cavalerie mongole, étaient de petits sacs remplis de poudre à canon et attachés à une flèche d'arc ordinaire. Après les Chinois, les Indiens et les Arabes ont commencé à utiliser des roquettes incendiaires, mais avec la propagation des armes à feu, les roquettes ont perdu leur importance et ont été bannies de toute utilisation militaire pendant de nombreux siècles.
Encore une fois, l'intérêt pour la fusée en tant qu'arme militaire a été éveillé au 1804ème siècle. En 20, des améliorations significatives dans la conception de la fusée ont été apportées par l'officier anglais William Congreve, qui a réussi pour la première fois en Europe à établir une production de masse de fusées de combat. La masse de ses fusées a atteint 3 kg et la portée de vol - 1000 km. Avec une habileté appropriée, ils pouvaient toucher des cibles à une distance allant jusqu'à 1807 M. En 25, les Britanniques ont largement utilisé ces armes lors du bombardement de Copenhague. En peu de temps, plus de XNUMX XNUMX roquettes ont été tirées sur la ville, à la suite de quoi la ville a été presque complètement incendiée. Mais bientôt le développement des armes à feu rayées rendit l'utilisation des missiles inefficace. Dans la seconde moitié du XIXe siècle, ils ont été retirés du service dans la plupart des États. Encore une fois, pendant près de cent ans, la fusée a été retirée. Cependant, divers projets d'utilisation de la propulsion à réaction sont déjà apparus à l'époque de l'un ou l'autre inventeur. En 1903, le scientifique russe Konstantin Tsiolkovsky a publié son ouvrage "Investigation of Space with Reactive Instruments". Dans ce document, Tsiolkovsky a non seulement prédit que la fusée deviendrait un jour le véhicule qui emmènerait une personne dans l'espace, mais a également développé pour la première fois un schéma d'un nouveau moteur à réaction à propergol liquide. Par la suite, en 1909, le scientifique américain Robert Goddard exprime pour la première fois l'idée de créer et d'utiliser une fusée à plusieurs étages. En 1914, il a déposé un brevet pour cette conception. L'avantage d'utiliser plusieurs étages est qu'une fois que l'étage est à court de carburant des réservoirs, il est jeté. Cela réduit la masse qui doit être accélérée à des vitesses encore plus élevées. En 1921, Goddard a effectué les premiers essais de son moteur à réaction à propergol liquide, qui fonctionnait à l'oxygène liquide et à l'éther. En 1926, il effectue le premier lancement public d'une fusée à propergol liquide, qui ne s'élève cependant qu'à 12 m. Par la suite, Goddard accorde beaucoup d'attention à la stabilité et à la contrôlabilité des fusées. En 5, il lance pour la première fois une fusée à gouvernes gyroscopiques. En fin de compte, ses fusées, d'un poids de départ allant jusqu'à 1932 kg, ont atteint une hauteur pouvant atteindre 350 km. Dans les années 3, des travaux intensifs d'amélioration des fusées étaient déjà en cours dans plusieurs pays. Le principe de fonctionnement d'un turboréacteur à ergol liquide est, de manière générale, très simple. Le carburant et l'oxydant sont dans des réservoirs séparés. Sous haute pression, ils sont introduits dans la chambre de combustion, où ils sont intensément mélangés, s'évaporent, réagissent et s'enflamment. Les gaz chauds résultants sont renvoyés à travers la tuyère avec une grande force, ce qui conduit à l'apparition d'une poussée de jet.
Cependant, la mise en œuvre effective de ces principes simples s'est heurtée à de grandes difficultés techniques, auxquelles les premiers concepteurs ont dû faire face. Les plus aigus d'entre eux étaient les problèmes d'assurer une combustion stable du carburant dans la chambre de combustion et de refroidir le moteur lui-même. Les questions sur le carburant à haute énergie pour un moteur de fusée et sur la manière de fournir des composants de carburant à la chambre de combustion étaient également très difficiles, car pour une combustion complète avec dégagement de la quantité maximale de chaleur, ils devaient être bien dispersés et mélangés uniformément avec chacun l'autre dans tout le volume de la chambre. De plus, il était nécessaire de développer des systèmes fiables qui régulent le fonctionnement du moteur et le contrôle de la fusée. Il a fallu beaucoup d'expériences, d'erreurs et d'échecs avant que toutes ces difficultés soient surmontées avec succès. D'une manière générale, les moteurs à ergols liquides peuvent également fonctionner avec un carburant monocomposant dit unitaire. Ainsi, par exemple, le peroxyde d'hydrogène concentré ou l'hydrazine peuvent agir. Lorsqu'il est combiné avec un catalyseur, le peroxyde d'hydrogène H2O2 avec un grand dégagement de chaleur se décompose en oxygène et en eau. HydrazineN2H4 dans ces conditions, il se décompose en hydrogène, azote et ammoniac. Mais de nombreux tests ont montré que les moteurs fonctionnant avec deux composants distincts, dont l'un est un carburant et l'autre un comburant, sont plus efficaces. Les bons agents oxydants étaient l'oxygène liquide O2, acide nitrique HNO3, divers oxydes d'azote, ainsi que du fluor liquide F2. Kérosène, hydrogène liquide H2, (en combinaison avec l'oxygène liquide, c'est un carburant extrêmement efficace), l'hydrazine et ses dérivés. Aux premiers stades du développement de la technologie des fusées, l'alcool éthylique ou méthylique était souvent utilisé comme carburant. Pour une meilleure atomisation et un meilleur mélange du carburant (oxydant et carburant), des buses spéciales ont été utilisées situées devant la chambre de combustion (cette partie de la chambre s'appelle la tête de buse). En règle générale, il avait une forme plate, formée de nombreuses buses. Toutes ces tuyères étaient réalisées sous forme de tubes doubles pour l'alimentation simultanée en comburant et en combustible. L'injection de carburant a eu lieu sous haute pression. De petites gouttelettes d'agent oxydant et de carburant à haute température se sont évaporées intensément et sont entrées dans une réaction chimique les unes avec les autres. La combustion principale du carburant se produit près de la tête d'injection. Dans le même temps, la température et la pression des gaz résultants ont considérablement augmenté, qui se sont ensuite précipités dans la buse et ont éclaté à grande vitesse. La pression dans la chambre de combustion peut atteindre des centaines d'atmosphères, de sorte que le carburant et le comburant doivent être alimentés à une pression encore plus élevée. Pour ce faire, les premières fusées utilisaient la pressurisation des réservoirs de carburant avec du gaz comprimé ou des vapeurs des composants propulseurs eux-mêmes (par exemple, des vapeurs d'oxygène liquide). Plus tard, des pompes spéciales haute puissance à haute performance entraînées par des turbines à gaz ont commencé à être utilisées. Pour faire tourner la turbine à gaz au stade initial du fonctionnement du moteur, du gaz chaud était fourni par le générateur de gaz. Plus tard, ils ont commencé à utiliser des gaz chauds formés à partir des composants du carburant lui-même. Après l'accélération de la turbine, ce gaz est entré dans la chambre de combustion et a été utilisé pour accélérer la fusée. Au départ, ils ont essayé de résoudre le problème du refroidissement du moteur en utilisant des matériaux spéciaux résistant à la chaleur ou un liquide de refroidissement spécial (par exemple, de l'eau). Cependant, une méthode de refroidissement plus rentable et efficace a été progressivement trouvée en utilisant l'un des composants du carburant lui-même. Avant d'entrer dans la chambre, l'un des composants du combustible (par exemple, l'oxygène liquide) passait entre ses parois intérieure et extérieure et emportait avec lui une partie importante de la chaleur de la paroi intérieure la plus sollicitée par la chaleur. Ce système n'a pas été élaboré immédiatement et, par conséquent, lors des premières étapes de la création de fusées, leurs lancements étaient souvent accompagnés d'accidents et d'explosions. Des gouvernails à air et à gaz ont été utilisés pour contrôler les premières fusées. Les gouvernails à gaz étaient situés à la sortie de la tuyère et créaient des forces et des moments de contrôle en déviant le jet de gaz s'écoulant du moteur. Leur forme ressemblait aux pales d'une rame. Pendant le vol, ces gouvernails ont rapidement brûlé et se sont effondrés. Par conséquent, à l'avenir, leur utilisation a été abandonnée et des moteurs de fusée à commande spéciale ont commencé à être utilisés, capables de tourner par rapport aux axes de montage. En URSS, des expériences sur la création de fusées à propergol liquide ont commencé dans les années 30. En 1933, le Groupe de Moscou pour l'étude de la propulsion à réaction (GIRD) a développé et lancé la première fusée soviétique GIRD-09 (concepteurs Sergei Korolev et Mikhail Tikhonravov). Cette fusée, d'une longueur de 2 m et d'un diamètre de 4 cm, avait un poids au lancement de 18 kg. La masse de carburant, constituée d'oxygène liquide et d'essence condensée, était d'environ 19 kg. Le moteur développait une poussée jusqu'à 5 kg et pouvait fonctionner 32 à 15 s. Lors du premier lancement, en raison de l'épuisement de la chambre de combustion, des jets de gaz ont commencé à s'échapper par le côté, ce qui a entraîné le blocage de la fusée et son vol en douceur. L'altitude maximale de vol était de 18 m. Au cours des années suivantes, les spécialistes des fusées soviétiques ont effectué plusieurs autres lancements. Malheureusement, en 1939, le Reactive Research Institute (en lequel le GIRD a été transformé en 1933) a été vaincu par le NKVD. De nombreux designers ont été envoyés dans des prisons et des camps. Korolev a été arrêté en juillet 1938. Avec Valentin Glushko, le futur concepteur en chef des moteurs de fusée, il a passé plusieurs années dans un bureau d'études spécial à Kazan, où Glushko était répertorié comme le concepteur en chef des systèmes de propulsion d'avions et Korolev comme son adjoint. Pendant un certain temps, le développement de la science des fusées en URSS a cessé. Des résultats beaucoup plus tangibles ont été obtenus par des chercheurs allemands. En 1927, l'Interplanetary Travel Society a été formée ici, dirigée par Wernher von Braun et Klaus Riedel. Avec l'arrivée au pouvoir des nazis, ces scientifiques ont commencé à travailler à la création de missiles de combat. En 1937, un centre de fusées a été fondé à Peenemünde. 550 millions de marks ont été investis dans sa construction en quatre ans. En 1943, le nombre du personnel de base à Peenemünde était déjà de 15 1. Ici se trouvaient la plus grande soufflerie d'Europe et une usine de production d'oxygène liquide. Le centre a développé le projectile V-2, ainsi que le premier missile balistique en série V-12700 de l'histoire avec un poids de lancement de XNUMX XNUMX kg comme une pierre lâchement lancée). Les travaux sur la fusée ont commencé dès 1936, lorsque Brown et Riedel ont reçu 120 employés et plusieurs centaines de travailleurs pour les aider. Le premier lancement expérimental du V-2 a eu lieu en 1942 et a échoué. En raison de la défaillance du système de contrôle, la fusée s'est écrasée au sol 1,5 minute après le lancement. Un nouveau départ en octobre 1942 est réussi. La fusée s'est élevée à une hauteur de 96 km, a atteint une portée de 190 km et a explosé à quatre km de la cible. Lors de la création de cette fusée, de nombreuses découvertes ont été faites, qui ont ensuite été largement utilisées dans la science des fusées, mais il y avait aussi de nombreux défauts. Le Fau a été le premier à utiliser une turbopompe pour alimenter la chambre de combustion en carburant (avant cela, son déplacement avec de l'azote comprimé était généralement utilisé). Le peroxyde d'hydrogène a été utilisé pour faire tourner la turbine à gaz. Dans un premier temps, ils ont tenté de résoudre le problème du refroidissement du moteur en utilisant des tôles d'acier épaisses à faible conductivité thermique pour les parois de la chambre de combustion. Mais les tout premiers démarrages ont montré qu'à cause de cela, le moteur surchauffe rapidement. Pour réduire la température de combustion, l'alcool éthylique devait être dilué avec 25% d'eau, ce qui réduisait considérablement l'efficacité du moteur.
En janvier 1944, la production en série de "V" a commencé. Ce missile d'une portée allant jusqu'à 300 km emportait une ogive pesant jusqu'à 1 tonne.À partir de septembre 1944, les Allemands commencèrent à bombarder le territoire britannique avec eux. Au total, 6100 missiles ont été fabriqués et 4300 lancements de combat ont été effectués. 1050 roquettes ont volé vers l'Angleterre et la moitié d'entre elles ont explosé directement à Londres. En conséquence, environ 3 XNUMX personnes sont mortes et deux fois plus ont été blessées.
La vitesse de vol maximale du V-2 atteignait 1,5 km / s et l'altitude de vol était d'environ 90 km. Les Britanniques n'avaient aucun moyen d'intercepter ou d'abattre ce missile. Mais en raison du système de guidage imparfait, ils se sont avérés être une arme plutôt inefficace dans son ensemble. Cependant, du point de vue du développement de la technologie des fusées, les V représentaient un pas de géant en avant. L'essentiel était que le monde croyait en l'avenir des missiles. Après la guerre, la science des fusées a reçu un puissant soutien de l'État dans tous les États. Dans un premier temps, les États-Unis se sont trouvés dans des conditions plus favorables ; de nombreux roquettes allemands, menés par Brown lui-même, ont été livrés à l'Amérique après la défaite de l'Allemagne, tout comme plusieurs V tout faits. Ce potentiel a servi de point de départ au développement de l'industrie américaine des missiles. En 1949, après avoir installé un V-2 sur une petite fusée de recherche Vak-Caporal, les Américains la lancent à une altitude de 400 km. Sur la base du même "V", sous la direction de Brown, le missile balistique américain "Viking" a été créé en 1951, développant une vitesse d'environ 6400 km/h. En 1952, le même Brown développa pour les États-Unis le missile balistique Redstone d'une portée allant jusqu'à 900 km (c'est ce missile qui fut utilisé en 1958 comme première étape du lancement du premier satellite américain, Explorer 1, en orbite) . L'URSS devait rattraper les Américains. La création de leurs propres missiles balistiques lourds ici a également commencé avec l'étude du V-2 allemand. Pour cela, immédiatement après la victoire, un groupe de designers a été envoyé en Allemagne (dont Korolev et Glushko). Certes, ils n'ont pas réussi à préparer un seul "Fau" complet, mais selon des signes indirects et de nombreux témoignages, l'idée de bit était assez complète. En 1946, l'URSS a commencé ses propres travaux intensifs sur la création de missiles balistiques à guidage automatique à longue portée. Organisé par Korolev, NII-88 (plus tard TsNIIMash à Podlipki près de Moscou, aujourd'hui la ville de Korolev) a immédiatement reçu des fonds importants et un soutien global de l'État. En 1947, le premier missile balistique soviétique R-2 a été créé sur la base du V-1. Ce premier succès est venu avec beaucoup de difficulté. Lors du développement de la fusée, les ingénieurs soviétiques ont rencontré de nombreux problèmes.
L'industrie soviétique ne produisait pas alors les nuances d'acier nécessaires à la science des fusées, il n'y avait pas de caoutchouc nécessaire et les plastiques nécessaires. D'énormes difficultés ont surgi lors du travail avec de l'oxygène liquide, car toutes les huiles lubrifiantes alors disponibles se sont instantanément épaissies à basse température et les gouvernails ont cessé de fonctionner. J'ai dû développer de nouveaux types d'huiles. La culture générale de la production ne correspondait en rien au niveau de la technologie des fusées. La précision de fabrication des pièces, la qualité des soudures ont longtemps laissé à désirer. Des tests effectués en 1948 sur le site de test de Kapustin Yar ont montré que le R-1 non seulement ne surpassait pas le V-2, mais leur était également inférieur à bien des égards. Presque aucun des départs ne s'est déroulé sans encombre. Les lancements de certains missiles ont été retardés à plusieurs reprises en raison de dysfonctionnements. Sur les 12 missiles destinés aux essais, seuls 9 ont été lancés avec beaucoup de difficulté. Des essais effectués en 1949 donnaient déjà de bien meilleurs résultats : sur 20 missiles, 16 touchaient un rectangle donné de 16 sur 8 km. Il n'y a pas eu une seule panne de démarrage du moteur. Mais même après cela, beaucoup de temps s'est écoulé avant qu'ils n'apprennent à concevoir des missiles fiables qui démarrent, volent et touchent la cible. En 1949, sur la base du R-1, la fusée géophysique à haute altitude V-1A a été développée avec un poids au lancement d'environ 14 tonnes (d'un diamètre d'environ 1,5 m, elle avait une hauteur de 15 m). En 1949, cette fusée a livré un conteneur avec des instruments scientifiques à une altitude de 102 km, qui est ensuite revenu en toute sécurité sur terre. En 1950, le R-1 est mis en service. À partir de ce moment, les scientifiques soviétiques des fusées se sont déjà appuyés sur leur propre expérience et ont rapidement dépassé non seulement leurs professeurs d'allemand, mais également les concepteurs américains. En 1950, un missile balistique R-2 fondamentalement nouveau avec un seul char porteur et une ogive amovible a été créé. (Les réservoirs de carburant du V étaient suspendus, c'est-à-dire qu'ils ne transportaient aucune charge de puissance. Les concepteurs soviétiques ont initialement adopté ce schéma. Mais plus tard, ils sont passés à l'utilisation de réservoirs porteurs, lorsque la coque extérieure, c'est-à-dire le corps de la fusée, a servi comme parois des réservoirs de carburant, ou, ce qui revient au même, les réservoirs de carburant constituaient le corps de la fusée.) Le R-2 était deux fois plus grand que le R-1, mais grâce à l'utilisation d'alliages d'aluminium spécialement conçus, il ne le dépassait en poids que de 350 kg. L'alcool éthylique et l'oxygène liquide étaient encore utilisés comme carburant. En 1953, la fusée R-5 d'une portée de 1200 km est mise en service. La fusée géophysique V-5A créée sur sa base (longueur - 29 m, poids au lancement d'environ 29 tonnes) pourrait soulever des charges jusqu'à une hauteur de 500 km. En 1956, la fusée R-5M a été testée, qui transportait pour la première fois au monde une ogive à charge nucléaire dans l'espace. Son vol s'est terminé par une véritable explosion nucléaire dans une zone donnée de l'Aral Karakum, à 1200 km du site de lancement. Korolev et Glushko ont ensuite reçu les étoiles des Héros du travail socialiste. Jusqu'au milieu des années 50, tous les missiles soviétiques étaient à un étage. En 1957, un missile balistique intercontinental de combat à plusieurs étages R-7 a été lancé avec succès depuis le nouveau cosmodrome de Baïkonour. Cette fusée, longue d'environ 30 m et pesant environ 270 tonnes, se composait des quatre blocs latéraux du premier étage et d'un bloc central avec son propre moteur, qui servait de deuxième étage. Dans la première étape, le moteur RD-107 a été utilisé, dans la deuxième étape - RD-108 sur du carburant oxygène-kérosène. Au départ, tous les moteurs étaient allumés simultanément et développaient une poussée d'environ 400 tonnes.
Les avantages des fusées à plusieurs étages par rapport aux fusées à un étage ont déjà été discutés ci-dessus. Il existe deux agencements possibles d'étapes. Dans le premier cas, la fusée la plus massive, située en bas et tirée au tout début du vol, s'appelle le premier étage. Habituellement, une deuxième fusée de taille et de masse plus petites y est installée, qui sert de deuxième étage. Sur celui-ci, à son tour, une troisième fusée peut être placée, et ainsi de suite, en fonction du nombre d'étapes nécessaires. Il s'agit d'un type de fusée avec un agencement séquentiel d'étages. R-7 appartenait à un type différent - avec une séparation longitudinale des marches. Des blocs séparés (moteurs et réservoirs de carburant) du premier étage y étaient situés autour du corps du deuxième étage, et au départ, les moteurs des deux étages ont commencé à fonctionner simultanément. Après avoir manqué de carburant, les blocs du premier étage ont été jetés et les moteurs du deuxième étage ont continué à fonctionner. Quelques mois plus tard, dans la même année 1957, c'est cette fusée qui a lancé en orbite le premier satellite terrestre artificiel de l'histoire. Auteur : Ryzhov K.V.
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