Nike System History

Il 1946 fu essenzialmente dedicato allo sviluppo dei principali componenti, che furono portati avanti su molti fronti tecnici. Il periodo comprese lavori in laboratorio con il simulatore e terminò con il primo esperimento reale di lancio di un missile al poligono di tiro. Come già riferito il Nike 1946 doveva essere progettato e fabbricato per effettuare i test di volo verticale e non controllare per estrarre informazioni sui metodi di lancio, la propulsione del booster, la separazione degli stadi, il rendimento del motore e la stabilità di volo. Mentre gli studi preliminari furono ridotti e finalizzati alla pratica applicazione del Nike 1946, il lavoro proseguì con lo sviluppo dei componenti del sistema di guida terrestre per l’istallazione e i test sui missili successivi. I Radar. Per fare esperienza con il sistema di inseguimento tipo monopulse operante nella banda X, un radar del tipo SCR-545 fu convertito per questo nuovo tipi di funzionamento. Il gruppo antenna originale fu sostituito con un antenna lenticolare dotata di un sistema monopulse tipo rapid fading. Il rendimento del supporto dell’SCR-545 monopulse fu migliorato con l’applicazione di retroazioni tachimetriche sui servo angolari. Come previsto dal rapporto AAGM, i radar di inseguimento bersaglio e missile furono sistemati su un'unica piattaforma girevole montata sul tetto di un comune intervano radar e dotata di due antenne paraboloidi indipendenti. L’azimuth del radar di inseguimento bersaglio doveva essere regolato muovendo l’intera struttura del fascio. La differenza tra l’azimuth del bersaglio e quello del missile poteva essere aggiustata muovendo l’antenna del radar inseguimento missile rispetto alla struttura del fascio. Questo progetto del tutto originale fu abbandonato per l’eccessiva potenza elettrica richiesta dal sistema di movimento veloce e a causa del cono d’ombra prodotto da un’antenna verso l’altra, considerata la loro stretta vicinanza. Fu poi presa in considerazione l’idea di disporre di due antenne ruotanti in azimuth rispetto alla struttura del fascio e di permettere il movimento rotatorio di quest’ultimo solo per prevenire l’oscuramento di un antenna rispetto all’altra. Ulteriori studi di questa doppia struttura tuttavia, rivelarono seri inconvenienti, come requisiti molto impegnativi dovuti alla rigidità della pesante struttura rotante superiore, la deformazione della struttura del fascio causata dalla radiazione solare, e il problema della collocazione di un veicolo comune in modo da ottenere la visibilità radar da tutti i lanciatori senza compromettere la migliore copertura dei bersagli nella zona assegnata di difesa. Per evitare queste difficoltà alla fine fu deciso di abbandonare la doppia struttura e di accettare la soluzione delle due antenne indipendenti. Con due gruppi antenna indipendenti ciascuna montata su un supporto dedicato, occorreva prendere in considerazione un’accurata procedura di livellazione e un sistema di correzione dell’errore di parallasse da sistemare nel computer. Fu deciso di utilizzare, come sorgente di alimentazione elettrica, una tensione a 400 cicli piuttosto che lo standard a 60 cicli per risparmiare peso e dimensioni dei circuiti di alimentazione. Studi sperimentali sul radar di acquisizione consigliarono la scelta della banda S e di elevare la potenza del magnetron sintonizzabile fino a 1 Megawatt. Computer. In un sistema come il Nike, le caratteristiche del computer di guida sono di importanza critica negli ultimi secondi che precedono l’intercettazione. Ci si accorse che uno dei problemi di accuratezza terminale era intorno alla possibilità di tirar fuori il rumore elettronico prodotto dal radar di inseguimento senza ritardare il riconoscimento delle reali manovre del bersaglio. Con il calcolo manuale furono condotte analisi per l’ottimizzazione delle funzioni di guida, ma presto ci si rese conto che l’enorme quantità di dati da calcolare rendevano praticamente impossibile percorrere tale via. Pertanto, all’inizio del 1946, fu costruito un apparato, chiamato Computer Analizzatore, dedicato esclusivamente all’analisi della parte terminale della missione. Questo computer risolveva le equazioni di guida in due dimensioni in moda tale che lo scarto laterale poteva essere studiato in termini di grande variabilità delle equazioni degli ordini di guida, del livello di rumore, dei parametri di stabilità e regolarità, ampiezza, tipologia e sequenza della traiettoria del bersaglio. Furono eseguite ed analizzate oltre 7000 “missioni”, con quasi 700 possibili scenari. Da queste simulazioni emersero le tecniche per ottenere ottima regolarità, previsioni, e formato degli ordini, in aggiunta ad una grande quantità di informazioni relative agli effetti dovuti alle varie tipologia di manovrabilità del bersaglio. Su queste analisi furono basati i circuiti del computer R&D. Alla fine del 1946 il progetto del computer era arrivato allo stato di diagramma a blocco dal quale si poteva procedere verso i dettagli. La filosofia adottata per il computer fu piuttosto differente da quella prevista dal rapporto AAGM, ma la maggior parte delle idee iniziali fu mantenuta se pur in forme modificate. Per semplificare il calcolo, si passò dall’impiego delle coordinate polari a quelle cartesiane, orientate secondo l’asse di direzione del giroscopio del missile nella fase di prelancio. Questo tipo di presentazione fu adottata per evitare i problemi di parallasse prodotti dall’impiego di due antenne indipendenti, e dalla considerevole distanza esistente tra i radar e i siti di lancio. Scegliendo la forma di traiettoria più vantaggiosa permetteva inoltre di avere una maggiore flessibilità e di facilitare la scelta degli ordini di lancio nelle componenti di beccheggio e imbardata. Tutte queste modifiche richiedevano l’introduzione di un nuovo metodo di formulazione della forma delle traiettorie per ottenere il più efficiente percorso di volo del missile. Gli studi di dettaglio partirono con la soluzione degli ordini di guida, la soluzione del prelancio, della fase di detonazione, la sequenza delle operazioni, l’accuratezza del calcolo, la regolazione delle tensioni di alimentazione, di amplificatori di retroazione comuni, del sistema di trasmissione dati tra il computer e i radar, e di un sistema di visualizzazione della minaccia. Missile Nike-46. All’inizio della fase di sviluppo del 1946, fu deciso di procedere con la fabbricazione dei 14 missili sperimentali da impiegare per le prove al poligono di White Sands , in calendario nell’autunno dello stesso anno. I primi quattro esemplari sarebbero stati dei simulacri in legno zavorrati per la valutazione della forma e delle proprietà dinamiche. Oltre che a fornire le necessarie informazioni sull’attrito, erano destinati alla prova della propulsione del booster e della separazione o per evidenziare problematiche non previste. Gli altri dieci sarebbero stati missili reali nel senso che sarebbero stati dotati di un sistema di alimentazione autonomo. Gli alettoni sarebbero stati fissi quindi non sarebbe stato possibile controllare i movimenti di beccheggio e imbardata. I dieci missili erano destinati allo studio del sistema di alimentazione elettrica e alla stabilità di volo quando alimentati. Le prove alla galleria del vento dei modelli di missile Nike al 7,5 per cento continuarono presso la APG per valutare il comportamento alle velocità intermedie (1,28 mach) e a quelle alte (1,72 mach). Questi esperimenti furono integrati con prove a velocità subsonica su modelli in altra scala condotti nella galleria del vento di dieci piedi del California Institute of Technology. Portanza, resistenza e stabilità così come i momenti di cerniera degli alettoni e delle superfici di controllo, furono provati e trovati soddisfacenti. Nel febbraio del 1946 fu stabilito il progetto finale dei primi dieci missili. Questo progetto prevedeva una configurazione di ali canard cruciformi, i dettagli del quale sono stati già illustrati. Durante la progettazione e la costruzione dei missili del 1946 furono introdotte alcune revisioni per adattare il missile alle funzioni di volo senza controllo previste. Booster: Tra le principali novità ci fu l’impiego di quattro razzi paralleli a combustibile solido Aerojet in grado di erogare una spinta di 10.000 kg ciascuno per due secondi e di forzare il modello 1946 a velocità supersonica. Il primo progetto, basato sul gruppo di otto razzi T1OE1 da 5000 kg di spinta fu abbandonato alla fine del marzo 1946, allorchè lo sviluppo di una più grande unità Aerojet fu abbastanza avanzata da essere inclusa nel programma 1946. Lo sviluppo del propulsore da 10000 kg fu iniziato presso Aerojet Engineering Corporation nell’aprile del 1946, con un appalto dalla DAC. Aerojet doveva fornire 56 booster, che la DAC doveva poi unire in gruppi da quattro. Nel luglio 1946 le realizzazioni preliminari furono completate e nel mese di agosto cominciarono le prove statiche di fuoco. In 68 esperimenti complessivi, ci furono otto fallimenti, due dei quali avvennero a White Sands. Un altro guasto avvenne durante la parte finale di una accensione, sempre a White Sands, allorchè l’ugello di un propulsore fu distrutto. Sebbene i risultati degli esperimenti indicavano la necessità di ulteriori miglioramenti nell’affidabilità e nella riproducibilità, il rendimento del booster fu decisamente promettente. Il propellente ultimo selezionato per il razzo del booster era composto da un singolo grano perforato a base di Paraplex e come ossidante impiegata perclorato di potassio. La particolare formulazione dei componenti impiegati fu denominata AK-6 (in precedenza PF-6),, ed aveva la seguente composizione in peso : 73 % di perclorato di potassio, 26,85 % di Paraplex P-10 e 0,15 % di perossido di idrogeno di terz-butile. L’elemento ignitivo consisteva in polvere nera esplosiva in capsula plastica, insieme con due ordinari iniziatori elettrici.

Motore. La potenza per il missile Nike-46 era fornita da un motore bi propellente a propellente liquido, raffreddato a rigenerazione. Progettato e prodotto da Aerojet come Modello X21AL-2600, il motore da 18 kg fu disegnato per avere una spinta di 1150 kg a livello del mare per 21 secondi. Una miscela composta dal 65% di anilina e dal 35% di alcool furfurilico veniva ossidata da acido nitrico a fumo rosso. Il carico liquido consisteva di 100 kg di ossidante e di 86 kg di comburente. I serbatoi erano costruiti come parte integrante della fusoliera del missile. Lo sviluppo del motore per il Nike 1946 fu iniziato da Aerojet verso la fine del 1945, con un appalto dalla DAC. Aerojet doveva fornire i motori a razzo, le valvole di controllo e i regolatori di pressione (per il sistema di alimentazione a pressione), necessari per 10 missili. Gli altri componenti del propulsore come i serbatoi, i condotti, e le valvole furono progettate e costruite da DAC. I test di progetto furono conclusi per la fine di aprile 1946. Il progetto del prototipo fu stabilito con le versioni finali dei rispettivi componenti sperimentali. Il prototipo del motore e le valvole di controllo furono provate a fuoco sul banco prova nel mese di maggio. Le prove finali di fuoco furono condotte in un simulacro dell’istallazione Nike effettiva, impiegando la sequenza di fuoco. I risultati delle prove furono uguali ai requisiti richiesti e il progetto fu approvato. Il gruppo motore completo fu poi sottoposto a test statici completi presso White Sands. I test di accettazione del decimo motore furono completati nel settembre 1946. Configurazione strutturale. Per la struttura fu scelta la configurazione a delta per entrambe le superfici di controllo al fine di migliorare l’efficienza aerodinamica, e gli impennaggi vennero spostati molto in avanti rispetto alle previsioni iniziali del progetto base. Gli studi di progetto rivelarono che grandi vantaggi potevano essere ottenuti usando due serbatoi sferici per il gas pressurizzato, montati tra i serbatoi dell’ossidante e del comburente. Con questa sistemazione, lo spazio intorno alle sfere poteva essere impiegato per irrobustire le strutture degli attacchi alari e per i componenti del motore, e la sezione posteriore poteva essere rimossa come sezione per un più facile accesso al motore stesso. La struttura degli alettoni fu progettata, insieme con il gruppo booster, per ridurre il momento del braccio applicato dalla spinta di ogni cilindro del booster. Dopo la sistemazione dei componenti, la lunghezza del missile fu incrementata dagli originali 5,79 metri a 5,94 metri per provvedere ad un volume aggiuntivo di esplosivo. La carica esplosiva, originariamente fu pensata composta di due unità distinte, una sistemata nella sezione anteriore e l’altra nella sezione posteriore. Sulla base delle prove di frammentazione, fu in seguito deciso di dividere la carica esplosiva in tre parti, una localizzata nella punta del missile, una seconda nella sezione centrale del serbatoio dell’ossidante, e la terza nello spazio antecedente il motore. Gli spazi previsti per le cariche esplosive, i meccanismi di controllo e i circuiti radio del missile finale, furono destinati a contenere la strumentazione e il trasponder radio del Nike-46. Strumentazione. Tutti i missili sperimentali furono dotati di strumenti per acquisire la maggior parte possibile di informazioni da ogni possibile volo. La filosofia progettuale R&D era diretta dalla decisione che nessun missile doveva essere sparato come mero veicolo sperimentale ma come un passo dopo l’altro verso l’evoluzione dell’arma definitiva. Di conseguenza lo spazio per la strumentazione di prova doveva essere trovato laddove era possibile. Nel corso delle prime fasi del programma sperimentale, il missile non conteneva nessun dispositivo di controllo o carica esplosiva e pertanto vi era spazio sufficiente per la strumentazione sperimentale. Nella versione finale che includeva anche le cariche esplosive, non viera più spazio interno disponibile e pertanto fu necessario ricorrere alla sistemazione esterna della strumentazione sperimentale. Il programma originale prevedeva una semplice dotazione di bordo per registrare le accelerazioni lineari e i movimenti di rollio durante il volo. Si pensava che la telemetria potesse essere adottata, nel futuro, per registrate i dati di volo, ma nessuno dei progetti di telemetria per missile allora in corso progredì abbastanza da fornire un apparato affidabile tale da essere sistemato all’interno di un missile reale al tempo in cui il progetto del Nike-46 fu definito. Perciò si fece ricorso ad un apparato di registrazione fotografico convenzionale nella speranza di poter recuperare un film utile dopo l’impatto. I tre missili inerti non furono dotati di alcuna strumentazione. Ciascun missile motorizzato fu dotato di un transponder radar di ausilio all’inseguimento. Lanciatore. L’idea iniziale di lanciatore, estrapolata dal rapporto AAGM, consisteva di quattro guide verticali poste a circa 90° dal missile, ma passanti dentro la struttura del booster. Quando i cilindri del booster, originariamente otto pezzi tipo T10E1, erano posti fuori le slitte di lancio, dovevano essere sbalzati dalla base rigida. Nei progetti successivi del booster, quando i razzi T10E1 furono rimpiazzati dai quattro Aerojet da 10000 kg, intervennero ulteriori restrizioni sulle dimensioni e la posizione delle slitte di lancio, che dovevano essere sistemate all’interno della struttura del booster. La lunghezza e la sezione a croce delle slitte di lancio furono determinate calcolando la possibile lunghezza dello sbalzo per il momento di inerzia dei costituenti e in considerazione della velocità del booster e della stabilità voluta del lanciatore al momento del lancio. Il progetto del meccanismo di elevazione e abbassamento delle slitte di lancio fu determinato dalla disponibilità dei componenti. Dunque non erano previsti sistemi idraulici, e anche per quanto riguarda gli attuatori elettrici la scelta era piuttosto limitata. Un motore elettrico da un cavallo fu selezionato per pilotare un tamburo per cavi attraverso una ghiera di riduzione. Il primo di questi lanciatori meccanici, dai quali sarebbero stati lanciati la serie di missili 1946 di White Sands, fu costruito come un complesso costituito da quattro slitte di lancio parallele composte da acciaio rettangolare cavo a sezione crociata saldate ad un supporto girevole sul quale potevano essere ruotate fino alla posizione orizzontale per essere caricate ed innalzate fin quasi verticalmente per il lancio. Durante il lancio, il missile sarebbe scivolato verso l’alto tra due slitte di lancio, guidato dagli impennaggi, mentre il Booster passava all’esterno delle slitte di lancio. Sebbene adeguato, era soggetto a significative vibrazioni difficili da misurare. Il problema delle vibrazioni fu eliminato passo dopo passo attraverso le fasi della riprogettazione del lanciatore, tesa a renderlo sempre robusto e semplice. Nomenclatura. Al fine delle registrazioni, i missili furono identificati da una doppia etichetta; cioè un “Round Number” e un “Missile Number”. Il “Round Number” era un numero di serie legato alla cronologia dei test di fuoco, con i missili inerti identificati da lettere alfabetiche iniziante da una lettera A e quelli motorizzati da numeri a partire da 1. Il “Missile Number”, era il numero di identificazione della produzione e era formato da due simboli separati da trattino, la prima parte per l’anno di progetto o il modello e la seconda (dopo il trattino) per la cronologia di produzione. I missili inerti erano identificati da lettere che seguivano il prefisso relativo al modello, per esempio, Nike-46-A mentre i missili motorizzati erano distinti da numeri, cominciando da Nike 46-1.