CC BY
61
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
S§ FENOMEN EROZIJE CEVI NAORUŽANJA
о
о
Z>
Potpukovnik dr Slobodan Ilić, dipl. inž., simiN@ptt.rs,
Vojna akademija,
potpukovnik mr Goran Marjanović, dipl. inž., masamisa@ptt.rs, Vojnotehnički institut
Rezime:
U radu su prikazana dosadašnja istraživanja erozije cevi. Trošenje cevi je neizbežan proces do kojeg dolazi pri svakom opaljenju. Erozija cevi može se definisati kao progresivna povreda ili oštećenje površine cevi i proširenje kalibra usled opaljenja, koja utiče na: gubitak ili pad početne br-zine projektila, tačnost i efektivnost oruđa. Kao glavni uzročnici koji utiču na intenzitet erozije cevi opisani su termički, hemijski i mehanički faktori. Njihov uticaj prikazan je u interakciji cev - projektil - barutno punjenje.
Ključne reči: cev, erozija, trošenje, temperatura, abrazija, hemijsko dej-stvo, pad početne brzine, projektil, barutno punjenje.
GUN BARREL EROSION Summary:
An overview of research into gun barrel erosion is presented in this paper. The gun bore wear is an unavoidable process during normal firing. The wear can be defined as progressive damage of the bore surface and enlargement of the bore, ultimately resulting in loss in the muzzle velocity, range and accuracy. Thermal, chemical and mechanical factors are described as major factors of gun barrel erosion. The influence of these factors is presented in the interaction of gun tube - projectile - propellant.
Key words: gun tube, barrel, erosion, wear, temperature, abrasion, chemical affect, loss of muzzle velocity, projectile, propellant.
Uvod
Brojni pristupi su korišćeni u karakterizaciji mehanizama erozije cevi, kao i u proračunu upotrebnog veka cevi oruđa [1, 2]. Preko jednostavnih termomehaničkih i termohemijskih modela, koji se navode u brojnoj lite-raturi, još uvek nije dobijen jedinstven valjan model za proračun erozije i upotrebnog veka cevi, niti je on potpuno razvijen. To ukazuje na činjenicu
da je problem erozije cevi složen i kompleksan, pa je neophodno da se što bolje sagleda i sistematski izuči. Erozija cevi uključuje interakciju ve-ćeg broja termičkih, mehaničkih i hemijskih faktora sa površinom kanala cevi, koji svi aktivno deluju i u isto vreme sa promenljivim intenzitetom duž vodišta projektila i sa različitim uslovima opaljenja [3].
Slika 1 - Oštećenja površine cevi oruđa 105 mm M68 kao rezultat opaljenja metka:
a) izgled cevi posle dva opaljenja, b) uveličan pogled početka ožlebljenog dela nakon dva opaljenja, c) izgled cevi posle 702 opaljenja, d) uveličan pogled početka ožlebljenog dela nakon dva opaljenja, e) uveličan pogled početka ožlebljenog dela nakon 1744 opaljenja.
Erozija cevi prikazana na slici 1 [4] može se definisati kao progresiv-na povreda ili oštećenje površine cevi i proširenje prečnika cevi (kalibra) usled opaljenja, koja utiče na smanjenje: početne brzine projektila, tačno-sti i efektivnosti oruđa. Naravno, kada smanjenje početne brzine projektila pređe određenu veličinu ili kada projektil premaši dozvoljena odstupa-nja tačnosti pogađanja, zabranjuje se upotreba cevi (cev se deklasira i nastaje balistička smrt cevi). Postoji i niz drugih pojava i uslova kada se
СЖ>
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
cev artiljerijskog oruđa zabranjuje za upotrebu, ali oni nisu vezani za ero-ziju. Na primer, povećanje mehaničkih oštećenja usled uboja, zareza, po-java prskotina, kidanja polja, naduvavanja cevi i dr.
Iako je problem erozije uočen vrlo rano, već sa prvim ožlebljenim ce-vima, prve sistematske studije ovog problema datiraju od sredine 20 veka. Najautentičniji radovi nastali su za vreme Drugog svetskog rata pod spon-zorstvom nacionalnog biroa za istraživanje (National Defense Research Committe - NDRC) i naučnog instituta za razvoj i istraživanje (Office of the Scientific Research and Development) u SAD. Rezultati su sumirani u radu iz 1946. pod naslovom „Hiperbzi topovi i upravljanje erozijom cevi" [4].
Posle Drugog svetskog rata zanimljivi radovi posvećeni problemima erozije bili su objavljeni na simpozijumima 1950. i 1952. godine. Posebno interesovanje za efekte erozije cevi bilo je u vreme Vijetnamskog rata, kada su intenzivno korišćena artiljerijska oruđa i kada se zbog efekata erozije menjao izgled i geometrija unutrašnje površine cevi, što je direkt-no uticalo na tačnost i preciznost artiljerijskih oruđa. Od 1970. godine problem erozije cevi je opšte prihvaćen u svetu, a najpre je iniciran u SAD u brojnim projektima koje je pokrenulo ministarstvo odbrane. Neki rezultati ovih projekata saopšteni su na simpozijumima 1977. i 1982. godine. Istraživanja u oblasti erozije i trošenja cevi veoma su značajna. Go-tovo na svim simpozijumima U. S. Army Symposium on Gun Dynamics prezentovani su radovi iz ove oblasti, a na simpozijumima održanim 1998. i 2001. godine posebne sekcije pratile su ovu oblast istraživanja.
Fenomenologija erozije cevi artiljerijskih oruđa
U proteklih 600 godina artiljerijska oruđa imala su stalni trend pove-ćanja početne brzine projektila. Na slici 2 prikazan je trend povećanja po-četne brzine projektila od početka XV veka.
Neke od cevi oruđa, prema slici 2, bile su konstruisane za početne brzine projektila veće od 600 m/s, uključujući i razvoj savremenih artiljerijskih oruđa sa početnim brzinama projektila do 1800 m/s. Ovakav trend povećanja početne brzine projektila, radi povećanja njegove kinetičke energije ili dometa, i povećanje brzine gađanja, bili su glavni uzročnik erozije cevi. Istorijski gledano, haubice i minobacači, zbog manjih optere-ćenja pri opaljenju i nižih vrednosti prethodno navedenih veličina, imale su manje iznose trošenja cevi i zato duži životni vek od cevi tenkovskih topova i protivoklopnih topova. Danas, međutim, savremene vučne ili sa-mohodne haubice koje imaju cevi dužine oko 7 metara i domete do 50 km imaju i realne probleme sa erozijom cevi. Zbog velikih opterećenja u cevi njihov životni vek je i do 10 puta kraći. Prema nekim nepotvrđenim informacijama, životni vek cevi kod savremenih haubica, pri maksimal-nom dometu od 50 km, iznosi samo oko 100 metaka.
Granice zabrane upotrebe cevi oruđa
Tabela 1
Kalibar Granica trošenja u mm Životni vek f)EFC projektila Proračunski životni vek EFC projektila Početna brzina vo, m/s Projektil Temperatura u cevi T, °K
Protivavionski top 40 mm M1 1,32 12000 12000 875 M91(A1) 2433
a)349,25
b) tenkovski top 90 mm 2,54 700 3000 914 M353 2974
628,65
Tenkovski top 105 mm 1,91 641,35 c)100 1000 1478 APDS-T 3040
1,91 d)125 1000 1173 HEAT-T M456 3040
641,35
1,91 e)1000 1000 1173 HEAT-T M456 3040
641,35
Haubica 155 mm M126 2,54 3350 5000 684 M107 2470
762
Haubica 203 mm 3,43 10000 7500 762 M106 2700
1346,2
a) mereno od zadnjeg preseka cevi, b) hromirana cev, c) sa poliuretanom, d) bez aditiva, e) sa TiO2 aditivom, f) EFC (Effective full round) ekvivaletno puno punjenje
dD
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
U tabeli 1, prema [4], dat je prikaz cevi nekih oruđa velikih kalibara koje su deklasirane zbog erozije ili prslina na unutrašnjoj površini cevi. Oruđa malih kalibara, posebno sa velikom brzinom gađanja, imaju ogra-ničenu veličinu erozije. Tako, na primer, cev topa 20 mm M61, zavisno od brzine gađanja, ima životni vek od 3 000 do 12 000 metaka, a zbog erozije nije veći od 500 do 2 000 metaka.
Prema navedenim podacima u tabeli 1 vidi se da su granice trošenja i granice životnog veka cevi oruđa različite i među njima ne postoji nika-kva korelacija, što znači da zavise i od drugih veličina, kao što su: vrsta projektila, temperatura barutnog punjenja, maksimalni pritisak barutnih gasova u cevi, brzina gađanja, vrsta materijala od koje je izrađena cev, geometrija cevi, itd. S obzirom na to da je proizvodnja cevi vrlo skupa, posebno je značajno da se u razvoju novih cevi sagledaju svi aspekti erozije kako bi se njeni efekti minimizirali.
Na slici 3 prikazani su glavni elementi koji se razmatraju pri eroziji.
JEDNOBAZNI DVOBAZNI
NC (13%) 85.0 77.45
NG . 19.50
DNT 10.0 .
DPTh 5.0 .
DPhA 1.0
C2H5OH (ostatak) 0.75 2.3
H20 0.50 0.7
Be(N03)2+KN03 - 2.15
ETILCENTRALIT - 0.60
Temperatura 2400 К 3300 К
Slika 3 - Sastavni elementi erozije cevi
To su:
- cev koja je izrađena od čelika sa ožlebljenom površinom vodišta projektila, čije su osnovne karakteristike i sastav prikazani na sl. 3, i
- metak, sa barutnim punjenjem, pripalom, kapislom i projektilom. Projektil ima vodeći i centrirajući prsten. Vodeći prsten projektila ne obez-beđuje samo rotaciju projektila oko uzdužne ose, već i zaptivanje barut-nih gasova radi dobijanja maksimalnog pritiska u cevi iza projektila.
Opaljenje metka prate visoka temperatura (2800-3000° K) i pritisak od oko 140-550 MPa, zavisno od veličine zapremine gasova iza projektila nasta-lih sagorevanjem barutnog punjenja. Glavni sastojci barutnih gasova su: CO, CO2, H2O, H2 i N2. U gasovima su prisutne i male koncentracije NH3, CH4, NO i H2S, kao i drugi molekuli u zanemarljivim količinama. Zavisno od vrste barutnog punjenja barutni gasovi će sadržati veće ili manje koncentracije CO i H2.
Navedene komponente produkata sagorevanja barutnih gasova za vreme opaljenja, kao i posle opaljenja, na određeni način hemijski reagu-ju ne samo međusobno već i sa unutrašnjom površinom kanala cevi.
T, к A
Temperatura zida cevi pri prvom opaljenju na razvučenoj vremenskoj skali za pušku 7,62 mm
Slika 4 - Temperaturni profil površine cevi
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
Kod artiljerijskih oruđa velikih kalibara, na primer američke haubice 175 mm M113, vreme za koje se projektil nađe na ustima cevi iznosi tu=20 ms, a kod malih kalibra automatskog naoružanja tu= 1—2 ms. U toku ovog kratkog perioda pod pritiskom barutnih gasova, projektil se kreće prema na-pred, a vodeći prsten utisnut u žleb vodišta cevi stvara kontaktni pritisak ve-likog iznosa oko 350 MPa. Povećana temperatura međukontakta projektila i cevi može da topi površinu vodećeg prstena stvarajući skoro hidrodinamič-ko podmazivanje projektila. Toplota se prenosi od zagrejanih gasova na po-vršinu cevi konvekcijom, povećavajući temperaturu površine cevi, koja ne samo da smanjuje mehaničku čvrstoću cevi, već izaziva i hemijsku interak-ciju. Teorijski proračun i eksperimentalni merni podaci, dobijeni u neposred-noj blizini površine cevi, pokazali su da za prvih nekoliko milisekundi na po-vršini cevi, prema sl. 4 [5], dolazi do naglog temperaturnog skoka.
U slučaju brze paljbe iz cevi velikih početnih brzina temperaturni pro-fil površine cevi se slično menja za kraće vreme i može uzrokovati parci-jalno topljenje površine cevi. Neki od važnih procesa koji su uključeni u dejstvo prema površini kanala cevi i utiču na stanje površine cevi za vreme opaljenja zbirno su prikazani na slici 5 [4].
Reakcioni parametri uključuju veliki pritisak i temperaturu, hemijski reaktivne barutne gasove, naprezanja vodećeg prstena i prirodu materija-la cevi. Ciklično ponavljanje visokih vrednosti temperature i pritisaka do-vodi do difuzija atoma ugljenika i azota, što izaziva promenu strukture i stanja površine cevi i indukuje feritno-austenitnu i martenzitno-austenitnu transformaciju čelika. Fazne transformacije praćene su zapreminskim promenama kristalne rešetke i stvaranjem dodatnih naprezanja na povr-šini kanala cevi od kojih nastaju mikroprsline. Pojava ovakovog stanja na površini cevi naziva se toplotno tretiranje (heat checking) [4] i prikazana je na sl. 5. Ako barutno punjenje pri sagorevanju oslobađa visoku tempe-raturu i ako je odnos gasova CO/CO2 oko jedan, na površini cevi dolazi do lokalnog rastapanja FeO čestica i austenita. Ovo parcijalno topljenje površine daje izgled „šljunkovite površine". Barutni gasovi sa nižom tem-peraturom normalno reaguju sa površinom kanala cevi, stvarajući tako-zvani beli sloj, koji se sastoji od Fe3C (cementit) i tzv. gama i epsilon faza (Fe4N i Fe2Nx), malih količina Fe3O4, zaostalog austenita i nešto martezit-ne faze koja nastaje pri brzom hlađenju. Sledeći sloj koji se povremeno javlja nalazi se između termički izmenjenog sloja i belog sloja i naziva se unutrašnji beli sloj. To je, u stvari, austenit stabilizovan rastvaranjem ugljenika i azota i ponekad može biti parcijalno rastopljen. Vidljivo formi-rani unutrašnji beli sloj prethodi spoljašnjem belom sloju. Postupno formi-ranje ovih slojeva je šematski prikazano na slici 5a. Tačka topljenja ovih slojeva je 1370-1420 K i za približno 520-600 K niža od tačke topljenja čelika. Velike brzine isticanja barutnih gasova ka ustima cevi dovode do odnošenja ovih rastopljenih produkata [4].
<$>
Slika 5 - Termofizički i hemijski procesi na površini cevi za vreme opaljenja
Gasna struja često prelazi preko vodećeg prstena projektila (slučaj nepotpunog zaptivanja), pa se po kanalu žleba raznese rastopljeni mate-rijal vodećeg prstena, što dovodi do tzv. bakarisanja cevi. Nepotpuno zaptivanje vodećeg prstena utiče na funkciju vodećeg prstena projektila i na povećanje erozije cevi. Naime, nanošenje bakra u površinske prsline može ubrzati njihovo širenje po dubini zida cevi.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
Nesagorele čestice barutnog punjenja na ustima cevi izazivaju me-haničku abraziju površine cevi. Svi navedeni faktori doprinose skidanju dela materijala sa unutrašnje površine cevi, što neizbežno vodi ka pove-ćanju kalibra cevi. Ove pojave su najizraženije na početku ožlebljenog dela cevi. Tipičan oblik promene kalibra neke erodirane cevi prikazan je na slici 6 [4]. Karakter promene prečnika cevi usled erozije utvrđen je eksperimentalno [4], tj. merenjem na eksperimentalnoj cevi 155 mm XM 199 američke proizvodnje, posle 1804 ispaljena projektila. Utvrđeni mak-simum erozije unutrašnjosti cevi bio je na udaljenosti od 0,92 m od zad-njeg preseka cevi, gde se upravo nalazio početak ožlebljenog dela cevi.
Slika 6 - Promena prečnika cevi usled erozije
Može se zaključiti da je tokom opaljenja, unutar određenih perioda merenih u milisekundama, površina cevi izložena:
- visokim temperaturama,
- visokim naprezanjima usled pritiska barutnih gasova,
- hemijskim interakcijama sa barutnim gasovima,
- naprezanju usled urezivanja vodećeg prstena, sile trenja i interak-cije površine cevi sa vodećim prstenom,
- delovanju toplotnih i mehaničkih efekata usled nedovoljnog (nepot-punog) zaptivanja vodećeg prstena,
- ispiranju površine strujom isticanja barutnih gasova i
- abraziji usled sudara nesagorelih čestica barutnog punjenja sa po-vršinom cevi.
Navedeni toplotni, hemijski i mehanički faktori kompleksno deluju i stalno menjaju uslove duž cevi oruđa za vreme balističkog (cikličkog) op-terećenja. Posle svakog opaljenja neminovno dolazi do erozije cevi, a njene posledice su:
- povećanje prečnika cevi (kalibra) i oštećenje površine cevi,
- pad početne brzine projektila,
- pad dometa i gubitak tačnosti gađanja, odnosno povećano rastura-nje projektila na cilju.
Može se reći da je upotrebni vek cevi ekstremno kratak. Na primer, kod haubice 105 mm projektil napusti usta cevi nakon 10 ms od trenutka opaljenja. Ako je upotrebni vek cevi ograničen na 1000 projektila, zbog erozije, to znači da će cev imati samo 10 sekundi efektivnog rada. Obič-no cevi većeg kalibra ranije postaju neupotrebljive od prognoziranog veka upotrebe zbog erozije, osim ako se dodatno ne koriste aditivi, ablativi i drugi dodaci u barutnom punjenju.
Manji kalibri koji imaju veću brzinu gađanja takođe imaju kraći životni vek u odnosu na predviđeni životni vek određen proračunskim putem. In-tenzivna eksploatacija cevi kod koje se odstupa od propisanog režima paljbe izlaže unutrašnji kanal povišenim naprezanjima, a posebno tempe-raturnim. U tom slučaju znatno će se umanjiti normalni (projektovani ži-votni vek) radni vek cevi oruđa.
Istraživanje i određivanje veličine erozije
Pojava, odnosno nastajanje erozije tretirano je sa više aspekata [6, 7, 8, 9, 10] u pokušaju da se matematičkim modelom opiše proces erozije ili da se eksperimentalnim putem odredi zakonitost trošenja cevi. Pri tome je kod većine autora ulazna temperatura u cevi najuticajniji faktor za eroziju cevi. Proračun i merenja blizu površine cevi pokazuju da je po-vršina cevi na početku ožlebljenja opterećena najvećom temperaturom. Zbog sporosti procesa termičke kondukcije samo vrlo tanak sloj površine trenutno dostiže temperaturu provođenja (slika 4).
Ako se prihvate neka pojednostavljenja, kao npr. da je veličina erozije cevi direktno proporcionalna dubini prodiranja neke od brojnih kritičnih izotermi, došlo se do korelacije za prosečnu veličinu trošenja na sloju od 25,4 mm od početka ožlebljenja i izračunata je maksimalna temperatura cevi u toj tački. Pokazano je [4] da je pri temperaturi ispod 930 K erozija cevi zanemarljiva. Kada je veličina temperature između 930 K i 1270 K, veličina erozije raste, proporcionalno kvadratnom korenu od kalibra cevi. Ako je temperatura cevi veća od 1270 K, veličina erozije raste vrlo brzo, jer je temperatura topljenja Fe3C oko 1420 K.
U istraživanjima [4], koja su sprovedena još 1950, eksperimentišući sa 29 cevi različitog kalibra, razvijena je poluempirijska formula za odre-
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
đivanje veličine erozije u radijalnom smeru. Pokazano je da se u cevi ja-vljaju mesta sa mikropukotinama, koje su nazvane toplotne mrlje, a rezul-tat su turbulencije barutnih gasova i sile trenja između vodećeg prstena i cevi. Ove površine se sa svakim opaljenjem tope i ispiraju strujom vrelih gasova. U radovima novijeg datuma koriste se matematički modeli i raču-narski programi za predviđanje erozije [11, 12].
Značajnu ulogu u istraživanju efekata erozije cevi imaju i hemijski fak-tori. Kako je ranije istaknuto, efekat „bele cevi" nastaje usled hemijskih re-akcija između barutnih gasova, površine cevi i temperature u cevi. Različiti baruti, sličnih balističkih karakteristika, mogu imati različitu erozivnost.
Barutna punjenja mogu biti jednobazna, dvobazna i trobazna i sastoje se od ugljenika (C), vodonika (H), kiseonika (O) i azota (N). Osim toga, u ba-rutima se obično nalaze i aditivi koji sprečavaju blesak nakon izlaska projek-tila iz cevi i taloženja u cevi, kao što su kalijum, sumpor, kalaj i olovo. Barutna punjenja sastoje se i od relativno malog udela inicijalnih materijala, kao što su kapisla i pripala. U tim materijalima nalazi se veliki broj elemenata, kao što su: barijum, antimon, aluminijum, bor, kalcijum, kalijum i sumpor.
U radu [13] autor navodi da se barutni gasovi sastoje od CO, Co2, H2, H2O i N2. Osim ovih glavnih sastojaka u barutnim gasovima nalaze se i jedi-njenja u veoma malim količinama, oko 1x10-2 mol/kg baruta, kao što su: COS, KOH, HCN i HS. Hemijske reakcije koje se odvijaju na površini cevi zavise od vrste pogonskog punjenja i temperature barutnih gasova. Studije su pokazale da do cementacije površine cevi dolazi već nakon prvog opalje-nja i da se ona povećava sa svakim narednim ispaljenim projektilom. Sa po-većanjem koncentracije ugljenika tačka topljenja austenita se smanjuje. Pe-netracija azota slična je ugljeniku i prouzrokuje sniženje tačke topljenja austenita i povećava obrazovanje belog sloja. Spoljašnji beli sloj, iako je u osnovi cementit, biće takođe izložen penetraciji azota i ugljenika. U slučaju da se iz oruđa otvara vatra sa barutnim punjenjem sačinjenim od dvobaznog baruta (koji je u Drugom svetskom ratu imao visoku temperaturu sagoreva-nja), duž unutrašnje trase cevi stvarao se oksidni sloj FeO, koji se lako ski-dao mehaničkim delovanjem projektila ili strujom vrelih barutnih gasova.
Istraživanja koja su sprovedena još davne 1946. pokazala su da su ce-mentitni i austenitni sloj glavni uzročnici pojave erozije cevi. Sagorevanjem baruta dolazi do penetracije ugljenika, a možda i azota u površinske slojeve cevi, a njihova količina se povećava sa brojem ispaljenih projektila. Formirani ce-mentitni sloj i/ili visokougljenični austenitni sloj smanjuju tačku topljenja čelika, stvarajući na površini cevi efekte koji su poznati kao „pomorandžina kora" ili temperaturni zamor. Prsline nastale usled temperaturnog zamora povećavaju izloženost površine cevi barutnim gasovima koji su bogati ugljenikom, čime se povećava i obrazovanje belog sloja. Nadalje dolazi do račvanja i širenja prsko-tina, zbog čega se, usled njihovog spajanja, otkidaju površinski slojevi cevi. Ši-renju zamorne prsline doprinose i taloženje bakra ili nekog drugog materijala sa vodećeg prstena projektila, čime povećavaju krtost površinskog sloja čelika.
Prema [14] sprovedena su istraživanja koja su se sastojala u izlaga-nju cevi visokim pritiscima (300-400 MPa) i temperaturama (oko 3000 K) u veoma kratkom periodu (oko 1 ms), uz pomoć balističkog kompresora. Ovi uslovi odgovaraju brojnim sredstvima naoružanja, kao što su auto-matska oružja, haubice, tenkovski topovi. Na osnovu promene dimenzija cevi, pomenuti istraživači su došli do zaključka da je erozija cevi linearno proporcionalna prisustvu molekula O2 u (O2 / N2) jedinjenjima. Takođe, zaključili su da veoma slab doprinos eroziji cevi daju jedinjenja CO, N2 i CO2. Prema njihovim istraživanjima mehanizam erozije obuhvata reakcije oksidujućih gasova sa oksidnim slojem koji se skida i odnosi strujom vre-lih barutnih gasova. Ova istraživanja su u suprotnosti sa osnovnim mišlje-njima vezanim za eroziju cevi.
Niiler i Birkmire [15] vršili su istraživanja interakcije jona sadržanih u barutnim gasovima sa površinom cevi. U istraživanju su merili koncentra-ciju i dubinu penetracije azota N2 i kiseonika O2. Za eksperiment su kori-stili 37 milimetarski cilindar u koji su pod pritiskom uduvavali različite vre-le barutne gasove. Korišćene su tri vrste baruta M1, M2 i M30 bez aditiva koji smanjuju eroziju cevi i sa aditivima za smanjenje erozije cevi. Za adi-tive koji smanjuju eroziju cevi koristili su TiO2 vosak, talkirani vosak i poli-uretansku penu.
Pri korišćenju visokotemperaturnog baruta M2 (3319 K) sa talkiranim voskom trošenje cevi se smanjilo sa 36,8±5,5 mg na 6,9 ±3,2 mg. Kori-steći niskotemperaturni barut bez aditiva trošenje cevi je bilo još manje i iznosilo je 4,9 ±1,9 mg. Velika koncentracija azota N2 i kiseonika O2 na površini cevi nađena je pri korišćenju niskotemperaturnog baruta M1, dok je pri korišćenju visokotemperaturnog i izrazito erozionog baruta M2 koncentracija tih elemenata u površinskom sloju cevi bila zanemarljiva.
Neki istraživači [4] u svojim istraživanjima došli su do zaključka da je debljina sloja u koji su penetrirali azot N2 i kiseonik O2 obrnuto proporcionalna temperaturi sagorevanja baruta. Oni su želeli da pokažu da li prisu-stvo kiseonika O2 u površinskom sloju cevi utiče na eroziju pri opaljenju sledećeg metka, budući da ovaj tzv. oksidni sloj ima ulogu izolatora. Is-traživanja, koja su sprovedena na tenkovskom topu, pokazala su da je erozija cevi više zavisila od temperature baruta nego od hemijskog sasta-va baruta. Može se reći da je tek u slučaju nižih temperatura gorenja baruta hemijski uticaj na eroziju veći od temperaturnog.
Treba napomenuti da mehanički faktor, takođe, značajno utiče na eroziju cevi. Mehaničko skidanje polja usled interakcija izložene površine cevi sa vodećim prstenom projektila jedan je od mehanizama mehaničke erozije. Drugi ključni faktori su mehanička abrazija, usled nesagorelih če-stica barutnog punjenja i visokih brzina klizanja projektila po zidu cevi. Čvrste čestice u gasnoj struji najčešće su nesagorele čestice barutnog punjenja i erodirani delovi materijala otkinuti od zida cevi.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
Istraživanja erozije cevi u našoj zemlji
Problem erozije cevi u dužem periodu nije ozbiljno razmatrala ni jed-na institucija u našoj zemlji, pa ni institucije Vojske, kao što su VTI i TOC. Razlog tome jeste u činjenici da su sredstva naoružanja u Vojsci vrlo ma-lo eksploatisana, pa je zanemarljivo mali broj cevi oruđa uopšte dostigao svoj životni vek na osnovu broja ispaljenih metaka. Često se događalo da artiljerijsko sredstvo bude taktičko-tehnički zastarelo i kao takvo zamenje-no pre nego što mu istekne bilo koji resurs. S druge strane, i za ona oru-đa koja su imala veliki broj opaljenja (kao osnovu za dobru analizu troše-nja) nije bilo merenih i zabeleženih podataka. U takvoj situaciji krajni efekti trošenja cevi određivali su se (i sada se određuju) na osnovu nekri-tički usvojenih kriterijuma koji važe u Rusiji ili SAD.
Osamdesetih godina prošlog veka stručnjaci iz VTI radili su na progno-zi životnog veka cevi artiljerijskih oruđa na osnovu saznanja iz postojeće literature [16, 17]. Metode proračuna životnog veka cevi zasnivaju se na em-pirijskim relacijama koje su razni autori predlagali uz odgovarajuće pretpo-stavke i pojednostavljenja, zavisno od pristupa problemu. U periodu od 1999. do danas, posle saznanja o realnom stanju po pitanju trošenja cevi, Katedra mehanike naoružanja i balističkih sistema, Odseka logistike VA, to-kom 2000. godine započinje izradu projekta u kojem se razmatra ovaj problem u okviru NIR-a. S tim u vezi, objavljeno je nekoliko radova o trošenju cevi i vodećeg prstena projektila. U radu [18] prikazan je jedan model troše-nja vodećeg prstena projektila. Projektil u kretanju rotira sa vodećim prste-nom kao klizačem velikom brzinom klizanja. Model za kvantifikaciju troše-nja prstena, zasnovan na teoriji trošenja usled zagrevanja (topljenja), posta-vljen je na osnovu jednačine za jednodimenzionalno provođenje toplote.
U radu [19] opisan je mehanizam trenja i trošenja vodećeg prstena projektila usled zagrevanja i topljenja kontaktne površine projektila. Teo-rijski model je dat na osnovu poznatog modela u literaturi. U radu je odre-đena veličina trošenja vodećeg prstena i uticaj nekih parametara na silu trenja i debljinu filma otopljenog materijala prstena. Dobijeni rezultati ilu-strovani su na odabranom primeru.
U proteklom periodu do danas u dostupnim stručnim publikacijama, kao i sa stručnih skupova i saopštenja, mogu se povremeno naći radovi u kojima su tretirani problemi erozije cevi. Do danas nije poznata publikaci-ja u kojoj je problem erozije cevi, s obzirom na složeno delovanje uticaj-nih veličina i faktora, potpuno i do kraja rešen analitičkim putem. Može se reći da su eksperimentalna i fundamentalna istraživanja samog procesa erozije cevi na mnogo višem nivou od matematičkog opisa i formalizacije ovog problema. Kod nas, u našoj praksi, uglavnom se koristi klasična te-orija koju su prihvatili strani autori pre 50 godina. Od tog vremena do danas praktično nisu učinjeni nikakvi značajni pomaci, bilo u teorijskom, bilo u eksperimentalnom izučavanju ovog problema.
<$>
Zaključak
Na osnovu iznetih činjenica može se zaključiti:
- erozija cevi uključuje interakciju većeg broja termičkih, hemijskih i mehaničkih faktora sa površinom cevi, koji aktivno deluju pri svakom opaljenju i promenljivim intenzitetom duž vodišta projektila;
- mehanizam delovanja erozije zbog međusobne uslovljenosti rele-vantnih faktora vrlo je složen i do danas još uvek ne postoji realan i pouz-dan model određivanja erozije i životnog veka cevi;
- postoje u literaturi brojni manje ili više pojednostavljeni termome-hanički i termohemijski modeli koji su dobro postavljeni, ali koji samo par-cijalno rešavaju neke od problema erozije;
- prema izvršenim istraživanjima i merenjima dominantan uticaj na eroziju cevi ima termički faktor, zatim hemijski i, na kraju, mehanički. Ovu gradaciju faktora erozije treba shvatiti uslovno, jer su navedena tri među-sobno uslovljena faktora. Drugim rečima, najefikasniji rezultati u smanje-nju erozije mogu se postići smanjenjem temperature na površini vodišta projektila;
- ustanovljeni su i istraženi i drugi prateći „nusproizvodi" erozivnog procesa u cevi (mikroprsline, bele mrlje, kidanje polja) koji dovode do mehaničkih oštećenja cevi;
- niže temperature sagorevanja baruta, odnosno korišćenje takozva-nih „hladnih" baruta znatno utiče na smanjenje efekata erozije cevi;
- ustanovljeno je da hemijski sastav baruta, odnosno glavni produkti sagorevanja baruta, utiču na eroziju cevi. Preporučuje se da smeša ba-rutnih gasova sadrži što manje koncentracije CO, CO2 i H2O, a da se po-većaju koncentracije H2 i N2;
- fenomen erozije cevi, iako odavno otkriven (XIX vek), sa nesma-njenom pažnjom i dalje se istražuje ne samo kod konvencionalnih oruđa velikih kalibara već i budućih - novih koncepcija oruđa, kao što su tečni i gasni topovi, elektromagnetni topovi i dr. Predviđa se da će biti potrebno vršiti pravilnu identifikaciju materijala i konstrukcije radi smanjenja efekata erozije i za nekonvencionalna artiljerijska oruđa;
- u našoj zemlji problem erozije nije adekvatno tretiran u dužem pe-riodu, u teorijskom i eksperimentalno-istraživačkom smislu. Zato su sa-znanja o ovom problemu nedovoljna. Zbog ovakvog stanja u našoj praksi problemu erozije cevi treba pristupiti sistematski, korak po korak, praktič-no od početka, sa težištem na matematičkom modelovanju u odnosu na eksperimentalne provere koje moraju da sačekaju bolja vremena.
Radi boljeg sagledavanja relevantnih veličina i faktora koji interaktivno i neprestano deluju u procesu opaljenja, neophodno je da se na osnovu po-znatih teorija i metoda primenjene mehanike kretanja tela, mehanike oruđa, unutrašnje i spoljašnje balistike, postavi teorijsko-numerički model koji je
41
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3 / 09
tačniji i pouzdaniji za određivanje relevantnih podataka koji će omogućiti objektivniju ocenu stanja cevi, odnosno erozije. Problem erozije cevi i defi-nisanja metoda za predviđanje upotrebnog veka cevi je, po problematici ko-ju rešava, vrlo složen i multidisciplinaran. Za njegovo rešavanje neophodan je timski rad stručnjaka kojim bi bile pokrivene oblasti: mehanike naoruža-nja, unutrašnje i spoljašnje balistike, mehanike fluida, termodinamike, otpor-nosti materijala, metalurgije, fizičke hemije i održavanja, odnosno dijagno-stike. Objektivna ocena radne sposobnosti cevi daje dobar preduslov da se izvrši relativno pouzdana prognoza upotrebnog veka cevi u budućnosti.
Literatura
[1] Ministarstvo odbrane SSSR: Инструкция по категорированию артие-ријсково воружения, Vojno izdavaštvo ministarstva odbrane, Moskva, 1951.
[2] TU SSNO: Uputstvo o oštećenjima cevi artiljerijskih oruđa i načini ocene ishabanosti, TU JNA, bilten br. 25, Beograd, 1959.
[3] Jaramaz, S., Metode za predviđanje erozije cevi artiljerijskih oruđa, Teh-nički izveštaj, 02-240-63, VTI Beograd, 1983.
[4] Progress in Astronautics an Aeronautics: Problem of gun barrel erosion - an overview, Gun Propulsion Technology, American Institute of Astronautics an Aeronautics, vol. 109. Washington, 1984.
[5] Moeller, C. E., Measurement of Transient Bore Surface Temperatures in 7.62 mm Gun Tubes, Technical report, AD-780938, 1973.
[6] Conroy, J. P., Theoretical Thermal and Erosion Investigations, Technical report, Army Research Laboratory, Aberdeen Proving Ground, 2001.
[7] Sopok, S., Fleszar, M., Ablative erosion model for the M256-M829E3 gun system, US Army Armament Research, Development and Engineering Center, Watervliet, New York, 2001.
[8] Conroy, J. P. i dr, An Investigation of the Erosion Physics-Mechanisms of Curent Army Systems, Technical report, Army Research Laboratory, Aberdeen Proving Ground, 2001.
[9] Sopok, S., Vottis, P., Comprehensive erosion model for the 120 mm gun system, US Army Armament Research, Development and Engineering Center, Watervliet, New York, 2001.
[10] Weinacht, P., A numerical method for predicting thermal erosion in gun tubes, Technical report, Army Research Laboratory, Aberdeen Proving Ground, 2001.
[11] Sopok, S. i dr., First computer code for predicting thermochemical erosion in gun barrels, US Army Armament Research, Development and Engineering Center, Watervliet, New York, 2001.
[12] Sopok, S., Erosion modeling of vented combustor cannon bore materials, Technical report, Army Research Laboratory, Aberdeen Proving Ground, 1996.
[13] Fredman, E., Thermodynamic Properties of Propellants, Gun Propulsion Technology, American Institute of Astronautics an Aeronautics, vol. 109. Washington, 1984.
<ZĐ
