Газодинамические процессы, сопровождающие истечение пороховых газов из канала ствола в воду Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 623.44; 623.532

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ ИСТЕЧЕНИЕ ПОРОХОВЫХ ГАЗОВ ИЗ КАНАЛА СТВОЛА В ВОДУ

В. А. Шаманов, С.В. Чубарыкин, Р. А. Бреус, А.В. Васильев, Н.А. Абрамов

Рассматриваются явления и процессы, сопровождающие действие пороховых газов на водную среду в области дульного среза при подводном выстреле, раскрывается механизм образования газового пузыря, формируется качественная оценка его влияния на эффективность стрельбы.

Ключевые слова: эффективность стрельбы, период последействия, пороховые газы, газовый пузырь, видимостьцели, время закрытия цели.

В процессе выстрела из огнестрельного оружия в воде, как и в процессе выстрела в воздушной среде в околодульной области, создаются два импульсных струйных течения. Однако, если при выстреле в воздушной среде первое, или первичное течение, создается в результате выталкивания столба воздуха, то при выстреле под водой данное течение обусловлено выталкиванием столба воды, находящегося в канале ствола перед движущейся пулей. Второе течение, или течение пороховых газов, устанавливается после выхода пули из канала ствола, когда открывается выход для газов высокого давления и характеризуется формированием (образованием) в течение всего периода последействия газовой сферы (пузыря). Преобладание пузырьковой формы течения газа устанавливает при этом не только особенности рассматриваемого процесса, но и особенности условий стрельбы под водой, определяющие в известной мере тактику и приемы ведения подводного боя.

В настоящее время данные об исследованиях периода последействия подводного выстрела крайне ограничены. Поэтому в данной работе на основании анализа результатов, полученных в ходе проведения исследований, предпринята попытка дальнейшего развития имеющейся точки зрения на построение приближенной модели истечения порохового газа в жидкость, формирующегося при подводном выстреле из огнестрельного оружия.

Как отмечалось выше, характерной особенностью выстрела в воде является наличие перед пулей в канале ствола столба воды. Поэтому первичное течение образуется в результате выталкивания столба воды движущейся пулей, что можно представить как ее истечение с переменной скоростью под уровень в сосуд бесконечно большого сечения. В этот период метаемая масса меняется от суммарной, равной массе пули и воды тп + тв, до массы пули тп и для произвольной точки определяется следующей зависимостью:

М = (1д - 1п -1 )^Рж + тп, 109

где /д - ход пули по каналу ствола; /п - длина пули; / - текущая координата перемещения пули; рж - плотность воды.

В процессе истечения воды из ствола она расширяется в виде двухмерного потока, образуя двухмерную недорасширенную струю. Потери энергии пороховых газов, связанные с выталкиванием столба воды, на основании теоремы Бернули складываются из потерь на трение по длине

ствола Етр и потерь от внезапного расширения на выходе из канала ствола

Е

Евн

^ Е = Е тр + Е вн •

При выходе пули из канала ствола, на некотором участке пути пуля будет двигаться в подвижной среде, возмущенной струей воды, вытолкнутой из ствола. Скорость пули и струи воды, при этом, совпадают по направлению и соизмеримы по величине.

В свою очередь следует отметить, что с момента выхода головной части пули за дульный срез, наблюдается нарастающий прорыв газов в полость каверны, то есть, начиная с момента открытия капиллярной щели, которая присуща для специальных подводных образцов оружия и составляет (0,02.0,03).10-3 м на сторону между внутренней поверхностью канала ствола и пулей. Затем каверна замыкается за кормовой частью пули, изолируя истекающие из ствола пороховые газы от контакта с ней и, как показывают результаты исследований, размеры каверны в этой зоне наибольшие.

После выхода пули из канала ствола пороховые газы, истекая в воду, то есть в среду, значительно более плотную, чем воздушная среда, расширяются через границы области первичного течения и сжимают перед своим фронтом воду. В результате, под воздействием перепада давлений, возникают значительные радиальные перемещения воды, и в околодульном пространстве формируется газообразная сфера (пузырь), а в ней, в окружности дульного среза - струйный характер истечения газа. Данный вывод подтверждается результатами измерений динамического напора в газовой струе, истекающей в жидкость.

На основании экспериментальных исследований установлено, что поверхность газовой сферы в период формирования близка к сферической и сохраняет данную форму в течение всего периода последействия.

Такой характер развития сферы возможен в том случае, когда распределение полного давления вдоль контактной поверхности со стороны газа близко к равномерному. Последнее указывает на то, что потери полного давления во взаимно перпендикулярных направлениях существенно различны. Данное обстоятельство дает основание предполагать о существовании в струйной форме течения структуры недорасширенной сверхзвуковой струи. Анализ полученных опытных данных с исследуемом диапа-

зоне внутрибаллистических кг ___кг

(Ж0 = 1,45-Ю-3 дм3

Рт =3700

; Рд = 800 2 д

см

2

параметров ) свидетельствует о правомерности данного

см

предположения.

Таким образом, физическая картина околодульного течения в жидкой среде может быть представлена следующим образом. На выходе из канала ствола (на дульном срезе) в полости газовой сферы происходит расширение струи и ее ускорение с образованием характерной для затопленных струй волной структуры. Вследствие интенсивного торможения газа у жидкой поверхности струи уже на сравнительно небольших расстояниях от дульного среза местное значение чисел Маха становится меньше единицы, что приводит к возникновению неустойчивого волнового движения жидкой поверхности струи. Амплитуда этих волн такова, что при степенях нерасчетности 10...20 и менее возможны пережатие струи и выдувание газовой сферы. При больших степенях нерасчетности, характерных для условий стрельбы из стрелкового оружия без надульных устройств, пережатия не наблюдается. По-видимому, в данном случае неустойчивое волновое движение приводит к разрушению гребней волн и образованию газожидкостной фазы, которая не сносится вниз по потоку, а вследствие наличия интенсивной циркуляционной зоны накапливается в боковых периферийных областях околодульного течения. Последнее приводит к выравниванию давления по контактной поверхности и формированию приблизительно сферической формы пузыря.

В свою очередь, из анализа фотографий процесса выстрела установлено, что для случая выстрела из автомата АПС также характерно некоторое пережатие газовой сферы. Объяснением данному явлению служит наличие большой процесса на основные особенности рассматриваемого явления и, в частности, влияние ствола на движение окружающей жидкости и газообмен между сферой и жидкостью.

В данной постановке рассматриваемый процесс описывается уравнениями Лагранжа второго рода вида

Ж ж

Ж

ж

ж

ж

ЭЕ_ Э Д.

л

ЭЕ

Э х )

ЭЕ_

Жх )

ЭЕ ЭА ЭФ

ЭД ЭД

+

= 0,

ЭЕ ЭА

Эх Эх

+

ЭД ЭФ

= 0,

ЭЕ ЭА

+

ЭУ ЭУ

Эх ЭФ

ЭУ

где E - кинетическая энергия жидкости; R

dR

-; A - работа внешних по

dt

отношению к жидкости сил; Ф - диссипативная функция Рэлея; x,Y -смещение центра сферы относительно дульного среза ствола в направле-

„ „ dX dY нии соответствующих осей; X = —; У = —.

dt dt

Жидкость в общем случае предполагается вязкой. Однако можно считать, что при больших числах Рейнольдса движение жидкости будет отличаться от потенциальной лишь в тонком слое около поверхности сферы, а также в области ее следа.

В сферической системе координат (г, 0, е), движущейся со скоростью и о, начало которой совпадает, в рассматриваемой момент времени с центром газовой сферы, для потенциала ф можно записать выражение

R2 ■ R3 j =--R--

r 2r

2

X- U0Sinb

v

Cos0

R3

2 R'

Y - U 0Cosb

Sin0 • Sins. (2)

Тогда выражения для кинетической энергии и функции Рэлея будут

иметь вид соответственно

,3

E = ррж R

Ф = R

•3 1 2 R +3

X - F0SinP

V

i'

+ -

3

У

Y - U0CosP

V

8 R + 6

X - U 0SinP

+6

Y - U 0CosP

(3)

где - динамическая вязкость жидкости; Vq - скорость газа на дульном срезе.

Элементарная работа внешних сил

dA = dAp + dAo - Fx (dX - dR) - Ry dY, (4)

где

= {P - PH + R [Cos a (Cos 0 - Cos f )- Sin a • Sin 0 • Cos e]}x p = ** x(d R + dX • Cos 0 - 5 Y Sin 0Cos s )dS ;

dAo = -odS; f = arcCos -

L d V2 1 + — I 2R)

дАр - работа сил давления; dA<y - работа сил поверхностного натяжения (изменение поверхностной энергии при изменении площади границы раз-

112

2

2

2

дела фаз на 8$); Бх, Fy - составляющие силы взаимодействия между сферой и стволом; P - среднее давление газа в объеме сферы; Pн - статическое давление в жидкости на уровне центра дульного среза, соответствующее невозмущенному движению жидкости (при отсутствии пузыря и ствола) [1].

Подставляя (3) и (4) в уравнение (1), получим

2 2

R • R+ 5R -1 RUoSlnP + R = RCosa- —+ ^ + ^ „ ;

4 2 0 R Р ж R 4 4рр^2

Fx = 4РржR3Cosa + (P - Pн +Р;RCosa)-

2 •• • ( • \ г • \

" U0Sln0 - R

-яр ж ^ R + 2лр ж R

V

+ 12лр ж R

U 0Sln0 - R

V У

4 3 2 •

Fv =— лр£ша + 2лржR RU0Со.ф + 12лржижRU0Соф, (5)

3

где иж - кинетическая вязкость.

При известности функции P(t), определяемой из решения внутри-баллистической задачи, уравнение (5) позволяет проанализировать динамику развития газовой сферы.

Совершенно очевидно, что по мере развития процесса расширения сферы давление внутри ее постепенно уменьшается, но движение продолжается вследствие инерции расходящегося потока воды. В последующей стадии расширения сферы давление падает ниже равновесного. Появление отрицательного перепада давления на поверхности газовой сферы приводит к прекращению расходящегося движения воды, и границы сферы начинают сокращаться с непрерывно возрастающей скоростью. Сходящееся движение поверхности сферы продолжается до тех пор, пока давление в нем не уравновесит инерцию радиального потока.

Таким образом, возникает колебательное движение газовой поверхности около среднего диаметра. Колебания газовой сферы продолжаются в течение ряда циклов - до трех и более. При этом возможное число колебаний ограничивается потерей энергии на излучение или на турбулентность и на образование возмущений. Вследствие этого экспериментально найденная зависимость размеров газовой сферы от времени для одного цикла довольно хорошо представляется зависимостью, полученной при расчете расширения и сжатия пустой сферической каверны в несжимаемой невязкой жидкости при постоянном гидростатическом давлении.

Если провести несколько более сложные расчеты, рассматривая равномерно распределенный идеальный газ внутри сферы, которая подвер-

113

гается адиабатическому расширению и сжатию, то зависимость объема сферы от энергии пороховых газов на выходе из канала ствола, полученная в этом случае, и экспериментальные измерения будут находиться соответственно в пределах ошибки эксперимента [2, 3].

Таким образом, максимальный размер газовой сферы для первого цикла может быть определен с помощью следующего выражения:

Рт.С. = 4 р

к х з

Е ОН

Р

\3

, (6)

Н

где к - безразмерный коэффициент; Еон - энергия, относящаяся к первому циклу движения газовой сферы и равная энергии пороховых газов на выходе из канала ствола; Рн - гидростатическое давление, соответствующее глубине погружения.

Из выражения (6) следует, что объем газовой сферы возрастает с увеличением энергии газов на выходе и уменьшается с увеличением глубины погружения. Безразмерный коэффициент к, входящий в приведенную формулу, лишь незначительно изменяется при изменении мощности выстрела и свойств газов (то есть показателя адиабаты) и, значит, может рассматриваться как почти постоянная величина. Для случая стрельбы при глубине погружения до 2о м эта величина равна о,11.

Вместе с тем, газообразные продукты из-за своей плавучести и под действием архимедовой силы будут перемещаться к свободной поверхности, то есть всплывать вверх. Так, пульсируя с убывающей во времени амплитудой и поднимаясь вверх, газовая сфера приходит в равновесное состояние, а после достижения свободной поверхности рассеивается в атмосфере, демаскируя при этом место нахождения боевого пловца.

Таким образом, можно сделать вывод, что оба течения, которые присущи подводному выстрелу, носят характер импульсных недорасши-ренных струй. Первичное течение предшествует выходу пули из канала ствола и на срезе устанавливается течение, образованное в результате выталкивания столба воды, находящегося в стволе перед пулей. После выхода пули начинается течение пороховых газов, но в более плотную среду, вызывая в ней возмущения. Образовавшаяся при этом газовая сфера, имея определенные геометрические размеры и время существования, закрывая цель, значительно ухудшает эффективность применения того или иного образца оружия.

Для оценки влияния околодульного течения (газового пузыря) на условия прицеливания был проведен эксперимент, предусматривающий стрельбу в воде из 5,66-мм автомата АПС на различных глубинах погружения и разной величины очередями. При этом размеры газовой сферы фиксировались с помощью скоростной киносъемки, а видимость цели - с помощью лазерной установки.

Из полученных данных следует, что размеры газового пузыря зави-

сят от количества выстрелов в очереди и глубины погружения. Например, при стрельбе на глубине 1 м одиночным выстрелом продолжительность закрытия цели составляет 2,33 с, а при стрельбе очередью из трех выстрелов - 3 с. А это значит, что в момент отсутствия видимости цели последняя, если она движущаяся, может переместиться на расстояние до шести метров или уйти из пределов видимости вообще.

Непосредственно со временем закрытия цели связан и другой параметр, являющийся составной частью критерия определения эффективности стрельбы, - время наводки. В принципе, данный параметр в большой степени зависит и от конструктивных особенностей оружия, обеспечивающих быстроту и удобство обращения с прицельными приспособлениями, его массы, степени обученности стрелка (пловца) и от внешних особенностей, например, от времени восстановления как тела пловца, так и самого образца оружия в системе «Пловец-оружие» в исходное положение. При стрельбе в воде эти моменты наиболее значимы по сравнению со стрельбой на суше, поскольку временные величины восстановления значительно больше.

Для подтверждения сказанного дополнительно был проведен вычислительный эксперимент при следующих исходных данных (в числителе - для случая стрельбы на суше; в знаменателе - для случая стрельбы под водой): время наводки 4/7 с; количество выстрелов в очереди 6/6 выстр; темп стрельбы 600/600 выстр/мин; время заряжания оружия 6/10 с; емкость магазина 30/26 патр; время устранения задержки при стрельбе 10/10 с; вероятность задержек 0,002, время закрытия цели газовым пузырем 3 с.

В соответствии с зависимостью для расчетов времени выполнения огневой задачи, полученной А.Н. Гонтаревым, для поражения цели с вероятностью не менее 0,85 необходимо в среднем время:

а) при стрельбе на суше

Т =

/1(\ о

4 + (3 -1)-+ 6— +10-3-0,002

600 30

•2 = 10 с;

б) при стрельбе под водой

Т =

/1(\ о

3 + 7 + (3 -1)-+10— +10-3-0,002

600 26

•2 = 23 с.

Средний расход патронов вычисляем по зависимости N = -П , а

_ ^

- N

среднее число очередей - по зависимости 5 = —. Для обоих случаев иско-

п

мые величины составят соответственно -10 и 1,67 с, а среднее время на поражение цели

Т = 4,86 • 1,67 = 8,1 с при стрельбе на суше;

Т = 11,41 • 1,67 = 19,05 с при стрельбе под водой.

Как видно, на поражение цели при стрельбе под водой необходимо больше боеприпасов и времени, чем при стрельбе на суше. В то же время, если использовать при стрельбе под водой специальную дульную насадку, способную ликвидировать - рассеивать газовый пузырь, то эффективность стрельбы повышается более чем на 26 %. В частности, если при стрельбе под водой из автомата АПС без дульной насадки боевая скорострельность не превышает 15 выстрелов в минуту, то при использовании дульной насадки, способной ликвидировать газовый пузырь, скорострельность составляет более 20.25 выстр./мин.

Полученные выводы является весьма важными. Во-первых, использование дульных насадок способствует повышению эффективности стрельбы под водой из оружия, и, во-вторых, создаются оптимальные условия деятельности для человека (пловца) в системе «Пловец-оружие-среда».

Список литературы

1. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. М.: Физматгиз, 1948. 396 с.

2. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Теплообмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск: Наука, 1984. 193 с.

3. Мамонтов М.А. Некоторые случаи течения газов. М.: Оборонгиз, 1951. 567 с.

Шаманов Владимир Анатольевич, канд. социол. наук, военнослужащий, ivts. tulgu@rambler. ru, Россия, Москва, в/ч 25953,

Чубарыкин Сергей Викторович, военнослужащий, ivts. tulguarambler. ru, Россия, Тула, в/ч 55599,

Бреус Роман Александрович, военнослужащий, ivts. tulgua rambler.ru, Россия, Тула, в/ч 55599,

Васильев Андрей Вячеславович, военнослужащий, ivts. tulguarambler.ru, Россия, Тула, в/ч 55599,

Абрамов Никита Андреевич, испытатель, ivts. tulgua rambler.ru, Россия, Тула, ЦКИБ СОО.

GAS-DYNAMIC PROCESS OF LEAKAGE FROM THE BARREL INTO WA TER

V.A. Shamanov, S. V. Chubaryikin, R.A. Breus, A. V. Vasilyev, N.A. Abramov

Phenomena and processes ofpowder gases effect on aqueous medium around muzzle end, when firing under water, are observed. The mechanism of gas bubble formation (blowing) is disclosed. Qualitative evaluation of its effect on fire efficiency is estimated.

Key words: fire efficiency, aftereffect period, powder gases, gas bubble, target visibility, period of target invisibility.

Shamanov Vladimir Аnatolievich, candidate of sociological sciences, serviceman, ivts. tulguarambler. ru, Russia, Moscow, Military Unit № 25953,

Chubaryikin Sergey Viktorovich, serviceman, ivts. tulgua rambler.ru, Russia, Moscow, Military Unit № 55599,

Breus Roman Aleksandrovich, serviceman, ivts. tulgua rambler.ru, Russia, Moscow, Military Unit № 55599,

Vasilyev Andrey Vyacheslavovich, serviceman, ivts. tulguarambler. ru, Russia, Moscow, Military Unit № 55599,

Abramov Nikita Andreyevich, Research Scientist, ivts. tulguarambler.ru, Russia, Tula, TsKIB SOO.

УДК 621.892

СОСТОЯНИЕ НЕФТЯНЫХ СМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛАХ В ПРОЦЕССЕ

ТЕПЛОМАССООБМЕНА

А. Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков

Рассмотрены эмпирические соотношения, описывающие тепловые потоки от узлов машин с радиальными роликоподшипниками, а также радиальными и радиально-упорными шарикоподшипниками. Реализовано дополнение данных соотношений с учётом изменения состояния нефтяных смазочных композиционных материалов в процессе тепломассообмена. Представлена классификация дисперсных компонентов, появляющихся в нефтяном смазочном масле в процессе тепломассообмена. Приведена рекомендация, по оценке состояния нефтяных смазочных масел в подшипниковых узлах по тепловыделению.

Ключевые слова: тепломассообмен, нефтяной смазочный материал, дисперсный компонент, трение, износ, композиционный материал, подшипниковый узел, тепловой поток.

Известно, что теплообмен - это процесс переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым телам. Многие процессы переноса теплоты