CC BY
122
Ермаков Алексей Александрович, аспирант, alexey140Erm@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CALCULATION OF THE PROCESS SEPARATIONPAYLOAD OF THE HEAD ROCKET PROJECTILE
K.I. Kazakov, A. V. Smirnov, N. V. Mogilnikov, A.A. Ermakov
A variant of calculating the initial stage of separation payload of the head projectile is considered. The scheme for calculating the possibility of destruction payload by passive engine elements is given.
Key words: mathematical modelling, motion of a rigid body, external ballistics.
Kazakov Konstantin Igorevich, chief designer of the AA direction, alexey140Erm@yandex.ru, Russia, Tula, «JSC «NPO» SPLAV» them. A.N. Ganicheva»,
Smirnov Alexander Vladimirovich, general director, alexey140Erm@yandex.ru, Russia, Tula, «JSC «NPO» SPLAV» them. A.N. Ganicheva»,
Mogilnikov Nikolay Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, alexey140Erm@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Ermakov Alexey Aleksandrovich, postgraduate, alexey140Erm@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 623.526
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ СТВОЛОВ ОРУЖИЯ И ВЛИЯНИЯ ЕГО НА НАЧАЛЬНУЮ СКОРОСТЬ СНАРЯДА
А.М. Пушкарёв, И.Г. Вольф, И.И. Ихтисанов
Рассматривается вопрос о влиянии теплового состояния стволов автоматического оружия на начальную скорость снаряда. Найдена регрессионная зависимость между средней температурой ствола и начальной скоростью снаряда. Предложен способ расчета средней температуры ствола при его нагреве от стрельбы. Проведены исследования оценки влияния теплового состояния стволов оружия на начальную скорость снаряда.
Ключевые слова: автоматическое оружие, артиллерийский ствол, тепловое состояние ствола, начальная скорость снаряда.
Одной из тенденций развития современного автоматического артиллерийского оружия является предъявление повышенных тактико-технических требований к создаваемым и модернизируемым системам данного вида оружия. При решении подобных задач следует учитывать, что любое оптимальное решение должно отыскиваться в некоторой области возможных изменений управляемых параметров. Учет изменения управляемых параметров не только обеспечивает достижение более высоких тактико-технических характеристик оружия, но и позволяет реализовать адаптивные режимы применения автоматического оружия. В связи с этим существует объективная необходимость развития и оптимизации параметров автоматического оружия с учетом изме-
няющихся условий боевого применения. Важная роль при этом отводиться совершенствованию, как конструкции автоматического артиллерийского оружия, так и алгоритмам его эффективного функционирования.
Эффективность функционирования автоматического оружия, в частности, малокалиберных автоматических пушек определяется комплексом величин, среди которых наиболее значимыми являются: калибр, начальная скорость, баллистический коэффициент снаряда, темп стрельбы, кучность и меткость, временные интервалы между очередями выстрелов [1]. Исследования последних лет показывают, что успешная модернизация существующих и разработка новых малокалиберных автоматических пушек с напряженным режимом стрельбы (высоким темпом, большой длиной очереди и малым временем перерыва между очередями) зависит в большой степени от успешного решения проблемы нагрева агрегата ствола оружия. Интенсивный нагрев материала стали ствола малокалиберных автоматических пушек является тем явлением, которое существенно ограничивает технические и баллистические характеристики оружия, а также сужает диапазон его боевого применения. Поэтому проблема установления закономерностей влияния теплового состояния ствола на баллистические характеристики ствольных систем, в частности, на начальную скорость снаряда в настоящее время остается актуальной. Здесь необходимо отметить, что начальная скорость снаряда относится к числу важнейших управляемых параметров, существенно влияющих на боевую эффективность автоматического оружия [2].
При определении влияния теплового состояния ствола на баллистические характеристики малокалиберных пушечных комплексов необходимо определить, во-первых, в какой мере будут эффективны традиционные методы исследования теплофи-зического нагружения ствола, и, во-вторых, какие новые методики для этого можно рекомендовать. И в том и в другом случае существует объективная необходимость исследования температурного поля агрегата ствола, разогретого стрельбой.
Из практики стрельбы известно, что кучность и стабильность средней точки попадания относятся к основным показателям, определяющим эффективность стрельбы из автоматического оружия (имеются в виду продольная и поперечная составляющие) [1]. Следует отметить, что значительное влияние на данные показатели оказывает одинаковость начальных скоростей снарядов. При увеличении или уменьшении начальной скорости снаряда средняя точка попадания будет смещаться относительно контрольной точки соответственно вверх или вниз. Поэтому одним из требований к стволам оружия является обеспечение заданной начальной скорости снаряда [3]. Следует отметить, что непрерывное совершенствование автоматического оружия сопровождается повышением начальной скорости снаряда, максимального давления пороховых газов, повышением темпа стрельбы, что ведет к интенсивному разогреву ствола во время стрельбы. Нагрев стволов оказывает отрицательное влияние на результаты стрельбы, вызывая падения начальной скорости снаряда, ухудшая кучность и точность стрельбы. Вследствие нагрева ствола изменяются условия ведения снаряда по нарезам, увеличивается зазор между стенками ствола и ведущими частями снаряда. Так при нагреве ствола до 400°С зазор между центрующим утолщением снаряда и вершинами полей нарезов может возрастать больше чем в два раза. Опытными данными установлено, что при нагреве ствола в дульной части до 300.. .400 °С кучность стрельбы падает в два-три раза [4].
Такие выдающиеся ученые, как А.А. Благонравов, М.Е. Серебряков, Э.К. Лар-ман, Б.В. Орлов, отмечали в своих работах, что одним из существенных факторов, влияющих на начальную скорость снаряда, является нагрев ствола. Однако в существующей на данный момент литературе не описаны аналитические или эмпирические зависимости начальной скорости снаряда от температуры ствола. Для исследования влияния теплового состояния ствола на начальную скорость снаряда были проведены исследования, в результате которых получена регрессионная модель, описывающая зависимость начальной скорости снаряда от средней температуры ствола. Так, например, для малокалиберной автоматической пушки уравнение регрессии V на T имеет вид:
У(Т) = 851,93 + 0,01Т - 9,33 • 10-5Т2, (1)
где V - начальная скорость снаряда, м/с; Т - средняя температура артиллерийского ствола, К.
На рис. 1 указанная зависимость отображена графически.
Рис. 1. Зависимость начальной скорости снаряда от средней температуры ствола
Выражение (1) позволяет прогнозировать падение начальной скорости снаряда в результате нагрева ствола от стрельбы и, следовательно, снижение траектории снаряда и смещение средней точки попадания относительно контрольной точки цели.
Нагрев ствола от стрельбы может быть рассчитан численно или аналитически. В настоящее время для артиллерийских стволов имеется целый ряд методик теплового расчета в разной мере пригодных для решения задач теплового проектирования. В данных методиках линейное уравнение нестационарной теплопроводности в стенке ствола решается аналитически как составная часть задачи о термонапряженном состоянии поверхности канала ствола. Однако при всех достоинствах и наглядности аналитических методов они не позволяют решить задачу в нелинейной кинетической постановке. Поэтому единственным приемлемым аппаратом оценки влияния нагрева стволов малокалиберного автоматического оружия на начальную скорость снаряда, являются численные методы.
С этой целью предлагается усовершенствованный алгоритм расчета средней температуры ствола при его нагреве от стрельбы на основе численного решения уравнений теплопроводности [5].
Задача о нагреве гладкого цилиндрического ствола пороховыми газами описывается уравнением:
ЭТ(г, х) —-—1 = а Эх
( Э2Т(г, х) + 1 ЭТ(г, х) ^
(2)
Эх2 г Эх
Ч У
При решении этого уравнения применительно к артиллерийскому стволу малокалиберной автоматической пушки граничные условия обычно записываются в следующем виде:
я»!!!!,!) =„Г(Т, -Тг). Я^й^-авй-Тв), (3)
Эх Эх
на внутренней и наружной поверхностях артиллерийского ствола соответственно.
Начальные условия при равномерном распределении температуры по толщине стенок ствола имеют вид:
Т(г,0) = То, (4)
где п - радиус канала ствола, м; Г2 - наружный радиус артиллерийского ствола, м; х -время теплового воздействия, с; а - коэффициент температуропроводности материала, из которого изготовлен ствол, м2/с; 1 - коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен ствол, Вт/м- К; аГ - коэффициент теплоотдачи пороховых газов, Вт/м2-К; аВ - коэффициент теплоотдачи воздуха, Вт/м2-К; Т - температура
в точке ствола, соответствующая окружности радиуса г, К; Т\ - температура на внутренней поверхности ствола, К; Т2 - температура на наружной поверхности ствола, К; ТГ - температура пороховых газов, К; То - температура ствола до начала нагрева, К.
В результате решения уравнения (2) с краевыми условиями (3), (4) методом конечных разностей можно получить зависимости температуры в любой точке поперечного сечения ствола от координаты этой точки при различных условиях. К числу этих условий относятся: температуры пороховых газов и воздуха, коэффициенты теплоотдачи пороховых газов и воздуха, время воздействия пороховых газов на поверхность канала ствола, время между выстрелами в очереди и между очередями, наружный и внутренний радиусы ствола, а также плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности материала, из которого изготовлен артиллерийский ствол.
На рис. 2 отображено тепловое состояние сечения ствола (характер изменения температуры на глубину 0,8 мм) малокалиберной автоматической пушки 2А42 после 1, 30, 60 и 90 выстрелов. Исходными данными при моделировании были: ТГ = 2460 К; То = 300 К; ТВ = 300 К; 1 = 41,8 Вт/м-К; с = 500 Дж/кг-К; р = 8000 кг/м3; аг = 11400 Вт/м2-К; аВ = 1000 Вт/м2-К.
">0С -1- -1- -1- -1-
о I 2 I 4 ; 6 I 8
г. XIО м
Рис. 2. Распределение температуры по толщине стенки ствола на глубину 0,8 мм
Здесь кривая 1 соответствует нагреву ствола от одного выстрела при х = 1,37-10-3 с. Темп стрельбы равен шестистам выстрелам в минуту. Время между выстрелами 11, когда ствол не подвержен тепловому воздействию пороховых газов, рассчитывается по формуле:
= 60/пТ -х,
где пт - техническая скорострельность оружия, выстр./мин.; х - время теплового воздействия пороховых газов на стенки ствола, с.
В рассматриваемом случае Х1 составляет 9,87-10-2 с, что в 71,99 раза превышает х. За это время в результате теплопроводности характер распределения температуры по толщине стенки ствола значительно изменится - кривая 2. Видно, что перепад температуры по толщине стенки стал невелик, температура внутренней поверхности ствола значительно снизилась. Следовательно, в момент следующего выстрела разница (ТГ -Т1) будет больше, чем в случае расчета теплового состояния ствола без учета перераспределения температуры в период времени Х1, и ствол получит большее количество тепла. Кривые 3, 4, и 5 на рис. 2 отображают тепловое состояние ствола после 30, 60 и 90 выстрелов соответственно.
Зная распределение температуры по толщине стенки, можно найти среднюю температуру в сечении, как сумму температур каждого /-го слоя, помноженных на свои массовые коэффициенты кс
п
Тср = 2 Т1к1, 1=1
где Тср - средняя температура сечения, К; Т/ - температура /-го слоя, К; п - количество слоев; к/ - массовый коэффициент /-го слоя;
2 - 2 = Г/+1/2 -1 2
к/ = 2 2 , Г1 - Г2
где г/ + 1/2 - внешний радиус /-го слоя, м; г/ - 1/2 - внутренний радиус /-го слоя, м; п - радиус канала ствола, м; Г2 - наружный радиус ствола, м.
Расчет средней температуры ствола по предложенной методике в сочетании с зависимостью (1) дает возможность прогнозировать падение начальной скорости снаряда от нагрева ствола при различных режимах стрельбы.
Таким образом, разработанный алгоритм, основываясь в большей степени, чем существующие, на физических представлениях о процессах, происходящих в толщине стенки ствола при выстреле, создает методическую основу для разработки общего подхода к анализу работоспособности поверхностного слоя канала ствола автоматического артиллерийского оружия различного типа, который в большей степени, чем существующие эмпирические зависимости, отражает последствия процессов воздействия выстрела на поверхность канала ствола, точнее учитывает условия боевой эксплуатации оружия.
Список литературы
1. Шипунов А.Г., Грязев В.П. и др. Эффективность и надежность стрелково-пушечного вооружения. Тула: Изд-во ТулГУ, 2002. 197 с.
2. Шерешевский М.С., Гонтарев А.Н., Минаев Ю.В. Эффективность стрельбы из автоматического оружия. М.: ЦНИИ информации, 1979. 328 с.
3. Голомбовский А.К. и др. Теория и расчет автоматического оружия. Пенза: ПВАИУ, 1973. 493 с.
4. Орлов Б.В., Ларман Э.К., Маликов В.Г. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий. М.: Машиностроение, 1976. 431 с.
5. Пушкарёв А.М., Ихтисанов И.И. Особенности учета режима стрельбы автоматической пушки при моделировании процессов теплообмена в канале ствола // Тематический сборник № 57 54-ой Международной военно-научной конференции. Ч.1. СПб.: Изд-во МВАА, 2020. С. 230-235.
Пушкарёв Александр Михайлович, канд. техн. наук, профессор, alex.pushkarev2018@yandex.ru, Россия, Пермь, Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации,
Вольф Илья Григорьевич, канд. техн. наук, доцент, начальник кафедры, /1\'оН;а уапс1ех.ги, Россия, Пермь, Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации,
Ихтисанов Ильнар Ильдарович, преподаватель, аЩопе83@,таИги, Россия, Пермь, Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации
STUDY OF THE THERMAL STATE OF THE WEAPON BARRELS AND ITS EFFECT ON THE INITIAL VELOCITY OF THE PROJECTILE
A.M. Pushkaryov, I.G. Volf, I.I. Ikhtisanov
The issue of the influence of the thermal state of the barrels of automatic weapons on the initial speed of the projectile is being considered. A regression relationship was found between the average barrel temperature and the initial velocity of the projectile. Method is proposed for calculation of average barrel temperature at its heating from firing. Studies conducted to assess the effect of the thermal state of weapon barrels on the initial velocity of the projectile.
Key words: automatic weapons, artillery barrel, thermal state of the barrel, starting speed of the projectile.
Pushkaryov Aleksander Mikhailovich, candidate of technical sciences, professor, alex.pushkarev2018@yandex.ru, Russia, Perm, Perm Military Institute of the National Guard's Forces of the Russian Federation,
Volf Ilya Grigorievich, candidate of technical sciences, docent, head of the department, ilvolf@yandex.ru, Russia, Perm, Perm Military Institute of the National Guard's Forces of the Russian Federation,
Ikhtisanov Ilnar Ildarovich, lecturer, alfione83@,mail. ru, Russia, Perm, Perm Military Institute of the National Guard's Forces of the Russian Federation
УДК 621.455.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ЧАСТИЦ
М.В. Арсентьева
Рассматриваются вопросы очагового воспламенения поверхности топлива конденсированной частицей. Представлены результаты численного моделирования процесса нагрева топлива. Получена область значений параметров частиц, способных образовывать очаги воспламенения.
Ключевые слова: моделирование, внутренняя баллистика, воспламенение.
При работе ракетного двигателя твердого топлива в камере сгорания образуется двухфазное рабочее тело. Продукты сгорания топлива содержат конденсированные частицы, которые увлекаются потоком газа. В общем случае при движении гетерогенного потока в камере двигателя имеет место разность скоростей и температур газа и частиц. Ускорение частиц к-фазы происходит под действием аэродинамических сил, обусловленных разностью скоростей, а передача теплоты между частицами и газом -из-за разности температур [1, 2].
В процессе численного моделирования подобных течений основные сложности связаны с описанием следующих процессов [3]:
- взаимодействие дисперсной фазы с турбулентным газовым потоком;
- обратное влияние дисперсной фазы на турбулентность;
- взаимодействие частиц дисперсной фазы с твердой стенкой камеры и поверхностью топливного элемента;
- взаимодействие конденсированных частиц друг с другом;
- изменение размеров частиц вследствие горения, дробления и коагуляции;
