CC BY
61
УДК 620.17
КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО БАЛЛИСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА БС-3
В.В. Мартынов, П.С. Гончаров, М.А. Светлорусов, Э.Г. Синельников
Проведён анализ основных направлений совершенствования установок с повышенной скоростью метания снаряда. Изменена схема компоновки легкогазовой установки. Разработаны, внедрены и опробованы технические решения, позволяющие стабильно получать высокие скорости ударника при проведении исследований на экспериментальном баллистическом комплексе БС-3.
Ключевые слова: легкогазовая установка, скорость метания, форкамера, кон-фузор, демпфер, обтюратор.
Для обеспечения экспериментальных исследований в рамках проводимых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского широко используется экспериментальный баллистический комплекс БС-3. Он создан на основе легкогазовой метательной установки и предназначен для исследования взаимодействия высокоскоростных тел с элементами защиты орбитальных станций и космических аппаратов. Кроме того, комплекс может использоваться для исследования воздействия ударника (пули, осколка) на индивидуальные средства защиты личного состава, элементы защитных сооружений и типовые цели средств вооружения и военной техники. Высокая востребованность комплекса подтверждает актуальность таких исследований. В последние годы успешно проведён ряд работ в сотрудничестве с такими организациями, как БГТУ имени Д.Ф.Устинова, НПО имени С.А. Лавочкина, КБ «Салют», ЦКБ МТ «Рубин», ВНИИ ТрансМаш, НИИ ТМ.
В состав комплекса входит:
- двухступенчатая легкогазовая установка (ЛГУ);
- система инициирования порохового заряда, включающая генератор высоковольтного импульса и блок поджига;
- система хранения и подачи гелия;
- ресивер с устройством отсечения поддонов;
- баллистический тракт;
- приемная камера для размещения исследуемых объектов;
- установка форвакуумных насосов;
- система измерения, включающая устройство рам-мишенной блокировки и комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры.
Схема двухступенчатой ЛГУ представлена на рис 1, где 1 - форка-мера; 2 - мембрана; 3 - метаемый снаряд, состоящий из поддона и ударника (при использовании ударника в калибр ствола поддон не требуется);
190
4 - ствол; 5 - инициирующее устройство; 6 - пороховой заряд; 7 - поршень; 8 - газовая камера, заполняемая лёгким газом; 9 - перепускной канал; 10 - устройство подачи лёгкого газа; 11 - демпфер для торможения поршня.
Рис. 1. Схема двухступенчатой легкогазовой установки
В комплектации ЛГУ содержатся две газовые камеры калибром 40 и 23 мм, а также три ствола калибром 14.3, 8 и 3 мм, поэтому может быть реализовано несколько вариантов компоновки метательного устройства.
Подробное описание конструкции, технических характеристик, вариантов использования экспериментального баллистического комплекса, а также проведённые ранее усовершенствования представлены в работе [1]. Основными мероприятиями модернизации экспериментального комплекса являлись:
- разработка изготовление и внедрение вкладного стволика малого калибра (3 мм), устанавливаемого в основной ствол для разгона ударников малых диаметров (от 1 до 3 мм);
- применение электротермохимического ускорителя твердых тел с регулируемым вводом дополнительной электрической энергии;
- разработка и применение способа изготовления рам-мишеней для обеспечения надежной регистрации скорости ударников малых диаметров, основанного на способе изготовления гибких печатных плат.
- использование новой системы измерения, основанной на оптическом способе регистрации скорости ударников [2].
В последнее время возрос интерес к экспериментальным исследованиям высокоскоростного взаимодействия тел. На первый план вышли задачи повышения скоростей метания ударника. Актуальность поставленной задачи определила необходимость дальнейшей модернизации ком-
191
плекса. Целью проведённой модернизации является стабильное воспроизведение максимальных скоростей ударника (в соответствии с заявленными техническими характеристиками установки), а также возможное улучшение данного параметра.
Теория и практика высокоскоростных баллистических установок изложены в работе [3]. Авторы книги определили три основных направления совершенствования установок с повышенной скоростью метания снаряда:
1. Увеличение скорости звука в рабочем газе.
2. Увеличение переносной скорости рабочего газа.
3. Уменьшение всех видов потерь.
Увеличение скорости звука в рабочем газе. Скорость снаряда определяется в первую очередь скоростью звука в рабочем газе, так как она характеризует внутреннюю энергию газа. Выражение для определение скорости звука в идеальном газе имеет вид
а2=1Ж, (1)
где у - показатель адиабаты; Я - универсальная газовая постоянная; Т - температура газа; ц - молекулярная масса газа.
Из выражения (1) следует, что скорость звука в идеальном газе определяется молекулярной массой газа и его температурой. Чтобы увеличить скорость звука в газе, а следовательно, скорость метания снаряда, надо стремиться к уменьшению молекулярной массы и повышению температуры рабочего газа.
В качестве рабочего газа в ЛГУ обычно используют водород (ц = 2) или гелий (ц = 4). Возможно также применение других газов и газовых смесей, например кислородно-водородно-гелиевой смеси (КВГС) (с ц = 6). При одноступенчатом варианте использования установки рабочим газом являются продукты сгорания пороха с ц = 23...30. В некоторых работах [4, 5] предлагаются метательные составы, в продуктах химической реакции которых присутствует водород. Молекулярная масса таких газов ниже, чем у обычных пороховых газов. Однако, в целом, достичь высоких скоростей метания снарядов с использованием подобных схем и метательных составов не представляется возможным. Причиной тому, прежде всего, одно-ступенчатость установки, при которой сложно обеспечить полноту индикаторной диаграммы (ПИД) давления рабочего газа. Другой причиной является всё же недостижимость показателя ц пороховых газов в сравнении с лёгкими газами.
Выражение для определения температуры рабочего газа в конце сжатия в зависимости от его начальных параметров имеет вид
7-1 1
Т
■'шах
То
р
1 шах . р0
V
У
Г Фшах ^ Ф о
Г Л ашах
а
\ о .
2
(2)
где Гтах, Ртах, Фтах и атах - соответственно температура, давление, энтропия и скорость звука рабочего газа в конце сжатия; Т0, Р0, Ф0 и а0 - соответственно начальные температура, давление, энтропия и скорость звука рабочего газа; у - показатель адиабаты.
При этом функция энтропии определяется известным соотношени-
Р
ем Ф =—, где Р - давление газа; р - плотность газа. РУ
Из соотношения (2) следует, что в поршневой установке выгодно
Р
иметь высокую степень сжатия тх и выполнять процесс сжатия с максимально возможным ростом энтропии Фтах . Тогда при заданных Ртах, у
Ф 0
и Т0 температура рабочего газа в конце сжатия Ттах, а следовательно, и скорость звука в нём будут наибольшими. При этом Ртах принимается равным максимальному давлению, допускаемому в установке и определяется её прочностью.
Увеличение переносной скорости рабочего газа. При существующем ограничении максимального давления рабочего газа Ртах прочностными возможностями установки существенное значение приобретает обеспечение полноты индикаторной диаграммы, основой которой является способ, позволяющий достаточно длительно сохранять давление рабочего газа на высоком уровне. Поршневые системы обладают этим свойством, обеспечивая переносное движение рабочего газа за счёт наличия одновременного движения и поршня («следящее дно» газовой камеры), и снаряда. В идеале, действие достигнутого максимального давления рабочего газа Ртах на снаряд желательно сохранить на всё время движения снаряда по каналу ствола. На практике это условие удаётся выполнить лишь частично, за счёт стремления к сохранению неизменным объёма газа, замкнутого между движущимися поршнем и снарядом. Ввиду несоизмеримости скоростей движения этих элементов, а также неизбежности остановки поршня, рассматриваемый объём всё же растет, действующее на снаряд давление падает. Внедрение конструктивных решений в виде применения гидродинамического или пластического поршня, ускорение газа в стволе с помощью электродинамических сил и т. д. могут стать весомым вкладом в повышение скорости метания снаряда.
Уменьшение всех видов потерь. Потери в установке связаны, прежде всего, с силами трения, прорывом газов, перетеканием газов по узким каналам, неэффективным использованием энергии.
Теоретическое обоснование и предварительное практическое опробование ряда технических решений нашли отражение в модернизации экспериментального баллистического комплекса. Основным объектом реализации технических решений стала входящая в его состав легкогазовая установка. Суть усовершенствований состоит в реализации схемы с последо-
193
вательным расположением ствола и газовой камеры. Такая схема способствует увеличению скорости метаемого снаряда за счёт более эффективного использования кинетической энергии поршня, сокращения потерь при перетекании рабочего газа и повышения полноты индикаторной диаграммы действующего (максимального) давления. Для получения задуманного эффекта, кроме того, были внесены изменения в конструкцию форкамеры и поршня. Переходной канал форкамеры выполнен в виде конфузора, в котором происходят торможение и деформирование поршня. Со стороны действия пороховых газов поршень снабжён обтюратором из пластичного материала, препятствующим прорыву пороховых газов. С другой стороны на поршень установлен демпфер для торможения составной конструкции (обтюратор, поршень и демпфер) на заключительном этапе её работы. Демпфер также изготовлен из пластичного материала, в передней его части выполнена открытая полость.
На рис. 2 представлена конструкция усовершенствованной ЛГУ.
1234 5 67 8 9
Рис. 2 Конструкция усовершенствованной ЛГУ: 1 - пороховой заряд; 2 - обтюратор; 3 - поршень; 4 - демпфер;
5 - заглушка перепускного канала; 6 - газовая камера; 7 - форкамера (с внешним конусом для осевой центровки); 8 - конфузор; 9 - мембрана;
10 - ствол; 11 - метаемый снаряд (поддон с ударником);
12 - поджимная гайка; 13 - демпфирующие прокладки;
14 - упорное кольцо; 15 - устройство подачи лёгкого газа;
16 - зарядная камера
Принцип работы усовершенствованной конструкции ЛГУ заключается в следующем. При срабатывании порохового заряда в зарядной камере резко повышается давление пороховых газов, под действием которого составной поршень перемещается, сжимая лёгкий газ в газовой камере и конфузоре форкамеры. По достижении расчётного давления мембрана вскрывается и лёгкий газ, устремляясь в ствол, начинает разгонять метае-
194
мый снаряд. Составной поршень, всё более внедряясь в конфузор, продолжает сжимать лёгкий газ. При этом открытая полость демпфера схло-пывается, вытесняя находящийся в ней лёгкий газ и осуществляя дополнительный подгон метаемого снаряда.
Форкамера имеет возможность некоторого осевого перемещения, так как установлена в ЛГУ и закреплена поджимной гайкой через демпфирующие прокладки. Поэтому при внедрении демпфера в конфузор, кинетическая энергия поршня гасится за больший промежуток времени. В результате применения деформируемого поршня и демпфирующих прокладок происходит снижение амплитуд пиковых давлений и более равномерное распределение нагрузок на критичные элементы ЛГУ. Демпфирующие прокладки, кроме того, выполняют функцию уплотнительных элементов, причём с ростом давления сила прижима прокладок к стенкам конструкции только увеличивается. Снижению пиковых нагрузок, действующих на конструктивные элементы ЛГУ и повышению надёжности работы рассматриваемого узла посвящена работа [6]. Предложенное техническое решение оформлено заявкой на изобретение [7].
Изменение схемы установки позволило не просто гасить кинетическую энергию поршня за счёт пластической деформации демпфера, а использовать этот процесс для повышения коэффициента полезного действия всего цикла путём реализации эффекта пластического поршня. Появилась возможность более эффективного использования переносного движения рабочего газа. Снабжение поршня обтюраторами и экспериментальная отработка материала их изготовления позволили в значительной степени снизить потери на прорыв газов и трение движущихся элементов. Упразднение перепускного канала также положительным образом сказалось на уменьшении потерь в системе. Появившаяся возможность перемещения составного поршня вплоть до мембраны способствовала реализации высокой степени сжатия поршневой системы, что является, безусловно, выгодным для достижения высоких скоростей метания.
Отдельно следует отметить преимущества, полученные с использованием открытой полости в конструкции демпфера:
1. Открытая полость при схлопывании способствует обеспечению ПИД. Обеспечивать поддержание высокого давления, действующего на снаряд, в период движения поршня - посильная задача (эффект «следящего дна» газовой камеры). Однако на стадии торможения поршня объём газа, замкнутого между ним и снарядом, растёт, давление при этом падает. Компенсировать в какой-то мере это нежелательное явление помогает процесс схлопывания открытой полости демпфера, конечно же, в совокупности с эффектом действия гидродинамического или пластического поршня. В результате при уже меньшей скорости поршня негативное влияние прироста объёма и как следствие снижение давления сглаживаются, обеспечивая ПИД.
2. Применение такой конструкции способствует снижению пиковой нагрузки на форкамеру и узел её крепления путём распределения этой нагрузки во времени за счёт переменной (возрастающей) жёсткости демпфера. Пока скорость составного поршня высокая, жёсткость демпфера невелика. С падением скорости поршня жёсткость демпфера увеличивается, растёт и останавливающая его сила. Увелчивающаяся при этом площадь соприкосновения демпфера с конфузором способствует более равномерному распределению нагрузки на поверхность конфузора, снижая вероятность его локального повреждения.
3. Такая конструкция позволяет выступать демпферу в роли обтюратора с момента превышения давления рабочего газа над давлением пороховых газов и препятствовать прорыву рабочего газа в зарядную камеру. Причём обтюрирующие свойства проявляются с более значимым эффектом при входе демпфера в конфузор, когда давление рабочего газа максимально, оно с большей силой прижимает демпфер к стенкам форкамеры, а сужающийся конус (конфузор), в свою очередь, действует с возрастающим усилием с внешней стороны.
Совокупность всех мероприятий по усовершенствованию ЛГУ способствовала достижению поставленной цели и позволила стабильно получать скорости метания ударника, соответствующие (а иногда превышающие) заявленным техническим характеристикам базовой установки.
Наряду с достигнутыми результатами усовершенствованной ЛГУ не следует игнорировать и положительные качества установки с параллельным расположением ствола и газовой камеры: компактность, надёжность, простота технического обслуживания и эксплуатации, высокая производительность экспериментов и т. д. В связи с этим уместно отметить, что внесённые в конструкцию ЛГУ изменения не являются необратимыми и при необходимости установка может быть вновь трансформирована в исходный вид.
Дальнейшие исследования по данной тематике должны быть направлены на поиск оптимальных соотношений параметров заряжания ЛГУ для получения максимальных скоростей метания ударника.
Список литературы
1. Экспериментальный баллистический комплекс / А. М. Бабин [и др.] // Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. СПб. 2013. Вып. 3 - 4. С. 120 - 122.
2. Обоснование возможности применения полупроводниковых лазеров в оптическом методе регистрации высокоскоростных ударников малых размеров / М. А. Светлорусов [и др.] // Труды Военно-космической акад. им. А.Ф. Можайского. СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского. Вып. 652. 2016. 262 с.
3. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях / Н.А. Златин [и др.] М.: Наука. 1974. 334 с.
4. Патент. 2500659 РФ, МПК С06В 27/00, C06D 5/00, F41A 1/00, F41A 1/02. Порох Староверова - 2 / Н.Е. Староверов. Опубл. 10.12.13. Бюл. № 34.
5. Патент. 2476805 РФ, МПК F41A 1/00, F41A 1/02, F41A 1/04. Легкогазовое орудие Староверова (варианты) / Н.Е. Староверов. Опубл. 27.02.13. Бюл № 6.
6. Конструкция легкогазовой установки с демпфирующими элементами / В. В. Мартынов [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. Вып. 12. Ч. 1. 2016. С.124 - 131.
7. Заявка № 2016144595 Российская Федерация, МПК F41F 1/00, Легкогазовая установка / П. С. Гончаров [и др.]; заявл. 11.11.16.
Мартынов Виктор Васильевич, старший научный сотрудник, vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Гончаров Павел Сергеевич, канд. техн. наук, начальник отдела, vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, ВКА им. А. Ф. Можайского,
Светлорусов Максим Александрович, канд. техн. наук, начальник лаборатори-СНС, vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, ВКА им. А.Ф. Можайского,
Синельников Эдуард Геннадьевич, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, ВКА им. А. Ф. Можайского
CONSTRUCTIVE SOLUTION FOR IMPROVING TECHNICAL CHARACTERISTICS OF EXPERIMENTAL BALLISTIC COMPLEXBS-3
V.V.Martynov, P.S.Goncharov, M.A.SvetlorHsov, E.G.Sinelnikov
Analysis of ways for improving constructions light-gas installation with high velocity shells is shown. Light-gas installation scheme is changed. There are technical solutions for achieve high velocity of shell with using light-gas installation BS-3.
Key words: light-gas installation, shell velocity, confusor, prior chamber, buffer, obturator.
Martynov Victor Vasilievich, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical sciences, head of department, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Svetlorusov Mixim Aleksandrovich, candidate of technical science, head of laboratory - senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Sinelnicov Eduard Gennadievich, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 623.418
ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ЗАРЯЖАНИЯ В САМОХОДНОМ АРТИЛЛЕРИЙСКОМ ОРУДИИ
А.Ю.Александров, В.В. Стешов
Рассмотрен вариант повышения интенсивности огня самоходного артиллерийского орудия путем повышения скорострельности за счет автоматизации заряжания нетрадиционным способом.
Ключевые слова: снаряд, калибр, скорострельность, пневмотранспорт, автомат заряжания, пневмосистема.
Требования, предъявляемые к перспективным самоходным артиллерийским орудиям среднего и крупного калибров, предусматривают создание на высокоманевренном шасси автономного автоматизированного орудия с интенсивностью огня и эффективностью поражающего действия, значительно превышающие на сегодняшний день.
Это должно реализоваться, в том числе, за счёт:
- минимального времени нахождения на одной огневой позиции;
- максимального сокращения времени готовности к открытию огня с марша (на подготовленной огневой позиции) и при нахождении на огневой позиции;
- повышения прицельной скорострельности в 1,5.2 раза.
Выполнение вышеуказанных требований возможно только за счет
полной автоматизации процесса заряжания - создания автомата заряжания (АЗ).
АЗ с необходимыми параметрами транспортирования как средство автоматизации, позволяющее значительно сократить продолжительность заряжания, получить возможность выйти на качественно новый уровень проектирования артвооружения.
В настоящее время в России самоходные артиллерийские орудия (САО) среднего и крупного калибров только механизированы, например 2С3М1, или частично автоматизированы, например 2С19М2.
198
