CC BY
99
УДК 620.17
КОНСТРУКЦИЯ ЛЕГКОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ С ДЕМПФИРУЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
В.В. Мартынов, М.В. Житный, Н.М. Тимофеев, А.М. Бабин
Проведён анализ факторов, выявленных в ходе эксплуатации легкогазовых установок, негативно влияющих на их надежность. В ходе анализа выявлены наиболее критичные элементы конструкции легкогазовой установки, непосредственно влияющие на интенсивность отказов. Предложено техническое решение, способствующее повышению надёжности работы легкогазовой установки. Даны рекомендации по подбору материалов для изготовления наиболее критичных элементов конструкции. По результатам практической отработки дана оценка надёжности усовершенствованной установки.
Ключевые слова: легкогазовая установка, конический переходник, форкамера, динамические нагрузки, надёжность, безотказность, ремонтопригодность.
Введение
В ряде отраслей науки и техники ведутся исследования, связанные с изучением процессов, характеризующихся высокими скоростями движения твёрдых тел порядка километров и даже десятков километров в секунду. К таким процессам относятся, например, взаимодействие снаряда с преградой поражающих элементов - с ракетой или самолётом, метеоров -с космическим аппаратом и т.п. С помощью обычных артиллерийских и стрелковых систем метаемым телам могут быть сообщены скорости, не превышающие 1000...1500 м/с. Если в таких системах удлинить ствол до 160 калибров и более и использовать пороховые заряды, масса которых на порядок больше массы выстреливаемого тела, то скорости метания можно увеличить до 2000.2500 м/с. Дальнейшее увеличение скорости метания с использованием пороховых газов практически невозможно. Это связано с тем, что пороховые газы имеют высокую молекулярную массу (около 28), т.е. характеризуются относительно малой скоростью звука и, соответственно, малой скоростью расширения (истечения) [1]. Поэтому при проведении подобных исследований, для преодоления этого ограничения, используют легкогазовые установки (ЛГУ), где для разгона метаемых снарядов используют лёгкий газ, имеющий низкую молекулярную массу, а, следовательно, высокую скорость истечения.
Наибольшее распространение к настоящему времени получили многоступенчатые газодинамические метательные устройства, типичным представителем которых является двухступенчатая поршневая ЛГУ. В таких установках метание снарядов осуществляется лёгким газом (водородом, гелием), сжатым при помощи поршня, ускоренного в камере сжатия продуктами сгорания порохового заряда [2]. Характерной особенностью работы ЛГУ являются значительные динамические нагрузки, которые ис-
пытывают детали установки. Стремление к повышению технических показателей сопряжено с предельными, а порой недопустимыми, механическими нагрузками, действующими на элементы установки, вплоть до выведения ЛГУ из строя [1]. Наиболее нагруженными элементами конструкции при этом являются конический переходник камеры сжатия и сопряжённые с ним элементы. Как показывают результаты опытов, максимальный ресурс конического переходника камеры сжатия на предельных режимах работы ЛГУ может составлять один-два выстрела [3, 4].
Снижение пиковых механических нагрузок, действующих на наиболее нагруженные элементы конструкции, наряду с реализацией заданных эксплуатационных характеристик ЛГУ, является достаточно сложной технической задачей. Решение этой задачи ведёт к достижению основной цели - повышению надёжности установки, а также сокращению времени на подготовку и проведение экспериментов.
Обоснование конструкции усовершенствованной легкогазовой установки
Двухступенчатая ЛГУ представляет собой сложное газодинамическое устройство с длительным циклом подготовки и проведения эксперимента и восстановления готовности к последующей работе. Схематично конструкция ЛГУ представлена на рис. 1 и состоит из зарядной камеры с пороховым зарядом 1, камеры сжатия 2 (заканчивающейся коническим переходником 3 и заполненной лёгким газом), баллистического ствола 4, поршня 5 (отделяющего зарядную камеру от камеры сжатия), мембраны 6 (отделяющей камеру сжатия от баллистического ствола и обеспечивающей требуемые значения давления легкого газа) и метаемого снаряда 7.
Выстрел из двухступенчатой ЛГУ осуществляется следующим образом. После инициирования порохового заряда продукты сгорания разгоняют поршень 5, который сжимает лёгкий газ в камере сжатия 2. При переходе поршня 5 в конический переходник 3 происходит его торможение (за счет деформации материала поршня) и дополнительное повышение давления легкого газа до величины, необходимой для вскрытия мембраны 6 (давление форсирования). После достижения давления форсирования мембрана 6 вскрывается и лёгкий газ, устремляясь в баллистический ствол, разгоняет метаемый снаряд 7. Как уже было отмечено, значительным недостатком установки является наличие высоких динамических нагрузок, действующих во время внедрения поршня в конический переходник камеры сжатия, с передачей их на другие элементы ЛГУ. Данная особенность эксплуатации ЛГУ обуславливает необходимость разработки более долговечной конструкции ЛГУ, позволяющей компенсировать или снижать до приемлемых нагрузки на критичные элементы с целью увеличения срока эксплуатации данных элементов.
Рис. 1. Схема ЛГУ
Изобретателями и конструкторами неоднократно предпринимались попытки решить поставленную задачу. Так, например, в работе [5] авторы предлагают повысить живучесть конического переходника камеры сжатия за счёт замены монолитного поршня на составной деформируемый поршень, выполненный из двух полимерных (полиэтиленовых) обтюраторов, пространство между которыми заполнено гелеобразным или жидким веществом, например, пушечным салом. Однако недостатками такой конструкции являются сложное снаряжение составного поршня и значительная трудоёмкость работ по приведению установки в готовность к следующему эксперименту.
В другой работе [6] авторы предлагают установить в камере сжатия два поршня - тяжёлый (основной) и на некотором расстоянии от него, лёгкий (дополнительный). Уменьшение величины ударной нагрузки на конический переходник камеры сжатия достигается за счёт следующего эффекта: тяжёлый поршень тормозится сжатым в полости между ним и дополнительном поршнем газом и не имеет непосредственного контакта с коническим переходником; лёгкий дополнительный поршень является деформируемым и выполнен с открытой полостью в сторону баллистического ствола, что облегчает его внедрение в конический переходник. В целом, предложенное решение заслуживает внимания, несмотря на некоторое усложнение установки.
В ходе проведённых в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского экспериментальных исследований на Экспериментальном баллистическом комплексе БС-3 (составной частью которого является двухступенчатая ЛГУ) была решена рассматриваемая задача и предложена доработанная конструкция ЛГУ, а также выполнена экспериментальная отработка усовершенствованной предложенным образом ЛГУ.
Отличительной особенностью конструкции усовершенствованной ЛГУ является то, что выполненная в виде отдельной детали форкамера заменяет собой конический переходник камеры сжатия, закреплена поджимной гайкой через демпфирующие прокладки и не имеет жёсткого соединения с другими элементами конструкции. При этом под жестким соединением понимается соединение, не допускающее взаимного сдвига и/или поворота соединяемых элементов [7].
На рис. 2 приведена конструкция усовершенствованной ЛГУ.
1 - пороховой заряд; 2 - зарядная камера; 3 - деформируемый поршень;
4 - камера сжатия; 5 - форкамера (с внешним конусом для осевой центровки); 6 - конический переходник; 7 - мембрана; 8 - баллистический ствол; 9 - поддон с ударником (метаемый снаряд);
10 - поджимная гайка (с трапецеидальной/упорной резьбой);
11 - демпфирующие прокладки; 12 - упорное кольцо
Принцип работы усовершенствованной конструкции ЛГУ заключается в следующем. При срабатывании порохового заряда 1, в зарядной камере 2 резко повышается давление пороховых газов, под действием которого деформируемый поршень 3 перемещается, сжимая лёгкий газ в камере сжатия 4 и коническом переходнике 6 форкамеры 5. По достижении расчётного давления мембрана 7 вскрывается и лёгкий газ, устремляясь в баллистический ствол 8, начинает разгонять метаемый снаряд 9.
Деформируемый поршень 3, достигнув конического переходника 6, внедряется в него, продолжая сжимать лёгкий газ. При этом открытая полость деформируемого поршня схлопывается, вытесняя находящийся в ней лёгкий газ и осуществляя дополнительный подгон метаемого снаряда 9. Форкамера 5 имеет возможность некоторого осевого перемещения, так как установлена в ЛГУ и закреплена поджимной гайкой 10 через демпфирующие прокладки 11. Поэтому при внедрении в конический переходник 6 деформируемого поршня 3, его кинетическая энергия 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 11 выполнены из ударо-, вибростойкого материала - полиуретана, позволяющего решать задачу демпфирования высоких динамических нагрузок. Кроме того, данный материал характеризуется высоким сопротивлением к многократным деформациям, высокой вибростойкостью, масло- и бензостойкостью, стойкостью ко многим растворителям, а также высокой износостойкостью и сопротивлением к исти-
127
ранию. Поэтому такие детали конструкции ЛГУ, как втулки, манжеты, кольца, прокладки и другие уплотнения, целесообразно изготавливать именно из полиуретана, а не из резины.
В процессе экспериментальной отработки усовершенствованной конструкции ЛГУ в качестве материала для изготовления форкамеры использовались легированные стали с высокими значениями предела кратковременной прочности (ов) и ударной вязкости (КСи). С целью упрочнения, детали подвергались соответствующей термообработке. Хорошие результаты были получены при использовании улучшенной стали 38ХН3МФА с закалкой и средним отпуском. Однако стремление к повышению технических характеристик установки может привести к поиску других, более прочных материалов.
Таким образом, конструктивные усовершенствования позволили повысить надёжность ЛГУ путём улучшения таких её свойств, как безотказность и ремонтопригодность.
Согласно ГОСТ безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки [8]. Достигнутое снижение пиковых механических нагрузок, действующих на наиболее нагруженные элементы конструкции, повышает вероятность безотказной работы усовершенствованной ЛГУ. При этом сокращение простоев ЛГУ, вызванных отказами при проведении экспериментов, - прямой путь к повышению производительности труда, достижению экономического эффекта.
Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путём технического обслуживания и ремонта [8]. Краткий анализ характеристик ремонтопригодности, приведенных ниже, показывает преимущества усовершенствованной конструкции ЛГУ.
1. Простота, лёгкость и удобство разборки и сборки с минимальным набором инструментов. В предлагаемой конструкции ЛГУ штатные операции сборки-разборки, выполняемые при подготовке и проведении каждого эксперимента, осуществляются простым отворачиванием и заворачиванием поджимной гайки с использованием одного ключа.
2. Заложенное при конструировании деление изделия или его ремонтных частей на типовые элементы замены (ТЭЗ). В усовершенствованной ЛГУ наиболее нагруженный и часто выходящий из строя элемент представляет собой отдельную легко заменяемую деталь - форка-меру.
3. Физическое наличие нового ТЭЗ вместо отказавшего или износившегося. Форкамера представляет собой достаточно простую, неметаллоёмкую и недорогую деталь (по сравнению с камерой сжатия, заканчивающейся коническим переходником), для изготовления которой потре-
буются лишь токарные работы и термообработка. Поэтому для бесперебойной эксплуатации установки несложно организовать требуемый запас ТЭЗ.
4. Возможность определения того, что именно необходимо заменить, с точностью до ТЭЗ. После каждого эксперимента, а также в ходе технического обслуживания имеется возможность визуального осмотра и инструментального контроля наиболее нагруженных элементов.
Необходимо отметить, что усовершенствованная конструктивная схема ЛГУ позволяет, после снятия форкамеры, получить хороший доступ к камере сжатия для её осмотра и проведения технического обслуживания. Кроме того, извлечение деформированного поршня из конического переходника удобнее и эффективнее производить при снятой форкамере.
В процессе практической отработки данного технического решения авторами подтверждена работоспособность усовершенствованной конструкции ЛГУ, отмечено снижение интенсивности отказов, сокращение среднего времени проведения эксперимента, а также восстановления ЛГУ.
Заключение
На основе вышеизложенного можно сформулировать следующие выводы.
1. В результате анализа особенностей эксплуатации ЛГУ выявлены критичные элементы, состояние которых непосредственно влияет на надежность ЛГУ.
2. Предложено техническое решение, способствующее повышению надёжности ЛГУ, сокращению сроков на подготовку и проведение экспериментов.
3. По результатам практической отработки усовершенствованной ЛГУ даны рекомендации по подбору материалов для изготовления наиболее ответственных элементов.
4. Областью применения предложенного технического решения могут быть многоступенчатые газодинамические метательные устройства.
5. Дальнейшие исследования по данной тематике целесообразно проводить в направлении поиска высокопрочного материала для изготовления форкамеры и режимов её термообработки.
Список литературы
1. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях / Н.А. Златин [и др.] М.: Наука, 1974. 334 с.
2. Экспериментальный баллистический комплекс / А.М. Бабин [и др.] // Вопросы оборонной техники. Сер. 16. Технические средства противодействия терроризму. 2013. №3 - 4. С. 120 - 122.
3. Теоретические и экспериментальные исследования гиперзвуковых течений при обтекании тел и в следах: сб. статей / под ред. Г.Г. Чёрного, С.Ю. Чернявского. М.: Изд-во МГУ, 1979. 110 с.
4. Легкогазовая баллистическая установка / Г.Г. Чернявский [и др.] Тр. Ин-та механики МГУ. 1975. № 39. С. 28 - 37.
5. Пат. 2251063 Российская Федерация, МПК F41F 1/00. Двухступенчатая легкогазовая установка / Ю.Ф. Христенко; заявитель и патентообладатель: Науч.-исслед. ин-т прикладной математики и механики при Томском гос. ун-те. № 2001115626/02; заявл. 06.06.01; опубл. 27.04.05, Бюл. № 12.
6. Пат. 2135928 Российская Федерация, МПК F41F 1/00. Легкогазовая пушка / Ю.Н. Дерюгин [и др.]; заявитель и патентообладатель: Российский фед. ядерный центр - Всероссийский науч.-исслед. ин-т экспериментальной физики. № 98111575/02; заявл. 17.06.98; опубл. 27.08.99.
7. Словари и энциклопедии на Академике: универсальный русско-английский словарь [Электронный ресурс] http://universal ru
en.academic.ru, свободный. - Загл. с экрана.
8. ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения. Введ. 1990-07-01. М: Изд-во стандартов, 1990. 24 с.
Мартынов Виктор Васильевич, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Житный Михаил Владимирович, канд. техн. наук, доц., vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Тимофеев Николай Михайлович, канд. техн. наук, доц., vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Бабин Александр Михайлович, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского.
CONSTR UCTION OF LIGHT GAS INSTALLA TION WITH DAMPING ELEMENTS V. V. Martynov, M. V. Zhitnyy, N.M. Timofeev, A.M. Babin
The analysis of the factors identified in the operation of light-gas installation, adversely affecting their reliability. During analysis were identified the most critical elements of the light-gas installations construction directly affecting on the failure rate. Technical solutions were proposed to improve the reliability of light-gas installation. Recommendations were made on the selection of materials for the manufacture of the most critical design elements. As a result of the practical improvement was achieved installation reliability improvement.
Key words: light gas installation, conical adapter, pre-chamber, dynamic loads, reliability, maintainability.
Martynov Victor Vasilievich, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Zhitnyy Mikhail Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
130
Timofeev Nicolai Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, senior researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Babin Alexander Mikhailovich, senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 620.17
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ
СКВОЗНОГО ПРОБИТИЯ МИШЕННОЙ ОБСТАНОВКИ
Э.Г. Синельников, П.С. Гончаров, М.А. Светлорусов,
И.С. Прохватова
Показана актуальность проведения экспериментальных исследований стойкости мишенной обстановки к кинетическому воздействию, а также методика измерения скорости сквозного пробития мишенной обстановки.
Ключевые слова: мишенная обстановка, эксперимент, измерение скорости, стойкость к кинетическому воздействию.
Введение
Опыт эксплуатации космических систем показал необходимость экспериментального исследования стойкости элементов их конструкции и систем к кинетическому воздействию микрометеоритов, а также частиц техногенного происхождения - «космического мусора». Результатом подобного воздействия является ухудшение качества функционирования бортовых систем, прежде всего целевых систем КА, системы электроснабжения и системы обеспечения теплового режима [1]. Возрастающее антропогенное загрязнение околоземного пространства делает «космический мусор» основным негативным влияющим фактором [2]. Данная особенность эксплуатации КА требует проведения экспериментальных исследований влияния «космического мусора» на элементы конструкции КА, как исследование последствий кинетического воздействия. Подобная работа должна проводиться с целью определения такого свойства элемента КА, как стойкость к кинетическому воздействию.
Опыт эксплуатации военной техники (в том числе легкобронированной), а также индивидуальных средств защиты личного состава показал необходимость исследования кинетического воздействия на них высокоскоростных твердых частиц (осколки, пули и т.п.). Сегодня, как в ближневосточном регионе, так и в мире в целом, неуклонно возрастает террористическая угроза. Применяемые при проведении как террористических актов, так и специальных операций, осколочно-фугасные взрывные устройства, делают высокоскоростные твердые частицы основным поражающим
131
