CC BY
5
УДК 620.17
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-497-501
НАПРАВЛЕНИЯ УЛУЧШЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕГКОГАЗОВОЙ
УСТАНОВКИ
В.В. Мартынов, Н.А. Шуневич
На основе анализа особенностей срабатывания порохового заряда и процесса сжатия рабочего газа в легкогазовой установке определены основные направления исследований по улучшению её эксплуатационных качеств. Предложены некоторые конструктивные и технологические решения, предполагающие достижение положительного результата.
Ключевые слова: легкогазовая установка, пороховой заряд, ударник, давление форсирования, камера сжатия, поршень.
Экспериментальные исследования в Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского по взаимодействию высокоскоростных тел с элементами защиты орбитальных станций и космических аппаратов проводятся с использованием баллистического комплекса БС-3. Основу комплекса составляет двухступенчатая легкогазовая метательная установка, использующая энергию пороховых газов [1]. В двухступенчатых легкогазовых установках (ЛГУ) подвод энергии к рабочему газу производится через промежуточную ступень: давлением пороховых газов разгоняется поршень, а затем кинетическая энергия поршня превращается в потенциальную энергию сжатого рабочего газа. После вскрытия диафрагмы, запасённая энергия сжатого газа используется для метания ударника. Подробнее процесс выстрела из двухступенчатой ЛГУ можно рассмотреть с использованием представленной схемы установки (рис. 1). После инициирования порохового заряда 1 продукты сгорания разгоняют поршень 5, который сжимает рабочий газ в камере сжатия 2 до давления, необходимого для вскрытия мембраны 6. После достижения указанного давления мембрана вскрывается и рабочий газ, устремляясь в баллистический ствол 4, разгоняет ударник 7. Торможение поршня происходит за счёт подушки, образованной сжатым рабочим газом, а также действия сил, возникающих при деформировании материала поршня в конфузоре 3.
Вопросам совершенствования ЛГУ постоянно уделяется повышенное внимание. Стремление к получению высоких скоростей метания при многообразии определяющих факторов, зачастую взаимозависимых, формируют для исследователя широкое поле деятельности. Большинство из ранее предложенных технических решений [1, 2, 3] уже реализовано и приносит положительный эффект.
Задача исследований состоит в анализе особенностей работы порохового заряда с целью обоснования направлений дальнейших исследований по улучшению эксплуатационных качеств ЛГУ.
ЛГУ являются машинами, характеризующимися определённым термодинамическим циклом, в результате которого тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании пороха, превращается в кинетическую энергию ударника. Эффективность работы таких устройств характеризуется коэффициентом полезного действия q, который можно представить в виде
mV2
v=-,
2Q
где m - масса снаряда, V - его скорость, Q - количество подведённой тепловой энергии.
Скорость ударника определяется, прежде всего( в большей степени), скоростью звука в рабочем газе (о)и на практике ограничена значением
497
V «(1,8...2,5)а . Выражение для скорости звука в идеальном газе имеет вид
2 -ят
а = --,
И
где у - показатель адиабаты, Я - универсальная газовая постоянная, Т - температура газа, ц - молекулярная масса газа.
Т
Рис. 1. Схема ЛГУ
В качестве рабочего газа, в нашем случае, используется гелий с ц=4. Из приведённого выражения следует, что для увеличения скорости звука, а следовательно, скорости метания ударника, надо стремиться к повышению температуры рабочего газа.
Температура рабочего газа в конце сжатия в зависимости от его начальных параметров имеет вид
у-1 1
Т
± г
(
тах
Т
(
\
2
Р 1 тах - Фтах - атах
1 Ро , Ф V о а о V о у
(1)
где Ттах, Ртах, Фтах и атах - соответственно, температура, давление, энтропия и скорость звука рабочего газа в конце сжатия, То, Ро, Фо и ао - соответственно, начальные температура, давление, энтропия и скорость звука рабочего газа, у - показатель адиабаты.
При этом функция энтропии определяется известным соотношением
ф=Р-,
р-
где Р - давление газа, р - плотность газа.
Из соотношения (1) следует, что в поршневой установке выгодно иметь высо-
Рт
кую степень сжатия
Фт
тах
Р
и выполнять процесс сжатия с максимально возможным ро-
стом энтропии —тах. Тогда, при заданных Ртах, у и То температура рабочего газа в Фо
конце сжатия Ттах, а следовательно, и скорость звука в нём будут наибольшими [4]. При этом Ртах принимается равным максимальному давлению, допустимому для установки и определяется её прочностью.
Повысить температуру рабочего газа можно и другими способами, например предварительным подогревом газа непосредственно перед или в процессе закачки, электродуговым разрядом в камере сжатия, однако это находится за рамками наших исследований. В существующей ситуации пороховой заряд должен обеспечить максимально возможную скорость поршня при выполнении условий прочности установки. Стремление обеспечить высокую скорость поршня основывается, главным образом, на повышении его кинетической энергии Е:
Е = тп X2
2 498
где тп и Vn - масса и скорость поршня.
Из приведённого выражения видно, что повышать кинетическую энергию поршня за счёт роста его скорости выгодно, ввиду степенного характера зависимости. Но для достижения максимальной скорости поршня в процессе выстрела требуется время и расстояние (длина камеры сжатия). Обычно установки с высокой скоростью поршня имеют повышенную длину газовой камеры. При ограниченных возможностях данного ресурса можно воспользоваться повышением темпа нарастания скорости, т. е. увеличением ускорения поршня. Особое значение придаётся начальному ускорению поршня а п.
§
ап (роЗК -Р0КС),
тп
где Бп - площадь сечения поршня, Ро зк и Ро кс - соответственно, давление в зарядной камере и камере сжатия в момент начала движения поршня.
Перед ускоренно движущимся поршнем в рабочем газе возникает ударная волна, интенсивность которой пропорциональна созданному ускорению. Подобный процесс сжатия рабочего газа происходит с ростом энтропии. Из формулы (1) следует, что рост энтропии газа в процессе сжатия ведёт к повышению температуры при той же степени сжатия. Рост температуры, в свою очередь, влияет на повышение скорости звука в рабочем газе и, в конечном итоге, положительным образом отразится на скорости ударника [4]. Реализация описанного процесса в большой степени зависит от параметров порохового заряда и сценария, по которому происходит его срабатывание.
Наиболее рациональным был бы вариант работы с резким нарастанием давления в зарядной камере для получения высокого значения начального ускорения поршня и поддержания этого давления на высоком уровне в процессе движения поршня для обеспечения полноты индикаторной диаграммы, характеризующей эффективность работы пороховых газов. Зависимость 1 на рис. 2 отражает реальную картину процесса. Начало координат соответствует начальному положению поршня. По мере развития горения порохового заряда давление в пространстве за поршнем будет возрастать и, в некоторый момент, преодолев силу трения и инерцию, заставит поршень начать движение. В этот период происходит интенсивный рост давления до достижения некоторого максимума Рт. Затем давление начинает снижаться, потому что объём пространства за поршнем возрастает быстрее, чем приток пороховых газов. Зависимость 2 на рис. 2 представляет процесс, приближенный к идеальному, к которому следует стремиться и который, в наибольшей степени, соответствует полноте индикаторной диаграммы давления пороховых газов. Зависимость 3 на рис. 2 характеризует сценарий, который предстоит реализовать за счёт внедрения конструктивных и технологических решений.
Одним из таких решений видится реализация сценария с созданием давления форсирования, когда поршень зафиксирован в исходном положении до достижения в зарядной камере установленного давления Рф. Важным моментом при этом является постоянный объём камеры, а следовательно, резкое нарастание давления, способствующее, к тому же, интенсивному росту скорости горения пороха. Сама идея позаимствована из артиллерии, по аналогии с реализацией давления форсирования в период врезания поясков снаряда в нарезы канала орудийного ствола. Роль периода форсирования заключается в задержке поступательного движения снаряда, с тем, чтобы это движение было более интенсивным и однообразным [5]. Особое преимущество от реализации идеи получают короткоствольные установки.
Другим решением может стать подбор сортов и марок порохов, в наибольшей степени отвечающих необходимым требованиям, например легко воспламеняющиеся, калорийные, быстрогорящие, прогрессивно горящие. Проводя аналогию с артиллерийскими установками, следует отметить применение отдельных марок порохов в короткоствольных орудиях, в частности миномётах [6]. В дополнение к этому решению следует проработать систему инициирования порохового заряда в стремлении обеспечить
гомогенное его срабатывание. Дело в том, что заряд имеет удлинённую цилиндрическую форму, его инициирование производится с торца, а распространение горения требует некоторого времени для передачи тепла от слоя к слою вещества. Гомогенное срабатывание предполагает химическую реакцию горения одновременно во всей массе вещества. Реализация таких решений будет способствовать более резкому нарастанию давления, а его максимум по времени наступит раньше. Набольшую выгоду при этом получат установки с меньшей длиной камеры сжатия.
Ещё одним решением может стать добавка в заряд регрессивно горящего пороха. Это может способствовать поддержанию высокого давления пороховых газов на заключительном этапе движения поршня.
На основе анализа процесса сжатия рабочего газа в ЛГУ и особенностей срабатывания порохового заряда определены пути и намечены решения, направленные на улучшение эксплуатационных качеств установки. В стремлении обеспечить выгодный вариант порохового заряда и сценарий его срабатывания предстоит провести исследования свойств и характеристик различных порохов, проработать конструктивные и технологические решения, способствующие достижению положительного результата.
Список литературы
1. Конструкция легкогазовой установки с демпфирующими элементами / В.В. Мартынов [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 1. С. 124 -131.
2. Конструктивные решения повышения технических характеристик экспериментального баллистического комплекса БС-3 / В.В. Мартынов [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 5. С. 190 -197.
3. Экспериментальный баллистический комплекс / А.М. Бабин [и др.] // Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. Вып. № 3-4. СПб.: 2013. С. 120-122.
4. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях / Златин Н.А. [и др.]. М.: Наука, 1974. 334 с.
5. Чурбанов Е.В. Внутренняя баллистика артиллерийского орудия. М.: Воениз-дат, 1973. 104 с.
6. Горст А.Г. Пороха и взрывчатые вещества. М.: Машиностроение, 1972.
208 с.
Мартынов Виктор Васильевич, старший научный сотрудник, vka@mil.rH, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Шуневич Николай Александрович, канд. техн. наук, начальник лаборатории, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского
DIRECTIONS OF PERFORMANCE IMPROVEMENTS LIGHT-GAS INSTALLA TION
V.V. Martynov, N.A. Shunevich
Based on the analysis of the characteristics of the triggering of the powder charge and the process of compression of the working gas in a light-gas installation, the main directions of research to improve its operational qualities are determined. Some constructive and technological solutions are proposed, assuming the achievement of a positive result.
Key words: light-gas installation, powder charge, striker, forcing pressure, compression chamber, piston.
Martynov Viktor Vasilievich, Senior Researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint Petersburg, Mozhaisky Military Space Academy,
Shunevich Nikolay Aleksandrovich, candidate of technical sciences, head of the laboratory, vka@,mil.ru, Russia, Saint Petersburg, Mozhaisky Military Space Academy
УДК 621
DOI. 10.24412/2071-6168-2022-4-501-504
ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ МЕТОДОМ
АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
АО. Чечуга
В работе рассмотрены основные параметры оборудования, материалов, а также внешней среды, влияющие на качество изделий, изготовленных методом аддитивного спекания. Проанализированы виды дефектов, возникающих в процессе обработки, и их влияние на физико-механические свойства изделий. Изложены способы и методики предотвращения и устранения различных дефектов, а также рекомендации по их профилактике. Описаны прогрессивные методы аддитивного спекания, позволяющие изготавливать изделия высокого качества. Представлены способы контроля и улучшения структуры изготавливаемых деталей, а также методы дополнительной обработки поверхностей изделий с целью повышения качественных показателей для удовлетворения поставленных требований.
Ключевые слова: филамент, металлический порошок, ход лазера, секторальное спекание.
По мере реализации аддитивных технологий на производствах основное внимание уделяется качеству изготавливаемых изделий. Этот вопрос является ключевым, поскольку именно он определяет рациональность применения аддитивной технологии взамен традиционных методов. Основными материалами при 3D-печати являются фи-ламенты и металлические порошки.
Однородность структуры полученного изделия из филамента определяют такие факторы, как.
- значение температуры лазерного луча при обработке;
- величина шага хода лазера;
- соблюдение показателей среды обработки.
501
