CC BY
27
Key word: high-speed impacts, space objects, experiment, light-gas installation, space debris.
Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical science, head of department, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Zhitnyy Mihail Vladimirovich, candidate of technical science, docent, senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Denisov Andrey Mihailovich, candidate of technical science, docent, head of department, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Prohvatova Irina Stanislavovna, researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 620.17
ОТСЕКАТЕЛЬ ПОДДОНОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО МАЛОРАЗМЕРНОГО УДАРНИКА ДЛЯ ЛЕГКОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
В.В. Мартынов, Э.Г. Синельников, Н.А. Шуневич, Т.С. Хубларова
Обозначены проблемные вопросы при проведении экспериментов по высокоскоростному метанию подкалиберных ударников с использованием поддонов, оказывающие значительное влияние на качество и надёжность получения информации. Проведён краткий анализ применяемых способов отсечения поддонов от ударников. Предложены перспективный способ и конструкция отсекателя, способствующие решению существующих проблем.
Ключевые слова: эксперимент, поддон, ударник, отсекатель, высокоскоростное метание, легкогазовая установка.
Для исследования взаимодействия высокоскоростных тел с элементами конструкций космических аппаратов, объектов вооружения, военной и специальной техники в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского широко используется экспериментальный баллистический комплекс БС-3. Основу комплекса составляет двухступенчатая легкогазовая установка (ЛГУ), в комплектации которой содержатся две газовые камеры калибром 23 и 40 мм, а также три ствола калибром 3,8 и 14,3 мм, что позволяет реализовать несколько вариантов компоновки метательного устройства. Подробное описание конструкции, технические характеристики, варианты использования экспериментального баллистического комплекса представлены в работе [1]. Для ещё большего расширения возможностей установки - разгон тел вращения всевозможных диаметров, вплоть до максимального калибра (14,3 мм), а также ударников иной формы - используется способ метания, схожий с выстрелом подкалиберного снаряда
105
из артиллерийского орудия. Неотъемлемым элементом такого способа метания является специальное ведущее устройство - поддон, изготовленный в калибр ствола, на котором и устанавливается ударник. Поддон должен обладать достаточной механической прочностью и термостойкостью, его масса и негативное влияние на поверхность ствола должны быть минимизированы. Важным условием подобных экспериментов является отсутствие воздействия поддона на измерительную систему и исследуемый объект. После выполнения своей функции и выхода из канала ствола поддон должен быть отделён от ударника и обеспечены меры по предотвращению возможного влияния его (либо осколков) на результаты эксперимента. Указанные обстоятельства влекут за собой необходимость решения задачи гарантированного отсечения поддона еще до регистрирующих устройств системы измерения скорости ударника. Обычно для этого применяют технические устройства - отсекатели всевозможных конструкций, использующие различные способы отсечения поддона [2.. .5]:
- принудительное отсечение с использованием отсекателя, отклоняющего поддон с траектории (рис. 1);
- аэродинамическое отсечение, т.е. отсечение за счет силы лобового сопротивления воздушной среды (рис. 2);
- принудительное отсечение с использованием отсекателя, оста-навлювающего деформируемый поддон (рис. 3);
- силовое отсечение с использованием отсекателя, разрушающего поддон (рис. 4).
Каждый из указанных способов имеет ряд недостатков, не позволяющих в полной мере решить поставленные перед исследователем задачи:
1. В первом способе (рис. 1) необходимо предварительно (до контакта с осекателем) отделить ударник от поддона, иначе поддон окажет влияние на его траекторию. Обычно это выполняют притормаживанием поддона, предварительно пропуская его через конфузор с малым углом раскрытия. Однако такое дополнительное устройство существенно увеличивает габариты установки. Другим недостатком является избирательность к материалу поддона, когда предпочтение отдаётся мягкому пластичному материалу, не склонному к образованию осколков при термомеханическом воздействии.
2. Эффективность второго способа существенно снижается в экспериментах с вакуумированием установки вследствие существенного снижения силы лобового сопротивления среды. При глубоком вакуумировании способ вообще перестаёт работать. Так что при проведении подобных, достаточно востребованных, экспериментов этот способ становится неприемлемым.
3. Третий способ не гарантирует остановки всего поддона. При высоких скоростях часть поддона может «вытечь» из отсекателя и продолжить движение к мишенной обстановке. Кроме того, подобный отсекатель сложен в изготовлении и эксплуатации.
Рис. 1. Схема принудительного отсечения поддона посредством у ведения с траектории: 1 - положение поддона с ударником до отсечения; 2 - положение поддона с ударником после отсечения
Рис. 2. Схема аэродинамического отсечения: 1 - положение поддона с ударником до отсечения; 2 - положение поддона с ударником после отсечения; F - аэродинамическая сила
Рис. 3. Схема принудительного отсечения поддона
посредством его остановки: 1 - положение поддона с ударником до отсечения; 2 - положение поддона с ударником после отсечения
т-г
\ / \ /
Рис. 4. Схема силового отсечения: 1 - положение поддона с ударником до отсечения; 2 - положение поддона с ударником после отсечения
4. Силовое отсечение поддона подразумевает под собой остановку поддона на твердой (как правило, стальной) преграде с отверстием, диаметр которого является достаточным для прохождения ударника но недостаточным для прохождения поддона (рис. 4). При этом отсекатель представляет собой относительно массивную конструкцию, крепится, как правило (хотя и не обязательно), на стволе и должен выдерживать многократное воздействие поддонов. Это требует большой массы отсекателя, приводит к дополнительной нагрузке на ствол установки и затрудняет вакууми-рование с установленным отсекателем. Также следует отметить, что сам отсекатель подвержен существенному износу и, фактически, является расходным материалом, что повышает ресурсоемкость экспериментов и снижает их оперативность.
Опыт применения подобного способа отсечения и соответствующего отсекателя имеется в Томском государственном университете. В статье [4], в том числе, описывается указанный способ и соответствующий отсекатель. Из материалов статьи можно сделать вывод о наличии характерных недостатков, связанных с громоздкостью отсекателя, сложностью его изготовления и сборки, высоким износом отсекающей слоёной преграды и сохраняющимся частичным воздействием осколков поддона на материал мишенной обстановки. Вместе с тем, авторы делают важное замечание о том, что стремление к максимальному разрушению поддона на мелкие фрагменты лучше реализуется при изготовлении его из текстолита средней плотности. При значительной длине баллистической трассы и действии аэродинамической силы влияние мелких фрагментов на результаты эксперимента несущественно. В противном случае рассматриваемый способ становится малопривлекательным.
Анализ недостатков, описанных выше технических решений, подводит к необходимости разработки усовершенствованного способа отсечения, позволяющего решить поставленную задачу чистого воздействия ударника на исследуемый объект. Перспективным, по нашему мнению, может стать решение, представляющее собой некое сочетание четвёртого и первого из вышерассмотренных способов, дополненное рядом технических условий:
- отсекатель должен быть простым в изготовлении, компактным и обеспечивать возможность вакуумирования установки;
- отсечение поддона должно проходить с наименьшими повреждениями самого отсекателя;
- осколки поддона должны задерживаться в специальной камере (ресивере).
Основным принципом является отделение поддона от ударника путём механического воздействия на него слабозакреплённой преграды и последующим уведением (отклонением) с траектории образующихся осколков. При этом нет необходимости в окончательном гашении кинетической энергии поддона, как и в полном его разрушении. Предлагаемый способ «мягкого» силового отсечения состоит в следующем (рис. 5). После выхода поддона с ударником из канала ствола и окончанием периода последействия газов, происходит соударение такого снаряда с эксцентрично закреплённой пластиной (шайбой). В центре пластины выполнено отверстие, диаметр которого является достаточным для прохождения ударника, но недостаточным для прохождения поддона. Крепление пластины в посадочном месте корпуса отсекателя не является абсолютно жёстким, напротив, имеется возможность регулировки силы её прижатия. После столкновения происходит отделение поддона от ударника, разрушение поддона и срыв пластины с посадочного места, с уведением пластины и осколков поддона с траектории. Причем осколки поддона отсекаются в требуемом секторе большей частью самой одноразовой пластиной. Далее ударник проходит через сужение в конце ресивера (выходная шайба) и попадает в баллистический тракт, а пластина с осколками поддона остаются в ресивере (рис. 6). При такой схеме ударные нагрузки на отсекатель и его механические повреждения сведены к минимуму.
В рамках модернизации экспериментального баллистического комплекса БС-3 был изготовлен опытный образец ствольного отсекателя для калибра 8 мм, реализующий предлагаемый способ отсечения поддонов (рис. 7). Корпус отсекателя выполнен из стали и имеет резьбовое крепление к стволу ЛГУ. Большая площадь окон в корпусе отсекателя способствует эффективному стравливанию давления газов в период их последействия. На выходе отсекателя эксцентрично закреплена одноразовая пластина. Размеры, масса, материал пластины в значительной мере зависят от характеристик применяемых поддонов. В процессе экспериментальной от-
работки лучшие результаты показали пластины из мягкой стали и цветных металлов, имеющие достаточно высокую прочность и не склонные к образованию осколков при ударном воздействии. Определённую перспективу представляет использование в качестве преграды набора пластин из различных материалов, например, чередование мягких (вязких) и жёстких (прочных). Заслуживает интерес также применение пористой меди, а также материалов, обладающих диссипативными свойствами [6]. Диссипация -это способность материалов преобразовывать механическую энергию в иные его формы. Конечной цепочкой превращений, как правило, является тепловая энергия.
Рис. 5. Схема «мягкого» силового отсечения: 1 - положение поддона с ударником до отсечения; 2 - положение поддона с ударником после отсечения
Рис. 6. Схема «мягкого» силового отсечения с учетом работы ресивера
Рис. 7. Конструкция отсекателя
При проведении экспериментов контроль качества работы отсекателя контролировался визуальным анализом состояния поверхностей мишени и измерительных рамок. Естественный интерес вызывало представление о распределении осколочного поля, образующегося при работе отсе-кателя, поэтому в ряде экспериментов перед выходной шайбой в ресивере устанавливался лёгкий экран. Картина на экране давала достаточно обширное представление о размерах, численности и плотности распределения осколков в снопе.
Практическая значимость проведённых исследований сводится к тому, что предложена, изготовлена и опробована реальная конструкция от-секателя, позволяющая:
- устранить высокие динамические нагрузки на отсекатель и в целом на установку, сделать его компактным и легким, быстро устанавливаемым на ствол, обеспечивая возможность вакуумирования комплекса;
- повысить ресурс самого отсекателя, сделав отсекающую пластину расходным материалом, быстро заменяемым и не требующим заметного повышения стоимость эксперимента;
- отсечь осколки поддона в требуемом секторе, что в свою очередь позволяет решить задачи чистого воздействия ударника на материал мишенной обстановки.
В целом, эксперименты с отработкой отсекателя поддонов высокоскоростного малоразмерного ударника показали эффективную его работу. Дальнейшие исследования в данном направлении следует посвятить изучению перспектив применения различных материалов для изготовления поддонов и препятствий, а также опробовать способ на более крупных калибрах.
Список литературы
1. 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.
111
2. Насадка для баллистической установки; отчёт о НИР. Разработка программы расчёта баллистики / Механический институт; рук. Сень-ков В. М. СПб, 1992. С. 22 - 35.
3. Патент 2289774 Российская Федерация, МПК F41F 1/00. Стенд для исследования высокоскоростных соударений / Калмыков П. Н., Лапи-чев Н. В., Шляпников Г. П. № 2005110483/02; заявлено 11.04.05; опубл. 20.12.06, Бюл. № 35.
4. Герасимов, А. В. Защита космических аппаратов от техногенных и естественных осколков. Эксперимент и численное моделирование / Герасимов А.В., Пашков С.В., Христенко Ю.Ф. // Вестник Томского государственного университета. 2011. № 4(16). С. 70 - 78.
5. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях / Златин Н.А. [и др.] М: Наука, 1974. 334 с.
6. Методика исследования диссипативных свойств синтетических минеральных сплавов при высокоскоростном пробивании / А.М. Игнатова [и др.] // Фундаментальные исследования. 2012. № 9 Ч. 1. С. 145 - 150.
Мартынов Виктор Васильевич, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Синельников Эдуард Геннадьевич, старший научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Шуневич Николай Александрович, кандидат технических наук, начальник лаборатории, vka@,mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
Хубларова Татьяна Сергеевна, научный сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия им. А. Ф.Можайского
HIGH-VELOCITY DEBRIS IMITATOR TRAY REMOVER FOR LIGHT-GAS INSTALLA TION
V.V. Martinov, E.G. Sinelnikov, N.A. Shunevich, T.S. Hublarova
Problems of high-speed throwing experimental research with using special trays are shown. There is analysis of special remove tray methods which is frequently use in experimental research. Perspective construction of tray remover is shown.
Key word: experiment, tray, imitator, tray remover, high-speed impacts, light-gas installation.
Martinov Victor Vasilievich, senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Sinelnikov Eduard Gennadievich, senior researcher, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Shunevich Nikolai Alexsanrovich, candidate of technical science, head of laboratory, vka@,mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,
Hublarova Tatyana Sergeevna, researcher, vka@mil.ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy
УДК 629.7.048.7
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
А.В. Кухтин, А.М. Денисов, Т.Ю. Девяткина
Представлены практические рекомендации по созданию системы обеспечения теплового режима космического аппарата, функционирующей в условиях кратковременных тепловых потоков повышенной мощности (КТППМ). Предложена принципиальная схема системы обеспечения теплового режима и практические рекомендации по использованию тепловых аккумуляторов.
Ключевые слова: космический аппарат, система обеспечения теплового режима, тепловой аккумулятор, объект регулирования, тепловой поток.
Отличительной особенностью современной ракетно-космической техники является расширение круга задач, стоящих перед космическими аппаратами (КА) при сохранении жестких массовых, габаритных, энергетических и временных ограничений. Главной трудностью, возникающей при этом, является обеспечение требуемого теплового режима работы бортовых систем (БС) КА в условиях кратковременных пиковых нагрузок, генерируемых специальной аппаратурой. Учитывая требования по стабильности теплового состояния, задача по поддержанию температуры его элементов в условиях космического пространства является одной из основных, определяющих само его существование. Даже кратковременный выход значений температуры за допустимые пределы может привести к нарушению функционирования или к выходу из строя всего КА. С учетом высокой стоимости КА к надежности и характеристикам системы обеспечения теплового режима (СОТР) предъявляются повышенные требования.
Поддержание требуемого теплового режима обеспечивается организацией как внешнего теплообмена КА с внешней средой, так и внутреннего теплообмена и распределения тепловой энергии между элементами и конструкцией КА. Однако тепловое поле КА определяется не только специально организованными тепловыми связями, но и теплофизическими свойствами всех конструктивных элементов, образующих КА. Тепловой режим КА будет определяться не только СОТР, но и всеми его составными элементами: внешним оборудованием, корпусом, несущей рамой, агрегатами и приборами. В связи с этим актуальной является разработка новых
113
