CC BY
445
ВОЕННО-СПЕЦИАЛЬНЫЕ НА УКИ
УДК 623.526
ОЦЕНКА ИЗНОСА АРТИЛЛЕРИЙСКИХ СТВОЛОВ
A.M. Пушкарев, A.A. Вершинин, И.Г. Вольф
Рассматривается вопрос оценки состояния канала ствола артиллерийского оружия. Проанализированы основные факторы изменения работоспособности канала ствола при выстреле. Показано, что доминирующей причиной потери живучести стволов автоматического оружия является изменение температуры поверхностного слоя канат ствола при стрельбе. Проведены исследования оценки термоэрозионного износа артиллерийских стволов.
Ключевые слова: артиллерийский ствол, износ ствола, канал ствола, поверхностный слой, тепловое состояние.
В современном автоматическом артиллерийском оружии стрельба сопровождается интенсивным нагреванием внутренней поверхности ствола. Если при стрельбе будут достигнуты температуры, при которых в рабочем слое временное сопротивление материала ствола станет меньше предела временного сопротивления медного ведущего пояска, то начнется быстрое изнашивание ствола вследствие смятия полей нарезов [1, 2] по всей длине ствола. При таком износе, именуемом термопластическим (протекание процесса циклической ползучести), потеря живучести ствола в первую очередь будет обуславливать нестабилизированный полет снаряда, который не получит необходимой угловой скорости.
Анализ видов износа, присутствующих в стволах современном автоматическом артиллерийском оружии показал, что достижение ими предельного состояния обусловлено как протеканием процесса циклической ползучести (термопластическим износом), и, следовательно, недопустимым искажением исходной геометрии нарезов, так и развитием сетки тепловых усталостных трещин (термоэрозионный износ), нарушающих
сплошность поверхности канала ствола. Вид износа, зависит от ряда факторов, из которых решающее значение имеет температура поверхности канала ствола перед очередным выстрелом.
Термопластический износ характеризуется существованием критического режима стрельбы, то есть такого сочетания скорострельности и длины очереди (предельной), при которых живучесть ствола исчерпывается практически мгновенно за малое число выстрелов (в пределах одной очереди) [1].
Так как при критическом режиме ствол выходит из строя за одну очередь, что по условиям эксплуатации недопустимо, следовательно, задача изучения износа сводится к определению предельной длины очереди. Эта граница должна отражать, что превышение данного режима приведет к выходу ствола из строя и невозможности ведения эффективной стрельбы.
Однако необходимо помнить, что предельная длина очереди должна быть не меньше требуемой, которая определяется условиями эффективности боевого применения оружия.
Для автоматического артиллерийского оружия с напряженным режимом стрельбы важно определить условие, при котором интенсивный термопластический износ канала ствола будет практически отсутствовать. Такой режим стрельбы называется нормальным. Для нормальной очереди, так же важно знать границу (длину непрерывной очереди) превышение которой нецелесообразно, так как выход за эту границу приводит к резкому падению живучести ствола. Эта граница лежит на 30...45 % ниже границы предельного режима и определяется числом выстрелов из оружия к моменту, когда температура в поверхностном слое нареза, составляющем 20.30 % высоты профиля, достигает такой величины, при которой предельно допустимое напряжение смятия материала ствола равно давлению пояска [1]. В данном случае рассматривается сечение, находящееся на расстоянии 2 - 3 калибра от начала начальной части канала ствола.
Таким образом, для артиллерийского ствола практически важно определение зоны термопластического износа, при этом дальняя граница зоны определяет предельную длину очереди, при которой ствол выходит из строя за одну стрельбу, а ближняя граница определяет нормальную длину очереди, при которой явление термопластического износа практически не проявляется. Эти границы определяются совместным решением уравнения теплопроводности с учетом зависимости прочности материала ствола от уровня нагрева и зависимости, определяющей напряжения и деформации в нарезах при врезании ведущего пояска.
При термопластическом износе живучесть стволов автоматического артиллерийского оружия оценивают по овальности пробоин в щитах, установленных на расстоянии 200 м. Она не должна превышать 1,25 калибра.
243
При нормальных режимах стрельбы ствол будет считаться изношенным, если начальная скорость снаряда уменьшилась на 5-10 %. Процесс износа стволов в данном случае будет в сильной степени связан с «разгаром» ствола, который именуется термоэрозионным. Он происходит в определенной последовательности и сопровождается появлением сетки микротрещин, которые затем под действием потока горячего газа и ведущего пояска снаряда размываются в глубокие продольные канавки, после
чего следует выкрашивание полей нарезов и химическая эрозия металла ствола. Такой вид износа называется термоэрозионным.
Анализ данных позволил выявить три основных механизма эрозии орудийных стволов: механическая, термическая и химическая.
Механическая эрозия вызывает разрушение поверхностного слоя металла ствола под действием ударов твердых частиц, перемещающихся в газовом потоке и механического взаимодействия ведущих элементов снаряда о стенку канала ствола. Она играет основную роль в орудиях с низкой температурой газов и невысокой баллистикой.
Термическая эрозия представляет собой износ поверхности канала ствола под действием высоких температур.
Химическая эрозия - изменение структуры поверхности канала ствола в результате химического взаимодействия с компонентами газового потока, в основном СО, Н20, N2 и Н3, приводящее к диффузии углерода, азота, водорода и других газов вглубь металла или образованию низкотемпературных окислов. В результате такого взаимодействия изменяются теп-лофизические и прочностные характеристики металла, а также понижается температура плавления стали в поверхностном слое.
Поэтому, в настоящее время, сложность решения задач термоэрозионного износа усугубляется необходимостью дополнительного учета механической эрозии стенок при взаимодействии ведущих элементов снаряда и ствола, а также химических процессов взаимодействия пороховых газов с металлом ствола при высоких давлениях и температурах - химической эрозии. При этом термоэрозионный износ может быть представлен как
где Т1 - температура горения пороха; Е - энергия активного процесса износа; А, К1 и К2 - эмпирические коэффициенты; Т0, Тт - начальная и максимальная температура стенки, соответственно; А - теплопроводность металла стенки и порохового газа, соответственно; а - температуропроводность стенки; ¡и - вязкость газа; (Л - калибр; V- дульная скорость снаряда; со- вес порохового заряда; Ж- диаметральный износ канала ствола.
0)Ус12
(1)
Полуэмпирическая зависимость термоэрозионного износа общего вида (1) связывает значение диаметрального износа со значением критической температуры, начальным температурным состоянием ствола к очередному выстрелу, теплопроводностью металла, температурой горения пороха, калибром и дульной скоростью снаряда.
Формулы (1) справедливы для любого сечения по длине канала ствола в диапазоне температур Ткр £ Т £ Тт. Критическое значение температуры Ткр для орудийных сталей рекомендуется принимать выше 850 К.
Анализ расчетов показывает, что термоэрозионный износ канала ствола по его длине носит неравномерный характер: сначала он возрастает до максимального значения (точке максимума примерно соответствует координата 3 - 4 калибра от начала калиберной части), а затем постепенно падает до нуля (этой точке соответствует координата от начала калиберной части, равная 10 - 15 калибрам). Скорость износа стенки канала ствола носит более сложный характер, особенно в диапазоне от начала калиберной части до расположения точки максимального износа, и зависит от времени вскрытия сечений для нагрева газовым потоком при прохождении их дном снаряда и локальных значений мгновенных значений коэффициентов теплоотдачи и температурного фактора.
Характерной особенностью рассмотренной модели термоэрозионного износа является постоянство температуры поверхности канала, при которой начинается износ, а также наличие износа канала с первого же выстрела.
Таким образом, анализируя вышесказанное, можно выделить следующие основные виды износа ствола современного автоматического артиллерийского оружия.
1. Термоэрозионный износ. При резком нагреве в процессе выстрела и последующем быстром охлаждении на поверхности канала образуются мелкие трещины, которые в результате последующего теплового, химического действия газов разгораются. Исследования [3] показывают, что наибольший термоэрозионный износ наблюдается в этом случае в казенной части на участке 0,1 - 0,25 длины нарезной части. В этом случае именно термоэрозионный износ начального участка ствола приводит к потере начальной скорости снаряда. Для оружия, использующего часть газов, отводимых из ствола для работы автоматики, живучесть может быть потеряна за счет износа газоотводных отверстий, так как это приводит к нарушению работы автоматики пушки или выходу из строя ствола. Износ газоотводного отверстия имеет чисто термоэрозионный характер.
2. Термопластический износ. При интенсивном разогреве ствола и напряженном режиме стрельбы материала ствола на глубине 1 - 1,5 толщины нареза теряет свои прочностные свойства. В результате врезания или давления медного ведущего пояска на боевую грань происходит смятие полей нарезов. Термопластический износ характеризуется срывом снаряда
с нарезов и нарушения правильного стабилизированного полета снаряда. При термопластическом износе быстрее всего изнашивается начальный участок ствола участок вблизи дула. В начале нарезов снаряд имеет максимальное ускорение, связанное с максимальным воздействием на боевые грани нарезов, а давление и температура в этот момент достигают максимума. Износ ствола в дульной части связан с высокой скоростью движения и возникновением колебаний снаряда.
3. Совместный термопластический и термоэрозионный износ. В автоматическом оружии в зависимости от темпа и длины очереди может существовать зона между термоэрозионным и термопластическим износом, в которой наблюдается одновременно оба износа. Критерием перехода принимается температура 800 К. В зависимости от режима стрельбы и баллистических характеристик в этой зоне может преобладать один или другой вид износа ствола.
Исходя из приведенного анализа механизмов износа стволов автоматического оружия, очевидно, что для конкретного комплекса «пушка-патрон-снаряд» количественные и качественные показатели износа зависят от температурного поля ствола, которое в свою очередь определяется режимом стрельбы, то есть длиной очереди, темпом стрельбы перерывом между очередями.
Влияние длины очереди на температурное поле ствола заключается в следующем. С ростом числа выстрелов непременно растет и нагрев ствола. В начальный период стрельбы температура растет интенсивно, затем интенсивность нарастания температуры уменьшается, так как с ростом температуры внутренней поверхности, во-первых, уменьшается общее количество тепла, передаваемое газами стволу, во-вторых, за счет увеличения температурного градиента по стенке ствола увеличивается количество тепла уходящего в глубь стенки. В свою очередь, по мере роста темпа стрельбы происходит интенсивный разогрев, и, прежде всего рабочей зоны нарезов, за счет того, что время стрельбы сокращается, и тепло не успевает распространиться на всю толщину стенки ствола, сосредотачиваясь в тонком внутреннем слое. Однако за счет роста температуры внутреннего слоя общее количество тепла, поступающего в стенку, уменьшается, и температура стенки стремится к предельному значению. Следовательно, при определенной скорострельности возможен термопластический износ, что накладывает значительные ограничения на нормальную длину очереди.
В качестве критерия для оценки ограничения режима стрельбы по ресурсу ствола предлагается принять температуру поверхностного слоя на глубине около 0,2 мм, которая не должна превышать величины, соответствующей режиму стрельбы с максимальной скорострельностью, при котором обеспечивается требуемая живучесть ствола.
246
На основании вышеизложенного можно с большой достоверностью сделать вывод, что при заданных длительностях очередей и перерывах между ними заданный ресурс можно обеспечить, варьируя скорострельностью при соблюдении условия эквивалентности создаваемых тепловых нагрузок (температуры).
Таким образом, на основании проведенного анализа факторов, влияющих на износ ствола, установлено, что для определенного комплекса «пушка-патрон-снаряд» при термопластическом и эрозионном износе живучесть ствола в основном определяется уровнем нагрева при стрельбе.
Список литературы
1. А.Г. Шипунов [и др.] Математическая модель термопластического износа стволов // Оборонная техника. 1981. № 9.
2. Шипунов А.Г., Швыкин Ю.С. Живучесть стволов скорострельных пушек и способы ее обеспечения. М.: Машиностроение, 1977.
3. Чернов Д.К. О выгорании каналов в стальных орудиях // Артиллерийский журнал. 1912. № 12.
Пушкарев Александр Михайлович, канд. техн. наук, проф., [email protected], Россия, Пермь, Пермский военный институт внутренних войск МВД России,
Вершинин Алексей Аркадьевич, доц., [email protected], Россия, Пермь, Пермский военный институт внутренних войск МВД России,
Вольф Илья Григорьевич, канд. техн. наук, доц., нач. кафедры, ilvolf@yandex. ru, Россия, Пермь, Пермский военный институт внутренних войск МВД России
ESTIMA TION OF ARTILLERY BARREL WEAR A.M. Pushkaryov, A.А. Vershinin, I.G. Volf
The paper estimates the bore state of an artillery gun. It analyzes the main factors leading to changes on the working of a bore during firing. It is noted that the main reason for barrel degradation of automatic weapon is temperature variation in the surface layer of the channel while shooting. Investigations were estimation of the thermal erosion degradation of artillery barrels.
Key words: artillery barrel, barrel degradation, a bore, upper layer, heat state.
Pushkaryov Aleksander Mikhailovich, candidate of technical sciences, professor, versh-aleksei2@yandex. ru, Russia, Perm, Perm Military Institute of the Interior Army for Home Affairs Department,
Vershinin Aleksey Arkadyevich, docent, [email protected], Russia, Perm, Perm Military Institute of the Interior Army for Home Affairs Department,
Volf Ilya Grigorievich, candidate of technical sciences, docent, ilvolfayandex. ru, Russia, Perm, Perm Military Institute of the Interior Army for Home Affairs Department
УДК 681.51
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАВЕДЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО
ОБЪЕКТА СО СВЯЗАННЫМ КООРДИНАТОРОМ ЦЕЛИ
Д.В. Косолобов
Рассмотрены особенности наведения динамического объекта со связанным координатором цели. Представлена комплексная математическая модель, учитывающая специфику системы коррекции. Рассмотрен метод фильтрации входного сигнала, поступающего на координатор цели.
Ключевые слова: система коррекции, координатор цели, математическая модель.
В настоящее время при разработке высокотехнологичных комплексов и систем все чаще предъявляются требования к снижению стоимости изделия, которое возможно при понижении его конструктивной сложности. В случаях разработки систем управления динамическими объектами возникает задача разработки методов коррекции полета с учетом ограничений на сложность используемой элементной базы [1].
В работе исследуется динамический объект с установленной система коррекции траектории. В состав системы входят безгироскопный полуактивный лазерный координатор цели (КЦ), жестко связанный с корпусом объекта, одноканальный трехпозиционный релейный аэродинамический рулевой привод и бортовая электронная аппаратура.
КЦ имеет конструктивную схему с секционированным фотоприемником, аналогичную серийно выпускаемым моделям, однако с допущением, что контактные площадки обеспечивают непрерывное измерение сигнала по всему радиусу, как показано на рисунке. Кроме того предполагается, что оптическая подсистема КЦ сформирована таким образом, что отраженный лазерный луч, попадающий на чувствительные элементы, является точечным.
