CC BY
13
УДК 621.883
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-249-255
ПРИНЦИП РАБОТЫ УСКОРИТЕЛЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ
СТЕРЖНЕЙ ПОД ВОДОЙ
И.В. Сидоров, Н.Е. Стариков
Рассмотрена возможность применения электромагнитного устройства, работающего по принципу Гаусса, для разгона стержней под водой, с целью получения рекомендаций для создания специальных патронов и оружия к ним с эффективной дальностью и поражающим эффектом выстрела. Описана схема и ТТХ экспериментальной установки для стрельбы под водой.
Ключевые слова: электромагнитное устройство, стержень, эффективная дальность, поражающий эффект выстрела, экспериментальная установка.
Для получения начальной (дозвуковой) скорости 200 м/с, имеется прототип электромагнитной пушки, работающей автономно. Принципиальная блок-схема разгонного устройства представлена на рис. 1.
1. Разгонный блок (катушка индуктивности или соленоид). Состоит из чистой меди, диаметр провода от 6 мм и намотанного в несколько слоев на тонкую диэлектрическую прочную трубку.
2. Ствол, находящийся внутри разгонного блока и выполняющий функцию направляющей для метаемого стержня.
3. Блок электролитических высокоемких конденсаторов (ионисторов) 2,5В;
3000Ф.
4. Медные шины, соединяющие блоки конденсаторов согласно их полярности. Конденсаторы соединены параллельно и притянуты толстыми болтами к медным шинам для получения максимальной передачи электрической энергии. Важно, что сечение шины подбирается эмпирическим путем. Необходимо выполнить условия, чтобы ток беспрепятственно и эффективно передавался на разгонный блок.
5. Индикатор заряда конденсаторов.
6. Аккумулятор от автомобиля на 12 В и зарядное устройство к нему, возможно использование более эффективных высокотоковых LiPo аккумуляторов.
7. Вольтметр для определения напряжения на аккумуляторе.
8. Ключ сброса заряда накопленной энергии на катушку индуктивности.
9. Мощное понижающее устройство для получения 2,5 В.
10. Устройство коммутирования кратковременного импульса, основанное на ЮВТ транзисторах [1].
Расчет мощности ускорителя. Основными расчетными формулами для грубой оценки мощности электромагнитной пушки служит энергия заряженного конденсатора, определяемая по формуле:
си
2
Е=~Т , 0)
где С - емкость конденсатора, и - напряжение на конденсаторе [2]. Значение кинетической энергии:
МУ2
Е=^т , (2)
где М - масса стержня, V - скорость.
Для функционирования разработанного ранее гидростенда достаточно 200 м/с, это означает, что конденсаторов с указанной емкостью и напряжением потребуется 8 штук. Количество конденсаторов определено таким образом, чтобы компенсировать потери энергии в процессе коммутирования. При увеличении массы метаемого тела
(стержня) число конденсаторов можно увеличить, сделать это не сложно, поскольку конструкция ускорителя позволяет это осуществить. В процессе проведения эксперимента массу стержня необходимо увеличить до 22 г (масса пули подводного автомата АПС 20,2-20,7 г). В результате расчетов были получены приблизительные ТТХ ускорителя, считая, что его КПД равен1%: Vполное = 394,36 м/с; (это предварительное значение взятое с большим запасом, оно будет снижено до 200 м/с), тпули = 9 г, С = 3000 Ф, и = 2,5 В, Е одного заряженного конденсатора = 9375 Дж [1-2].
Заземление
7. Вольтметр
9. Понижающее устройство 2.5 В
Рис. 1. Принципиальная схема
Хс
Хс=К
с'
Закон Ома для участка цепи с конденсатором определяется:
(3)
(4)
Р = и х I, (5)
где I - сила тока в цепи; и - напряжение в цепи; Хс - емкостное сопротивление конденсатора; Р - мощность при разряде конденсатора.
Подставив имеющиеся характеристики получаем, что: Хс = 0,0003 Ом, I конденсатора при разряде = 8333 А, Р = 20 832 Вт. Зная силу тока, мы сможем подобрать элементную базу для будущей коммутационной схемы и подобрать сечение провода для соленоида.
Оценка мощности соленоида. Катушка индуктивности - это один из главных компонентов системы электромагнитного ускорителя. От работы и мощности этого элемента зависит эффективность выстрела. В нашем случае оценочный расчет будет производиться для одноступенчатой системы. Проектирование катушки начинается с выбора габаритных размеров, а именно длины. Важно, чтобы тело (стержень) полностью в ней помещалось. Была взята штатная пуля от подводного автомата АПС калибр 5,66 мм (рис. 2), ее длина составляет 115 мм. В последующих испытаниях на гидростенде планируется использовать более короткие пули той же геометрии L=50 мм и L=30 мм для получения статистических данных оценки устойчивости в воде. Подводный стержень по своим массогабаритным характеристикам является копией пули от автомата АПС.
Рис. 2. Подводный стержень
В итоге, были получены следующие габаритные размеры соленоида (рис.3). Исходя из оценочного расчета, предпочтительно использовать провод достаточно толстого сечения. Во время работы устройства соленоид будет нагреваться, так как через него проходят большие токи. Для исключения выхода из строя соленоида будут использованы полевые транзисторы с драйвером быстрого открытия затвора для получения максимально короткого импульса тока и сброса его с конденсаторов на катушку.
Рис. 3. Расчетная схема многослойной катушки индуктивности
Для максимально эффективной работы необходимо подобрать провод для намотки соленоида. Провод должен быть не меньше 3,5 мм в сечении медной жилы. В будущем планируется использовать несколько видов соленоидов разного диаметра сечения и разных габаритных размеров. Для подбора сечения провода необходимо знать силу тока, которую может выдать сборка конденсаторов и продолжительность жизни провода под нагрузкой в течении 1 сек. (табл. 1).
Таблица 1
(AWG) American Wire Gauge- является стандартом США на размер проводника
AWG Сечение медной жилы, Сопротивление Ток плавления проводника при силе
№ проводника мм2 проводника, мОм/м тока в А за 1 сек.
6 13,9 1,296 3,8 кА
7 10,5 1,634 3 кА
8 8,37 2,061 2,4 кА
9 6,63 2,599 1,9 кА
10 5,26 3,277 1,5 кА
11 4,17 4,132 955 кА
12 3,31 5,211 955 А
13 2,62 6,571 758 А
14 2,08 8,286 601 А
15 1,65 10,45 477 А
16 1,3 13,17 377 А
17 1,04 16,61 300 А
18 0,823 20,95 273 А
(AWG) American Wire Gauge- является стандартом США на размер проводника. Стандарт AWG включает медь, алюминий и другие проволочные материалы. Типичная бытовая медная проволока - это калибр AWG 12 или 14. Чем больше номер калибра, тем меньше его диаметр и тоньше провод.
В качестве входных данных принимаем следующие характеристики согласно схемы на (рис.3): L=120 мм (берем запас на погрешность выхода за габариты конструкции моточного провода), D = 11 мм (внешний диаметр будущего ствола), калибр ствола
= 5,66 мм, d = 3,5 мм, к = 5,3 мм, с = 15,9 мм, толщина изоляционного провода = 0,8 мм. Необходимо рассчитать индуктивность L по следующим формулам:
L = Ф х I, (6)
(7)
L = N2x/j. х S/Lc (8)
где Ф - магнитный поток; I - ток; W- число витков; i - ток в катушке; S - площадь сечения проводника; ц - магнитная проницаемость материала; L^ длина соленоида; N -число витков [1].
Расчет, выполненный в программе «Coil 32» с применением известных физических формул для расчета многослойного соленоида дал следующие результаты: число витков катушки N=154, толщина катушки с = 37,1 мм, размеры катушки: 120 х 86 мм, сопротивление катушки = 0,042 Ом, длина провода без учета концов Lw = 23,3 м, вес провода m = 2006 г, число слоев NL = 7.
Преимущества стрельбы в водес помощью электромагнитного ускорителя. Ранее проведенные исследования[3-8] позволили определить основные недостатки при стрельбе из порохового оружия в ходе подводных испытаний:
1. Возникновение воздушного пузыря как демаскирующего эффекта при выполнении боевых заданий.
2. Заполнение водой ствола с последующим возникновением капиллярного эффекта (ствол заполняется водой не полностью, возникают маленькие пустоты, наполненные воздухом, что ведет к неравномерному движению пули по каналу ствола).
3. Влияние пороховых газов, вырывающихся из ствола в след за пулей и, как следствие, нарушение ее устойчивости в воде [9].
На кадрах видео (рис.4) показано образование каверны, которое происходит на первой секунде. Пороховые газы не вырываются вслед за каверной, данное явление происходит по времени позже. Пороховые газы вырываются сразу (рис.5) и заполняют весь кадр видео. Равномерная каверна образуется не сразу, а после образования столба газов под водой, дальше по направлению движения пороховых газов, что существенно влияет на стабилизацию пули в воде. При стрельбе с использованием принципа электромагнитной индукции высокой мощности, процесс возникновения каверны происходит с минимальными возмущениями из-за отсутствия пороховых газов в период последействия.
Рис. 4. Первый выстрел на 1 секунде
Рис. 5. Второй выстрел на 1 секунде
252
Согласно полученной скорости, можно предположить, что ускоритель сможет обеспечить пробитие 1 и 2 класса бронежилетов (табл. 2). Для такого устройства это далеко не предел, в зависимости от закладываемой мощности скорость можно менять и теоретически пробивать класс бронезащиты с 1-го по 6-ой [10].
Таблица 2
Классы защищенности по скорости и пробитию из разных видов оружия [11]
Вид оружия Класс защиты Тип пули Масса пули, г Скорость пули, м Расстояние, м Бронежилеты
1 Револьвер «Наган», Пистолет Макарова (ПМ) 9-мм сталь в оболочке; 7,62-мм свинцовая в оболочке 6,8 5,9 265-285 300-325 5 Комфорт 1-1 форма УНИ
2 Пистолет ПСМ, Пистолет Токарева (ТТ) 5,45-мм сталь в оболочке 7,62-мм сталь в оболочке 2,6 5,5 310-325 410-445 5 Комфорт 2У-2У Сфера-2 Комфорт 2-2 Форма УНИ
3 Автомат АК-74, Автомат АКМ 5,45-мм сталь в оболочке; 7,62-мм сталь в оболочке 3,4 7,9 870-890 710-730 5-10 Сфера-3 «Бронежилет «Модуль-3М 310-2-к» «Страж 3-3»
4 Автомат АК-74 5,45-мм термоупрочнен-ная сталь в оболочке 3,4 870-890 5-10 Сфера-4 «Шилд 4У-4У» «Шилд 4-4 УНИ»
5 Автомат АКМ 7,62-мм термоупроч-нен-ная сталь в оболочке 7,9 710-730 5-10 Сфера-5 Шилд 5У-5У Страж 5-5 Эконом УНИ
5а Автомат АКМ 7,62-мм бронебойная пуля 7,4 720-750 5-10 Бронежилет «Авангард» Стальной термо-упрочненный
6 Винтовка СВД 7,62-мм термоупрочнен-ная сталь в оболочке 9,6 820-840 5-10 Бронежилет 6Б45
6а Винтовка СВД 7,62-мм бронебойная пуля 10,4 800-835 5-10 Шилд 6А УНИ Шилд 6А УНИ «Штурмовой»
Таким образом, в качестве дальнейших задач исследования можно считать следующие:
1. Испытания ускорителя с получением пробития материалов разной плотности и твердости.
2. Применение современной элементной базы для конструирования ускорителя, исходя из вышеуказанных расчетов и требований к пробитию классов брони.
3.Более подробный анализ и проведение расчетов, исходя из проведенных испытаний.
Список литературы
1. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM: Учебное пособие для вузов. М.: Акаде-мия,2005. 191 с.
2. Замятин В.Я., Кондратьев Б.В., Петухов В.М. Мощные полупроводниковые приборы: справочник. М.: Радио и связь, 1988. 336 с.
3. Стариков Н.Е., Селифонтов Д.О., Танаев В.П., Танаев А.В. Методический подход к проблеме выбора ударника для обеспечения максимального пробития // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2021. Вып. 11. С. 250-253.
4. Стариков Н.Е., Игнатов А.В., Пятницкий Я.С. и др. К вопросу количественной оценки направлений совершенствования кинетических ударников // «Системы ВТО. Создание применение и перспективы». №1 (33) 2022. С. 83-87.
5. Стариков Н.Е., Данилов Ю.С., Горохов Д.В., Абрамов Н.А. Газодинамическое влияние пороховых газов на пулю в полости дульного устройства // Научно-технический сборник. Средства и методы аварийно-спасательных работ, подводных технологий, физической и специальной подготовки военнослужащих. Ломоносов: НИИ спасения и подводных технологий ВУНЦ ВФМ «Военно-морская академия». 2012. Вып. 30. С. 188-193.
6. Стариков Н.Е., Борисова А.Ю., Новосельцев О.В. Расчет элементов подкали-берных пуль на прочность // Научно-технический сборник. Средства и методы аварийно-спасательных работ, подводных технологий, физической и специальной подготовки военнослужащих. Ломоносов: НИИ спасения и подводных технологий ВУНЦ ВФМ «Военно-морская академия». 2012. Вып. 31. С. 63-67.
7. Стариков Н.Е., Вязников А.Ю., Борисова А.Ю. Требования к подводным стрелковым комплексам и их роль в оценке уровня боеспособности изделий // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 12. Часть 1. 2014. С. 45-50.
8. Стариков Н.Е., Вязников А.Ю., Борисова А.Ю. Формализация постановки задачи структурного и параметрического синтеза двухсредного стрелкового оружия / Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 12. Часть 1. С.101-109.
9. Платонов Ю.П. Термогазодинамика автоматического оружия. М.: Машиностроение, 2009. 356 с.
10. Власов В.А., Володин Ю.Б., Грязев М.В., Патрикова Е.Н., Пустовой А.И. Конструкции оружия и систем вооружения: учебник. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 468 с.
11. Классы бронежилетов. Выбор бронежилета. [Элекктронный ресурс] URL: https://pro-spec.ru/poleznaya-informaciya/115-klassy-bronezhiletov-vybor-bronezhileta (дата обращения: 10.02.2022).
Сидоров Илья Валерьевич, аспирант, starikov_taii@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, профессор, starikov_taii@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
OPERATING PRINCIPLE OF ACCELERATOR FOR STUDYING THE BEHAVIOR OF RODS UNDERWATER
I.V. Sidorov, N.E. Starikov
The possibility of using an electromagnetic device operating according to the Gauss principle for dispersing rods under water is considered in order to obtain recommendations for the creation of special cartridges and weapons for them with an effective range and a striking effect of a shot. The scheme and performance characteristics of an experimental installation for firing under water are described.
Key words: electromagnetic device, rod, effective range, striking effect of a shot, experimental installation.
Sidorov Ilya Valerievich, postgraduate, starikov_taii@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Starikov Nikolai Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, starikov_taii@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
