CC BY
58
УДК 623.5
РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАДИОПРОЗРАЧНЫХ БОЕПРИПАСОВ
Ярослав Васильевич Тюрин
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Нижнетагильский технологический институт (филиал), 622000, Россия, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59, студент кафедры специальное машиностроение, тел. (922)173-10-43, e-mail: [email protected]
Евгений Александрович Хмельников
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Нижнетагильский технологический институт (филиал), 622000, Россия, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59, доктор технических наук, зав. кафедрой специального машиностроения, тел. (922)220-20-46, e-mail: [email protected]
Татьяна Евгеньевна Заводова
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Нижнетагильский технологический институт (филиал), 622000, Россия, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59, аспирант, зав. лабораторией кафедры специального машиностроения, тел. (922)115-93-08, e-mail: [email protected]
Константин Владимирович Смагин
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Нижнетагильский технологический институт (филиал), 622000, Россия, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59, ассистент кафедры специального машиностроения, тел. (950)197-75-13, e-mail: [email protected]
Софья Федоровна Дубинина
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Нижнетагильский технологический институт (филиал), 622000, Россия, г. Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59, тел. (922)604-06-33, e-mail: [email protected]
Марина Юрьевна Семашко
Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), 454080, Россия, г. Челябинск, ул. Ленина, 76, директор НОЦ аэрокосмические технологии, тел. (351) 267-99-00, e-mail: [email protected]
Разработан и проанализирован ряд вариантов конструкций радиопрозрачных боеприпасов (БП) с заменой материалов корпуса на композитные материалы. Проанализированы прочностные характеристики радиопрозрачных боеприпасов на основе решения задач внутренней и внешней баллистики в двумерной и пространственной постановке.
Ключевые слова: радиопрозрачные боеприпасы, композитные материалы.
DEVELOPMENT OF ADVANCED DESIGNS OF RADIO TRANSPARENT AMMUNITION
Yaroslav V. Tyurin
Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin, Nizhny Tagil technological Institute (branch), 59, Krasnogvardeyskaya St., Nizhny Tagil, 622000, Russia, Student, Department of Special engineering, phone: (922)173-10-43, e-mail: [email protected]
Evgeny A. Khmelnikov
Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin, Nizhny Tagil technological Institute (branch), 59, Krasnogvardeyskaya St., Nizhny Tagil, 622000, Russia, D. Sc., Head of Department of Special Engineering, phone: (922)220-20-46, e-mail: [email protected]
Tatiana E. Zavodova
Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin, Nizhny Tagil technological Institute (branch), 59, Krasnogvardeyskaya St., Nizhny Tagil, 622000, Russia, Ph. D. Student, Head of Laboratory of Department of Special Engineering, phone: (922)115-93-08, e-mail: [email protected]
Konstantin V. Smagin
Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin, Nizhny Tagil technological Institute (branch), 59, Krasnogvardeyskaya St., Nizhny Tagil, 622000, Russia, Assistant, Department of Special Engineering, phone: (950)197-75-13, e-mail: [email protected]
Sofia F. Dubinina
Ural Federal University named after first President of Russia B. N. Yeltsin, Nizhny Tagil technological Institute (branch), 59, Krasnogvardeyskaya St., Nizhny Tagil, 622000, Russia, phone: (922)604-06-33, e-mail: [email protected]
Maria Yu. Semashko
South Ural State University, 76, Lenina St., Chelyabinsk, 454080, Russia, Director of the Scientific and Educational Center of Aerospace Technologies, phone: (351)267-99-00, e-mail: [email protected]
A number of variants of designs of radio-transparent ammunition were developed and analyzed with replacement of the shell materials with composite materials. Strength characteristics of radio-transparent ammunition are analyzed by setting up two-dimensional and three-dimensional problems of internal and external ballistics.
Key words: radio-transparent ammunition, polymeric materials.
Обеспечение военной безопасности всегда было и остается важной задачей любого государства. Ее решение в современных условиях все больше зависит от научно-технического уровня и качества вооружений, требует непрерывного совершенствования техники и технологии. Открытия и технологические прорывы, совершенные в военно-технической отрасли, привели к созданию самых разнообразных видов вооружения, средств поражения и защиты, как для вооруженных сил, так и для других силовых структур.
Рассмотрим подробнее одну из систем активной защиты Iron Curtain (Железный занавес) - система активной защиты (APS), на основе - взрывчатого реакционного материала направленного действия (Dense Inert Metal Explosive DIME), содержащего вольфрамовые частицы, имеющего относительно небольшой, но эффективный радиус взрыва (рис. 1). Система защиты, состоит из модулей, разнесенных вокруг машины, каждый модуль имеет собственную радиолокационную станцию (РЛС) обнаружения и устройства взрывного противодействия, способных противостоять многим из наиболее сложных угроз бронированной машине.
Рис. 1. Система активной защиты Iron Curtain
Согласно анализа современных средств защиты, было выявлено, что существующие боеприпасы, на данный момент никак не защищены от комплексов РЛС. С целью защиты от комплексов РЛС контрбатарейной борьбы ведутся исследования, направленные на создание и оценку конструкций радиопрозрачных боеприпасов нового поколения, содержащих готовые поражающие элементы (ГПЭ).
При разработке требований к конструкции боеприпаса следует понимать, что его корпус, поражающие элементы и взрывчатое вещество должны обладать максимальными радиопрозрачными свойствами. Для обеспечения радиопрозрачности боеприпасов необходимо использование композиционных материалов. Подходящие композиционные материалы: базальтовое волокно, стекловолокно, углеродное волокно. Исходя из анализа трех видов композиционных материалов (табл. 1), лучшим по качествам является базальтовое волокно, так как оно имеет наибольшую температуру плавления и прочность. Так же производство базальтового непрерывного волокна значительно дешевле других рассматриваемых материалов.
Таблица 1
Сравнительная характеристика волокон
Характеристики Углеволокно Стекловолокно БНВ
Предел прочности при растяжении, ГПа 3,5 4,6 5,5
Модуль упругости при растяжении, ГПа 400 86 200
Плотность, 103кг/м3 1,9 2,5 2,66
Температуростойкость, оС 600-700 500 800
«Южно-Уральским государственным университетом» был предложен вариант конструкции БП. Конструкция состоит из корпуса, изготовленного из стекловолокна или базальтового непрерывного волокна или углеволокна.
В корпус вкладывается рубашка, состоящая из шариков, изготовленных из алюмооксидной нанокерамики с наполнением компаундной смолы и стандартного взрывателя, выполненного в металлической оболочке.
Анализ положения ЦМ такой конструкции показывает его смещение в сторону ГЧ за счет наличия в ней взрывателя в металлической оболочке, что может существенно повлиять на стабилизацию снаряда на полете. Поэтому в качестве первого шага модернизации, разработанной конструкции было предложено применить радиовзрыватель модернизованной конструкции, с заменой металлического корпуса на пластиковый. Но при этом все его элементы разместить в пластиковом корпусе. В этом случае, расстояние между ЦМ и ЦД увеличится, ЦМ сместится ближе к зоне ВП, что должно сказаться на улучшении стабилизации подобного БП (рис. 2).
Рис. 2. Конструкция радиопрозрачного боеприпаса до и после замены взрывателя
У предложенной первоначально конструкции радиопрозрачного БП есть ряд недостатков:
1) Отсутствие ведущего устройства, необходимого для нарезной системы;
2) Невозможность унитарного заряжания, характерного для конструкций выстрелов малых калибров.
Следующим этапом работы была проведена разработка конструкций БП в полимерном корпусе, на основе штатных 57-мм снарядов. Толщина стенок корпуса выбиралась при эскизном проектировании ориентировочно, так как нужно сохранить возможность размещения в корпусе готовых поражающих элементов, залитых в компаунде. Наличие в конструкции внутренней осколочной ру-
башки способствует повышению прочности корпуса, испытывающего нагрузки, возникающие при движении боеприпаса по каналу ствола. При этом необходимо сохранить могущество боеприпаса для получения заданного поражающего осколочного действия.
В качестве рассматриваемых расчетных моделей был предложен ряд вариантов:
Первый вариант: классическая компоновка с утолщённым дном, ГПЭ и ведущим устройством из материала корпуса (рис. 3, а).
Второй вариант: отличается от предыдущего лишь гребенчатой формой ведущего устройства (рис. 3, б).
Третий вариант: предложена конструкция с запрессованным ведущим пояском из поликарбоната. Отличается от 1 и 2 вариантов более толстым дном, во избежание разрушения корпуса под ведущим устройством (рис. 3, в).
Четвёртый вариант: ведущее устройство гребенчатой формы выполнено в виде лейнера по всему корпусу (рис. 3, г).
а} б) в) г)
Рис. 3. Предлагаемые варианты конструкций радиопрозрачного боеприпаса
Поскольку в процессе проектирования был существенно изменен вес и конструкция БП, необходимо провести расчеты внутренней баллистики для предлагаемых вариантов конструкций радиопрозрачного БП. Основная задача, которая решалась на этом этапе - подбор навески пороха для получения заданной дульной скорости. Предварительный расчет внутрибаллистических характеристик на основе термодинамического подхода проводился в программе 07УБ разработанной на кафедре Специального машиностроения (СМ). Результаты расчетов для некоторых видов порохов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчетов внутрибаллистических характеристик
Порох Масса пороха, кг Скорость, м/с Давление, кгс/см2
0,6 1027,9 2097
СФ033 0,7 1119,2 2681,9
0,8 1205,1 3340,8
0,6 1032 2501,9
ВТ 0,7 1119,4 3206,8
0,8 1201,5 4012,1
0,4 773 745,9
0,5 886,6 1181,9
4/1 0,6 987,8 1721,5
0,7 1080,4 2349,8
0,8 1166,6 3073,9
0,4 801,6 1002,8
0,5 910,5 1519,3
5/1 0,6 1008 2117
0,7 1108,1 3211,2
0,8 1182,7 3578,9
Предварительный результат расчета, представленный в таблице 2 показывает, что из ряда рассмотренных порохов могут подойти:
СФ033 навеской 600 грамм;
ВТ навеской 600 грамм;
4/1 навеской 600 грамм;
5/1 навеской 500 и 600 грамм.
Но для более глубокого понимания процесса развития давления в засна-рядном пространстве был проведен расчет с более современным газодинамическим подходом к решению основной задачи внутренней баллистики. Результаты расчетов представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчета внутрибаллистических характеристик для пороха марки 6/7
Порох: 6/7 гр.
Навеска, гр. Скорость, м/с Давление на пике, МПа
400 1000 380
500 1198 400
600 1258 418
700 1521 437
Результаты расчета показывают, что порох навесками 500, 600, 700 грамм, не удовлетворяют требования артиллерийской системы по максимальному давлению в канале ствола. Полученные данные из расчета кривых давления давления были заложены в программу «Прочность», разработанную на кафедре СМ на основе уравнений механики сплошных сред.
Анализ напряженного деформированного состояния корпуса предложенного «Южно-Уральским государственным университетом» конструкции показывает, что в результате воздействия давления, максимальные напряжения возникающие в хвостовой части превышают предел текучести материала корпуса, и приводят к разрушению по тарированному сечению (рис. 4).
г
I
к.................................................................шаг
■Ч } гт—а • л - - л - ...........— ............■! 1мЛ-—гг-т-1-.-1-I-1-.-.-■
Рис. 4. Расчет прочности конструкции БП, предложенной «Южно-Уральским государственным университетом»:
а) разбиение на ячейки пространственной сетки; б) габаритные размеры БП; в) напряжения серединной поверхности; г) sz - осевые напряжения (красная лини), sr - радиальные напряжения (зелёная линия), st - тангенциальные напряжения (синяя пунктирная линия), srz - сдвиговые напряжения (фиолетовая штрих пунктирная линия); д) график интенсивности напряжений для всего боеприпаса
Также в программе «Прочность» были рассчитаны прочностные характеристики четырех предлагаемых конструкций боеприпаса на основе кривых давлений, полученных при расчете внутрибаллистических характеристик, для навесок пороха 5/1 массой 500 грамм. По результатам расчета было установлено, что второй и четвертый вариант конструкции не выдерживают максимальных давлений, что приводит к разрушению ВУ и донной части боеприпасов, а первый и третий варианты конструкции удовлетворяют требованиям прочности -правильно формируются нарезы, напряжения не достигают пределов текучести, за исключением отдельных мест в зоне окончания ВУ. Однако величина этих, напряжений не приводит к существенным пластическим деформациям запоя-сковой части (рис. 5).
Рис. 5. Расчет прочности конструкции БП:
а) габаритные размеры БП; б) график интенсивности напряжений для всего боеприпаса; в) напряжения серединной поверхности; г) - осевые напряжения (красная лини), 8Г - радиальные напряжения (зелёная линия), -тангенциальные напряжения (синяя пунктирная линия), - сдвиговые напряжения (фиолетовая штрих пунктирная линия).
Следующей задачей, которую необходимо решить на этапе проектирования - оценить устойчивость поведения снаряда на траектории. Для варианта конструкции «Южно-Уральского государственного университета» был проведен расчет внешнебаллистических характеристик для двух крайних случаев, когда коэффициент деривации минимален (0,1): радиопрозрачный БП на дальности 3 000 метров принимает боковое отклонение больше 50 метров (рис. 5); и когда коэффициент деривации максимален (1): БП достигая максимальной высоты получает критический режим полета штопор, снижается по крутой нисходящей спирали с одновременным вращением относительно всех трех его осей (рис. 6).
Скорость, бремя Бокобое отклонение. Время
д
" \ э ||
Вольность, бремя Высота дальность
Ш^ГТ:
Высота бремя Бокобое отклонение, дальность
Рис. 5. Решение задачи внешней баллистики для коэффициента деривации 0,1
Рис. 6. Решение задачи внешней баллистики для коэффициента деривации 1
Для первого варианта конструкции предлагаемого БП также был проведен расчет внешнебаллистических характеристик. На дальности 4 000 метров будет иметь боковое отклонение 1,5 метром, а при предполагаемой прицельной дальности 6000 метров снаряд имеет боковое отклонение не более 4 метров (рис. 7).
Рис. 7. Расчет внешнебаллистических характеристик первого варианта конструкции предлагаемого радиопрозрачного БП
Выводы
1. Рассмотрен вариант конструкции радиопрозрачного БП «ЮжноУральского государственного университета». Прочностные и внешне баллистические расчеты которого показывают, что конструкция не выдерживает расчета прочности и устойчивости на полете.
2. Из 4 предложенных вариантов конституций лучшим вариантом с точки зрения прочности корпуса является 1 вариант конструкции.
Представленная работа носит начальный характер и будет дальнейшее развитие в будущем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. В.Л. Баранов, В.Л. Руденко, В.И. Фалалеев, А.Е. Чванов, С.А. Швецов. Защита танков: анализ, ретро- и перспектива. Монография. Нижний Тагил - Тула: Гриф и К, 2011. - 190 с.
2. М. С Хребтова, А.В. Гуськов, К.Е. Милевский. Новый тип ведущего пояска// Наука. Промышленность. Оборона: материалы XVII Всероссийской науч.-техн. конф., - Новосибирск: НГТУ, 2016. - С. 101-106.
3. Е.А. Хмельников, А.В. Стыров. Решение основной задачи внутренней баллистики: Учеб. пособие по курсу «основы баллистики и аэродинамики». Нижний Тагил: ФКП «НТИИМ», 2017. 122с.
4. Баллистика ствольных систем/ РАРАН; В.В.Бурлов и др.; под ред. Л.Н.Лысенко и А.М. Липанова; редкол. серии: В.П.Киреев (пред.) и др. - М.: Машиностроение, 2006. - 461 с.: ил. (Справ. б-ка разработчика-исследователя).
5. Суфиянов В.Г. «Решение задачи комплексного моделирования артиллерийского выстрела с применением визуальных технологий для проектирования и отработки артиллерийских систем»: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук: 05.13.01, 05.13.18; защищена: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова», Ижевск, 2017. - 315 с.
6. Правдин В.М., Шанин А.П. Баллистика неуправляемых летательных аппаратов. Снежинск, издательство РФЯЦ-ВНИИТФ, 1999. - 496с.
© Я. В. Тюрин, Е. А. Хмельников, Т. Е. Заводова, К. В. Смагин, С. Ф. Дубинина, М. Ю. Семашко, 2018
