CC BY
24
Колтунов Владимир Валентинович, канд. техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник, v_koltunov@mail.ru, Россия, Красноармейск, Федеральное казённое предприятие «Национальное испытательное объединение «Государственные боеприпасные полигоны России»,
Мелешко Алина Сергеевна, инженер-конструктор, info@niosbip.ru, Россия, Красноармейск, Федеральное казённое предприятие «Национальное испытательное объединение «Государственные бо-еприпасные полигоны России»
DEVELOPMENT OF MOBILE TARGET COMPLEXES FOR THE TRAINING OF MILITARY PERSONNEL AND SPECIAL FORCES
D.S. Abramov, N.M. Vatutin, V.V. Koltunov, A.S. Meleshko
Abstract: The issue of developing mobile target complexes for fire training of military personnel and personnel of power formations is considered. The designs of the complex ensure the movement of targets as much as possible corresponding to the real movement of the target in combat conditions in both horizontal and vertical planes. The complexes can be used for firing live ammunition in shooting ranges, ranges and shooting ranges. The use of the complex will significantly increase the level offire training of military personnel and personnel of special purpose force formations.
Key words: mobility, target, complex, training, military personnel.
Abramov Dmitry Gennadievich, section foreman, info@niogbip.ru, Russia, Krasnoarmeysk, Federal state enterprise «National Testing Association «State Ammunition Ranges of Russia»,
Nikolay Mikhailovich Vatutin, candidate of technical sciences, scientific secretary, vatutin@niigeo.ru, Russia, Krasnoarmeysk, Federal state enterprise «National Testing Association «State Ammunition Ranges of Russia»,
Koltunov Vladimir Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, leading researcher, v_koltunov@mail.ru, Russia, Krasnoarmeysk, Federal state enterprise «National Testing Association «State Ammunition Ranges of Russia»,
Meleshko Alina Sergeevna, design engineer, info@niogbip.ru, Russia, Krasnoarmeysk, Federal state enterprise «National Testing Association «State Ammunition Ranges of Russia»
УДК 623.522
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-43-49
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ВКЛАДНЫХ КРЕШЕРНЫХ ПРИБОРОВ
Н.М. Ватутин, В.В. Колтунов, Д.В. Чашин, А.С. Мелешко
Анализируются различные конструкции вкладных крешерных приборов для измерения давления пороховых газов при выстреле и предлагаются варианты их модернизации обеспечивающие многократное применение и снижающие себестоимость проводимых с их использованием испытаний.
Ключевые слова: крешерный прибор, пороховые газы, давление, датчик, измерительный элемент, пьезокварцевый датчик, намагниченность.
При разработке перспективных образцов и модернизации существующих артиллерийских систем, а также исследовании пороховых зарядов в процессе полигонных испытаний требуется проводить измерения высоких давлений пороховых газов в каморах артиллерийских орудий. В экспериментальной баллистике и для решения практических задач при исследованиях высокоэнергетических метательных веществ и определения величины их оптимальных навесок одним из основных видов измерений является измерение максимального давления в зарядной каморе и стволе при выстреле. В настоящем времени наиболее распространенным методом измерения такого давления был и остается крешерный метод. Это объясняется тем, что крешерное давление введено в действующую нормативно-техническую документацию на пороховые заряды и пороха, и по нему осуществляется оценка характеристик работы всех артиллерийских систем.
В известных устройствах, реализующих крешерный метод, максимальное значение давления пороховых газов определяют по величине осевой остаточной деформации измерительных элементов различной формы (цилиндрической, цилиндро-конической, сферической), выполненных обычно из меди, и размещенных в корпусе крешерного прибора. Конструкции традиционных крешерных приборов с цилиндрическим и сферическим измерительными элементами показаны на рис. 1-3.
Наиболее распространённой конструкцией (рис. 1, 2) является вкладной крешерный прибор [1], содержащий покрытый медной рубашкой цилиндрический корпус с полостью для помещения измерительного элемента - крешерного столбика и резьбовое гнездо с размещенной в нем пробкой. С противоположной стороны от резьбового гнезда корпус прибора имеет канал для поршня, поджимающего крешер к пробке посредством пружины. Для центрирования крешера в полости корпуса имеется резиновое кольцо, а для исключения возможности прорыва пороховых газов внутрь крешерного прибора поршень делается несколько короче канала, и свободная часть канала заполняется крешерной мастикой, состоящей из смеси пушечного сала и воска. С этой же целью крышка крешерного прибора при сборке утапливается ниже уровня корпуса, и наружная площадка крышки по круговой линии её соприкосновения с корпусом также обмазывается крешерной мастикой.
Рис. 1. Конструкция крешерного прибора с цилиндрическим элементом: 1 - поршень; 2 - лейнер; 3 - стальной корпус; 4 - цилиндрический крешер
Рис. 2. Конструкция крешерного прибора со сферическим элементом: 1- корпус; 2 - центрирующее кольцо; 3 - сферический крешер; 4 - пружина; 5 - поршень; 6 - втулка; 7 - медная облицовка
Рис. 3. Конструкция электронного крешерного прибора с пьезокварцевым датчиком давления: 1 - основание; 2 - датчик давления; 3 - электроный модуль; 4 - корпус
Распространённость такой конструкции объясняется её относительной простотой, но она не лишена ряда недостатков. В частности, к их числу можно отнести:
- необходимость использования для изготовления крешерных столбиков достаточно дефицитной и дорогостоящей меди,
- большое количество операций по изготовлению самих крешерных столбиков, таких как отжиг, проверка однородности, проверка жесткости, проверка поверхностной прочности.
- наличие «избыточных» конструктивных элементов, таких как поршень, пружина, центрирующее резиновое кольцо;
- наконец, это однократное применение измерительного элемента -медного крешера.
В последнее время появилось много новых разработок в области измерений давления с использованием различного типа электронных устройств, позволяющих получать значительные объёмы информации. В частности, к ним относятся пьезокварцевые датчики [2] и измерительные станции типа «Нейва» (рис. 4), тем не менее их широкое применение сдерживается большими затратами по подготовке и проведению испытаний. Прежде всего это выражается в необходимости доработки стволов артиллерийских систем, посредством изготовления посадочных отверстий для установки датчиков, а также необходимостью постоянного контроля за состоянием датчиков и соединительных линий, подверженных различным механическим воздействиям в процессе выстрела.
Для решения указанных выше проблемных вопросов были предприняты попытки внедрения вкладных электронных крешерных приборов основанных на использовании пьезокварцевых датчиков давления. Структурная схема такого крешерного прибора показана на рис. 5.
Предполагалось, что вкладной электронный регистратор давления основанный на использовании пье-зокварцевого датчика давления и микроэлектронного модуля позволит регистрировать параметры протекающего в каморе процесса и хранить собранную информацию до момента её считывания и обработки после проведения эксперимента. Однако применение микроэлектронного модуля сделало необходимым использование в конструкции прибора и малогабаритного источника питания.
Наличие в составе крешерного прибора малогабаритного источника питания накладывает определённые ограничения на возможности его применения в процессе испытания артиллерийских выстрелов. В особенности это сказывается в условиях ускоренных климатических испытаний когда собранный выстрел на протяжении длительного периода подвергается циклическому воздействию низких отрицательных и высоких положительных температур. Такое воздействие приводит к нарушению работоспособности источника питания и выходу из строя самого крешерного устройства.
_ 12 11
А
Рис. 4. Конструкция пьезокварцевого датчика и вид измерительной станции «Нейва»: 1 - мембранный узел; 2 - компенсатор; 3 - дисковый пьезоэлемент; 4 - токосъёмник; 5 - кольцевой элемент; 6 - корпус датчика; 7 - корпусная втулка; 8 - медный проводник; 9,11 - фторопластовые втулки; 10 - штырьевой электрод; 12 - резьбовая втулка; 13 - тонкостенный стакан;
14 - фторопластовое кольцо
Рис. 5. Структурная схема электронного крешерного прибора
Для устранения отмеченного недостатка в электрическую связь между пьезодатчиком давления и электронным модулем специалистами ФКП «НИО «ГБИП России» предложено включить линию задержки, а между выходом пьезодатчика давления и электронным модулем, и источником питания ввести дополнительную линию электрической связи, содержащую преобразователь напряжения [3].
При подобном схемном исполнении регистратора (рис. 6), генерируемый при выстреле под воздействием давления пороховых газов пьезодатчиком давления 1 сигнал разделяется. Благодаря этому пьезодатчик давления 1 здесь одновременно служит ударным генератором энергии 5. Часть сгенерированного сигнала через преобразователь напряжения 6 подается на электронный модуль 2, приводя его в рабочее состояние, и одновременно восстанавливает работоспособность источника питания 3. А вторая часть сигнала через линию задержки 4 поступает на электронный модуль 2. Сигнал обрабатывается и результаты записываются в элемент энергонезависимой памяти электронного модуля 2.
6
Рис. 6. Структурная схема усовершенствованного электронного крешерного прибора: 1, 5 - пьезоэлектрический датчик/ударный генератор энергии; 2 - электронный модуль; 4 -линия задержки; 6 - преобразователь напряжения; 7 - аппаратура программирования,
считывания и обработки информации
С учетом вышеотмеченных проблем с использованием типовых вкладных крешерных приборов специалистами ФКП «НИО «ГБИП России» была предпринята попытка создания крешерного устройства, обеспечивающего возможность многократного применения его измерительного элемента -крешерного столбика, при одновременном ожидаемом повышением точности измерений.
С этой целью было предложено использовать крешерный столбик из магнитного материала [4], что обеспечивает его многократное применение, упрощает конструкцию и снижает себестоимость.
8 - крешерная мастика
Установка столбика в полость корпуса прибора (рис. 7) осуществляется по посадке с зазором, без центрирующих элементов (резиновых колец), используемых в типовых конструкциях. При этом корпус и пробка выполняются из немагнитных материалов, а воспринимающий давление торец крешерного столбика при сборке прибора закрывается плотно соприкасающейся с ним фольговой прокладкой, также выполненной из немагнитного материала и контактирующей по своему периметру с корпусом.
Принцип работы крешерного прибора основан на том, что предварительно намагниченный, нагружаемый элемент - крешерный столбик обладает определенной магнитно-доменной структурой. При динамическом нагружении торца столбика давлением пороховых газов в нём генерируется продольная волна напряжений, вызывающая при прохождении вдоль его оси локальные упругие деформации, приводящие к переориентации магнитных доменов, вследствие чего изменяются магнитные характеристики материала крешерного столбика.
В частности, характер зависимости величины магнитной проницаемости от упругой деформации ферромагнетиков показан в работе [5]. Кроме того, величина магнитной проницаемости материала зависит и от его температуры. При неоднократном прохождении по крешерному столбику продольной волны напряжений (прямой и нескольких обратных), за счет диссипации её энергии осуществляется некоторый нагрев материала стержня, что также приводит к изменению величины его магнитной проницаемости. Также сильное ударное воздействие может привести к размагничиванию [6].
Таким образом, в результате высокоскоростного воздействия давления пороховых газов на предварительно намагниченный измерительный элемент устройства - крешерный столбик, изменится величина магнитной проницаемости его материала, и соответственно - магнитная индукция. Первоначальная и остаточная магнитная индукция крешерного столбика измеряется с помощью магнитометров различного типа [7, 8].
Вкладной крешерный прибор содержит цилиндрический корпус 1 покрытый медной рубашкой 2. В полости прибора 3 по посадке с минимальным зазором размещен предварительно намагниченный крешерный столбик 4. В резьбовое гнездо 5 корпуса помещена пробка 6, воспринимающий давление свободный торец крешерного столбика 4 закрыт плотно соприкасающейся с ним фольговой прокладкой 7, контактирующей по своему периметру с корпусом 1. Для фиксации фольговой прокладки в механическом контакте с корпусом, и нагружаемым торцом крешерного столбика, а также устранения возможных воздушных зазоров между корпусом и пробкой, использована крешерная мастика 8. Корпус, пробка и фольговая прокладка выполнены из немагнитных материалов. Буквами N и S условно обозначены магнитные полюса крешерного столбика.
Первичное намагничивание крешерного столбика осуществляется или путем его взаимодействия (механического контакта) с постоянным магнитом, или посредством помещения его в катушку соленоида и воздействия магнитного поля, генерируемого постоянным током. После чего магнитометром фиксируется первичная намагниченность стержня.
Остаточное намагничивание крешерного столбика, после проведения испытаний, может быть определено двумя различными методами:
1) Магнитометром - непосредственно по изменению величины магнитной индукции материала
столбика;
2) Использованием столбика в качестве дополнительного резистивного элемента измерительной системы, содержащей индуктивный компонент, - по изменению полного сопротивления измерительной системы, включающей столбик, помещаемый в обмотку соленоида.
Оба эти метода целесообразно использовать последовательно для получения более точных результатов измерений.
Для изготовления крешерного столбика могут быть использованы калиброванные закалённые прутки из стали 45, обладающей высокими прочностными, и также магнитными характеристиками. В частности сталь 45 имеет предел прочности на сжатие аТ С порядка 1000 МПа, что соизмеримо с измеряемым давлением, - таким образом при проведении испытаний материал столбика будет нагружаться давлением пороховых газов в пределах упругой деформации, без необратимого изменения размеров и формы.
Установка крешерного столбика в полость корпуса по посадке с зазором упрощает сборку прибора. В то же время минимальный установочный зазор между поверхностью столбика и стенкой отверстия полости позволят избежать его изгибной и радиальной деформации под действием приложенной осевой нагрузки.
Конкретная величина зазора по посадке типа H7/h6, H6/g5 или иной по более высоким квали-тетам точности, устанавливается в зависимости от ожидаемого давления. Исходя из величины давления и прочностных характеристик материала корпуса, определяется необходимая для конкретных испытаний толщина стенки корпуса, позволяющая избежать защемление столбика в полости вследствие возможной деформации корпуса под действием внешнего давления. А высокие прочностные характеристики материала столбика позволят использовать его многократно.
Выполнение корпуса, пробки и используемой в конструкции прибора фольговой прокладки из немагнитных материалов, обладающих низкой магнитной проницаемостью, в совокупности с медной рубашкой, позволяет обеспечить экранирование находящегося внутри корпуса намагниченного крешер-ного столбика и тем самым избежать различных неконтролируемых наводок посторонних внешних магнитных полей от металла испытываемой артиллерийской системы и повысить точность измерений.
В качестве материала корпуса и резьбовой пробки используются немагнитные стали аустенит-ного класса типа 08Х18Н10, также сплавы цветных металлов - типа безжелезистых бронз и латуней, например, бронзы БрО3Ц12С5, бронз БрБ2, БрБНТ1,9, латуни ЛЦ14К3С3.
Для дополнительной защиты от теплового воздействия сгорающего пороха, перед помещением в зарядную камеру орудия или гильзу прибор может быть покрыт пластичной силиконовой или аналогичной термостойкой смазкой, завернут в асбестовую бумагу, и затем - в крупноячеистую сетку из латуни, свободные концы которой закручивают.
После осуществления выстрела крешерный прибор очищается от полученных загрязнений, удаляются остатки крешерной мастики и фольговой прокладки. Корпус крешерного прибора разбирается и извлекается крешерный столбик для измерения остаточной магнитной индукции материала столбика.
Величину максимального давления пороховых газов определяют по остаточной магнитной индукции крешерного столбика, применяя таражную таблицу, полученную посредством динамического тарирования определенного количества приборов из партии.
Для получения таражной зависимости проводят динамическое тарирование приборов из партии в специальных установках, обеспечивающих всестороннее непосредственное воздействие на него измеряемого давления, например, с использованием установки для сжигания пороха [9].
Таким образом, предлагаемая конструкция вкладного крешерного прибора имеет более простую и более дешёвую в изготовлении конструкцию, обеспечивающую, при рациональном подборе материалов, возможность многократного применения основных её элементов - в первую очередь крешер-ного столбика, а также повышение точности измерений, что в итоге приводит к существенному снижению себестоимости испытаний.
Список литературы
1. Медведева Н.П. Экспериментальная баллистика. Часть I (Методы измерения давления). Томск: Томский государственный университет, 2006. 172 с.
2. Замаруев В.М. Современные методы измерения внутрибаллистического давления пороховых газов в артиллерийских орудиях и моделирующих установках. Ижевск: Сборник трудов 7-ой Всероссийской конференция «Внутрикамерные процессы и горение в установках на твёрдом топливе и в ствольных системах» (IC0C-2011). С. 134-144.
3. Ватутин Н.М., Колтунов В.В., Чашин Д.В. и др. Заявка на получение патента РФ «Вкладной электронный регистратор давления», F4В 35/00, G01L 23/10, №2022124233, заявл. 13.09.22 г. ФГБОУ «МИРЭА - Российский технологический университет». 7 с.
4. Колтунов В.В., Ватутин Н.М., Белобородов М.Н. и др. Заявка на получение патента РФ «Вкладной крешерный прибор», F4В 35/00, G01L 23/00, №2022110433, заявл. 19.04.22 г. ФКП «НИО «ГБИП России». 9 с.
5. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Мушников А.Н., Якушенко Е.И. Влияние механических напряжений на магнитные характеристики конструкционной стали 15ХН4Д // V Всероссийская конференция. Механика микронеоднородных материалов и разрушение. Институт машиноведения УрО РАН, 2008.
6. Информационный ресурс Википедиа. Магнит. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82 (последнее обращение: 15.10.2022).
7. Афанасьев Ю.В., Студенцов Н.В., Щелкин А.П. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. Л.: Энергия, 1972. 274 с.
8. Комаров Е.В., Покровский А.Д., Сергеев В.Г., Шихин А.Я. Испытание магнитных материалов и систем: под ред А.Я. Шихина. М.: Энергоатомиздат, 1984. 376 с.
9. Руденко В.Л., Абушкевич В.И., Кочкарь Н.И. и др. Патент РФ №2447436, G01N 33/22, Установка для сжигания пороха, №2010149401/15, заявл. 02.12.2010, опубл. 10.04.2012 / ФКП «НТИИМ». 8 с.
Ватутин Николай Михайлович, канд. техн. наук, учёный секретарь, vatutin@niigeo. ru, Россия, Красноармейск, Федеральное казённое предприятие «Национальное испытательное объединение «Государственные боеприпасные полигоны России»,
Колтунов Владимир Валентинович, канд. техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник, v_koltunov@mail.ru, Россия, Красноармейск, Федеральное казённое предприятие «Национальное испытательное объединение «Государственные боеприпасные полигоны России»,
Чашин Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, info@niogbip.ru, Россия, Красноармейск, Федеральное казённое предприятие «Национальное испытательное объединение «Государственные боеприпасные полигоны России»,
Мелешко Алина Сергеевна, инженер-конструктор, info@niogbip.ru, Россия, Красноармейск, Федеральное казённое предприятие «Национальное испытательное объединение «Государственные бо-еприпасные полигоны России»
IMPROVEMENT OF STRUCTURES EMBEDDED CRACKER DEVICES N.M. Vatutin, V.V. Koltunov, D.V. Chashin, A.S. Meleshko
Various designs of plug-in cracker devices for measuring the pressure of powder gases during firing are analyzed and options for their modernization are proposed that ensure repeated use and reduce the cost of tests carried out with their use.
Key words: cracker device, powder gases, pressure, sensor, measuring element, piezo quartz sensor, magnetization.
Nikolay Mikhailovich Vatutin, candidate of technical sciences, scientific secretary, vatutin@niigeo.ru, Russia, Krasnoarmeysk, Federal state enterprise «National Testing Association «State Ammunition Ranges of Russia»,
Koltunov Vladimir Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, leading researcher, v_koltunov@mail.ru, Russia, Krasnoarmeysk, Federal state enterprise «National Testing Association «State Ammunition Ranges of Russia»,
Chashin Dmitry Vladimirovich, candidate of technical sciences, senior researcher, info@niogbip.ru, Russia, Krasnoarmeysk, Federal state enterprise «National Testing Association «State Ammunition Ranges of Russia»,
Meleshko Alina Sergeevna, design engineer, info@niogbip.ru, Russia, Krasnoarmeysk, Federal state enterprise «National Testing Association «State Ammunition Ranges of Russia»
