CC BY
27
The process of gas flow around temperature sensors with paired thermocouples in the cavities of a multi- camera experimental device is investigated. Conducted strength calculations of thermocouples and determined by the rational values of the deepening of the temperature sensors in the pipe to ensure the required accuracy of the measurement of the temperature of the working fluid.
Key words: multi-chamber experimental device, thermocouple, temperature measurement error, flow rate.
Dunayeva Inna. Valeryevna, candidate of technical sciences, docent, i w damail. ru, Russia, Tula, Tula state University,
Kazakov Vladimir Michaylovich, head of Department, v. m. kazakov@mail. ru, Russia, Tula, JSC «NPO «Splav» them. A.N. Ganicheva,
Sladkov Dmitri Valeryevich, student, sladckov. d@yandex. ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 531.58
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫСТРЕЛА ИЗ ОРУЖИЯ САМООБОРОНЫ
Е.Н. Патрикова, А.А. Лосева, П.Е. Аркатова
Представлены результаты реализации математической модели процесса выстрела из оружия самообороны, использование которой в процессе проектирования образцов оружия данного класса позволяет уменьшить затраты времени и средств на экспериментальную отработку конструкции и обеспечить надёжность работы автоматики.
Ключевые слова: оружие самообороны, процесс выстрела, газовый пистолет, канал ствола, затвор.
Объектом исследования является процесс выстрела из газового пистолета. Разработанная математическая модель и соответствующий ей алгоритм численного расчёта параметров исследуемого процесса позволяют определять площадь минимального поперечного сечения канала ствола при известных массах затвора и порохового заряда, а при известном минимальном поперечном сечении канала ствола и массе затвора, определять необходимую массу порохового заряда.
На рис. 1 представлены теоретические зависимости максимального давления от диаметра сужения канала ствола для различных масс порохового заряда. Из рисунка видно, что с увеличением диаметра сужения величина максимального давления уменьшается. Причём, от dc = 1,5 мм до
= 2,2 мм уменьшение плавное. При ^ = 2,3 мм происходит резкое уменьшение величины максимального давления. Далее вид зависимостей указывает на то, что уменьшение величины максимального давления происходит плавно.
Для объяснения вида кривых зависимостей необходимо рассмотреть физическую картину процесса, протекающего в контрольном объёме при разных диаметрах сужения [1]. В первую очередь воспламеняется та часть порохового заряда, которая прилегает к внутренней части основания патрона, то есть к донцу гильзы, так как в основании гильзы имеется несколько отверстий, через которые направляется поток пламени от горящего взрывчатого вещества капсюля воспламенителя. В гильзе патрона создаётся давление достаточное для вскрытия колпачка. После вскрытия колпачка происходит выброс ирританта и небольшого количества зёрен порохового заряда, и затем начинается процесс истечения пороховых газов, сопровождающийся выбросом пороховых зёрен.
Рис. 1. Зависимости максимального давления от диаметра сужения канала ствола для различных масс порохового заряда
Пороховые газы от основания гильзы просачиваются к отверстию сужения через слой пороховых зёрен, увлекая их за собой (рис.2). В результате образуется плотный слой, состоящий из пороховых зёрен заряда, который перемещается от снования гильзы к отверстию сужения. С увеличением количества образующихся пороховых газов, происходит увеличение интенсивности его истечения через отверстие сужения канала ствола, что приводит к увеличению числа пороховых зёрен, увлекаемых пороховыми газами за собой, в области сужения канала ствола.
Поскольку диаметр сужения, равный 1,5, 2, 2,2 мм, сравнительно небольшой, а интенсивность образования и истечения пороховых газов увеличивается, то происходит образование плотного скопления пороховых
зёрен около отверстия сужения канала ствола (рис. 3). Внутри скопления возникает и нарастает перепад давления вследствие гидросопротивлений и тепловых потерь при просачивании газа к отверстию сужения. Перепад давления дополнительно сжимает зёрна. Ввиду того, что форма и размеры зёрен неоднородны, то в скоплении имеются пустоты, через которые газ стравливается в минимальное поперечное сечение канала ствола, вырывая, при этом, единичные зёрна заряда из внешнего поверхностного слоя скопления.
Уплотнённый слой
Рис. 2. Канал ствола газового пистолета в момент воспламенения порохового заряда (диаметр сужения 1,5 ~ 2,2 мм)
Уплотнённый слой
/ Канал ствола / Сужение канала ствола
Рис. 3. Канал ствола газового пистолета в момент истечения пороховых газов (диаметр сужения 1,5~ 2,2 мм)
При этом давление в центре контрольного объёма непрерывно нарастает за счёт горения пороха по внутренней поверхности уплотнённого скопления. И при соответствующем значении максимального давления начинается процесс вытеснения скопления в отверстие сужения. При этом в движение приходит не вся масса уплотнённого пороха, а лишь та его часть, в которой касательные напряжения превосходят прочность слоя и внутреннее трение [1]. Эта часть уплотнённого слоя пороха находится напротив сужения канала ствола, что приводит к вскрытию отверстия сужения, которое сопровождается выбросом части зёрен порохового заряда за пределы контрольного объёма. В этих условиях уплотнённый слой разуплотняется, разрыхляется, воспламеняется, увеличивается интенсивность истечения пороховых газов. С увеличением истечения возрастает интенсивность выброса недогоревших пороховых частиц заряда. Давление, достигшее своего максимума, начинает плавно понижаться.
Ранее было установлено, что с увеличением диаметра отверстия увеличивается истечение пороховых газов и выброс пороховых зёрен, в результате интенсивность процесса уменьшается [2]. Анализ кривых на
22
рис. 1 показывает, что при диаметре сужения канал ствола равного 2,3 мм и более, плотность слоя пороховых зёрен и величина давления в контрольном объёме, в силу указанных причин, невелики (рис. 4). Поэтому плотность образовавшегося скопления зёрен заряда рядом с отверстием сужения мала и между зёрнами скопления достаточно пространства, через которое происходит истечение порохового газа в сужение канала ствола. Пороховой газ, «медленно» истекая в отверстие сужения, увлекает за собой большое количество пороховых зёрен внешнего поверхностного слоя скопления, которые уже догорают в канале ствола и на протекание процесса повлиять не могут. В результате чего, величина максимального давления в контрольном объёме очень мала (рис. 4).
Канал ствола / Сужение канала ствола
Рис. 4. Канал ствола газового пистолета в момент воспламенения порохового заряда (диаметр сужения канала ствола, равного 2,3 мм)
Таким образом, для исследуемого процесса характерно малое давление, вследствие чего введен учет постепенности воспламенения порохового заряда по объему гильзы.
Рис. 5. Зависимости длины отката свободного затвора и максимального давления от массы порохового заряда для минимального диаметра 1,5 мм
На рис. 5, 6 приведены теоретические зависимости длины отката свободного затвора Ьз и максимального давления ртах от массы порохового заряда т„ для диаметров минимального поперечного сечения канала ствола равных 1,5 и 2 мм, без и с учётом неодновременности воспламенения порохового заряда. Полученные результаты подтверждают утверждение о необходимости учёта неодновременности воспламенения порохового заряда.
Рис. 6. Зависимости длины отката свободного затвора и максимального давления от массы порохового заряда для минимального диаметра 2 мм
Ниже представлены теоретические зависимости длины отката свободного затвора Ьз и максимального давления ртах от массы порохового заряда т„ для диаметра минимального поперечного сечения канала ствола равного 2 мм при температурах Т = 223 К, Т = 293 К, Т = 323 К (рис.7, 8). Как видно из рисунков, построенные зависимости практически не отличаются друг от друга. При диаметре сужения ^ = 2 мм, массе порохового заряда т„ = 0,00005 кг и температурах Т = 223 К, Т = 323 К длина отката свободного затвора оптимальная. Величина максимального давления входит в интервал оптимальных максимальных давлений.
Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что при различных температурах окружающей среды, надёжность работы автоматики газового пистолета не уменьшатся, при этом полностью выполняются условия травмобезопасности, как по отношению к стрелку, так и по отношению к нападающему.
Рис. 7. Зависимости длины отката свободного затвора и максимального давления от массы порохового заряда для минимального диаметра канала ствола равного 2 мм при температурах Т = 293 К, Т = 323 К
0.08
0.031
АРтах;МПа
с!с=2 мм 1-ршах,та93К. 3-ЬЭ,Т=293 К. 4-Ь3,Т=223 К.
4 3 "Г- ^
Инетервал оптимальные
14.75 -
13.45 --
Оптим отката св альная длина Годного затвора
. У .. .
У
0.01 0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0-07 т,„То3,кг
Рис. 8. Зависимости длины отката свободного затвора и максимального давления от массы порохового заряда для минимального диаметра канала ствола равного 2 мм при температурах Т = 293 К, Т = 223 К
Таким образом, по результатам теоретических исследований внутренней баллистики газового пистолета можно сделать следующие выводы: 1. Уменьшение массы порохового заряда увеличивает продолжительность воздействия продуктов сгорания на затвор, что уменьшает величину максимального давления и длину отката свободного затвора.
25
2. Увеличение диаметра сужения уменьшает длительность воздействия продуктов сгорания на затвор, что уменьшает величину максимального давления и длину отката свободного затвора.
3. Выброс пороховых зёрен заряда за предел контрольного объёма и истечение пороховых газов в значительной степени сказываются на величине максимального давления, продолжительности процесса воздействия продуктов сгорания на затвор.
4. При диаметре минимального поперечного сечения канала ствола равного dc = 2 мм и массе порохового заряда равной mw = 0,00004 кг, при температурах окружающей среды равных Т = 223, Т = 323 К, автоматика оружия работает без отказов и при этом выполняется условие травмобез-опасности оружия, как по отношению к стрелку, так и по отношению к нападающему.
5. Проведенные расчеты выявили существенную зависимость максимального давления газа в контрольном объёме, времени его достижения, длины отката свободного затвора от характерного времени воспламенения всей поверхности горения порохового заряда, что указывает на необходимость учета неодновременности воспламенения порохового заряда.
Список литературы
1. Богородицкий А. М., Коротков Е. Н., Матасов В. Ф., Чернопя-тов В.Л. Расчёт и проектирование автоматического оружия. Ч. 1. М.: «ЦНИИ информации», 1983. 84 с.
2. Баррер С.А., Винницкий А.М., Горохов М.С., Станюкович К.П., Фёдоров И.Д. Газодинамические основы внутренней баллистики. М.: «Оборонгиз», 1958 г. 479 с.
Патрикова Елена Николаевна, канд. техн. наук, доцент, elenapatrikova@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лосева Алена Александровна, студентка, elenapatrikova@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Аркатова Полина Евгеньевна, студентка, domowenoc-nafanja'a yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE RESULTS MATHEMATICAL MODELING PROCESS SHOT FROM A WEAPON OF SELF-DEFENSE
E.N. Patrikova, A.A. Loseva, P.E. Arkatova
The paper presents the results of the implementation of a mathematical model of the process of_ firing a self-defense weapon, the use of which in the design of weapons of this class makes it possible to reduce the time and cost of experimental testing of the design and ensure the reliability of automation.
Key words: self-defense weapon, the shooting process, the gas gun, the barrel, the
shutter.
Patrikova Elena Nikolaevna, candidate of technical science, docent, elenapatrikova@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Loseva Alena Aleksandrovna, student, elenapatrikovaayandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Arkatova Polina Evgenyevna, student, domowenoc-nafanja'a yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.45.02
УЧЕТ НЕОДНОВРЕМЕННОСТИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА ПРИ РАСЧЕТЕ ВНУТРИБАЛЛИСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ГАЗОГЕНЕРАТОРАХ
М.В. Арсентьева, А. А. Митин, Д. А. Морель
Рассмотрены вопросы моделирования внутрибаллистических процессов в пиротехнических газогенераторах с учетом неодновременности воспламенения топлива. Представлен программный комплекс, позволяющий проводить расчет рабочего процесса в газогенераторах пиротехнических систем. Приведены результаты расчета с учетом неодновременности воспламенения топливных элементов и потерь полного давления на входе в сопловой блок.
Ключевые слова: внутренняя баллистика, газогенератор, неодновременность воспламенения.
В пиротехнических газогенераторах, обеспечивающих заданный расход газа во времени, часто используются топливные элементы нестандартных форм, со сложной геометрией. Надежное и стабильное воспламенение подобных зарядов зачастую связано с определенными трудностями.
При моделировании внутрибаллистических процессов в указанных изделиях в основном используется допущение о мгновенном воспламенении заряда одновременно по всей поверхности. Однако, как показали результаты сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными, подобное допущение не всегда обоснованно [1, 2]. Поэтому при расчете параметров рабочего процесса важно учесть неодновременность воспламенения топливных элементов.
Для расчета внутрибаллистических характеристик пиротехнических газогенераторов разработан программный комплекс, который имеет следующие особенности:
- позволяет задавать до четырех топливных элементов различной формы из различных составов, в том числе с помощью закона изменения поверхности горения от толщины сгоревшего слоя £(е);
- можно задавать одновременно до трех воспламенительных составов;
