CC BY
533
УДК 623.55.025
СТРЕЛЬБА ИЗ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО МНОГОСТВОЛЬНОГО ЗЕНИТНОГО АВТОМАТА
П.Н. Мельников, А.А.Сазонов
Целью настоящей работы является анализ особенностей и выработка рекомендаций по увеличению точности зенитной стрельбы из высокоскоростного многоствольного артиллерийского зенитного автомата.
Ключевые слова: стрельба из высокоскоростного многоствольного артиллерийского зенитного автомата
В теории артиллерийской стрельбы (как в вопросах внутренней баллистики, так и в вопросах внешней баллистики) в подавляющем большинстве литературы рассматриваются физические процессы, которые порождаются одиночным выстрелом из орудия. Влияние предыдущих выстрелов на процессы, протекающие при последующих выстрелах в очереди, удостаиваются, в лучшем случае, качественного анализа. Слабый интерес к вопросам взаимовлияния выстрелов на результат стрельбы объясняется либо своей незначительностью при конкретном достигнутом темпе стрельбы, либо практической невозможностью учесть факторы взаимовлияния в процессе наведения орудия.
При решении задачи эффективности стрельбы развитие зенитной артиллерии, особенно отечественной, пошло по пути создания высоко скорострельных многоствольных автоматов. Например, скорострельность 30мм шестиствольного зенитного автомата АО-18(ГШ-6-30К) корабельного комплекса АК-630М составляет 4000...5000 выстрелов в минуту, а спаренной зенитной установки - до 10000 выстрелов в минуту, где пакеты стволов размещены на одном приводе на близком расстоянии друг от друга [1]. Пакет стволов вращается и при определенном положении конструкции производится выстрел из одного ствола, при этом другие стволы проходят стадии заряжания снарядом или выброса стреляной гильзы. Такая организация автомата приводит к снижению темпа стрельбы из одного ствола (для 30-мм шестиствольного автомата в 6 раз и составляет 667.833 выстрелов в минуту или 11,1.13,9 выстрелов в секунду).
Рассмотрим дополнительные факторы, влияющие на результат стрельбы, которые привносит интенсивная работа многоствольного зенитного автомата по сравнению с классической одноствольной пушкой. Пакет многоствольного автомата собирается в единую конструкцию из стволов, хотя и изготовленных по единой технологии, но все же отличающихся по техническим характеристикам в пределах допусков процесса изготовления. Пакет стволов вращается (в рассматриваемом примере - со скоростью 11.181
13.9 оборотов в секунду), что придает дополнительную скорость снаряду при вылете из ствола, вектор которой направлен перпендикулярно вектору основной составляющей начальной скорости снаряда. Во время стрельбы конструкция автомата подвергается силовым воздействиям при каждом выстреле. Это приводит к формированию затухающих во времени поперечных колебаний пакета стволов. Так как процесс одиночного выстрела длится единицы миллисекунд, то последующие колебания ствола не оказывает практического влияния на точность произведенного выстрела. Однако при условии высокоскоростной стрельбы эти колебания еще не успевают затухнуть, как будет произведен последующий выстрел. Колебания пакета стволов из разряда затухающих переходят в разряд не затухающих в течение всего интервала времени, пока длится очередь. А это, в свою очередь, создает дополнительное угловое рассеивание снарядов в очереди. Высокоскоростная стрельба приводит к быстрому и все увеличивающемуся разогреву ствола от выстрела к выстрелу в очереди. В этих условиях предельно допустимый разогрев ствола является основным фактором ограничивающим длительность очереди (если не принимать во внимание ограничение на величину боезапаса). Таким образом, первый выстрел в очереди производится из «холодного» ствола, а последний выстрел - из «горячего» ствола, что приводит к постепенному снижению начальной скорости полета снарядов по ходу стрельбы очередью. Высокий темп стрельбы совместно с разбросом начальных скоростей смежных выстрелов создает ненаблюдаемый ранее эффект - полет группы снарядов в неспокойной турбулентной атмосфере с возможными соударениями между собой. О чем свидетельствуют стрельбы по морским малоразмерным целям - отдельные снаряды могут резко отклоняться от общего места падения снарядов очереди, а также могут прилетать к месту падения с большим отставанием по времени.
Рассмотрим более детально влияние каждого из отмеченных факторов на точность стрельбы на примере работы шестиствольного зенитного автомата АО-18 (ГШ-6-30К) корабельной установки АК-630М.
Завод-изготовитель автомата АО-18 на своем официальном сайте [1] объявляет начальную скорость осколочно-фугасного снаряда при вылете из стволов изделия равной 890 м/с, не указывая, является ли эта величина максимальным, средним или минимальным значением для пакета из шести стволов. Нет оснований сомневаться в том, что величина начальной скорости снаряда будет различаться (в конечных пределах) от выстрела к выстрелу. Даже для одноствольного орудия имеет место разброс значений начальных скоростей снаряда, вызванный отклонениями технических характеристик отдельных снарядов. Для многоствольного орудия имеет место дополнительный фактор, влияющий на разброс начальных скоростей снаряда, - индивидуальные особенности в конструкции отдельного ору-
дийного ствола, вызванные отклонениями в технологическом процессе при его изготовлении.
Величина начальной скорости снаряда является одним из основных параметров, определяющих траекторию снаряда при свободном полете в земной атмосфере. Оценим, как изменится траектория снаряда при уменьшении начальной скорости на 1 % от заявленной для АО-18. На практике разброс начальных скоростей может достигать больших значений, так для модификации автомата АО-18Л артиллерийской установки АК-306 в [1] заявлена начальная скорость снаряда 875±25 м/с. Разброс составил ±2,9 % от номинальной величины начальной скорости. Расчеты траектории полета снаряда будем производить численным интегрированием системы дифференциальных уравнений внешней баллистики снаряда [2], выпущенного из ствола 30-мм зенитного автомата. Результаты расчетов будут представлены вектором текущих прямоугольных координат снаряда [Х,У,Ъ], где X -горизонтальная дальность полета снаряда, У - высота траектории снаряда, Ъ - отклонение траектории снаряда, измеренное в горизонтальной плоскости, от плоскости стрельбы вправо. Траектория снаряда с уменьшенной начальной скоростью (881,1 м/с) расположилась ниже траектории снаряда с заявленной в [1] начальной скоростью 890 м/с. Для выстрела при угле возвышения ствола в 45 градусов величины понижений составили: Х=1000 м АУ=0,5 м, Х=1500 м ДУ=1,2 м, Х=2000 м АУ=2.5 м, Х=2500 м АУ=4,8 м. Расхождения траекторий в горизонтальной плоскости оказались весьма незначительными: Х=2500 м АЪ=0,15 м. На основании результатов численного моделирования можно сделать следующий вывод: при стрельбе из многоствольного оружия отклонения начальных скоростей снарядов, обусловленные индивидуальными особенностями изготовления отдельных стволов, формируют рассеивание снарядов в вертикальной плоскости. Разность между максимальной и минимальной начальными скоростями снарядов, выпущенных из разных стволов, определяет диапазон рассеивания. Более детальные параметры рассевания определяются конкретными различиями начальных скоростей снарядов, выпущенных каждым из шести стволов автомата.
Проведем сравнение координат траекторий, как функций от времени полета снаряда. На рис.1 представлены величины разностей координат двух траекторий (исследуемых ранее), рассчитанные в конкретные моменты времени полета снаряда.
Зависимость АУ(11) показывает величины отставания по высоте, а зависимость АХ(1;) показывает величины отставания по горизонтальной дальности полета снарядов. Координаты точки встречи снаряда с целью рассчитывается из условия равенства времен полета цели и снаряда. В расчетах задачи встречи участвует величина начальной скорости снаряда 890м/с (штатная заявленная в документации на зенитный автомат). Реаль-
но, в силу известных причин, начальная скорость снаряда составила 881,1 м/с. По этой причине в момент, когда цель будет находиться в расчетной точке встречи, снаряд не долетит до нее как по высоте, так и по дальности. Следовательно, неучтенные в задаче встречи отклонения начальных скоростей снарядов (обусловленные индивидуальными особенностями отдельных стволов многоствольного зенитного автомата) привносят дополнительные погрешности в стрельбу по скоростным целям. Наиболее заметно указанные погрешности влияют на результат стрельбы, когда скоростная цель находится в районе траекторного параметра от зенитной установки.
Разница е координатах X и Y {функция полатногс времени}
IS
IB
14
12
10
- 1
;
1
1 В| юота
'yS
Горизонта ЛЬНЭР даль ность
/ „ J.___ / ------- -------
/ i
Время полета снаряда
ш с
Рис. 1. Зависимости АХ(1) и А от полетного времени снаряда
Одной из важнейших характеристик зенитного автомата является разрешенная максимально возможная длительность очереди. Ограничение по количеству выстрелов в очереди вызвано разогревом стволов во время стрельбы. Предельно допустимой величиной разогрева считается разогрев наружной поверхности стволов до температуры 400 °С [3]. Дальнейшая стрельба возможна только после перерыва, который необходим для охлаждения стволов. Для АО-18 максимальная разрешенная длительность очереди составляет 400 выстрелов [4]. Такого показателя удалось добиться только после применения в конструкции автомата принудительного жидкостного охлаждения стволов.
Постепенный, от выстрела к выстрелу, разогрев ствола приводит к постепенному увеличению диаметра канала ствола, и как следствие, уве-
личивается зазор между стенками ствола и ведущими частями снаряда. Давление газов в канале ствола падает, а это приводит к падению начальной скорости снаряда при вылете из орудия. Траектории снарядов, от выстрела к выстрелу, все более снижаются относительно расчетной траектории и все более запаздывают при подлете к расчетной точке встречи снаряда с целью.
В работе [3, с.222] влияние разогрева ствола на дальность стрельбы иллюстрируется примером, в котором уменьшение дальности полета снаряда из максимально разогретого ствола достигает величины в 485 м.
Промахи, вызванные разогревом стволов при стрельбе длинной очередью, могут быть существенно уменьшены, если в счетно-решающем приборе, который рассчитывает углы наведения орудия, учесть зависимость величины снижения начальной скорости снаряда от порядкового номера выстрела в очереди.
Вращение пакета стволов создает дополнительную составляющую вектора скорости снаряда, которая направлена под углом в 90° к основному вектору скорости, ориентированному вдоль канала ствола. Конкретное направление дополнительного вектора скорости определяется положением стреляющего ствола в конструкции зенитной установки, а также направлением вращения пакета стволов. Например, для случая вращения пакета стволов по часовой стрелке (если смотреть по направлению стрельбы) и расположению стреляющего ствола в крайнем нижнем положении, вектор дополнительной скорости будет перпендикулярен основному вектору начальной скорости и направлен влево от плоскости стрельбы. Значение модуля вектора дополнительной скорости вычисляется по формуле:
Удоп = 2пШ, (1)
где Я - радиус вращения центра канала ствола в метрах; N - число выстрелов в секунду одним стволом.
Для Я=0,05 м, N=11,1 ^13,9 выстрелов в секунду величина дополнительной скорости составила Удоп=3,5...4,4 м/с. На рис.2 представлены графики отклонений траектории снаряда без учета дополнительной скорости и с учетом дополнительной скорости снаряда, равной 4,0 м/с и направленной влево от плоскости стрельбы.
Отклонение траектории снаряда от плоскости стрельбы вправо (без учета дополнительной скорости) вызвано вращением снаряда вокруг своей оси (деривационное отклонение). Расчеты показали, что фактор вращения пакета стволов существенно влияет на отклонение снаряда от плоскости стрельбы - траектория снаряда отклоняется на большую величину, чем деривация, при этом меняется знак величины отклонения.
Промахи, вызванные вращением пакета стволов зенитного автомата, могут быть существенно уменьшены, если в счетно-решающем прибо-
ре, который рассчитывает углы наведения орудия, учесть влияние дополнительной составляющей начальной скорости на траекторию свободного полета снаряда в земной атмосфере.
Рис. 2. Отклонение траектории снаряда от плоскости стрельбы
В канале ствола нарезного орудия снаряду придается вращательное движение вокруг продольной оси. Направление вращения - слева-направо, если смотреть по ходу стрельбы. Величина угловой скорости вращения назначается из условий выполнения требований по устойчивости снаряда на траектории полета, а также минимизации силы сопротивления атмосферы за счет уменьшения прецессионных и нутационных колебаний снаряда относительно его центра масс. Вращательное движение пакета стволов зенитного автомата, являясь переносным движением, привносит дополнительную составляющую в абсолютную угловую скорость снаряда. Величина дополнительной угловой скорости составляет около 1 % от относительной (создаваемой нарезным стволом) угловой скорости снаряда. Она прибавляется к относительной скорости, если направления вращений снаряда и пакета стволов совпадают, и вычитается из относительной скорости, если не совпадают. Расчет траектории полета снаряда с учетом влияния угловой скорости вращения пакета стволов на величину абсолютной угловой скорости вращения снаряда показал незначительное влияние этого фактора на параметры траектории снаряда. Максимальные расхождения траекторий проявились в горизонтальной плоскости и оказались весьма незначитель-
ными: Х=3000 м, А7=0.10 м.
Для каждого отдельного ствола автомата имеет место рассеивание снарядов, вызванное производственной кривизной канала ствола, динамическим изгибом ствола в момент выстрела, неравномерным нагревом стенок ствола из-за наличия разностенностей [3]. Эти факторы носят индивидуальный характер для отдельного ствола из многоствольного пакета. Их совокупное влияние на результат стрельбы зенитного автомата создает дополнительное рассеивание траекторий снарядов, что приводит к ухудшению кучности стрельбы по сравнению с одноствольным орудием. Многоствольный автомат представляет собой жесткую конструкцию из связанных между собой отдельных стволов. Поэтому динамические силы выстрела действуют на пакет стволов в целом. Действие этих сил вызывает к моменту вылета снаряда из канала ствола поворот автомата относительно качающейся части зенитной установки. Отклонение канала ствола от расчетного направления воспринимается приводом наведения как ошибка в системе управления, которую привод пытается компенсировать. Возмущающие воздействия на привод наведения имеют место после каждого выстрела (для автомата АО-18 - с частотой 67.83 раз в секунду), что, в конечном счете, формирует вынужденные незатухающие угловые колебания пакета стволов относительно расчетной линии выстрела. Характер изменения ошибок наведения во время стрельбы односекундной очередью показан на рис.3. Максимальный диапазон ошибок составляет ±3 мрад в горизонтальной и ±5 мрад в вертикальной плоскостях наведения.
вдчИМ 11 ¡к Горизонт
Л,. л| И гУ 1 ■ к! ' 5 Й .44-1 / Вертикаль
"к ЧI1, Время __
<3-10 - —
Рис. 3. Угловые ошибки наведения орудия при стрельбе
Динамические силы выстрелов формируют не только угловые ошибки наведения орудия, но и угловые скорости поворота стволов орудия, а, следовательно, и линейные скорости дульного среза автомата. Как видно из рис.3, векторы этих скоростей по величине и направлению в течение очереди изменяются достаточно хаотично. Однако все они лежат в плоскости перпендикулярной к вектору скорости поступательного движе-
ния снаряда в канале ствола. Таким образом, возмущающее воздействие динамических сил выстрелов, связанных непрерывной очередью, формирует дополнительное рассеивание траекторий полета снарядов, что приводит к ухудшению кучности стрельбы.
Проведенное в настоящей работе изучение механизмов формирования рассеивания траекторий снарядов при стрельбе из высокоскоростного многоствольного зенитного автомата позволило:
- предложить решение по уменьшению промахов, вызванных разогревом и вращением пакета стволов;
- обосновать рекомендации по ужесточению требований к разбросу начальных скоростей снарядов отдельных стволов в технологическом процессе сбора стволов в пакет;
- обосновать рекомендации на разработку мер по гашению приводными устройствами колебаний стволов, вызванных динамическими силами выстрелов очереди.
Список литературы
1. Производственное объединение «Туламашзавод». - Официальный сайт www.tulamash.ru Интернет.
2. Коновалов А.А., Николаев Ю.В. Внешняя баллистика. М., ЦНИИ информации, 1979. 228 с.
3. Орлов Б.В., Ларман Э.К., Маликов В.Г. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий. М.: Машиностроение, 1976. 432 с.
4. ОАО Конструкторское бюро приборостроения. - Официальный сайт www.kbptula.ru Интернет.
Мельников Петр Николаевич, канд. техн. наук, вед. науч. сотр., peter@olvs.miee.ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Сазонов Алексей Александрович, канд. техн. наук, нач. отделения, als@olvs. miee. ru, Россия, Москва, Зеленоград, Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
SHOOTING FROM A HIGH-SPEED MULTI-BARRELLED ANTI-AIRCRAFT MACHINE
P.N. Melnikov, A.A. Sazonov
The aim of this work is the analysis of the characteristics and development of recommendations for increasing the accuracy of anti-aircraft fire from the high-speed multi-barrelled anti-aircraft artillery machine.
Key words: anti-aircraft fire from the high-speed multi-barrelled anti-aircraft artillery machine.
Melnikov Peter Nikolaevich, candidate of technical science, leading researcher, peter@olvs. miee. ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology,
Sazonov Aleksey Alexadrovich, candidate of technical science, head of department, als@olvs. miee. ru, Russia, Moscow, Zelenograd, National Research University of Electronic Technology
УДК 623.55.025
РАСЧЕТЫ ТРАЕКТОРИИ ПОЛЕТА АРТИЛЛЕРИЙСКОГО
СНАРЯДА
П.Н. Мельников, М.А. Терпигорев
Приведена методика перехода от табличного способа расчета траектории полета артиллерийского снаряда к расчету траектории полета снаряда способом численного интегрирования системы дифференциальных уравнений задачи внешней баллистики.
Ключевые слова: артиллерийская зенитная стрельба, вычислительная система.
Одна из основных задач, решаемых вычислительной системой артиллерийского зенитного комплекса - это задача встречи снаряда с целью. В свою очередь, ядро задачи встречи составляет задача прогнозирования траектории полета снаряда на произвольный отрезок времени в будущем. В большинстве зенитных комплексов, принятых в настоящее время на вооружение, прогнозирование траектории полета снаряда решается табличным способом. Для каждого разрабатываемого образца вооружения составляются оригинальные таблицы стрельбы, которые состоят из баллистических и поправочных таблиц. Ниже будет рассматриваться конкретный вариант наполнения таблиц, что не повлияет на общность результатов работы, но придаст материалу статьи большую стройность изложения.
В состав баллистических таблиц входят три таблицы:
г = ТТ(р,Щ; а = аф^у, Ь = Tpф,E), (1)
где т - двумерная таблица полетного времени снаряда в зависимости от полной дальности полета и угла места цели; а - двумерная таблица угла превышения в зависимости от полной дальности полета и угла места цели (вертикальная плоскость); в - двумерная таблица угла деривации в зависимости от полной дальности полета и угла места цели (горизонтальная плоскость).
Размер таблицы зависит от калибра артиллерийского орудия (для калибра 30 мм размер таблицы составляет около 200 значений). В связи с
