CC BY
61
It was analyzed precision muzzle velocity ofprojectile, using for forming of installation of shoting of small size artillery weapon offighting vehicles. Taking into account the real muzzle velocity it was suggested the way to improve precision shoting.
Key words: muzzle velocity of projectile, precision shoting, fighting vehicles, automatic gun, grenade launcher.
Bogdanova Liudmila Anatolievna, doctor of technical science, the head of a branch, [email protected], Russia, Tula, JSC «KBP»,
Borovikh Oleg Anatolievich, deputy general designer, the head of a department, khkedratula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»,
Shvets Lev Mikhailovich, General designer of complex weapons armored vehicles, khkedra tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»
УДК 623.52
СВЯЗЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОРАЖЕНИЯ С ОСНОВНЫМИ КОНСТРУКТИВНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ЗАРЯДА, ГИЛЬЗЫ, ОРУДИЯ И СНАРЯДА. ОЦЕНКА КЛАССИЧЕСКОГО И ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАТЕЛЬНЫХ ЗАРЯДОВ
Ю.С. Швыкин, А.В. Серегина
Рассмотрены основные взаимосвязи блоков системы «орудие - выстрел», влияющие на точность стрельбы. Приведена классификация типов проектирования метательных зарядов в зависимости от требуемых выходных характеристик. Показаны количественные и качественные различия баллистических параметров.
Ключевые слова: внутренняя баллистика: низкая, умеренная, высокая, классическая, оптимальная.
Вся история работы по созданию огнестрельного оружия характеризуется тенденцией непрерывного повышения дальности стрельбы. Во второй половине XX века сданная на вооружение АО «КБП» система имела максимальную дальность 17 км, в то время как для ряда орудий этот параметр вырос до 29...30 км, а для некоторых современных комплексов потребовалось увеличить это расстояние до 70 км. И это при обеспечении высокой боевой эффективности поражения цели при стрельбе неуправляемыми осколочно-фугасными снарядами во всем диапазоне дальностей стрельбы.
Задача заключается в оценке возможности достижения этой цели для существующих орудий и выстрелов к ним, а при получении неудовлетворительных результатов по боевой эффективности - в исследовании и
162
поиске путей существенного повышения боевой эффективности с учетом современных высокотехнологичных и точных способов создания конструкции как метательных зарядов, так и комплекса в целом.
Одним из объектов таких решений предполагается орудие калибра 152 мм, разрабатываемое АО «КБП» для комплекса вооружения. Очевидно, что исследования и предлагаемые решения для заданного орудия могут быть как в качественном, так и в количественном отношении применены к другим орудиям аналогичного класса.
Чтобы получить ответы на вопросы, как связана эффективность поражения с основными конструктивными параметрами заряда, гильзы, орудия, снаряда, и что надо делать, чтобы улучшить боевую эффективность поражения, обратимся к детальному анализу физических явлений, протекающих в момент выстрела. Рассмотрим основные блоки системы, оказывающие влияние на точность стрельбы: инициатор, воспламенитель, топливо, гильза, снаряд, ствол, откатные части, условия эксплуатации.
К последнему пункту относятся многие факторы: начальные температура и давление, изгиб ствола от нагрева солнца.
Конструктивные отклонения основных узлов будут оказывать влияние на выходные баллистические характеристики выстрела. Взаимосвязи между этими блоками, как показывают теория и практика отработки систем, будут значительно воздействовать и на случайные, и на систематические отклонения основных баллистических характеристик выстрела.
Для начала последовательно рассмотрим физическую картину влияния этих взаимосвязей на процесс выстрела.
1. Инициатор-воспламенитель
Назначение инициатора (капсюль-воспламенитель (КВ), электрокапсюль-воспламенитель (ЭКВ)) - обеспечить непосредсвенно зажжение заряда либо зажжение сначала воспламенителя при большой массе заряда. При этом для обеспечения стабильности выходных баллистических характеристик и, прежде всего, дульной скорости, необходимо иметь характеристику импульса давления инициатора близкой к постоянной величине не только по величине максимального давления пороховых газов инициатора, но и по времени работы. Резкий или растянутый по времени импульс давления может привести, с одной стороны, к дроблению воспламенителя или заряда при их малом своде, а, с другой стороны, при слабом по уровню давления, но длительном по времени импульсе давления - к прогреву наружных слоев заряда без их зажжения, а в дальнейшем - к их горению в начале процесса с высокой скоростью и получением недопустимо высоких уровней давления пороховых газов в канале ствола. Таким образом, важно получить надежные количественные зависимости влияния характеристик инициатора и их отклонений на зажжение, воспламенение заряда и, в конечном итоге, на выходные характеристики выстрела.
2. Инициатор (воспламенитель) - топливо
В продолжение явления выстрела в зависимости от особенностей инициатора, наличия форкамеры, ее положения относительно основного заряда, величины мощности воспламенительного заряда происходит различное по времени воспламенение заряда. Как правило, всегда существует неодновременность воспламенения всей поверхности заряда. Различие по этой характеристике от выстрела к выстрелу приводит к изменению формы кривой давления в заснарядном пространстве и к изменению дульной скорости снаряда.
3. Топливо - гильза
Эта взаимосвязь устанавливается через ряд параметров: объем гильзы, в котором в начальном периоде происходит горение и в значительной степени начало формирования уровня максимального давления, уширение гильзы, сказывающееся на величине распределения зерен заряда по длине заснарядного пространства, на величине тепловых потерь, идущих на нагрев гильзы и зависящих, в свою очередь, от габаритов и материала гильзы. Конструктивные отклонения этих параметров гильзы приводят, в конечном итоге, к изменению скорости снаряда.
4. Гильза - снаряд
Здесь взаимосвязь обеспечивается завальцовкой снаряда в гильзу. От конструктивных особенностей узла завальцовки (канавок, их числа, глубины, ширины, материала гильзы и снаряда, технологии завальцовки (допусков на усилие обжатия) зависит усилие развальцовки, а, следовательно, характеристики так называемого пиростатического периода внутренней баллистики. Вышеуказанные конструктивные отклонения узла за-вальцовки будут влиять на внутрибаллистические характеристики выстрела, на его дульную скорость. Следует отметить влияние радиальной разно-сводности, толщины стенки гильзы и глубины канавки, по которой проходит развальцовка, которые могут привести к угловому развороту снаряда при врезании ведущего пояска в нарезы. Вследствие этого могут быть сформированы нарезы не только на ведущем пояске, но и на части обечайки снаряда. Возникающие при этом силы сопротивления, трения приведут не только к изменению дульной скорости, но и к покиданию снарядом ствола под углом относительно оси канала ствола.
5. Гильза - ствол
Данная взаимосвязь должна количественно определить возможность прорыва газа между патронником и гильзой во времени, а также переход тепла от гильзы к патроннику или от патронника к гильзе при стрельбе и влияние этого периода на баллистические характеристики выстрела.
6. Снаряд - ствол
При движении снаряда по стволу появляются многочисленные взаимосвязи, порождающие целый ряд силовых взаимодействий: сила сопротивления при врезании ведущего пояска в нарезы, ведущая к формирова-
нию на ведущем пояске нарезов, трение снаряда, его ведущего пояска, центрирующих утолщений о стенки по полям, дну нарезов, их боковым стенкам либо по гладкой поверхности ствола (гладкоствольная пушка); сила на боковую грань ствола, приводящая к вращению снаряда.
7. Тепломеханическое рабочее тело (пороховой газ) - инициатор, воспламенитель, заряд, гильза, снаряд, ствол
Эта взаимосвязь, по существу, главенствующая в рассматриваемой системе, она связывает источники энергии с энергопоглотителями: снарядом, стволом, гильзой. За счет этих взаимодействий происходит преобразование полной потенциальной энергии инициатора, воспламенителя, заряда в тепловую энергию ТМТ и далее ее преобразование в кинетическую энергию собственно снаряда (поступательную и вращательную), деформационную энергию гильзы, ствола, снаряда (прежде всего ведущего пояска) и газа, в нагрев всей конструкции при выстреле, а также в кинетическую энергию проталкивания воздушного столба перед снарядом.
8. Условия эксплуатации (внешние условия)
К последнему пункту относятся многие факторы: начальные температура и давление, изгиб ствола от нагрева солнца. Условия эксплуатации в целом оказывают влияние на все компоненты системы «выстрел -ствол», однако в одностороннем порядке. Воздействуя и существенно изменяя параметры ствольного комплекса, сами различные внешние условия полностью автономны от узлов орудия. Вследствие этого условия эксплуатации учитываются при определении вероятного отклонения баллистических параметров (так называемое температурное смещение начальной скорости).
Рассмотрение влияния всех представленных выше взаимосвязей на базе математических моделей и на их основе количественных соотношений между кучностью и первичными параметрами системы является предметом целого ряда статей.
Полная схема взаимосвязей показана на рис. 1.
При выборе рационального баллистического решения по орудию представляется необходимым выбрать показатель оптимального внутри-баллистического решения по выстрелу. Исходя из условия обеспечения максимальной боевой эффективности комплекса (максимальной вероятности поражения цели), таким показателем по внутрибаллистическим характеристикам является принятое в артиллерии срединное (вероятное) отклонение начальной скорости гу, м/с. Вероятное отклонение гу, опираясь на теорию вероятностей, определяется через среднее квадратичное отклонение как гу ~ 2/3 о ~ 0,675 о, которое, в свою очередь, находится через отклонения конструктивных параметров системы при знании законов их распределения.
Итак, задача сводится к нахождению зависимостей гу = Г (марки топлива, формы, размеров топливных элементов, начального объема зарядной каморы (гильзы), массы снаряда и усилия сопротивления его движению, откатных частей) при сохранении неизменными таких характери-
стик, как длина ствола, непревышение уровня максимального давления при выстреле. Стрельба проводится в заданном температурном диапазоне эксплуатации от + 60 до - 50 оС с учетом случайных отклонений по температуре выстрела.
Рис. 1. Взаимосвязь основных узлов
С точки зрения внутренней баллистики существуют, по крайней мере, два способа проектирования метательного заряда.
Это, во-первых, классическое проектирование. Основная особенность этого способа заключается в том, что толщина горящего свода продукта назначается таким образом, чтобы полное сгорание пороха по длине ствола осуществляется при отрицательной температуре - 50 оС на (0,7...0,9) 1д (где 1д - длина ствола). В данном случае явление выстрела для любого спроектированного заряда состоит из четырех периодов: пироста-тического, первого пиродинамического, второго пиродинамического, периода последействия. В первом пиродинамическом периоде происходит горение пороха с последующим газообразованием, момент перехода первого периода во второй характеризуется полным сгоранием продукта, и во втором пиродинамическом периоде движение снаряда по каналу ствола происходит без горения пороха, за счет работы расширения уже имеющихся пороховых газов.
А теперь обратимся ко второму способу проектирования метательного заряда. Это оптимальное проектирование. Его главная отличительная черта - наибольшее максимальное давление в канале ствола всегда асимптотически стремится к заданному по техническим условиям максимальному. При таких условиях проектирования более полно используются технические ресурсы орудия.
Анализ результатов показывает: в рамках классической внутренней баллистики, когда полное сгорание пороха по длине ствола осуществляется при отрицательной температуре - 50 оС на (0,7.0,9) 1д, величина гу в за-
166
висимости от требований по дульной скорости и дальности стрельбы находится в пределах 0,2...0,3 %. Для исследования взяты три типа баллистических кривых:
- низкая баллистика, характеризующаяся дульной скоростью, равной 350 м/с (рис. 2);
- умеренная баллистика, где дульные скорости находятся в диапазоне от 350 до 600 м/с (рис. 3);
- высокая баллистика с дульными скоростями от 600 до 1000 м/с.
На этих и последующих рисунках приняты обозначения:
Ркан - давление пороховых газов на дно канала ствола, кгс/см2,
Мотн - относительное количество сгоревшего продукта,
Уизд - скорость изделия, м/с,
Ьизд - перемещение изделия по каналу ствола, см.
Рис. 2. Выходные характеристики выстрела с дальностью 9 км при классической баллистике (Уизд = 350 м/с - низкая баллистика)
5 й а 45 в| 403: 35<Э| зов;
35в| 20 Я>\ 150^ 10«!
в"
Оизэ 500;
450;
зэе;
ЗВ0
азе; 2№ 15о;
100;
50; 0
Нотн 1 . в
0.?;
0.0
0.7
0.6
0.5
0. 4
0.3
в.г
В.1 0.0
700
500 400 300 200
/
0. 000
0.035
а. виз
0.015
0. 020
0.025
Рис. 3. Выходные характеристики выстрела с дальностью 12 км при классической баллистике (Уизд = 450 м/с - умеренная баллистика)
Отметим, что в случае высокой баллистики появляются сложности с обеспечением необходимой дульной скорости при существующих ограничениях по величине максимального давления пороховых газов в канале ствола и по перемещению снаряда. Таким образом, необходимую скорость можно обеспечить несколькими способами. Во-первых, при сохранении относительно небольшой толщины свода за счет увеличения уровня максимально допустимого уровня давления пороховых газов. Во-вторых, за счет увеличения длины ствола, позволяющей при заданном давлении увеличить толщину горящего свода. В-третьих, за счет увеличения начального объема зарядной каморы.
Все эти методы нельзя в полной мере назвать эффективными. Во всех случаях произойдет значительное изменение конструкции орудия, сопровождающееся ростом массы ствола, откатных частей и т.д., что приведет к увеличению габаритов и понижению рабочих характеристик артиллерийской системы. С другой стороны, при высокой дульной скорости снаряда будут увеличены ее температурное смещение (разница показателя при крайних значениях положительной и отрицательной температур), вероятное отклонение, разбросы по дальности стрельбы, что в конечном итоге приведет к росту количества боеприпасов, необходимых для поражения цели.
В настоящее время при проектировании метательных зарядов к артиллерийским орудиям наблюдается устойчивая тенденция (впервые было применено при проектировании ряда изделий разработки КБП) по наиболее полному использованию ресурсов орудия и снаряда с рабочим давлением пороховых газов на уровне, близком к максимально допустимому. Это позволяет за счет использования тонкосводных порохов добиться так называемой острой (оптимальной) баллистики, при которой будет обеспечено снижение вероятного отклонения дульной скорости и ее чувствительности к температуре эксплуатации.
На рис. 4 приведены баллистические характеристики вариантов метательных зарядов оптимальной баллистики для дальностей стрельбы 9, 12 и 16 км в рамках заданных ограничений по предельному уровню максимального давления пороховых газов на дно канала ствола (3000 кгс/см2) и для дальности стрельбы 20 км с повышенным до 4000 кгс/см2 предельным давлением (рис. 5). Обеспечение необходимой скорости при давлении не более 3000 кгс/см2 не представляется возможным, так как продукт со значительной толщиной свода не сгорает во время выстрела. Также приведено баллистическое решение с обеспечением дальности 20 км с повышением предельного давления до 4500 кгс/см2 (рис. 6) с целью определения возможного упрочнения ствола, снаряда, гильзы и других компонентов комплекса вооружений.
а
б
в
Рис. 4. Баллистические характеристики выстрелов оптимальной баллистики с дальностями 9 (а), 12 (б) и 15 (в) км
Рис. 5. Выходные характеристики выстрела с дальностью 20 км при баллистике, близкой к оптимальной, с предельным давлением 4000 кгс/см2
Рис. 6. Выходные характеристики выстрела с дальностью 20 км при баллистике, близкой к оптимальной, с предельным давлением 4500 кгс/см2
Приведенные графики показывают качественную и количественную разницу между метательными зарядами, спроектированными по оптимальному и классическому пути. Очевидно, что классика отличается острым характером, а оптимальность - более полным заполнением индикаторной диаграммы. Соответственно задача, стоящая перед современными создателями топливных составов и проектировщиками метательных зарядов, заключается в применении современной оптимальной баллистики с сохранением, а в перспективе и с улучшением показателей по точности стрельбы.
Швыкин Юрий Сергеевич, д-р техн. наук, проф., заместитель начальника управления, khkedr a tiila.net, Россия, Тула, АО «КБП»,
Серегина Алина Владимировна, канд. техн. наук, ведущий инженер-исследователь, khikedr a tiila.net, Россия, Тула, АО «КБП»
THE CONNECTION OF EFFECTIVENESS OF DESTRUCTION WITH BASIC CONSTRUCTIVE PARAMETERS OF CHARGE, CARTRIDGE, GUN AND SHELLS. THE CLASSIC AND OPTIMAL PROJECTION ASSESSMENT OF A PROJECTILE CHARGE
U.S. Svikin, A.V. Seregina
The basic influencing for exact firing correlations of module system "gun - shot" is considered, the classification of projection's types of missile charge depended on required exit descriptions is brought, the quantitative and qualitative differences of ballistic parameters are shown.
Key words: ballistics: low, moderate, high, classic, optimal.
Shvikin Yuriy Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, kbkedratula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»,
Seriegina Alina Vladimirovna, candidate of technical sciences, senior engineer, kbkedratula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»
УДК 623.52
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ (МАССА ЗАРЯДА, СНАРЯДА И Т.Д.) НА ВЕРОЯТНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ ДУЛЬНОЙ СКОРОСТИ В УСЛОВИЯХ НИЗКОЙ
И УМЕРЕННОЙ БАЛЛИСТИКИ ПРИ ОПТИМАЛЬНОМ И КЛАССИЧЕСКОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ
Ю.С. Швыкин, А.В. Серегина
Приведены оценка и анализ влияния первичных конструктивных параметров системы «орудие - выстрел» на вероятное отклонение дульной скорости в зависимости от типа проектирования метательного заряда.
Ключевые слова: внутренняя баллистика, дульная скорость, вероятное отклонение.
Как известно из теории и практики проектирования метательных зарядов к артиллерийским системам, одним из наиболее существенных критериев эффективности комплекса является точность стрельбы. Применительно к внутренней баллистике данный параметр определяется вероятным отклонением дульной скорости и ее температурным смещением.
171
