Учет в баллистической подготовке артиллерийского комплекса деформаций ведущего пояска снаряда при выстреле Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 623.52

1 2 В.Е. Слуцкий , А.А. Зайцев

УЧЕТ В БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ АРТИЛЛЕРИЙСКОГО КОМПЛЕКСА ДЕФОРМАЦИЙ ВЕДУЩЕГО ПОЯСКА СНАРЯДА ПРИ ВЫСТРЕЛЕ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1,

Открытое акционерное общество «Центральный научно-исследовательский институт

«Буревестник»2

При решении задач внутренней баллистики неизбежно приходится осуществлять согласование решения с экспериментальными данными с помощью согласующих коэффициентов. Явления контакта ведущего пояска снаряда с каналом ствола зачастую при написании моделей не учитывается. В связи с этим требуется согласование для каждого состояния ствола в зависимости от его износа или нагрева, что не позволяет использовать модель в качестве бесстрельбовой методики баллистической подготовки орудий.

Предлагаемая методика позволяет осуществить согласование с экспериментом только один раз, подбирая параметры под поставленную партию зарядов и используя их при стрельбе этой партии из орудий, имеющих различный износ и нагрев ствола в процессе стрельбы.

Ключевые слова: Баллистическая подготовка, внутренняя баллистика, ведущий поясок снаряда.

В составе ошибок стрельбы, определяющих эффективность поражения целей артиллерийскими комплексами, ошибка баллистической подготовки является одной из важнейших. Одной из задач баллистической подготовки является определение поправок на отклонение начальной скорости снаряда из-за износа канала ствола и свойств партии для отдельного орудия. В настоящее время этот класс задач решается методами внутренней баллистики с использованием допущений, принятых ОСТ В3-3296-85 "Метод внутрибаллистического расчета". В статье предлагается усовершенствование метода путем использования при решении задачи внутренней баллистики:

• анализа внедрения ведущего пояска снаряда в канал ствола при досылке снаряда в ствол;

• определения величины давления, обеспечивающего обмятие ведущего пояска (давления форсирования) и длины участка, на котором осуществляется обмятие пояска, и, соответственно, сопротивления движению снаряда на этом участке;

• определения величины раскручивающего снаряд момента и возникающей силы сопротивления движению снаряда (силы трения).

Глубина внедрения снаряда при досылке и соответствующее изменение объема каморы осуществляются решением задачи определения точки контакта ведущего пояска снаряда с поверхностью изношенного ствола и деформации ведущего пояска при внедрении его в ствол. При решении задачи определения точки контакта используется представление измеренной площади канала ствола аппроксимирующим кусочно-кубическим сплайном, а задачи внедрения решением задачи Ляме при воздействии на кольцо внутреннего давления рвн (от корпуса снаряда) и внешнего давления рнар (от поверхности канала ствола). Глубина внедрения определяется зависимостью

г™ _

Лдос ~

У

Uдос

К- Кар ■ (/врез +Г)- Pl

нар у*1 врез

На поверхности контакта при досылке действует давление

© Слуцкий В.Е., Зайцев А.А., 2014.

т пл т

Рк = Рт + Рк = Рт +

2•к2-х

__Е • хпл •

(1 - к2) • (1 -к2) • Яен ' дос'

Рт =

^т • к2 • (1 - к2)

[1 + 3к2 -к-(1 - к2)]

йБ / йх

йБ

У = -0,5 • — = --•

йх 2у/л • Б(х*)

где ^дос - энергия, получаемая снарядом при досылке; £(х) - профиль площадей поперечных сечений канала по длине трубы по результатам измерений диаметров канала ствола по полям и нарезам.

Характеристики ведущего пояска:

^нар = ^впмах/2 - максимальный наружный радиус;

Явн = ^оп/2 - внутренний радиус опорной поверхности;

ат - предел текучести материала;

Еу - модуль упругости материала;

Е{ - модуль упрочнения на участке пластичности;

к - коэффициент Пуассона;

/врез - коэффициент трения при контакте ведущего пояска с каналом ствола; у - угол конусности на поверхности контакта.

При решении задачи контакта и деформирования ведущего пояска снаряда используется схема взаимодействия ведущего пояска и канала ствола, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Схема взаимодействия ведущего пояска и канала ствола

Снаряд движется под действием баллистического давления р с ускорением Хсн и под

действием спирали нарезки вращается с ускорением а . На ведущий поясок действуют:

- сдвигающая сила со стороны корпуса снаряда Тсдв = р ■ 8Корп - тси ■ Xсн;

- вращающий момент

г ■■ т <3а -2 с!2а. Мвр =3 т-а = (Хсн - — + ХСН- —);

ах ах

- контактное давление рк между поверхностью канала ствола и ведущим пояском, определяемое по величине деформации пояска, стенок ствола и снаряда;

М,

- контактное давление на гранях нарезов

Рнар

нар Я • п • Ь • к

ср вп вп

- сила трения на контактных поверхностях Тк = (/ + у) ■ [ рк ■ + ((/ + Я ■ --—;

I Яср

- баллистическое давление р на заднюю поверхность пояска;

- массовая сила рвп ■ Хсн, равномерно распределенная по объему пояска.

С целью упрощения решения примем, что взаимодействие баллистического давления и массовых сил эквивалентно обжатию ведущего пояска в осевом направлении давлением

= Р^-шсн-Хсн Рг Б '

При движении снаряда по стволу возникает контакт между его корпусом и поверхностью канала ствола. Контакт осуществляется по ведущему пояску снаряда, осуществляющему уплотнение пороховых газов в заснарядной полости, и дополнительной опорной поверхности. Для калиберных снарядов в качестве дополнительной опорной поверхности обычно выступает опорный поясок, располагающийся впереди ведущего пояска на расстоянии 1..1,5 калибра. Для бронебойных подкалиберных снарядов опорная поверхность обычно располагается сзади от ведущего пояска, но имеются конструкции, в которых дополнительных опорных поверхностей две, и они располагаются спереди и сзади от ведущего пояска.

Сопротивление движению снаряду происходит за счет пластической деформации ведущего пояска при формировании поверхности уплотнения и трения, возникающего при контакте ведущего пояска и дополнительной опорной поверхности с поверхностью канала ствола. Для новых стволов при первых выстрелах процесс формирования ведущего пояска осуществляется на начальном участке движения снаряда (участке входа в калиберную часть ствола). Для стволов, имеющих износ и разогретых предшествующими выстрелами, канал ствола приобретает коническую форму, и формирование ведущего пояска происходит на значительном участке движения снаряда, нередко по всей длине ствола.

Для целей решения задач внутренней баллистики ограничимся рассмотрением контакта ведущего пояска снаряда с поверхностью канала ствола, трение на котором составляет основную часть сопротивления движению.

Как показали детальные расчеты, нагруженный контакт ведущего пояска снаряда с поверхностью канала ствола происходит на всем протяжении ствола, даже после завершения формирования ведущего пояска, вследствие упругого расправления стенок канала ствола и корпуса снаряда. Это упругое поджатие вполне компенсирует износ поверхности контакта ведущего пояска.

Для нарезных стволов в процессе формирования поверхности уплотнения, формируются нарезы, осуществляющие закрутку снаряда при ведении по стволу. Сравнивая формирование ведущего пояска снаряда в нарезных и гладких стволах, для целей оценки сопротивления движению снаряда можно принять, что деформирование пояска в нарезных и гладких стволах происходит эквивалентно. Это обусловлено тем, что формирование пояска происходит в условиях глубокой пластики, а объем металла заполняющего нарезы не превышает 20% суммарного объема пояска, поэтому формирование профиля нареза не выделяется в отдельную задачу.

Анализ напряженно-деформированного состояния пояска производится при следующих допущениях:

- поля напряжений и деформаций ведущего пояска принимаются осесимметричными;

- п 2 ^

- диаметр контактной поверхности принимается равным: ик = —;

- в процессе перемещения снаряда по стволу под действием контактного давления происходит упругая деформация стенок ствола и корпуса снаряда, оцениваемая по формулам Ляме плоских сечений толстостенных цилиндров;

- в процессе перемещения снаряда по стволу происходит износ ведущего пояска снаряда, отражающий вынос металла и увеличение диаметра контактирующей поверхности канала под действием баллистического давления за снарядом.

Определение давления контакта на участке формирования ведущего пояска осуществляется на основании решения уравнения = /(еД согласования эквивалентных напряжений в теле пояска с эквивалентными деформациями, в соответствии с истинной диаграммой деформирования материала пояска.

Схемы действия напряжений и деформаций в теле ведущего пояска представлены на

рис. 2.

Схема напряжений б)

а)

Рис. 2. Схемы действия напряжений и деформаций в теле ведущего пояска:

а - на верхней поверхности контакта; б - у основания нареза

Для вычисления эквивалентных напряжений и деформаций используются следующий алгоритм.

Перемещения деформируемого объема вычисляются:

вдоль радиуса и = ^ ~ В \ ■ (г - ^) - (пствв +Псн) • рк - Дм ^;

(Ввп иоп) 2 2

вдоль образующей у=0;

вдоль направляющей w определяется перемещением выдавливаемого объема металла + -^)В ■ {%тв +Лнп)■ Рк-*■ В -Д]■ дд = ■ дп + *■ ; Величина деформаций в зоне контакта на верхней поверхности пояска:

ды 2 ■ ик дп ды дп

^г — ; ^р п ; е г , <-; Угг ( — <- — );

дг В ад дд дг

е =

3

Напряжения, действующие в зоне контакта на верхней площадке пояска

°г=-Рк,

р ■ - тсн ■ X ¿к

= (Рк + Рг);

*гг = (У + 1вр ) ■ Рк ;

=

После завершения формирования ведущего пояска устанавливается упругое равновесие между сжатым корпусом снаряда и распертыми стенками ствола, аналогичное прессовой

посадке. Соответствие между размерами внедряющихся тел и контактным давлением записывается следующим образом: (-Пк -Пк ■А'и) = 2 ■ (Л'ств +^сн)' Рк; ЛтЛен - податливость ствольной трубы и корпуса снаряда при действии контактного давления; Ди - радиальный износ ведущего пояска в процессе движения по стволу; ВСфор - диаметр сформированного пояска.

Параметры сопротивления движению снаряда по стволу определяются по зависимостям

Р ПРи Хсн = К и Р < Рфп

- давление форсирования и сопротивления дви-

Рфп О

жению по стволу;

Рфп = Tk / S =

при Хсн < 4„ ПриХсн > 4,

2(fep +r) Js

■ f Pk + f + Rcp ■ ; - давление внУтРи кана-

J dx n 4

M

RcP ■ S'

ла ствола, преодолевающее силу сопротивления движению снаряда по стволу.

Рфп = Ро ■ Бкан - усилие сопротивления движению снаряда.

В соответствии с предлагаемым алгоритмом были проведены контрольные расчеты для гладких и нарезных стволов танковой и полевой пушки.

Для неизношенного ствола была получена хорошая сходимость результатов по форме кривой давления, величине начальной скорости и максимальному давлению при близких коэффициентах согласования.

На рис. 3 приведена кривая контактного давления ведущего пояска на поверхность канала ствола при различном износе ствола.

350

ГО [=

Т

ф

С m го <=L

300

250

200

150

100

50

1 1 1 II II II pbalMPa pkontsr(H3Hoc 1,7 мм),МНэ — pkontsr (износ035мм),МРа

J \

/ \

/ 4 Г\ П1

| \ 1 т \

ч S. -П

0 1 2 3 4 5 6 7

Расстояние от казенного среза, м

Рис. 3. Изменение контактного давления ведущего пояска в зависимости от износа трубы

(изделие 2А46М, осколочно-фугасный снаряд)

Проведенные расчеты показали, что определяющим фактором потери начальной скорости в изношенном стволе является существенное удлинение участка формирования нарезов. В сильно изношенных стволах из-за конуса, вызванного износом, они переформируются практически на всем пути движения снаряда. Увеличение объема зарядной каморы, используемое в типовой методике расчета, дает только 20..30% от полной потери V0 при износе ствольной трубы.

В табл. 1, в качестве примера представлены данные расчетов изменения начальной скорости снаряда 3БМ42 по представленной и типовой методикам, в сравнении с табличными данными.

Таблица 1

Данные сравнения проведенных по методике расчетов изменения начальной скорости снаряда 3БМ42 в зависимости от износа ствола с расчетами по типовой методике для изделия 2А46М

Износ ствола, мм 0 0,4 1,0 1,67 2,8

Потеря ДV0,% (расчет по предложенной методике) 0 0,1 0,8 1,73 3,19

Потеря ДУ0,% (расчет по типовой методике) 0 0,06 0,20 0,42 1,16

Потеря ДУ0,% табличная 0 0,4 0,8 1,34 2,74

Выводы

1. В изношенном стволе формирование ведущего пояска и, соответственно, повышенное сопротивление движению снаряда происходит на значительном участке движения снаряда по стволу, а для сильно изношенного ствола практически до дульного среза. Это сопротивление, в основном, и определяет потерю начальной скорости снарядом.

2. Предлагаемое усовершенствование методики внутрибаллистического расчета позволяет выполнить учет в баллистической подготовке артиллерийского комплекса деформаций ведущего пояска снаряда при выстреле и обеспечить преемственность данных по параметрам выстрела для всех труб с различным износом.

Дата поступления в редакцию 11.12.2014

V.E. Slutsky1, A.A. Zaycev2

ACCOUNTING FOR DEFORMATIONS OF THE ROTATING BAND DURING FIRING IN THE BALLISTIC PREPARATION OF ARTILLERY SYSTEMS

Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev1, Joint Stock Company "Central Research Institute "Burevestnik"2

Solving the internal ballistics problems it is necessarily to perform a correlation of the computation result with experimental data by applying correlation coefficients. When the model is being written, the effects of driving band contact with the barrel bore are often neglected. Therefore the correlation is necessary for every barrel state depending on its ware rate and heat. That means the model cannot be used as a non-firing method of gun ballistic preparation.

The proposed procedure enables to perform the correlation with the experiment only once, matching the parameters to the delivered lot of charges and using them when firing this lot from the guns with different ware rate and heat value.

Key words: Ballistic preparation, internal ballistic, driving band.