CC BY
13
УДК 620.197
УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ДВИЖЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОД ВОДОЙ
И. В. Сидоров1, В. А. Власов2, Н. Е. Стариков3
1,2,3 Тульский государственный университет, Тула, Россия
1zorge1243@gmail.com
2vvaspv@mail.ru 3starikov_taii@mail.ru
Аннотация. Актуальность и цели. Создание средств поражения на новых физических принципах является важным фактором улучшения их характеристик. Предметом исследования является установка для исследования движения стержней различных конструкций под водой. Цель работы - разработка оптимальной конструкции экспериментальной установки гидростенда для стрельбы под водой. Материалы и методы. Для получения мощного импульса, необходимого для разгона и движения стержня под водой, исследования эффективности его применения, предлагается экспериментальная установка для разгона и замера параметров движения стержней различной конструкции без производства реальной пороховой стрельбы. Результаты. Смонтирована электромагнитная установка по принципу пушки Гаусса. Разработан и изготовлен компактный, удобный в работе водный бассейн (труба) для изучения поведения стержней при движении в воде с замером эффективности пробития различных преград. Выводы. Применение разработанной экспериментальной установки представляет возможность исследовать движение различных стержней без воздействия на водную среду порохового газа.
Ключевые слова: электромагнитный ускоритель масс, гидростенд, эффективность выстрела, соленоид, электролитический суперконденсатор, стержни различных калибров
Для цитирования: Сидоров И. В., Власов В. А., Стариков Н. Е. Установка для исследований движения стержней различных конструкций под водой // Вестник Пензенского государственного университета. 2022. № 4. С. 103-108.
Введение
Создание средств поражения на новых физических принципах является перспективным направлением повышения их характеристик.
Таким направлением, бесспорно, является применение электромагнитных устройств, работающих по принципу Гаусса. Пушка Гаусса - одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс, названа по имени немецкого ученого Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма.
В общем случае сама пушка состоит из соленоида, внутри которого находится ствол, как правило, из диэлектрика. В один из концов ствола вставляется снаряд, сделанный из ферромагнетика. При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида (рис. 1).
© Сидоров И. В., Власов В. А., Стариков Н. Е., 2022
103
Рис. 1. Принцип действия электромагнитного ускорителя масс: 1 - снаряд из ферромагнетика или намагниченного тела; 2 - магнитное поле; 3 - катушки индуктивности
Для стабильной работы устройства в соленоид встраивают фотодатчик, который фиксирует наличие пули внутри и передает сигнал на другой такой же соленоид [1]. Подобная схема увеличивает коэффициент полезного действия на один выстрел. В данном случае, чтобы упростить работу устройства, мы применяем один разгонный блок с мощными геометрическими и эксплуатационными данными.
Материалы и методы
Для получения мощного импульса необходимо соблюдение баланса в энергии заряженных конденсаторов и геометрических параметров катушки индуктивности [2]. Время срабатывания фотодатчика также влияет на эффективность работы устройства. Необходимо экспериментально подобрать время так, чтобы пуля не задерживалась в катушке и не возвращалась назад при выстреле.
Основные ТТХ, которые необходимо получить при монтировании пушки к гидростенду:
• скорость пули V = 200 м/с;
• удаленное питание 12 В;
• рабочее напряжение 2,5...200 В;
• масса устройства 20 кг;
• габариты устройства 600x200x50 мм;
• калибр: 12,7 мм, 5,45 мм, 7,62 мм, 4,5 мм.
Для решения поставленной задачи намечена реализация следующих направлений работ:
1) разработка экспериментальной установки разгона и замера параметров движения стержней различной конструкции без производства реальной пороховой стрельбы;
2) разработка компактного, удобного в работе водного бассейна (трубы) для изучения поведения стержней при движении в воде с замером эффективности пробития различных преград;
3) определение основных факторов, влияющих на характеристики полета стержней, и их влияние на пробитие преграды;
4) разработка методики проведения испытаний.
Далее изложены результаты проделанной работы по первому и второму направлениям исследований.
На первом этапе в лаборатории кафедры СПВ смонтирована электромагнитная установка по принципу пушки Гаусса (рис. 2).
Рис. 2. Электромагнитная установка: 1 - блок конденсаторов; 2 - разгонный блок; 3 - ствол
Представленная установка состоит из катушки соленоида, через который проходит стеклотекстолитовая калиброванная труба (ствол), в которую вставляется и фиксируется металлический снаряд (стержень). Чтобы произвести выстрел, к соленоиду подключается заряженный конденсатор большой емкости с низким рабочим напряжением. В соленоиде возникает электромагнитное поле, которое в момент протекания импульса разрядного тока от конденсатора втягивает снаряд в соленоид и разгоняет его.
Одним из важнейших элементов установки является источник питания, представляющий собой сборку из электролитических суперконденсаторов (ионисторов), который в нашем случае заряжается через аккумулятор. Дальнейшая задача заключается в том, чтобы разрядить весь накопленный заряд в катушку через мощный ключ и схему управления этим зарядом, принцип которого основан на мощных полевых ЮБТ-транзисторах. В результате созданное магнитное поле передаст ферромагнитному стержню определенное ускорение.
По сравнению с обычным стрелковым оружием разработанная нами установка для разгона стержней обладает рядом преимуществ, связанных с возможностью стрельбы стержнями различных калибров и масс с использованием сменных стволов, на которые намотан провод. С такой установкой удобно работать в обычной аудитории, рядом с компьютером, исключается необходимость работы в тире с его режимами стрельбы. Устройство позволяет менять скорость в зависимости от задачи, путем добавления мощных конденсаторов или выбором оптимальной катушки индуктивности.
На втором этапе работы был собран опытный бассейн в виде четырехметровой толстостенной пластиковой трубы, в которую заливается вода и по траектории полета стержней располагается канал из разрезных металлических труб, сваренных между собой толстой арматурой для фиксации их положения в воде (рис. 3). Конструкция закреплена на разборном металлическом постаменте-раме, при желании ее можно снять. Такое решение дает возможность вставить между пролетами труб листы и сборки из различного материала для оценки пробития. Установку при необходимости возможно удлинить до 10 м. Трубы снимаются вместе с металлическими блоками.
Рис. 3. Бассейн для испытаний движения стержней: 1 - корпус; 2 - отверстия; 3 - место входа ствола; 4 - кран слива воды
Труба заполняется водой и прокладками между разрезными трубами через каждые 0,5 м через отверстия. Слив воды происходит через шаровый кран, центральный вход служит для установки в него ствола-установки, и он закрывается фольгой с внутренней стороны перед каждым выстрелом. Все контакты устройства изолированы и представляют собой замкнутый электрический рабочий контур, куда вода не сможет попасть. В стволе не имеется затворной группы, поэтому заряжаемый стержень будет фиксироваться на определенном расстоянии от начала катушки посредством небольшого трения. На данном этапе изготавливать магазин для стержней нецелесообразно (требует значительной отладки всей системы).
Установка монтируется с наружной стороны с креплением ствола в центральное отверстие трубы (рис. 4).
Рис. 4. Крепление установки на стенд
Обеспечение эффективной стрельбы из обычного стрелкового оружия под водой -весьма непростая задача, а исследование выстрела, поведения стержня и его пробивных способностей осложняется тем, что одновременно происходит выброс порохового газа в воду [4].
Результаты
В разработанной установке процесс разгона стержня осуществляется вне водной среды, а вход в воду происходит после пробития защитной преграды в виде тонкой фольги, что окажет слабое воздействие на стержень. Кроме того, металлическая внутренняя труба позволяет говорить о безопасности работы при полете стержня во внутренней полости трубы. Установка имеет возможность поставить на пути стержня преграду из различных материалов и на различной длине полета, что позволит наблюдать процесс пробития и фазы полета [4].
Скорость стержня во многом зависит от мощности блока конденсаторов. Установка на рис. 4 позволяет получать скорость до 80 м/с. Для работы со скоростями до 200 м/с были заказаны и получены конденсаторы большой емкости (рис. 5).
Рис. 5. Датчик скорости: 1 - датчик; 2 - конденсаторы; 3 - разъем
Для замера скоростей выстрела имеется датчик скорости, который устанавливается на внешней стороне трубы после дульного среза ствола на любом участке гидростенда.
В дальнейшем для проведения испытаний потребуется продумать и изготовить стержни различных конструкций с учетом опыта создания известных пуль для подводной среды, например пули от пистолета СПП-1 и подводного автомата АПС и их укороченные версии. В качестве материала для изготовления будет использоваться сталь 30 ХГСА как наиболее распространенный вид конструкционной стали; данную сталь легко обрабатывать и подвергать всевозможной термической обработке (рис. 6).
--_____! 2
Рис. 6. Внешний вид патронов: 1- патрон автомата АПС; 2 - патрон пистолета СПП
Изготовление пуль обеспечивается токарным способом до процесса закаливания. В программе «SoMWorks» подобраны габаритные размеры будущих боеприпасов с разной геометрией для получения статистических данных (рис. 7).
Рис. 7. Разработанные стержни из стали 30 ХГСА для испытаний на разработанном гидростенде
Заключение
Применение разработанной экспериментальной установки представляет редкую возможность исследовать движение различных стержней без воздействия на водную среду порохового газа, а также оценить возможность в будущем использовать ее для разгона поражающих элементов других боеприпасов, таких как СП-3, СП-4.
Список литературы
1. Буль О. Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM : учеб. пособие для вузов. М. : Академия, 2005. С. 191.
2. Замятин В. Я., Кондратьев Б. В., Петухов В. М. Мощные полупроводниковые приборы : справочник. М. : Радио и связь, 1988. С. 336.
3. Власов В. А., Володин Ю. Б., Грязев М. В., Патрикова Е. Н. [и др.]. Конструкции оружия и систем вооружения : учебник. Тула : Изд-во ТулГУ, 2014. 468 с.
4. Платонов Ю. П. Термогазодинамика автоматического оружия. М. : Машиностроение, 2009. 356 с.
Информация об авторах Сидоров Илья Владимирович, аспирант, Тульский государственный университет.
Власов Виктор Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Стрелково-пушечное вооружение», Тульский государственный университет.
Стариков Николай Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Стрелково-пушечное вооружение», Тульский государственный университет.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
