Наствольное газодинамическое устройство
DIRECT-EXPANSION GAS-DYNAMIC DEVICE

Изобретение относится к области стрелково-пушечного вооружения и может быть использовано для снижения силы отдачи пороховых газов при выстреле, и снижения их негативного воздействия на боевой расчет в периоде последействия.
Повышение могущества стрелково-пушечного вооружения приводит к существенному увеличению силы отдачи. Одним из инструментов ее снижения являются наствольные газодинамические устройства. При этом основным негативным следствием использования таких устройств является формируемое ими избыточное давление ударной волны, которое может превышать значения, установленные медицинскими нормами.
Существуют конструкции наствольных газодинамических устройств, обеспечивающие рассеяние части потока пороховых газов через каналы различной формы в их корпусах при прохождении снаряда и вслед за ним, например наствольное газодинамическое устройство 105-мм орудия истребителя танков B1 Centauro (фиг. 1).
Известна конструкция наствольного газодинамического устройства 120-мм танковой пушки ХМ360 [1], содержащая (фиг. 2) ствол 1 с отверстиями 2 вдоль его образующих и представляющих ствольный дульный тормоз, перекрытый по всей длине тормоза корпусом 3 с окнами 4 для прохода пороховых газов и отбойными гранями 5. Корпус 3 соосно скреплен со стволом 1 устройствами фиксации положения 6 и 7 для исключения его осевое перемещение по стволу. Положительным свойством конструкции является сохранение условий ведения снаряда в его полости, являющейся частью ствола. Основным недостатком такой конструкции является отсутствие управления структурой потока пороховых газов при выстреле с целью формирования желательных свойств дульного тормоза [2, 3]. Через отверстия 2 в стволе 1 происходит рассеяние энергии газового потока и последующее воздействие ослабленных таким образом газов с отбойными гранями 5 корпуса 3. Следствием принятой схемы является принципиальная невозможность получения высокого тянущего усилия устройства при выстреле, что обусловлено намеренным разделением процесса взаимодействия газов с поверхностями конструкции на последовательность подпроцессов в пространстве и времени, искусственным ослаблением энергии газов за счет их дросселирования через отверстия 2 в стенке ствола 1.
Целью заявляемого изобретения является увеличение импульса тянущего силы пороховых газов за счет исключения разделения процесса их взаимодействия с поверхностями конструкции в пространстве и времени путем организации высокоскоростных потоков и существенного увеличения времени непосредственного воздействия на отбойные грани устройства при движении снаряда в полости устройства и после его вылета.
Эта цель достигается следующими изменениями конструкции прототипа.
1. В дульной части ствола (фиг. 3) на расстоянии 0.90d от дульного среза сверху и снизу выполнены два продольных отверстия 2 длиной 3.65d и углом раскрытия в плане 104°. Отверстия 2 симметричны относительно вертикальной и горизонтальной плоскостей, проходящих через геометрическую ось канала ствола. На дальних от дульного среза торцах отверстий 2 (фиг. 3) выполнены внутренние фаски с углом 20°. Стенки а и b обеспечивают ведение снаряда в полости устройства.
2. Корпус 3 (фиг. 4) содержит цилиндрическую часть А для размещения на наружной поверхности ствола, коническую часть В для начального формирования консолидированных потоков пороховых газов, профильную часть С для организации движения потоков пороховых газов с двумя вертикальными продольными стенками с и е (фиг. 5), симметричными относительно вертикальной и горизонтальной плоскостей, проходящих через геометрическую ось канала ствола и расстоянием между стенками равным калибру d орудия, верхней и нижней дугообразными стенками ƒ и g с внутренним радиусом 0.90d, часть D с боковыми окнами 4 для истечения пороховых газов и отбойными гранями 5 для управления процессом истечения совместно с приливами 8. Длина окна 4 составляет 1.20d, высота 0.35d. Отбойные грани вертикальны и отклонены относительно направления выстрела на 110° (фиг. 6). В передней стенке 9 шириной 1.10d корпуса 3 выполнен цилиндрический прилив 10 для опоры на наружную поверхность ствола 1 в его дульной части. Совместная ширина отбойных граней 5 и передней стенки 9 в проекции на вертикальную плоскость, перпендикулярную оси канала ствола, составляет 2.50d. Для повышения жесткости приливов 8 на наружной поверхности профильной части D выполнены (фиг. 4) продольные ребра 11, соединенные с поперечными ребрами 12, скрепляющими верхние и нижние приливы 8. Элементы 8, 11, 12 образуют окна 13 и 14 для выхода пороховых газов из полости корпуса 3. Все компоненты корпус 3 представляют его как одну деталь. Окна 13 и 14 симметричны относительно горизонтальной плоскости, проходящей через ось канала ствола. Длина окна 14 составляет 1.44d, высота 0.77d. Толщина стенок корпуса определяется условиями его прочности при выстреле.
3. Устройства фиксации 6 и 7 (фиг. 7) крепятся разъемным соединением со стволом 1 и предотвращают осевое перемещение корпуса 3 относительно него.
Работа устройства.
При прохождении снарядом (фиг. 8) продольных отверстий 2 ствола 1 образуется зазор между корпусом снаряда и внутренней поверхностью переходной области корпуса, в который поступают на высокой скорости пороховые газы, опережая снаряд. Далее газы воздействуют на переднюю стенку 9 корпуса 3, выходят через окна 4 и 14, воздействуя на отбойные грани 5 (фиг. 9). Изначальная деформация формы потока газов и геометрические характеристики каналов течения обеспечивают поддержание структуры потока с разрушенным центральным ядром при движении снаряда в полости устройства и в периоде последействия. Встречное движение газов при выходе из окон 4 и окон 14 корпуса 3 обеспечивает снижение энергии дульной ударной волны. Основная масса газов истекает через окна 14, существенно меньшая часть - через окна 13 корпуса 3. Высокая скорость истечения газов формирует в дульной области структуру течения среды, при которой вынос основной энергии газов осуществляется не в сторону расположения орудийного расчета.
Использованное в качества прототипа устройство имеет эффективность (около 40%), явно недостаточную для современных полевых орудий. Поэтому оценка возможностей заявленной конструкции проведена для внутрибаллистического процесса, аналогичного орудию 2А65, эффективность дульного тормоза которого составляет около 63%. Моделирование процесса функционирования заявляемой конструкции проведено, на полномасштабной трехмерной модели [3, 4, 5]. Область исследования течения ограничивалась параллелепипедом с размерами 2000×2000×800 мм. Граничные условия потока на входе соответствовали данным 152 мм гаубицы 2А65 для полного заряда и осколочно-фугасного снаряда ОФ425. Значения тянущих усилий по направлению выстрела для прототипа и модели заявленного изобретения показаны на фиг. 10. Отношение максимального значения тянущей силы модели к максимальному значению тянущей силы прототипа равно 1.4, отношение средних значений тянущих сил равно 2.94, отношение импульсов тянущих сил равно 3.13. Данные приведены к ограниченному диапазону времени моделирования Т=0.003 с. К этому моменту времени функционирование штатного дульного тормоза прототипа практически завершается.
Свойства течения газов регистрировались датчиками, расположенными в горизонтальной плоскости симметрии параллелепипеда (фиг. 11). Характер изменения давлений в местах регистрации для прототипа и модели показан на фиг. 12. Данные регистрации свидетельствуют о том, что организация встречного движения газов способствует снижению избыточного давления. Характер распределения давления газов на внутренних поверхностях каналов течения устройства показан на фиг. 13.
Геометрические характеристики модели изобретения (фиг. 14А) находятся в границах геометрических характеристик дульного тормоза орудия 2А65 (фиг. 14В).
Компоненты заявляемой конструкции наствольного газодинамического устройства показаны на фиг. 15.
По результатам моделирования процесса выстрела можно заключить, что заявленные цели реализуются в предлагаемой конструкции наствольного газодинамического устройства. При этом:
- увеличивается временя нахождения газов в камерах устройства за счет специальной организации каналов их опережающего снаряд течения над и под движущимся снарядом, что приводит к разрушению центрального ядра потока газов при движении снаряда в полости устройства, и формированию волн уплотнения потока, исключающих восстановление целостности центрального ядра поток газов в периоде последействия;
- увеличивается тянущая сила устройства за счет подвода газов к передней стенке и отбойным граням устройства без промежуточного рассеивания;
- увеличение импульса тянущего силы пороховых газов;
- снижается давление газов на выходе из устройства за счет потери их энергии во встречном взаимодействии;
- исключено негативное действие газов на снаряд вследствие его постоянного контакта с направляющими стенками ствола.
Источники.
1. 120-ММ ПУШКА ДЛЯ ТАНКА БУДУЩЕГО MCS. http://otvaga2004.ru.
2. Сергеев М.М. Теория и расчет дульных тормозов. - М.: Государственное издательство Оборонной промышленности, 1939. - 140 с.
3. Орлов Ю.В., Ларман Э.К., Маликов В.Г. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий. М.: Машиностроение, 1976. - 432 с.
4. Алямовский, A.A. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А. Алямовский. Учебно-методическое пособие. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 1040 с.
5. Черчиньяни К. Теория и приложения уравнения Больцмана. М.: Мир, 1978. - 496 с.
6. Кривовичев Г.В. О расчете течений вязкой жидкости методом решеточных уравнений Больцмана. Компьютерные исследования и моделирование, 2013 т.5 №2 с. 165-178.