Реактивный снаряд с газодинамической системой стабилизации
ROCKET PROJECTILE WITH A GAS-DYNAMIC STABILIZATION SYSTEM

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к реактивным снарядам (PC) с газодинамической системой стабилизации, преимущественно для реактивных систем залпового огня.
Объект изобретения представляет собой PC с газодинамической системой стабилизации повышенной боевой эффективности, точности и надежности функционирования. Система стабилизации предназначена для снижения влияния угловых возмущений, действующих на PC и приводящих к отклонению его вектора скорости от направления стрельбы. Особенно необходимой данная система является на начальном активном участке траектории полета.
Для повышения боевой эффективности указанных PC необходима минимизация веса газодинамической системы стабилизации, а следовательно, увеличение веса боевой части, увеличение управляющего усилия исполнительных органов (сопел) при минимальных энергетических затратах, улучшение характеристик точности и кучности при залповой стрельбе.
Известен управляемый снаряд с генератором горячих газов по заявке Франции №2641857, кл. МПК F42B 10/66, содержащий газогенератор, реактивные сопла, расположенные по периферии снаряда. Управляемый снаряд по заявке ФРГ №3901041, кл. МПК F42B 10/62 также содержит газогенератор горячего газа, сопла, расположенные равномерно по периметру снаряда. В указанных PC, принятых за аналоги, посредством истекающих из сопел струй газа происходит изменение траектории их движения в направлении цели.
Задачей указанных технических решений являлось обеспечение изменения траектории снарядов без оптимизации места расположения сопел с точки зрения получения максимальной тяги и газодинамического момента относительно центра масс при минимальных энергетических затратах газогенератора.
Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией PC с газодинамической системой стабилизации является наличие в составе аналогов газогенератора, сопел, расположенных по периферии корпуса.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является PC по патенту РФ №2071027, МПК F42B 12/00, опубл. 27.12.1996 г., содержащий головную часть, имеющей заостренный и цилиндрический участки корпуса, газодинамическую систему угловой стабилизации, включающей газогенератор и сопла, реактивный двигатель, аэродинамический стабилизатор с лопастями, принятый авторами за прототип. Лопасти стабилизатора установлены под углом к продольной оси снаряда.
Целью изобретения (прототипа) являлось создание ракеты, обеспечивающей за счет обеспечения оптимального режима работы системы угловой стабилизации улучшение характеристик кучности стрельбы. При этом предполагалось использование в реактивном двигателе низкоэнергетических твердых топлив и приводятся по тексту описания некоторые ограничения по скорости и числу Маха полета, дальности стрельбы предложенной конструкции.
В прототипе предложено соотношение геометрических параметров стабилизатора и расстояний от сопла до центра масс, соотношение толщин заряда газодинамической системы и реактивного двигателя, ограничение по разбросу угла установки лопастей относительно среднего его значения. Требований по месту расположения сопел относительно носовой части, а также лопастей стабилизатора относительно выходного сечения сопла реактивного двигателя в прототипе не предъявлялось.
При разработке PC с увеличенной дальностью и скоростью полета, у которых значительно возрастают действующие на них аэродинамические силы и моменты, изменяется характер распределения поперечных сил по длине при наличии углов атаки, от которых зависит взаимодействие набегающего потока и истекающих управляющих струй из сопел газодинамической системы стабилизации, значение тяги струй.
Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией PC с газодинамической системой стабилизации является наличие в прототипе головной части, имеющей заостренный и цилиндрический участки корпуса, газодинамической системы стабилизации, включающей газогенератор и сопла, реактивного двигателя, аэродинамического стабилизатора с лопастями, установленными на цилиндрическом обтекателе.
Опыт отработки PC с газодинамической системой стабилизации с учетом испытаний в аэродинамических трубах показывает, что величина управляющего усилия исполнительного органа (сопла) при взаимодействии газовой струи с обтекающим снаряд воздушным потоком, аэродинамические характеристики снаряда во время работы системы угловой стабилизации и после в немалой степени зависят от места расположения выходного сечения сопла относительно носовой части снаряда. Также влияет расположение лопастей стабилизатора относительно выходного сечения сопла реактивного двигателя на аэробаллистические характеристики снаряда.
В отличие от прототипа в предлагаемом PC с газодинамической системой стабилизации сопла газодинамической системы установлены на цилиндрическом участке корпуса головной части и расстояние от места сопряжения его с заостренным участком корпуса до середины выходных сечений сопел составляет 0,2-2,0 калибра снаряда, а ширина выходного сечения сопла в направлении продольной оси снаряда не превышает 0,2 калибра снаряда, выходное сечение каждого сопла утоплено в корпусе головной части и отстоит от наружной ее поверхности на величину 0,02-0,2 ширины сопла, при этом оси выходных сечений сопел расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси головной части, а длина заостренного участка корпуса составляет 1,5-3,5 калибра снаряда, лопасти стабилизатора смонтированы на цилиндрическом обтекателе диаметром, превышающем в 1,05-1,15 диаметр выходного сечения сопла реактивного двигателя, а задние кромки лопастей в районе корневой хорды удалены от выходного сечения сопла на расстояние 0,3-1,0 диаметра его выходного сечения.
Это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.
Указанные признаки, отличительные от прототипа, и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, во всех случаях достаточны.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение боевой эффективности, надежности функционирования PC с газодинамической системой стабилизации за счет обеспечения максимального газодинамического стабилизирующего момента относительно центра масс снаряда, минимизации веса газодинамической системы стабилизации, а, следовательно, увеличения веса боевой части, повышение точности и кучности стрельбы за счет парирования угловых возмущений в полете, исключения отрицательного воздействия струи реактивного двигателя на лопасти и аэродинамические характеристики стабилизатора, обеспечения улучшения аэробаллистических характеристик снаряда.
Указанный технический результат достигается тем, что в PC с газодинамической системой стабилизации, содержащем головную часть, имеющую заостренный и цилиндрический участки корпуса, газодинамическую систему стабилизации, включающую газогенератор и сопла, реактивный двигатель, аэродинамический стабилизатор с лопастями, установленными на цилиндрическом обтекателе, согласно изобретению сопла газодинамической системы установлены на цилиндрическом участке корпуса головной части и расстояние от места сопряжения его с заостренным участком корпуса до середины выходных сечений сопел составляет 0,2-2,0 калибра снаряда, а ширина выходного сечения сопла в направлении продольной оси снаряда не превышает 0,2 калибра снаряда, выходное сечение каждого сопла утоплено в корпусе головной части и отстоит от наружной ее поверхности на величину 0,02-0,2 ширины сопла, при этом оси выходных сечений сопел расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси головной части, а длина заостренного участка корпуса составляет 1,5-3,5 калибра снаряда, лопасти стабилизатора смонтированы на цилиндрическом обтекателе диаметром, превышающем в 1,05-1,15 диаметр выходного сечения сопла реактивного двигателя, а задние кромки лопастей в районе корневой хорды удалены от выходного сечения сопла на расстояние 0,3-1,0 диаметра его выходного сечения.
Авторы предлагаемого изобретения провели экспериментальные исследования на моделях PC в аэродинамической трубе, летные испытания, конструкторские проработки, направленные на поиск технических решений, позволяющих увеличить управляющую силу, создающую соплами газодинамической системы стабилизации, и стабилизирующий момент относительно центра масс снаряда при минимизации расхода газа, веса заряда газогенератора, а, следовательно увеличить вес боевой части, минимизировать сопротивление снаряда после окончания работы газодинамической системы стабилизации.
Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между параметрами заявляемого PC с газодинамической системой стабилизации позволили, в частности, за счет выполнения:
- установки сопел газодинамической системы стабилизации на цилиндрическом участке корпуса головной части и расстояния от места сопряжения его с заостренным участком корпуса до середины выходных сечений сопел 0,2-2,0 калибра снаряда - обеспечить получение максимальной величины управляющей силы системы стабилизации при минимальном расходе газа а, следовательно, снизить вес заряда газогенератора, увеличить вес боевой части и повысить боевую эффективность PC. Такое расположение сопел обеспечивает надежное парирование угловых возмущений в полете, удерживает вектор скорости в плоскости стрельбы, позволяет повысить точность и кучность при залповой стрельбе. При увеличение указанного расстояния свыше 2,0 калибров происходит уменьшение реактивной силы сопел газодинамической системы стабилизации и стабилизирующего момента относительно центра масс PC за счет уменьшения плеча реактивной силы сопла. Выполнение расстояния менее 0,2 калибра, а тем более расположение сопел на заостренной участке корпуса головной части приводит к уменьшению коэффициента усиления тяги сопел в присутствии потока, обтекающего PC. Наличие сопловых отверстий на заостренном участке корпуса после окончания работы системы угловой стабилизации приводит к увеличению сопротивления PC, потере дальности стрельбы;
- ширины выходного сечения сопла в направлении продольной оси снаряда, не превышающей 0,2 калибра PC, а осей выходных сечений сопел, расположенных в плоскости, перпендикулярной продольной оси головной части, - обеспечить получение максимального стабилизирующего газодинамического момента системы угловой стабилизации относительно центра масс PC. При ширине выходного сечения сопла более 0,2 калибра снаряда происходит увеличение сопротивления сопловых отверстий после окончания работы газодинамической системы стабилизации;
- выходного сечения каждого сопла, утопленным в корпусе головной части и отстоящим от наружной ее поверхности на величину 0,02-0,2 ширины сопла, - увеличить тягу реактивных струй, истекающих из сопел газодинамической системы. Выполнение указанного расстояния более 0,2 ширины приводит к увеличению сопротивления PC и потере дальности. При расстоянии менее 0,02 ширины сопла тяга струи практически не увеличивается;
- длины заостренного участка корпуса, равной 1,5-3,5 калибра PC, - обеспечить стабильность изменения параметров набегающего потока на внешней поверхности PC в зоне расположения сопел газодинамической системы стабилизации. При длине заостренного участка корпуса головной части менее 1,5 калибра увеличивается зона отрывного обтекания на начальном цилиндрическом участке корпуса головной части, которая влияет на характер обтекания и разброс аэродинамических характеристик PC. От этого ухудшается точность и кучность стрельбы. Выполнение длины заостренного участка корпуса более 3,5 калибра нецелесообразно из-за уменьшения плеча тяги сопла относительно центра масс снаряда, уменьшения газодинамического момента системы стабилизации для парирования угловых и ветровых возмущений;
- цилиндрического обтекателя диаметром, превышающем в 1,05-1,15 диаметр выходного сечения сопла реактивного двигателя, а задних кромок лопастей в районе корневой хорды удаленных от выходного сечения сопла на расстояние 0,3-1,0 диаметра его выходного сечения - уменьшить отрицательное воздействие струй реактивного двигателя на лопасти стабилизатора и его аэродинамические характеристики, уменьшить разброс указанных характеристик, обеспечить заданные аэробаллистические характеристики PC, повысить точность и кучность стрельбы.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен общий вид PC с газодинамической системой стабилизации, на фиг.2 - сопла газодинамической системы, на фиг.3 - хвостовая часть PC.
PC состоит из головной части 1, имеющей заостренный 2 и цилиндрический 3 участки корпуса, газодинамической системы стабилизации, включающей газогенератор 4 и сопла 5, реактивного двигателя 6 с соплом 7, аэродинамического стабилизатора 8 с лопастями 9, установленными на цилиндрическом обтекателе 10.
Функционирование предлагаемого PC происходит следующим образом. После запуска реактивного двигателя 6 и за счет реактивной тяги струи, истекающей из сопла 7, происходит вылет PC из направляющей. Далее раскрываются лопасти 9 стабилизатора 8, установленные на цилиндрическом обтекателе 10, и PC продолжает устойчивый полет. Одновременно с запуском двигателя 6 начинает работать газогенератор 4 газодинамической системы снаряда и газ поступает в сопла 5, расположенные на цилиндрическом участке 3 корпуса головной части 1 по его периферии. При наличии угловых возмущений продольной оси PC, то есть при отклонении вектора скорости от направления стрельбы, газодинамическая система направляет газ в соответствующие сопла 5, тяга которых создает стабилизирующий момент относительно центра масс снаряда и парирует появившийся угол атаки. Корректирующая сила действует в направлении противоположном направлению отклонения оси PC.
1
1
2
1
Заостренный участок 2 корпуса головной части 1 длиной L, равной 1,5-3,5 калибра d, обеспечивает стабильность изменения параметров набегающего потока на внешней поверхности цилиндрического участка 3 в зоне расположения сопел 5. Расположение сопел 5 на расстоянии L=(0,2-2,0)d от места сопряжения участков 2 и 3 до середины их выходных сечений обеспечивает получение максимальной величины тяги сопел 5 при минимальном расходе газа, а следовательно при минимальном весе заряда газогенератора 4, уменьшается разброс газодинамических характеристик истекающих из сопел 5 реактивных струй. За счет этого PC имеет увеличенный вес боевой части и повышается его боевая эффективность.
1
Предложенная авторами ширина t выходного сечения сопел, не превышающая 0,2 d, и утопленными в корпусе 1 выходными сечениями сопел 5 на величину h=(0,02-0,2)t позволило увеличить тягу реактивных струй и обеспечить максимальный стабилизирующий момент относительно центра масс, парирующий угловые возмущения на начальном участке полета PC. Благодаря этому и уменьшению разброса газодинамических характеристик сопел 5 улучшается точность и кучность PC при залповой стрельбе.
2
3
3
3
За счет выполнения обтекателя 10 диаметром d=(1,05-1,15)d, а задних кромок лопастей 9 в районе корневой хорды, удаленных от выходного сечения сопла 7 на расстояние L=(0,3-1,0)d уменьшается отрицательное воздействие струй реактивного двигателя на лопасти 9 стабилизатора 8 и его аэродинамические характеристики, обеспечивается улучшение аэробаллистических характеристик PC, повышается точность и кучность стрельбы.
Указанный положительный эффект подтвержден летно-конструкторскими испытаниями образцов PC с газодинамической системой стабилизации, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением.
Предложенное техническое решение позволило разработать PC с газодинамической системой стабилизации повышенной боевой эффективности, надежности функционирования за счет обеспечения максимального управляющего усилия и газодинамического стабилизирующего момента, минимизации веса газодинамической системы стабилизации, а, следовательно, увеличения веса боевой части, повысить точность и кучность стрельбы за счет надежного парирования угловых и ветровых возмущений в полете, исключения отрицательного воздействия струи реактивного двигателя на лопасти и аэродинамические характеристики стабилизатора, обеспечить улучшение аэробаллистических характеристик PC в целом.
В настоящее время разработана конструкторская документация, проведены летные испытания, намечено серийное производство.