Противооткатное устройство артиллерийского автомата
RECOIL ABSORBER OF ARTILLERY AUTOMATIC WEAPON

Настоящее изобретение относится к корабельным артиллерийским установкам среднего калибра, в которых торможение откатных частей артиллерийского автомата производится с помощью гидравлического тормоза отката, поглощающего энергию движения откатных частей при выстреле, превращая ее в теплоту, а возвращение их в исходное положение и удержание орудия в этом положении на всех углах возвышения обеспечивается гидрогазовым накатником.
Отличительной особенностью современных корабельных артиллерийских автоматов среднего калибра является то, что в них гидравлический тормоз отката и гидрогазовый накатник образуют единый блок, который механически связан с откатными частями орудия одним штоком. В условиях дефицита свободного места на артиллерийском орудии, что характерно для скорострельных установок среднего калибра, компактный противооткатный блок компонуется успешнее, чем тормоз отката и накатник в раздельном исполнении.
Известно противооткатное устройство, выполненное в виде единого компактного блока (см. «Основы проектирования артиллерийских орудий. Проектирование противооткатных устройств». А.Н. Куприянов. г. Пенза 1960 г., с. 128).
Известное противооткатное устройство содержит поршневой гидрогазовый накатник и гидравлический тормоз отката, выполненный в виде поршневого гидроцилиндра с односторонним штоком, соединенным с откатными частями артиллерийского орудия. На выходе из штоковой полости поршневого гидроцилиндра установлен гидродроссель - аппарат регулирования расхода рабочей жидкости, вытесняемой из штоковой полости поршневого гидроцилиндра при откате, путем изменения сопротивления потоку рабочей жидкости. В результате преодоления местного сопротивления при прохождении рабочей жидкости через гидродроссель происходит гидравлическое торможение потока, сопровождаемое превращением части энергии в тепло.
В артиллерийских установках среднего калибра, имеющих умеренный темп стрельбы, продолжительность паузы между выстрелами оказывается достаточной, чтобы теплота, выделяющаяся в гидродросселе в процессе торможения откатных частей, частично рассеялась в окружающей среде вследствие хорошей теплопроводности стального корпуса противооткатного блока. При этом температура стенки сосуда, в котором находится газ накатника, а следовательно, и теплопередача между стенкой и газом остаются стабильными.
В скорострельных же артиллерийских установках при стрельбе длинными очередями происходит интенсивный нагрев всего корпуса противооткатного блока, в том числе стенок газового сосуда накатника, что приводит к притоку теплоты от стенок газового сосуда к газообразному рабочему телу накатника. В результате начальная температура и начальное давление газа, совершающего в накатнике термодинамический процесс сжатия и расширения, повышаются в процессе стрельбы. Сопротивление откату увеличивается, длина отката становится меньше допустимой и нарушается взаимодействие автоматических систем артиллерийской установки, для работы которых используется кинетическая энергия откатных частей артиллерийского автомата.
Известно противооткатное устройство автоматической артиллерийской установки, в котором корпус тормоза отката и корпус накатника охлаждаются забортной водой (см. патент на полезную модель №63515, опубликованный 27.05.2007 г.). Это известное устройство выбрано прототипом заявляемого противооткатного устройства.
В прототипе, содержащем гидравлический тормоз отката и гидрогазовый накатник, в корпусах которых размещены штоки, жестко связанные с откатными частями артиллерийской установки, на указанные корпусы установлены кожухи, образующие с ними герметичные кольцевые продольные полости, соединенные с подводящей и отводящей магистралями для охлаждающей жидкости.
Благодаря высокой теплопроводности тесно контактирующих между собой упомянутых корпусов в прототипе происходят одновременно два процесса - интенсивный молекулярный перенос теплоты от гидравлического тормоза к стенкам накатника благодаря теплопроводности контактирующих между собой элементов конструкции и конвективный теплообмен между поверхностью корпуса накатника и окружающей его охлаждающей жидкостью.
Аналогичный самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты от более нагретых тел к менее нагретым широко применяется в поверхностных (рекуперативных) теплообменных аппаратах, в которых обменивающиеся теплотой жидкости движутся одновременно и передача теплоты происходит через разделяющие их стенки (поверхность теплообмена). Основу теплового расчета поверхностного теплообменного аппарата составляет определение площади поверхности теплообмена, необходимой для обеспечения заданного теплового потока. Чем меньше тепловой поток, тем меньше площадь поверхности теплообмена и меньше габаритные размеры теплообменного аппарата.
Уменьшить теплообмен между гидравлическим тормозом отката и гидрогазовым накатником, обусловленный теплопроводностью, т.е. молекулярным переносом теплоты, обеспечить компактность и технологичность конструкции противооткатного устройства скорострельного артиллерийского автомата - задача заявляемого изобретения.
Поставленная задача решена следующим образом: в известном противооткатном устройстве артиллерийского автомата, содержащем гидравлический тормоз отката, выполненный в виде поршневого гидроцилиндра с односторонним штоком и дросселирующими протоками между поршневой и штоковой полостями, и гидрогазовый накатник, согласно заявляемому изобретению в гидрогазовом накатнике применены гидрогазовые аккумуляторы с гибкими разделительными диафрагмами, отделяющими газовую полость от гидравлической, причем гидравлические полости этих аккумуляторов сообщаются между собой посредством коллектора, на котором эти аккумуляторы установлены в ряд, а коллектор, снабженный охлаждающей рубашкой с окнами, через которые подводится и отводится омывающий этот коллектор теплоноситель, сообщается со штоковой полостью гидравлического тормоза отката посредством канала, в котором установлен клапан-модератор.
Заявляемое устройство в сравнении с прототипом имеет существенные отличия и обладает новыми техническими свойствами, отсутствующими в известном противооткатном устройстве корабельной артиллерийской установки среднего калибра.
Существенным в заявляемом устройстве является, во-первых, то, что в гидрогазовом накатнике применены гидрогазовые аккумуляторы, у которых газовая среда отделяется от гидравлической среды гибкой разделительной диафрагмой, имеющей низкую теплопроводность, во-вторых, то, что коллектор, на котором эти аккумуляторы установлены в ряд, выполнен в виде трубы, имеющей минимальный контакт с корпусом гидравлического тормоза отката, и заключен в охлаждающую рубашку с окнами, через которые подводится и отводится омывающий этот коллектор теплоноситель, например забортная вода.
Коллектор служит своеобразным сопротивлением распространению теплоты посредством теплопроводности элементов конструкции, соединяющих тормоз и накатник в единый блок. Термодинамический процесс, совершаемый газом в процессе отката и наката, приближается к адиабатному процессу, при котором между газом и окружающей средой нет теплообмена. Таким образом обеспечивается постоянство термодинамических параметров рабочего тела газового накатника и неизменность длины отката. Заявляемое техническое решение, сохраняя преимущества прототипа, всей совокупностью своих существенных признаков обеспечивает компактность и технологичность конструкции противооткатного блока, повышает надежность и вероятность безотказной работы установки в целом.
Анализ существующей научно-технической и патентной информации показал неизвестность предлагаемой совокупности существенных отличительных признаков. Неизвестными оказались и отдельные существенные признаки. Таким образом, настоящее изобретение можно считать отвечающим критерию патентоспособности «новизна».
В заявляемом техническом решении имеет место нетрадиционное разрешение проблемы обеспечения компактности противооткатного блока и стабильности термодинамических параметров рабочего тела гидрогазового накатника. Для этого в противооткатном устройстве вместо привычной одной гидрогазовой пружины использованы несколько расположенных в ряд гидрогазовых аккумуляторов меньшего размера, а приток теплоты от стенок тормоза отката и из окружающей среды к стенкам гидрогазовых аккумуляторов накатника перекрыт благодаря непрерывному охлаждению жидким теплоносителем гидролинии, соединяющей накатник с тормозом отката. Для специалиста такое решение логически не следует из известного технического уровня развития противооткатных устройств корабельных артиллерийских установок среднего калибра. Таким образом, предлагаемое изобретение отвечает критерию «изобретательский уровень».
Устройство и работа заявляемого устройства, которое дальше именуется «противооткатное устройство», поясняются рисунками:
на фиг. 1 показан общий вид противооткатного устройства;
на фиг. 2 показано противооткатное устройство в разрезе;
на фиг. 3 показаны противооткатное устройство и схема течения рабочей жидкости при откате;
на фиг. 4 показаны противооткатное устройство и схема течения рабочей жидкости в начале свободного наката;
на фиг. 5 показана схема течения рабочей жидкости в конце свободного наката;
на фиг. 6 показана схема течения рабочей жидкости при заторможенном накате.
Заявляемое противооткатное устройство содержит гидравлический тормоз отката 1, выполненный в виде поршневого гидроцилиндра с односторонним штоком, и гидрогазовый накатник 2, скрепленные между собой в единый блок.
Гидравлический тормоз отката 1 содержит цилиндр 3 с задней крышкой 4 и передней крышкой 5, шток 6 и поршень 7, образующие в цилиндре 3 поршневую полость 8 и штоковую полость 9. В цилиндре 3 выполнены канавки 10 переменного сечения, которые служат для торможения откатных частей при откате, и выполнено окно 11, соединяющее штоковую полость 9 цилиндра 3 с гидросистемой гидрогазового накатника 2. С крышкой 5 соединена втулка 12, служащая для торможения наката, которая постоянно сопрягается со штоком 6, а в конце наката сопрягается также с внутренней поверхностью поршня 7. При этом внутри поршня 7 образуется замкнутая полость 13. Для создания дополнительного объема рабочей жидкости шток 6 выполнен пустотелым. Радиальные отверстия 14, выполненные в штоке 6, соединяют дополнительный объем с основной массой рабочей жидкости. Внутри штока 6 установлен обратный клапан 15 с возможностью перетекания рабочей жидкости из полости штока 6 в поршневую полость 8 цилиндра 3. На внутренней поверхности поршня 7 выполнены канавки переменной глубины 16, предназначенные для торможения откатных частей в конце отката.
Гидрогазовый накатник 2 содержит гидрогазовые аккумуляторы 17 с гибкими разделительными диафрагмами 18, отделяющими в этих аккумуляторах газовую полость от гидравлической, коллектор 19, снабженный охлаждающей рубашкой 20, и клапан-модератор 21 с отверстиями 22 и пружиной 23, предназначенный для регулирования расхода рабочей жидкости при накате. Коллектор 19 скреплен с цилиндром 3, при этом полость 24 коллектора 19 сообщается со штоковой полостью 9 цилиндра 3 посредством канала 25, в котором клапан-модератор 21 установлен над окном 11, выполненным в цилиндре 3. Гидрогазовые аккумуляторы 17 установлены на коллекторе 19 в ряд и сообщаются своими гидравлическими полостями с полостью 24 коллектора 19. Охлаждающая рубашка 20 выполнена с окнами, через которые с помощью штуцеров 26 подводится теплоноситель, например забортная вода, омывающая коллектор 19.
Заявляемое противооткатное устройство работает следующим образом.
Начальное давление в гидрогазовом накатнике 2 соответствует давлению предварительного поджатия, обеспечивающему удержание откатных частей в исходном положении при всех углах возвышения ствола артиллерийского автомата. При откате шток 6 и поршень 7, соединенные с откатными частями артиллерийского автомата, перемещаются в цилиндре 3, сжимая рабочую жидкость, находящуюся в поршневой полости 8. Перетекая по канавкам 10 переменного сечения в штоковую полость 9, рабочая жидкость поглощает часть энергии отката. В процессе перемещения поршня 7 сечение канавок 10 уменьшается, сопротивление откату возрастает и откатные части плавно тормозятся. Рабочая жидкость, вытесняемая из поршневой полости 8, заполняет штоковую полость 9 цилиндра 3, сжимает пружину 23, отрывая клапан-модератор 21 от его седла в канале 25, и поступает по каналу 25 в полость 24 коллектора 19, который омывается теплоносителем, отводящим в окружающую среду теплоту, переданную ему рабочей жидкостью и стенками коллектора 19.
Из полости 24 коллектора 19 рабочая жидкость поступает в гидравлические полости гидрогазовых аккумуляторов 17 и, деформируя гибкие диафрагмы 18, сжимает рабочий газ этих аккумуляторов. В конце отката, когда энергия откатных частей поглощена гидравлическим тормозом отката 1, в полостях 8, 9 и 24 устанавливается примерно равное давление. Однако за счет разности площадей поршня 7 в полостях 8 и 9 на шток 6 и поршень 7 действует сила, возвращающая их в исходное перед откатом положение. Начинается свободный накат.
Рабочий газ, сжатый при откате деформированными гибкими диафрагмами 18, расширяется, вытесняя рабочую жидкость из гидравлических полостей гидрогазовых аккумуляторах 17 в полость 24 коллектора 19. Под действием пружины 23 клапан-модератор 21 садится на свое седло в канале 25, оставляя для прохождения рабочей жидкости только отверстия 22, суммарная площадь которых определяет допустимую скорость наката. Далее через окно 11 в цилиндре 3 рабочая жидкость поступает в штоковую полость 9 цилиндра 3. Здесь поток рабочей жидкости раздваивается. Часть рабочей жидкости через радиальные отверстия 14 поступает в полость штока 6, отжимает обратный клапан 15 и поступает в поршневую полость 8 цилиндра 3. Другая часть рабочей жидкости поступает в поршневую полость 8 через канавки 10 переменного сечения. Происходит энергичный разгон откатных частей. При дальнейшем накате втулка 12 перекрывает радиальные отверстия 14 на штоке 6, отключая одну из ветвей поступления рабочей жидкости в поршневую полость 8 цилиндра 3. В конце наката втулка 12 входит внутрь поршня 7. Наступает заторможенный накат. Истечение рабочей жидкости из замкнутой полости 13 поршня 7 происходит по канавкам переменной глубины 16. За счет сопротивления перетеканию рабочей жидкости по канавкам 16 происходит торможение наката откатных частей, а в конце наката истечение рабочей жидкости осуществляется только через кольцевой зазор между втулкой 12 и поршнем 7.