Вращающийся реактивный снаряд, запускаемый из гладкоствольной трубчатой направляющей
ROTATING PROJECTILE LAUNCHED FROM A SMOOTHBORE TUBULAR RAIL

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к вращающимся реактивным снарядам (PC), запускаемым из гладкоствольной трубчатой направляющей систем залпового огня различного базирования.
Объект изобретения представляет собой вращающийся PC с увеличенной дальностью полета, повышенной надежностью функционирования.
Опыт проектирования и эксплуатации реактивных систем залпового огня показал, что наиболее рациональным компоновочным решением является размещение PC перед пуском и запуск их из трубчатых направляющих.
В этом случае на боевой машине удается разместить наибольшее количество PC. Дугообразные лопасти стабилизатора находятся в сложенном положении перед пуском, а после выхода из направляющей раскрываются.
Известен PC системы залпового огня М-210Ф (см. Боевая машина БМ-21. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М: Военное издательство МО СССР, 1977, с. 74-75), содержащий головную часть, реактивный двигатель с соплами, стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями, установленные под углом к продольной оси двигателя и ориентированными выпуклыми поверхностями в направлении его вращения. Передние кромки лопастей стабилизатора выполнены симметричной формы.
За счет установки лопастей стабилизатора в раскрытом состоянии под определенным углом к продольной оси PC обеспечивается его вращение в полете.
Для каждого типа PC существует допустимый диапазон изменения угловой скорости вращения исходя из условий нормального функционирования, прочности и полета с минимальными углами атаки.
Верхняя граница обусловлена частотой изгибных колебаний корпуса PC, а нижняя частотой собственных колебаний.
Диапазон изменения скорости вращения для PC тем больше, чем больше скорость полета в конце активного участка траектории (АУТ). Поэтому для конструкции М21ОФ с указанной формой кромок лопастей из-за особенностей изменения вращающего момента крена от числа Маха, влияющих на диапазон скорости вращения, существуют ограничения по максимальной скорости полета, а, следовательно, по увеличению максимальной дальности стрельбы.
Задачей указанного технического решения являлось размещение на боевой машине наибольшего количества PC залпового огня при обеспечении их устойчивого полета, существенное увеличение дальности по сравнению с известными PC залпового огня, например, PC М8, М13.
Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией вращающегося PC является наличие в аналоге головной части, реактивного двигателя, стабилизатора с раскрывающимися дугообразными лопастями, установленными под углом к продольной оси реактивного снаряда и ориентированными выпуклыми поверхностями в направлении его вращения.
Известен также вращающийся PC по патенту РФ №2166178, МПК F42B 15/00 и принятый авторами за прототип. Он содержит головную часть (заостренную носовую часть, боевой отсек), реактивный двигатель и аэродинамический стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями, установленными под углом к продольной оси PC. Дугообразные лопасти установлены выпуклыми поверхностями в направлении вращения снаряда, передние и задние кромки каждой лопасти выполнены с односторонним заострением со скосом, расположенным на выпуклой поверхности лопасти, и отношение среднего угла установки лопастей стабилизатора к углу скоса кромок находится в пределах (0,02…0,03)H/d, где H - размах лопастей стабилизатора, d - калибр снаряда.
Задачей указанного технического решения являлось создание вращающегося сверхзвукового PC систем залпового огня с увеличенной скоростью полета и, следовательно, дальностью стрельбы, повышение надежности функционирования за счет уменьшения диапазона изменения скорости вращения на траектории и исключения резонансных явлений.
Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией вращающегося PC является наличие в аналоге головной части, реактивного двигателя, стабилизатора с раскрывающимися дугообразными лопастями и имеющими несимметричную форму передних кромок со скосом на их выпуклых поверхностях, установленными под углом к продольной оси реактивного снаряда и ориентированными выпуклыми поверхностями в направлении его вращения.
Начальное значение угловой скорости вращения PC М21ОФ, а также по патенту №2166178 при вылете из пусковой установки обеспечивалось за счет наличия винтового паза внутри трубчатой направляющей.
В связи с разработкой и применением на практике более технологичных и экономичных, зачастую одноразовых контейнеров с гладкоствольными трубчатыми направляющими появилась необходимость в создании новой конструкции вращающегося PC.
кр
кр
лоп
пл
лоп
В отличие от прототипа в предлагаемом вращающемся реактивном снаряде, запускаемом из гладкоствольной трубчатой направляющей, на внутренней поверхности сопла за его критическим сечением расположено устройство создания вращающего момента с использованием струи реактивного двигателя для вращения снаряда в том же направлении, что и от вращающего момента, создаваемого лопастями стабилизатора, устройство вращения содержит пластины, равномерно установленные в окружном направлении под одинаковым углом подъема винтовой линии их боковых поверхностей к продольной оси реактивного снаряда, толщина пластин постоянна по высоте и составляет (0,05…0,15)d, а центр давления каждой пластины удален от выходного сечения сопла реактивного двигателя на расстояние (1,5…3,0)d, при этом передние кромки дугообразных лопастей стабилизатора выполнены несимметричной формы с односторонними скосами, выполненными на их выпуклых поверхностях с углом β=5°…15° в плоскости, перпендикулярной кромкам, а угол подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин устройства вращения выполнен в пределах δ=(1,2…2,4)β,
кр
где d - диаметр критического сечения сопла реактивного двигателя;
лоп
β - угол скоса передних кромок дугообразных лопастей стабилизатора;
пл
δ - угол подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин устройства вращения к продольной оси реактивного снаряда.
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 предполагаемого изобретения является создание вращающегося реактивного снаряда, запускаемого из гладкоствольной трубчатой направляющей, с увеличенной дальностью стрельбы и повышенной надежностью функционирования, за счет уменьшения разброса аэробаллистических характеристик в полете, оптимизации скорости вращения и исключения резонансных явлений как при вылете из направляющих, так и на всех участках траектории.
кр
кр
лоп
пл
лоп
Указанный технический результат достигается тем, что в вращающемся реактивном снаряде, запускаемом из гладкоствольной трубчатой направляющей, содержащем головную часть, реактивный двигатель с одним центральным соплом, стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями и имеющими несимметричную форму передних кромок, установленными под углом к продольной оси реактивного снаряда и ориентированными выпуклыми поверхностями в направлении его вращения, согласно изобретению, на внутренней поверхности сопла за его критическим сечением расположено устройство создания вращающего момента с использованием струи реактивного двигателя для вращения снаряда в том же направлении, что и от вращающего момента, создаваемого лопастями стабилизатора, устройство вращения содержит пластины, равномерно установленные в окружном направлении под одинаковым углом подъема винтовой линии их боковых поверхностей к продольной оси реактивного снаряда, толщина пластин постоянна по высоте и составляет (0,05…0,15)d, а центр давления каждой пластины удален от выходного сечения сопла реактивного двигателя на расстояние (1,5…3,0)d, при этом передние кромки дугообразных лопастей стабилизатора выполнены несимметричной формы с односторонними скосами, выполненными на их выпуклых поверхностях с углом β=5°…15° в плоскости, перпендикулярной кромкам, а угол подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин устройства вращения выполнен в пределах δ=(1,2…2,4)β,
кр
где d - диаметр критического сечения сопла реактивного двигателя;
лоп
β - угол скоса передних кромок дугообразных лопастей стабилизатора;
пл
δ - угол подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин устройства вращения к продольной оси реактивного снаряда.
Авторы предполагаемого изобретения провели исследования в аэродинамических трубах на моделях и макетах с натурными стабилизаторами с дугообразными лопастями, стендовые и летные испытания опытных образцов PC с устройствами вращения, расположенными за критическим сечением сопла реактивного двигателя, направленные на поиск технических решений, позволяющих обеспечить устойчивый безрезонансный полет с нулевыми углами атаки в допустимом интервале угловой скорости вращения PC, повысить надежность функционирования вращающегося PC уменьшить диапазон изменения угловой скорости вращения снаряда при движении в гладкоствольной трубчатой направляющей и на всех участках траектории полета за счет выбора геометрических параметров дугообразных лопастей стабилизатора и устройства вращения, расположенного на внутренней поверхности сопла, рациональных соотношений формы кромок и геометрических параметров устройства вращения.
Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между параметрами заявляемого вращающегося реактивного снаряда, запускаемого из гладкоствольной трубчатой направляющей, позволили, в частности, за счет выполнения:
кр
кр
кр
- на внутренней поверхности сопла за его критическим сечением устройства создания вращающего момента с использованием струи реактивного двигателя, содержащего пластины, равномерно установленные в окружном направлении под одинаковым углом подъема винтовой линии их боковых поверхностей к продольной оси реактивного снаряда с постоянной по высоте толщиной равной (0,05…0,15)d - обеспечить надежное создание вращающего момента в том же направлении, что и от стабилизатора с дугообразными лопастями с минимальными значениями силы сопротивления пластин. При толщине пластин более 0,15 d происходит существенное увеличение сопротивления пластин и потери тяги двигателя. Выполнение толщины пластин менее 0,05d за счет высокой температуры и агрессивного воздействия газовой струи реактивного двигателя происходит сгорание пластин, не обеспечивается создание требуемого вращающего момента, не обеспечивается надежность функционирования устройства вращения и PC в целом;
кр
кр
кр
- центра давления каждой пластины, удаленным от выходного сечения сопла реактивного двигателя на расстояние (1,5…3,0)d, - обеспечить создание вращающего момента при минимальных значениях геометрических параметров пластин устройства вращения. Увеличение расстояния свыше 3d приводит к уменьшению вращающего момента за счет уменьшения плеча поперечной силы на пластине, а также уменьшения скоростного напора газовой струи реактивного двигателя. Выполнение расстояния менее 1,5d приводит к уменьшению вращающего момента за счет снижения давления и скоростного напора газовой струи по мере приближения к выходному сечению сопла;
лоп
пл=
лоп
лоп
пл
лоп
пл
лоп
- передних кромок дугообразных лопастей стабилизатора несимметричной формы с односторонними скосами, выполненными на их выпуклых поверхностях с углом β=5°…15° в плоскости, перпендикулярной кромкам, а угла подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин устройства вращения в пределах δ(1,2…2,4)β - обеспечить создание вращающего момента PC при движении в гладкоствольной трубчатой направляющей, на АУТ и поддерживать его вращение на пассивном участке (ПУТ) в допустимом интервале угловой скорости вращения при минимальных геометрических значениях устройства вращения и дугообразных лопастей стабилизатора. Выполнение угла одностороннего скоса передних кромок менее 5° приводит к нарушению заданной формы кромок в условиях полета PC с большими скоростями и воздействия аэродинамического нагрева, увеличению разброса вращающего момента и угловой скорости вращения, увеличению вероятности достижения недопустимых значений вращающего момента крена PC. При β>15° происходит увеличение лобового сопротивления лопастей, сопротивления PC в целом и уменьшение дальности его полета. При угле δ>2,4β увеличивается сопротивление пластин устройства вращения и возрастает потеря тяги реактивного двигателя. Кроме того, возможны отрывы газового потока, нестабильность обтекания, приводящие к разбросу внутрибаллистических характеристик реактивного двигателя. Выполнение угла δ<1,2β приводит к созданию недостаточного вращающего момента относительно продольной оси PC для парирования начальных возмущений при вылете его из гладкоствольных трубчатых направляющих пусковой установки, приводящих к уменьшению дальности и ухудшению основных характеристик.
Сущность изобретения поясняется чертежом фиг. 1, где представлен общий вид вращающегося реактивного снаряда.
лоп
Вращающийся PC состоит из головной части 1, реактивного двигателя 2 с одним центральным соплом 3, стабилизатора 4 с раскрывающимися дугообразными лопастями 5, имеющими несимметричную форму передних кромок 6 и ориентированных выпуклыми поверхностями 7 в направлении вращения PC. Передние кромки 6 дугообразных лопастей 5 выполнены с односторонними скосами 8, выполненными на их выпуклых поверхностях 7 с углом β=5°…15° в плоскости, перпендикулярной кромкам. Представленная конструкция поясняется сечением В-В на фиг. 1.
пл
лоп
кр
кp
кp
На внутренней поверхности сопла 3 за его критическим сечением 9 расположено устройство 10 создания вращающего момента с использованием струи реактивного двигателя 2. Устройство 10 содержит пластины 11, равномерно расположенные в окружном направлении сопла 3 под одинаковым углом δ=(1,2…2,4)β подъема винтовой линии их боковых поверхностей 12 к продольной оси PC. Толщина пластин 11 постоянна по высоте и составляет t=(0,05…0,15) d, а центр давления каждой пластины удален от выходного сечения сопла 3 на расстояние L=(1,5…3,0) d, где d - диаметр критического сечения 9 сопла 3. В сечении А-А фиг. 1 детально показано устройство 10 создания вращающего момента, а также боковой поверхности 12 пластины 11 с указанием точки центра давления. На виде С фиг. 1 строение пластины 11 с указанием ее толщины t
Функционирование предлагаемого вращающегося PC происходит следующим образом. После запуска реактивного двигателя 2 за счет реактивной силы газовых струй, истекающих из центрального сопла 3 снаряд с головной частью 1 движется по гладкоствольной трубчатой направляющей пусковой установки, дугообразные лопасти 5 стабилизатора 4 находятся в сложенном положении. Газовая струя реактивного двигателя 2 воздействует на пластины 11 устройства вращения 10, расположенного за критическим сечением 9 сопла 3, создает вращающий момент относительно продольной оси PC, который начинает свое вращение.
После выхода PC из направляющей пусковой установки лопасти 5 раскрываются, обеспечивая устойчивое движение снаряда по траектории. За счет требуемой угловой скорости вращения исключается влияние начальных возмущений при вылете PC, геометрического, газодинамического эксцентриситетов на основные характеристики стрельбы. За счет односторонних скосов 8 передних кромок 6, выполненных на выпуклых поверхностях 7 лопастей создается вращающий аэродинамический момент стабилизатора 4, направленный в ту же сторону, что и газодинамический момент от пластин 11. Данный момент обеспечивает вращение PC после окончания работы реактивного двигателя 2.
За счет выбора геометрических параметров дугообразных лопастей стабилизатора и устройства вращения, расположенного на внутренней поверхности сопла, рациональных соотношений формы кромок и геометрических параметров устройства вращения обеспечен устойчивый безрезонансный полет PC в допустимом интервале угловой скорости вращения при движении с большими скоростями, что позволяет повысить дальность стрельбы, надежность функционирования.
Указанный положительный эффект подтвержден летно-конструкторскими испытаниями опытных образцов вращающихся PC системы залпового огня, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением.
В настоящее время разработана конструкторская документация, намечено изготовление опытной партии вращающихся PC.