Способ увеличения дальности полёта артиллерийского снаряда с ракетно-прямоточным двигателем и реализующий его артиллерийский снаряд (варианты)
METHOD FOR INCREASING THE FLIGHT RANGE OF AN ARTILLERY PROJECTILE WITH A ROCKET-RAMJET ENGINE AND AN ARTILLERY PROJECTILE IMPLEMENTING IT (OPTIONS)

Изобретение относится к боеприпасам, в частности к способу увеличения дальности полета снарядов, оснащенных ракетно-прямоточным двигателем, и снарядам, реализующим этот способ.
Известна конструкция артиллерийского снаряда с телескопическим прямоточным воздушно-реактивным двигателем (патент US 2935946, 10.05.1960). В известной конструкции необходимая для работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя камера сгорания формируется после выстрела путем телескопического смещения внешней обечайки назад относительно корпуса, содержащего топливо и полезную нагрузку. Смещение происходит под действием силы, создаваемой давлением набегающего потока воздуха на обечайку. Данная конструкция позволяет получить снаряд, оснащенный прямоточным воздушно-реактивным двигателем со сравнительно большим объемом камеры сгорания, длина которой примерно равняется длине корпуса, содержащего топливо и полезную нагрузку. При этом до вылета из ствола орудия обечайка камеры сгорания находится в крайнем переднем положении.
Недостатком данной конструкции является, во-первых, размещение подвижной обечайки, формирующей камеру сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя, снаружи снаряда. Известно, что при движении по каналу ствола снаряды могут совершать колебания под действием ряда факторов (эксцентриситет масс снаряда, изношенный канал ствола, зазоры между поверхностью снаряда и поверхностью канала ствола и т.д.). Это проявляется в виде ударов снаряда о поверхность канала ствола и появления отпечатков от поверхности канала ствола на корпусе снаряда. В случае с тонкостенной внешней обечайкой, как в вышеупомянутой конструкции, подобный эффект может привести к деформации обечайки и ее заклиниванию, что сделает невозможным приведение прямоточного воздушно-реактивного двигателя в рабочее положение. Во-вторых, тонкостенная внешняя обечайка имеет сравнительно небольшую площадь поперечного сечения. Это означает, что суммарная сила от давления набегающего потока, действующая на обечайку, может быть недостаточна для того, чтобы сдвинуть деформированную при прохождении по каналу ствола обечайку назад относительно корпуса, содержащего топливо и полезную нагрузку.
Известна конструкция артиллерийского снаряда (полезная модель RU 128311, 20.11.2014), корпус которого состоит из двух соосных обечаек, причем наружная обечайка выполнена с возможностью осевого перемещения назад по внутренней обечайке. Это осевое перемещение производится после выстрела под действием сил инерции и разности давлений между окружающей средой и накопительной камерой на борту снаряда, образованной поддоном, внутренней и наружной обечайками. Полученный после выстрела свободный объем может быть использован в качестве камеры дожигания ракетно-прямоточного двигателя.
Недостатком этой конструкции является, во-первых, размещение подвижной обечайки снаружи снаряда, что подвергает ее опасности заклинивания из-за эффектов при выстреле, упомянутых выше. Во-вторых, в данной конструкции, исходя из иллюстраций, обтюрирующий поясок размещен в кормовой части снаряда на внешней поверхности поддона со сравнительно небольшой толщиной стенки, прикрывающего сложенные лопасти стабилизаторов. Известно, что область обтюрирующего пояска при выстреле испытывает нагрузки, близкие к максимально реализуемым во всей конструкции снаряда. Таким образом, размещение обтюрирующего пояска на сравнительно тонкой стенке, под которой имеется свободное пространство, в котором размещены сложенные лопасти стабилизаторов, может привести к деформации стенки поддона при выстреле, деформации лопастей стабилизаторов, заклиниванию поддона или невозможности раскрытия стабилизаторов.
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является активно-реактивный снаряд с ракетно-прямоточным двигателем для орудий с нарезным стволом (патент RU 2711208, 15.01.2020). В этой конструкции тяговое усилие, обеспечивающее повышение дальности полета снаряда, создается за счет дожигания в атмосферном воздухе продуктов первичного сгорания заряда твердого топлива, поступающих из газогенератора в камеру дожигания ракетно-прямоточного двигателя, которая оснащена системой, изменяющей ее геометрию и увеличивающей полезный объем камеры дожигания после вылета снаряда из ствола орудия. В этой конструкции сделан акцент на всемерное повышение полноты дожигания продуктов первичного сгорания твердого топлива в пределах камеры при удовлетворении жестким требованиям по длине снаряда. Этот акцент проявляется в оснащении двигателя системой для увеличения объема камеры дожигания, приводимой в действие за счет сил инерции, действующих на подвижные части системы. Под действием этих сил, возникающих при закручивании снаряда в нарезном стволе, подвижные части системы увеличения объема камеры дожигания проворачиваются в резьбовом соединении, которое соединяет их с остальными элементами ракетно-прямоточного двигателя, и перемещаются назад, обеспечивая плавное раскрытие воздухозаборного устройства и формирование дополнительного объема камеры дожигания.
Основным недостатком этой конструкции является размещение подвижной обечайки на внешней поверхности снаряда. Опытные стрельбы уменьшенными макетами этой конструкции показали, что существует принципиальная возможность задействовать такую систему увеличения объема камеры дожигания за счет сил инерции. Однако при выполнении этой системы в габаритах, требуемых конструкцией по патенту RU 2711208 (когда внешний диаметр обечайки близок к калибру снаряда), явно наблюдался эффект заклинивания подвижных частей системы при движении по каналу ствола в результате колебаний снаряда и контакта обечайки с поверхностью канала ствола.
Кроме того, утяжеление хвостовой части снаряда, выстреливаемого из нарезного ствола и стабилизируемого вращением, может привести к разбалансировке снаряда и потере им гироскопической устойчивости.
Технической проблемой, решаемой группой изобретений, является увеличение дальности полета артиллерийского снаряда, оснащенного ракетно-прямоточным двигателем, за счет системы увеличения объема камеры дожигания.
Заявленный способ увеличения дальности полета артиллерийского снаряда, как и наиболее близкий аналог, заключается в том, что движение снаряда в стволе орудия осуществляют под воздействием давления продуктов сгорания метательного заряда и обеспечивают ведение снаряда по стволу посредством обтюрирующего пояска, проскальзывающего относительно корпуса снаряда, причем снаряд содержит ракетно-прямоточный двигатель, установленный в кормовой части снаряда и включающий корпус газогенератора с расположенным в нем зарядом твердого топлива, диафрагму, днище газогенератора с сопловыми отверстиями, обечайку первичного объема камеры дожигания, соединенную с корпусом газогенератора, воздухозаборное устройство и систему увеличения объема камеры дожигания с резьбовой втулкой с буртом, выполненной с возможностью поступательного перемещения при ее вращении и стопорения поступательного перемещения при взаимодействии бурта резьбовой втулки с упором в крайнем заднем положении упомянутой втулки.
Указанная техническая проблема решается за счет того, что резьбовая втулка с буртом системы увеличения объема камеры дожигания жестко соединена с узлом или узлами крепления стабилизаторов и связана резьбовым соединением с обечайкой первичного объема камеры дожигания, обеспечивающим поступательное перемещение втулки с буртом относительно обечайки, причем стабилизаторы установлены под углом к оси снаряда и закрыты сбрасываемым защитным колпаком. Упор, ограничивающий поступательное перемещение резьбовой втулки и взаимодействующий с ее буртом при крайнем заднем положении резьбовой втулки, расположен на обечайке первичного объема камеры дожигания. После вылета снаряда из канала ствола воспламеняют заряд твердого топлива, что приводит к сбросу защитного колпака, раскрытию стабилизаторов, передающих силовое воздействие от набегающего потока воздуха через узел или узлы крепления стабилизаторов на резьбовую втулку с буртом. Резьбовая втулка за счет этого проворачивается в резьбовом соединении и поступательно перемещается относительно обечайки первичного объема камеры дожигания назад в крайнее заднее положение, увеличивая объем камеры дожигания, и в крайнем заднем положении резьбовая втулка с буртом стопорится за счет взаимодействия бурта резьбовой втулки с упором на обечайке первичного объема камеры дожигания. Тракт подачи воздуха воздухозаборного устройства образован сквозными щелями в обечайке первичного объема камеры дожигания и сквозными щелями в резьбовой втулке с буртом. Сквозные щели в резьбовой втулке с буртом совмещаются со сквозными щелями в обечайке при крайнем заднем положении резьбовой втулки с обеспечением поступления воздуха для дожигания продуктов первичного сгорания твердого топлива с последующим их истечением через сопло и созданием тягового усилия.
Заявленный артиллерийский снаряд по трем вариантам его выполнения, как и наиболее близкий аналог, содержит головную часть для полезной нагрузки, проскальзывающий относительно корпуса снаряда обтюрирующий поясок, ракетно-прямоточный двигатель, размещенный в кормовой части снаряда и содержащий корпус газогенератора, заряд твердого топлива, диафрагму, днище газогенератора с сопловыми отверстиями, обечайку первичного объема камеры дожигания, воздухозаборное устройство и систему для увеличения объема камеры дожигания с резьбовой втулкой с буртом, выполненной с возможностью поступательного перемещения при ее вращении и стопорения поступательного перемещения в крайнем заднем положении при взаимодействии бурта резьбовой втулки с упором.
Указанная выше техническая проблема для первого варианта выполнения артиллерийского снаряда решается за счет того, что резьбовая втулка с буртом системы увеличения объема камеры дожигания жестко соединена с узлом или узлами крепления стабилизаторов и связана резьбовым соединением с обечайкой первичного объема камеры дожигания, обеспечивающим поступательное перемещение втулки с буртом относительно обечайки. Упор, стопорящий поступательное перемещение резьбовой втулки в крайнем заднем положении, взаимодействуя с ее буртом, расположен на обечайке первичного объема камеры дожигания. Стабилизаторы установлены в узле (или узлах) крепления под углом к оси снаряда и закрыты сбрасываемым защитным колпаком. Тракт подачи воздуха воздухозаборного устройства образован сквозными щелями в обечайке первичного объема камеры дожигания и сквозными щелями в резьбовой втулке с буртом. Сквозные щели в резьбовой втулке с буртом совмещаются со сквозными щелями в обечайке при крайнем заднем положении резьбовой втулки.
Указанная выше техническая проблема для второго варианта выполнения артиллерийского снаряда решается за счет того, что резьбовая втулка с буртом системы увеличения объема камеры дожигания жестко соединена с узлом или узлами крепления стабилизаторов и связана через первую и вторую переходные втулки с обечайкой первичного объема камеры дожигания таким образом, что обеспечена возможность поступательного перемещения относительно обечайки первой переходной втулки, второй переходной втулки и резьбовой втулки с буртом. Стабилизаторы при этом установлены под углом к оси снаряда и закрыты сбрасываемым защитным колпаком. Первая переходная втулка соединена резьбовым соединением с обечайкой первичного объема камеры дожигания и выполнена с буртом, предназначенным для стопорения в крайнем заднем положении посредством взаимодействия бурта с упором, образованным на упомянутой обечайке, кроме того, первая переходная втулка выполнена с собственным упором. Тракт подачи воздуха воздухозаборного устройства образован сквозными щелями в обечайке первичного объема камеры дожигания и сквозными щелями в первой переходной втулке, совмещаемыми при ее крайнем заднем положении со сквозными щелями в обечайке. Вторая переходная втулка связана резьбовым соединением с первой переходной втулкой и выполнена с буртом, предназначенным для ее стопорения в крайнем заднем положении при взаимодействии бурта второй переходной втулки с упомянутым упором первой переходной втулки, кроме того, вторая переходная втулка снабжена собственным упором. Упомянутая резьбовая втулка с буртом системы увеличения объема камеры дожигания связана резьбовым соединением со второй переходной втулкой и выполнена с возможностью стопорения в крайнем заднем положении при взаимодействии бурта резьбовой втулки с упомянутым упором второй переходной втулки.
Указанная выше техническая проблема для третьего варианта выполнения артиллерийского снаряда решается за счет того, что снаряд снабжен переходником, расположенным между корпусом газогенератора и внешней обечайкой первичного объема камеры дожигания, причем переходник жестко связан с корпусом газогенератора, диафрагмой и внешней обечайкой первичного объема камеры дожигания и выполнен с газоводом, сопловыми отверстиями и воздухозаборными окнами, образующими воздуховод. Резьбовая втулка с буртом системы увеличения объема камеры дожигания жестко соединена с узлом или узлами крепления стабилизаторов и связана резьбовым соединением с обечайкой первичного объема камеры дожигания, обеспечивающим поступательное перемещение втулки с буртом относительно обечайки. Упор для взаимодействия с буртом резьбовой втулки в крайнем заднем положении расположен на обечайке первичного объема камеры дожигания. Стабилизаторы установлены в узле или узлах крепления под углом к оси снаряда и закрыты сбрасываемым защитным колпаком.
Кроме того, переходник, внешняя обечайка камеры дожигания и система увеличения объема камеры дожигания могут быть размещены в габаритах гильзы для унитарного заряжания.
Технический результат, обеспечиваемый способом увеличения дальности полета артиллерийского снаряда с ракетно-прямоточным двигателем, заключается в использовании аэродинамических сил, действующих в полете на стабилизаторы снаряда, для увеличения объема камеры дожигания, чтобы повысить полноту реализации заложенной в топливе энергии при дожигании продуктов первичного сгорания твердого топлива в камере и, как следствие, увеличить дальность полета снаряда.
Заявленный артиллерийский снаряд с ракетно-прямоточным двигателем и системой увеличения объема камеры дожигания, устраняющий недостатки наиболее близкого аналога, содержит головную часть с полезной нагрузкой, проскальзывающий относительно корпуса снаряда обтюрирующий поясок, ракетно-прямоточный двигатель, размещенный в кормовой части снаряда и содержащий заряд твердого топлива, диафрагму, днище газогенератора с сопловыми отверстиями, обечайку первичного объема камеры дожигания, воздухозаборное устройство и систему увеличения объема камеры дожигания, которая, в свою очередь, содержит втулку с буртом, крепление стабилизаторов и стабилизаторы, закрытые сбрасываемым защитным колпаком, сбрасываемым после вылета снаряда из канала ствола. Указанная выше техническая проблема с достижением технического результата в рамках заявленного изобретения - снаряда решается за счет того, что ракетно-прямоточный двигатель, обеспечивающий дожигание продуктов первичного сгорания твердого топлива и использующий атмосферный воздух в качестве источника дополнительного окислителя и рабочего тела, оснащен системой увеличения объема камеры дожигания, которая обеспечивает повышение полноты дожигания продуктов первичного сгорания топлива, т.е. реализации заложенной в нем энергии, при этом система увеличения объема камеры дожигания состоит из втулки с буртом, установленной на резьбовом соединении внутри обечайки первичного объема камеры дожигания, узла или узлов крепления стабилизаторов, а также стабилизаторов, установленных в узле или узлах крепления под определенным углом к продольной оси снаряда и закрытых до вылета снаряда из канала ствола сбрасываемым защитным колпаком, а после вылета из канала ствола обеспечивающих стабилизацию снаряда на траектории и передачу силового воздействия на втулку с буртом, которая при этом проворачивается в резьбовом соединении и смещается назад, увеличивая объем камеры дожигания.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленной конструкции артиллерийского снаряда, заключается в повышении дальности полета снаряда за счет повышения полноты реализации заложенной в топливе энергии, что является следствием увеличения объема камеры дожигания, осуществляемого после вылета снаряда из канала ствола.
Указанный технический результат достигается за счет того, что при выстреле из орудия на донную часть снаряда действует избыточное давление продуктов сгорания метательного заряда, которые сообщают ему количество движения, достаточное для вылета из канала ствола со сверхзвуковой скоростью. При этом проскальзывающий относительно корпуса снаряда обтюрирующий поясок, установленный в районе днища газогенератора, обеспечивает закручивание снаряда с частотой, не препятствующей его аэродинамической стабилизации, в том числе при стрельбе из нарезного ствола. После вылета из канала ствола избыточное давление продуктов сгорания метательного заряда сохраняется в пространстве кормовой части снаряда, прикрытой сбрасываемым защитным колпаком, в то время как давление окружающей среды равняется атмосферному. Это приводит к сбросу защитного колпака и раскрытию стабилизаторов. Стабилизаторы, установленные на узле или узлах крепления стабилизаторов под углом к продольной оси снаряда, под действием набегающего потока воздуха создают силы, нормальные относительно поверхностей соответствующих стабилизаторов. Ввиду установки стабилизаторов под углом к продольной оси снаряда, относительно корпуса снаряда эти силы раскладываются на осевую и тангенциальную составляющие. При возникновении у снаряда угла атаки тангенциальные составляющие аэродинамических сил отдельных стабилизаторов суммарно дают нормальную силу, стабилизирующую снаряд. Тангенциальные составляющие аэродинамических сил передаются от стабилизаторов через узел или узлы крепления на втулку с буртом, соединенную резьбой с обечайкой первичного объема камеры дожигания и находящуюся до раскрытия стабилизаторов в крайнем переднем положении. Под действием тангенциальной силы втулка проворачивается в резьбовом соединении и смещается назад, увеличивая объем камеры дожигания. Втулка останавливается в крайнем заднем положении, когда бурт на втулке входит в контакт с упором, выполненным на внутренней поверхности обечайки первичного объема камеры дожигания. При этом сквозные наклонные щели, выполненные в стенке втулки с буртом, совпадают со сквозными наклонными щелями, выполненными в стенке обечайки первичного объема камеры дожигания, и формируют тракт, по которому в ракетно-прямоточный двигатель подается воздух. Подача воздуха обеспечивается воздухозаборным устройством, имеющим вид профилированного кольца, закрепленного на внешней поверхности обечайки первичного объема камеры дожигания. Одновременно с раскрытием стабилизаторов воспламеняется заряд топлива, продукты первичного сгорания топлива истекают через сопловые отверстия в днище газогенератора и поступают в камеру дожигания, состоящую из первичного объема и дополнительного объема, сформированного за счет смещения втулки с буртом назад в резьбовом соединении под действием аэродинамических сил, передаваемых на втулку от стабилизаторов через узел или узлы крепления стабилизаторов. Продукты первичного сгорания топлива смешиваются с воздухом, поступающим через тракт, сформированный воздухозаборным устройством, щелями в стенке обечайки первичного объема камеры дожигания и щелями в стенке втулки с буртом. В результате смешения происходит дожигание продуктов первичного сгорания топлива с выделением энергии, которая расходуется на отбрасывание рабочего тела (смеси продуктов первичного сгорания топлива, воздуха и продуктов дожигания) через сопло, выполненное на внутренней поверхности втулки с буртом, с высокой скоростью. Результатом этого является создание тяги, обеспечивающей повышение дальности полета артиллерийского снаряда.
К совокупности существенных признаков, обеспечивающих достижение указанных технических результатов для способа и снаряда, относится оснащение снаряда с кормовым ракетно-прямоточным двигателем системой увеличения объема камеры дожигания, состоящей из втулки с буртом, установленной внутри ракетно-прямоточного двигателя на резьбовом соединении, при этом втулка с буртом способна проворачиваться в этом соединении со смещением назад, что формирует дополнительный объем камеры дожигания, а проворот втулки с буртом в этом соединении обеспечивается за счет закрепления на задней части втулки с буртом стабилизаторов, установленных под определенным углом к продольной оси снаряда.
Суть изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлен общий вид артиллерийского снаряда с ракетно-прямоточным двигателем, оснащенного системой увеличения объема камеры дожигания;
на фиг. 2 - вариант 1 ракетно-прямоточного двигателя с системой увеличения объема камеры дожигания с одной втулкой с буртом в положении до вылета из канала ствола;
на фиг. 3 - вариант 1 ракетно-прямоточного двигателя с системой увеличения объема камеры дожигания с одной втулкой с буртом в положении до вылета из канала ствола;
на фиг. 4 - вариант ракетно-прямоточного двигателя с системой увеличения объема камеры дожигания с последовательностью из трех втулок с буртом в положении до вылета из канала ствола;
на фиг. 5 - вариант 2 ракетно-прямоточного двигателя с системой увеличения объема камеры дожигания с последовательностью из трех втулок с буртом в положении после вылета из канала ствола;
на фиг. 6 - вариант 3 ракетно-прямоточного двигателя с системой увеличения объема камеры дожигания для снарядов унитарного заряжания в положении до вылета из канала ствола.
на фиг. 7 - вариант 3 ракетно-прямоточного двигателя с системой увеличения объема камеры дожигания для снарядов унитарного заряжания в положении после вылета из канала ствола.
На чертежах позициями обозначено:
1 - головная часть;
2 - обтюрирующий поясок;
3 - ракетно-прямоточный двигатель;
4 - корпус газогенератора;
5 - заряд твердого топлива;
6 - диафрагма;
7 - днище газогенератора;
8 - сопловые отверстия;
9 - обечайка первичного объема камеры дожигания;
10 - воздухозаборное устройство;
11 - втулка с буртом;
12 - узел (или узлы) крепления стабилизаторов;
13 - стабилизаторы;
14 - сбрасываемый защитный колпак;
15 - первая переходная втулка;
16 - вторая переходная втулка;
17 - переходник;
18 - внешняя обечайка камеры дожигания; 19-газовод;
20 - воздухозаборные окна.
Артиллерийский снаряд с ракетно-прямоточным двигателем, оснащенный системой увеличения объема камеры дожигания (фиг. 1) состоит из головной части 1, в которой размещается полезная нагрузка (например, заряд взрывчатого вещества, взрыватель, система управления и т.д.), проскальзывающего относительно корпуса снаряда обтюрирующего пояска 2 и ракетно-прямоточного двигателя 3.
Ракетно-прямоточный двигатель с системой увеличения объема камеры дожигания (фиг. 2 и 3) состоит из корпуса 4 газогенератора, заряда твердого топлива 5, диафрагмы 6, днища 7 газогенератора с сопловыми отверстиями 8, обечайки 9 первичного объема камеры дожигания, воздухозаборного устройства 10, втулки с буртом 11, узла (или узлов) 12 крепления стабилизаторов со сложенными стабилизаторами 13, закрытыми сбрасываемым защитным колпаком 14.
Корпус 4 газогенератора, диафрагма 6, днище 7, обечайка 9 и воздухозаборное устройство 10 жестко соединены между собой при помощи резьбовых соединений без возможности проворота и осевого перемещения в резьбовом соединении. Втулка с буртом 11 соединена с обечайкой 9 при помощи свободного резьбового соединения с возможностью проворота в резьбовом соединении и, вследствие этого, осевого перемещения назад относительно обечайки 9. Узел (или узлы) 12 крепления стабилизаторов жестко соединен со втулкой с буртом 11 таким образом, чтобы не допускать проворота в соединении. Стабилизаторы 13 установлены под определенным углом к продольной оси снаряда и соединены с узлом (или узлами) 12 крепления стабилизаторов так, чтобы обеспечить их раскрытие после сброса защитного колпака 14. Сбрасываемый защитный колпак 14 надевается на сложенные стабилизаторы и удерживается за счет трения. Он имеет центральное отверстие, меньшее по диаметру, чем минимальный внутренний диаметр втулки с буртом 11.
В ракетно-прямоточном двигателе с системой увеличения объема камеры дожигания в положении до вылета из канала ствола (фиг. 2) втулка с буртом 11 находится в крайнем переднем положении, стабилизаторы 13 сложены и закрыты сбрасываемым защитным колпаком 14, препятствующим их раскрытию до вылета из канала ствола. Сквозные щели на обечайке 9 и на втулке с буртом 11 не совпадают, и тракт подачи воздуха перекрыт. В таком положении артиллерийский снаряд может удовлетворять достаточно жестким требованиям по длине запоясковой части.
В ракетно-прямоточном двигателе с системой увеличения объема камеры дожигания в положении после вылета из канала ствола (фиг. 3) втулка с буртом 11 находится в крайнем заднем положении, формируя дополнительный объем камеры дожигания. Защитный колпак 14 сброшен. Стабилизаторы 13 раскрыты. Сквозные щели на обечайке 9 и на втулке с буртом 11 совпадают, и воздухозаборное устройство 10 направляет атмосферный воздух в камеру дожигания, сформированную обечайкой 9 и втулкой с буртом 11. Продукты первичного сгорания заряда твердого топлива 5 поступают в камеру дожигания через сопловые отверстия 8 в днище 7. Происходит дожигание топлива с подводом выделившейся энергии к рабочему телу в пределах камеры дожигания и истечение рабочего тела с высокой скоростью через сопло, выполненное на внутренней поверхности втулки с буртом 11, что создает тягу.
Заявленный артиллерийский снаряд с ракетно-прямоточным двигателем, оснащенный системой увеличения объема камеры дожигания, функционирует следующим образом.
При выстреле из артиллерийского орудия продукты сгорания метательного заряда воздействуют на донную часть снаряда, состоящего из головной части 1, проскальзывающего относительно корпуса снаряда обтюрирующего пояска 2 и ракетно-прямоточного двигателя 3 (фиг. 1). Под действием давления продуктов сгорания метательного заряда снаряд получает ускоренное движение вперед по каналу ствола. При этом обтюрирующий поясок 2, проскальзывая относительно корпуса снаряда, обеспечивает его закручивание с частотой, не препятствующей аэродинамической стабилизации снаряда, в том числе при выстреле из нарезного ствола. Обтюрирующий поясок 2 установлен в районе диафрагмы 6 и днища 7 газогенератора, т.е. в области пояска находится достаточно большая масса металла, что препятствует деформации критически важных элементов снаряда под действием нагрузок, которые он испытывает при выстреле.
В процессе движения по стволу продукты сгорания метательного заряда, имеющие избыточное давление, затекают в полость ракетно-прямоточного двигателя 3 через центральное отверстие в сбрасываемом защитном колпаке 14. После вылета из канала ствола давление снаружи ракетно-прямоточного двигателя становится равно атмосферному, в то время как продукты сгорания метательного заряда, имеющие избыточное давление, по-прежнему находятся в полости ракетно-прямоточного двигателя. Под действием разности давлений защитный колпак 14 сбрасывается, освобождая стабилизаторы 13, закрепленные на узле (или узлах) 12 крепления стабилизаторов под определенным углом к продольной оси снаряда.
Стабилизаторы 13 раскрываются и воспринимают набегающий поток воздуха. Поскольку стабилизаторы 13 установлены под определенным углом к продольной оси снаряда, они способны создавать тангенциальную по отношению к корпусу снаряда силу. Тангенциальная сила создается на всем протяжении полета, а при наличии угла атаки сумма тангенциальных сил отдельных стабилизаторов создает нормальную силу, которая стремится вернуть снаряд в положение, соответствующее нулевому углу атаки, т.е. обеспечивает устойчивый полет. Угол установки стабилизаторов 13 подбирается таким образом, чтобы тангенциальная сила способствовала провороту втулки с буртом 11 в резьбовом соединении, с которой жестко соединен узел (или узлы) 12 крепления стабилизаторов, в ее резьбовом соединении с обечайкой 9 и смещению при этом назад относительно обечайки 9. Под действием тангенциальной силы втулка с буртом 11 проворачивается в резьбовом соединении с обечайкой 9 первичного объема камеры дожигания и смещается назад до тех пор, пока бурт на втулке не войдет в контакт с упором на обечайке 9. В процессе этого формируется дополнительный объем камеры дожигания, т.к. к первичному объему, ограниченному обечайкой 9, добавляется объем, ограниченный внутренней поверхностью втулки с буртом 11. При остановке втулки с буртом 11 в крайнем заднем положении сквозные щели, выполненные в ее стенке, совпадают со сквозными щелями, выполненными в стенке обечайки 9, чем достигается формирование тракта для подачи воздуха в камеру дожигания. После остановки втулки с буртом 11 в крайнем заднем положении стабилизаторы 13, установленные под определенным углом к продольной оси снаряда, продолжают передавать тангенциальную силу на снаряд. Частота вращения снаряда при этом существенно ниже, чем при гироскопической стабилизации (порядка 6-10 оборотов в секунду), что не препятствует работе различных бортовых систем, в том числе систем управления (см. Основы устройства и функционирования артиллерийских управляемых снарядов. Учебное пособие. - Под общ. ред. акад. РАН А.Г. Шипунова. - Тула: Издательство Тульского государственного университета, 2003).
Одновременно с раскрытием стабилизаторов 13 воспламеняется заряд твердого топлива 5. Продукты его первичного сгорания истекают через центральное отверстие в диафрагме 6 и распределяются по сопловым отверстиям 8 в днище 7, после чего истекают в камеру дожигания ракетно-прямоточного двигателя, образованную обечайкой 9 первичного объема камеры дожигания и втулкой с буртом 11. Воздух в камеру дожигания поступает через тракт, формируемый воздухозаборным устройством 10 и сквозными щелями в стенке обечайки 9 и стенке втулки с буртом 11. Перемешиваясь с воздухом, продукты первичного сгорания топлива дожигаются с выделением энергии, которая передается рабочему телу (смеси продуктов первичного сгорания топлива, воздуха и продуктов дожигания). Рабочее тело далее выбрасывается через сопло ракетно-прямоточного двигателя, выполненное в виде профилированной внутренней поверхности втулки с буртом 11 ближе к ее хвостовой части. За счет этого создается тяга и, как следствие, увеличивается дальность полета артиллерийского снаряда.
Из сути описанной конструкции следует, что возможность увеличить объем камеры дожигания ракетно-прямоточного двигателя с кормовым расположением на артиллерийском снаряде напрямую зависит от расстояния между обтюрирующим пояском, в районе которого располагаются силовые элементы (на фиг. 2 и фиг. 3 это диафрагма 6 и днище 8 газогенератора), и крайней задней точкой снаряда. Величина этого расстояния, как правило, ограничена условиями заряжания.
Для артиллерийских систем с раздельно-гильзовым и картузным заряжанием эти ограничения наиболее жесткие, и снаряд имеет относительно короткую запоясковую часть, как на фиг. 1. В таких условиях дополнительно повысить степень увеличения объема камеры дожигания можно при помощи модификации ракетно-прямоточного двигателя с системой увеличения объема камеры дожигания, представленной на фиг. 4 и фиг. 5. В данной модификации вместо одной втулки с буртом используется последовательность втулок с буртом. Первая переходная втулка 15 со сквозными щелями в стенке установлена в резьбовом соединении с обечайкой 9 первичного объема камеры дожигания и имеет как бурт для стопорения в крайнем заднем положении, так и внутреннее резьбовое соединение с упором, подобное по конструкции и назначению резьбовому соединению между обечайкой 9 и втулкой с буртом 11 на фиг. 2 и фиг. 3. В этом соединении установлена вторая переходная втулка 16, по конструкции аналогичная первой переходной втулке 15 за исключением меньшего диаметра и отсутствия сквозных щелей в стенке. Со второй переходной втулкой 16 соединяется втулка с буртом 11, на которой жестко закреплен узел (или узлы) 12 крепления стабилизаторов аналогично конструкции, представленной на фиг. 2 и фиг. 3. Все резьбовые соединения между обечайкой 9, переходными втулками 15 и 16 и втулкой с буртом 11 выполнены по одинаковой схеме, позволяющей втулкам при провороте в соединениях смещаться назад. Проворот происходит под действием тангенциальной силы, передаваемой со стабилизаторов 13 через узел (или узлы) 12 крепления стабилизаторов 13 на втулку с буртом 11. Таким образом, первой в крайнее заднее положение приходит втулка с буртом 11 и стопорится при контакте с упором на второй переходной втулке 16. Далее тангенциальная сила передается на вторую переходную втулку 16 до тех пор, пока она, в свою очередь, не займет крайнее заднее положение при контакте своего бурта с упором на первой переходной втулке 15. После этого тангенциальная сила передается уже на первую переходную втулку 15, и она, проворачиваясь в резьбовом соединении с обечайкой 9, перемещается в крайнее заднее положение, завершая процесс формирования дополнительного объема камеры дожигания. Таким образом, достигается дальнейшее увеличение объема камеры дожигания, повышение полноты дожигания и реализации заложенной в топливе энергии по сравнению с конструкцией, представленной на фиг. 2 и 3, при близких габаритах запоясковой части снаряда. На фиг. 4 представлена данная модификация заявленного изобретения в положении до вылета из канала ствола, а на фиг. 5 - в положении после вылета из канала ствола.
В артиллерийских системах с унитарным заряжанием подготовленный к выстрелу боеприпас представляет собой единую сборку, состоящую из снаряда, герметично соединенной с ним гильзы, метательного заряда в гильзе и средств инициирования метательного заряда. Поскольку размещение метательного заряда в гильзе происходит в контролируемых условиях, а не в боевой обстановке, появляется возможность удлинить кормовую часть снаряда и разместить метательный заряд внутри и вокруг нее рациональным образом. В связи с этим расширяются возможности по применению систем для увеличения объема камеры дожигания. Предложен вариант заявленного изобретения, представленный на фиг. 6 (положение до вылета из канала ствола) и фиг. 7 (положение после вылета из канала ствола). На фиг. 6 штриховыми линиями показаны приблизительные габариты гильзы унитарного заряжания.
В данном варианте ракетно-прямоточного двигателя с системой увеличения объема камеры дожигания для артиллерийского снаряда он состоит из корпуса 4 газогенератора, заряда твердого топлива 5, диафрагмы 6, переходника 17, внешней обечайки 18 камеры дожигания, втулки с буртом 11, узла (или узлов) крепления стабилизаторов 12 со стабилизаторами 13, закрытыми до вылета из канала ствола сбрасываемым защитным колпаком 14. Корпус 4, диафрагма 6, переходник 17 и внешняя обечайка 18 жестко соединены между собой резьбовыми соединениями, не допускающими проворота и осевого перемещения. Узел (или узлы) 12 крепления стабилизаторов жестко соединен с втулкой с буртом 11. Действие системы увеличения объема камеры дожигания аналогично описанному выше: после вылета из канала ствола под действием разности давлений сбрасывается защитный колпак 14, раскрываются стабилизаторы 13, которые передают тангенциальное усилие от набегающего потока воздуха через узел (или узлы) 12 крепления стабилизаторов 13 на втулку с буртом 11, которая, в свою очередь, проворачивается в резьбовом соединении с внешней обечайкой 18 камеры дожигания и смещается назад, формируя дополнительный объем камеры дожигания. Одновременно с раскрытием стабилизаторов 13 воспламеняется заряд твердого топлива 5. Продукты его первичного сгорания через отверстие в диафрагме 6 поступают в газовод 19, выполненный в переходнике 17, а из него через несколько сопловых отверстий 8, выполненных в переходнике 17, истекают в камеру дожигания. Воздух в камеру дожигания поступает через воздухозаборные окна 20, выполненные в переходнике 17.
Такой вариант ракетно-прямоточного двигателя с системой увеличения объема камеры дожигания для артиллерийского снаряда позволяет увеличить камеру дожигания на длину порядка 0,5 длины гильзы и выше. Этим достигается высокая полнота реализации энергии, заложенной в топливе, и достигается высокое тяговое усилие с соответствующим повышением дальности полета снаряда. Удаление входа в ракетно-прямоточный двигатель назад от корпуса снаряда в данном варианте заявленного изобретения позволяет снизить влияние пограничного слоя воздуха на рабочие характеристики двигателя.