Повышение живучести стволов артиллерийского оружия путем использования полимеров в конструкции снарядов

УДК 623.526

ПОВЫШЕНИЕ ЖИВУЧЕСТИ СТВОЛОВ АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ОРУЖИЯ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРОВ В КОНСТРУКЦИИ СНАРЯДОВ

А.М. Пушкарёв, И.Г. Вольф, С.Г. Карнишин, А.Н. Лунев

Рассматривается вопрос повышения живучести стволов артиллерийского автоматического оружия путем использования снарядов с ведущими устройствами из трибостойких полимерных материалов. Проанализированы основные факторы изменения работоспособности канала ствола при выстреле. Проведены исследования оценки влияния полимеров на живучесть артиллерийского оружия.

Ключевые слова: артиллерийский ствол, канал ствола, износ ствола, ресурс ствола, артиллерийский снаряд.

Модернизация существующих и создание новых образцов артиллерийского оружия направлено на уменьшение габаритов, снижение массы, увеличение темпа стрельбы и длины очереди. Для артиллерийского ствола, непосредственно выполняющего функцию стрельбы, последнее приводит к резкому возрастанию термосилового воздействия потока пороховых газов и ведущих элементов снаряда на поверхность канала и, как следствие, к интенсивному его повреждению, главным образом в виде износа направляющей части, и как следствие, к снижению живучести артиллерийского оружия. Потеря ресурса образцами артиллерийского оружия обуславливается реализацией в их конструкциях сложных физико-химических процессов, которые приводят к деформации, поломке, износу, коррозии и другим видам повреждений деталей и сборочных единиц. Поэтому проблема установления закономерностей влияния состояния ствола на живучесть ствольных систем в настоящее время остается актуальной.

Необходимо отметить, что живучесть ствола непосредственно зависит от степени его износа. Здесь под износом канала ствола подразумевается совокупность изменений его геометрических размеров и конфигураций [1].

Следует также отметить, что эффективность применения артиллерийского оружия находится в прямой зависимости от условий его применения, в данном случае от настрела ствола, где настрел определяется характеристиками состояния канала ствола по износу [2].

Кроме того, сопротивление поверхности канала ствола износу в значительной степени зависит от структурного состояния и соответствующих ему теплофизических и механических свойств металла поверхностного слоя. Однако, несмотря на это, в настоящее время при расчетном анализе износа артиллерийских стволов все еще используются характеристики, свойственные металлу в исходном структурном состоянии.

Здесь следует отметить, что качество внутренней поверхности канала ствола ствольной системы от выстрела к выстрелу изменяется и, в конце концов, достигает такого состояния, которое не обеспечивает необходимых баллистических характеристик при выстреле. Так, например, пе-

145

ременные по величине и направлению нагрузки в запредельной области износа резко меняют свои значения, вызывая существенное ухудшение кучности стрельбы, потерю устойчивости конструкции артиллерийского оружия и т.п. При этом назначенные предельные величины выходных параметров должны обеспечить устойчивую динамику конструкции артиллерийского оружия.

Таким образом, износ ствола - это не только изменение размеров и формы его канала, но и образование на нем сетки трещин, химические и структурные превращения в материале, остаточные деформации поверхности и т.д.

На живучесть стволов влияют также:

- факторы, связанные с физико-химическими характеристиками пороха, применяемого в качестве заряда;

- факторы, связанные с конструкцией и свойствами металла артиллерийского ствола;

- факторы, связанные с конструкцией и свойствами материала ведущего пояска и снаряда;

- факторы, связанные с внутренней баллистикой;

- факторы, связанные с эксплуатацией ствольных систем.

Каждый из перечисленных факторов имеет свои особенности и

определенный удельный вес в совокупном их воздействии на износ канала ствола. Правильный учет перечисленных факторов при проектировании и эксплуатации ствольных систем позволяет увеличить живучесть стволов, т.е. их длительную и надежную работу.

Повышение живучести артиллерийских стволов достигается целым рядом мероприятий, основными из которых являются:

- изменение конструкции нарезной части канала ствола, а также конструкции и материала ведущего пояска снаряда;

- применение защитных покрытий поверхностного слоя канала ствола, предохраняющих металл от воздействия потока пороховых газов и механического истирания ведущим пояском снаряда;

- применение флегматизаторов в составе порохов, а также применение низкотемпературных порохов;

- охлаждение стволов в процессе стрельбы и выбор оптимального режима стрельбы.

Решение задачи исследования трения и изнашивания в стволе артиллерийского оружия является достаточно сложным и требует системного подхода к рассмотрению артиллерийского оружия как трибомеханиче-ской системы представленной на рис. 1. Анализ совокупности взаимосвязей элементов артиллерийского оружия как трибомеханической системы (рис. 1) позволяет сделать вывод, что живучесть артиллерийских стволов определяется их износом, который зависит от многих факторов, и в особенности от теплового и термодинамического воздействия потока пороховых газов и термомеханического воздействия на нарезную часть ствола ведущих элементов снаряда. Кроме этого живучесть и износ стволов артиллерийского автоматического оружия имеют между собой тесную связь, которая проявляется при взаимодействии изношенного ствола и снаряда [2,

146

3]. Следовательно, повышение живучести стволов может достигаться как выбором металла для изготовления ствола, так и конструктивным решением ведущих элементов снаряда, в частности, выбором материала ведущего пояска снаряда.

канала ствола

..........Т.........."..........Т........................I........................!............

Совокупность Совокупность Совокупность Совокупность

элементов свойств взаимосвязей выходных

системы элементов элементов характеристик

системы

Рис. 1. Схема представления артиллерийского оружия как трибомеханической системы

С этой целью рассмотрим направления снижения механического воздействия снаряда на поверхностный слой канала ствола применительно к конструкциям автоматического артиллерийского оружия.

Одним из перспективных направлений в снижении механического воздействия снаряда на поверхностный слой канала ствола является применение в конструкции снаряда в качестве ведущего устройства пояска из полимерного материала. Следует отметить, что в настоящее время в основном применяются пояски из красной меди.

Исследования проводимые в данной области показывают, что стволы автоматического артиллерийского оружия, работающих в условиях газоэрозионного износа (рис. 1), при применении полимерного ведущего устройства превосходят по ресурсу ствол почти в трое в случае использования медного ведущего пояска.

Данное повышение ресурса ствола становится возможным в результате того, что, воздействуя на канал ствола при выстреле, полимер ведущего пояска активизирует поверхность металла, и она становится ювениль-ной. При движении по каналу ствола поверхностный слой полимерного ведущего пояска - расплавляется, тем самым происходит уменьшение диаметров канала ствола по полям и нарезам, связанное с явлением образования на внутренней хромированной поверхности канала ствола весьма прочно сцепленного с ней поверхностного слоя (пленки). Таким образом, в результате на ювенильной металлической поверхности образуется пленка переноса, состав, структура и толщина которой определяется процессами, протекавшими на фрикционном контакте. Толщина образовавшегося слоя составляет от 10 до нескольких сотен мкм и зависит от ряда факторов.

Установлено, что изменение размеров канала ствола происходит только при автоматической стрельбе, т.е. в условиях относительно непрерывного контакта полимерного ведущего устройства с поверхностью канала ствола. Ужесточение режимов стрельбы, например, сокращение перерывов между очередями, способствует увеличению толщины образующегося слоя. Толщина образующегося слоя возрастает также и с настрелом.

К особенностям взаимодействия полимерного ведущего пояска с поверхностью канала ствола следует отнести: высокую линейную скорость скольжения полимерного ведущего пояска по поверхности канала ствола (до 1000 м/с); наличие потока пороховых газов с высокими энергетическими параметрами (рм.ср. до 400 МПа, температура 3000 К, скорость движения до 1000 м/с), турбулизованного вращением снаряда, в котором находятся образующиеся при врезании полимерного ведущего пояска в нарезы канала ствола частицы полимерного материала, расплавленный слой фрикционного контакта, а также ингредиенты покрытия гильзы и поверхности канала ствола, в частности цинк и хром; псевдонепрерывность контакта, при котором перерывы между непосредственными взаимодействиями полимерного ведущего пояска с поверхностью канала ствола определяются темпом стрельбы и настолько малы, что позволяют сохранить ювенильную поверхность контакта.

Сочетание всех приведенных выше факторов приводит к появлению на поверхности канала ствола трибохимического слоя.

Здесь необходимо отметить, что с образованием поверхностной пленки идет уменьшение диаметра канала ствола по полям и нарезам, и процесс исчерпания ресурса стволов автоматического артиллерийского оружия в случае применения полимерного ведущего пояска определяется не известными видами изнашивания, как в случае медного ведущего пояска, а интенсивностью образования поверхностной пленки, причем определяющую роль играет при этом степень заполнения нарезов канала ствола.

На основании вышеизложенного, предложен следующий механизм формирования пленки. Воздействуя на канал ствола при выстреле, полимерный материал ведущего пояска активизирует поверхность металла, и она становится ювенильной. При движении по каналу ствола поверхностный слой полимерного ведущего пояска - расплавляется, в нем начинают происходить механохимические процессы, приводящие к образованию активных частиц - свободных радикалов, которые могут вступать во взаимодействие с атомами металла поверхности канала ствола, активированной воздействием полимерного ведущего пояска. В результате на ювенильной металлической поверхности образуется пленка переноса, состав, структура и толщина которой определяется процессами, протекавшими на фрикционном контакте. Под действием высокой температуры газового потока за-снарядного пространства происходит карбонизация пленки переноса с образованием структур сложного состава, какими в предельном случае могут быть, кроме карбонизованных, выполняющих роль высокотемпературной смазки, и кластерные - высокотвердые образования, роль которых в трении зависит от их типа. С образованием пленки идет уменьшение диаметра канала ствола по полям и нарезам, причем пленка большей толщины обра-

зуется в нарезах ствола. Меньшая толщина пленки на полях может быть связана с тем, что при движении снаряда по каналу ствола часть ее снимается центрирующим утолщением.

Образующаяся пленка играет двойную роль: с одной стороны, действует как дополнительное защитное покрытие, предохраняя поверхность канала ствола от механического и газоэрозионного изнашивания, с другой стороны, она является и причиной исчерпания ресурса ствола, заполняя нарезы. Таким образом, важнейшим фактором, определяющим ресурсные характеристики стволов артиллерийского автоматического оружия при применении снарядов с полимерным ведущим пояском, является интенсивность формирования на поверхности канала ствола пленки как результат фрикционного взаимодействия полимерного ведущего пояска с каналом ствола при воздействии высокоэнергетических параметров выстрела. Высокая, эффективность применения полимерного ведущего пояска для повышения ресурса стволов связана с комплексным влиянием на все виды изнашивания: термопластическое, механическое и газоэрозионное. В этом плане полимерный ведущий поясок является универсальным средством повышения эффективности артиллерийского автоматического оружия, работающего в широком диапазоне режимов стрельбы, а основным фактором, определяющим ресурсные характеристики стволов артиллерийского автоматического оружия при применении полимерного ведущего пояска в конструкции снарядов, является интенсивность формирования на поверхности канала ствола трибослоя. В связи с тем, что трибохимические процессы в металлополимерных узлах трения, к которым можно отнести и систему ствол-поясок, в значительной степени зависят от химической природы полимера, одним из возможных путей увеличения ресурса ствола может быть изменение свойств материала полимерного ведущего пояска таким образом, чтобы в целом система была трибостойкой, т.е. интенсивность образования трибослоя была минимальной.

Из изложенного следует, что для управления процессом формирования трибослоя в процессе стрельбы необходимо изменять трибостой-кость металлополимерной фрикционной пары (полимерный ведущий поясок-канал ствола) путем варьирования химической структуры материала полимерного ведущего пояска, а в качестве методов исследования использовать стандартные методики фрикционных испытаний [4].

Исходя из анализа условий эксплуатации артиллерийского автоматического оружия и нагрузок, действующих на снаряд при выстреле, к полимерным ведущим устройствам предъявляют следующие основные требования:

1. Обеспечение максимальной стабильности механических свойств в диапазоне температур 213 - 353 К при их длительном воздействии и прочностных характеристик при кратковременном нагреве, который получает полимерный ведущий поясок при нахождении патрона в разогретом предыдущей стрельбой стволе.

2. Обеспечение прочности при температуре 353 К в стволе со штатными параметрами нарезной части и давлением пороховых газов 420 МПа.

3. Для обеспечения безопасности при стрельбе полимерный материал должен обладать высокой деформационной способностью и не растрескиваться при обжатии полимерного ведущего пояска в дульном входе, в том числе при температуре 213 К, а снижение его деформационных характеристик вследствие динамических нагрузок и действия давления при выстреле не должно приводить к хрупкому разрушению и отколам.

4. Изменение прочностных характеристик полимерного материала в течение заданного срока хранения (не менее 15 лет) не должно нарушать правильного функционирования полимерного ведущего устройства. Кроме того, полимерный материал должен обладать незначительным водопогло-щением, химической стойкостью к воздействию лаков и красок, растворителей, герметиков, масел, топлив и других химических продуктов, применяющихся при производстве и эксплуатации боеприпасов.

Изложенным требованиям в значительной степени отвечают высокопрочные термопластичные полимеры и материалы на их основе. В настоящее время из серийно выпускаемых полимерных материалов наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к полимерным ведущим пояскам, такие высокопрочные теплостойкие термопласты, как полиамиды, поликарбонат, полифениленоксид, полиарилат, полисульфон [5].

Поликарбонат и материалы на его основе сохраняют высокие прочностные показатели при динамических нагрузках в широком диапазоне температур. Поликарбонат в отличие от полиамида растворяется или теряет формоустойчивость в большинстве растворителей.

К поликарбонатам близок по свойствам полифениленоксид, имеющий невысокую термостабильность при переработке и склонность к охрупчиванию при воздействии температур выше 425 К.

Полисульфон сохраняет механические свойства при длительном нагреве при температуре 413 К, однако имеет невысокую стойкость к поверхностным повреждениям в изделиях.

Полиарилаты являются более теплостойкими, эластичными и химически стойкими аналогами поликарбонатов, имеют высокие значения ударной вязкости и хорошую способность к восстановлению формы после снятия механических нагрузок.

Следует отметить, что основная часть третьего тела в металлполи-мерной паре закрепляется на металлической поверхности в виде три-бослоя, линейные размеры металлического тела при этом увеличиваются. При сравнении изменения размеров канала ствола при отработке в одинаковых условиях полимерного ведущего устройства, установлено, что более жесткий полимер образует на поверхности канала ствола более тонкий трибослой, т.е. переход к использованию в полимерных ведущих поясках более жестких полимерных материалов способствует повышению ресурса стволов. Однако использование их в металлополимерной конструкции требует дополнительной модификации для предотвращения растрескивания полимерного ведущего пояска.

В отличие от металлов, практически не изменяющих своих механических характеристик в интервале температур от 213 до 353 К, прочностные и деформационные показатели полимерных материалов в этом диапа-

зоне значительно меняются. Причем у всех термопластов предел текучести при растяжении с увеличением температуры снижается, а относительное удлинение возрастает.

Снижение температуры от 293 до 213 К приводит к повышению предела текучести, относительное удлинение при этом уменьшается, т.е. полимерные материалы становятся более жесткими, а в некоторых случаях может происходить их охрупчивание.

Снижение прочности при повышенных температурах может приводить к срезанию полимерного ведущего пояска и нарушению правильности полета снарядов. Охрупчивание материалов при низких температурах приводит к появлению отколов, влияющих на безопасность применения.

Поэтому прежде всего, при создании полимерного ведущего устройства необходимо учитывать уровень снижения прочностных показателей полимерного материала с возрастанием температуры. В связи с этим возникает проблема надежного удержания полимерного ведущего пояска на снаряде.

Данную проблему предлагается решить с использованием следующей конструкции снаряда калибра 30 мм представленной на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция артиллерийского снаряда калибра 30 мм с полимерными ведущими устройствами: 1 - шашка;

2 - полимерный корпус; 3 - бронебойный сердечник;

4 - ведущие устройства

Представленная на рис. 2 конструкция снаряда имеет полностью полимерный корпус и два полимерных ведущих устройства. Использование данного устройства позволит: существенно повысить живучесть стволов артиллерийского автоматического оружия и эффективность поражения цели; устранить термопластический износ; снизить температуру нагрева ствола; улучшить характеристики центрирования снаряда при его движении по каналу ствола; уменьшить воздействие ударных поперечных нагрузок на внутреннюю поверхность канала ствола со стороны снаряда при выстреле; уменьшить рассеивание снарядов при стрельбе.

Таким образом, результатом исследования следует считать выявленную закономерность состояния канала ствола артиллерийского оружия, связанного с износом ствола от количества выстрелов, которая может служить для обеспечения необходимого ресурса стволов, то есть проблема обеспечения необходимого ресурса стволов при эксплуатации ствольных систем может быть решена на основе применения полимерных ведущих устройств в конструкции снарядов артиллерийского оружия.

Показано, что при взаимодействии полимерного ведущего пояска с нарезной частью канала ствола в условиях выстрела на поверхности последнего формируется трибохимическая пленка, образующая защитный слой, способствующий снижению механического изнашивания ствола. Трибохимические явления, имеющие место при взаимодействии полимерного ведущего устройства с каналом ствола, способствуют повышению ресурса стволов, работающих в широком диапазоне режимов стрельбы. С этой точки зрения полимерное ведущее устройство является универсальным средством повышения живучести стволов и эффективности стрельбы артиллерийского автоматического оружия. Установлено, что образование трибослоя представляет собой совокупность последовательно протекающих процессов: фрикционного взаимодействия полимерного ведущего пояска снаряда с нарезной частью канала ствола, результатом которого является перенос материала пояска на поверхность канала ствола; последующего воздействия на перенесенную пленку высокоэнергетического потока пороховых газов, при котором происходит карбонизация пленки, в результате чего на поверхности нарезной части канала ствола формируется «три-бослой».

Список литературы

1. Шипунов А.Г. Эффективность и надежность стрелково-пушечного вооружения / А.Г. Шипунов, В.П. Грязев и др. Тула: Изд-во ТулГУ, 2002.

2. Шипунов А.Г. Живучесть стволов скорострельных пушек и способы ее обеспечения / А.Г. Шипунов, Ю.С. Швыкин. М.: Машиностроение, 1977.

3. Артемов И.И. Моделирование изнашивания и прогнозирование ресурса трибосистем / И.И. Артемов, В.Я. Савицкий, С. А. Сорокин. Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2004.

4. Дорошенко В. А. ПВП для снарядов министерства авиационной промышленности / В. А. Дорошенко, Л. А. Артюхова, В. Л. Эггерт // Зарубежные научные исследования и разработки. М., 1986. № 3. С. 4 - 11.

5. Дульнев Г.Н. Теплопроводность смесей и композиционных материалов / Г.Н. Дульнев, Ю.П. Заричняк. Л.: Энергия, 1974.

Пушкарёв Александр Михайлович, канд. техн. наук, профессор, ЦуоЦа уапиех.ги, Россия, Пермь, Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации,

Вольф Илья Григорьевич, канд. техн. наук, доцент, нач. кафедры, ilvolf@,yandex.ru, Россия, Пермь, Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации,

Карнишин Сергей Геннадьевич, канд. физ.-мат. наук, доцент, зав. кафедрой, s.karnishin@,gmail. com, Россия, Пермь, Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации,

Лунев Алексей Николаевич, доцент, ilvolf@,yandex. ru, Россия, Пермь, Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации

INCREASING THE SURVIVABILITY OF ARTILLERY GUNSWEAPONS THROUGH THE USE OF POLYMERS THE DESIGN OF THE SHELLS

A.M. Pushkaryov, I.G. Volf, S.G. Karnishin, А.N. Lunev

The question of increasing the survivability of the barrels of artillery automatic weapons through the use of shells with leading devices made of tribo-resistant polymer materials is considered. The main factors of change of working capacity of the channel of a trunk at a shot are analyzed. The study of the impact of polymers on the survivability of artillery weapons.

Key words: artillery barrel, barrel, barrel wear, the service life of the barrel, the artillery shell.

Pushkaryov Aleksander Mikhailovich, candidate of technical sciences, professor, ilvolf@yandex.ru, Russia, Perm, Perm Military Institute of the National Guard's Forces of the Russian Federation,

Volf Ilya Grigorievich, candidate of technical sciences, lecturer, head of the department, ilvolf@,yandex.ru, Russia, Perm, Perm Military Institute of the National Guard's Forces of the Russian Federation,

Karnishin Sergei Gennadievich, candidate of physical and mathematical sciences, lecturer, head of the department, s. karnishin@,gmail. com, Russia, Perm, Perm Military Institute of the National Guard's Forces of the Russian Federation,

Lunev Aleksey Nikolaevich, docent, lecturer, ilvolf@yandex.ru, Russia, Perm, Perm Military Institute of the National Guard's Forces of the Russian Federation