РЕАКТИВНЫЙ ГРАНАТОМЕТ

Изобретение относится к области реактивных гранатометов, в которых метание гранаты происходит в результате функционирования импульсного ракетного двигателя на твердом топливе (ИРДТТ), входящего в состав конструкции гранаты.
Недостатком существующих гранатометов с реактивным принципом метания гранаты является наличие опасной зоны, возникающей при выстреле в засопловом пространстве, и оказывающей опасное воздействие на стрелка.
Схема опасной зоны приведена на рис.1
Составляющими опасной зоны являются:
- участок термического воздействия истекающей сверхзвуковой струи из сопла ИРДТТ;
- участок силового воздействия ударной волны (УВ), возникающей при истечении газопороховой струи;
- участок метательного воздействия элементов узла форсирования (УФ) ИРДТТ и узла крепления (УК) гранаты в контейнере пусковой трубы гранатомета.
Протяженность участков опасной зоны составляет:
- для участка теплового воздействия струи - 1,5 м;
- для участка силового воздействия УВ - 3,0 м;
- для участка метательного воздействия - от 20 до 40 м.
Наличие опасной зоны ограничивает или делает невозможным стрельбу из гранатомета в помещениях ограниченного объема или закрытого типа, что значительно снижает боевую эффективность его применения при ведении боя в городе.
Известен гранатомет, содержащий: пусковую трубу (контейнер) (1) с ударно-спусковым механизмом (УСМ), реактивную гранату (2), помещенную в трубу и закрепленную в ней УК [1].
Целью изобретения является уменьшение опасной зоны, возникающей при выстреле из гранатомета, за счет исключения из нее участка метательного воздействия элементов УФ и УК гранаты.
Достижение цели осуществляется за счет изменения конструкции УФ, размещенного в сопле ИРДТТ (3) и выполненного в виде конусообразного пустотелого стержня-газовода (4), соединенного с помощью трех лапок (5), отстоящими друг от друга на угол 120°, с задним торцом пусковой трубы. Таким образом, УФ выполняет не только свою функцию, но и функцию УК гранаты. На цилиндрическую часть стержня крепится целлулоидный кружок (6), закрывающий критическое сечение сопла от прорыва пороховых газов до достижения давления форсирования.
Схема заявленного гранатомета показана на фиг.1, а схема крепления стержня-газовода к пусковой трубе приведена на фиг.2.
Геометрические размеры стрежня-газовода определялись в результате решения основной задачи внутренней баллистики ИРДТТ и задачи натекание струи пороховых газов на стержень-газовод, находящегося в
газодинамическом тракте, образованного совокупностью внутренних поверхностей камеры сгорания и сопла ИРДТТ, пускового устройства, а также, внешней поверхностью стержня. Расчетная схема газодинамического тракта приведена на рис.2.
На схеме можно выделить следующие характерные участки:
1 участок - имеет постоянное по длине поперечное сечение, но переменное по длине тракта и во времени сечении свободное для прохода пороховых газов вследствие наличия горящего заряда (переменная пористость);
2 участок - имеет переменное по длине сечение;
3 участок - имеет переменное по длине и во времени поперечное сечение, обусловленное движением гранаты в трубе;
4 участок - имеет постоянное по длине поперечное сечение.
По мере выдвижения конуса стержневого УФ из сопла происходит вырождение участка 3 и появление участка 4 между соплом и конусом. После полного сгорания заряда участок 1 трансформируется в участок 4.
Таким образом, можно выделить три основных периода течения газа в тракте:
1 период - конус УФ в сопле - заряд горит;
2 период - конус УФ вне сопла - заряд горит;
3 период - конус УФ вне сопла - заряд сгорел.
Наибольшую сложность при моделировании представляет течение газа в 1-м периоде в зоне участков 2-3, так как его расчет позволяет определить:
- изменение расходных и тяговых характеристик сопла за счет перекрытия конусом стержня УФ части его критического сечения и (или) поперечного сечения сверхзвуковой части в функции времени;
- изменение силового нагружения (статической и динамической составляющих) конуса стержневого УФ в результате воздействия газового потока и динамики возможного нарушения уравновешенности конструктивной схемы гранатомета.
В рассматриваемый период в данной зоне имеет место достаточно сложное, пространственно неоднородное, нестационарное течение газа в канале с изменяющимся по длине и во времени поперечным сечением, структура которого обусловлена главным образом:
- разгоном потока пороховых газов до сверхзвуковой скорости в сопле;
y
z
x
- взаимодействием газового потока с конусом стержневого УФ. Если при движении газа по трубе переменного сечения компонентами скорости V и V (ось направлена вдоль трубы) можно пренебречь, то, считая, что компоненты скорости V и параметры p, ρ и Т усреднены по всему поперечному сечению трубы, можно получить уравнения движения, не содержащие поперечных составляющих скорости.
Для построения математической модели использовались следующие допущения:
1) газовая фаза сжимаема, массовыми и диссипативными силами в ней пренебрегаем (за исключением рассмотрения межфазного взаимодействия);
2) конденсированная фаза несжимаема и газонепроницаема, состоит из пороховых элементов трубчатой формы;
3) в течение всего времени горения пороха выполняется условие эквивалентности течения газа в межтрубочных промежутках и в каналах пороховых трубок;
4) термохимические реакции, происходящие при образовании, расширении и охлаждении пороховых газов, подробно не рассматриваются, состав пороховых газов, значение силы пороха (ƒ), газовой постоянной (R) и показателя адиабаты (k) принимаются постоянными;
5) деформациями камеры сгорания, стержневого УФ, пусковой трубы пренебрегаем (т.е. геометрические параметры элементов, образующих газодинамический тракт, неизменны в течение всего времени выстрела);
6) заряд неподвижен относительно камеры сгорания в течение времени расчета;
7) форсирование мгновенное, происходит в момент достижения давления форсирования;
8) ударно-волновыми процессами пренебрегаем.
Принятые допущения не противоречат модели течения газов в канале переменного сечения.
С учетом допущений расчетная схема, описывающая рабочий процесс в исследуемом газодинамическом тракте имеет вид, изображенный на рис.3.
Для удобства моделирования горения заряда выбираем систему координат, связанную с гранатой. При этом точка отсчета связывается с дном
камеры сгорания, а положительное направление координатной оси выбирается от дна камеры к соплу (по направлению истечения пороховых газов). Движение гранаты будет эквивалентно выдвижению пусковой трубы.
На основании предложенного выше подхода система уравнений газовой динамики, описывающая движение газов в тракте, имеет вид:
где ρ - плотность пороховых газов;
V - скорость пороховых газов;
ε - внутренняя энергия пороховых газов;
Р - давление пороховых газов;
φ - относительная площадь порохового сечения, свободная для прохода газов (пористость заряда), ;
ω - масса заряда;
S - площадь поперечного сечения;
δ - плотность пороха;
- относительный объем сгоревшего пороха;
G - газоприход с единицы длины заряда, ;
L - длина заряда.
В процессе движения газ «тормозится» в результате трения о заряд. Сила трения, направленная в сторону противоположную движению газов, определяется зависимостью:
где П - периметр горения,
mp
n - число трубок в заряде;
mp
mp
D, d - наружный и внутренний диаметры пороховой трубки;
N - параметр вдува,
x
C - коэффициент сопротивления потока;
э
d - эффективный гидравлический диаметр,
г
ν - коэффициент кинематической вязкости газа;
Re - число Рейнольдса.
Кроме того, к системе (1) необходимо добавить уравнение горения заряда (2) и уравнение состояния газа (3)
где λ - характеристики формы;
z - относительная толщина сгоревшего свода.
Основным отличием данной математической модели от существующей для ИРДТТ является то, что газовый тракт в области сверхзвуковой части сопла в начальный период истечения формируется внутренней поверхностью сопла и поверхностью конусной части стрежня. В случае квазиодномерного моделирования для его описания достаточно учета величины площади поперечного сечения в каждой точке по длине сопла
c
где S - площадь поперечного сечения сопла в данной точке по длине сопла;
ct
S - площадь поперечного сечения конуса стержня УФ в рассматриваемой точке по длине сопла в данное время.
В результате «движения» стержневого УФ, имеющего в общем случае переменное сечение (конус), площадь поперечного сечения газового тракта изменяется по зависимости:
ct
где V - скорость стержня-газовода (в принятой расчетной схеме равна скорости гранаты с обратным знаком).
Движение гранаты происходит за счет:
c
c
c
2
- отбрасываемой массы газов (силы тяги) (ρV S);
- силы, действующей на заряд
0
- силы, действующей на дно камеры (PSφ);
- силы, действующей на стенки камеры
mp
c
a
- перепада давления пороховых газов S {Р-Р).
Следовательно, уравнение движения гранаты примет следующий вид:
гр
где m - масса гранаты;
гр
V - скорость гранаты;
0
S - площадь среза сопла РДТТ;
с
c
ρ, V - плотность, скорость газов на срезе сопла РДТТ.
Систему уравнений (1)...(3) решим конечно - разностным методом. С этой целью преобразуем ее к виду, удобному для решения. После преобразований уравнений система запишется в виде:
Полученная система представляет собой квазилинейные дифференциальные уравнения, определяющие при заданных граничных и начальных условиях газодинамические характеристики внутрибаллистических процессов в гранатомете предлагаемой схемы.
Начальными условиями для расчета являются значения газодинамических параметров, полученные в результате моделирования процесса воспламенения порохового заряда.
В начальный момент скорость по всей длине камеры равна 0. До вскрытия УФ область расчета ограничена дном корпуса ИРДТТ и узлом форсирования. На этих границах ставятся условия непротекания. При достижении в расчетной ячейке, прилегающей слева к УФ, давлению газов, равному давлению форсирования, УФ открывается, и расчетная область расширяется до среза казенной части ПУ. При х=ха давление и плотность
ПС принимаем равными атмосферным значениям (после вскрытия стержневого узла форсирования).
Граната начинает двигаться, если сила тяги двигателя становится больше силы связи гранаты с пусковой трубой - усилие страгивания.
Для решения системы газодинамических уравнений применим конечно - разностный метод прямых, апробированный при решении аналогичных задач, и обеспечивающий получение результатов с удовлетворительной точностью.
Шаг численного интегрирования по времени уравнения теплопроводности определялся из условия устойчивости вида:
При расчетах параметры гранаты и двигательной установки принимались соответствующим параметрам гранаты 6Г25 РПГ-26. Результаты расчетов в виде графических зависимостей представлены на рис.4.
Проверка достоверности разработанных математических моделей осуществлялась путем сравнения расчетных значений параметров с экспериментальными данными, полученными при испытании штатного
ct
аналога РПГ-26. В этом случае при расчетах значение площади поперечного сечения стержня УФ принималось S=0.
0
Анализ значений параметров функционирования, полученных для РПГ-26, показал на достаточную точность разработанных физико-математических моделей. Расхождение результатов с опытными значениями не превышает 2% по начальной скорости (расчетное значение V=139 м/с), заряд сгорает до вылета из трубы и максимальное давление газов не превышает допустимого.
Анализ полученных значений давления пороховых газов для гранатомета предлагаемой конструкции показал, что наличие стержня диаметром, равном 8 мм на пути движения газового потока приводит к увеличению максимального давления газов в камере сгорания на 1 МПа и уменьшению начальной скорости гранаты на 2 м/с.
Наличие в газодинамическом тракте предлагаемой конструкции стержня, неподвижно закрепленного в пусковой трубе, вызывает необходимость определения величины энергии отдачи, которая может возникнуть в момент выстрела.
Энергия отдачи определялась по зависимости:
где I - импульс силы, действующий на стержень.
где Р - давление пороховых газов;
ct
S - площадь стержня, на которую воздействует газовый поток;
τ - сила трения газа о стержень.
Расчет значений энергии отдачи, которая может возникнуть при выстреле из предложенного гранатомета, проводился для различных значений диаметра стержня, расположенного в критическом сечении и сверхзвуковой части сопла. Результаты расчета энергии отдачи в
зависимости от диаметра стержня УФ приведены на рис.5.
Расчеты показали, что при диаметре стержня УФ, равном 8 мм, возникающая энергия отдачи не превышает допустимого значения, определяемого технической документацией на гранатомет и равного 9,8 Дж. Дальнейшее увеличение диаметра стержня УФ, как видно анализа графической зависимости рис.5, приведет к значительному возрастанию энергии отдачи.
Кроме того, проведена оценка влияния возникающей энергии отдачи на меткость стрельбы и представленная на рис.6.
Анализ полученных результатов расчетов показывает, что возникающая при выстреле из гранатомета предлагаемой конструктивной схемы энергия отдачи входит в область допустимых значений, и,
следовательно, не оказывает влияния на меткость стрельбы.
Конструктивно для исключения возможной отдачи гранатомета за счет уменьшения площади выходного сечения пусковой трубы, в результате размещения в ней остающихся после выстрела стержня и лапок, крепящих его к трубе, ее выходная часть имеет увеличенный конусообразный профиль Б показан на фиг.2.
Предлагаемый гранатомет функционирует следующим образом: во время выстрела, при срабатывании УСМ и поступлении теплового импульса через внутреннюю полость стержня-газовода в камеру сгорания ИРДТТ происходит воспламенение порохового заряда и создается давление пороховых газов в двигателе. При достижении давления вскрытия сопла (давления форсирования) целлулоидный кружок срезается, начинается истечение газо-пороховой струи и движение гранаты, при этом пороховые газы натекают на стержень-газовод и лапки крепящие его к трубе. В силу формы и определенных геометрических размеров стержня и лапок, а также профиля задней части трубы, исключается возможность возникновения импульса отдачи, что подтверждают математические расчеты и эксперимент.
В служебном обращении граната с помощью стержня-газовода закреплена с пусковой трубой и ограничена от осевых перемещений.
В результате при функционировании заявляемой конструкции гранатомета значительно уменьшены размеры опасной зоны, возникающей при выстреле, за счет исключения из нее участка силового метательного воздействия элементов УФ.
Экспериментальные исследования заявленного гранатомета, проводились авторами в два этапа.
На первом этапе определялась зона разлета элементов стержневого УФ ИРДТТ стрельбой из гранатомета при угле возвышения трубы 1 град. Для перехвата элементов при стрельбе использовался фанерный щит высотой 3-й шириной 6 метров из 4-мм фанеры. Для определения угла разлета элементов УФ щит устанавливался на расстоянии 6 метров от казенного среза
гранатомета. Для определения опасной дальности разлета элементов щит устанавливался на дальности 30 метров, а затем перемещался ближе к казенному срезу. После каждого выстрела проводился осмотр мишенной обстановки. Результаты осмотра представлены в табл.1.
Таблица 1
Результаты осмотра мишенной обстановки
Номер выстрела
Расстояние до щита
Наличие и количество пробоин
1
30
отсутствуют
2
30
отсутствуют
3
25
отсутствуют
4
25
отсутствуют
5
20
отсутствуют
6
20
отсутствуют
7
15
отсутствуют
8
15
отсутствуют
9
10
отсутствуют
10
10
отсутствуют
11
6
отсутствуют
12
6
отсутствуют
13
3
отсутствуют
14
3
отсутствуют
Результаты первого этапа экспериментальных исследований доказали работоспособность гранатомета предлагаемой схемы. Анализ результатов табл.1, показал, что у гранатомета отсутствует участок метательного действия элементов стрежневого УФ ИРДТТ, и размеры опасной зоны сократились до зоны силового воздействия сопловой ударной волны.
Второй этап экспериментальных исследований проводился в соответствии с пунктом 4.2 (Типовые методики по определению эргономических показателей. Определение энергии отдачи гранатомета). На данном этапе проводилось определение энергии отдачи, которая может возникнуть при выстреле из гранатомета предложенной конструкции. Схема проведения второго этапа экспериментальных исследований представлена на рис.7.
Экспериментальные исследования проводились стрельбой из модельного гранатомета, закрепленного на специальном маятниковом приборе.
Крепление модельного гранатомета осуществлялось в двух обоймах, подвешенных на тонких стержнях, длиной 2060 мм. Фиксация угла отклонения при выстреле производилась по специальной шкале с делениями (в градусах) при помощи указателя.
Перед стрельбой производилось взвешивание гранатомета, обоймы и стрежней. После каждого выстрела рассчитывалась энергия отдачи по зависимости:
общ
где Q - общая масса гранатомета, двух обойм и 0,5 массы стержней, кг;
общ
Q- - масса гранатомета в боевом положении, кг;
L - длина стрежней, м;
α - угол отклонения стрежней при выстреле, град.
Результаты измерений второго этапа исследований представлены в табл.2.
Таблица 2
Результаты измерений α и расчета Е<sub>сист</sub>.
Номер выстрела
α, град.
E<sub>сист</sub>., ДЖ
1
14.66
6.8
2
14.66
6.8
3
15.00
7.2
4
15.33
7.5
5
14.66
6.8
Результаты экспериментов, обработанных по методике, изложенной выше, представлены в табл.3.
Таблица 3
Результаты обработки эксперимента по определению энергии отдачи
№
Определяемые параметры
Значения
п/п
1
Расчетное значение энергии отдачи, возникающей при
выстреле, Дж.
7.25
2
Опытное значение энергии отдачи, возникающей при
выстреле:
2.1
- оценка математического ожидания, Дж;
7.02
2.2
- оценка среднего квадратического отклонения, Дж;
0.319
2.3
- доверительный интервал оценки математического ожидания при доверительной вероятности β=0.95 Дж
6.65
...
7.38
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность уменьшения размеров опасной зоны до размеров участка силового воздействия УВ за счет применения предложенного конструктивно-схемного решения реактивного гранатомета, что свидетельствует о достигнутой цели изобретения.