Дульный тормоз-компенсатор (ДТК) с системой прерывания сверхзвукового газового потока
MUZZLE BRAKE-COMPENSATOR (DTC) WITH A SYSTEM FOR INTERRUPTING THE SUPERSONIC GAS FLOW

(
Дульный тормоз - компенсатор ДТК) относится к стрелковому оружию, преимущественно к конструкциям ствольных, в частности дульных или надульных, устройств.
ДТК применяется как надульное устройство для компенсации подскока и/или отдачи ствола оружия и может быть использовано для улучшения боевых свойств такого оружия в части повышения точности стрельбы. Назначение ДТК - это улучшение боевых характеристик оружия и эксплуатационных свойств, применяется для уменьшения отдачи и уменьшения подброса при выстреле.
Известна полезная модель «Дульный тормоз - компенсатор», патент RU189 743, опубл.31.05.2019, МПК F41A 21/32 СПК, F41A 21/32, выполненный в виде насадки, имеющей сквозной канал, содержащий несколько отверстий, расположенных под углом к оси насадки с наклоном, отверстия расположены с обеих сторон насадки симметрично относительно продольной оси насадки и выполнены на всю глубину канала и нижняя часть отверстий закрыта стенками, полученными за счет перепада диаметров, образующих уступ в средней части. За счет этого дульный тормоз - компенсатор взаимодействует с истекающими из ствола пороховыми газами, и за счет формы сквозных отверстий отсекает и перенаправляет газы в нужные стороны. Однако в такой конструкции реактивные струи, направленные вверх и вниз от стенки с компенсацией друг друга, не обеспечивают возникновение направленной силы для компенсации подброса оружия. Кроме того, площадь стенки этой камеры снизу от воображаемой горизонтальной плоскости, проходящей через продольную ось, больше площади стенки этой камеры сверху от нее. Недостатком решения является относительно малая эффективность. Ряды отверстий сквозные, и в них истекающая струя имеет малое давление и скорость, поэтому силы, направленные вверх и вниз не дают эффекта компенсации подброса ствола.
Известно изобретение «Перестраиваемый дульный компенсатор», патент US 2017.0023326, опубл.26.01.2017, МПК F41A21/325, F41A21/38, который снабжен съемными секциями, которые при их настройке направляют газ через отверстия для выхода газа под одним или несколькими заданными углами относительно центральной оси путем сопряжения с одной или несколькими отверстиями для выхода газа, и которые включают верхние и нижние сквозные отверстия. Однако эти секции надеваются сверху на ДТК и они предназначены для перенаправления выходящих струй газа, но никак не влияют на газодинамику внутри ДТК, а, следовательно, и не повышают эффективность компенсации как отдачи, так и подброса ствола.
Известно изобретение «Дульный тормоз Шатрова», патент RU2 702 922, опубл.14.10.2019, МПК F41A 21/00, F41A 21/36, который снабжен неподвижной относительно цилиндра мишенью для компенсирующего снаряда, выполненную с возможностью прохождения через них снаряда, и мишень выполнена в виде радиальных выступов на внутренней поверхности цилиндра с возможностью осуществления ударного взаимодействия снаряда с мишенью. В этом случае пороховые газы осуществляют силовое воздействие на кольцевые перегородки (диафрагмы, мембраны), что обусловливает возникновение силы, направленной противоположно движению откатных частей и тормозящих его. Однако используют реакцию от эффекта столкновения подвижного тела с неподвижным телом, а не особенности газодинамики при прохождении струи газов через перегородку (мишень). Относится к динамическим компенсаторам. Задачей является упрощение конструкции, но не повышает эффективность компенсатора.
Известно изобретение «Дульный тормоз компенсатор», патент RU2 558 504, опубл.10.08.2015, МПК F41A 21/36, который выполнен в виде трубчатой насадки на конец ствола, содержит последовательно соединенные соосно расположенные камеры, и первая камера снабжена сквозными отверстиями, вторая камера снабжена газоотводами, проходящими под наклоном назад от центрального канала наружу и расположенными по обе стороны от воображаемой вертикальной плоскости, и отверстия в первой камере размещены таким образом, чтобы при установке на конец ствола оружия они были ориентированы вверх по вертикальной плоскости, для того, чтобы компенсировать горизонтальную составляющую отклонения ствола при выстреле. Изобретение позволяет получить простую конструкцию, в частности, в виде единой детали, при которой обеспечивается компенсация не только отдачи, но и отскока при выстреле. Однако изобретение не позволяет повысить эффективность надульного устройства и увеличить интенсивность догорания пороховых частиц и охлаждения газов. Не используют эффект повышения плотности газового потока, который истекает из боковых отверстий компенсатора, не удается обеспечить эффективность компенсации отдачи и подскока ствола. В предложенном техническом решении получаемая реактивная сила увеличена, но несмотря на то, что в обоих случаях используют разворот и выброс газовой струи, следующей за пулей, в сторону, обратную направлению выстрела, значительная следующая за пулей остаточная сверхзвуковая газовая струя не позволяет достичь большого эффекта по стабилизации полета метаемого тела из-за турбулентного воздействия возникающего позади него.
Наиболее близким техническим решением является изобретение «Надульное устройство ствола огнестрельного оружия», патент RU 2611461, опубл.22.02.2017, МПК F41A 21/30, F41A 21/32, содержащее отсекающие камеры, каждая из которых представляет собой две шайбы с радиусным закруглением и разными диаметрами пулевых отверстий, соединенные между собой кольцевым элементом корпуса. Отсекающие камеры, соединенные с пулевым каналом газовыми каналами, имеют шайбы в каждой отсекающей камере, расположенной ближе к дульному срезу ствола, и выполнены за одно целое с кольцевым элементом корпуса, соединяющим шайбы одной камеры. Позволяет повысить эффективность надульного устройства и увеличить интенсивность догорания пороховых частиц и охлаждения газов. Однако не используют эффект повышения плотности газового потока, который истекает из боковых отверстий компенсатора, поскольку есть только одно стравливающее в осевом направлении отверстие. Задача устройства - это обеспечить глушение звука, а не убрать отдачу. В следствие конструктивных особенностей удается быстрее уменьшить температуру истекающих газов, но не удается обеспечить эффективность компенсации отдачи и подскока ствола.
В классическом ДТК газо-отражательного типа эффект компенсации достигается за счет отделения части газов от основного потока газов идущих следом за пулей (метаемым телом) с последующим их разворотом и выбросом в сторону, обратную направлению выстрела, чем создается действующая в направлении выстрела реактивная сила, которая уменьшает отдачу оружия.
Однако во внутреннем канале классических ДТК истекающий газовый поток в отражающей системе имеет сплошное сверхзвуковое течение.
При этом из газовой динамики известно, что в отличие от до звуковой струи, сверхзвуковая струя стремится вытолкнуть любые попадающие в нее внешние тела или газы, вследствие чего, она склонна сохранять свою форму на длительном расстоянии. Передача энергии между молекулами газа осуществляется волнообразно (посредством волн давления), где фронт волны распространяетсясо скоростью звука, вследствие этого процесс обтекания и взаимодействия с телами в сверхзвуковом потоке происходит иначе чем в до звуковом.
Таким образом отражающая система в классическом ДТК газо-отражательного типабудетотражать только ту часть газового потока, которую она как бы «состругивает» краями перегородок камер со струи. Молекулы в центральной части газового потока не будут никак влиять (не создают дополнительного давления) на процесс истечения из окон камер ДТК, а, следовательно, и не уменьшают силу отдачи и подброса.
Как известно, реактивная сила - это функция от скорости и массового расхода газа, которые в свою очередь зависят от давления в камере. В приведенных примерах известных конструкций ДТК основной газовый поток не встречая препятствий имеет сверхзвуковую скорость истечения и, как следствие, низкое давление, так как из законов термодинамики известно, что при разгоне газа падают температура и давление, но растет скорость, и наоборот при торможении газа падает его скорость, но растут температура и давление.
В соответствии с вышесказанным ДТК, известные из уровня техники и известного типа, не будут развивать той эффективности, которую они могли бы иметь. Так же к недостаткам известных конструкций относится то, что за пулей продолжает следовать значительная часть основного газового потока, завихряясь, оказывая на нее несимметричное возмущающее воздействие, что в свою очередь будет приводить к ухудшению кучности.
Из газовой динамики также известно, что сверхзвуковая газовая струя будет испытывать прямой скачек уплотнения, при котором резко снижая свою скорость на дозвуковую, происходит повышение ее давления и температуры в случае, если она натыкается на препятствие, значительно превосходящее по площади сечения площадь сечения самой струи, а более мелкое препятствие газовая струя будет огибать, испытывая при этом ряд косых скачков уплотнения.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает следующий технический результат:
- повышение эффективности надульного устройства
- уменьшение отдачи и уменьшения подброса при выстреле
1
2
1
Технический результат достигается за счет того, что дульный тормоз-компенсатор (ДТК) с системой прерывания сверхзвукового газового потока, содержащий корпус, снабженный кольцевыми элементами и содержащий соединенные между собой отсекающие камеры с соплами, объединенные внутренним сквозным каналом для прохождения метаемого тела (пули) и газовой струи, при этом в ДТК использует для его функционирования реактивную силу газов, выходящих из ствола вслед за выпущенным метаемым телом (снарядом или пулей). Новым является то, что корпус ДТК выполнен в виде трубчатой насадки на конец ствола, размещенной после среза ствола, а внутренний сквозной канал разделен на кольцевые рабочие зоны, размещенные в каждой отсекающей камере, которые размещены последовательно и соосно со стволом оружия. В рабочей зоне каждой отсекающей камеры размещено, по меньшей мере, одно боковое сквозное выпускное окнотаким образом, чтобы при установке ДТК на конец ствола оружия боковые выпускные окна каждой камеры были ориентированы перпендикулярно или под углом назад к оси ствола, и имели площадь «s» в сечении суммарно для каждой камеры, по меньшей мере, в два раза больше площади «s» сечения канала ствола. Отсекающая камера снабжена плоским кольцевым элементом с наружным диаметром не менее 2х калибров, имеющим посередине отверстие для беспрепятственного прохождения метаемого тела (снаряда, пули), который является частью объемного кольцевого элемента, расположенного напротив входного среза сопла или критического сечения отсекающей камеры,и кольцевые рабочие зоны «а» образованы за счет набегания и последующего отражения на плоский кольцевой элемент(например, шайба)газового потока,истекающего через сопло из центрального канала «в» в рабочую зону каждой отсекающей камеры. Расстояние «h» от каждого кольцевого элемента до критического сечения (или входного среза) сопла каждой отсекающей камеры рассчитаноисходя из разности давлений внутри отсекающей камеры и перед критическим сечением (или входного среза) сопла камеры, а так же плотности, вязкости и температуры истекающего газа и равно, по меньшей мере, калибру, при этом кольцевой элемент (например, тарельчатого типа)является газо-отражающим диском тарельчатого типа с отверстием посередине, образованным в центральной своей части плоским кольцевым элементом (шайбой), сопряженным с периферийной выпускной частью отсекающей камеры гладким переходом, обеспечивающим плавный разворот и отражение газа в направлении в бок и назад относительно направления выстрела в боковое сквозное выпускное окно. При этом в кольцевом элементе формируется прямой скачек уплотнения в набегающей сверхзвуковой газовой струе в пространстве между плоским кольцевым элементом и критическим сечением сопла.Например, длина каждой отсекающей камеры выполнена не менее одного калибра, а диаметр центрального отверстия кольцевого элемента в частном случае выполнен достаточным для беспрепятственного прохождения метаемого тела. При этом, в частном случае каждый кольцевой элемент выполнен объемным и имеет в центральной части форму шайбы, а на периферии тороидальную поверхность, гладко сопряженную на периферии тороидальной поверхностью с усеченным конусом.
Отсекающая камеравыполнена исходя из условия, что при набегании истекающей из сопла сверхзвуковой газовой струи на плоский кольцевой элемент, в кольцевом элементе складываются газодинамические и термодинамические условия, необходимые и достаточные для надежного формирования в пространстве между критическим сечением сопла в отсекающей камере и плоским кольцевым элементом устойчивого прямого скачка уплотнения.Например, кольцевой элемент может быть выполнен в виде тарелки с плоским дном, являющимся плоским кольцевым элементом, а по краям иметь объемные или плоские края, которые сопрягаются по периферии с выпускными окнами.
Выпускное боковое окно (либо окна) может иметь любую форму, как отверстия, так и щели, так как на процесс истечения существенное влияние оказывает только площадь выпуска газов. В частном случае отсекающие камеры можно сделать разборными и соединять их, например, на резьбе или шпильках. Однако конструктивно удобнее располагать их в общем корпусе.
Каждый объемный кольцевой элемент может иметь составную форму из формы плоской шайбы, которая гладко сопряжена на периферии тороидальной поверхностью с соплом и выпускным окном.
Предложенная конструкция иллюстрируется чертежами, которые не охватывают всех вариантов исполнения ДТК.
На Фиг1 - показаны вид и сечения дульного тормоза-компенсатора: а) вид основной; б) вид сбоку; в) продольное сечение А-А; г) поперечное сечение Б-Б;
На Фиг. 2 - показана аксонометрия, общий вид ДТК.
На Фиг. 3 - показана цифровая визуализация скорости газовых потоков.
На Фиг. 4 - показа монограмма газовых потоков с цифровой визуализацией прямых скачков уплотнения перед плоскими кольцевыми элементами.
1
2
1
1
1
2
ДТК выполнен следующим образом. Трубчатая насадка имеет корпус (1), который размещен на конце ствола (2). К срезу ствола (3) или непосредственно или через промежуточную камеру, прилегает первая отсекающая камера (4), которая состоит из собственно сопла (5) с критическим сечением (6), которое является его наиболее узкой частью, далее сопло сопрягается с кольцевым элементом (7), частью которого является плоский кольцевой элемент (8). Кольцевой элемент (7) имеет в сечении форму тарелки и состоит из поверхности, например, имеющей поверхность в виде кольцевого желоба, которая по периферии сопрягается с поверхностью боковых сквозных выпускных окон (9), а посередине имеет дно в виде плоского кольцевого элемента (8) с наружным диаметром не менее 2х калибров, имеющим посередине отверстие (10) для беспрепятственного прохождения метаемого тела. С первой отсекающей камерой (4) сопрягается вторая отсекающая камера (11), которая состоит из тех же элементов. Отсекающих камер может быть от одной до пяти и более. Длина каждой камеры h рассчитана на цифровой модели, на которой выполнены условия для кольцевой рабочей зоны «а», в которой обеспечено возникновение прямого скачка уплотнения в набегающей сверхзвуковой газовой струе, возникающего между плоским кольцевым элементом (8) и критическим сечением сопла (6). Для возникновения прямого скачка уплотнения требуется, чтобы при набегании истекающей из сопла (5) сверхзвуковой газовой струи на плоский кольцевой элемент (8) в каждой отсекающей камере (4) складывались газодинамические и термодинамические условия, необходимые и достаточные для надежного формирования устойчивого прямого скачка уплотнения в пространстве между критическим сечением (6) входного сопла (5) этой камеры (4) и плоским кольцевым элементом (8), работающим как препятствие-отражатель. Поскольку параметры истекающей струи по мере прохождения по ДТК меняются, то длина каждой отсекающей камеры (4) рассчитывается индивидуально на цифровой модели. Пример истечения газов показан на цифровой модели (Фиг. 3) При этом прямой скачек возникает на расстоянии h от препятствия, на которое набегает струя, а именно от плоского кольцевого элемента (8), расстояние до которого hот критического сечения сопла (6) камеры (4) зависит от разности давлений внутри отсекающей камеры (4), а так же плотности, вязкости и температуры истекающего газа и диаметра критического сечения (6). Это расстояние h рассчитывается индивидуально для каждой отсекающей камеры. Плоский кольцевой элемент (8) выполнен с наружным диаметром не менее 2х калибров. Кольцевые рабочие зоны «а» образованы в кольцевом элементе (7), в них образована область повышенного давления «б» за счет прямого скачка уплотнения, полученного за счет взаимодействия с плоским кольцевым элементом(8)газового потока,истекающего через сопло (5) из центрального канала «в» в рабочую зону «а» каждой отсекающей камеры (4). Боковое сквозное выпускное окно (9) выполнено таким образом, чтобы при установке ДТК на конец ствола (2) оружия боковые выпускные окна (9) каждой камеры (4) были ориентированы перпендикулярно или под углом назад к оси ствола и имели площадь «s» в сечении суммарно для каждой камеры (4), по меньшей мере, в два раза больше площади «s» сечения канала («в») ствола (2). Кольцевой элемент (7) является газо-отражающим диском тарельчатого типа с отверстием (10) посередине, образованным в центральной своей части плоским кольцевым элементом (8), сопряженным спериферийной частью отсекающей камеры (4) гладким переходом, обеспечивающим плавный разворот и отражение газа в направлении в бок и назад относительно направления выстрела в боковое сквозное выпускное окно (9). Вышеописанная конфигурация отсекающей камеры (4) обеспечивает условия, при которых дистанции в отсекающей камере (4) между плоским кольцевым элементом (8) и критическим сечением (6) сопла (5) хватает для формирования устойчивого прямого скачка уплотнения.
Таким образом, принятая в описании терминология соответствует следующим значениям. Отсекающая камера - это сопло, кольцевой элемент (тарелка), в котором есть плоский кольцевой элемент (шайба) и она имеет выпускное окно.
Критическое сечение сопла - наименьшее сечение сопла, оно соответствует входному сечению сопла.
ДТК работает следующим образом.
На пути газовой струи на расчетном расстоянии, достаточном для обеспечения возможности возникновения прямого скачка уплотнения, так называемого диска Маха, равного не менее одного калибра от критического сечения сопла помещают тарельчатый отражатель (7 - кольцевой элемент) имеющий в своей основе плоский диск (8 - плоский кольцевой элемент), диаметр которого составляет не менее чем два калибра. Периферийная выпускная часть отсекающей камеры (4) посредством гладкого перехода обеспечивает плавный разворот и отражение газа в направлении в бок и назад относительно направления выстрела из боковых выпускных окон (9), которые размещены с боку от сопла.
В этом случае газовая струя взаимодействуя с плоским кольцевым элементом (8) будет испытывать прямой скачек уплотнения «б», в следствии чего создавать в камере (4), для истекающих из боковых выпускных окон (9) потоков газа давление, в разы большее, чем давление в классическом ДТК известной конструкции. Это видно на Фиг. 3, показывающей распределение газовых потоков в предложенной конструкции.
Повышенное давление в камере будет приводить в свою очередь к созданию значительно большей компенсирующей реактивной силы. Прямой скачек уплотнения описан, например, в [Мхитарян А. М. Аэродинамика. - М: «Машиностроение», 1976.]
Эффектом прямого скачка объясняется то, что при торможении сверхзвукового газового потока, когда частицы газа переходят из области пониженного давления в область повышенного, происходит скачкообразное (разрывное) изменение параметров, т. е. возникновение поверхности разрыва, называемой скачком уплотнения. Поверхности разрыва могут быть плоскими или криволинейными и по-разному ориентированными к направлению вектора скорости. Если поверхность разрыва нормальна к скорости потока, то скачок уплотнения называется прямым. Скачок уплотнения (или ударная волна) сопровождается резким уменьшением скорости и повышением давления, плотности и температуры с потерей кинетической энергии. Скачки уплотнения возникают не только при свободном истечении газа из сопла реактивного двигателя в атмосферу, но и например, при сверхзвуковом течении внутри канала.
1
Расстояния hрассчитывают исходя из того, что:
- Если препятствием, на которое набегает сверхзвуковая струя является тонкостенная труба с толщиной стенок менее половины внутреннего диаметра трубы, то на краях трубы будут формироваться косые скачки уплотнения, «опираясь» на которые струя будет стремиться обогнуть препятствие, т.е. огибать трубу снаружи будет только та часть струи, которая к моменту набегания успела расшириться до наружного диаметра трубы или более. Центральная же часть потока струи (по закону распределения Гаусса несущая с собой основную часть массы газа) продолжит следовать в основном канале трубы;
- Полезная реактивная сила в ДТК формируется за счет разворота и отброса части следующих за метаемым телом газов в направлении, обратном направлению выстрела. Чем больше часть газа и с чем более высокой скоростью будет отброшена, тем большая компенсирующая сила будет получена;
- Прямой скачек уплотнения в случае своего образования на пути газовой струи, являясь зоной повышенного давления, будет являться своего рода динамическим препятствием протеканию струи в осевом направлении, что, в свою очередь, будет приводить к увеличению расхода газа в боковом направлении;
- Если сверхзвуковая газовая струя набегает на толстостенную трубу с толщиной стенок, равной или более половины внутреннего диаметра этой трубы, то в следствии взаимного влияния газа, стремящегося обогнуть препятствие в виде стенок торца трубы, по перед всей торцевой поверхностью трубы будет образовываться прямой скачек уплотнения. В силу этого условия наружный диаметр плоского кольцевого элемента (8) выбирается равным не менее двух калибров;
- Параметры и количество отражающих камер могут быть как изначально рассчитаны, так и подбираться последовательно исходя из результатов численного моделирования истечения газов методом конечных элементов: например, заложив в модель параметры истечения газа на срезе ствола, опираясь на результаты численного моделирования подбирается оптимальная геометрия первой камеры (угол раскрытия и длина сопла, расстояние до плоского кольцевого элемента обеспечивающего формирование прямого скачка уплотнения передним), затем на основе знания полученных параметров истечения газа из канала после первой камеры, производится подбор геометрии второй камеры, и так далее до тех пор, пока газовая струя на выходе из очередной камеры в осевом направлении не начнет истекать со скоростью, ниже скорости звука (что сделает невозможным для струи газа догнать движущуюся на сверхзвуковой скорости пулю и будет исключать возможность вредного возмущающего воздействие нее), либо пока суммарная длина последовательной сборки камер не достигнет максимально допустимой длины, ограниченной конструктивными требованиями.
Возникновение прямого скачка уплотнения в отсекающей камере, перед плоским кольцевым элементом обусловлено тем, что исходя из уравнений состояния газа Новье-Стокса, которыми определяются законы движения частиц в газовой струе, и в соответствии с которыми чем больше превышение давления внутри струи над давлением снаружи, тем больше угол раскрытия струи. Например, в вакууме струя из сопла будет истекать не факелом, а облаком, а если струя истекает в среду, где давление почти такое же как в струе, то она вообще почти не будет расширяться и ее истечение будет по форме напоминать шнур. В рассматриваемом случае струя истекает в атмосферу земного воздуха находящегося при нормальном давлении и температуре, поэтому исходя, например, из разности давлений внутри и снаружи струи, а так же ее плотности, вязкости и температуры газа можно довольно точно рассчитать расстояние до «первой бочки» - места где струя расширится достаточно для образования прямого скачка уплотнения видимого как диск Маха. Для нормальных атмосферных условий и обычных горячих газов расстояние от среза сопла до прямого скачка будет обычно не меньше диаметра сопла, но если газ из емкости (отсекающей камеры), в которую истекает струя, не будет успевать расходоваться, то в этом объеме начнет расти давление, и будет уменьшаться угол раскрытия, что повлечет за собой и увеличения длины до «первой бочки» - дистанции до диска Маха – прямого скачка уплотнения. На этом принципе основана цифровая модель расчета предлагаемого устройства. При соблюдении этих условий будет достигаться максимальная эффективность реактивного торможения надульным устройством, приводящим к уменьшению отдачи и подброса при выстреле.
Побочным эффектом использования системы на основе тарельчатых отражателей будет радикальное снижение расхода газа в прямом направлении, например, при использовании 4х и более отсекающих камер, на выходе из последней камеры сверхзвуковое течение газа за пулей уже практически полностью прекращается, что это в свою очередь, приводит к уменьшению возмущающего воздействия на пулю и повышению кучности.
После среза сопла, но до системы отсекающих камер, в частном случае может быть размещена дополнительная промежуточная камера изначально не имеющая выпускных окон. Ее назначение быть ресивером (предварительным накопителем) истекающих пороховых газов как для обеспечения более равномерного характера истечения, так и для дожигания пороховых газов (например, с целью уменьшения вспышки). Так же боковая поверхность этой камеры позволяет в случае необходимости просверлить в нужном направлении сквозные боковые отверстия, предназначенные для формирования дополнительных газовых струй, создающих дополнительные реактивные силы, предназначенные для компенсации индивидуальных особенностей оружия, боеприпаса или стрелка.
По результатам тестовых отстрелов проведенных на открытом полигоне спортсменом мирового класса из спортивной винтовки 223 калибра оснащенной ДТК описанной конструкции, даже с использованием низкокачественных стандартных патронов рассеивание на дистанции 300 метров в сериях по два выстрела не превысило 12см, что ранее было недостижимо ни с одним другим ДТК из представленных на мировом рынке.