СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОПРАВКИ НА ИЗНОС КАНАЛА СТВОЛА АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ОРУДИЯ ПРИ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ СТРЕЛЬБЫ
METHOD FOR AUTOMATED DETERMINATION OF CORRECTION FOR WEAR OF ARTILLERY BARREL CHANNEL DURING BALLISTIC FIRE PREPARATION

Область техники
Изобретение относится к способам баллистической подготовки стрельбы артиллерийских орудий.
Баллистическая подготовка орудия включает определение поправок на стрельбу из-за [1]:
- износа канала ствола орудия;
- отклонения от нормальной (+15°С) температуры метательного заряда;
- изменения свойств партии метательных зарядов;
- баллистических характеристик снарядов.
Уровень техники
Изобретение предполагает способ определения поправки на стрельбу из-за износа канала ствола орудия. При стрельбе из артиллерийских орудий с нарезным каналом ствола износ характеризуется удлинением зарядной каморы, что приводит к увеличению ее объема и снижению начальной скорости снаряда [1]. Для штатных артиллерийских орудий при достижении максимально допустимого износа уменьшение начальной скорости снаряда достигает 6%, что соответствует ошибке по дальности до 1 км [2].
В настоящее время износ канала ствола нарезных орудий определяют по удлинению зарядной каморы вручную с помощью прибора ПЗК [1, 2]. По измеренному удлинению зарядной каморы с помощью таблиц стрельбы или вычислительных устройств определяют поправку на стрельбу. Время на развертывание прибора ПЗК, подготовку его к работе и определение параметра для шести орудийной батареи достигает 30 мин. Определение начальной скорости снаряда из-за износа канала ствола может определяться по результатам стрельб с помощью артиллерийской баллистической станции, время определения параметра для батареи достигает 15 мин. Кроме того, для повышения эффективности стрельбы артиллерийских орудий с различным износом в дивизионе производится перекомлектование батарей орудиями, с близкими по износу канала ствола [1].
Недостатки данных способов очевидны. Они не оперативны, трудоемки, требуют дополнительных мероприятий. А использование артиллерийской баллистической станции не применимо при внезапных коротких огневых налетах, скорострельности орудия более 5 выстрелов минуту и при стрельбе высокоточными боеприпасами.
7
Аналогом данного технического решения является способ бесстрельбового определения и учета индивидуальных поправок на изменение начальной скорости снаряда для орудия (патент RU 2206042 на изобретение заявка: 2001114587/02 МПК F41G 3/12 опубликован: 10.06.2003.
В данном аналоге предлагается способ бесстрельбового метода определения поправок на изменение начальной скорости снаряда при подготовке орудия к стрельбе. При этом обеспечивается ввод установленной поправки на изменение начальной скорости снаряда в баллистический вычислитель, системы управления огнем, определяемой износом канала конкретного ствола и конкретной партии выстрелов, предполагаемых к использованию в боевой работе объекта для последующего учета ее при наведении орудия. Это достигается тем, что способ бесстрельбового определения и учета индивидуальных поправок для орудия на начальную скорость снаряда включает:
- измерение изменения диаметра канала ствола в каморной части и калиберной части в заданных сечениях по длине канала ствола и определение профиля сечения с высокой точностью;
- определение глубины досыла снаряда в изношенный ствол используемого орудия (измерение или расчет) и вычисление по глубине досыла уточненного объема каморы в заснарядном пространстве;
- вычисление коэффициентов согласования баллистического решения по величине начальной скорости и максимальному баллистическому давлению, указанных в формуляре партии выстрелов, вычисление начальной скорости снаряда используемой партии из используемого ствола с учетом уточненного объема каморы и износа канала ствола, вычисление индивидуальной поправки на изменение начальной скорости, одновременно учитывающей поправки из-за свойств партии и из-за износа канала ствола. Вычисления проводятся с использованием программы ЭВМ по утвержденной методике расчета внутренней баллистики, получившей экспериментальное подтверждение;
- ввод определенной индивидуальной поправки в канал изменения начальной скорости снаряда в баллистический вычислитель системы управления огнем объекта, либо учет ее при подготовке исходных установок стрельбы для орудий, не имеющих системы управления огнем, либо способа введения поправки в системы управления огнем.
К недостаткам этого метода можно отнести высокую трудоемкость и большие затраты времени измерения, а также изменения диаметра канала ствола в каморной и калиберной частях в заданных сечениях по длине канала ствола и определение профиля сечения. Другим аналогом данного технического решения является способ измерения износа канала ствола и устройство для его осуществления (патент RU 2368885 на изобретение заявка: 2007125489/28 МПК G01N 3/56, G01B 13/12, F41A 31/02 (2006.01) опубликован: 27.09.2009 Бюл. №27.
Так как износ канала ствола приводит к падению начальной скорости снаряда вследствие прорыва пороховых газов, для измерения износа предлагается использовать принципы гидроаэромеханики. Принципы аэромеханики широко применяются в машиностроении для диагностики износа деталей поршневой группы двигателей внутреннего сгорания, по степени сжатия воздуха (пиковые манометры или компрессометры).
В гидродинамике и газодинамике вещество, протекающее по трубе, принято называть жидкостью, независимо от того, в каком агрегатном состоянии оно находится, жидком или газообразном.
В классической гидродинамике рассматривается задача о падении напора жидкости в трубе круглого сечения за счет преодоления сопротивления течению. Выделяется два вида сопротивлений:
- сопротивления, проявляющиеся по всей длине потока, обусловленные силами трения частиц жидкости друг о друга и о стенки, ограничивающие поток;
- местные сопротивления, обусловленные разного рода препятствиями, установленными в потоке, приводящим к изменениям величины или направления скорости течения жидкости.
Если в исследуемый ствол поместить цилиндр с известными размерами, то задача измерения внутреннего диаметра ствола сводится к измерению расхода жидкости через кольцевой зазор.
Наиболее простыми и вместе с тем точными способами измерения расхода жидкости являются объемный и весовой.
При объемном способе измерения протекающая в исследуемом стволе жидкость поступает в специально тарированный сосуд-мерник, время наполнения которого точно фиксируется по секундомеру.
При весовом способе взвешиванием находят вес жидкости, поступившей в мерник за некоторое фиксированное время Т, определяют ее массу, массовый расход и, зная плотность жидкости, вычисляют объемный расход.
Известно аналитическое решение задачи осевого течения жидкости под действием перепада давлений в кольцевом зазоре, образованном двумя соосно расположенными цилиндрическими поверхностями (см. например Жоховский М.К. Теория и расчет приборов с неуплотненным поршнем М.: 1966).
Для фрикционного ламинарного течения жидкости расход в зазоре между цилиндром (внутренней поверхностью канала ствола) и неподвижным поршнем (измерительным цилиндром), если зазор b мал по сравнению с диаметром D, и если поршень расположен в цилиндре не соосно, а с максимальным эксцентриситетом (касание), определяется выражением:
где Q - расход жидкости;
D - диаметр измерительного цилиндра;
o
b - износ канала ствола;
Р - давление в казенной части ствола;
μ - кинематическая вязкость жидкости;
l - длина измерительного цилиндра, помещенного в ствол.
Использование принципов гидроаэромеханики позволяет перейти от измерения линейного размера износа в точке касания измерительного колка к измерению расхода жидкости в кольцевом зазоре, который является функцией износа канала ствола.
Способ измерения износа канала ствола и устройство для его осуществления (варианты) способ измерения износа канала ствола (фиг. 1), включает установку в нужное сечение канала ствола 1 измерительного цилиндра 2 с известными геометрическими размерами, создание в казенной части ствола избыточного давления измерительной жидкости или газа и измерение расхода измерительной жидкости или газа, вытекающих через кольцевой зазор из дульной части ствола. Реализация способа возможна в виде аэродинамических или гидродинамических измерений.
На (фиг. 1) изображено устройство для измерения износа канала ствола на основе аэродинамических измерений, которое содержит помещаемый внутрь ствола 1 измерительный цилиндр 2 с известными геометрическими размерами, компрессор или баллон с сжатым воздухом 6, магистральный вентиль 8, редуктор для регулирования давления 9 и манометр для его измерения 10, фланец для подвода сжатого воздуха к казенной части ствола 4, заглушек для эжекторных отверстий 12, выходной фланец 5 с фиксатором 11 установочной штанги 3, устанавливаемый в дульный срез, линию свободного сброса 7 и ротаметр для измерения расхода воздуха 13.
Для проведения измерений износа аэродинамическим методом осуществляют:
- приведение ствола в горизонтальное положение;
- соединение измерительного цилиндра с установочной штангой;
- введение в нужное сечение ствола измерительного цилиндра;
- установку дульного фланца с отверстиями для установочной штанги и выпуска воздуха;
- установку герметизирующего фланца для подачи сжатого воздуха в казенную часть ствола;
- установку заглушек на эжекторные отверстия;
- подключение воздушной линии к герметизирующему фланцу;
- установку с помощью редуктора и манометра необходимого значения избыточного давления в казенной части ствола;
- определение положения поплавка ротаметра;
- определение износа канала ствола по тарировочному графику.
Сжатый воздух, поданный в герметизированную казенную часть ствола, пройдя через кольцевой зазор между внутренней поверхностью ствола и наружной поверхностью измерительного цилиндра, дросселируется до атмосферного давления в линии свободного сброса. Расход воздуха, измеренный с помощью ротаметра, является функцией износа канала ствола.
Устройство для измерения износа канала ствола (фиг. 2) на основе гидродинамических измерений, которое содержит помещаемый внутрь ствола 1 измерительный цилиндр 2 с известными геометрическими размерами, резервуар с маслом 14, магистральный вентиль 8, масляный насос 15, редуктор для регулирования давления 9 и манометр для его измерения 10, фланец для подвода масла к казенной части ствола 4, заглушек для эжекторных отверстий 12, выходной дульный фланец 5 с фиксатором 11 установочной штанги 3, устанавливаемый в дульный срез, линию свободного сброса 7, мерный сосуд 16 и секундомер для измерения времени его заполнения 17. Дульный фланец 5 содержит фиксатор установочной штанги и отсчетный индекс для определения положения измерительного цилиндра 2. Путем перемещения измерительного цилиндра возможно осуществление измерения износа в любом сечении ствола. Отсчет положения измерительного цилиндра осуществляется по шкале, нанесенной на установочную штангу. Для достижения высокой точности измерений возможно изменение величины избыточного давления масла в казенной части ствола в широких пределах. Верхняя граница давления определяется условием ламинарного течения жидкости в кольцевом зазоре. Тип манометра выбирается в соответствии с заданной точностью измерений (погрешность наиболее точных эталонных манометров 0.002-0.005%).
Для проведения измерений износа гидродинамическим методом осуществляют:
- приведение ствола в горизонтальное положение;
- соединение измерительного цилиндра с установочной штангой;
- введение в нужное сечение ствола измерительного цилиндра;
- установку дульного фланца с отверстиями для установочной штанги и выпуска масла;
- установку герметизирующего фланца для подачи масла в казенную часть ствола;
- установку заглушек на эжекторные отверстия;
- подключение масляного насоса к герметизирующему фланцу;
- установку с помощью редуктора и манометра необходимого значения избыточного давления в казенной части ствола;
- достижение установившегося режима истечения масла;
- сбор масла, вытекающего из дульной части ствола в специальный мерник;
- измерение с помощью секундомера времени заполнения мерника маслом;
- определение износа канала ствола по тарировочному графику.
К недостаткам этого метода можно отнести сложность проведения всего комплекса работ в полевых условиях по измерению износа в заданном сечении ствола, путем перемещения измерительного цилиндра, а также высокую трудоемкость и большие затраты времени при проведении данных работ.
Прототипом данного технического решения является способ автоматизированного определения поправки на износ канала ствола артиллерийского орудия в начальной скорости снаряда при баллистической подготовки стрельбы (патент RU 2327944 на изобретение заявка: 2006135598 МПК F41G 3/12 (2006.01) опубликован: 27.06.2008 Бюл. №18).
Способ автоматизированного определения поправки на износ канала ствола артиллерийского орудия в начальной скорости снаряда при баллистической подготовки стрельбы включает следующие операции: устанавливают газорасходный датчик в клин затвора орудия, определяют герметичный объем зарядной каморы путем подачи газа в камору через газорасходный датчик, в автоматизированном режиме считывают сигнал с газорасходного датчика, значение которого пропорционально объему зарядной каморы и износу канала ствола, и учитывают это значение при расчете поправки на износ канала ствола в начальной скорости снаряда.
Работа прототипа поясняется на рисунке (фиг. 3).
Согласно изобретению, в клин затвора 18 с ударником 19 устанавливается газорасходный датчик 20. При досылке в канал нарезного ствола 1 снаряда 21 и закрытии клина затвора зарядная камора будет представлять собой герметичный объем, выдерживающий давление не менее 15 МПа. В данный объем через газорасходный датчик подается газ (воздух и др.), подача которого прекращается при достижении определенного давления, и с газорасходного датчика считывают сигнал, пропорциональный объему зарядной каморы и износу канала ствола, значение которого в автоматическом режиме учитывается при расчете и введении поправки в начальную скорость снаряда.
Недостатком прототипа также явлется сложность проведения всего комплекса работ в полевых условиях.
Технической задачей изобретения является автоматизированное определение поправки на износ канала ствола артиллерийского орудия при баллистической подготовке стрельбы.
Указанный результат достигается тем, способ автоматизированного определения поправки на износ канала ствола артиллерийского орудия в начальной скорости снаряда, с последующим вводом поправки пропорциональной объему зарядной каморы и ствола орудия в систему подготовки стрельбы, отличающийся тем, что на дульном срезе устанавливают экран отражающий зондирующие акустические сигналы, устанавливают в клин затвора орудия два звуковода, по одному из которых вводят в зарядную камору и ствол орудия зондирующий акустический сигнал, частота которого изменяется, например, по пилообразному закону, а по второму звуководу выводят отраженный от стенок зарядной каморы и ствола орудия акустический сигнал, определяют максимальную резонансную частоту зарядной каморы и ствола орудия на которой сигнал хорошо различим на уровне шумов и по максимальной резонансной частоте вычисляют объем зарядной каморы и ствола орудия по формуле:
где  с - скорость звука в воздухе; S, L - суммарная площадь отверстий и длина передающего и приемного акустических волноводов, соответственно; n - номер гармоники максимальной резонансной частоты акустического сигнала.
i
0
На фигуре 4 приведена схема проведения экспериментов по определению объема зарядной каморы и ствола орудия. Согласно изобретению, предлагается в казенной части ствола 1 установить фланец 4 с входным 22 и выходным 23 акустическими волноводами. По входному волноводу 22 от излучателя акустических волн 24 вводят в зарядную камору и ствол орудия 1 зондирующий акустический сигнал, частота которого изменяется, например, по пилообразному закону. Отраженный от стенок зарядной каморы и ствола орудия акустический сигнал принимается приемником акустических волн 25 и направляется в вычислительный модуль генерации и обработки акустических сигналов 26. Ствол орудия 1 на дульном срезе закрывают экраном (фланцем) 5, который отражает акустические волны. При этом ствол орудия закрытый с двух сторон представляет акустический резонатор, в котором звук распространяется как продольная волна сжатия, заставляя молекулы воздуха двигаться вперед и назад вдоль ствола. Внутри ствола образуется стоячая акустическая волна, частота которой зависит от объема зарядной каморы и ствола. Замкнутый экраном 5 воздух в стволе резонирует на n-частотах. Все гармоники закрытого с двух сторон ствола орудия, имеют узлы на дульном срезе и в казенной части ствола 1. Резонансные частоты f суммарного объема V зарядной каморы и ствола орудия 1, с учетом суммарной площади - S отверстий передающего 22 и приемного 23 акустических волноводов и их суммарной длины - L, определяются формулой:
где n - номер гармоники акустического сигнала. Обозначим:
С учетом введенного обозначения, формулу (1) перепишем в виде:
0
Чувствительность измерительной системы будет определяться соотношением df/dV. Дифференцируя соотношение (2), получим:
Тогда чувствительность измерительной системы будет:
n
1
Принимая во внимание, что n=f/f соотношение (3) перепишем в виде:
max
Как следует из соотношения (4), чувствительность измерительной системы пропорциональна номеру гармоники акустического сигнала, то есть чем выше измеряемая резонансная частота, тем больше чувствительность измерительной системы. Для этого по акустическому волноводу 22 вводят зондирующие акустические сигналы, частота которых изменяется, например, по пилообразному закону и определятся максимальная резонансная частота зарядной каморы и ствола орудия, на которой сигнал хорошо различим на уровне шумов. Измерив максимальную резонансную частоту орудийной полости f, ее объем определяем по формуле:
где  с - скорость звука в воздухе; S, L - суммарная площадь отверстий и длина передающего и приемного акустических волноводов, соответственно; n - номер гармоники максимальной резонансной частоты акустического сигнала.
зк
Вторым этапом досылают снаряд в канал нарезного ствола и закрывают клин затвора, определяют максимальную резонансную частоту зарядной каморы и вычисляют ее объем V.
На фигуре 5, приведена схема проведения экспериментов по определению объема зарядной каморы. Данный эксперимент отличается от первого тем, что досылают снаряд 7 в канал нарезного ствола и закрывают клин затвора, определяют резонансные частоты сигналов отраженных от стенок зарядной каморы.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, является следующая совокупность действий:
1. Ствол орудия на дульном срезе закрывают экраном (фланцем) отражающим акустические волны обратно в ствол орудия и зарядную камору;
2. Направляют по волноводу акустические сигналы частота которых изменяется, например, по пилообразному закону, возбуждают стоячие акустические волны (резонансы) на собственных частотах зарядной каморы и ствола орудия (резонатора);
3. По акустическому волноводу принимают ряд резонансных частот акустических сигналов, определяют максимальную резонансную частоту зарядной каморы и ствола орудия на которой сигнал хорошо различим на уровне шумов отраженных от стенок зарядной каморы и ствола орудия;
max
4. По выбранной максимальной резонансной частоте f вычисляют суммарный объем зарядной каморы и ствола артиллерийского орудия:
5. Досылают снаряд в канал нарезного ствола и закрывают клин затвора, определяют максимальную резонансную частоту зарядной каморы, на которой сигнал хорошо различим на уровне шумов отраженных от стенок зарядной каморы:
к
к
Так, например, у 152-мм пушки 2С5 длина зарядной каморы составляет L=990 мм, а диаметр направляющего диска D=161,3 мм. Удлинение зарядной каморы для перевода ствола из 1-й категории во 2-ю нормируется [6] и составляет ΔL=35 мм.
При этом объем зарядной каморы составит:
2
Принимая, что суммарная длина волноводов равна L=20 см=0,2 м, а их диаметр d=0,01 м, и площадь S=0,0089 м, отношение будет составлять , резонансные частоты акустических волн будут:
То есть 117,234……1172 Гц.
При этом чувствительность будет:
3
То есть при изменении объема зарядной каморы на 0,00715 м резонансные частоты акустических волн изменятся на: 2,07; 8,28; 18,63; 33,12; 51,75 Гц.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет определить:
• Суммарный объем зарядной каморы и ствола артиллерийского орудия;
• объем зарядной каморы.
Источники информации:
1. Правила стрельбы и управления огнем артиллерии. Дивизион, батарея, взвод, орудие. ПС и УО-96. Часть 1. - М.: Военное издательство, 1966. - 375 с.
2. Таблицы стрельбы для равнинных и горных условий 152-мм гаубицы 2А65 и 152-мм самоходной гаубицы 2С19. ТС РГ №187. - М.: Военное издательство. 1994. - 760 с.
7
3. Патент RU 2206042 (МПК F41G 3/12) от 10.06.2003.
4. Патент RU 2368885 (МПК G01N 3/56, G01B 13/12, F41A 31/02) от 27.09.2009 Бюл. №27.
5. Патент RU 2327944 (МПК F41G 3/12) от 27.06.2008 Бюл. №18.