АРТИЛЛЕРИЙСКИЙ СНАРЯД

Полезная модель относится к боеприпасам, в частности к артиллерийским снарядам, в которых для увеличения дальности полета при движении снаряда по каналу ствола аккумулируют энергию газов заснарядного пространства в накопительной камере снаряда, а после вылета снаряда из ствола за счет аккумулированной энергии удлиняют кормовую часть, придавая ей коническую форму.
Аналогом предлагаемого устройства является артиллерийский снаряд с деформируемой в полете кормовой частью [Патент РФ №2358228 по классу F42B 10/38 с приоритетом от 13.08.2007 г., опубл. 10.06.2009 г.]. Артиллерийский снаряд, содержащий корпус с головным отсеком и кормовой отсек с устройством для увеличения дальности полета, содержащим накопительную камеру и дроссельное устройство, при этом в устройство для увеличения дальности полета введены опорное кольцо и гофрированная мембрана с центральным отверстием, причем гофрированная мембрана жестко закреплена на наружном диаметре кормового отсека с опорою на внешнюю торцевую поверхность накопительной камеры, и выполнена с половинным перехлестом колец гофра, радиальная ширина которых определяется по следующей зависимости:
,
i
где l - радиальная ширина i-го гофра,
i
dcp - средний диаметр i-го гофра,
К - коэффициент, характеризующий допустимую пластическую деформацию материала мембраны.
Вышеуказанный аналог обладает рядом недостатков:
- расположение гофров внахлест требует использования защитного колпака, предохраняющего тонкостенные гофры мембраны от совместного деформирования и смятия;
- изготовление мембраны такой формы достаточно сложно в технологическом плане и требует значительных материальных затрат.
Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является артиллерийский снаряд [патент РФ на полезную модель №92169 по классу F42B 10/38 с приоритетом от 16.10.2009 г., опубл. 10.03.2010 г.]. Артиллерийский снаряд, содержащий корпус с головным отсеком и кормовой отсек с устройством для увеличения дальности полета, содержащим накопительную камеру и дроссельное устройство, при этом устройство для увеличения дальности полета снабжено опорным рифленым диском и радиально гофрированной мембраной, наложенной на соответствующее профильное рифление диска и закрепленная на его наружной поверхности, а в центре диска установлено дроссельное устройство с возможностью осевого перемещения, закрепленное на мембране, при этом гофрированная мембрана выполнена в виде коаксиальной совокупности зигзагообразных гофров с закругленными по радиусу r торцами, между которыми имеются цилиндрические участки глубиной h при следующем соотношении геометрических размеров:
,
m
t
Вышеуказанный прототип обладает существенным недостатком - одинаковая толщина материала мембраны, не зависящая от текущего осевого радиуса, приводит в конечном итоге к неравномерным напряжениям в мембране при ее деформировании под воздействием внутреннего давления. В данном случае как меридиональные σ, так и окружные σ напряжения в конкретном сечении оболочки обтекателя в ходе его трансформации под действием внутреннего давления пропорциональны
x
x
- т.е при постоянной толщине конической оболочки они увеличиваются к ее основанию и уменьшается к ее вершине (здесь р - внутреннее давление, r - осевой радиус оболочки на расстоянии x от ее основания, δ - толщина оболочки в данном сечении). Это приводит к тому, что гофры мембраны наименьшего диаметра не смогут раскрыться полностью, так, как им не хватает усилия деформирования, генерируемого внутренним давлением, при предельных напряжении оболочки на больших диаметрах. Избежать данного негативного момента можно выполнив мембрану переменной по толщине, пропорциональной ее осевым радиусам в развернутом состоянии.
Технической задачей полезной модели является увеличение дальности полета артиллерийского снаряда за счет улучшения аэродинамического качества путем снижения донного сопротивления посредством придания в полете кормовой части снаряда формы, плавно обтекаемой набегающим потоком воздуха, без изменения штатных габаритов снаряда до выстрела и при минимальной массе трансформируемой кормовой части.
Поставленная задача решается, таким образом, что артиллерийский снаряд, содержит корпус с головным отсеком и кормовой отсек с устройством для увеличения дальности полета, в состав которого входят накопительная камера, дроссельное устройство, опорный рифленый диск с установленной на нем радиально гофрированной мембраной, при этом радиальные гофры мембраны выполнены одинакового профиля, исходя из стремления получить максимально возможное ее относительное удлинение после трансформирования в оболочку конической или оживальной формы. При этом геометрические размеры гофр связаны зависимостью:
,
где h - глубина цилиндрической части гофра,
К - коэффициент, учитывающий пластическую деформацию материала мембраны,
r - радиус скругления гофров мембраны;
α - проектируемый угол наклона образующей конической оболочки кормового обтекателя.
Толщина мембраны выполнена переменной с утонением от основания к вершине ее конической развертки и определяется зависимостью:
,
x
здесь δ - толщина мембраны в ее поперечном сечении на расстоянии x от основания развертки;
0
δ - толщина развертки мембраны в ее основании;
x
D - диаметр сечения развертки на расстоянии х от ее основания;
0
D - диаметр основания развертки;
l - осевая длина развертки в виде усеченного конуса.
При этом диаметр центральной части мембраны d с дроссельным устройством соотносится с калибром снаряда D как:
.
На фиг.1 изображен общий вид артиллерийского снаряда с устройством для увеличения дальности полета на основе деформируемой гофрированной мембраны.
На фиг.2 изображено продольное сечение развертки гофрированной части мембраны переменной толщины.
На фиг.3 изображен разрез кормовой части артиллерийского снаряда после срабатывания устройства для увеличения дальности полета, при этом в его верхней части показана коническая оболочка заданной формы после трансформации мембраны указанной переменной толщины, а в нижней - после трансформации мембраны постоянной толщины.
Выполнение гофрированной мембраны с уменьшением ее толщины к центру позволит реализовать равномерное деформирование всех гофров и обеспечит возможность получения трансформируемого кормового обтекателя с максимальным его удлинением, оптимальным образом удовлетворяющим условиям безотрывного обтекания кормовой части снаряда набегающим потоком воздуха.
Снаряд содержит корпус 1 с головным 2 и кормовым 3 отсеками. В кормовом отсеке 3 размещено устройство для увеличения дальности полета, выполненное в виде трансформируемого хвостового обтекателя, который содержит гофрированную мембрану 4, внешний край которой жестко зафиксирован на опорном рифленом диске 5, а в ее центральной, не гофрированной части, расположено дроссельное устройство 6, соединяющее заснарядное пространство 7 с накопительной камерой 8, образованной донным срезом снаряда и опорным рифленым диском 5. Проектная форма кормового обтекателя, образующаяся после трансформации гофрированной мембраны, выбрана исходя из условия обеспечения необходимого по условиям безотрывного обтекания угла конусности оболочки α, при этом гофрированная мембрана под действием внутреннего давления должна не только распрямляется, но и дополнительно вытянуться в пределах допустимых значений пластической деформации. Для учета данного факта в формулу, связывающую глубину цилиндрического участка и радиус закругления гофрированной мембраны, введен коэффициент К, характеризующий пластическую деформацию гофрированной мембраны и не превышающий значение допустимого относительного удлинения выбранного материала гофрированной мембраны. Значения его составляют, например, для стали 08Ю (ГОСТ 9045-93) 38…42%. При этом переменная толщина материала гофрированной части мембраны, выполненная по приведенной зависимости, обеспечит одинаковые в ней напряжения, обусловленные внутренним давлением, и позволит ей равномерно деформироваться по всей длине получаемой оболочки.
к
вн
к
вн
Стрелками р и р показано давление газа (р - в стволе, р - при деформировании мембраны).
Работает артиллерийский снаряд, с учетом вышеприведенного описания, следующим образом.
При выстреле давлением пороховых газов производится разгон снаряда в стволе и одновременно через дроссельное устройство 6 происходит накопление газа высокого давления в накопительной камере 8, образованной донным срезом кормового отсека 3 и опорным рифленым диском 5. Гофрированная мембрана 4 во время нахождения снаряда в стволе под воздействием высокого давления поджимается к опорному рифленому диску 5, поэтому для обеспечения необходимой прочности конструкции не требуется большой толщины ее стенок. После выхода снаряда из ствола давление окружающей среды (давление за донным срезом снаряда) становится значительно ниже давления газа в накопительной камере 8. За счет внутреннего давления дроссельное устройство 6 начинает двигаться в осевом направлении, при этом гофрированная мембрана 4 начинает сначала распрямляться до размеров конической развертки с углом конусности β (фиг.2) и затем, в режиме пластического деформирования, дополнительно удлиняться под действием внутреннего давления, приобретая заданную форму конуса с углом наклона образующей α (фиг.3). При этом должно выполняться соотношение . Полученная форма кормового обтекателя позволяет существенно снизить донное аэродинамическое сопротивление и тем самым увеличить дальность полета артиллерийского снаряда.
Использование предлагаемого устройства позволит успешно трансформировать гофрированную мембрану в проектную форму кормового обтекателя и уменьшить коэффициент полного аэродинамического сопротивления снаряда на 25-30%, что приведет к увеличению дальности его полета на 15-20%. При этом кормовой обтекатель будет иметь минимальную массу. Данные показатели эффективности предлагаемого решения подтверждены результатами численного моделирования процесса деформирования мембраны и полета модернизированного артиллерийского снаряда.