ВЕДУЩЕЕ УСТРОЙСТВО БРОНЕБОЙНОГО ПОДКАЛИБЕРНОГО СНАРЯДА С ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПОРОХОВОГО ГАЗА ЭНЕРГО-КОНДЕНСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ МЕТАТЕЛЬНОГО ЗАРЯДА

Полезная модель относится к ведущим устройствам (ВУ) "разжимного" типа для бронебойного подкалиберного снаряда (БПС) и может быть реализована в качестве ВУ БПС для танковых пушек, имеющих в составе боекомплекта данный тип снарядов.
Отделение секторов ВУ от корпуса снаряда влияет на величины точности и кучности стрельбы, формирующие техническое рассеивание. Несмотря на большую кратковременность этого процесса, силовое механическое воздействие пороховых газов (ПГ) при выстреле и аэродинамическое взаимодействие силы сопротивления встречного потока воздуха между отделяющимися элементами и корпусом снаряда может привести к формированию значительных траекторных изменений.
Основными силовыми факторами, вызывающими отделение секторов ВУ "разжимного" типа, является сила давления встречного потока воздуха, при этом давление спутного потока ПГ препятствует в периоде последействия (≈8…10 м) процессу их отделения.
Воздействие давления спутного потока ПГ, а также значительная растянутость во времени приводит к значительной асимметрии отделения секторов ВУ, и как следствие, к дополнительным траекторным возмущениям БПС.
Кроме того, как показали стрельбовые испытания, при отделении секторов ВУ имели место нарушения правильности полета БПС относительно оси траектории движения.
Прототипом полезной модели является конструкция поддона подкалиберного оперенного снаряда движущегося по каналу ствола нарезного орудия [1], содержащего несколько дугообразных секций, каждая секция поддона дугообразный задний охватывающий конец, цилиндрическую среднюю часть, соединенную в единое целое с передним концом, и дугообразный охватывающий конец соединенный со средней частью. На переднем конце секции выполнена периферийная канавка под обтюрирующее кольцо, вставленное в канавки секции поддона. Кольцо препятствует прорыву газов поддона во время запуска боеприпасов.
Однако, данная конструкция имеет следующие недостатки: при выходе снаряда из ствола орудия сбрасываемый поддон имеет такую же дульную скорость, как и снаряд, что небезопасно для расчета орудия; отделяющиеся при сбросе дугообразные секции поддона создают опасность повреждения стабилизатора снаряда.
Задачей полезной модели является обеспечение плавного, максимального быстрого и синхронного отделения секторов ВУ от корпуса снаряда после вылета из канала ствола танковой пушки.
Указанная цель достигается тем, что в донных частях каждого из трех опорных кольцевых секторов отделяющегося ведущего устройства бронебойного подкалиберного снаряда, спроектированы внутренние полости, имеющие калиброванные отверстия Данное устройство, обеспечивает плавное, максимального быстрое и синхронное отделение секторов опорных кольцевых секторов от создавшегося давления пороховых газов во внутренней полости секторов.
Сущность предлагаемой конструкции полезной модели заключается в том, что данная конструкция ведущего устройства обеспечивает плавное, максимально быстрое и синхронное отделение секторов ВУ при вылете оперенного бронебойного подкалиберного снаряда из канала ствола, без повреждения поверхности снаряда за счет более плавного и синхронного отбрасывания каждого сектора ВУ в строго радиальном направлении во времени. На фигуре 1 изображена предлагаемая конструкция ведущего устройства бронебойного подкалиберного снаряда с воздействием порохового газа энерго-конденсированной системы метательного заряда.
Ведущее устройство бронебойного подкалиберного снаряда с воздействием порохового газа энерго-конденсированной системы метательного заряда состоит из следующих элементов:
1. Корпус опорного кольцевого сектора ведущего устройства;
2. Калиброванные отверстия;
3. Внутренняя полость;
4. Уплотнительное кольцо;
5. Активная часть снаряда.
Принцип действия предлагаемой конструкции полезной модели состоит в следующем. При выстреле пороховые газы через калиброванные отверстия заполняют внутреннюю полость сектора и на этапе движения снаряда по каналу ствола создают в ней нормированное рабочее давление.
Отделение секторов ВУ происходит после вылета снаряда из канала ствола под действием созданного нормированного рабочего давления пороховых газов, заполнивших внутреннюю полость ведущего устройства.
Процесс отделения секторов начинается после вылета из канала ствола, когда давление спутного потока пороховых газов при выстреле начнет попутно действовать на сектора ВУ освобожденные от уплотнительного кольца, и в это же время начнет действовать давление пороховых газов скопившееся в внутренних полостях секторов ВУ.
Таким образом, процесс функционирования ведущего устройства активного отделения может быть представлен в виде двух основных периодов: первый - заполнение пороховыми газами внутренней полости секторов ВУ; второй - отделение секторов ВУ за счет давления пороховых газов и пороховых газов внутренних полостей секторов.
Расчет первого периода - заполнения полости сектора ВУ предполагает определение давления, температуры и плотности пороховых газов в ней при заданных значениях объема полости и диаметра проходных отверстий.
Ввиду сложности и скоротечности процессов, протекающих при заполнении полостей секторов ВУ, расчеты проведены при следующих допущениях, позволяющих с достаточной для инженерной практики точностью определить искомые величины:
- пороховые газы равномерно распределены в заснарядном пространстве;
- перепад давления между давлениями в канале ствола и в полости сектора ВУ имеет значение «надкритического»;
- закон распределения скорости движения пороховых газов в заснарядном пространстве линейный;
- приход пороховых газов в полость сектора ВУ определяется статическим давлением пороховых газов в канале ствола;
- тепловой обмен между пороховыми газами и стенками полости сектора ВУ является квазистационарным;
- изменение объема полости сектора ВУ вследствие деформации ее стенок не учитывается;
- показатель адиабаты пороховых газов принят в виде постоянного (среднего) значения.
Давление пороховых газов во внутренней полости сектора ВУ может быть определено на основе закона сохранения энергии в дифференциальной форме /1/:
t
где dQ - изменение тепла в полости сектора ВУ;
t
dU - изменение внутренней энергии пороховых газов в полости сектора ВУ;
t
dL - изменение внешней работы, совершаемой пороховыми газами;
t - индекс производной по времени.
Изменение тепла в полости вследствие притока пороховых газов из канала ствола и теплоотдачи от пороховых газов стенками полости представим в виде:
где G - поступление пороховых газов из канала ствола в полость сектора ВУ;
р
С - теплоемкость пороховых газов при постоянном давлении;
0
Т - температура пороховых газов в канале по месту расположения проходных отверстий ведущего устройства;
Т
α - коэффициент теплоотдачи от пороховых газов к стенкам полости;
- площадь внутренней поверхности полости;
- длинна полости;
- ширина полости;
Т - температура пороховых газов в полости;
с
Т - температура внутренних стенок полости.
Для надкритического перепада давления приход пороховых газов из канала ствола в полость сектора ВУ определяется выражением:
где  - постоянная расхода;
S* - суммарная площадь проходных отверстий;
0
Р - давление пороховых газов в канале ствола;
R - газовая постоянная;
k - показатель адиабаты для пороховых газов в полости;
g - ускорение силы тяжести.
Скорость изменения внутренней энергии пороховых газов в полости сектора ВУ представим в виде
где Р - давление в полости сектора ВУ;
h - высота полости.
Скорость изменения внутренней работы, совершаемой пороховыми газами в полости, выражается как
t
где W - скорость изменения объема полости.
Подставив выражения (2), (5) в уравнение (1) и учитывая, что
приведем его к виду
где σ - постоянная коэффициента теплоотдачи;
γ - плотность пороховых газов в полости;
υ - относительный переход температур определенный по формуле
При выводе уравнения (6) принято, что в соответствии с критериальной зависимостью Нуссельта коэффициент теплоотдачи пропорционален плотности пороховых газов в полости.
Введя обозначения
уравнение (8) можно представить в виде
С физической точки зрения коэффициент b можно рассматривать как показатель интенсивности заполнения полости сектора ВУ, а коэффициент а как показатель интенсивности прихода пороховых газов из канала ствола в полость.
В частном случае, при не учете теплоотдачи от пороховых газов к стенкам полости (σ=0, b=0), нарастание давления в полости сектора ВУ описывается уравнением
Вес пороховых газов в полости в момент времени t можно определить по выражению
Для определения температуры пороховых газов в полости воспользуемся выражением, полученным из уравнения состояния пороховых газов
Плотность пороховых газов в полости сектора ВУ можно определить по формуле
0
Определение температурного комплекса RT, входящего в вышеуказанные уравнения (10…13) возможно путем преобразования уравнения баланса энергии при выстреле /2/ из выражения
где  - сила пороха;
ϕ - коэффициент интенсивности массы снаряда;
m - масса снаряда;
3
ω - вес заряда;
ψ - относительный вес сгоревшего пороха.
0
сн
Примем Р=Р,
СН
где Р - давление пороховых газов на дно снаряда. Следовательно, можно записать:
Таким образом, уравнения (9), (11), (13) и (14) совместно с уравнениями внутренней баллистики артиллерийского выстрела /2/ позволяют определить давление, вес, температуру и плотность пороховых газов в полости сектора ВУ в любой момент времени движения снаряда по каналу ствола.
Расчет второго периода-отделения секторов ВУ сводится к определению результирующей силы и скорости отделения секторов.
c
Результирующая сила R, в частности для полости равна
где h,  - соответственно высота и длина полости;
d - диаметр активной части снаряда (под ВУ).
Для определения скорости отделения секторов примем, что вся внутренняя энергия пороховых газов, скопившихся в полости, расходуется на сообщение секторам ВУ кинетической энергии поступательного движения, т.е. воспользуемся выражением
где n - число секторов;
c
m - масса сектора;
c
V - скорость отделения сектора,
из которого скорость отделения секторов составляет
Из выражения (17) следует, что скорость отделения секторов, т.е. динамичность процесса отделения, возрастает с увеличением объема полости, ростом давления пороховых газов (в полости) и снижением массы секторов.
g
g
Определение необходимого объема полости сектора ВУ и диаметра отверстий было проведено из предположения, что в момент вылета снаряда из канала ствола давление и температура пороховых газов в полости составляют P и T соответственно; тогда вес пороховых газов в полости в момент вылета снаряда за дульный срез получим в виде
С другой стороны, вес пороховых газов в полости ведущего устройства в момент вылета снаряда за дульный срез определяется формулой (11) при , где  - время движения снаряда по каналу ствола; тогда, приравняв правые
части уравнений (11) и (19), для определения минимального значения объема полости получим выражение
где В - параметр, являющийся постоянным для данного снаряда, определяется по формуле
Поскольку в таком виде решение не является однозначным, при выборе варианта конструкции (W и s*) предпочтение имеет тот, который обеспечивает минимальный перепад давлений в канале ствола и в полости сектора ВУ в момент вылета снаряда за дульный срез, т.к. чем меньше этот перепад, тем раньше начинается процесс отделения секторов. Определив площадь S* проходных отверстий из условия обеспечения минимального перепада давлений, диаметр отверстий определим по формуле
В качестве примера с целью оценки силового нагружения секторов ВУ с газодинамическим механизмом отделения была выполнена серия расчетов по выбору конструктивных параметров ВУ применительно к БПС инд. 3БМ15. Результаты этих расчетов в зависимости от значений диаметра отверстий и размеров полости представлены в табл. 1.
Из анализа результатов расчета следует, что данное техническое решение путем подбора размеров отверстий и объема внутренней полости сектора ВУ позволяет обеспечить к моменту выхода снаряда за дульный срез требуемое соотношение между дульным давлением и давлением в полости ВУ и, следовательно, регулировать силовое нагружение секторов, определяющие процесс их отделения.
Источники информации
1. Патент США №4326464 публ. 27.4.82 г. МКИ F42B 13/16 - прототип.
2. Серебряков М.Е. Внутренняя баллистика.- М. Обороггиз, 1949.
3. Галаш Ю.Ф., Королев В.А. Проектирование стрелково-пушечного, артиллерийского и ракетного оружия. Часть III: Основы проектирования патронов стрелкового оружия: Учеб. пособие. - 2-е изд., стер. - Пенза: ВА МТО (фил.), 2013. - 159 с.