Способ и устройство для придания вращения поражающему элементу
METHOD AND DEVICE FOR GIVING THE ROTATION TO THE DESTRUCTIVE ELEMENT

Группа изобретений относится к машиностроению, а именно оружейному производству и направлены на решение проблемы гироскопической стабилизации полета пуль, снарядов и других поражающих элементов путем придания им вращения перед выстрелом из гладкоствольного и нарезного кинетического оружия. Изобретение может быть использовано при создании оружия, основанном на ускорении поражающего элемента силой давления газов, образующихся при сгорании вещества, оружии, основанном на ускорении поражающего элемента силой давления сжатого газа, оружии, основанном на электромагнитном ускорении или в оружии, основанном на механическом ускорении. Изобретение может быть применено в оборонной промышленности и в других областях доставки поражающих, или специальных элементов к цели.
Основные тактико-технические характеристики кинетического оружия - прицельная дальность, точность и кучность боя существенно зависят от гироскопической стабильности поражающего элемента при движении по баллистической траектории, которая обеспечивается осесимметричным вращением поражающего элемента. Условия стабилизации поражающего элемента на баллистической траектории (статическая и динамическая стабильность, динамическая податливость) являются функцией частоты (угловой скорости) вращения и скорости движения поражающего элемента.
Из истории развития оружейного дела известно, что закручивание пуль винтовыми нарезами в стволах оружия впервые появилось в начале XVI века. Благодаря однообразному вращению выстрелянных из таких стволов пуль значительно увеличивалась прицельная дальность и усиление поражающего воздействия пули на объект отстрела.
В дальнейшее и в настоящее время используют и развивают различные способы для придания поражающим элементам вращательного движения вокруг продольной оси как нарезным, так и гладкоствольным оружием.
Известные технические решения по приданию вращения поражающим элементам в нарезных стволах, в основном, заключаются в изменении характера взаимодействия ускоряющегося поражающего элемента (пули, снаряда, мины) с винтовой нарезкой ствола, что приводит к увеличению угловой скорости, скорости на дульном срезе ствола и снижении нагрузки на ствол.
Известно техническое решение [патент РФ №2213315, 26.12.2001, F41F 1/00], заключающееся в том, что для увеличения скорости вращения снаряда ствол орудия выполняют с прогрессивной нарезкой с длиной хода нареза 25-30 калибров на входе в ствол и 15-20 калибров на выходе из ствола.
Недостаток технического решения заключается в сложности изготовления винтовых нарезов с не постоянной длиной хода.
Другая группа известных технических решений заключается в организации воздействия пороховых газов путем создания проточек, каналов и специальных форм винтовой нарезки.
Так известно техническое предложение [заявка РФ №2011135991/11, 27.01.2010, F41A 21/18] заключающееся в том, что для увеличения начальной скорости пули и кучности боя, в заснарядное пространство перемещают находящийся в канале ствола перед пулей воздух, который пропускают между поверхностью ведущей части пули и поверхностью канала ствола через канавки, выемки различной формы. При этом, прерывистые канавки выполняют продольными и/или наклонно-продольными, и/или поперечными на полях между нарезами, и/или примыкающими к нарезу со стороны стенки, на которую ведущая часть пули оказывает меньшее воздействие, и/или пересекающиеся нарезы, и/или наклонно-продольные канавки выполняют по нарезам.
Принципиальным недостатком данного технического предложения заключается в большой сложности изготовления, высокой цене не соразмерной с величиной достигаемого эффекта.
Принципиальным недостатком технических решений основывающихся на закручивании поражающих элементов в пределах нарезной части ствола, является то, что поражающие элементы с одинаковой массой, геометрической формой, количеством и состоянием порохового заряда и другими характеристиками, на дульном срезе ствола, имеют одно и то же значения угловой скорости. При этом нет технической возможности управления этой скоростью.
В гладкоствольном оружии вращение снарядов и пуль обеспечивают их конструктивными особенностями, заключающимися в изготовлении поражающих элементов в виде турбинок, или расположенных на них турбинок, лопастей ребер, проточек, каналов или иных элементов и приспособлений. Эти элементы при движении поражающего элемента взаимодействуют с газами в канале ствола, или с потоком встречного воздуха, возникающий при этом крутящийся момент, раскручивает поражающий элемент. Это аэродинамическое раскручивание поражающего элемента осуществляют или при его движении в канале ствола, или на внешнебаллистической траектории, или на внутрибаллистическом и на внешнебаллистическом участках траектории. Поскольку газодинамические элементы выполняют симметрично относительно оси поражающего элемента, то и закручивание осуществляется осесимметричным.
Известно техническое решение [патент РФ №2163998, 05.04.2000, F42B 007/10, F42B 010/24, F42B 030/02] заключающееся в том, что поражающий элемент гладкоствольного оружия, выполненный в виде пули, помещают в специальное приспособление для закручивания пули давлением пороховых газов, которое выполнено в виде цилиндрического контейнера с нанесенными на его внешнюю поверхность винтовыми канавками. Пороховые газы, прорывающиеся во время выстрела из-за пыжа, проникают в зазор между стволом ружья и снарядом, попадают в канавки и закручивают контейнер с находящейся в нем пулей. Использование изобретения позволяет повысить кучность боя.
Известно также техническое решение [RU патент РФ №2371664, 23.03.2007, F42B 7/10, F42B 10/28] заключающееся в том, что для закручивания пули, предназначенной для стрельбы из гладкоствольного оружия, в ней выполнена, по меньшей мере, одна камера давления и, по меньшей мере, два реактивных сопла, каждое из которых сообщено с камерой давления одним газопроводным патрубком. Технический результат предлагаемого устройством, заключается в повышении предельной прицельной дальности выстрела до 100-110 метров.
Проблеме придания вращения поражающему элементу в гладкоствольном стволе посвящены также следующие известные технические решения: [патент РФ №235719, 26.02.2008, F42B 7/10, F42B 30/02], [патент РФ №2225974, 13.09.2002, F42B 10/28, F41F 1/00], [патент DE №2804311].
Большая группа известных технических решений состоит в закручивании поражающего элемента на участке внешней баллистики внесением конструкционных элементов. Известные технические решения, для охотничьего гладкоствольного оружия, реализованные в виде стрелочно-турбинных и турбинных, пуль Якана, Бреннеке, "Идеал", БС, Полева, "дважды турбинной" пули Майера, и другие описаны в [В.П. Костенко «Пули для охотничьего гладкоствольного ружья», г. Москва, издательский дом Рученькиных, 2003 г.].
Перечисленные известные технические решения придают вращение пуле только за дульным срезом, т.е. на внешнебаллистической траектории, пули с устройствами закручивания имеют плохую обтекаемость, тормозятся встречным потоком воздуха, что ведет к падению скорости и, соответственно, к снижению дальности. Кроме того, такие пули чувствительны к незначительным препятствиям.
Известно техническое решение на устройство по [патент GB Великобритания N20320790] в соответствии с которым поражающий элемент гладкоствольного оружия выполнен в виде пули, снабженной приспособлением для закручивания пули под действием пороховых газов, при выходе снаряда из ствола стрелкового оружия. Сущность устройства заключается в использовании стакана с уплотнением на его нижней части, в винтовых канавках, нанесенных на внешнюю боковую поверхность стакана, на которые воздействуют пороховые газы после выхода снаряда из ствола, что обеспечивает закручивание стакана и пули.
Недостатками технического решения являются то, что вращающий момент возникает лишь кратковременно, в момент, когда пуля и пыж пересекли линию ствола и то, что раскручивание происходит на пассивном не стабилизированном участке траектории движения.
Известен способ придания вращения поражающего элемента [патент РФ №2225974, 13.09.2002, F42B 10/28, F41F 1/00] снабженного, по крайней мере, одной турбинкой, на лопасти которой воздействуют пороховые газы, и тем самым обеспечивают его вращение вокруг продольной оси.
Известно техническое решение [патент РФ №2357191, 26.02.2008, F42B 7/10, F42B 30/02] заключающееся в том, что в хвостовой части поражающего элемента (пули) выполнены отверстия, расположенные под углом к продольной оси и симметрично относительно поперечных осей поражающего элемента, а на наружной поверхности хвостовой части выполнено углубление, в котором расположен пыж-контейнер. Заявляемое техническое решение обеспечивает высокий поражающий эффект за счет вращательного движения пули.
Общим недостатком известных технических решений использующих придание вращения поражающим элементам в гладкоствольном стволе (на внутрибаллистической траектории) являются не стабильность числа оборотов, снижение начальной скорости поражающего элемента и, соответственно, дальности стрельбы, а также техническая не возможность управления процессом закручивания.
В известном техническом решении [№2262652, 03.10.2005, F42B 30/02, F42B 7/10, F42B 12/56] для придания вращательного движения пуле и увеличения поражающего воздействия, в ее хвостовой части выполняют пересекающиеся продольные вырезы. В вырезах размещают дополнительные элементы цилиндрической формы, которые вращаются вместе с пулей и удаляются из пули за счет центробежной силы при ее выходе из канала ствола.
Недостатком известного технического решения является низкая точность траектории полета пули, обусловленная не одновременностью освобождения пули от дополнительных элементов при вылете из канала ствола.
Более прогрессивными являются способы гироскопической стабилизация поражающих элементов в полете, придание вращение которым вокруг продольной оси осуществляется предварительно, перед выстрелом, специальными технологиями или устройствами.
Близким по технической сущности к заявляемому изобретению является заявка на техническое решение [заявка РФ 2005111579/02, 20.04.2005, F41A 5/00], заключающаяся в том, что ствол, за счет взаимодействия через нарезы с движущейся в нем пули, приобретает вращательное движение вокруг своей продольной оси противоположное направлению вращения пули. При этом ствол совершает за один цикл один полный оборот и вращается непрерывно в одну и ту же сторону при стрельбе очередью.
Однако, так как угловые скорости нарезного ствола с вращательной степенью свободы и угловые скорости пули вычитаются, это техническое решение не может быть реализовано заявляемым способом. При этом, естественно, не происходит заявленное увеличение скорости вращения пули.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является техническое решение [патент РФ №2342618, 15.06.2006, F41A 5/06] состоящее в том, что снаряд помещается в нарезной ствол пушки, выполненный с возможностью вращения относительно своей продольной оси и снабженный приводом, обеспечивающим это вращение. Угловая скорость снаряда на вылете из ствола является суммой угловых скоростей ствола и снаряда относительно ствола, что обеспечивает высокую гироскопическую стабилизацию снаряда и высокую скорость его полета при относительно низком взаимодействии снаряда с нарезками ствола.
Основными недостатками наиболее близкого по технической сущности технического решения является повышенная сложность конструкции пушки, предполагающая высокую точность изготовления массивных элементов обеспечивающих вращательное движение без колебаний и биений. Высока стоимость изготовления пушки с повышенной сложностью конструкции. Гироскопический эффект вращающейся большой массы ствола затрудняет перенацеливание пушки, а снижение скорости вращения ствола для наведения на новую цель и последующее его раскручивание снижает скорострельность оружия. На раскручивание массивного ствола с зарядом требуются большие энергетические затраты. Понижение же точности изготовления пушки приведет к снижению точности прицеливания, увеличению кучности попадания в цель.
Наиболее близкому техническому решению свойственны и другие весьма существенные недостатки.
Техническим результатом настоящего изобретение в части способ является существенное улучшение тактико-технических характеристик различных типов и видов кинетического оружия путем управляемого придания заданной угловой скорости вращения поражающему элементу перед выстрелом, обеспечение оптимальную гироскопическую стабильность поражающего элемента и расширение функциональных возможностей оружия.
Техническим результатом настоящего изобретение в части устройство является осуществление заявленного способа в устройстве для управляемого придания скорости вращения поражающему элементу перед выстрелом, существенное улучшение тактико-технических характеристик гладкоствольного и нарезного кинетического оружия и расширение их функциональных возможностей. Целью заявляемого изобретения также является существенное снижение инертной массы, которой придается вращение, снижение сложности и стоимости изготовления оружия и реализация заявляемого технического решения в кинетическом оружии, использующем различную энергию ускорения поражающего элемента.
Указанный технический результат в части способ достигается тем, что, оптимальную гироскопическую стабилизацию поражающего элемента для конкретного тактического задания на стрельбу (т.е. идеальную баллистическую траекторию), достигают путем вращения патронника, выполненного с возможностью осесимметричного управляемого вращения, который придает вращение поражающему элементу перед выстрелом. В соответствии с изобретением патронник должен быть выполнен как конструкционный самостоятельный элемент оружия с возможностью осесимметричного вращения.
В соответствии с техническим решением, поражающий элемент помещают в патронник, который затем раскручивают до заданной скорости вращения, и этим придают вращение поражающему элементу, и потом производят выстрел. В гладкоствольном оружии поражающий элемент на дульном срезе имеет скорость вращения равную, или близкую к скорости вращения, полученной в патроннике, а в нарезном оружии увеличенную на скорость вращения, полученную при прохождении нарезного ствола.
Поражающий элемент также может помещаться в уже вращающийся патронник, поражающий элемент при этом может иметь скоростью вращения равной нулю, или скорость вращения близкую к скорости вращения патронника, приобретенную в устройстве предварительного раскручивания.
Заявляемый способ существенно улучшает тактико-технические характеристики различных типов и видов кинетического оружия, и расширяет их функциональные возможности.
Известно выполнение патронников как отдельный конструкционный элемент оружия для перезарядки. В казнозарядных орудиях для ускорения перезарядки использовали съемные патронники (каморы). В револьвере патронники размещались симметрично относительно оси барабана, с возможностью вращения вокруг оси барабана. В приведенных технических решениях поражающий элемент перед выстрелом не вращается. Новым, в соответствии с заявляемым изобретением, является функция управляемого осесимметричного вращения патронника, и передача этого вращения поражающему элементу, помещенному в патронник.
Указанный технический результат в части устройство достигается за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков) заключающихся в том, что патронник выполняют как отдельный конструкционный элемент оружия с возможностью управляемого осесимметричного вращения.
В соответствии с техническим решением патронник располагают и конструкционно и функционально сопрягают со стволом и с зарядным и пусковым механизмами. По оси патронника выполняют цилиндрический канал, располагают патронник в подшипниках.
В соответствии с изобретением, на патроннике располагают устройство для привода, вращение патронника осуществляют или приводом от внешнего источника движения, или патронник выполняют, как функциональный элемент источника вращательного движения, например, в виде оси ротора электродвигателя, или в виде оси ротора турбины, вращение которой осуществляют, или от источника сжатого газа, или пороховыми газами, и при этом скорость вращение патронника и направление вращения задают системой управления.
В соответствии изобретением в кинетическом оружии, основанном на ускорении поражающего элемента силой давления пороховых газов, силой давления сжатого газа, на механическом и электромагнитном ускорении, используют патронник, который выполняют как самостоятельный конструкционный элемент оружия с устройствами для управляемого осесимметричного вращения.
Заявляемый способ и устройство для его осуществления иллюстрируются чертежами на фигурах 1, 2, 3, 4, 5.
Фиг. 1 - Вариант реализации способа и устройства придания вращения поражающему элементу с приводом вращение патронника от внешнего источника движения для огнестрельного оружия;
Фиг. 2 - Вариант реализации способа и устройства придания вращения поражающему элементу с патронником, выполненным в виде оси электродвигателя;
Фиг. 3 - Вариант реализации способа и устройства придания вращения поражающему элементу с патронником, выполненным в виде оси газовой турбины с приводом от внешнего источника газа;
Фиг. 4 - Вариант реализации способа и устройства придания вращения поражающему элементу с патронником, выполненным в виде оси газовой турбины с приводом от пороховых газов.
Фиг. 5 - Схематически изображен огнестрельный комплекс дульнозарядного оружия, например, миномет, гранатомет и т. д. с приводом вращение патронника от внешнего источника движения
На Фиг. 1 схематично показан вариант реализации способа и устройства придания вращения поражающему элементу /2/ с приводом /7/ вращение патронника /1/ от внешнего источника движения /8/ для огнестрельного оружия. Корпус патронника /1/ выполнен в виде цилиндра с центральным каналом и проточкой для размещения поражающего элемента /2/ и заряда /6/ в патроне или гильзе. На внешней стороне патронника /1/ размещен элемент привода /7/. Вращение патронника осуществляется в подшипниках /5/. Подшипники /5/ должны обеспечивать вращение патронника без радиальных и торцевых механических перемещений. В качестве источника движения /8/ может быть использован электродвигатель или другой движитель с требуемыми техническими характеристиками. Скорость вращение патронника /1/ задают системой управления (на схеме не показана), которая должна обеспечивать регулирование скорости вращения от 0 до сотен оборотов в минуту, ее стабилизацию и изменение направления вращения.
Патронник /1/ конструкционно соосно сопрягают с оружейным гладкоствольным или с нарезным стволом /3/. С казенной части патронник /1/ функционально сопрягают с зарядным механизмом /4/. Зарядный механизм /4/ сочетает функции зарядки, затвора, инжекции и удаления патрона (гильзы), автоматической перезарядки и ударного механизма. Зарядный механизм /4/ может также включать в себе устройство предварительной раскрутки поражающего элемента до скорости близкой к угловой скорости патронника, что обеспечивает безударную подачу поражающего элемента и увеличение скорострельности (частоты выстрелов).
Фиг. 2 демонстрирует техническое решение для случая исполнения патронника /1/ в виде оси электродвигателя. На корпусе патронника /1/ размещают сердечник и обмотку ротора /9/ электродвигателя, а также элемент подачи напряжения на ротор, коллектор /10/. Вращение ротора-патронника осуществляется в подшипниках /5/ установленных в статоре электродвигателя. Статор, корпус электродвигателя и система управления на схеме не приведены. Система управления обеспечивает регулирование числа оборотов, их стабильность и изменение направления вращения. Пример приведен для коллекторного электродвигателя. Практически тип и конструкция электродвигателя выбирается из большого комплекса технических характеристик, таких как мощность, габариты, вес, вид и величина питающего напряжения, частота вращения ротора, способ регулирования и стабильность частоты вращения и др.
На Фиг. 3 патронник /1/, выполнен в виде оси газовой турбины с приводом от внешнего источника газа. На патроннике /1/ размещают лопасти турбины, образуя ротор газовой турбины /11/. Ротор - патронник устанавливается в подшипники /5/, расположенные в корпусе турбины /12/. Газ от источника газа поступает через патрубок ввода газа /13/, а выходит через систему выхода газа /14/. Источник газа, система трубопроводов и система управления расходом газа и, соответственно, скоростью вращения турбины на схеме не показаны. Система управления расходом газа должна обеспечивать регулирование числа оборотов и стабильность скорости вращения.
Вариант реализации патронника, выполненного в виде оси газовой турбины с приводом от пороховых газов, схематично показан на Фиг. 4. Общая схема этого варианта близка техническому ращению турбины с приводом от внешнего источника газа. Отличие заключается в использовании раскручивания турбины /11/ пороховых газов, которые поступают из ствола /4/ по каналу и патрубку пороховых газов /15/. Для компенсации механических колебаний возникающих при выстреле патрубок пороховых газов выполняют подвижным. Поскольку давление пороховых газов сильно зависит от частоты выстрелов, то регулирование стабилизация угловой скорости ротора требуют прецизионной системы управления. Без сложной системы управления реализация данного технического решения допустима в оружии, допускающем не высокие требования к ТТХ.
Пример исполнения патронника /1/ огнестрельного оружия с зарядкой с дульного среза с приводом от внешнего источника движения, например, для миномета, показан Фиг. 5. Патронник /1/ монтируется внутри нижней части оружейного (минометного) ствола /3/. Вращение патронника в подшипниках /5/ осуществляется внешним источником движения /8/ посредством привода /7/. Поражающий элемент (мина) /2/ помещается через ствол /3/ в патронник /1/ Патронник /1/ и помещенный в него поражающий элемент (мина) /2/ раскручиваются до заданной скорости вращения и механизм запуска /16/ по команде осуществляет выстрел. При частотной стрельбе поражающий элемент /2/ помещается во вращающийся ствол /3/.
Приведенные на чертежах Фиг. 1-Фиг. 5 варианты реализации способа и устройства придания вращения поражающему элементу являются примерами части возможных технических решений реализации устройств придания вращения.
Специалисты в данной области техники найдут многие другие возможные технические решения устройств придания вращения, которые могут быть использованы для целей и в рамках настоящего изобретения.
Использование заявляемой группы изобретений позволяет повысить эффективность способа придания вращения поражающему элементу перед выстрелом, сделать его управляемым, обеспечить возможности осуществления такого способа различными типами устройств и реализацию способа в различных типах и видах кинетического оружия. При этом значительно улучшаются тактико-технические характеристики такие как: заданная скорость вращения поражающего элемента, начальная скорость поражающего элемента, дальность, прицельная дальность, кучность боя и другие.
Реализация изобретения в гладкоствольном кинетическом оружии позволит достичь более высоких значений ТТХ, чем в современном нарезном оружии:
- высокая прицельная дальность - за счет внутрибаллистической газодинамической стабилизации, высокой гироскопической стабилизации на траектории внешней баллистики, низким уровнем механических колебаний ствола, обусловленные механической развязкой ствола и патронника и более высокой скоростью поражающего элемента за счет низких механических потерь в стволе;
- увеличенная дальность стрельбы - за счет оптимизации фактора гироскопической стабильности, направления вращения и более высокой начальной скорости поражающего элемента;
- увеличение кучности боя на всех дистанциях - за счет оптимизации фактора гироскопической стабильности, направления вращения;
- усиление поражающего воздействия поражающего элемента на цель - за счет более высокой скорости поражающего элемента и кинетической энергии движения и вращения поражающего элемента;
- прицельность при низкой скорости поражающего элемента - за счет высокой гироскопической стабилизации;
- возможность стрельбы поражающими элементами (кумулятивными, специальными, ракетами) с нулевой угловой скоростью;
- возможность задания начальной скорости вращения от 0 до десятков тысяч оборотов в минуту;
- возможность задания реверсивного направления вращения;
- возможность увеличения площади поражения изменением начальной скорости вращения поражающего элемента.
Реализация изобретения в кинетическом оружии с нарезным стволом позволит увеличить ТТХ нарезного оружия:
- увеличение кучности боя на всех дистанциях - за счет оптимизации фактора гироскопической стабильности;
- увеличение прицельной дальности - оптимизации гироскопической стабилизации на траектории внешней баллистики, снижения уровня механических колебаний ствола развязкой;
- возможность поражения цели при низкой скорости поражающего элемента за счет высокой гироскопической стабилизации;
- возможность задания начальной скорости вращения от сотен до десятков тысяч оборотов в минуту;
- меньший износ канала ствола за счет увеличения шага нарезки ствола, и соответственно, уменьшения механического воздействия на ствол.
В соответствии изобретением применение заявляемого способа и устройства для придания вращения поражающему элементу в различных видах кинетического оружия с различными способами ускорения поражающих элементов (энергией пороховых газов, сжатого газа, механическим, электромагнитным ускорением и др.) позволяет создавать новые виды кинетического оружия различных типов (пулеметы, стрелковое оружие, минометы, гранатометы, пушки) с высокими тактико-техническими характеристиками.
Сопоставительный анализ предлагаемых технических решений с выявленными аналогами уровня техники отчетливо показывает, что основные признаки предлагаемых изобретений (придание вращения поражающему элементу вращением патронника, патронник, как конструкционный элемент оружия, возможность осесимметричного вращение патронника, вращение патронника источником движения, варианты конструкционного исполнения патронника, применение технического решения для различных видов оружия по назначению и способу ускорения и другие признаки) существенно отличаются от признаков известных аналоговых технических решения, то есть удовлетворяют требованию новизны. Соответственно, можно сделать вывод о соответствии группы изобретений критериям патентоспособности.
Группа предложенных изобретений на способ, устройство, варианты конструкционной и объектной реализация устройства направлены на получение общего технического результата - существенное улучшение тактико-технических характеристик различных типов и видов кинетического оружия путем управляемого придания заданной скорости вращения поражающему элементу перед выстрелом, которая обеспечивает оптимальную гироскопическую стабильность поражающего элемента. Эту группа предлагаемых изобретений объединяют также основные признаки - придание вращения поражающему элементу вращением патронника, патронник, как конструкционный элемент оружия, возможность осесимметричного вращение патронника, вращение патронника источником движения, варианты конструкционного исполнения патронника, применение технического решения для различных видов оружия по назначению и способу ускорения и другие признаки. Группа изобретений имеет общие цели, общий изобретательский замысел и общие основные признаки, что говорит о единстве группы изобретений.
Технические решения с существенными признаками, приведенными в отличительной части формулы изобретения из доступных источников автору не известны.