КОРПУС БОЕВОЙ ЧАСТИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
PROJECTILE HEAD CASE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к военной технике и может быть использовано преимущественно в конструкциях корпусов боевых частей (БЧ) ракет, а также в корпусах других боеприпасов.
Актуальность решаемой задачи определяется необходимостью создания корпусов БЧ, конструктивно обеспечивающих формирование скоростных осколочных полей с высокой плотностью в них осколков.
Повышение сохраняемости массы осколков путем уменьшения их разрушений, которые происходят вследствие волновых процессов при взрыве на границах разделов между разноплотными средами материала осколков и воздушных зазоров между ними, также является одной из актуальных задач, решение которой позволяет повысить эффективность действия БЧ в целом.
Известны способы изготовления осколкообразующих оболочек, т.е. осколочных оболочек БЧ и других боеприпасов, состоящих не из готовых осколков, а формирующих осколки при подрыве изделия (за счет предварительного ослабления различными методами корпусов с целью их заданного дробления), приведенные, например, в патентах RU 2018779, F42B 12/32, 1994; RU 2163999, F42B 12/32, 2000.
Общей особенностью перечисленных выше конструкций является возможность их применения только в боеприпасах, имеющих цилиндрическую форму корпусов, и создаваемые в них осколочные оболочки также имеют цилиндрическую, эквидистантно повторяющую корпус форму.
Но БЧ с цилиндрическими корпусами в реальных и проектируемых ракетах встречаются крайне редко, поскольку для обеспечения заданных характеристик поля поражения в таких БЧ требуются существенно большие относительные удлинения (отношение длины к диаметру), чем в БЧ с коническими или криволинейными профилями продольных сечений корпусов, что чрезвычайно сложно совместить с задачами оптимальной компоновки и обеспечения необходимых аэродинамических характеристик ракеты.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является конструкция оболочки снаряда (FR 2617586, F42B 13/18, 1988). Известное устройство содержит несколько сборных стальных колец, надеваемых одно на другое и жестко соединяемых друг с другом. Каждое кольцо имеет углубления, расположенные равномерно по периметру в плоскости продольной оси изделия и разделяющие кольцо на рассекаемые при взрыве части.
Недостатками такого конструктивного решения являются невозможность применения в корпусах, имеющих форму, отличную от цилиндрической, невозможность создания осколкообразующей оболочки, состоящей из нескольких слоев, а также наличие больших зазоров между осколками.
Такой корпус при подрыве не обеспечивает достаточной эффективности действия вследствие малого количества формируемых осколков из колец и большой балластной массы конструктивных элементов, связывающих их между собой в корпусе.
Ближайшим аналогом предлагаемого способа является способ изготовления корпуса боеприпаса по патенту (RU 2098743, F43B 12/22, 1996), включающий формирование осколочной оболочки на стенке корпуса и позволяющий выполнить ее многослойной. При этом многослойную осколочную оболочку выполняют из навиваемого спиралью прутка с поперечными рифлями. Витки спирали укладывают аксиально и поджимают гайкой.
Недостатками способа являются неприменимость для изготовления корпусов отличной от цилиндра формы, невозможность формирования многослойной осколочной оболочки с переменным профилем продольного сечения и необходимость для реализации способа применения сложной технологической оснастки.
Задачи, на решение которых направлена группа изобретений - создание корпуса БЧ повышенной эффективность действия при подрыве и способа изготовления такого корпуса из простых деталей, реализуемого без применения дорогостоящей и сложной оснастки. Способ должен обеспечивать промышленное изготовление корпусов со стабильными показателями качества в серийном производстве на широко распространенном заводском оборудовании при любых объемах производства и предусматривать возможность использования прогрессивных технологических приемов.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение - устройство, заключается в повышении эффективности действия БЧ путем создания в ней корпуса, обеспечивающего формирование осколочного поля с повышенными скоростями и плотностью в нем осколков в сочетании с высокой сохраняемостью массы осколков в процессе метания.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение - способ, заключается в создании способа изготовления корпусов БЧ с осколкообразующей оболочкой, устанавливаемой на внешней стенке корпуса с профилем образующей любой конфигурации, обеспечивающего изготовление таких корпусов с использованием как простых технологических приемов для без применения сложной дорогостоящей оснастки, так и с применением прогрессивных технологических приемов и специализированного оборудования.
Поставленная задача решается, а технический результат, на который направлено изобретение - устройство, достигается тем, что в отличие от известного корпуса, содержащего осесимметричную осколкообразующую оболочку из набора неподвижно соединенных стальных колец, имеющих равномерно распределенные по периметру местные ослабления прочности, в предлагаемом изобретении кольца в осколкообразующей оболочке выполнены с радиально расположенными пазами, обращенными внутрь к оси корпуса, осколкобразующая оболочка имеет переменный профиль продольного сечения за счет выполнения ее из колец различного поперечного сечения и различного количества слоев колец в ней, которое может быть от одного и более. Кольца в пределах каждого слоя и кольца двух любых соседних слоев скреплены между собой прерывистыми сварными швами таким образом, что свариваемые участки в двух любых рядом расположенных прерывистых сварных швах смещены относительно друг друга.
В оптимальном варианте конструкции (п.2) в каждом кольце глубина радиально расположенных пазов меньше высоты кольца в радиальном направлении на 3-10%, а суммарная длина свариваемых участков прерывистых сварных швов между кольцами составляет 2-5% от суммарной длины этих швов.
Поставленная задача решается, а технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение - способ, достигается за счет того, что в предлагаемом способе изготовления корпуса БЧ, включающем формирование осколкообразующей из колец, которые изготавливают по месту, непосредственно на внешней стороне стенки корпуса из мерных отрезков стальных лент с предварительно равномерно по всей длине выполненными на них пазами. При изготовлении кольца огибают стенку корпуса одним отрезком (или двумя-тремя отрезками) стальной ленты его стороной, на которой выполнены пазы, и скрепляют по месту концы его сварным швом. Длина одиночного отрезка ленты (или суммарная длина отрезков) выбирается равной длине окружности, являющейся описанной для формируемого кольца. Операции изготовления колец чередуют с операциями соединения соседних колец между собой прерывистыми сварными швами.
Существенность отличительных признаков (по п.1) изобретения - устройства заключается в том, что:
- Направление в сторону оси корпуса пазов в кольцах позволяет уменьшить площади продольных сечений пазов, вследствие того, что места перегиба ленты (из которой изготавливается кольцо) естественным образом локализуются в зонах ослабления ее прочности, которыми в данном случае являются пазы, пазы при этом приобретают трапециевидную форму, и их грани при вершине трапеции сближаются.
- Формирование осколкообразующей оболочки из набора колец различного сечения в сочетании с количеством слоев колец от одного и более позволяет создать осколкообразующую оболочку с переменным профилем продольного сечения, внутренним своим контуром вплотную прилегающую к внешней стенке корпуса БЧ и имеющую практически любую, необходимую для создания заданных параметров осколочного поля внешнюю конфигурацию.
- Неподвижное соединение методом сварки прерывистыми сварными швами колец таким образом, что свариваемые участки двух любых рядом расположенных прерывистых сварных швов смещены относительно друг друга, позволяет образовать единую пространственную конструкцию, окружающую корпус, которая в начальный момент после подрыва БЧ препятствуют разрыву стенки корпуса и аккумулируемая, таким образом, часть энергии взрыва сообщает осколкам дополнительный ускоряющий импульс при их разлете. Взаимные смещения свариваемых участков в прерывистых сварных швах между кольцами, аксиально расположенными, и между слоями коаксиально расположенных колец позволяют исключить суммирование в зонах сварки влияния термических напряжений и изменений структуры металла, возникающих при образовании швов на механические свойства колец, и тем самым исключается в зонах этих швов возможное дробление осколков на более мелкие фракции.
Отличительные признаки изобретения (по п.2) направлены на оптимизацию параметров конструкции осколкообразующей оболочки:
- Глубина радиально расположенных пазов в каждом стальном кольце составляет, как предлагается в изобретении, 3-10% от высоты кольца в радиальном направлении и определяет, по сути, толщину перемычек, остающихся в кольце в местах их расположения.
Толщина перемычки должна быть минимальной, исходя из необходимости ограничения ее массы (являющейся балластной, не включаемой в массу метаемых при подрыве БЧ осколков) и требований ограничения прочности перемычки на изгиб для исключения деформации стенки корпуса при сгибании отрезка ленты в кольцо на корпусе. Вместе с тем, уменьшение толщины перемычки ограничено требованиями технологичности, поскольку значительное уменьшение толщины перемычки для своего исполнения потребует повышения точности изготовления лент и выполнения в них пазов, кроме того при очень малых толщинах перемычек возможны их разрывы при формировании колец сгибанием корпуса отрезком ленты даже при небольших натягах.
- Соотношение длин свариваемых и несвариваемых участков в сварных швах, скрепляющих кольца осколкообразующей оболочки между собой, выбрано из следующих соображений.
Прочность этих соединений должна быть достаточной для технологического обеспечения плотного прилегания колец к корпусу и к смежным кольцам, обеспечивать необходимую задержку в разрыве корпуса при подрыве БЧ, но не оказывать существенного влияния на разделение оболочки на осколки.
Отличительные признаки изобретения - способа (по п.3) и объяснение их существенности:
- Осколкообразующую оболочку формируют на внешней стороне стенки корпуса из стальных колец, имеющих любой, необходимый для данной конструкции профиль поперечного сечения.
- Кольца изготавливаются непосредственно на внешней стороне стенки корпуса из мерных отрезков стальных лент с предварительно равномерно по всей длине выполненными в них пазами. При изготовлении кольца стенку корпуса огибают мерным отрезком стальной ленты его стороной, на которой имеются пазы, и закрепляют по месту концы отрезка сварным швом.
- Операции изготовления колец чередуют с операциями скрепления соседних колец между собой прерывистыми сварными швами.
Это позволяет осуществить формирование осесимметричных осколкообразующих оболочек корпусов БЧ со стенками любого профиля. Он применим также для создания осколкообразующих оболочек БЧ, имеющих стыковочные элементы и шпангоуты существенно больших, чем стенка корпуса внешних диаметров, т.е. практически для всех типов вкладных и несущих конструкций осколочных БЧ, в которых метание осколков при подрыве осуществляется с боковой поверхности корпуса, в том числе для БЧ, в которых целесообразно (из условий обеспечения заданной прочности) использование в несущих конструкциях корпусов легких, например алюминиевых, сплавов.
Формирование стальных колец из лент непосредственно на внешней поверхности стенки корпуса позволяет исключить операцию их предварительной гибки с применением дополнительной оснастки - оправок. Причем при изготовлении осколкообразующих оболочек для корпусов со сложным профилем продольного сечения номенклатура такой оснастки может быть достаточно значительной.
- Скрепление колец сварным швом по месту позволяет с применением простейшей оснастки - хомута переменной длины обеспечивать плотную, практически без зазора установку каждого кольца на корпусе в первом слое и в последующих слоях практически без зазоров с предыдущими, коаксиально расположенными, а смещение этих стыков позволяет задать начальное смещение в скрепляющих кольца прерывистых сварных швах.
- Скрепление колец между собой прерывистыми сварными швами позволяет минимизировать остаточные зазоры между кольцами и связывает осколкообразующую оболочку неподвижно в единую пространственную конструкцию.
Обеспечение установки таких колец на конической (или близкой к конической) поверхности корпуса с минимальными зазорами в продольном направлении достигается при установке свариваемых по месту стальных колец на корпус последовательно, от меньшего к большему диаметру, при этом поджатие каждого последующего кольца к предыдущему перед свариванием достигается за счет «сползания» кольца в сторону меньшего диаметра при установке, что позволяет устанавливать кольца практически вплотную друг к другу без использования дополнительных приспособлений.
Сущность изобретений поясняется схемами, которые лишь иллюстрируют замысел и не ограничивают объема прав, который определяется совокупностью признаков формул.
На них изображены:
на фиг.1 - схема корпуса БЧ с установленной на внешней поверхности стенки корпуса осколкообразующей оболочкой с переменной по длине толщиной и разным количеством слоев;
на фиг.2 - пример чертежа ленты с пазами;
на фиг.3 - схема кольца, образованного из мерных отрезков стальной ленты и установленного на внешней поверхности стенки корпуса;
на фиг.4 и 5 - схемы соединения колец в оболочку из двух слоев.
Ниже приведен конкретный пример выполнения изобретения - корпуса БЧ.
Корпус БЧ (фиг.1) включает стенку 1 из алюминиевого сплава АМг 6, на которой расположена двухслойная осесимметричная осколкообразующая оболочка 2, состоящая из стальных колец 3, имеющих различные поперечные сечения и диаметры.
Стенка 1 корпуса представляет собой тонкостенную обечайку, имеющую выпуклый профиль, близкий к коническому, с диаметрами внешней поверхности от 268 до 354 мм.
Форма стенки корпуса 1 и внешний контур формируемой на ней осесимметричной осколкообразующей оболочки 2 рассчитаны из условий обеспечения необходимых для описываемой конструкции параметров создаваемого при подрыве БЧ осколочного поля в заданных габаритно-массовых ограничениях, диктуемых компоновкой ракеты.
Кольца 3 в осколкообразующей оболочке имеют радиально расположенные пазы, обращенные внутрь к оси корпуса. Осколкообразующая оболочка 2 имеет переменный профиль продольного сечения и создана из колец различного поперечного сечения и количества слоев колец по ее длине. Кольца в пределах каждого слоя и кольца двух любых соседних слоев скреплены между собой прерывистыми сварными швами таким образом, что свариваемые участки в двух любых рядом расположенных прерывистых сварных швах взаимно смещены.
Осколкообразующая оболочка 2 сформирована (собрана и скреплена) из колец 3, различных по высоте (в радиальном направлении) - от 7 до 12 мм - и по ширине - от 9 до 12 мм - поперечных сечений. Крайние кольца в каждом слое имеют скосы по внешней стороне осколкообразующей оболочки, которые вместе с подбором по длине оболочки колец, различных по высоте поперечных сечений, позволяют максимально приблизить внешний контур осколкообразующей оболочки к рассчетному. Осколкообразующая оболочка 2 состоит из 84 колец 3, в том числе: внутренний слой состоит из 50 колец, внешний, расположенный в передней зоне, - из 34 колец.
Осколкообразующая оболочка 2, сформированная на внешней стенке корпуса 1, состоит из колец 3, соединенных прерывистыми сварными швами. Стыковые сварные швы в кольцах 3 и свариваемые участки в рядом расположенных прерывистых сварных швах между кольцами (на фиг.1 условно обозначены выделенными точками) взаимно смещены.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
При подрыве в начальный момент осколкообразующая оболочка препятствует разрыву стенки корпуса и аккумулируемая при этом часть выделяемой энергии взрыва сообщает осколкам дополнительный ускоряющий импульс. Управление тангенциальными составляющими скоростей разлета осуществляется сочетанием расчетных форм корпуса (и заряда) БЧ и профиля продольного сечения осколкообразующей оболочки. Это позволяет при подрыве БЧ получить осколочное поле с необходимым градиентом скоростей осколков в нем в сочетании с повышенными, в сравнении с аналогами, скоростями и плотностью осколков в поле (т.е. количеством штук на единицу площади поверхности поля на заданном радиусе разлета).
Пример реализации способа изготовления корпуса БЧ.
Осколкообразующую оболочку формируют из колец 3, которые изготавливают по месту, непосредственно на внешней стороне стенки корпуса 1 из набора мерных отрезков стальных лент (фиг.2) с предварительно равномерно по всей длине выполненным на них n-ным количеством пазов.
а
Шаг пазов  в ленте (фиг.2) выбран, исходя из необходимой массы выделяемых при подрыве БЧ единичных осколков. Для практических всех примененных сечений лент в данном примере он составляет 10,6 мм, ширина пазов в - 0,6 мм. Глубина пазов (на рисунке не показана) в различных лентах составляет от 6,4 до 11,4 мм, то есть глубина пазов на 8,6…5% меньше высоты лент. Между всеми полуготовыми осколочными элементами, ограниченными по обе стороны пазами, имеются перемычки k толщиной около 0,6 мм. Суммарная масса этих перемычек составляет в рассматриваемой конструкции корпуса БЧ около 0,5% от общей массы осколкообразующей оболочки.
При изготовлении кольца 3 двумя последовательно соединяемыми мерными отрезками стальной ленты с предварительно выполненными в ней пазами огибают стороной, на которой выполнены пазы, стенку корпуса 1 и закрепляют по месту концы сварными швами.
Операции изготовления каждого последующего кольца чередуют с операциями скрепления их с предыдущими соседними кольцами прерывистыми сварными швами.
При производстве корпусов предлагаемым способом в данном примере пазы на лентах выполнялись на универсальном горизонтально-фрезерном станке путем одновременного выполнения группы пазов несколькими фрезами на нескольких лентах, параллельно закрепленных в приспособлении на столе станка.
Сформированные предлагаемым способом кольца 3, согнутые из мерных отрезков лент (изготовленных согласно фиг.1) путем огибания лентой стенки корпуса 1 и сваривания концов лент встык по месту, показаны на увеличенных сечениях: на фиг.3 - одно кольцо 3, сформированное на внешней стенке 1 корпуса БЧ, на фиг.4 - два кольца 3, сформированные последовательно и установленные коаксиально. Кольца 3 на фиг.4 соединены между собой прерывистым сварным швом m. Стыковые сварные швы s колец в двухслойной зоне осколкообразующей оболочки смещены. На фиг.4 показаны свариваемые участки прерывистого сварного шва m между слоями колец 3.
На фиг.5 изображена схема формирования на стенке корпуса 1 двухслойной осколкообразующей оболочки из колец 3 различного поперечного сечения. Там же (в принятых в ЕСКД условных обозначениях) заданы параметры скрепляющих кольца 3 прерывистых сварных швов
1
- стыковых m - между слоями колец и m - между кольцами первого слоя,
- угловых t - в местах соединения колец различной высоты.
Размеры прерывистых сварных швов между кольцами и между слоями колец выбраны экспериментально и составляют для представленной конструкции корпуса: длины свариваемых участков - 3 мм и разрывы между ними - 120 мм. Суммарная длина свариваемых участков составила 2,5% от общей длины прерывистых сварных швов.
В другом примере эти длины составляли 5 мм и 150 мм, соответственно, т.е. свариваемые участки в прерывистых сварных швах составили 3,3% от суммарной длины прерывистых сварных швов.
Осколкообразующая оболочка на корпусе сформирована с применением универсального сварочного оборудования для аргонодуговой сварки. В качестве оснастки использовалась вращающаяся оправка и хомуты для фиксации колец на корпусе перед сваркой.
В местах образования угловых сварных соединений (фиг.5, t) при тех же соотношениях длин свариваемых и несвариваемых участков в швах размеры катетов швов составили 3 мм. Близкие значения прочности прерывистых сварных швов (стыковых и угловых) достигались при одинаковых длинах свариваемых участков, использовании одного сварочного оборудования и одинаковой силы тока при образовании этих швов.
Последовательное смещение замыкающих швов колец при их формировании на корпусе в одном направлении (по часовой стрелке) автоматически задавало смещение свариваемых участков соседних пар колец при соединении колец между собой.
Изготовление стальных колец на корпусе производилось от меньшего диаметра стенки корпуса к большему. При этом поджим последующих колец в первом слое осуществлялся за счет эффекта их «сползания» в сторону меньшего диаметра. Кольца второго слоя поджимались с помощью хомутов перед скреплением сваркой с коаксиально расположенными под ними и уже закрепленными кольцами первого слоя. Кольца между собой соединялись последовательно, т.е. чередовались операции соединения концов отрезка ленты в кольцо стыковым сварным швом и скрепления двух соседних (аксиально или коаксиально расположенных) колец прерывистым сварным швом.
Для обеспечения плотного прилегания колец друг к другу все выступания сварных швов между кольцами зачищались заподлицо перед выполнением операции установки очередного кольца.
Минимизация зазоров между корпусом и кольцами и между кольцами в аксиальном и коаксиальном направлениях, достигаемая сочетанием предлагаемых конструктивных (устройство) и технологических (способ) решений, уменьшение площадей поперечных сечений пазов на кольцах за счет формообразования колец предлагаемым методом позволяют практически исключить потери массы метаемых единичных осколков под действием процессов, происходящих в корпусе при прохождении детонационной волны.
Испытания по оценке основных характеристик БЧ, параметры конструкции осколкообразующей оболочки и способ формирования которой приведены выше, и другой БЧ (такой же конструкции с близкими габаритно-массовыми соотношениями, имеющей профиль осколкообразующей оболочки со сходными размерами), показали повышение основных характеристик (по сравнению со штатными изделиями тех же масс и габаритов, в которых использованы известные способы формирования осколочных оболочек) на 10-15% и подтвердили стабильное разделение оболочки на осколки и высокую сохраняемость метаемой массы осколков при подрыве БЧ.
Полученные при расшифровке известными методами результаты 11 подрывов БЧ с вышеприведенными характеристиками конструкции корпуса с осколкообразующей оболочкой показали высокую стабильность выходных параметров, обеспечиваемую конструкцией корпуса. Это позволило задать в технических условиях на изделие величины контролируемых параметров (для оценки качества изделий по результатам контрольных испытаний) с минимальными значениями допустимых отклонений.
Внешний вид и состояние поверхности уловленных специальными ловушками и найденных на земле в зоне разлета после подрыва осколков свидетельствуют о том, что они стабильно разделились и не изменили форму и размеры при метании.
В настоящее время две БЧ, содержащие корпуса, выполненные на выше заявленных принципах, успешно прошли государственные испытания в составе ракет. Еще одно изделие находится на стадии конструкторской проработки.
Таким образом, заявленные изобретения может быть промышленно осуществлены в серийном производстве, а сравнение их с выявленными аналогами уровня техники показало, что существенные признаки в совокупности являются неизвестными, т.е. соответствуют критериям патентоспособности.