СПОСОБ ДВИЖЕНИЯ ОЖИВАЛЬНОГО ТЕЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MOVING OGIVAL BODY AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к способам и устройствам техники вооружений и может быть использовано для увеличения скорости и дальности метания тел из нарезных стволов оружия в виде снарядов или пуль.
Известен способ движения оживального тела, метаемого давлением пороховых газов из нарезного ствола оружия, реализованный в устройстве трубчатой пули, движущейся на траектории по инерции после получения энергии движения при выталкивании пули из ствола оружия (см. Кириллов В.М. и Сабельников В.М. "Патроны стрелкового оружия",  -изд-во ЦНИИИнформация, 1980, стр.111-112).
В известном способе движения воздух обтекает наружную и внутреннюю поверхности пули, чем создается возможность увеличения баллистических качеств тела уменьшением аэродинамического коэффициента сопротивления путем изменения конфигурации внутренней поверхности обтекания.
Недостатком известного способа является движение тела по инерции, поэтому невозможно увеличить скорость движения пули в каждый момент времени при движении на траектории и, следовательно, увеличить дальность прямого выстрела и улучшить настильность траектории без затрат дополнительной энергии на ускорение пули.
Известным аналогом предлагаемого изобретения, реализующего способ движения тела по инерции, метаемого пороховыми газами из нарезного ствола оружия, является трубчатая пуля Крнка-Хеблера. В конструкцию пули входит оживальный корпус с осесимметричным отверстием, цилиндрическим или цилиндроконическим по всей длине, и обтюрирующий поддон на оживальной корме пули, отделяющийся при вылете пули из канала ствола (см. Кириллов В.М. и Сабельников В.М. "Патроны стрелкового оружия", - изд-во ЦНИИИнформация, 1980, стр.111-112).
При значительном калибре и наличии двух поверхностей обтекания трубчатая пуля может иметь небольшой вес и большую начальную скорость при большой поперечной нагрузке. Это создает возможность улучшения баллистических качеств пули уменьшением ее баллистического коэффициента.
Недостатки трубчатых пуль следующие.
Трубчатые пули с осесимметричным отверстием по технологическим и конструктивным требованиям имеют на оживальных концах притупления, ухудшающие их баллистические качества. Кроме этого, невозможно в каждый момент времени на траектории увеличить скорость движения тела, поэтому невозможно увеличить дальность прямого выстрела и улучшить настильность траектории без затрат дополнительной энергии.
Наиболее близким к заявляемому способу движения оживального тела, метаемого давлением пороховых газов из ствола оружия является способ, реализованный в движущихся на траектории по инерции обычных пуль и снарядов (см. издание БСЭ, 1970-1977 гг., статьи "Снаряды артиллерийские", "Пуля").
Известный способ движения всех пуль стрелкового оружия, метаемых из нарезных стволов давлением пороховых газов, реализуется движением на траектории по инерции. Также реализуется способ движения на траектории по инерции обычного снаряда, который получает энергию движения за счет давления пороховых газов при выталкивании его из нарезного ствола орудия.
Недостатком известного способа-прототипа является движение метаемого тела на траектории по инерции, что исключает возможность увеличения его скорости движения в каждый момент времени и по этой причине исключается увеличение дальности прямого выстрела и улучшение настильности траектории без затрат на ускорение метаемого тела дополнительной энергии.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению, реализующему способ движения метаемых тел пороховыми газами из стволов оружия, являются устройства в виде обычных пуль и снарядов (см. издание БСЭ, 1970-1977 гг., статьи "Снаряды артиллерийские", "Пуля").
Каждая пуля, головная часть боевого патрона к стрелковому оружию, закрепляется в гильзе патрона круговым обжимом дульца и при выстреле выталкивается из ствола оружия на траекторию давлением газов, выделяющихся при сгорании заряда пороха, помещенного в гильзе. Обычная пуля для стрелкового оружия состоит из наружной полой оболочки, в которую вставлена примыкающая к ней своей поверхностью свинцовая рубашка. Свинцовая рубашка содержит внутри себя стальной сердечник из твердого материала. Пули, метаемые из нарезных стволов, обладают при движении по инерции на траектории, кроме поступательного момента перемещения, еще и вращательным гироскопическим моментом.
Обычный артиллерийский снаряд получает энергию движения за счет энергии давления пороховых газов в нарезном стволе орудия и на траектории движется по инерции. Обычный фугасный артиллерийский снаряд состоит из взрывателя, головной части, взрывчатого вещества, находящегося в полом корпусе, содержащем центрирующий и ведущий поясок, обеспечивающий при выстреле обтюрацию пороховых газов и вращательное движение снаряда в канале ствола, необходимое для его устойчивого движения на траектории.
Основным недостатком обычных пуль и снарядов является невозможность увеличения скорости движения на траектории в каждый момент времени из-за движения по инерции и увеличения дальности прямого выстрела и улучшения настильности траектории без затрат дополнительной энергии на увеличение скорости.
Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является увеличение скорости движения метаемых тел в виде пуль или снарядов при движении их на траектории в каждый момент времени, что приводит к увеличению дальности прямого выстрела и улучшению настильности траектории без затрат дополнительной энергии.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе движения оживального тела, метаемого давлением пороховых газов из нарезного ствола оружия, движущегося на траектории по инерции и обтекаемого наружным встречным потоком воздуха, наружный встречный поток воздуха направляют во внутрь тела в камеру предварительного сжатия и в сопло Лаваля, где для получения скорости потока меньше звуковой, осуществляют его дальнейшее сжатие и вращение в конфузоре, а увеличение скорости потока до звуковой осуществляют в критическом сечении, и после прохождения критического сечения, в потоке эжектирующего воздуха, создают разряжение расширением этого потока в диффузоре, чем осуществляют увеличение скорости потока до сверхзвуковой, причем часть наружного эжектируемого потока воздуха направляют в зону разряжения диффузора, смешивают его с внутренним эжектирующим потоком воздуха, увеличивая его перемещающую массу, чем создают реактивную тягу и ускоряют тело.
Устройство для осуществления предлагаемого способа движения представляет собой оживальное тело, состоящее из головной части, полого корпуса и кормы, в котором полый корпус выполнен в виде камеры предварительного сжатия и сопла Лаваля, состоящего из конфузора, снабженного лопастями при входе в критическое сечение, и диффузора, причем корма снабжена поддоном, а головная часть имеет обратный конус и соединена с полым корпусом тонкими перемычками в виде лопаток, расположенными по радиусу, с образованием ортогонального диаметрального кольцевого отверстия между головной частью и полым корпусом, пересекаемое наружными поверхностями перемычек, опирающихся на боковую поверхность обратного конуса, высота которого достигает начала критического сечения сопла Лаваля, причем лопасти соединены с внутренними стенками конфузора и боковой поверхностью обратного конуса при его вершине, а на наружной поверхности тела, по ортогональному диаметру оживальной кормы, выполнены отверстия, эжектируемые наружный воздух в зону разряжения диффузора и закрываемые поддоном вместе с выходным отверстием диффузора.
Кроме того, оси эжектируемых отверстий выполнены под острым углом к оси тела по направлению к торцу кормы.
Благодаря тому, что при движении тела встречный наружный поток воздуха, обтекающий оживальную головную часть тела, направляют во внутрь тела в камеру предварительного сжатия и в сопло Лаваля, где осуществляют его сжатие и вращение в конфузоре, скорость встречного потока внутри тела, из-за возникновения в нем ряда прямых и косых скачков уплотнения приводит к потере кинетической энергии, и уменьшается до дозвуковой. Процесс сжатия и удлинения пути прохождения при вращении потока воздуха способствует выходу сопла Лаваля на требуемый режим работы, когда поток воздуха при прохождении критического сечения увеличивает свою скорость движения от дозвуковой до звуковой, величина которой определяется давлением и температурой торможения в этом потоке.
После прохождения критического сечения сопла Лаваля поток начинает расширяться, поскольку давление в нем падает из-за расширяющихся стенок диффузора. По этой причине в этом месте диффузора в потоке возникает разряжение и скорость течения воздуха увеличивается до сверхзвуковой, возрастая до нескольких единиц числа Маха для правильно рассчитанной геометрии сопла Лаваля. В зону разряжения диффузора направляют часть наружного потока воздуха, обтекающего движущееся тело.
Поскольку во внутреннем потоке воздуха возникает разряжение, то такой поток получил название эжектирующего потока, а наружный поток воздуха, всасываемый в зону разряжения, эжектируемый. В диффузоре оба потока смешиваются, причем эжектируемый поток, увлекаемый эжектирующим, приобретает сверхзвуковую скорость и общая масса потоков увеличивается, что увеличивает суммарный момент количества движения общего потока. По третьему закону Ньютона в движущемся теле возникает реактивное тяговое усилие, приводящее к увеличению его скорости движения.
Благодаря тому, что энергия поступательного и вращательного движения тела тратится на уменьшение скорости потока до дозвуковой, а на выходе из тела реактивная тяга увеличивает скорость движения тела на траектории, то, в сущности, происходит физическая утилизация затраченной энергии инерции и возврат ее телу. Поскольку коэффициент полезного действия (КПД) оптимального воздушного эжектора при вращаемом потоке воздуха составляет около 80%, то в каждой точке траектории тело снижается чуть больше, чем на 20% по сравнению с идеальной траекторией в безвоздушном пространстве, по причине добавочного реактивного момента движения при сверхзвуковой скорости истечения суммарного потока воздуха.
Таким образом, решается поставленная задача и достигается технический результат изобретения по увеличению скорости движения метаемых тел в виде пуль и снарядов на траектории в каждый момент времени, что позволяет увеличить дальность прямого выстрела и улучшить настильность траектории без затрат дополнительной энергии.
Благодаря тому, что полый корпус выполнен в виде камеры предварительного сжатия, в камере происходит уменьшение интенсивности прямых и косых скачков уплотнения в потоке воздуха, предварительное сжатие и разогрев его с уменьшением скорости потока.
Выполнение полого корпуса в виде сопла Лаваля обеспечивает оптимальные параметры режима течения внутреннего потока воздуха для получения реактивной тяги. В конфузоре происходит окончательное сжатие и увеличение скорости потока воздуха до дозвуковой, причем введение в конфузор сопла Лаваля при входе в критическое сечение лопастей обеспечивает вращение сжатого потока воздуха и увеличение КПД сопла Лаваля за счет гироскопического момента тела.
В критическом сечении за счет сжатия в конфузоре происходит увеличение скорости потока воздуха до звуковой. В диффузоре сопла Лаваля поток воздуха достигает сверхзвуковой скорости и его конструкция обеспечивает создание реактивной тяги тела.
Выполнение головной части тела с обратным конусом служит для направления наружного потока воздуха в камеру предварительного сжатия и конфузор, лопасти которого соединены с внутренними стенками конфузора и боковой поверхностью обратного конуса при его вершине.
Головная часть тела соединена с полым корпусом тонкими перемычками в виде лопаток, расположенными по радиусу, опирающимися на боковую поверхность обратного конуса головной части и пересекающими кольцевое отверстие наружными поверхностями перемычек. Благодаря перемычкам в виде лопаток входящий во внутрь тела наружный встречный поток воздуха подвергается предварительной закрутке за счет гироскопического момента тела, что ведет к снижению интенсивности прямых и косых скачков уплотнения в потоке и способствует снижению скорости втекания потока в тело.
Опора перемычек на боковую поверхность обратного конуса и соединение их с полым корпусом тела увеличивает жесткость тонких перемычек и придает им значительный момент сопротивления при встрече тела с целью, т.е. способствует пробивной способности пули или снаряда.
Для смешения с эжектирующим и ускорения эжектируемого воздуха эжектирующим, с целью получения максимальной реактивной тяги, в зоне разряжения диффузора на наружной поверхности тела по ортогональному диаметру оживальной кормы выполнены отверстия расчетного диаметра под острым углом к оси тела по направлению к торцу кормы, чтобы действие потока эжектируемого воздуха на стенки отверстий не оказывало значительного тормозящего влияния на движение тела. Корма снабжена поддоном, закрывающим эжектируемые отверстия и выходное отверстие диффузора для обтюрации пороховых газов в канале ствола при выстреле.
Такой конструкцией решается поставленная задача и достигается технический результат изобретения по увеличению в каждый момент времени скорости движения оживального тела, метаемого из нарезных стволов оружия давлением пороховых газов, что позволяет увеличить дальность прямого и прицельного выстрела и улучшить настильность траектории без затрат дополнительной энергии.
Устройство для осуществления заявленного способа движения оживального тела в виде пули или снаряда иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид оживального тела в разрезе, на фиг.2 показан внешний вид тела в изометрической проекции с оживальнои головной частью.
Оживальное тело состоит из полого корпуса 1, оживальнои головной части 2, соединенными между собой тонкими перемычками 3 в виде лопаток, камеры предварительного сжатия 4, конфузора 5 с установленными в нем лопастями 6, критического сечения 7, отверстий 8 для входа эжектируемого наружного воздуха в диффузор 9, поддона 10, закрывающего эжектирующие и выходное отверстие диффузора. На фиг.1 указан острый угол α входа оси каждого эжектирующего отверстия к оси тела по направлению к торцу кормы. На фиг.2 показано диаметральное кольцевое отверстие 11 между головной частью и полым корпусом тела, которое на фиг.1 не видно.
Осуществление способа движения оживального тела, показанного на фиг.1 и фиг.2, метаемого из нарезного ствола оружия давлением пороховых газов, происходит следующим образом. Начальная скорость тела после вылета из ствола может быть как дозвуковой 300-320 м/сек, так и сверхзвуковой от 340 до 910 м/сек и выше. После выстрела поддон 10 набегающим потоком воздуха мгновенно сбрасывается с тела.
Встречный наружный воздух обтекает оживальную головную часть 2 тела и создает поток повышенной плотности вдоль оживальной поверхности обтекания, направляющей его через кольцевое отверстие 11 между перемычками 3 во внутрь тела. Этот поток воздуха из-за вращения тела со стороны перемычек 3 подвергается предварительному закручиванию.
Возникающие прямые и косые скачки уплотнения в потоке уменьшают свою интенсивность, поскольку происходит также сжатие этого потока при вхождении в полый корпус 1. Скорость потока воздуха уменьшается, температура повышается.
Под действием поступательного и вращательного напоров тела поток входит в камеру сжатия 4, в которой происходит дальнейшее сжатие, закручивание от лопаток, повышение температуры и уменьшение скорости в потоке. Продолжая свое движение, воздушный поток входит в конфузор 5, где продолжает сжиматься из-за сужения его стенок, закручиваться от лопастей 6, опирающихся на внутренние стенки конфузора 5 и на боковую поверхность при вершине обратного конуса. В конфузоре 5 поток воздуха окончательно уменьшает скорость движения до дозвуковой независимо от того, какая была скорость потока воздуха на входе в полый корпус тела: сверхзвуковой или дозвуковой. (Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика - М.: Наука, 1969, стр.411-413).
В критическом сечении 7 воздушный поток с параметрами давления, температурой торможения, скоростью и плотностью, приобретенными в конфузоре 5, ускоряется до скорости звука, поскольку давление в потоке в диффузоре 9 значительно меньше, чем в критическом сечении 7. Поэтому после прохождения критического сечения 7 поток воздуха начинает в диффузоре 9 расширяться, давление в потоке понижается ниже атмосферного, и поток начинает ускоряться из-за разности давлений в критическом сечении 7 и в расширяющемся потоке диффузора 9 до сверхзвуковой скорости. Таким образом, внутренний поток воздуха подвергается преобразованию в сверхзвуковой эжектирующий поток без существенных потерь и близок к идеальной адиабате.
В зону разряжения диффузора 9 поступает поток наружного воздуха через отверстия 8, оси которых направлены под острым углом к оси тела по направлению к торцу кормы. Через эти отверстия наружный воздух, эжектирующий внутренним потоком, эжектируется в зону разряжения (всасывается) диффузора 9.
Изобарический сверхзвуковой эжектирующий поток воздуха в диффузоре 9, смешиваясь с эжектируемым наружным атмосферным воздухом через отверстия 8, разгоняет его частицы до сверхзвуковой скорости путем одностороннего механического воздействия: подвода количества движения при соударении частиц эжектирующего к частицам эжектируемого воздуха. Следствием такого смешения является увеличение аддитивных секундных массовых расходов эжектирующего и эжектируемого воздуха при сверхзвуковой скорости их истечения из диффузора 9 (см. цитированный ранее учебник "Прикладная газовая динамика", стр.203).
Таким образом, реактивную тягу тела, движущегося на траектории без затраты дополнительной энергии, можно получить путем распределения энергии эжектирующего потока на большую массу при подмешивании наружного. Приведенный вывод носит качественный характер, количественные зависимости определяются расчетом сопла Лаваля по известным методикам (Абрамович А.Г. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1969).
Анализ процессов, происходящих при прохождении воздушных потоков в движущемся теле на траектории, позволяет сделать вывод, что реальное увеличение скорости движения метаемых оживальных тел из стволов оружия в виде пуль и снарядов на траектории без затрат дополнительной энергии возможно в 3,5 раза с применением типовой конфигурации сопла Лаваля. Скорость движения для малых калибров метаемых тел увеличивается в 5 раз при уточненных расчетах сопла Лаваля. Одновременно с увеличением скорости движения на траектории достигается увеличение дальности стрельбы, дальности прямого выстрела, пробивная способность метаемых тел и улучшение настильности траектории.