Артиллерийский снаряд с запоясковым конусом
ARTILLERY SHELL WITH CONDENSED CONE

Изобретение относится к боеприпасам, а именно к осколочно-фугасным снарядам, и может быть использовано в военном деле.
Известен артиллерийский осколочно-фугасный снаряд 3ОФ45М-1 (фиг. 1), содержащий корпус 1 с переходной втулкой 2 и ведущим пояском 3, запоясковый конус 4, снаряжение в виде разрывного заряда 5, картонных прокладок 6 и шашки дополнительного заряда 7. Картонные прокладки 6, размещенные между разрывным 5 и дополнительным 7 зарядами, предназначены для поджатая разрывного заряда. Артиллерийский снаряд укомплектован взрывателем 8 (см. с. 228-229 [1]; с. 22-24, 26-28 [2]).
С развитием артиллерии увеличивались требования к тактико-техническим характеристикам выстрелов и снарядов. Одним из требований, предъявляемых к артиллерии и боеприпасам к ней, было и остается - это увеличение дальности стрельбы, которая расширяет круг задач, решаемых артиллерией, и уменьшает вероятность ее поражения при контрбатарейной стрельбе. Наличие у снаряда 3ОФ45М-1 удлиненного запояскового конуса 4 (см. фиг. 1) уменьшает его донное сопротивление в полете и увеличивает дальность стрельбы. Другим известным артиллерийским осколочно-фугасным снарядом является снаряд 3ОФ61 (см. с. 229-230 [1]; с. 25 [2]). У снаряда 3ОФ61, в отличие от снаряда 3ОФ45М-1, в объеме запояскового конуса расположен пороховой генератор [2]. Наличие порохового газогенератора обеспечивает значительное уменьшение донного сопротивления (исключает донный подсос), что приводит к увеличению дальности полета снаряда. Известно, что при движении снаряда в воздухе вследствие торможения частиц пограничного слоя трением нарушается плавное обтекание поверхности снаряда, возникает отрыв пограничного слоя от поверхности снаряда, сопровождающийся вихреобразованием. Отрыв пограничного слоя происходит обычно в запоясковой части снаряда или за его донным срезом. При этом за донным срезом снаряда образуется область пониженного давления, в которую с поверхности снаряда срываются крупные воздушные вихри, образующие вихревой, так называемый, аэродинамический след за дном снаряда.
Указанные снаряды являются прототипами предлагаемого и имеют следующие основные недостатки:
- у снаряда 3ОФ45М-1 хотя и уменьшается донное сопротивление, но не в достаточной степени;
- у снаряда 3ОФ61 пороховой газогенератор обеспечивает значительное уменьшение донного сопротивления, но он работает определенное время, т.е. не на всей траектории полета и является узлом, усложняющим конструкцию снаряда.
Наиболее близким к заявляемому снаряду является осколочно-фугасный снаряд 3ОФ45М-1.
Предлагается конструктивными изменениями запояскового конуса снаряда решить задачу повышения дальности полета снаряда за счет существенного снижения донного сопротивления без значительных материальных затрат.
Указанная цель достигается тем, что в известном осколочно-фугасном снаряде, содержащем корпус 1 с переходной втулкой 2 и ведущим пояском 3, запоясковый конус 4, снаряжение в виде разрывного заряда 5, картонных прокладок 6 и шашки дополнительного заряда 7, и приведенным в окончательное снаряжение взрывателем 8, в запоясковом конусе выполнены сквозные отверстия наклонно к продольной оси корпуса под углом γ=34°-α (фиг. 2). Угол в 34° получен из условия исключения перекрытия площадей входа и выхода наклонного отверстия (определен при α=0, как для предельного случая, где α - угол при переходе цилиндрической запоясковой части в коническую).
0
0
Эффективно, если суммарная площадь наклонных отверстий по поперечному сечению превышает площадь поперечного сечения внутренней поверхности запояскового конуса по нижнему срезу, т.е. количество отверстий  (см. фиг. 2). Диаметр наклонного отверстия d определяется из условия не перекрытия площадей его входа и выхода в плоскости, проходящей через образующую запояскового конуса. При этих условиях диаметр отверстия зависит от толщины стенки запояскового конуса и угла его наклона к продольной оси корпуса снаряда, т.е. d=h cos γ, где h - толщина стенки запояскового конуса.
На фиг. 1 изображен осколочно-фугасный снаряд 3ОФ45М-1; на фиг. 2 - предлагаемый артиллерийский снаряд с запоясковым конусом.
Принцип работы заявленного артиллерийского снаряда с запоясковым конусом повышенной дальности стрельбы за счет существенного снижения донного сопротивления воздуха заключается в следующем.
В полете артиллерийский снаряд совершает поступательное и вращательное движение. Центр масс снаряда описывает в пространстве траекторию, снаряд вращается вокруг своей оси, а ось снаряда совершает сложное колебательное движение вокруг касательной к траектории.
в
На снаряд со стороны воздуха будет действовать сила сопротивления воздуха R, направленная в сторону, обратную движению. Кроме силы сопротивления воздуха на снаряд будет действовать сила тяжести mg, где m - масса снаряда, a g - ускорение свободного падения.
Уравнение поступательного движения снаряда имеет вид
где V - скорость движения снаряда;
t - время;
Θ - угол наклона касательной к траектории.
в
Силу сопротивления воздуха R можно определить по зависимости
х
где С - аэродинамический коэффициент продольной силы сопротивления;
м
S - площадь миделя снаряда;
ρ - плотность воздуха.
Поскольку плотность воздуха меняется с высотой, а скорость движения снаряда также является переменной величиной, то решить задачу по определению параметров полета снаряда в аналитическом виде не представляется возможным. Поэтому в первом приближении выражение для силы сопротивления воздуха можно получить в общем виде, рассмотрев сущность физических процессов, протекающих при движении снаряда в воздухе.
а
Известно, что большую часть траектории полета снаряд движется со сверхзвуковой скоростью , т.е. впереди снаряда находится узкая зона с резким, но непрерывным изменением параметров потока воздуха, которую называют скачком уплотнения или ударной волной [3], где  - скорость звука в воздухе; М - число Маха.
волн
На образование ударных волн и их перемещение вместе со снарядом затрачивается кинетическая энергия движения снаряда. Это является причиной возникновения при М>1 волнового сопротивления. Сила волнового сопротивления R по своей природе относится к силам давления. Другие источники сопротивления движению при сверхзвуковой скорости полета снаряда по своей физической сущности остаются такими же, как и при дозвуковой скорости.
Таким образом, при М>1 полное сопротивление движению снаряда в воздухе складывается из трех источников [3]:
тp
- сопротивления трения R;
дн
- сопротивления донного подсоса R;
волн
- волнового сопротивления R.
Местные скачки уплотнения могут появляться и при дозвуковой скорости. Это будет при скорости обтекания снаряда, близкой к скорости звука, когда на отдельных участках обтекаемого снаряда значения местных скоростей потока становятся равными или большими местной скорости звука.
кр
Число М набегающего потока, при котором в некоторой точке обтекаемого снаряда значение местной скорости потока становится равным местной скорости звука, называется критическим (М).
кр
Явление резкого изменения характера обтекания снаряда при околозвуковых скоростях (когда М<М<1), связанное с появлением на поверхности снаряда скачков уплотнения, называется волновым кризисом.
кр
Для артиллерийских снарядов и мин М=0,75-0,90. Источники сопротивления движению снаряда в воздухе при околозвуковых скоростях те же, что и при М>1.
Волновое сопротивление является основным источником сопротивления движению снарядов при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета и составляет 50% и более от аэродинамической силы сопротивления воздуха. Основными направлениями уменьшения волнового сопротивления является увеличение относительной длины головной части, т.е. длины головной части, выраженной в калибрах - , и уменьшение притупления головной части.
Расчет аэродинамического коэффициента сопротивления трения снаряда при М>1 производится по формуле [3]:
где
тр
S - площади трения снаряда о воздух;
- число Рейнольдса;
L - длина снаряда с взрывателем;
μ - динамический коэффициент вязкости (в частности для воздуха при Т=288 K );
ЛПС - ламинарный пограничный слой;
СПС - смешанный пограничный слой;
ТПС - турбулентный пограничный слой.
Расчет аэродинамического коэффициента донного сопротивления производится по формуле:
где
- показатель адиабаты.
Волновое сопротивление  для головных частей, выполненных по радиусу (оживальных), по параболе, или по степенному закону определяется по зависимости
х
Прежде чем определить величину аэродинамического коэффициента продольной силы сопротивления С по рассмотренной методике с небольшой погрешностью можно допустить, что площади трения по внешней поверхности запояскового конуса 4 для штатного (см. фиг. 1) и предлагаемого (см. фиг. 2) снарядов одинаковы по величине.
При движении газового потока (воздуха) вдоль образующей запояскового конуса 4 (см. фиг. 2) через отверстия воздух затекает во внутренний объем конуса и выходит из него через донную часть с давлением примерно равным на его поверхности, исключая тем самым донный подсос, что и дает положительный эффект.
Пример расчета аэродинамического сопротивления при М>1
а
дн
тp
м
дн
2
2
2
3
I. Для снаряда 3ОФ45М-1: V=500 м/с; =340 м/с; М=1,47; d=0,152 м; d=0,112 м; L=0,870 м (с взрывателем); =0,428 м (с взрывателем) - головная часть оживальная; =0,296 м (длина цилиндрической части снаряда); =0,146 м (длина запояскового конуса); S=0,253 м; S=0,018 м; S=0,00985 м; ρ=0,82 кг/м; .
х
Определяем аэродинамический коэффициент продольной силы сопротивления С.
1. Определяем .
1.1. Рассчитываем число Рейнольдса.
- смешанный пограничный слой.
ƒ
1.2. Рассчитываем величину C.
1.3. Рассчитываем аэродинамический коэффициент .
.
2. Определяем  при М=1,47 по зависимости (5).
р
2.1. С=-0,3.
2.2. Рассчитываем аэродинамический коэффициент донного сопротивления.
х волн
3. Определяем С.
Так как головная часть оживальная, то , и, используя уравнение (6), получим
x
4. Определяем С.
.
хдн
х волн
хтр
х
Из анализа полученного результата следует, что главным источником сопротивления движению снаряда при М>1 является донное сопротивление, на долю С приходится 48%, тогда как волновое сопротивление С составляет 41%, а сопротивление С равно 11% от суммарного значения С.
дн
II. Для предлагаемого снаряда с запоясковым конусом, имеющим наклонные к продольной оси корпуса отверстия, конструктивные характеристики те же, что и для снаряда 3ОФ45М-1. Учитывая затекание воздуха во внутреннюю полость конуса и выход его через донную часть, чем исключается донный подсос, площадь , т.к. d=0 (только полный конус исключает донный подсос).
Тогда
х
хтр
х волн
С=С+С=0,037+0,138=0,175.
Таким образом, окончательно можно заключить, что предлагаемая конструкция артиллерийского снаряда позволяет в 1,94 раза уменьшить аэродинамический коэффициент продольной силы сопротивления воздуха, что дает положительный эффект, заключающийся в увеличении дальности стрельбы.
Источники информации
1. Физические основы устройства ракетно-артиллерийского вооружения. Боеприпасы: учеб. для вузов. В 3 ч. Ч. 1. Общие принципы построения и конструкция артиллерийских боеприпасов / И.И. Грачев, А.А. Котосов, А.А. Плющ; под общ. ред. А.А. Плюща. - Пенза: ПАИИ, 2015. - 507 с.
2. Каталог продукции Государственного предприятия «Научно-исследовательский машиностроительный институт «Выстрелы танковых, противотанковых пушек, полевой и морской артиллерии». - 57 с.
3. Быстрицкий Ю.К., Искоркин Д.В., Шавра С.Б. Внешняя баллистика и теория стрельбы комплексов РАВ. Ч. 1. Основы внешней баллистики и аэродинамики снарядов (ракет). Учебное пособие. - Пенза: ПАИИ, 2004. - 195 с.