СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ СНАРЯДОВ РЕАКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЛПОВОГО ОГНЯ (РСЗО) В ПОЛЕТЕ, ОСНОВАННЫЙ НА СНИЖЕНИИ ВЛИЯНИЯ ФЛАТТЕРНЫХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD OF REDUCING PROBABILITY OF DESTRUCTION OF SHELLS OF JET VALLEY FIRE SYSTEM (JVFS) IN FLIGHT WHICH IS BASED ON REDUCTION OF IMPACT OF FLUTTER OSCILLATIONS

Изобретение относится к устройствам для гашения колебаний и относится к области специальной техники. Оно может быть использовано для технического оснащения военной техники, а также в качестве виброударозащитного устройства при эксплуатации снарядов РСЗО в экстремальных условиях полета по траектории при динамических внешних воздействиях.
Толстостенные и достаточно короткие по длине (несколько диаметров) снаряды ствольной артиллерии имеют значительный запас прочности и легко парируют внешние воздействия, возникающие при полете по траектории.
Существующие штатные снаряды РСЗО, в отличие от обычных артиллерийских боеприпасов, имеют более тонкие стенки и обладают значительной длиной. Длинный корпус их представляет собой, как правило, две-три трубы, технически соединенные между собой резьбой.
В настоящее время при проектировании снарядов, в том числе и снарядов РСЗО, тонкостенные элементы конструкции ракеты моделируются и рассчитываются не только на прочность и жесткость (обычно методами расчета по разрушающим нагрузкам или по разрушающим напряжениям), но и на устойчивость. Разработаны и опробованы методики расчета на прочность (приложение П.1) [1, 2, 6, 7]. Расчет стабилизации и устойчивости движения летательного аппарата различного назначения относится к третьей задаче внешней баллистики. Если ракета или снаряд неустойчивы в полете, то нельзя ожидать, что они правильно полетят в заданном направлении. Достаточно подробно разработаны методики оценки основных параметров состояния физических свойств воздуха (приложение П.2) и методики расчета параметров движения снаряда РСЗО на траектории, в том числе и на самом сложном участке - активном участке (приложение П.3.) [8, 9].
Однако проводимые расчеты не всегда могут гарантировать надежность конструкции снаряда РСЗО при стрельбе.
При стрельбе пакет направляющих боевой машины РСЗО совершает колебания, как по высоте, так и по направлению [1, 2]. Колебания данного пакета передаются и снаряду РСЗО после выстрела, а на активном участке траектории данные колебания усиливаются и могут достигать резонанса. Известны случаи разрушения корпусов снарядов различных типов РСЗО на активных участках траектории полета (фиг.1).
На длинный, состоящий из нескольких частей (труб), соединенных резьбой, тонкостенный снаряд РСЗО в полете (особенно на активном участке траектории) воздействует ряд взаимосвязанных факторов, вызывающих опасные колебания конструкции снаряда и его оси относительно траектории движения, и определяют наряду с другими факторами, в конечном итоге, случайный характер величины эллипса рассеивания РСЗО, что очевидно снижает эффективность применения РСЗО [1, 2, 3, 4].
Из динамических аэроупругих явлений, характеризующихся взаимодействием аэродинамических, упругих и инерционных сил и проявляющихся в виде опасных колебаний и вибраций конструкции снаряда РСЗО, можно выделить:
- явления колебания частей снаряда РСЗО, вызванные порывами ветра в турбулентной атмосфере;
- явление скручивания снаряда РСЗО;
- явление резонансного колебание снаряда РСЗО.
Система сил, действующих на ракету на активном участке траектории, показана на рис. П.1.1. При расчетах нагрузок, действующих на движущуюся ракету, применяют известный из механики принцип Даламбера, который позволяет использовать уравнения статики для движущегося тела. Суть принципа заключается в следующем. Движущееся тело можно рассматривать как находящееся в равновесии, если в число действующих на него сил включить фиктивные силы инерции. Фиктивность этих сил заключается в том, что они являются результатом ускоренного (замедленного) движения ракеты [4, 8].
Явления колебания частей снаряда РСЗО, вызванные порывами ветра в турбулентной атмосфере, имеют зачастую циклический характер и, как правило, возникают на пассивном участке траектории, когда снаряд РСЗО летит как свободно брошенное тело.
На активном участке резонансные явления могут привести к разрушению снаряда или к резкому возрастанию эллипса рассеивания снаряда РСЗО. Поэтому гашение колебаний снарядов РСЗО, возникающих в результате явлений скручивания и резонансного колебание снаряда РСЗО, являются наиболее важными. Для парирования данных колебаний (для повышения точности стрельбы) может быть использован способ снижения вероятности разрушения снарядов РСЗО в полете по траектории при динамических внешних воздействиях, основанный на снижении влияния флаттерных колебаний.
На фиг.2 и 3 показаны основные элементы снаряда РСЗО, основные внешние силы и моменты действующих на снаряд РСЗО на активном участке траектории и устройства, реализующие способ снижения влияния флаттерных колебаний (их гашения) на снаряд РСЗО в полете:
- корпус ракетной части (головная труба корпуса 1, соединенная резьбой с хвостовой трубой 2 и блоком стабилизаторов 3);
- взрыватель 4;
- тормозное кольцо 5;
- центрирующие утолщения 6 (как правило, два центрующих утолщения на головной трубе 1 и одно на хвостовой трубе 2);
- соединение (резьбовое) труб 7;
- центр тяжести снаряда 8;
- центр сопротивлений 9;
- деформация изгиба 10;
- поперечная деформация 11;
- продольная деформация 12;
- деформация кручения 13;
- устройство снижения (гашения) колебаний скручивания и изгиба снаряда РСЗО 15;
- устройство синхронизации вращения головной и хвостовой частей снаряда РСЗО в виде тормозного кольца с наклонными отверстиями 5а;
- устройство балансировки центра тяжести снаряда РСЗО при выгорании стартового двигателя в виде противофлаттерного подвижного балансира (груза) 15.
Явление скручивания снаряда
Все держали в руках скрученный ключ от квартиры. А причина - тугой замок и излишние усилия. На снаряд так же действуют скручивающие моменты, как в процессе его движения по направляющей РСЗО, так и на активном участке траектории.
Для создания устойчивости движения на полете снаряду РСЗО придается момент вращения еще в пакете направляющих. В резьбовое отверстие переднего конуса хвостового блока снаряда РСЗО ввинчен ведущий штифт, который служит для фиксации снаряда в направляющей БМ. При старте снаряда ведущий штифт скользит по спиральному пазу трубы направляющей, заставляя снаряд вращаться вокруг продольной оси.
При движении боеприпас колеблется, как по направлению, так и по высоте (по курсу и тангажу), и при этом на корпус снаряда воздействует момент скручивания [11, 12]. Ведущий штифт вращает снаряд по часовой стрелке, а центрирующие утолщения снаряда (на наружной поверхности головной трубы корпуса снаряда имеются два, а на хвостовой - одно центрирующие утолщения), которыми он опирается и центрируется в трубчатой направляющей пусковой установки, создают момент трения противоположного знака.
При выходе снаряда из направляющей лопасти стабилизатора под действием пружин раскрываются и обеспечивают вращение снаряда РСЗО на полете с целью придачи ему устойчивости на траектории. При этом головная часть длинного боеприпаса запаздывает с вращением из-за вязкости воздуха (из-за трения поверхности боеприпаса о воздух). Возникает момент скручивания боеприпаса. И чем больше расстояние от точки приложения момента вращения (от лопастей стабилизатора) до головной части снаряда, тем больше величина момента скручивания корпуса снаряда.
Момент скручивания боеприпаса будет приложен к середине боеприпаса, где, исходя из технологической необходимости изготовления длинных боеприпасов, размещено резьбовое соединение частей боеприпаса. Данный момент вызывает деформацию трубы в районе середины трубы (где находится резьбовое соединение). Деформированная резьба трубы снаряда не выдержит усилий нагрузки, и соединение головной и хвостовой частей снаряда РСЗО под действием сил разрушается.
В свою очередь, это вызывает изменение площади поперечного сечения в набегающем потоке и возрастания величины силы лобового сопротивления на головную часть при постоянной реактивной силе движения боеприпаса. Может произойти катастрофическое разрушение боеприпаса на изгибе по его середине.
Сручивание снаряда продолжается до окончания активного участка траектории (до полного сгорания порохового заряда), когда под действием силы тяги снаряд набирает скорость, а затем летит по траектории свободно брошенного тела.
Явление резонансного колебание снаряда
Снаряд РСЗО отличается от обычных артиллерийских боеприпасов более тонкими стенками и большей длиной. По конструкции корпуса снаряды РСЗО, очевидно, ближе к корпусам самолетов, которые подвержены воздействию своих характерных авиационных факторов. Среди которых, в частности, флаттер (от англ. flutter - трепыхаться, бить крыльями) - это сочетание изгибных и крутильных колебаний крыльев, оперения и др. элементов конструкции самолета.
Мстислав Всеволодович Келдыш (10.01.1911-24.06.1978) и его коллеги еще в 30-е годы достаточно подробно рассмотрели решение проблемы преодоления явления автоколебаний самолетных конструкций (флаттера), который приводил к разрушению самолетов. На самолетах того времени противофлаттерным средством служило сухое трение. В силу нестабильности характеристик сухого трения, с течением времени такие «естественные» демпферы отказывали и при длительной эксплуатации парка самолетов возникал флаттер. Соответствующие случаи впервые приведены в работах М.В.Келдыша, Е.П.Гроссмана, Н.И.Марина. На основании математических выкладок были сформулированы выводы и практические приемы, следование которым исключает возникновение флаттера во всем диапазоне скоростей полета. За эту работу М.В.Келдышу (совместно с Е.П.Гроссманом) в 1942 г. была присуждена первая Государственная премия (Сталинская премия 2-й степени). Спустя год М.В.Келдыш получил свой первый орден Трудового Красного Знамени.
В настоящее время достаточно хорошо исследованы условия возникновения флаттера. При этом механизм автоколебаний может быть различным (приложение П.4): при автоколебаниях, возникающих в полете на больших скоростях с малыми углами атаки (собственно флаттер); в полете на малых скоростях при углах атаки, близких к срывным (срывной флаттер); при неустойчивом обтекании на трансзвуковом режиме полета (buzz или «маховая тряска»); бафтинг (англ. buffeting - биение, соударение) - вибрация какой-либо части летательного аппарата (чаще всего - хвостового оперения); крутильно-элеронный флаттер; сервокомпенсаторный флаттер и т.д.
Обычно причиной флаттера обычно являются расположение центра масс позади центра жесткости и недостаточная жесткость конструкции крыла. Методы борьбы с различными вариантами флаттера с помощью различных устройств для летательных аппаратов достаточно широко известны [7, 8, 9]:
- противофлаттерные устройства, в основу работы которых положено явление сухого трения;
- установка на объекте дополнительных масс, так называемых противофлаттерных грузов (балансиров), для смещения центров масс сечений объекта в сторону центра жесткости (противофлаттерные грузы весовой или инерционной балансировки);
- рациональное повышение жесткости крыла (стрингеры, лонжероны, пластинчатые интерцепторы, поперечные балки, косынки и др.);
- противофлаттерные демпферы (поршневого или роторного типа), триммеры, пенопластовые заполнители и др.
В противофлаттерных поршневых или роторных гидравлические демпферах усилие сопротивления флаттеру создается за счет гидродинамического или вязкого сопротивления при перетекании рабочей жидкости между плоскостями демпфера. Например, амортизатор фирмы «Боге» и гидропневматический амортизатор подвески транспортного устройства (патент SU 1421550 A1). Недостатками данных устройств является наличие элементов, наполненных газом или жидкостью под давлением, поэтому особые требования предъявляются к материалам, из которых они изготовлены, и качеству герметизации полости.
Так как при полете на активном участке на снаряд РСЗО действует комплекс различных сил, вызывающих колебания снаряда и приводящих, в конечном итоге, к его разрушению, то предлагается использовать способ снижения вероятности разрушения снарядов РСЗО в полете, основанный на снижении влияния флаттерных колебаний (их гашения), реализуемый устройствами (фиг.3):
- устройством снижения (гашения) колебаний скручивания и изгиба снаряда РСЗО 15;
- устройством синхронизации вращения головной и хвостовой частей снаряда РСЗО в виде тормозного кольца с наклонными отверстиями 5а;
- устройством балансировки центра тяжести снаряда РСЗО при выгорании стартового двигателя, выполненное в виде противофлаттерного подвижного балансира (груза) 15.
Устройство снижения (гашения) колебаний скручивания и изгиба снаряда РСЗО
Снаряд РСЗО в процессе движения по направляющей РСЗО и на активном участке траектории совершает низкочастотные колебания большой амплитуды и высокочастотные колебания малой амплитуды.
Исходя из этого, целью устройства снижения (гашения) колебаний скручивания и изгиба снаряда РСЗО является расширение эксплуатационных возможностей устройств виброударозащиты, повышение их надежности путем обеспечения автоматизация процесса гашения колебаний и ударов в широком диапазоне частот за счет использования дискретных рабочих сред.
Наиболее близким к данному устройству по технической сущности является двухкаскадный амортизатор, содержащий резервуары, заполненные сыпучим материалом [14]. Недостатком амортизатора является постоянное наличие сухого трения между частицами среды и боковыми стенками резервуаров, которые не могут быть размещены на снаряде РСЗО.
Предлагаемое устройство снижения (гашения) колебаний скручивания и изгиба снаряда РСЗО может быть реализовано в виде (фиг.3):
- двух круглых полостных покрытий 14-2 («юбок»). Один край покрытия (например, верхнего покрытия) прикрепляются с помощью клеевого (или иного) соединения 14-5 к центрующему утолщению 6 головной трубы, а край другого (например, нижнего покрытия) к центрующему утолщению 6 хвостовой трубы. Внутри полостных покрытий размещаются дискретные рабочие среды 14-3, работающие на эффекте сухого трения, с разным коэффициентом сцепления, для снижения гашения высокочастотных и низкочастотных колебаний при деформациях изгиба, кручения, продольных и поперечных деформациях. С целью повышения эффективности и расширения диапазона гашения колебаний дискретные рабочие среды в полости могут иметь разную степень уплотнения. От высыпания в процессе движения дискретные рабочие среды 14-3 удерживаются в полостных покрытиях 14-2 («юбках») с помощью резиновых обтюраторов 14-3;
- поверх полостных покрытий крепится упругая сетка из эластичных стрингеров для амортизации 14-1. Сетка из эластичных стрингеров (пружин, тросов или торсионов и др.) выполнена в виде демпфирующих нагрузку треугольников «жесткости», по форме напоминающих сетку на сифоне или сетку Шуховской башни. Сетка крепится одним краем к центрующему утолщению 6 головной трубы, а другим - к центрующему утолщению 6 хвостовой трубы. Сетка демпфирует колебания корпуса снаряда, возвращает дискретные рабочие среды и полостные покрытия в исходное состояние, предохраняя полостные покрытия устройства и резьбовые соединения труб корпуса снаряда от разрушения.
Устройство работает следующим образом. При деформации снаряда РСЗО дискретная рабочая среда ведет себя упруго, обеспечивая демпфирование колебаний за счет диссипации энергии и выполняя функции плавающего поршня, а при обратном ходе (в результате пружинящего возвращения сетки в исходное положение), разуплотняется до исходного состояния, не допуская нарушения сплошности. В результате такой работы динамические нагрузки гасятся и демпфируются дискретной рабочей средой за счет диссипации энергии, происходящей в условиях сухого трения по границам зерен.
Необходимым и достаточным условием размеров устройства является высота центрующих утолщений снаряда РСЗО.
Устройство синхронизации вращения головной и хвостовой частей снаряда РСЗО
Устройство синхронизации вращения головной и хвостовой частей снаряда РСЗО выполнено в виде тормозного кольца 5а с отверстиями (фиг.3).
В данном кольце 5а отверстия выполнены под углом наклона, равным углу наклона крыльев блока стабилизатора. Такое кольцо как бы «докручивает» головную часть снаряда с той же угловой скоростью, что и хвостовую часть, которую раскручивают имеющие угол наклона крылья блока стабилизатора снаряда.
Для создания устройства могут быть использованы штатные элементы - надеваемые на головную часть боеприпаса малое или большое тормозные кольца с отверстиями, наклоненными под углами, равными углам атаки крыльев.
Устройство балансировки центра тяжести снаряда РСЗО при выгорании стартового двигателя
Резонанс колебаний снаряда РСЗО может возникать на активном участке траектории при раскрутке снаряда с помощью косопоставленного оперения или при изменении центра тяжести снаряда РСЗО при выгорании стартового двигателя. При этом угловая скорость движения вокруг продольной оси последовательно проходит значения от нулевого до некоторого установившегося и при этом может пройти через критическое. При этом возможно появление больших углов атаки, нарушение режимов обтекания снаряда воздухом (вплоть до потери им устойчивости).
Противофлаттерный балансир представляет собой груз, установленный и жестко закрепленный в носке крыла (стабилизатора, киля, руля, элерона) ракеты; иногда его размещают впереди несущей поверхности (выносные балансиры). Инерция балансира вызывает изменения собственно колебаний конструкции, что влечет за собой изменение действия аэродинамических сил при колебаниях летательного аппарата.
Малая строительная высота профиля снаряда РСЗО ограничена высотой центрующих утолщений снаряда РСЗО.
Наиболее широкое применение в качестве материалов для ведущих поясков снарядов РСЗО находят медь марок M1, M2 и М3, медно-никелевый сплав марки МН-95-5, железокерамика. Диаметр центрующих утолщений и диаметр ведущего пояска снаряда на 0,1-0,25 мм меньше диаметра трубы направляющей РСЗО.
Устройство компенсации изменения центра тяжести снаряда РСЗО при выгорании стартового двигателя представляет собой центрировочный груз 15 в виде круглой шайбы (физ.3).
Для обеспечения свободного заряжания и движения снаряда в трубе направляющей РСЗО диаметр центрировочного груза должен быть меньше диаметра центрующих утолщений и диаметра ведущего пояска снаряда и трубы направляющей РСЗО.
Исходное положение груза в точке, где располагается центр тяжести снаряда 8. При этом балансировка снаряда не нарушится. Набегающий воздушный поток будет сдвигать центрировочный груз от точки равновесия со скоростью выгорания массы данного двигателя. Груз перемещается (или линейно, или путем вращения) по поверхности снаряда от точки его равновесия к хвостовой части, как гирька на коромысле старинных весов безменного типа.
Устройство компенсации изменения центра тяжести снаряда РСЗО при выгорании стартового двигателя позволяет компенсировать резонансные колебания снаряда РСЗО, которые могут возникнуть на активном участке его траектории.
Таким образом, использование данного способа, реализуемого устройством снижения (гашения) колебаний скручивания и изгиба снаряда РСЗО, устройством синхронизации вращения головной и хвостовой частей снаряда РСЗО и устройством балансировки центра тяжести снаряда РСЗО, позволяет снизить (погасить, хотя бы частично) колебания снаряда на активном участке траектории и уменьшить вероятности разрушения снарядов РСЗО в полете, а также повысить точность стрельбы (уменьшить эллипс рассеивания).
Литература
1. Богомолов А.И., Макагонов Н.И. Испытания ракетно-артиллерийского вооружения. Учебное пособие. - Пенза: ПАИИ, 2004, - 94 с.
2. Богомолов А.И. Основания устройства и расчет реактивных систем. Учебник. - Пенза: ПАИИ, 2003, - 320 с.
3. Богомолов А.И. Устойчивость систем ракетно-артиллерийского вооружения. Учебное пособие. - Пенза: ПАИИ, 2001, - 130 с.
4. Динамика гетерогенных структур в 3 т. T.I. Эволюция ракетно космических гетерогенных структур / Смогунов В.В., Степанов М.И., Решилов В.П., Климинов П.П., Кузнецова О.В., Соловьева Е.В., Вдовикина О.А., Ноздрачев А.В., Нургалиев Е.З. Под ред. Степанова М.И., Смогунова В.В. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2001, - 311 с.
5. Динамика гетерогенных структур. Фундаментальные модели. Кинематика, статика, динамика. Том 2. Смогунов В.В., Климинов И.П., Вдовикина О.А., Карасев Н.Я. / Под редакцией В.В.Смогунова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002, - 598 с.
6. Проектирование средств поражения и боеприпасов: Расчет на прочность: учеб. пособие / С.В.Партала, В.И.Алчинов. - Пенза: ПАИИ, 2007, - 106 с.
7. Динамическое моделирование функционирования бронебойных подкалиберных снарядов при стрельбе из ствольных систем / А.И.Сидоров, А.А.Ганин, А.А.Платонов, С.М.Марков; под ред. А.И.Сидорова, - Пенза: ПАИИ, 2007, - 336 с.
8. Баллистика: Учебник / С.В.Беневольский, В.В.Бурлов, В.П.Казаковцев и др. - Пенза: ПАИИ, 2005, - 568 с.
9. История и самолеты ОКБ МиГ / ООО «России», АНПК «МиГ», 1999, CD-ROM.
10. Антоненко Э.В. Основы теории движения летательных аппаратов. - Саратов: ГУ им.Чернышевского, 1990, - 64 с.
11. Баранов Н.И., Нуштаев П.Д., Нуштаев Е.П. Флаттер органов управления самолетов и ракет, aviabooks.narod.ru/flrvv.htm.
12. Богомолов А.И., Пархоменко В.А., Косарев И.Л., Чебыкин А.Ю., Устинов Е.М. Способ автоматизированного измерения колебаний пакета направляющих и управления огнем РСЗО. - ФИПС. Патент на изобретение №2291370 от 10.01.07 по заявке №2005109448 от 1.04.2005. Опубл. 10.01.07. Бюл. №1.
13. Богомолов А.И., Пархоменко В.А., Курочкин A.M., Рыбаков А.А., Устинов Е.М. Устройство измерения колебаний пакета направляющих РСЗО от заданного положения - ФИПС. Патент на изобретение №2296936 от 10.04.07 по заявке №2005114836 от 16.05.2005. Опубл. 10.04.07. Бюл. №10. - 5 с.
14. А.с. СССР №1783193, кл. F16F, 1992.