АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР РЕАКТИВНОГО СНАРЯДА ЗАЛПОВОГО ОГНЯ
AERODYNAMICAL STABILISER OF VOLLEY FIRE MISSILE

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к реактивным снарядам систем залпового огня.
Объект изобретения представляет собой аэродинамический стабилизатор к реактивному снаряду системы залпового огня повышенной дальности и кучности стрельбы.
Реактивные системы залпового огня нашли широкое применение для борьбы со многими площадными и крупноразмерными наземными целями. В их состав входят реактивные снаряды различного назначения. Стабилизация таких снарядов на траектории осуществляется с помощью аэродинамических стабилизаторов. Так известны реактивные снаряды М8 и М13, обеспечивающие поражение площадных и крупноразмерных целей (смотри, например, Куров В.Д., Должанский Ю.М. Основы проектирования пороховых ракетных снарядов. - М.: Оборонгиз, 1961, с.11), принятые за аналоги. В их конструкции используются стабилизаторы, содержащие прочно скрепленные с корпусом (обтекателем) лопасти.
Задачей данного технического решения являлось обеспечение устойчивого полета реактивных снарядов. Однако наличие прочно скрепленного (не раскрывающегося) оперения не позволяет разместить на пусковой установке большое количество снарядов, что снижает эффективность применения системы.
Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией аэродинамического стабилизатора реактивного снаряда залпового огня является наличие в составе аналогов стабилизатора, содержащего обтекатель и лопасти.
Опыт проектирования и эксплуатации реактивных систем залпового огня показал, что наиболее рациональным компоновочным решением является размещение и запуск реактивных снарядов из трубчатых направляющих. В этом случае на одной транспортной единице (боевой машине) удается разместить наибольшее количество реактивных снарядов. Запуск реактивного снаряда из трубчатой направляющей требует применения на нем стабилизатора с подвижными лопастями. Лопасти такого стабилизатора находятся в сложенном положении перед запуском и в процессе движения по направляющей, а после выхода из направляющей раскрываются.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому эффекту к изобретению является стабилизатор реактивного снаряда системы залпового огня «Смерч» (журнал "Military Parade", М., АО «Милитэри Перейд», may-june 1994, р.22-27 /120-121/) с механизмом фиксации лопастей в раскрытом положении (патент №2313761), принятый авторами за прототип. Он содержит обтекатель с клиновидными пазами, в котором на осях закреплены складывающиеся лопасти. Эти стабилизаторы нашли применение в реактивных снарядах (в первую очередь залпового огня) последних поколений.
Стабилизатор, принятый за прототип, функционирует следующим образом. Перед запуском реактивного снаряда лопасти стабилизатора находятся в сложенном состоянии. После запуска в течение некоторого времени, пока снаряд движется по направляющей, лопасти стабилизатора продолжают находиться в сложенном состоянии. После схода с направляющей лопасти, например, под действием пружин, поворачиваются на осях и фиксируются в пазах обтекателя. В процессе полета лопасть должна быть надежно зафиксирована в обтекателе и обеспечивать устойчивое движение снаряда по траектории. В процессе движения по траектории вращающегося снаряда, лопасти стабилизатора испытывают знакопеременные аэродинамические, инерционные и вибрационные нагрузки, которые через обтекатель передаются на корпус снаряда. При нерегламентированной толщине лопасти и обтекателя, возникающие знакопеременные нагрузки могут привести к существенному увеличению амплитуды колебаний как самих лопастей стабилизатора, так и всего снаряда в целом, что отрицательно сказывается на прочностных характеристиках конструкции и устойчивости движения на траектории. Кроме того, лопасти стабилизатора в условиях полета со сверхзвуковыми скоростями подвержены интенсивному аэродинамическому нагреву, в результате которого они могут изменять свой профиль (коробиться). Совокупность этих явлений может привести к снижению дальности и кучности стрельбы, а в ряде случаев к разрушению снаряда на траектории.
Задачами технических решений, реализованных при разработке стабилизатора, принятого авторами за прототип, являлось повышение боевой эффективности системы за счет размещения на боевой машине наибольшего количества реактивных снарядов залпового огня и увеличение дальности и точности стрельбы за счет обеспечения надежной фиксации лопастей в пазах обтекателя.
Общими признаками между предлагаемым аэродинамическим стабилизатором реактивного снаряда залпового огня и аэродинамическим стабилизатором прототипа являются наличие обтекателя с фиксирующими пазами и размещенных на осях складывающихся лопастей.
В отличие от прототипа оболочка обтекателя аэродинамического стабилизатора выполнена в зоне расположения фиксирующих пазов с локальным утолщением в 0,8-1,2 толщины лопасти в корневом сечении. Площадь контакта каждой лопасти с обтекателем составляет 0,25-0,35 площади корневого сечения лопасти, а толщина концевой части лопасти в миллиметрах составляет , где
max
M - максимальное полетное число Маха;
, Гц - частота собственных изгибных колебаний лопасти при максимальном аэродинамическом нагреве.
Это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существующих признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.
Задачей предлагаемого изобретения является создание аэродинамического стабилизатора реактивного снаряда залпового огня, обеспечивающего по сравнению с прототипом устойчивое движение реактивного снаряда на всей траектории и во всех режимах функционирования за счет снижения амплитуды изгибных колебаний лопастей и сохранения их профиля в полете, что способствует увеличению дальности и уменьшению рассеивания.
Указанный технический результат достигается тем, что в аэродинамическом стабилизаторе, содержащем обтекатель с фиксирующими пазами, оси и складывающиеся лопасти, согласно изобретению оболочка обтекателя выполнена в зоне расположения фиксирующих пазов с локальным утолщением в 0,8-1,2 толщины лопасти в корневом сечении, площадь контакта каждой лопасти с обтекателем составляет 0,25-0,35 площади корневого сечения лопасти, а толщина концевой части лопасти в миллиметрах составляет .
Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между деталями аэродинамического стабилизатора, позволяют, в частности, за счет выполнения:
- площади контакта каждой лопасти с обтекателем, составляющей 0,25-0,35 площади корневого сечения лопасти, обеспечить отток тепла от нагретой за счет аэродинамического прогрева пластины лопасти к обтекателю, тем самым обеспечив равномерный прогрев лопастей и обтекателя. Равномерный прогрев лопастей и обтекателя позволяет избежать изменения формы лопасти под действием температурных деформаций. Кроме того, обеспечение площади контакта ушек лопастей с обтекателем, равной 0,25-0,35 площади корневого сечения лопасти, позволяет снизить амплитуду изгибных колебаний лопасти. При площади контакта лопасти с обтекателем менее 0,25 площади корневого сечения лопасти возможно возникновение температурных деформаций в зоне контакта лопасти с обтекателем, приводящих к вытеснению лопасти из фиксирующего паза, в результате чего может произойти частичная или полная расфиксация лопасти. Частичная расфиксация лопасти ведет к возникновению люфта лопасти в обтекателе, что способствует увеличению амплитуды изгибных колебаний лопасти, снижению дальности и увеличению рассеивания. Полная расфиксация лопасти приводит к ее флюгированию (когда лопасть самопроизвольно складывается и раскладывается под действием знакопеременных аэродинамических сил), в результате чего возникает асимметрия аэродинамических сил, уводящая снаряд с траектории, существенно увеличиваются углы атаки и лобовое сопротивление, ведущие к уменьшению дальности и увеличению рассеивания. При площади контакта лопасти с обтекателем более 0,35 площади корневого сечения лопасти вышеописанные эффекты не возникают, но при этом увеличивается масса конструкции, что также ведет к уменьшению дальности;
- оболочки обтекателя в зоне расположения фиксирующих пазов с локальным утолщением в 0,8-1,2 толщины лопасти в корневом сечении повысить интенсивность теплообмена между лопастью и обтекателем и исключить изменение формы фиксирующих пазов в обтекателе в результате температурных деформаций без существенного увеличения массы конструкции. Поверхность контакта каждого из ушек лопасти с обтекателем имеет прямоугольную форму, площадь которой определяется шириной ушка лопасти и толщиной обтекателя в месте контакта. Увеличение ширины ушка лопасти, определенной из условий прочности конструкции, является нецелесообразным, так как ведет к существенному увеличению массы конструкции стабилизатора и следовательно к снижению дальности. Таким образом, для обеспечения необходимой площади контакта ушек лопасти с обтекателем, равной 0,25-0,35 площади корневого сечения лопасти, необходимо выполнение обтекателя толщиной 0,8-1,2 толщины лопасти в корневом сечении. Однако это условие распространяется только на поверхность обтекателя в зоне контакта с лопастью, в связи с чем наиболее рационально выполнение обтекателя переменной толщины с локальными утолщениями в зонах контакта с лопастями. Утолщение обтекателя менее чем на 0,8 толщины лопасти в корневом сечении не обеспечит необходимого теплообмена между лопастью и обтекателем, а утолщение более 1,2 толщины лопасти в корневом сечении приведет только к утяжелению конструкции;
- толщины концевой части лопасти, составляющей  миллиметров обеспечить отсутствие вибрации концевой части лопасти, приводящей к потере ее несущих свойств. При малой толщине лопасти, меньшей  миллиметров, как показывают эксперименты, возникают автоколебания концевой части лопасти при движении со сверхзвуковыми скоростями, что ведет к потере несущих свойств и потере устойчивости. Этот эффект наиболее сильно проявляется при больших скоростях полета (которые характеризует соответствующее максимальной скорости число Маха) и больших частотах собственных изгибных колебаний лопасти в фиксирующих пазах. При этом в качестве критерия целесообразно использовать частоту собственных изгибных колебаний лопасти при максимальном аэродинамическом нагреве , так как в полете под действием аэродинамического нагрева температура лопасти может достигать 400-500°C, что оказывает влияние на механические характеристики материала и следовательно на частоту собственных изгибных колебаний. При толщине концевой части лопасти более  миллиметров происходит чрезмерное увеличение массы лопасти и ее лобового сопротивления, что ведет к снижению дальности стрельбы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид стабилизатора с лопастью, зафиксированной в обтекателе, на фиг.2 - фиксирующий паз на обтекателе в месте локального утолщения обтекателя, а на фиг.3 - поперечное сечение лопасти в месте контакта с обтекателем.
Аэродинамический стабилизатор состоит из обтекателя 1, фиксирующих пазов на обтекателе 2, осей 3 и раскрывающихся лопастей. Лопасть представляет собой аэродинамическую поверхность 4, обеспечивающую создание подъемной силы, и ушко 5, обеспечивающее крепление лопасти на оси 3.
Обтекатель 1 выполнен с локальными утолщениями (a) в зоне расположения фиксирующих пазов 2, равными 0,8-1,2 толщины лопасти в корневом сечении (b), позволяющими обеспечить площадь контакта ушек лопасти 5 с обтекателем 1 по поверхности, ограниченной шириной ушек лопасти (c), и толщиной обтекателя в месте локального утолщения (a), равной 0,25-0,35 площади корневого сечения лопасти. Аэродинамическая поверхность лопасти 4 имеет толщину в концевой части (d), равную  миллиметров.
Предлагаемый аэродинамический стабилизатор работает следующим образом.
При движении снаряда по трубчатой направляющей лопасти 4 находятся в уложенном вокруг обтекателя 1 положении. При выходе стабилизатора из направляющей происходит раскрытие лопастей 4 и их фиксация в фиксирующих пазах обтекателя 2. В процессе полета на лопасти стабилизатора действуют знакопеременные аэродинамические инерционные, вибрационные и тепловые нагрузки, которые через обтекатель (1) передаются на корпус снаряда. Благодаря выполнению обтекателя с локальными утолщениями (a) в зоне расположения фиксирующих пазов (2) и обеспечению площади контакта каждой лопасти с обтекателем, равной 0,25-0,35 площади корневого сечения лопасти (4), происходит интенсивный теплообмен между лопастями и обтекателем, исключающий изменение формы лопастей и фиксирующих пазов в обтекателе в результате температурных деформаций. Движение снаряда происходит устойчиво с малой амплитудой изгибных колебаний лопасти. Толщина (d) концевой части аэродинамической поверхности лопасти (4), равная  миллиметров, обеспечивает отсутствие вибраций лопасти и обеспечение ее максимальных несущих свойств. Указанные обстоятельства обеспечивают устойчивое движение снаряда по траектории и достижение наибольшей дальности полета.
Указанный положительный эффект подтвержден летно-конструкторскими испытаниями образцов реактивных снарядов залпового огня, оснащенных аэродинамическими стабилизаторами, выполненными в соответствии с предлагаемым изобретением.
В настоящее время ведется разработка рабочей конструкторской документации, намечено серийное производство стабилизатора предлагаемой конструкции.