ВРАЩАЮЩИЙСЯ РЕАКТИВНЫЙ СНАРЯД
ROTARY JET PROJECTILE

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к вращающимся реактивным снарядам систем залпового огня.
Объект изобретения представляет собой вращающийся реактивный снаряд повышенной боевой эффективности, надежности функционирования.
Известны реактивные снаряды М8, М13, обеспечивающие поражение площадных и крупноразмерных целей (Куров В.Д., Должанский Ю.М. Основы проектирования пороховых ракетных снарядов. - М.: Оборонгиз, 1961, с.11), содержащие головную часть, реактивный двигатель, стабилизатор. В их конструкции используются стабилизаторы, содержащие лопасти, прочно скрепленные с корпусом реактивного двигателя.
Задачей данного технического решения являлось обеспечение устойчивого полета реактивных снарядов. Однако наличие прочно скрепленного (нераскрывающегося) стабилизатора не позволяет разместить на пусковой установке большое количество снарядов, что снижает эффективность применения реактивной системы.
Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией реактивного снаряда является наличие в составе снарядов-аналогов головной части, реактивного двигателя, стабилизатора с лопастями.
Опыт проектирования и эксплуатации реактивных систем залпового огня показал, что наиболее рациональным компоновочным решением является размещение реактивных снарядов перед пуском и запуск их из трубчатых направляющих.
В этом случае на одной боевой машине удается разместить наибольшее количество реактивных снарядов. Лопасти стабилизатора находятся в сложенном положении перед пуском, а после выхода из направляющей раскрываются.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому эффекту к изобретению является реактивный снаряд системы залпового огня М-210Ф (см. Боевая машина БМ-21. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: Военное издательство МО СССР, 1977, с.74-75), принятый авторами за прототип. Он содержит головную часть, реактивный двигатель с соплом, стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями.
Лопасти в раскрытом состоянии устанавливаются под определенным углом к продольной оси корпуса, благодаря чему обеспечивается вращение снаряда в полете. Вращение придается снаряду для повышения точности, а при залповой стрельбе и улучшения кучности.
Для каждого типа снаряда существует допустимый диапазон изменения угловой скорости вращения исходя из условий нормального функционирования, прочности и полета с минимальными углами атаки.
Верхняя граница обусловлена частотой изгибных колебаний снаряда, а нижняя - частотой собственных колебаний снаряда как твердого тела.
Диапазон изменения скорости вращения для реактивных снарядов, идентичных прототипу, тем больше, чем больше скорость полета в конце АУТ. Поэтому для указанной конструкции снаряда существуют ограничения по максимальной скорости полета, а следовательно, по увеличению максимальной дальности стрельбы.
Задачей указанного технического решения (прототипа) являлось размещение на боевой машине наибольшего количества реактивных снарядов залпового огня при обеспечении их устойчивого полета.
Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией вращающегося реактивного снаряда является наличие в прототипе головной части, реактивного двигателя с соплом, стабилизатора с раскрывающимися дугообразными лопастями.
В отличие от прототипа в предлагаемом вращающемся реактивном снаряде лопасти стабилизатора изолированы от корпуса реактивного двигателя с помощью тонкостенного цилиндра с наружным диаметром 0,80…0,95 калибра снаряда, длиной, превышающей бортовую хорду лопастей, и толщиной 0,01…0,03 его наружного диаметра, закрепленного над кольцевым углублением, образованным наружной поверхностью сопла реактивного двигателя, в тонкостенном цилиндре со стороны вогнутых поверхностей лопастей выполнены сквозные отверстия в количестве не менее двух вдоль бортовой хорды каждой лопасти, при этом ближнее к передней кромке лопасти отверстие выполнено от нее на расстоянии не более 0,3 длины бортовой хорды лопасти, задние кромки лопастей стабилизатора в районе бортовой хорды смещены от донного среза реактивного двигателя в сторону головной части на величину 0,25…0,75 диаметра выходного сечения сопла, а между тонкостенным цилиндром и донным срезом реактивного двигателя на его боковой поверхности выполнен кольцевой бурт диаметром, превышающим диаметр тонкостенного цилиндра и составляющим 1,05…1,10 диаметра выходного сечения сопла реактивного двигателя, при этом носовая часть головной части выполнена с притуплением, диаметр которого составляет 0,05…0,15 калибра снаряда.
Это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.
Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, во всех случаях достаточны.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение боевой эффективности вращающегося реактивного снаряда, надежности функционирования, улучшение характеристик точности, кучности за счет снижения разброса аэробаллистических характеристик и исключения резонансных явлений в процессе полета.
Указанный технический результат достигается тем, что в вращающемся реактивном снаряде, содержащем головную часть, реактивный двигатель с соплом, стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями, согласно изобретению лопасти стабилизатора изолированы от корпуса реактивного двигателя с помощью тонкостенного цилиндра с наружным диаметром 0,80…0,95 калибра снаряда, длиной, превышающей бортовую хорду лопастей, и толщиной 0,01…0,03 его наружного диаметра, закрепленного над кольцевым углублением, образованным наружной поверхностью сопла реактивного двигателя, в тонкостенном цилиндре со стороны вогнутых поверхностей лопастей выполнены сквозные отверстия в количестве не менее двух вдоль бортовой хорды каждой лопасти, при этом ближнее к передней кромке лопасти отверстие выполнено от нее на расстоянии не более 0,3 длины бортовой хорды лопасти, задние кромки лопастей стабилизатора в районе бортовой хорды смещены от донного среза реактивного двигателя в сторону головной части на величину 0,25…0,75 диаметра выходного сечения сопла, а между тонкостенным цилиндром и донным срезом реактивного двигателя на его боковой поверхности выполнен кольцевой бурт диаметром, превышающим диаметр тонкостенного цилиндра и составляющим 1,05…1,10 диаметра выходного сечения сопла реактивного двигателя, при этом носовая часть головной части выполнена с притуплением, диаметр которого составляет 0,05…0,15 калибра снаряда.
Авторы предлагаемого изобретения провели исследования в аэродинамических трубах, летные испытания, направленные на поиск технических решений, позволяющих повысить боевую эффективность и надежность функционирования вращающегося реактивного снаряда, уменьшить диапазон изменения угловой скорости вращения снаряда на траектории, обеспечить безрезонансный полет с нулевыми углами атаки, уменьшить разброс аэробаллистических характеристик на активном и на пассивном участке траектории.
В результате исследований выявлено, что дугообразные лопасти индуцируют дополнительный вращающий момент крена даже при нулевом угле установки лопастей к продольной оси снаряда. При этом величина и направление индуцированного момента крена зависят от таких факторов, как формы кромок лопастей, чисел Маха, угла атаки, удаления кромок от донного среза реактивного двигателя. Установлено, что струя реактивного двигателя влияет на аэродинамические характеристики стабилизатора и снаряда в целом. В немалой степени устойчивость реактивного снаряда зависит от формы носовой части снаряда.
Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между параметрами заявляемого вращающегося реактивного снаряда позволили, в частности, за счет выполнения:
- изоляции лопастей стабилизатора от корпуса реактивного двигателя с помощью тонкостенного цилиндра с наружным диаметром 0,80…0,95 калибра снаряда, длиной, превышающей бортовую хорду лопастей, и толщиной 0,01…0,03 его наружного диаметра, закрепленного над кольцевым углублением, образованным наружной поверхностью сопла реактивного двигателя, обеспечить надежную фиксацию лопастей в раскрытом положении за счет гашения вибраций при работе реактивного двигателя. При толщине цилиндра более 0,03 его наружного диаметра увеличивается его жесткость, снижаются демпфирующие свойства и любые вибрации передаются непосредственно на лопасти стабилизатора, вызывая собственные колебания и выход лопастей из фиксирующих пазов. Выполнение толщины цилиндра менее 0,01 его наружного диаметра приводит к снижению его жесткости, прочности, появлению деформаций, другие нежелательные явления аэроупругости элементов конструкции стабилизатора, что снижает надежность функционирования снаряда, появлению углов атаки. Это приводит к ухудшению характеристик точности, боевой эффективности снаряда. Выполнение диаметра цилиндра менее 0,8 калибра снаряда приводит к уменьшению подъемной силы стабилизатора, ухудшению устойчивости и появлению угла атаки. При диаметре цилиндра свыше 0,95 калибра не обеспечивается укладка лопастей в закрытом положении в пределах калибра. При длине цилиндра превышающей бортовую хорду лопастей в максимальной степени используется интерференция между цилиндром и лопастями для обеспечения необходимой подъемной силы, а следовательно устойчивости снаряда;
- в тонкостенном цилиндре со стороны вогнутых поверхностей лопастей сквозных отверстий в количестве не менее двух вдоль бортовой хорды каждой лопасти, при этом ближнее к передней кромке лопасти отверстие выполнено от нее на расстоянии не более 0,3 длины бортовой хорды лопасти - обеспечить уменьшение индуцированного вращающего момента крена дугообразных лопастей стабилизатора и угловую скорость вращения снаряда за счет выравнивания давления на наветренной и подветренной поверхностях лопастей в районе бортовой хорды и на цилиндре, эжекции пограничного слоя при обтекании цилиндра набегающим потоком. При расстоянии от передней кромки лопасти до отверстия менее 0,3 длины бортовой хорды сосредоточено основное избыточное давление на наветренной вогнутой поверхности лопасти и участке прилегающего тонкостенного цилиндра. На удалении свыше 0,3 длины бортовой хорды лопасти давление на наветренной поверхности лопасти в районе бортовой хорды и цилиндре значительно уменьшается;
- смещения задних кромок лопастей стабилизатора в районе бортовой хорды от донного среза реактивного двигателя в сторону головной части на величину 0,25…0,75 диаметра выходного сечения сопла, а между тонкостенным цилиндром и донным срезом реактивного двигателя на его боковой поверхности кольцевого бурта диаметром, превышающим диаметр тонкостенного цилиндра и составляющим 1,05…1,10 диаметра выходного сечения сопла реактивного двигателя, уменьшить разброс аэробаллистических характеристик снаряда и улучшить характеристики точности, кучности при стрельбе залпом за счет исключения влияния струи реактивного двигателя на обтекание лопастей, исключить уменьшение подъемной силы стабилизатора и повысить устойчивость снаряда. Наличие кольцевого бурта между тонкостенным цилиндром и донным срезом реактивного двигателя на его боковой поверхности диаметром, превышающим диаметр тонкостенного цилиндра и составляющим 1,05…1,10 диаметра выходного сечения сопла, является в совокупности с оптимальным смещением лопастей барьером на пути распространения влияния струи двигателя на несущие характеристики стабилизатора. При расстоянии до задних кромок менее 0,25 диаметра выходного сечения сопла задняя часть лопастей оказывается в зоне отрыва потока, обусловленного струей реактивного двигателя, и происходит уменьшение подъемной силы стабилизатора, ухудшается устойчивость снаряда. Увеличение расстояния свыше 0,75 диаметра выходного сечения сопла нецелесообразно, так как в этом случае уменьшается устойчивость снаряда, его стабилизирующий момент из-за смещения центра давления стабилизатора к носовой части;
- носовой части с притуплением, диаметр которого составляет 0,05…0,15 калибра снаряда - обеспечить снижение дестабилизирующего момента корпуса снаряда, повысить устойчивость и обеспечить полет с нулевыми углами атаки при уменьшенных размерах стабилизатора. При диаметре притупления носовой части более 0,15 калибра снаряда происходит увеличение сопротивления снаряда и потеря дальности. Выполнение диаметра притупления менее 0,05 калибра снаряда приводит к увеличению коэффициента подъемной силы корпуса, к увеличению дестабилизирующего момента корпуса относительно центра масс и ухудшению устойчивости снаряда. За счет присоединенного скачка уплотнения при этом происходит наибольший аэродинамический нагрев корпуса головной части.
1
2
2
2
1
4
2
3
Сущность изобретения поясняется чертежом фиг.1, где представлен общий вид вращающегося реактивного снаряда. Реактивный снаряд состоит из головной части 1, реактивного двигателя 2, стабилизатора 3 с дугообразными лопастями 4, тонкостенного цилиндра 5 с отверстиями 6, сопла 8. Носовая часть головной части 1 выполнена с притуплением, диаметр d которого составляет 0,05…0,15 калибра d снаряда. Тонкостенный цилиндр 5 выполнен с наружным диаметром d=0,80…0,95 d, длиной l, превышающей бортовую хорду b лопастей, и толщиной t=0,01…0,03 d. Ближнее к передней кромке лопасти 4 отверстие 6 выполнено от нее на расстоянии l≤0,3 b. Между тонкостенным цилиндром 5 и донным срезом реактивного двигателя 2 на его боковой поверхности выполнен кольцевой бурт 7 диаметром d, превышающим диаметр d тонкостенного цилиндра 5 и составляющим 1,05…1,10 диаметра d выходного сечения сопла 8.
Функционирование предлагаемого вращающегося реактивного снаряда происходит следующим образом. После запуска когда снаряд движется по направляющей пусковой трубы, дугообразные лопасти 4 стабилизатора 3 находятся в сложенном положении. После выхода из направляющей пусковой установки лопасти 4 раскрываются, обеспечивая устойчивое движение снаряда по траектории.
За счет сквозных отверстий 6 в цилиндре 5 со стороны вогнутых поверхностей лопастей 4 обеспечивается уменьшение индуцированного вращающего момента стабилизатора 3 и угловой скорости вращения снаряда по сравнению с прототипом, уменьшается диапазон ее изменения по времени полета, снижаются аэродинамические и инерционные нагрузки на элементы конструкции снаряда.
За счет изоляции дугообразных лопастей стабилизатора 3 от корпуса реактивного двигателя с помощью тонкостенного цилиндра 5 обеспечивается надежная фиксация лопастей в раскрытом рабочем положении за счет гашения вибраций при работе реактивного двигателя. Кроме того, наличие кольцевого бурта 7 и смещение задних кромок лопастей стабилизатора в районе бортовой хорды от донного среза реактивного двигателя в сторону головной части на заданную величину уменьшает разброс аэробаллистических характеристик снаряда из-за отрицательного влияния струи реактивного двигателя на обтекание лопастей, исключает снижение подъемной силы стабилизатора, повышает устойчивость снаряда.
Притупление носовой части в указанных пределах обеспечивает снижение дестабилизирующего момента корпуса снаряда, повышает устойчивость и обеспечивает полет на большую дальность с нулевыми углами атаки при уменьшенных размерах стабилизатора. Кроме того уменьшается аэродинамический нагрев элементов конструкции снаряда.
Полет вращающегося реактивного снаряда при увеличенной скорости в конце активного участка по сравнению с прототипом происходит в допустимом диапазоне частот вращения, гарантирующем отсутствие резонансных явлений, раскачек и разрушений, уменьшается диапазон изменения скорости вращения снаряда, что повышает надежность его функционирования и боевую эффективность.
Указанный положительный эффект подтвержден летно-конструкторскими испытаниями образцов вращающихся реактивных снарядов системы залпового огня, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением.
Предложенное техническое решение позволило разработать вращающийся реактивный снаряд повышенной боевой эффективностью, надежностью функционирования, улучшить характеристики точности, кучности при стрельбе залпом за счет снижения разброса аэробаллистических характеристик и исключения резонансных явлений в процессе полета.
В настоящее время разработана конструкторская документация, проведены летные испытания, намечено серийное производство.