СНАРЯД
PROJECTILE

Изобретение относится к боеприпасам для баллистического оружия. В частности, к конструкции снарядов для гладкоствольного и нарезного огнестрельного оружия, а более конкретно к снарядам с приспособлениями для осевой стабилизации полета вращением, создаваемым под действием газов сгорающего метательного заряда, но возможно также применение и снарядов, использующих способ стабилизации полета снарядов с оперением.
Снаряд содержит гильзу 2 (Фиг. 2) с зарядом 3, внутри которой расположены спиралевидные ребра 4 (Фиг. 2); толкатель 6 (Фиг. 2, 3, 4, 5, 6), имеющий цилиндрическую форму, герметично прилегающий к стволу по диметру и имеющий с тыльной стороны лопастную конфигурацию 10 (Фиг. 3, 5, 6). Для создания вращения (в случае использования снаряда со стабилизаторами с тыльной стороны - плоский профиль), в средней части толкателя размещают обтюрирующее кольцо 11 (Фиг. 3, 6), а в передней торцевой части толкателя расположены выступы 8 (Фиг. 4, 5) по окружности, входящие в зацепление с отверстиями 12 (Фиг. 6), расположенными с тыльной стороны головной части, образуя свободно состыкованный узел; головная часть 1 (Фиг. 2), имеющая диаметр несколько меньше диаметра ствола, что позволяет не касаться его стенок, но имеющий по окружности шаровые опоры 5 (Фиг. 2) для его фиксации при движении в стволе (не менее трех) и уменьшения трения при движении по стволу. С тыльной стороны головной части по окружности расположены отверстия 12 (Фиг. 6), для свободной стыковки с выступами толкателя 8 (Фиг. 4, 5). С тыльной стороны головной части расположен складной телескопический обтекатель 7 (Фиг. 6, 9) с выталкивающим устройством (например, пружина) для создания аэродинамической формы в полете.
Изобретение обеспечивает вращение головной части в гладкоствольной артиллерии, придает дополнительное вращение после выхода головной части с нарезных стволов, уменьшает трение при движении головной части в стволе, уменьшает завихрения с тыльной стороны головной части в полете и отделение от головной части всей паразитной массы после его вылета из ствола. При использовании изобретения предполагается повышение дальности и кучности стрельбы, а при положительных результатах использования в гладкоствольной артиллерии - отказаться в принципе от нарезного вооружения.
Уровень техники
В артиллерии используются орудия как гладкоствольные, так и нарезные. Каждый имеет свои преимущества при использовании определенного типа снарядов.
Известно, что тело приобретает значительную устойчивость, если ему придать быстрое вращательное движение вокруг собственной оси. Примером устойчивости вращающегося тела может служить игрушка "волчок". Если придать ему быстрое вращательное движение вокруг своей оси, он будет устойчиво стоять на заостренном конце. Причем, чем быстрее вращение, тем выше устойчивость.
Чтобы головная часть приобрела способность бороться с опрокидывающим действием силы сопротивления воздуха, сохраняла устойчивость в полете, ей также необходимо придать быстрое вращательное движение вокруг продольной оси. Головная часть приобретает его благодаря винтообразным нарезам в канале ствола орудия. После вылета из ствола она по инерции сохраняет полученное движение - поступательное и вращательное. Чем больше скорость вращения, тем выше устойчивость головной части в полете, тем выше точность. Увеличить скорость вращения головной части в стволе за счет увеличения, например, витков нареза не представляется возможным из-за резко возрастающего сопротивления, а после выхода из ствола остаточная энергия заряда еще действует только на разгон. Фиг. 1 - Период последействия газов (Л.1).
На графике показаны периоды выстрела:
Ро - давление форсирования;
Рм - наибольшее (максимальное давление);
Рк и VK - давление газов и скорость пули в момент конца горения пороха;
Рд u Vд - давление газов и скорость пули в момент вылета ее из канала ствола;
Vм - наибольшая скорость пули;
Ратм - давление, равное атмосферному.
Нарезное оружие позволяет создать вращательное движение головной части. А медный поясок обтюратора головной части, ведущий ее по нарезам, в самом начале движения плотно вжимается в ствол и после этого уже не дает основной массе газов обогнать снаряд. Но все-таки какой-то части газов удается просачиваться и в этом случае теряется часть энергии заряда. Поэтому стараются создать условия максимального прижатия головной части или ее частей к стенкам ствола с целью создать максимальную герметизацию. Но другой стороны, при этом, повышается сила трения. На что тратится энергия заряда и, соответственно, уменьшается дальность стрельбы. Ориентировочные расчеты показывают, что на трение тратится приблизительно 26% энергии заряда (Л2). Чем больше трение, тем меньше начальная скорость. С увеличением же начальной скорости повышается эффективность действия головной части по цели за счет большей энергии. Так, на дальности 1000 м пуля, вылетевшая из ствола пулемета ПК (начальная скорость - 550 м/сек), имеет энергию 43 кгс·м, а пуля, вылетевшая из ствола пулемета ПКТ ПК (начальная скорость - 667 м/сек), - 46 кгс·м. (Л4)
Поэтому возникает проблема уменьшения трения при движении головной части в стволе орудия и увеличения скорости его вращения. Есть патенты (например, патент РФ №2224212, 08.04.2002 (Л5)), в котором предлагается для уменьшения просачивания газов увеличить количество колец обтюрации. Однако, увеличение количества уплотнительных колец, плюс прилегание головной части к стволу еще более увеличит сопротивление движению. И сможет ли этот прием скомпенсировать затраты энергии на утечку газов - вопрос, требующий дополнительного исследования.
Есть предложения для гладкоствольных орудий - газовый турбостабилизатор, патент RU 2242702, 15.12.2002 (Л6), в которых для создания вращения снаряда предлагается использовать контейнер с газовой турбиной. Сама турбина выполнена в виде диска с проемами, поверхности стенок которых профилированы по форме лопаток газовой турбины. Сразу обращает на себя внимание, что часть энергии заряда тратится только на вращение и, в общем, выход газов после прохождения через лопатки газовой турбины даже направлен против направления движения снаряда, т.е. будут происходить торможение движению снаряда в стволе. Кроме того, поскольку снаряд помещен в контейнер, это уменьшает полезный размер снаряда. Изготовление такого контейнера усложняет и удорожает конструкцию. При движении контейнера в стволе создается значительное сопротивление. Но уже после вылета из ствола контейнер начнет раскрываться. Именно в этот момент его площадь поперечного сечения начнет резко возрастать, а снаряд еще какое-то время находится в нем, что притормаживает начальное ускорение и, соответственно, уменьшит пусковую скорость.
На дальность стрельбы также влияет форма головной части. Для создания более эффективного давления заряда на головную часть желательно ей при движении по стволу иметь широкую плоскую форму в торце Фиг. 7. Но при полете при этом сзади создаются вихревые потоки, которые также снижают скорость полета и, соответственно, дальность. Поэтому хвост головной части несколько сглаживают по профилю. Но при вылете из ствола на нее еще действуют вылетающие из ствола газы, а уменьшение эффективной отражающей поверхности, получающейся в результате сглаживания, уменьшает толкающую силу Фиг. 8.
Есть предложение (патент RU 2262063, 11.09.2000 (Л7)) - стабилизируемый снаряд для гладкоствольного оружия. Стабилизирующая часть выполнена в виде набора монолитно соединенных между собой цилиндров, причем радиус каждого последующего цилиндра, начиная от средней части снаряда, меньше предыдущего на 1/8 радиуса средней части снаряда. Даная конструкция действительно уменьшает завихрения в задней части снаряда при полете, но без вращения, что существенно уменьшает курсовую устойчивость и дальность.
Есть заявка на устройство пули (РФ №2502941, 04.09.2012 (Л8)). Хвостовая часть пули выполнена в виде винтовой конической пружины сжатия. Пружина изготовлена из облегченной полосовой стали переменного прямоугольного поперечного сечения. Пружина принимает удобообтекаемую заднюю часть пули при ее полете за счет сил упругости. Но данная пружина находится в прямом контакте с зарядом. Нужно предъявить очень жесткие требования к материалу пружины в случае использования такой конструкции в артиллерийском выстреле и что вызывает сомнение в реальности применения для таких устройств.
Т.е. возникает задача уменьшения трения при движении головной части в стволе, более эффективное использование энергии на ее закручивание и придание оптимальной аэродинамической формы в полете.
Сущность изобретения
Предлагается в гильзе установить спиралевидные ребра 4 (Фиг. 2), создающие при движении снаряда направленное завихрение (турбулентность). Установить перед головной частью толкатель 6 (Фиг. 2, 3, 4, 5, 6) в виде утолщенного диска по диаметру равным диаметру ствола. С тыльной стороны у него установлены лопасти 10 (Фиг. 3, 5, 6) в виде турбины. В центральной части по окружности расположено кольцо обтюратора 11 (Фиг. 3, 6). А в передней части установлены выступы по окружности 8 (Фиг. 4, 5), расположенные ближе к краю окружности, которые входят в свободное зацепление с отверстиями 12 (Фиг. 6) в тыльной стороне головной части. На Фиг. 5 показан толкатель, где 9 - выходы лопастей турбины, 10 - лопасти турбины, 8 - выступы для создания свободного соединения со снарядом, 11 - ободок обтюратора. Головная часть 1 (Фиг. 2) по диаметру несколько меньше диаметра ствола. Ровно настолько, чтобы при движении не касаться стенок ствола. Но на самом корпусе расположены шаровые опоры 5 (Фиг. 2) (не менее трех) для создания опоры при движении снаряда в стволе с минимальным сопротивлением. В хвосте головной части по центру расположен телескопический выдвижной обтекатель 7 (Фиг. 6, 9), в виде раздвижного стаканчика с выталкивающим устройством (это может быть, например, пружина).
Использование в нарезном огнестрельном оружии
При воспламенении порохового заряда и движении головной части по стволу по нарезам спиралевидные ребра гильзы будут создавать направленное завихрение, которое будет облегчать вращательное движение головной части. Т.е. уменьшит сопротивление крутизны нарезов ствола. А вот после вылета головной части из ствола вылетающие из орудия газы еще воздействуют на нее (Фиг. 1). Период последействия газов (Л.3). На графике видно, что скорость головной части на этом участке продолжает расти, т.е. эта сила еще значительна.
После выхода из ствола толкателя открываются торцевые выходы лопастей турбины 9 (Фиг. 4, 5). И толкатель кроме давящего движения на головную часть создаст мощное вращательное движение. В этом случае более эффективно будет использована энергия заряда. Скорость вращения головной части увеличится. А поскольку эффективная площадь толкателя 6 (Фиг. 9) соответствует калибру ствола, то и толкающий эффект будет максимальный по сравнению со снарядом, имеющим сужающийся профиль в задней части (Фиг. 8).
Толкатель по диаметру на доли миллиметра превышает диаметр снаряда и когда усилие встречного потока воздуха превысит давящее усилие газов заряда, толкатель свободно отделится от головной части. При этом из торца головной части выдвигается телескопический обтекатель 7 (Фиг. 6, 9) (в виде раздвижного стаканчика), например за счет пружины, что позволит улучшить аэродинамическую форму головной части в полете.
Головная часть по диаметру несколько меньше диаметра ствола, чтобы при движении его не касаться. С тыльной стороны головная часть свободно состыкована с толкателем с помощью отверстий в торце 12 (Фиг. 6) и выступов 8 (Фиг. 4, 5) со стороны толкателя. Головная часть 1 с толкателем 6 фиксируется в гильзе 2 (Фиг. 2). А на поверхности головной части монтируются шаровые опоры 5 (Фиг. 2) не менее трех на равном расстоянии друг от друга по диаметру, представляющие собой шарики, вмонтированные в корпус по окружности и выполняющие роль подшипников при движении головной части по стволу. В этом случае при движении сборки толкатель - головная часть стенок ствола касаются только толкатель ограниченной толщины и подшипники шаровых опор. В результате можно достичь оптимального соотношения между максимальным эффектом конструкции обтюратора толкателя и минимальным трением, возникающими при движении сборки толкатель - головная часть в стволе орудия.
Применение такого снаряда в нарезном вооружении уменьшит трение при движении головной части в стволе, позволит более эффективно использовать энергию заряда на участке последействия газов после вылета головной части из ствола (с точки зрения толкательного и вращательного движения), позволит улучшить аэродинамическую форму головной части в полете. А это позволит увеличить скорость головной части, увеличить скорость ее вращения и, соответственно, повысит дальность и кучность стрельбы.
Использование в гладкоствольной артиллерии снаряда с вращением.
При воспламенении порохового заряда в первый момент ударная волна с помощью лопастей турбины толкателя 10 (Фиг. 3) создаст вращательный момент, а при дальнейшем движении снаряда по стволу спиралевидные ребра гильзы 4 (Фиг. 2) будут создавать направленное завихрение, которое будет создавать вращательное движение головной части. А вот после вылета головной части из ствола газы еще воздействуют на нее (Фиг. 1) - период последействия газов (Л.3) и снаряд получит сильное дополнительное вращательное движение за счет открывшихся после вылета из ствола выходов лопастей 9 (Фиг. 4, 6) турбины толкателя. И толкатель кроме давящего движения на снаряд создаст мощное вращательное движение. В этом случае более эффективно будет использована энергия заряда. Скорость вращения снаряда увеличится. А поскольку эффективная площадь толкателя 6 (Фиг. 9) соответствует калибру ствола, то и толкающий эффект будет максимальный по сравнению со снарядом, имеющим сужающийся профиль в задней части (Фиг. 8).
Толкатель по диаметру на доли миллиметра превышает диаметр головной части и, когда усилие встречного потока воздуха превысит давящее усилие газов заряда, толкатель свободно отделится от головной части. При этом с тыльной стороны головной части выдвигается телескопический обтекатель 7 (Фиг. 6, 9) (в виде раздвижного стаканчика), например за счет пружины, что позволит улучшить в полете ее аэродинамическую форму.
Головная часть 1 (Фиг. 2) по диаметру несколько меньше диаметра ствола, чтобы при движении его не касаться. С тыльной стороны она свободно состыкована с толкателем 6 (Фиг. 2) с помощью отверстий в торце 12 (Фиг. 6) и выступов 8 (Фиг. 4, 5) со стороны толкателя. Головная часть 1 (Фиг. 2) с толкателем 6 (Фиг. 2) фиксируется в гильзе 2 (Фиг. 2). А в средней ее части на поверхности монтируются шаровые опоры 5 (Фиг. 2) не менее трех на равном расстоянии друг от друга по окружности, представляющие собой шарики, вмонтированные в корпус и выполняющие роль подшипников при движении головной части по стволу. В этом случае при движении сборки толкатель-головная часть стенок ствола касаются только толкатель ограниченной толщины и подшипники шаровых опор. В результате можно достичь оптимального соотношения между максимальным эффектом конструкции обтюратора толкателя и минимальным трением при движении сборки толкатель-головная часть в стволе орудия.
Применение такого снаряда в гладкоствольной артиллерии может позволить создать достаточно сильный вращательный момент головной части и, при положительных результатах испытаний, в принципе, отказаться от нарезной артиллерии. Нарезы призваны выполнять одну единственную функцию - раскрутить головную часть до заданной скорости оборотов в секунду и исключить срыв ее с нарезов в канале ствола.
Нарезная артиллерия более сложна в изготовлении и более дорогостоящая, имеет меньший ресурс использования, создает более высокий коэффициент трения при создании обтюрации в стволе, дополнительное сопротивление, создаваемое нарезами за счет угла нарезов.
Применение такого снаряда позволит уменьшить трение при движении головной части в стволе, позволит более эффективно использовать энергию заряда на участке последействия газов после вылета головной части из ствола, позволит улучшить аэродинамическую форму головной части в полете. А это позволит увеличить скорость головной части, создание вращения головной части в гладкоствольной артиллерии позволит повысить курсовую устойчивость в полете и, соответственно, повысить дальность и кучность стрельбы.
Использование в гладкоствольной артиллерии снаряда, использующего для стабилизации выдвижные аэродинамические крылья.
В этом случае нет необходимости устанавливать в гильзе спиралевидные ребра. Нет необходимости устанавливать лопасти с торцевой части толкателя. Эта часть делается плоской. В передней части толкателя необходимо предусмотреть конструкцию свободного крепления конкретного типа снаряда к толкателю, а на снаряде установить шаровые опоры для уменьшения трения при движении по стволу. В этом случае головная часть должна быть по диаметру меньше диаметра ствола ровно настолько, чтобы не задевать стенки ствола при движении.
При срабатывании заряда толкатель выносит головную часть из ствола. Причем, поскольку головная часть практически не касается ствола (касание только в точках крепления шаровых опор), сопротивление движению за счет трения минимально. Здесь можно добиться оптимального соотношения между необходимой плотностью прилегания толкателя к стенкам ствола для создания обтюрации и минимальным сопротивлением, создаваемым трением при движении головной части.
При вылете головной части из ствола встречным потоком воздуха, когда это давление превысит давление, создаваемое газами заряда, толкатель отделится от головной части.
Шаровые опоры выступают за пределы стенок снаряда на доли миллиметра, что не должно существенно повлиять на сопротивление движению головной части в воздухе.
Применение такого снаряда значительно уменьшит сопротивление за счет трения при движении головной части в стволе, а, значит, повышает начальную скорость и, соответственно, повысит дальность стрельбы.
Литература
1. Ф.К. Бабах, Основы стрелкового оружия, ООО «Полигон», Санкт-Петербург, 2003 г.
2. Ассовский И.Г., Физика горения и внутренняя баллистика, Москва, Наука, 2005, 357 с.
3. Юрьев А.А., Пулевая спортивная стрельба, Воениздат, 1976 г., 426 с.
4. Наставления по стрелковому делу, Воениздат, 1987, 321 с.
5. Патент РФ №2224212 от 08.04.2002, кл. F42B 14/00, опубликован 20.02.2004.
6. Патент РФ №2262063 от 11.09.2000, кл. F42B 10/02, опубликован 10.10.2005.
7. Патент РФ 2242702, 15.12.2002, кл. F42B 10/02, опубликован 20.12.2004.
8. Патент РФ 2502941, 04.09.2012, кл. F42B 5/02, опубликован 27.12.2013.