СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ МЕТАЕМОГО ТЕЛА ПРИ СТРЕЛЬБЕ
METHOD TO INCREASE VELOCITY OF THROWN BODY IN PROCESS OF FIRING

Предлагаемое изобретение относится к области военной техники и может быть использовано для повышения скорости метаемого тела при стрельбе, а именно увеличения дальности стрельбы стрелкового и артиллерийского оружия.
Известны способы повышения скорости метаемого тела, обеспечиваемые различными конструктивными решениями, определяющими параметры внутренней баллистики метаемого тела. В частности, к таковым можно отнести варьирование соотношения длины ствола и его калибра, а также использования дульных насадок, удлинителей и т.д. (см., например, статью с сайта http://www.army.lv Основные направления развития реактивных систем залпового огня).
Традиционно задача повышения скорости метаемого тела решается путем совершенствования боеприпасов. Это достигается увеличением массы заряда, либо подбора пиротехнического состава, увеличивающих его мощность и давление на метаемое тело в канале ствола (см., например, Суров О. Совершенствование боеприпасов полевой артиллерии // Зарубежное военное обозрение №12, 1983 и др.).
Однако показано (см., например, И.Стержнев. Предел скорости артиллерийских снарядов. http://ivanstrezhnev.eag,lebear.net/3/3.html), что в современном огнестрельном оружии увеличение скорости метаемого тела за счет повышения массы заряда в соотношении ω/g (где ω - вес заряда, g - вес метаемого тела) не эффективно. С другой стороны, указанные выше способы практически не влияют на трение между метаемым телом и стенкой ствола, на которое расходуется от 15 до 25% кинетической энергии метаемого тела.
Кроме того, работа трения, сопровождаемая выделением большого количества тепла, существенно повышает температуру ствола и негативно влияет на его геометрию и, соответственно, на точность выстрела. Результатом такого экстремального режима трения является и активный износ ствола (см. А.П.Болштянский. О возможности применения бесконтактного центрирования снаряда в гладкоствольном орудии http://btvt.narod.ru/l/weapon 21.htm).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, реализованный в патенте США №3001609, 1962 г., где для повышения скорости метаемого тела (снаряда) за счет снижения сил трения, часть снаряда выполнена в виде газостатического подвеса, питание которого осуществляется образовавшимися в результате выстрела пороховыми газами.
Жесткость газового слоя достигает 750 Н/мкм и более, что обеспечивает бесконтактное движение снаряда в стволе при колебаниях последнего с частотой 100 Гц при амплитуде 1 мм.
Недостатком прототипа является техническая сложность его реализации, необходимость использования специальных конструкций снарядов (полностью исключается применение имеющихся боеприпасов), возникновение режимов нестационарного движения, приводящих к перекосу заряда в канале, повышенная чувствительность конструкции к внешним вибрациям.
Одним из возможных путей увеличение дальности стрельбы может быть достигнуто за счет снижения потерь при прохождении метаемого тела по каналу ствола. Основным источником этих потерь является трение метаемого тела о внутреннюю поверхность ствола. Предлагается снизить эти потери путем возбуждения в теле ствола акустических колебаний на время прохождения снаряда по стволу.
Эффект влияния ультразвуковых колебаний на трение используется для уменьшения сопротивления при вращении валов, устранения заедания в осях приборов и т.д. (см., например, Сивоконенко И.М. Опоры подвижных систем приборов. - Л.: Судпромгиз, 1952. - с.151, рис.105; Рамзаев А.П. Об эффективных коэффициентах трения // Трение и износ. - 1982. - Т.III. - №2. - С.339-342).
Снижением трения под воздействием ультразвука обеспечивается эффективная промышленная реализация технологических процессов, связанных с пластической деформацией твердых тел. Например, прокатка, резание (сверление, фрезерование, шлифование и т.п.) металла.
Эффект снижения сил трения обусловлен изменением кинематики скольжения на поверхности, а также характером взаимодействия контактирующих поверхностей материалов ствола и метаемого тела. При воздействии ультразвуковых колебаний на зону трения наблюдаются процессы разупрочнения и упрочнения металла, что приводит к снижению статического напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации металла ведущего пояска снаряда или оболочки пули. Это объясняется активацией задержанных дислокаций, в результате чего процесс их скольжения облегчается.
Деформация металла на поверхности метаемого тела, имеющая место при его движении в канале ствола в момент выстрела, во многом аналогична приведенным выше процессам обработки металлов. Вместе с тем здесь имеется своя специфика, в частности высокая скорость движения метаемого тела. По этому показателю в технологических приложениях нет аналогов, так для охотничьих и спортивных ружей скорость выхода пули может колебаться приблизительно в диапазоне 375-425 м/с, для автоматов и пулеметов - 900-960 м/с, а для артиллерийских ствольных систем еще выше, теоретически - до 2000 м/с (для газовой пушки - 4000 м/с).
Способ предполагается реализовать путем подачи на тело ствола орудия акустического импульса определенной длительности, выбираемого из соотношения:
где Т - длительность импульса;
L - длина ствола;
V - усредненная дульная скорость метаемого тела (снаряда, пули и т.п.) в направлении вектора максимальной составляющей скорости движения метаемого тела, которая может быть оценена с помощью аппарата внутренней баллистики. Здесь алгоритм усреднения уточняется экспериментально при отработке режимов стрельбы.
dT - время упреждения подачи импульса (или время задержки, dT<0).
В некоторых случаях импульс может подаваться с упреждением по отношению к моменту отрыва снаряда от гильзы. Время упреждения может быть определено экспериментально для конкретных типов орудий и применяемого заряда.
Как показывает опыт применения ультразвуковых колебаний в процессах волочения труб (см., например: Паршин B.C., Фотов А.А., Алешин В.А. Холодное волочение труб. - М.: Металлургия, 1979. - 240 с.), помимо снижения осевого усилия волочения до 23% (с.145, 146), наблюдается повышение его стойкости инструмента в 4-6 раз (с.149). Применительно к предлагаемому способу метания, следует ожидать снижения потерь на трение, а значит, и возрастания начальной скорости движения метаемого тела и соответствующего повышения дальности стрельбы, а также повышения износостойкости поверхности канала ствола. Принципиально важно, что такой результат достигается без увеличения массы заряда, изменения геометрии ствола (длины, параметров нарезов) и конструкции метаемого тела (снаряда, пули и т.п.).
Технические возможности осуществления способа:
Для реализации способа может быть использован, например, генератор импульсов с несущей частотой около 10 кГц, с длительностью импульса, определяемой по зависимости (1).
При этом преобразователь с концентратором УЗК устанавливается коаксиально со стволом системы, из которой производится стрельба (метание тела - пули, снаряда и т.п.). По конструктивным или эксплуатационным соображениям число концентраторов может быть увеличено, например, для достижения необходимой мощности импульса. В этом случае они будут устанавливаться по динамически сбалансированной схеме, чтобы избежать одностороннего деформирования (изгиба) ствола для обеспечения точности стрельбы. В частности, для реализации предлагаемого способа (в виде устройства) возможна оппозитная или осесимметричная установка 2-х и более концентраторов под малым углом (10-30°) по отношению к оси ствола. Это в целом не снижает эффективности предлагаемого решения.
При этом для гладкоствольных систем - импульс будет подаваться по оси ствола - в этом случае это направление совпадает с вектором максимальной составляющей скорости движения метаемого тела.
Для нарезных стволов вектор импульса должен быть направлен вдоль винтовой линии нарезов, т.к. здесь вектор максимальной составляющей скорости движения метаемого тела повернут относительно оси на угол винтовой линии нарезов. Это направление в нарезных стволах является наиболее важным для снижения негативного влияния сил трения. Наложение вибраций в другом направлении (под углом к этой линии) напротив вызовет повышение сил трения из-за роста силы нормального давления на боевую грань нареза.
При практической реализации способа синхронизация подачи импульса осуществляется путем предварительной экспериментальной настройки системы в зависимости от конструктивных особенностей орудия (оружия), а также собственно заряда и параметров метаемого тела (снаряда или пули).
Момент вылета метаемого тела из ствола может фиксироваться экспериментально с помощью датчика (например с помощью регистратора скорости полета пули РС-4М), либо по предварительно рассчитанному времени.
Варьируя режимы подачи импульса - главным образом его мощность и время упреждения, можно обеспечить оптимальный режим в зоне контакта пары «ствол - метаемое тело», минимизирующий потери на трение. Это позволит повысить дальность метания тела на 15-20%.
Например, в качестве источника колебаний могут быть использованы освоенные промышленностью и выпускаемые серийно генераторы мощностью 10 КВт, работающие в непрерывном режиме (см., например: Проспект фирмы «Релтек» Ультразвуковые генераторы мощностью 0,1-10 кВт, частотой 20-40 кГц, г.Екатеринбург).
Пересчет необходимой мощности с учетом импульсного режима производится по формуле:
где N - мощность генератора в непрерывном режиме;
i
N - мощность генератора в импульсном режиме;
Т - длительность импульса.