БОЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ
DESTRUCTIVE ELEMENT

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к реактивным снарядам систем залпового огня.
Объект изобретения представляет собой боевой элемент (БЭ) повышенной эффективности к реактивному снаряду (PC) системы залпового огня.
Реактивные системы залпового огня успешно применяются для борьбы со многими площадными целями. Высокая эффективность поражения площадных целей достигается благодаря применению кассетных головных частей, оснащенных боевыми элементами. Для достижения максимальной эффективности функционирования каждого боевого элемента должны обеспечиваться оптимальные параметры их подхода к цели. Одним из наиболее значимых параметров является оптимальная ориентация в пространстве боевого элемента в момент подхода к цели, необходимая для обеспечения требуемых параметров осколочного поля, и требуемого направления кумулятивной струи. Оптимальной ориентацией БЭ является угол наклона продольной оси элемента к поверхности земли, равный 90°, и угол атаки, равный 0°. В этом случае формируется наиболее эффективное осколочное поле, а поражение цели кумулятивной струей происходит в ее наименее защищенную верхнюю полусферу.
Обеспечение стабилизации и требуемой ориентации боевого элемента может достигаться различными средствами. Так, известны варианты стабилизации с помощью раскрывающегося жесткого стабилизатора (бомба по Патенту №4132169, США, кл. МКИ F42B 25/12) и с помощью стабилизатора из текстильных материалов в виде парашюта с круглым куполом (боеголовка с противотанковым боеприпасом по патенту №4175491, США, кл. F42B 13/10). Недостатком жесткого стабилизатора является значительный вес и габариты до 30% длины БЭ, снижающие количество элементов в кассетном боеприпасе, что отрицательно сказывается на боевой эффективности PC. Недостатком стабилизатора в виде парашюта с круглым куполом является невозможность обеспечить нулевые углы атаки, так как круглые парашюты являются неустойчивыми в потоке (см. Н.А.Лобанов «Основы расчета и конструирования парашютов», М., Машиностроение, 1965 г., с.72). Кроме того, на такой стабилизатор действуют значительные динамические нагрузки в момент ввода в поток. Это приводит к увеличению веса и габаритов стабилизатора, что также ведет к уменьшению количества БЭ в кассетном боеприпасе и снижению боевой эффективности PC.
Известен так же боевой элемент с ленточным стабилизатором, описанный в патенте №2239153. Задачей данного технического решения являлось создание БЭ с минимальными весовыми и габаритными характеристиками, что позволило разместить в кассетной головной части PC максимальное количество БЭ. Однако нерегламентированные длина, ширина и количество лент в ленточном стабилизаторе не позволяют обеспечить оптимальные параметры подхода БЭ к цели.
Для каждого из рассмотренных типов стабилизирующих устройств одним из наиболее важных параметров является процесс их обтекания воздушным потоком. Различные неровности на корпусе БЭ могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на параметры обтекания.
Так, известен БЭ, описанный в патенте №2277692, хвостовая часть корпуса которого выполнена оживальной формы с кольцевыми проточками на внешней поверхности. Задачей данного технического решения являлось повышение эффективности поражения БЭ путем обеспечения равномерного распределения осколочного поля. Выбранная форма хвостовой части корпуса призвана обеспечить равномерность осколочного поля, а глубина проточек - возможность дробления корпуса на однородные осколки при детонации взрывчатого вещества. Профилирование кормовой части корпуса без рассмотрения режимов обтекания и нерегламентированные ширина и шаг расположения кольцевых проточек может привести к отрывному обтеканию корпуса, что отрицательно скажется на устойчивости снижения БЭ и не позволит обеспечить оптимальные параметры подхода к цели.
Общими признаками с предлагаемым авторами боевым элементом являются наличие в аналогах корпуса и стабилизатора.
Известен также БЭ по патенту №2258899, который принят в качестве прототипа. Этот БЭ содержит цилиндрический корпус с углублением в носовой части и ленточный стабилизатор из текстильных материалов, закрепленный на цилиндрической хвостовой части боевого элемента.
Задачей данного технического решения являлось создание боевого элемента повышенной боевой эффективности за счет получения минимальных габаритов и веса стабилизатора, обладающего повышенной устойчивостью и обеспечивающего малые углы атаки и требуемый угол подхода к цели.
Общими признаками с предлагаемым авторами боевым элементом являются наличие в прототипе цилиндрического корпуса с углублением в носовой части и ленточного стабилизатора из текстильных материалов.
Боевой элемент, принятый за прототип, функционирует следующим образом. При движении PC по траектории, в заданной точке от него отделяются боевые элементы. После отделения корпус элемента за счет начальных возмущений и отсутствия стабилизирующего момента совершает нестабилизированное движение. Затем в набегающий воздушный поток вводится многоленточный стабилизатор и происходит разворачивание его лент. На лентах стабилизатора возникает стабилизирующий момент относительно центра масс элемента, в результате чего БЭ начинает совершать затухающие колебания и стабилизироваться, обеспечивая устойчивый полет с малыми балансировочными углами атаки. Как показывают экспериментальные работы, этот БЭ хорошо функционирует при скоростях полета 0.1…1.2М и высотах до 1500 м.
Расширение условий функционирования кассетных боеприпасов, таких как дальность полета, высота траектории и скорость на момент отделения от PC боевых элементов, привело к тому, что требования по обеспечению нулевого балансировочного угла атаки и требуемого угла подхода к цели выполняются не на всех режимах функционирования, что ведет к снижению боевой эффективности как самих боевых элементов, так и боеприпаса в целом.
В отличие от прототипа хвостовая часть корпуса боевого элемента на длине 0.5…0.6d, где d - максимальный диаметр корпуса боевого элемента, выполнена по сферической образующей радиусом 2…2.3d, при этом на сферической и цилиндрической поверхностях хвостовой части корпуса на длине 1…1.3d выполнены турбулизаторы в виде радиальных проточек, расположенных с шагом f=0.1…0.2d, глубиной не менее 0.1f и шириной 0.1…0.2f.
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 боевого элемента повышенной эффективности за счет обеспечения нулевых балансировочных углов атаки и углов подхода к поверхности земли, близких или равных 90°, обеспечивающего по сравнению с прототипом функционирование в широком диапазоне скоростей (0.1…3М) и высот ввода боевых элементов (до 12000 м).
Указанный технический результат достигается тем, что в боевом элементе, содержащем цилиндрический корпус с углублением в носовой части и стабилизатор из текстильных материалов, выполненный в виде лент, хвостовая часть корпуса на длине 0.5…0.6d выполнена по сферической образующей радиусом 2…2.3d, при этом на сферической и цилиндрической поверхностях хвостовой части корпуса на длине 1…1.3d выполнены турбулизаторы в виде радиальных проточек, расположенных с шагом f=0.1…0.2d, глубиной не менее 0.1 f и шириной 0.1…0.2f.
Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между деталями боевого элемента позволяют, в частности, за счет выполнения:
- хвостовой части корпуса на длине 0.5…0.6d по сферической образующей радиусом 2…2.3d обеспечить создание стабилизирующего момента на ленточном стабилизаторе, необходимого для обеспечения надежного парирования начальных угловых возмущений, обеспечения нулевых значений балансировочных углов атаки у цели и требуемого угла подхода к цели в диапазоне высот ввода БЭ до 12000 м и скоростей снижения от 0.1М до 3М. При выполнении в боевом элементе кормовой части цилиндрической формы на ней в процессе движения происходит срыв потока с образованием застойной зоны за кормовым срезом, в которой возможно возникновение турбулентных течений. В результате этого за кормовым срезом образуется область, в которой на ленточном стабилизаторе практически не создается стабилизирующего момента, а возникающие турбулентные течения в районе закрепления лент стабилизатора могут препятствовать их вводу в поток в начальной стадии функционирования или способствовать их скручиванию после ввода в поток, что отрицательно сказывается на стабилизации боевого элемента, а следовательно, на его боевой эффективности. Выполнение хвостовой части корпуса на длине 0.5…0.6d по сферической образующей радиусом 2…2.3d позволяет сформировать зону пониженного давления на корпусе. В результате этого происходит плавное изменение направления движения потока, обтекающего боевой элемент. Поток за кормовым срезом быстро смыкается, практически не образуя застойной зоны, и ленточные стабилизаторы работают по всей своей длине. Застойная зона может образоваться лишь в месте крепления лент к корпусу, но имея при этом малую протяженность, она не окажет влияния на их функционирование. Сочетание длины хвостовой части и радиуса ее сферической образующей выбрано таким образом, чтобы обеспечить быстрое смыкание потока. Увеличение длины хвостовой части более 0.6d и уменьшение радиуса образующей менее 2d не обеспечивают плавного понижения давления и поворота обтекающего потока, что приводит к срыву потока на хвостовой части корпуса, еще до достижения им кормового среза. Уменьшение длины хвостовой части менее 0.5d и увеличение радиуса образующей более 2.3d слабо изменяют геометрию хвостовой части корпуса БЭ, вследствие чего картина его обтекания будет мало отличаться от обтекания цилиндрического корпуса;
- турбулизаторов в виде радиальных проточек, расположенных на сферической и цилиндрической частях корпуса на длине 1…1.3d с шагом f=0.1…0.2d, глубиной не менее 0.1f и шириной 0.1…0.2f, обеспечить образование вихревых турбулентных зон, обеспечивающих разведение лент стабилизатора, что защищает их от скручивания в потоке и обеспечивает надежную стабилизацию, являющуюся необходимым условием для обеспечения нулевых углов атаки и требуемых углов подхода к цели, а следовательно, для обеспечения повышенной эффективности. В отличие от турбулентной зоны, возникающей за кормовым срезом цилиндрической хвостовой части, данные вихревые турбулентные зоны находятся не строго в следе за боевым элементом, а расходятся в стороны под некоторым небольшим углом. В результате этого ленты стабилизатора, попадая в вихревой турбулентный поток, разводятся друг от друга. Это обстоятельство позволяет предотвратить процесс скручивания лент в потоке при стабилизированном движении БЭ. Глубина и ширина радиальных проточек выбраны таким образом, чтобы обеспечить образование турбулентных вихрей. Проведенные в аэродинамических трубах эксперименты показали, что при уменьшении ширины и глубины проточек менее 0.1f указанный эффект теряется. Увеличение ширины проточек более 0.2f влияния на образование вихревых зон не оказывает, но является нежелательным, так как снижает массу осколочной рубашки боевого элемента. Максимальная глубина проточек с точки зрения оптимизации обтекания не регламентируется и может быть выбрана из условий обеспечения необходимого дробления корпуса на осколки при детонации взрывчатого вещества. Длина хвостовой части, оснащенной турбулизаторами, и шаг их расположения определены из соображений обеспечения ширины и плотности турбулентного потока. Увеличение шага расположения турбулизатров более 0.2d ведет к снижению плотности турбулентных вихрей, что уменьшает вероятность попадания лент стабилизатора в вихревой поток и приводит к нестабильности процесса. Уменьшение шага менее 0.1d влияния на плотность образования вихревых зон не оказывает, но при этом может отрицательно сказаться на прочностных свойствах боевого элемента. Уменьшение длины хвостовой части корпуса, оснащенной турбулизаторами менее 1d, не позволяет сформировать турбулентный поток с шириной, достаточной для разведения лент стабилизатора на расстояние, исключающее возможность скручивания лент. Увеличение длины хвостовой части корпуса, оснащенной турбулизаторами более 1.3d, является нецелесообразным, так как не оказывает влияния на достигнутый положительный эффект.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид боевого элемента, на фиг.2 изображены геометрические размеры турбулизаторов, а на фиг.3 - процесс обтекания боевого элемента с цилиндрической хвостовой частью без турбулизаторов (а) и боевого элемента с хвостовой частью, выполненной по сферической образующей, и оснащенного турбулизаторами (b).
Боевой элемент состоит из цилиндрического корпуса 1 с углублением в носовой части, хвостовой части 2, оснащенной турбулизаторами 3, и ленточного стабилизатора 4, закрепленного на донном срезе 5.
Хвостовая часть 2 выполнена на длине 0.5…0.6d по сферической образующей радиусом 2…2.3d, позволяющей сформировать зону пониженного давления на корпусе и плавно изменить направление движения потока, обтекающего боевой элемент (фиг.3, b). Такая конструкция позволяет избежать образования застойной зоны за донным срезом 5 (фиг.3, a) и обеспечить функционирование ленточного стабилизатора 4 по всей его длине. Оснащение хвостовой части 2 на длине 1…1.3d турбулизаторами 3, выполненными в виде радиальных проточек с шагом f=0.1…0.2d, глубиной не менее 0.1f и шириной 0.1…0.2f, обеспечивает образование вихревых турбулентных зон, гарантирующих разведение лент стабилизатора 4 (фиг.3, b), что защищает их от скручивания в потоке и обеспечивает надежную стабилизацию. Достижение описанных положительных эффектов обеспечивает оптимальные углы подхода к цели, что в свою очередь позволяет обеспечить повышенную эффективность боевого элемента.
Предлагаемый боевой элемент работает следующим образом. В заданной точке траектории полета реактивного снаряда от него отделяются боевые элементы. После отделения корпус элемента (1) и скрепленная с ним хвостовая часть (2) за счет начальных возмущений и отсутствия стабилизирующего момента совершает нестабилизированный полет. Затем в набегающий поток воздуха вводят многоленточный стабилизатор 4 и происходит вытягивание его лент, при этом БЭ может находиться в произвольном положении в пространстве. Ленты начинают работать в потоке и создавать стабилизирующий момент относительно центра масс элемента, в результате чего БЭ ориентируется своей носовой частью в направлении движения и совершает затухающие колебания. В процессе обтекания корпуса боевого элемента воздушный поток движется вдоль стенок корпуса (1) и хвостовой части (2), выполненной по сферической образующей, плавно смыкаясь за донным срезом 5 (фиг.3, b). Благодаря этому ленты по всей своей длине оказываются в воздушном потоке, а застойная зона за донным срезом (5) имеет очень малую протяженность и не оказывает влияния на работу лент стабилизатора (4). Это обстоятельство способствует скорейшему затуханию колебаний и выходу на нулевой балансировочный угол атаки. Находясь в потоке, ленты стабилизатора (4) начинают совершать беспорядочные колебания, которые могут привести к их скручиванию. Это недопустимо, так как в результате скручивания стабилизирующий момент существенно уменьшится, ввиду того что скрученные ленты будут работать как одна. Как только боевой элемент сориентируется по потоку, на турбулизаторах (3), выполненных на хвостовой части (2), начинают образовываться вихревые турбулентные структуры, которые срываются с турбулизаторов под некоторым углом. Образовавшиеся вихри имеют достаточную протяженность и интенсивность для вовлечения в них лент стабилизатора. Это обстоятельство позволяет развести ленты друг от друга, предотвратив их скручивание (фиг.3, b). Таким образом, за счет обеспечения разведения лент стабилизатора (4), исключающего их скручивание, и за счет обеспечения функционирования лент стабилизатора в потоке по всей их длине обеспечиваются оптимальные углы подхода БЭ к цели, что в свою очередь позволяет обеспечить повышенную эффективность боевого элемента.
Указанный положительный эффект подтвержден большим объемом экспериментальных исследований макетов и натурных боевых элементов, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением, на стендах, в аэродинамических трубах и при проведении летных испытаний.
В настоящее время ведется разработка рабочей конструкторской документации, намечено серийное производство боевых элементов предлагаемой конструкции.