Результат интеллектуальной деятельности: СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемое изобретение относится к области оборонной техники, в частности к стабилизирующим устройствам артиллерийских снарядов, как управляемых, так и неуправляемых.

Известно стабилизирующее устройство [1], предназначенное для снаряда, выстреливаемого из ствола, под действием движущих газов. Снаряд имеет несколько ребер стабилизатора, шарнирно закрепленных на одном конце и занимающих сложенное положение во время движения снаряда в стволе. На ребра стабилизатора действует развертывающее усилие, создаваемое поршнем, который перемещается в полости направляющего устройства. В направляющем устройстве предусмотрен канал, по которому во время увеличения давления газов в стволе газы попадают в камеру, расположенную с одной стороны поршня, и создают в этой камере давление, необходимое для перемещения поршня. Внутри канала установлен клапан, который закрывает канал при уменьшении давления газов в стволе. Закрытие клапана происходит до прохода механизма через дульную часть ствола.

Раскрытие лопастей стабилизатора начинается без всякой задержки, когда давление в камере поршня в общей сложности превысит силу давления газов в стволе и действующие на поршень инерционные силы стартовой перегрузки, что происходит еще в момент прохождения снарядом нарезной части ствола. В это время лопасти удерживаются в сложенном положении только действием ствольной перегрузки за счет смещения центра масс лопасти относительно оси поворота. При сообщении им достаточно мощного импульса со стороны поршня, возможен удар раскрывающихся лопастей как о внутренние стенки непосредственно ствола, так и о дульный тормоз орудия, имеющего большое относительное удлинение. Не исключено и повреждение самих лопастей стабилизатора.

Известно также стабилизирующее устройство артиллерийского снаряда [2], которое является прототипом предлагаемого изобретения. Оно содержит лопасти стабилизатора, одним концом шарнирно закрепленные осями на корпусе хвостового отсека, и устройство раскрытия лопастей с установленным подвижно в центральной цилиндрической полости хвостового отсека рабочим элементом, выполненным в виде поршня, с одной стороны которого расположена камера, газодинамически сообщенная с заснарядным объемом через канал в поршне. Оси лопастей стабилизатора размещены в передней части хвостового отсека, с обеспечением возможности разворота лопастей по направлению движения снаряда и на задних кромках лопастей выполнены вырезы, с которыми контактирует кольцевой выступ, образованный на наружной поверхности поршня устройства раскрытия, а сам поршень снабжен устройством фиксации положения в виде упругой разжимной цанги с утолщением на наружной поверхности разрезного конца, закрепленной на переднем торце поршня и упирающейся своим утолщением в наклонную поверхность фаски, выполненной в передней части центральной цилиндрической полости хвостового отсека, при этом в камере поршня размещен замковый механизм, включающий подвижное инерционное тело, в кольцевой проточке которого расположено разрезное кольцо, и ступенчатую цилиндрическую втулку с кольцевой канавкой на внутренней поверхности, установленную между инерционным телом и цангой с возможностью двухпозиционной фиксации положения, а между инерционным телом и поршнем расположена возвратная пружина.

При выходе снаряда из ствола, после обнуления ствольной перегрузки срабатывает замковый механизм, выводя втулку из контактирования с упругой разжимной цангой и давая последней возможность обжиматься. Под действием давления пороховых газов, поступивших во внутреннюю камеру устройства раскрытия из заснарядного объема через газоводный канал, поршень, сжимая и увлекая за собой цангу, перемещается в центральной цилиндрической полости хвостового отсека и, ударяя одновременно по всем лопастям, сообщает им необходимый для быстрого раскрытия импульс. Центробежный силы, действующие на лопасти, доворачивают их до рабочего положения.

Рабочий элемент устройства раскрытия лопастей - поршень, являясь одновременно и стопорящим лопасти элементом, удерживает их в сложенном положении при движении снаряда по стволу, а наличие в устройстве инерционного замкового механизма обуславливает некоторую задержку начала процесса раскрытия, что позволяет снаряду свободно, без удара раскрывающихся лопастей об орудие, проходить дульный тормоз даже большого удлинения.

Использование в артиллерии крупного калибра раздельногильзового заряжания с переменным метательным зарядом, масса которого меняется в зависимости от дальности стрельбы, означает большой диапазон стартовых перегрузок и давлений пороховых газов в каморе орудия.

При движении артиллерийского снаряда по каналу ствола на элементы стабилизирующего устройства действует осевая перегрузка, поэтому на лопастях за счет смещения их центра масс относительно осей поворота возникает момент, стремящийся выдвинуть поршень из центральной цилиндрической полости хвостового отсека. В случае стрельбы на большую дальность этот момент, а следовательно, и осевая сила, передающаяся через поршень на упругую разжимную цангу, будут максимальными, что может привести к разрыву лепестков разрезного конца цанги или к деформации мест контактирования кольцевого выступа поршня и вырезов лопастей. Простое упрочнение цанги путем утолщения ее лепестков ведет к возможности несрабатывания устройства раскрытия при стрельбе на минимальную дальность, когда рабочее давление в камере поршня небольшое и недостаточно для обжатия очень "жесткой" цанги.

Кроме того, при работе на полном метательном заряде в камеру устройства раскрытия через канал в поршне набирается значительное давление, которое после выхода снаряда из ствола орудия действует изнутри на поршень, заставляя закрепленную на его переднем торце упругую разжимную цангу обжиматься. В этот момент ввиду своей инертности замковый механизм еще не сработал и его втулка, находясь внутри цанги, препятствует ее обжатию. Из-за высокого давления в камере устройства раскрытия силы трения, возникающие между цангой и втулкой, значительно превышают усилие возвратной пружины замкового механизма, происходит "защемление" втулки цангой, и инерционное тело, связанное с втулкой, остается неподвижным. Такое взведенное состояние механизма продлится до тех пор, пока давление из полости устройства не стравится через канал в поршне до величины, при которой сила трения в паре "втулка-цанга" уравновесится силой возвратной пружины. Только при этом произойдет срабатывание замкового механизма и раскрытие лопастей. Однако за это время снаряд с нераскрытым оперением уже пройдет значительное расстояние и, являясь незастабилизированным, приобретет большие углы атаки и начальные возмущения.

Увеличение размеров канала поршня для уменьшения времени стравливания газов приведет к набору еще большего давления в камеру устройства раскрытия и повышенным нагрузкам на цангу и стенки поршня при выходе снаряда из ствола орудия. Уменьшение же диаметра канала с целью снижения давления в камере устройства при работе на полном заряде может привести к невозможности раскрытия лопастей при работе на уменьшенном заряде, так как в этом случае величина давления в камере поршня будет недостаточной для "прощелкивания" цанги и сообщения лопастям необходимого для раскрытия им пульса.

Большие нагрузки на элементы стабилизирующего устройства при использовании полного метательного заряда и возможное при этом "защемление" втулки замкового механизма цангой устройства раскрытия приводят к снижению надежности раскрытия лопастей стабилизатора.

Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение надежности раскрытия лопастей стабилизирующего устройства во всем рабочем диапазоне стартовых перегрузок и давлений пороховых газов в каморе орудия за счет уменьшения действующих на цангу осевой нагрузки и исключения "защемления" цангой втулки замкового механизма при выходе из ствола орудия. Это достигается тем, что в стабилизирующем устройстве, содержащем шарнирно закрепленные осями на корпусе хвостового отсека лопасти с вырезами на задних кромках под рабочий элемент, устройство раскрытия лопастей с рабочим элементом в виде подвижного поршня с кольцевым выступом на наружной поверхности и замковым механизмом со ступенчатой втулкой, установленной между инерционным телом и упругой разжимной цангой, передняя торцевая поверхность кольцевого выступа поршня устройства раскрытия выполнена наклонной в сторону оси разворота лопасти, а вырезы на задних кромках лопастей выполнены с обеспечением взаимодействия с наклонной поверхностью кольцевого выступа поршня, при этом наружная поверхность большей ступени втулки замкового механизма выполнена конической с большим диаметром со стороны выхода из цанги, причем угол наклона ее образующей равен углу трения между втулкой и цангой.

Выполненная в виде конуса поверхность большей ступени втулки замкового механизма позволяет за счет возникающей осевой составляющей реакции втулки на действие радиальной силы, сжимающей цангу, компенсировать силу трения в паре "цанга-втулка" и исключить "защемление" втулки цангой. При этом угол наклона образующей конической поверхности втулки должен быть равен углу трения между втулкой и цангой. Увеличение угла наклона образующей может привести к преждевременному "выщелкиванию" втулки из цанги, а его уменьшение - к замедлению в срабатывании замкового механизма.

Наклонные вырезы на задних кромках лопастей и контактирующая с ними поверхность переднего торца кольцевого выступа поршня уменьшают осевую силу, передающуюся на цангу и поршень со стороны лопастей, как в момент движения по стволу орудия при действии стартовой перегрузки, так и в момент выхода снаряда из ствола при действии на лопасти центробежных сил от вращения. Это приводит к уменьшению радиальных сил, сжимающих цангу, к снижению сил трения и исключению "защемления" цангой втулки замкового механизма при выходе снаряда из ствола, а также к предотвращению выдавливания втулки из цанги при движении снаряда по стволу.

На фиг. 1 представлен общий вид стабилизирующего устройства, на фиг. 2 - общий вид устройства раскрытия лопастей стабилизатора, на фиг. 3 и 4 приведены схемы распределения сил, действующих на элементы устройства раскрытия стабилизатора при движении его по нарезной части ствола. Штрих-пунктиром показано положение лопастей раскрытого стабилизатора.

Стабилизирующее устройство содержит лопасти 1, одним концом шарнирно закрепленные осями 2 на корпусе 3 хвостового отсека, замковый механизм и устройство раскрытия лопастей с рабочим элементом в виде поршня 4, установленного подвижно в центральной цилиндрической полости хвостового отсека. На наружной поверхности поршня расположен кольцевой выступ, передний торец "a" которого выполнен наклонным в сторону осей 2 лопастей. На задних кромках лопастей 1 выполнены вырезы "b", которые в сложенном положении лопастей взаимодействуют с наклонной поверхностью "а" кольцевого выступа поршня 4. В задней части поршня образован канал "с", газодинамически соединяющий внутреннюю камеру поршня с заснарядным объемом. От осевого перемещения поршень зафиксирован закрепленной на его переднем торце упругой разжимной цангой 5, которая своим утолщением на наружной поверхности разрезного конца упирается в наклонную поверхность фаски, выполненной в передней части центральной цилиндрической полости. В камере поршня устройства раскрытия, соосно с поршнем 4, установлен замковый механизм, включающий возвратную пружину 6, установленную враспор между поршнем 4 и инерционным телом 7, разрезное кольцо 8, расположенное в проточке "d" инерционного тела и ступенчатую втулку 9 с канавкой на внутренней поверхности, установленную между инерционным телом 7 и цангой 5 с возможностью двухпозиционной фиксации положения. При этом наружная поверхность "e" большей ступени втулки 9, контактирующая с цангой 5, выполнена в виде конуса с большим диаметром со стороны выхода из цанги. Угол наклона "а" образующей конической поверхности "e" втулки равен углу трения между втулкой и цангой. Осевое перемещение возвратной пружины 6 ограничено скобой 10, закрепленной на хвостовом отсеке.

При движении снаряда по стволу на элементы стабилизирующего устройства действует ствольная перегрузка и центробежные силы от вращения снаряда. На лопастях 1 за счет смещения их центра масс относительно осей 2 возникает момент, который, действуя на кольцевой выступ поршня 4, стремится расстопорить лопасти. В случае, когда взаимодействие вырезов "b" задних кромок лопастей и кольцевого выступа поршня происходит по поверхности, перпендикулярной продольной оси снаряда (передний торец кольцевого выступа - прямой), осевая сила P_mx ^*, действующая на поршень от момента на лопастях, определится по формуле:

где М - момент на лопастях от ствольной перегрузки и центробежных сил;
L₁ - плечо осевой силы, действующей на поршень с прямым кольцевым выступом.

В предложенной конструкции стабилизирующего устройства передний торец кольцевого выступа выполнен наклонным в сторону осей разворота лопастей. В этом случае осевая составляющая P_mx силы P_m, действующей по нормали к наклонной поверхности "a" поршня 4 от момента на лопастях, будет определяться:

где γ - угол наклона контактной поверхности кольцевого выступа поршня;
L - плечо силы, действующей на поршень с наклонным передним торцем выступа, которое выражается:

Подставляя значение плеча L в выражение для осевой составляющей силы, получим:

то есть: P_mx<P_mx ^*.

Использование конической поверхности в месте зацепления лопастей и поршня позволяет снизить осевую силу, действующую на поршень, а следовательно, и на цангу.

Под воздействием стартовой перегрузки инерционное тело 7 замкового механизма давит на разрезное кольцо 8, которое, взаимодействуя с втулкой 9, обжимается и утопает в проточке "d" инерционного тела. При движении инерционного тела назад сжимается возвратная пружина 6 и разрезное кольцо 8, проскакивая во внутреннюю проточку "f" втулки, связывает последнюю с инерционным телом. Одновременно с этим через канал "с" в поршне 4 в камеру устройства раскрытия из заснарядного пространства поступают пороховые газы метательного заряда, создавая там давление P_вн.. В момент выхода снаряда из ствола на цангу 5 действует осевая сила P, которая определится соотношением:
P=P_вн•S_n+P_mx,
где S_n - площадь поперечного сечения поршня.

В результате взаимодействия цанги 5 с наклонной поверхностью фаски, выполненной в передней части центральной цилиндрической полости хвостового отсека, которая представляет собой конус с углом наклона образующей β, возникает радиальная сила P₁, равная:
P₁=P•tg β,
под действием которой на наружной поверхности втулки 9 возникает нормальная сила реакции N и соответствующая ей сила трения F_тр:

где α - угол наклона образующей конической поверхности втулки.

где k - коэффициент трения между втулкой и цангой.

Осевые составляющие этих сил будут соответственно равны:

Условие срабатывания замкового механизма при выходе снаряда из ствола:
F_пр/F_трх-N_x,
где F_пр - усилие сжатия возвратной пружины;
F_пр/P•tgβ•k-P•tgβ•tgα.
Для того чтобы исключить возможность защемления втулки 9 цангой 5, угол α наклона образующей конической поверхности "e" втулки равен углу трения между втулкой и цангой, при этом:
k=tg α.
Разброс по допускам величины угла α компенсируется силой пружины F_пр.. Увеличение угла α может привести к самопроизвольному "выщелкиванию" втулки 9 из цанги 5, а его уменьшение - к заклиниванию втулки.

Уменьшение составляющей P_mx осевой силы за счет выполнения переднего торца кольцевого выступа поршня 4 наклонным уменьшает силу трения F_тр в паре "втулка-цанга". Так как защемление втулки не происходит, то возвратная пружина 6 передвигает инерционное тело 7 вперед до упора в скобу 10, выводя связанную с ним посредством разрезного кольца 8 втулку 9 из цанги 5, которая получает возможность обжиматься.

Под действием внутреннего давления в камере устройства раскрытия поршень 4, сжимая цангу 5, выдвигается из корпуса 3 хвостового отсека и сообщает лопастям 1 необходимый импульс.

Таким образом, выполнение переднего торца кольцевого выступа поршня устройства раскрытия и вырезов на задних кромках лопастей наклонными, а наружной поверхности большей ступени втулки замкового механизма коническими, позволяет снизить осевую силу, действующую на элементы устройства раскрытия, и исключить возможность "защемления" втулки упругой разжимной цангой, что ведет к повышению надежности раскрытия лопастей стабилизатора.

Источники информации
1. Международная заявка РСТ (WO) N 86/03579 по классу МКИ 5 F 42 B 10/14, 10/48, опубликована 19 июня 1986 года.

2. Патент России N 2126130 от 10 февраля 1999 года (заявка N 97114605/02 (014817) от 13 августа 1997 года) по классу МКИ 6 F 42 B 10/14.