Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТРАНСФОРМАЦИИ В ПОЛЕТЕ КОРМОВОГО ОТСЕКА АРТИЛЛЕРИЙСКОГО СНАРЯДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к оборонной технике, в частности к способу повышения дальности стрельбы артиллерийскими снарядами за счет снижения их донного сопротивления на траектории, реализуемого в снарядах с трансформируемым в полете кормовым отсеком.

Известен способ увеличения дальности полета артиллерийского снаряда [Патент РФ №2251068 по классу F42B 10/38 с приоритетом от 08.12.2003 г., опубл. 27.04.2005

г.], заключающийся в том, что при движении снаряда по каналу ствола аккумулируют часть газов заснарядного пространства в накопительной полости снаряда, а после вылета снаряда из ствола за счет аккумулированной энергии в накопительной камере удлиняют кормовую часть снаряда, придавая ей коническую форму. Данный способ в представленной группе изобретений конкретизируется устройством для увеличения дальности полета артиллерийского снаряда в виде телескопического выдвижного устройства, использующего для трансформации в полете описанную энергетику. Данное устройство обладает существенными недостатками в том отношении, что требует на каждый выдвижной элемент наличия своего осевого фиксатора. При этом внешняя поверхность сформированного выдвижного обтекателя всегда будет иметь уступы в местах сочленения телескопических колец, что отрицательно скажется на качестве его обтекания воздушным потоком. Кроме этого масса такого устройства будет гораздо больше, чем тонкостенной сплошной оболочки, которую можно получить за счет деформирования, например, гофрированной мембраны, используя описанный способ энергетического воздействия. В рассмотренной группе изобретений нецелесообразно использовать давление газов как силовое воздействие для формирования выдвижного обтекателя, как с точки зрения его эффективности, так и необходимости поддержания давления внутри обтекателя на протяжении всего полета. В данном случае можно использовать более простой энергетический способ - трансформацию телескопического устройства за счет упругого деформирования пружины сжатия, как это реализовано в патенте GB 2394029 А.

Наиболее близким аналогом предлагаемой группы изобретений является артиллерийский снаряд [патент РФ на полезную модель №92169 по классу F42B 10/38 с приоритетом от 16.10.2009 г., опубл. 10.03.2010 г.], в котором рассмотренный способ используется в части генерирования энергии ствольных газов для трансформации деформируемого элемента в виде гофрированной мембраны в тонкостенную оболочку кормового обтекателя конической или близкой к ней формы. В данном случае использование аккумулированной энергии ствольных газов вполне оправдано, т.к. требуется создать весьма значительное усилие деформирования мембранного элемента.

Описанный в данном патенте артиллерийский снаряд имеет трансформируемый кормовой отсек с устройством для увеличения дальности полета, содержащий накопительную камеру и дроссельное устройство, при этом устройство для увеличения дальности полета снабжено опорным рифленым диском и радиально гофрированной мембраной, наложенной на соответствующее профильное рифление диска и закрепленной на его наружной поверхности, а в центре диска установлено дроссельное устройство с возможностью осевого перемещения и закрепленное на мембране, при этом гофрированная мембрана выполнена в виде коаксиальной совокупности зигзагообразных гофров с закругленными торцами, между которыми имеются цилиндрические участки.

Вышеуказанный прототип обладает существенным недостатком - одинаковое внутреннее давление, генерируемое в объеме между опорным диском и мембраной газом из накопительной камеры, приводит к неравномерным напряжениям в гофрированной мембране постоянной толщины при ее деформировании в коническую оболочку. В данном случае как меридиональные σ_m, так и окружные σ_t напряжения в каждом сечении оболочки обтекателя в ходе ее трансформации под действием внутреннего давления пропорциональны , т.е. они увеличиваются к основанию конической оболочки и уменьшаются к ее вершине при одинаковой толщине материала мембраны (здесь ρ - внутреннее давление, r_x - осевой радиус оболочки на расстоянии х от ее основания, δ_x - толщина оболочки в данном сечении). Это приводит к тому, что гофры мембраны наименьшего диаметра не смогут раскрыться полностью, так как им не будет хватать усилия деформирования, формируемого внутренним давлением, при предельно допустимых напряжениях в оболочке на ее больших диаметрах, и, следовательно, форма трансформируемого кормового обтекателя не будет в полной мере соответствовать заданной, т.е. плавно обтекаемой.

Технической задачей настоящей группы изобретений является увеличение дальности полета артиллерийского снаряда за счет улучшения его аэродинамического качества путем снижения донного сопротивления посредством придания в полете кормовой части снаряда формы, плавно обтекаемой набегающим потоком воздуха, без изменения штатных габаритов снаряда до выстрела и при минимальной массе трансформируемого кормового отсека.

Поставленная задача решается таким образом, что в способе трансформации в полете кормового отсека артиллерийского снаряда, заключающемся в том, что при движении снаряда по каналу ствола аккумулируют часть газов заснарядного пространства в накопительной камере кормового отсека, а после вылета снаряда из ствола за счет аккумулированной энергии газов удлиняют кормовой отсек снаряда, путем деформирования гофрированной мембраны, придавая ей форму конической оболочки, деформирование мембраны проводят последовательным, двухступенчатым режимом ее нагружения, при этом сначала создают осевое воздействие на центральную часть гофрированной мембраны, которым раскрывают гофры наименьшего диаметра, а затем продолжают ее нагружение внутренним давлением, которым окончательно трансформируют гофрированную мембрану в коническую оболочку.

При этом переход от осевого нагружения к воздействию внутренним давлением осуществляют при перемещении центральной части мембраны на 0,25…0,3 от полной величины продольно-осевой деформации мембраны, а параметры последовательного нагружения гофрированной мембраны выбирают таким образом, что меридиональные напряжения от осевого усилия во внутреннем гофре мембраны соотносятся с аналогичными напряжениями в наружном гофре мембраны, создаваемыми внутренним давлением газов в замкнутом объеме полностью деформируемой мембраны, в пределах от 0,9 до 1,1.

Устройство для реализации описанного способа трансформации в полете кормового отсека артиллерийского снаряда, содержащее накопительную камеру, дроссельное устройство, опорный рифленый диск, радиально гофрированную мембрану, наложенную на соответствующее профильное рифление опорного диска и закрепленную на его наружной поверхности, и дроссельное устройство, установленное в центре опорного рифленого диска с возможностью осевого перемещения и скрепленное с радиально гофрированной мембраной, при этом в накопительной камере дополнительно размещен выдвижной толкатель, герметично соединенный с центральной частью мембраны через дроссельное устройство, и состоящий из телескопических, герметизирующих друг друга внутренней и наружной втулок, установленных с возможностью их последовательного осевого перемещения до упора во внутреннюю торцевую поверхность опорного диска, причем на наружной втулке выполнены радиальные отверстия для выхода газа из накопительной камеры в полость между опорным рифленым диском и радиально гофрированной мембраной.

Группа изобретений поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено совмещенное осевое сечение устройства трансформации кормового отсека артиллерийского снаряда с выдвижным толкателем в канале ствола (верхняя часть) и после выхода снаряда из ствола (нижняя часть) в момент окончания осевого воздействия выдвижного толкателя на радиально гофрированную мембрану - первая ступень деформирования и окончательное состояние кормового отсека после реализации второй ступени деформирования радиально гофрированной мембраны внутренним давлением в коническую оболочку.

На фиг.2 показана форма кормового обтекателя, полученного деформированием радиально гофрированной мембраны постоянной толщины при воздействии на нее в процессе деформации только внутренним давлением без осевого воздействия (нижняя часть), а в верхней части показано соответствующее устройство трансформации кормового отсека без выдвижного толкателя.

Устройство трансформации в полете кормового отсека артиллерийского снаряда включает: корпус 1 и опорный рифленый диск 2, которые образуют накопительную камеру 3, радиально гофрированную мембрану 4, внешний край которой жестко зафиксирован на опорном диске 2 и ее гофры плотно опираются на его рифления, а в центральной не гофрированной части мембраны герметично закреплено дроссельное устройство 5, соединяющее заснарядное пространство 6 с накопительной камерой 3 через обратный клапан 7, при этом внутри накопительной камеры размещен выдвижной толкатель, состоящий из телескопических, герметизирующих друг друга внутренней 8 и наружной 9 втулок. При этом внутренняя втулка 8 герметично соединена с дроссельным устройством, а наружная втулка 9 по скользящей посадке размещена во внутреннем отверстии опорного диска с возможностью скольжения в ней внутренней втулки 8 до соприкосновения ограничивающих выступов. Длина образующей радиально гофрированной мембраны 4 рассчитана из условия трансформации ее при деформировании в коническую оболочку заданной конусности из условия обеспечения безотрывного обтекания комового обтекателя потоком набегающего воздуха. Для получения заданной формы кормового обтекателя необходимо соответствующим образом организовать режим нагружения гофрированной мембраны в процессе ее трансформирования в коническую оболочку с учетом особенностей упруго-пластического деформирования. Как показали результаты численного моделирования, при постоянной толщине мембраны необходимо реализовать двухступенчатый режим ее нагружения - сначала осевое воздействие на центральную часть мембраны осевым толкателем, а затем внутренним давлением на всю раскрывающуюся оболочку. В этом случае удастся получить оболочку максимального удлинения с удобообтекаемой внешней поверхностью (см. фиг.1), и то, и другое необходимо для максимального уменьшения аэродинамического сопротивления снаряда. Стрелками на чертежах показано движение газа в процессе работы устройства трансформации (р_ст - давление газов в стволе, р_нк - давление в накопительной камере и толкателе и р_вн - давление под мембраной действует в свободном полете).

Работает устройство трансформации в полете кормового отсека артиллерийский снаряд, с учетом вышеприведенного описания, следующим образом. При выстреле давлением пороховых газов р_ст производится разгон снаряда в стволе и одновременно через дроссельное устройство 5 происходит накопление газа высокого давления р_нк в накопительной камере 3, образованной донным срезом корпуса снаряда 1 и опорным рифленым диском 2. Радиально гофрированная мембрана 4 во время нахождения снаряда в стволе под воздействием высокого давления р_ст поджимается к опорному рифленому диску 2, поэтому для обеспечения необходимой прочности конструкции не требуется большой толщины ее стенок. После выхода снаряда из ствола давление окружающей среды (давление за донным срезом снаряда) становится значительно ниже давления газа р_нк в накопительной камере 3, при этом создается возможность осевого перемещения дроссельного устройства вместе с внутренней телескопической втулкой 8 и центральной частью радиально гофрированной мембраны 4 под действием осевого усилия, формируемого давлением внутри наружной и внутренней втулок 8 и 9. При этом движении внутренние гофры радиально гофрированной мембраны 4 начинают деформироваться в наибольшей степени, так как в них создаются наибольшие напряжения. В процессе движения внутренняя втулка зацепляет своим наружным буртиком соответствующий выступ внешней втулки, и она начинает свое осевое перемещение внутри опорного рифленого диска 2 до упора в него внешним ограничивающим выступом. После этого радиальные отверстия наружной втулки обеспечивают перетекание газов из накопительной камеры в полость, образованную опорным рифленым диском и частично деформированной радиально гофрированной мембраной. Вследствие этого повышается давление в данной полости, что приводит в конечном итоге к полному деформированию всех гофров мембраны и образуемая оболочка приобретает заданную форму.

Предлагаемый способ трансформации кормового обтекателя артиллерийского снаряда и устройство для его реализации обеспечат трансформирование радиально гофрированной мембраны в кормовой обтекатель оптимальным образом, т.к. позволят наиболее равномерно нагружать все гофры мембраны в процессе ее деформирования. В конечном итоге это позволит получить кормовой обтекатель с высоким качеством внешней поверхности и в полной мере удовлетворить условиям обеспечения безотрывного обтекания кормовой части снаряда набегающим потоком воздуха и, следовательно, существенно снизить его аэродинамическое сопротивление, а за счет этого увеличить дальность полета.

Как показали результаты численного моделирования, использование предлагаемого способа трансформации кормового обтекателя и устройства, его реализующего, позволит уменьшить коэффициент полного аэродинамического сопротивления артиллерийского снаряда на 25-30%, что приведет к увеличению дальности полета снаряда как минимум на 15-20%.