Результат интеллектуальной деятельности: Артиллерийский снаряд с запоясковым конусом

Изобретение относится к боеприпасам, а именно к осколочно-фугасным снарядам, и может быть использовано в военном деле.

Известен артиллерийский осколочно-фугасный снаряд 3ОФ45М-1 (фиг. 1), содержащий корпус 1 с переходной втулкой 2 и ведущим пояском 3, запоясковый конус 4, снаряжение в виде разрывного заряда 5, картонных прокладок 6 и шашки дополнительного заряда 7. Картонные прокладки 6, размещенные между разрывным 5 и дополнительным 7 зарядами, предназначены для поджатая разрывного заряда. Артиллерийский снаряд укомплектован взрывателем 8 (см. с. 228-229 [1]; с. 22-24, 26-28 [2]).

С развитием артиллерии увеличивались требования к тактико-техническим характеристикам выстрелов и снарядов. Одним из требований, предъявляемых к артиллерии и боеприпасам к ней, было и остается - это увеличение дальности стрельбы, которая расширяет круг задач, решаемых артиллерией, и уменьшает вероятность ее поражения при контрбатарейной стрельбе. Наличие у снаряда 3ОФ45М-1 удлиненного запояскового конуса 4 (см. фиг. 1) уменьшает его донное сопротивление в полете и увеличивает дальность стрельбы. Другим известным артиллерийским осколочно-фугасным снарядом является снаряд 3ОФ61 (см. с. 229-230 [1]; с. 25 [2]). У снаряда 3ОФ61, в отличие от снаряда 3ОФ45М-1, в объеме запояскового конуса расположен пороховой генератор [2]. Наличие порохового газогенератора обеспечивает значительное уменьшение донного сопротивления (исключает донный подсос), что приводит к увеличению дальности полета снаряда. Известно, что при движении снаряда в воздухе вследствие торможения частиц пограничного слоя трением нарушается плавное обтекание поверхности снаряда, возникает отрыв пограничного слоя от поверхности снаряда, сопровождающийся вихреобразованием. Отрыв пограничного слоя происходит обычно в запоясковой части снаряда или за его донным срезом. При этом за донным срезом снаряда образуется область пониженного давления, в которую с поверхности снаряда срываются крупные воздушные вихри, образующие вихревой, так называемый, аэродинамический след за дном снаряда.

Указанные снаряды являются прототипами предлагаемого и имеют следующие основные недостатки:

- у снаряда 3ОФ45М-1 хотя и уменьшается донное сопротивление, но не в достаточной степени;

- у снаряда 3ОФ61 пороховой газогенератор обеспечивает значительное уменьшение донного сопротивления, но он работает определенное время, т.е. не на всей траектории полета и является узлом, усложняющим конструкцию снаряда.

Наиболее близким к заявляемому снаряду является осколочно-фугасный снаряд 3ОФ45М-1.

Предлагается конструктивными изменениями запояскового конуса снаряда решить задачу повышения дальности полета снаряда за счет существенного снижения донного сопротивления без значительных материальных затрат.

Указанная цель достигается тем, что в известном осколочно-фугасном снаряде, содержащем корпус 1 с переходной втулкой 2 и ведущим пояском 3, запоясковый конус 4, снаряжение в виде разрывного заряда 5, картонных прокладок 6 и шашки дополнительного заряда 7, и приведенным в окончательное снаряжение взрывателем 8, в запоясковом конусе выполнены сквозные отверстия наклонно к продольной оси корпуса под углом γ=34°-α (фиг. 2). Угол в 34° получен из условия исключения перекрытия площадей входа и выхода наклонного отверстия (определен при α=0, как для предельного случая, где α - угол при переходе цилиндрической запоясковой части в коническую).

Эффективно, если суммарная площадь наклонных отверстий по поперечному сечению превышает площадь поперечного сечения внутренней поверхности запояскового конуса по нижнему срезу, т.е. количество отверстий (см. фиг. 2). Диаметр наклонного отверстия d₀ определяется из условия не перекрытия площадей его входа и выхода в плоскости, проходящей через образующую запояскового конуса. При этих условиях диаметр отверстия зависит от толщины стенки запояскового конуса и угла его наклона к продольной оси корпуса снаряда, т.е. d₀=h cos γ, где h - толщина стенки запояскового конуса.

На фиг. 1 изображен осколочно-фугасный снаряд 3ОФ45М-1; на фиг. 2 - предлагаемый артиллерийский снаряд с запоясковым конусом.

Принцип работы заявленного артиллерийского снаряда с запоясковым конусом повышенной дальности стрельбы за счет существенного снижения донного сопротивления воздуха заключается в следующем.

В полете артиллерийский снаряд совершает поступательное и вращательное движение. Центр масс снаряда описывает в пространстве траекторию, снаряд вращается вокруг своей оси, а ось снаряда совершает сложное колебательное движение вокруг касательной к траектории.

На снаряд со стороны воздуха будет действовать сила сопротивления воздуха R_в, направленная в сторону, обратную движению. Кроме силы сопротивления воздуха на снаряд будет действовать сила тяжести mg, где m - масса снаряда, a g - ускорение свободного падения.

Уравнение поступательного движения снаряда имеет вид

где V - скорость движения снаряда;

t - время;

Θ - угол наклона касательной к траектории.

Силу сопротивления воздуха R_в можно определить по зависимости

где С_х - аэродинамический коэффициент продольной силы сопротивления;

S_м - площадь миделя снаряда;

ρ - плотность воздуха.

Поскольку плотность воздуха меняется с высотой, а скорость движения снаряда также является переменной величиной, то решить задачу по определению параметров полета снаряда в аналитическом виде не представляется возможным. Поэтому в первом приближении выражение для силы сопротивления воздуха можно получить в общем виде, рассмотрев сущность физических процессов, протекающих при движении снаряда в воздухе.

Известно, что большую часть траектории полета снаряд движется со сверхзвуковой скоростью , т.е. впереди снаряда находится узкая зона с резким, но непрерывным изменением параметров потока воздуха, которую называют скачком уплотнения или ударной волной [3], где а - скорость звука в воздухе; М - число Маха.

На образование ударных волн и их перемещение вместе со снарядом затрачивается кинетическая энергия движения снаряда. Это является причиной возникновения при М>1 волнового сопротивления. Сила волнового сопротивления R_волн по своей природе относится к силам давления. Другие источники сопротивления движению при сверхзвуковой скорости полета снаряда по своей физической сущности остаются такими же, как и при дозвуковой скорости.

Таким образом, при М>1 полное сопротивление движению снаряда в воздухе складывается из трех источников [3]:

- сопротивления трения R_тp;

- сопротивления донного подсоса R_дн;

- волнового сопротивления R_волн.

Местные скачки уплотнения могут появляться и при дозвуковой скорости. Это будет при скорости обтекания снаряда, близкой к скорости звука, когда на отдельных участках обтекаемого снаряда значения местных скоростей потока становятся равными или большими местной скорости звука.

Число М набегающего потока, при котором в некоторой точке обтекаемого снаряда значение местной скорости потока становится равным местной скорости звука, называется критическим (М_кр).

Явление резкого изменения характера обтекания снаряда при околозвуковых скоростях (когда М_кр<М<1), связанное с появлением на поверхности снаряда скачков уплотнения, называется волновым кризисом.

Для артиллерийских снарядов и мин М_кр=0,75-0,90. Источники сопротивления движению снаряда в воздухе при околозвуковых скоростях те же, что и при М>1.

Волновое сопротивление является основным источником сопротивления движению снарядов при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета и составляет 50% и более от аэродинамической силы сопротивления воздуха. Основными направлениями уменьшения волнового сопротивления является увеличение относительной длины головной части, т.е. длины головной части, выраженной в калибрах - , и уменьшение притупления головной части.

Расчет аэродинамического коэффициента сопротивления трения снаряда при М>1 производится по формуле [3]:

где

S_тр - площади трения снаряда о воздух;

- число Рейнольдса;

L - длина снаряда с взрывателем;

μ - динамический коэффициент вязкости (в частности для воздуха при Т=288 K );

ЛПС - ламинарный пограничный слой;

СПС - смешанный пограничный слой;

ТПС - турбулентный пограничный слой.

Расчет аэродинамического коэффициента донного сопротивления производится по формуле:

где

- показатель адиабаты.

Волновое сопротивление для головных частей, выполненных по радиусу (оживальных), по параболе, или по степенному закону определяется по зависимости

Прежде чем определить величину аэродинамического коэффициента продольной силы сопротивления С_х по рассмотренной методике с небольшой погрешностью можно допустить, что площади трения по внешней поверхности запояскового конуса 4 для штатного (см. фиг. 1) и предлагаемого (см. фиг. 2) снарядов одинаковы по величине.

При движении газового потока (воздуха) вдоль образующей запояскового конуса 4 (см. фиг. 2) через отверстия воздух затекает во внутренний объем конуса и выходит из него через донную часть с давлением примерно равным на его поверхности, исключая тем самым донный подсос, что и дает положительный эффект.

Пример расчета аэродинамического сопротивления при М>1

I. Для снаряда 3ОФ45М-1: V=500 м/с; а=340 м/с; М=1,47; d=0,152 м; d_дн=0,112 м; L=0,870 м (с взрывателем); =0,428 м (с взрывателем) - головная часть оживальная; =0,296 м (длина цилиндрической части снаряда); =0,146 м (длина запояскового конуса); S_тp=0,253 м²; S_м=0,018 м²; S_дн=0,00985 м²; ρ=0,82 кг/м³; .

Определяем аэродинамический коэффициент продольной силы сопротивления С_х.

1. Определяем .

1.1. Рассчитываем число Рейнольдса.

- смешанный пограничный слой.

1.2. Рассчитываем величину C_ƒ.

1.3. Рассчитываем аэродинамический коэффициент .

.

2. Определяем при М=1,47 по зависимости (5).

2.1. С_р=-0,3.

2.2. Рассчитываем аэродинамический коэффициент донного сопротивления.

3. Определяем С_{х волн}.

Так как головная часть оживальная, то , и, используя уравнение (6), получим

4. Определяем С_x.

.

Из анализа полученного результата следует, что главным источником сопротивления движению снаряда при М>1 является донное сопротивление, на долю С_хдн приходится 48%, тогда как волновое сопротивление С_{х волн} составляет 41%, а сопротивление С_хтр равно 11% от суммарного значения С_х.

II. Для предлагаемого снаряда с запоясковым конусом, имеющим наклонные к продольной оси корпуса отверстия, конструктивные характеристики те же, что и для снаряда 3ОФ45М-1. Учитывая затекание воздуха во внутреннюю полость конуса и выход его через донную часть, чем исключается донный подсос, площадь , т.к. d_дн=0 (только полный конус исключает донный подсос).

Тогда

С_х=С_хтр+С_{х волн}=0,037+0,138=0,175.

Таким образом, окончательно можно заключить, что предлагаемая конструкция артиллерийского снаряда позволяет в 1,94 раза уменьшить аэродинамический коэффициент продольной силы сопротивления воздуха, что дает положительный эффект, заключающийся в увеличении дальности стрельбы.

Источники информации

1. Физические основы устройства ракетно-артиллерийского вооружения. Боеприпасы: учеб. для вузов. В 3 ч. Ч. 1. Общие принципы построения и конструкция артиллерийских боеприпасов / И.И. Грачев, А.А. Котосов, А.А. Плющ; под общ. ред. А.А. Плюща. - Пенза: ПАИИ, 2015. - 507 с.

2. Каталог продукции Государственного предприятия «Научно-исследовательский машиностроительный институт «Выстрелы танковых, противотанковых пушек, полевой и морской артиллерии». - 57 с.

3. Быстрицкий Ю.К., Искоркин Д.В., Шавра С.Б. Внешняя баллистика и теория стрельбы комплексов РАВ. Ч. 1. Основы внешней баллистики и аэродинамики снарядов (ракет). Учебное пособие. - Пенза: ПАИИ, 2004. - 195 с.