Результат интеллектуальной деятельности: Снаряд для стрельбы в водной среде

При движении снаряда в водной среде сила сопротивления определяется соотношением [1]

где С_х - коэффициент сопротивления;

S_м - площадь миделева сечения тела;

ρ - плотность воды;

V - скорость движения снаряда. В водной среде сопротивление движению снаряда, в соответствие с (1), резко возрастает, поскольку плотность воды на три порядка выше плотности воздуха. Для повышения дальности стрельбы и обеспечения достаточной скорости снаряда в конечной точке траектории необходимо увеличение начальной (дульной) скорости V₀ снаряда, уменьшение площади миделева сечения S_м (калибра снаряда) и уменьшение коэффициента сопротивления С_х. Повышение дульной скорости V₀ неэффективно, поскольку при этом возрастает сила сопротивления (F~V₀²). При уменьшении калибра снаряда снижается его масса и, следовательно, начальная кинетическая энергия, что приводит к уменьшению дальности стрельбы.

Известен патрон стрелкового оружия для подводной среды [2], в котором пуля состоит из головной части с плоским кавитатором, цилиндрической ведущей части и конической кормовой части. При этом пуля движется в водной среде в режиме суперкавитации. Сопротивление движению суперкавити-рующего снаряда, полностью охватываемого газовой каверной, равно сопротивлению кавитатора и рассчитывается по формуле [2]

где С_х=0.82 - коэффициент сопротивления;

S_к - площадь поперечного сечения кавитатора.

Поскольку S_к<<S_м, сопротивление движению снаряда резко снижается.

Недостатком данного технического решения является возможность замыкания газовой каверны на корпус достаточно удлиненного снаряда, что приводит к резкому увеличению сопротивления в соответствие с соотношением (1). Кроме того, формирование каверны плоским кавитатором реализуется при скоростях движения снаряда, превышающих некоторое критическое значение V≥ V_*. Величина V_* зависит от глубины, на которой движется снаряд, и варьируется в пределах V_*=(10÷200) м/с [4, 5].

Известна торпеда с устройством для создания вокруг ее корпуса регулируемой газовой оболочки [6]. За наклонным плоским кавитатором с помощью поддува газа формируется искусственная (вентилируемая) каверна. Использование вдува газа позволяет исключить замыкание каверны на корпус торпеды.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является высокоскоростной снаряд [7], содержащий удлиненный конический корпус с кавитатором на острие, маршевый жидкостной реактивный двигатель с центральным соплом и дополнительный газогенератор, установленный в головной части снаряда. Газогенератор через кольцевое сопло осуществляет вдув газа в каверну, окружающую снаряд, препятствуя ее замыканию на корпус. Ракетный двигатель с центральным соплом создает дополнительную тягу для увеличения дальности движения снаряда.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличения дальности стрельбы снаряда в водной среде за счет обеспечения режима суперкавитации на всей траектории его движения.

Технический результат изобретения достигается тем, что разработан снаряд для стрельбы в водной среде, содержащий корпус, в котором размещен реактивный двигатель с центральным соплом, баллистический наконечник, выполненный в виде усеченного конуса, и кольцевое сопло для вдува газа в водную среду. В качестве реактивного двигателя используется ракетный двигатель твердого топлива, заряд твердого топлива имеет сквозной осевой канал звездообразного сечения. В дозвуковой части центрального сопла расположен воспламенитель, выполненный с возможностью задержки зажигания твердого топлива. В головной части корпуса выполнено цилиндрическое углубление, в котором с зазором, сопряженным с внутренней образующей цилиндрического углубления, установлен баллистический наконечник. По оси баллистического наконечника выполнен сквозной канал, сообщающийся с каналом заряда твердого топлива и имеющий сужение в головной части баллистического наконечника. Кольцевой зазор между баллистическим наконечником и цилиндрическим углублением соединен не менее, чем тремя симметрично расположенными радиальными каналами со сквозным каналом баллистического наконечника и образует кольцевое сопло, выполненное с возможностью вдува в водную среду продуктов сгорания заряда твердого топлива под углом к продольной оси снаряда в направлении его кормовой части. В сужении сквозного канала баллистического наконечника плотно установлена цилиндрическая пробка с возможностью ее вылета под действием давления продуктов сгорания заряда твердого топлива. Давление продуктов сгорания в осевом канале твердого топлива, площадь критического сечения центрального реактивного сопла, площади поперечного сечения сужения сквозного канала баллистического наконечника и кольцевого зазора, суммарная площадь поперечного сечения радиальных каналов, время задержки зажигания заряда твердого топлива и угол вдува продуктов сгорания через кольцевое сопло определяются соотношениями

,

,

,

где р_к - давление продуктов сгорания в осевом канале твердого топлива;

V_*=100 м/с - скорость снаряда в момент зажигания заряда твердого топлива;

k - показатель адиабаты продуктов сгорания твердого топлива;

S_кр - площадь критического сечения центрального реактивного сопла;

ρ_m - плотность твердого топлива;

S_m - площадь поверхности горения заряда твердого топлива;

р₁ - атмосферное давление;

u₁ - скорость горения твердого топлива при атмосферном давлении р₁;

ν - показатель в степенном законе скорости горения твердого топлива;

R - газовая постоянная продуктов сгорания твердого топлива;

Т_р - температура горения твердого топлива;

ϕ - коэффициент расхода сопла;

- функция показателя адиабаты;

S_рк - суммарная площадь поперечного сечения радиальных каналов;

S_н - площадь поперечного сечения сужения сквозного канала баллистического наконечника;

S_кс - площадь поперечного сечения кольцевого зазора;

t_ign - время задержки зажигания заряда твердого топлив;

m₀ - начальная масса снаряда;

V₀ - начальная (дульная) скорость снаряда;

β - угол вдува продуктов сгорания через кольцевое сопло.

Баллистический наконечник выполнен из металла с высокой плотностью. Торцевые поверхности заряда твердого топлива покрыты бронирующим составом, предотвращающим их горение.

Сущность изобретения поясняется схемой снаряда для стрельбы в водной среде, реализующего заявляемый способ (Фиг. 1). Снаряд для стрельбы в водной среде содержит цилиндрический корпус 1 с зарядом твердого топлива 2, баллистический наконечник 3 и центральное сопло 5. В предсопловом объеме размещен замедлитель 16 с закрепленным на нем воспламенителем 6. Заряд твердого топлива 2, покрытый бронирующим составом 15 по торцевым поверхностям, имеет сквозной осевой канал звездообразной формы 7 (Фиг. 2). Баллистический наконечник 3 установлен в цилиндрическом углублении 8 корпуса 1 с кольцевым зазором 9. Передний торец баллистического наконечника 3 является плоским кавитатором 4. Кольцевой зазор 9 сопряжен с внутренней образующей цилиндрического углубления 8 корпуса 1 и закреплен на нем с помощью резьбового соединения 17. Сквозной канал 10, выполненный по оси баллистического наконечника 3, сообщается со сквозным осевым каналом 7 заряда твердого топлива 2. Сквозной канал 10 имеет сужение 11 в головной части баллистического наконечника 3, в котором плотно установлена цилиндрическая пробка 14. Кольцевой зазор 9 соединен симметрично расположенными радиальными каналами 12 со сквозным каналом 10 баллистического наконечника 3, образуя кольцевое сопло 13.

При движении снаряда в стволе орудия происходит воспламенение торцевой поверхности замедлителя 16. Замедлитель 16, плотно установленный в дозвуковой части центрального сопла 5, препятствует зажиганию заряда твердого топлива 2 продуктами сгорания метательного заряда. После вылета снаряда из ствола орудия со скоростью V₀ происходит его движение в водной среде в режиме суперкавитации. Через некоторый промежуток времени и, скорость снаряда снижается до критического значения V_*, при котором режим суперкавитации не реализуется [4, 5]. В момент времени t_ign=t_* полностью сгорает замедлитель 16, а продукты сгорания замедлителя инициируют закрепленный на нем пиротехнический воспламенитель 6. Продукты сгорания воспламенителя 6 поступают в сквозной осевой канал 7 заряда твердого топлива 2 и поджигают его. Продукты сгорания заряда твердого топлива 2 поступают через сквозной осевой канал 7 в сообщающийся с ним сквозной канал 10 баллистического наконечника 3 и выталкивают цилиндрическую пробку 14 из сужения 11 сквозного канала 10. При этом происходит истечение продуктов сгорания заряда твердого топлива 2 в водную среду через центральное сопло 5 и через сужение 14 сквозного канала 10. Часть продуктов сгорания через радиальные каналы 15 поступают в кольцевой зазор 9 и истекают в водную среду через кольцевое сопло 13 под углом β к продольной оси снаряда в направлении его кормовой части.

Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.

1. Использование ракетного двигателя твердого топлива с зарядом 2, имеющим сквозной осевой канал звездообразного сечения 7, и забронированными торцевыми поверхностями 15, обеспечивает постоянную поверхность горения [8], надежное воспламенение и устойчивое горение при постоянном внутрикамерном давлении.

2. Использование воспламенителя 6, расположенного в дозвуковой части центрального сопла 5 и выполненного с возможностью задержки зажигания твердого топлива позволяет осуществить надежный запуск ракетного двигателя на траектории движения снаряда с заданным временем задержки зажигания t_ign.

3. Использование сквозного канала 10 в баллистическом наконечнике 3, имеющего сужение 11 в головной части наконечника 3, плотно закрытое цилиндрической пробкой 4, обеспечивает истечение продуктов сгорания заряда твердого топлива в водную среду через сужение 11 после вылета цилиндрической пробки 4. Вдув продуктов сгорания через сужение 11 сквозного канала 10 обеспечивает разрушение пограничного слоя за счет образования кавитационных пузырьков. При перемещении с потоком жидкости кавитационные пузырьки схлопываются, образуя газовую каверну вокруг головной части снаряда.

4. Использование кольцевого зазора 9, соединенного не менее, чем тремя симметрично расположенными радиальными каналами 12 со сквозным каналом 10 баллистического наконечника 3, обеспечивает равномерное истечение продуктов сгорания твердого топлива в водную среду через кольцевое сопло 13. Вдув продуктов сгорания через кольцевое сопло 13 обеспечивает режим «продуваемой» каверны [4, 5], препятствуя ее замыканию на корпус снаряда.

Таким образом, дополнительный вдув продуктов сгорания заряда твердого топлива 2 через сужение 11 и кольцевое сопло 13 обеспечивает сохранение режима суперкавитации при скоростях движения снаряда V<V_*. При этом истечение продуктов сгорания через центральное сопло 5 и кольцевое сопло 13 создает дополнительную реактивную силу, способствующую повышению скорости и дальности движения снаряда.

5. Давление продуктов сгорания р_к в осевом канале заряда твердого топлива (в камере сгорания РДТТ) опрелеляется соотношением

где р(Н)=10⁵(1+0,1Н) Па - гидростатическое давление, на глубине погружения Н, где [Н]=м;

ρ=10³ кг/м³ - плотность воды.

Проведем обоснование соотношения (3). При движении снаряда в водной среде на его переднем торце (кавитаторе 4) возникает давление [9]

Для того, чтобы расход продуктов сгорания через сужение 11 не зависел от величины противодавления, истечение должно осуществляться в критическом режиме [9], при котором

Из (4) и (5) следует соотношение (3).

Выбор критического значения скорости снаряда V_*, при котором происходит зажигании заряда твердого топлива, определяется следующими факторами. Основным критерием суперкавитационного движения снаряда в водной среде является число кавитации [10]

где р₀=2336.8 Па - давление насыщенных паров воды при пузырьковой кавитации [12].

Режим суперкавитации реализуется при значениях σ<σ_*=0.06 [13].

Из формулы (6) следует соотношение для скорости движения снаряда, обеспечивающей его движение в режиме суперкавитации:

Таким образом, величина V_* зависит от глубины погружения H, на которой происходит движение снаряда. Карта режимов движения снаряда в координатах (Н, V) приведена на Фиг. 3. Линия, определяющая границу области суперкавитации, соответствует значению σ=σ_*=0.06.

6. Площадь критического сечения центрального сопла определяется соотношением

где S_Σ=S_кp+S_pк+S_н.

Соотношение (8) следует из формулы Бори [9], выражающей равенство газоприхода при горении заряда твердого топлива и расхода продуктов сгорания через центральное сопло 5, сужение 11 и кольцевое сопло 13. Таким образом, для заданных характеристик заряда твердого топлива (ρ_т, S_т, k, R, T_p, u₁) и определенному по соотношению (3) значению давления р_к рассчитывается величина S_Σ.

7. Соотношения между S_кp, S_pк, S_н определяются формулой

которая определяет соотношение расхода продуктов сгорания заряда твердого топлива через центральное сопло 5, кольцевое сопло 13 и сужение 11, поскольку расход через сопло при р_к=const пропорционален площадям их критического сечения S_кp, S_pк, S_н.

Расход газа из полости метаемого элемента осуществляется через центральное реактивное сопло 5, сужение 11 сквозного канала 10 баллистического наконечника 3 и радиальные каналы 12. Истечение газа из сужения 11 направлено навстречу движения метаемого элемента используется для вспенивания и газификации жидкости по направлению движения метаемого элемента и служит для снижения сопротивления движению. Истечение газа из радиальных каналов 12 в кольцевой зазор 9 и кольцевое сопло 13 направляет газовый поток вдоль поверхности метаемого элемента к его задней части и служит для снижения трения. При этом создается реактивная сила, толкающая метательный элемент вперед. Истечение газа через центральное реактивное сопло 5 создает реактивную силу, также толкающую метаемый элемент. Для компенсации реактивной силы от истечения газа из сужения 11 сквозного канала 10 баллистического наконечника 3, суммарный расход газа через центральное реактивное сопло 5 и кольцевое сопло 13 должны быть равны расходу газа через сужение 11 сквозного канала 10 баллистического наконечника 3. Отсюда следует соотношение (9), определяющее отношение площадей поперечного сечения сужения 11 сквозного канала 10 баллистического наконечника 3, критического сечения соплового блока, и суммарной площади каналов.

Путем профилирования центрального реактивного сопла 5 можно улучшить его тяговые характеристики (повысить скорость истечения продуктов горения) и обеспечить дополнительное ускорение метаемого элемента.

8. Угол вдува продуктов сгорания через кольцевое сопло 13 определяется соотношением

которое обеспечивает образование устойчивой «продуваемой» каверны вокруг снаряда и позволяет получить дополнительную реактивную силу, направленную по направлению движения снаряда.

9. Время задержки зажигания заряда твердого топлива определяется соотношением

Проведем обоснование соотношение (11).

При вылете из ствола орудия снаряд движется как инертное тело. Из решения уравнения движения снаряда следует формула для его скорости [4, 5]

где ;

t - время.

Время задержки зажигания t_ign выбирается равным времени t_*, за которое скорость снаряда снизится до значения V_*

Из (13) следует:

10. Изготовление насадка из тяжелого металла смещает центр тяжести метаемого элемента к передней части и, тем самым, повышает устойчивость метаемого элемента при движении в воде и эффективность при соударении с преградой.

Пример реализации

Рассмотрим движение снаряда калибром 0.03 м в водной среде на глубине Н=20 м с начальной (дульной) скоростью V₀=300 м/с. Гидростатическое давление на этой глубине равно

p(H)=10⁵(1+0.1H)=3⋅10⁵Па.

В соответствие с формулой (7) критическое значение скорости снаряда на глубине Н=20 м равно

Давление на торцевой поверхности снаряда, в соответствии с формулой (4), равно

В соответствие с (5), для обеспечения критического режима истечения продуктов сгорания через сужение 11 необходимо обеспечить давление в камере сгорания (для k=1.26) равное

Выберем значение р_к=10⋅10⁶ Па, а в качестве твердого топлива - смесевое топливо TP-Q-3011А, характеристики которого приведены в таблице 1.

Характеристики смесевого топлива TP-Q-3011А [9]

Выберем заряд твердого топлива диаметром D=0.026 м и длиной . Зададим канал заряда в форме звезды (Фиг. 2), тогда площадь горения будет соответствовать площади цилиндрического канала с диаметром d=0.013 м:

Определим по формуле Бори [7] суммарную площадь критического сечения сопла, обеспечивающую заданное давление в камере сгорания р_к=10⋅10⁶Па:

где ϕ=0.91 - коэффициент расхода сопла; .

Из условия (9) следует соотношение площадей критических сечений:

S_кр=S_кс=1,16⋅10^-6 м²; d_n=1.72⋅10^-3 м,

а также их диаметры:

d_кp=d_кс=1.21⋅10^-3 м; d_н=1.72⋅10^-3 м.

Расход продуктов сгорания через сопло определяется соотношением [9]:

В соответствие с (14) расход через центральное сопло, кольцевое сопло и сужение наконечника составляет:

G_кp=G_кс=0.01 кг/с; G_н=0.02 кг/с.

Скорость истечения газа из сужения насадка равна скорости звука (M=u_н/a=l) [10]

при давлении газа в струе на выходе

Величина тяги, развиваемая реактивной струей газа, истекающей через сужение отверстия насадка, равна [9]

P_H=G_H⋅u_H=0.02⋅870=17.4Н.

Эта величина тяги полностью компенсируется истечением газа через сопловой узел путем его профилирования. Для отношения диаметров выходного сечения сопла d_a к критическому сечению d_кp равном ζ=d_a/ d_кp =2, скорость газа на выходе сопла составляет u_с=2.1а [10]. И хотя расход газа через сопловой узел вдвое меньше расхода через сужение насадка (площадь критического сечения соплового блока вдвое меньше площади сужения отверстия насадка), величина тяги будет больше

P_c=G_c⋅u_c=0.01⋅2349=23.5Н,

что полностью компенсирует тормозящее действие тяги Р_н.

При толщине горящего свода заряда твердого топлива равной 0.5(D-d)=6.5⋅10^-3 м время горения равно:

Рассмотрим характеристики движения моделей в водной среде с начальной скоростью u₀=300 м/с, u_*=100 м/с. Расчеты проведены инертного снаряда (M1) и снаряда с РДТТ (М2).

Уравнение движения тела постоянной массы т в сплошной имеет вид

Основным критерием подобия суперкавитационного движения является число кавитации (6).

Проведенные оценки [11, 12] показывают, что при значениях числа кавитации σ<σ_кр=0.06 суперкавитирующая модель испытывает меньшее сопротивление, чем та же модель при сплошном обтекании.

При больших скоростях движения и малых глубинах погружения σ << 1, поэтому С_х=0.82 и уравнение движения (15) имеет вид:

где .

Для сравнения приведем расчеты снаряда M1, где параметр k₀ определяется формулой

Интегрируя уравнение (16) (при u=u₀ для t=0), получим формулу для зависимости скорости модели от времени:

С учетом (17) расстояние пройденное моделью за время определяется интегралом

Параметры моделей приведены в таблице 2.

Результаты параметрических расчетов движения моделей в водной среде приведены в таблице 3.

Расчетные зависимости скорости движения моделей от времени проведены на Фиг. 4, а расстояния, пройденные моделями, приведены на Фиг. 5, где инертный снаряд (M1), снаряд с РДТТ (М2).

Результаты расчетов показывают, что при движении модели в водной среде в режиме суперкавитации скорость модели и пройденное расстояние намного превышают соответствующие значения при движении модели без кавитатора.

Таким образом, из приведенного примера следует, что заявляемый снаряд для стрельбы в водной среде обеспечивает достижение технического результата изобретения - увеличивает дальность движения метаемого элемента в водной среде и повышает устойчивость его движения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. - М. - Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 671 с.

2. Патент РФ №2318175, МПК F42B 5/02, F41C 9/06. Патрон стрелкового оружия для подводной стрельбы / Ю.П. Платонов, В.К. Зеленко, В.Л. Трухачев, В.М. Королев, В.М. Кнебельман - Опубл. 27.02.2008.

3. Путилин С.И. Некоторые особенности динамики суперкавитирующих моделей // Прикладная гидромеханика. 2000, Т. 2 (74), №3. - С. 65-74.

4. Власенко Ю.Д. Экспериментальные исследования суперкавитационных режимов обтекания самоходных моделей // Прикладная гидромеханика. 2000, Т. 2 (74), №3. - С.26-39.

5. Patent US №3205846, МПК F42B 19/12. Torpedo body form and gas layer control / Thomas G. Lang. - Опубл. 14.09.1965.

6. Patent US №3008413, МПК F42B 19/26, F42B 19/00. High speed missile / G.E. Knausenberger. - Опубл. 14.11.1961.

7. Логвинович Г.В. Гидродинамика течений со свободными границами. - Киев: Наукова думка, 1969. - 215 с.

8. Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с.

9. Шишков А.А., Панин С.Д., Румянцев Б.В. Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива: Справочник. - М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.

10. Савченко Ю.Н., Зверховский А.Н. Методика проведения экспериментов по высокоскоростному движению инерционных моделей в воде в режиме суперкавитации // Прикладная гидромеханика. 2009, Т. 11, №4. - С. 69-75.

11. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский A.M. Физические величины: Справочник [и др.]; под ред. И.С. Мейхилова. - М.: Энергоатомиздат, 1991.- 1232 с.

12. Справочник машиностроителя в 6-ти томах. Под ред. С.В. Серенсена. - М.: ГНТИ Машиностроительной литературы, Т. 3, 1955. - 563 с.