Результат интеллектуальной деятельности: СТАБИЛИЗАТОР СВЕРХЗВУКОВОГО РЕАКТИВНОГО СНАРЯДА

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к реактивным снарядам систем залпового огня.

Объект изобретения представляет собой стабилизатор к реактивному снаряду системы залпового огня повышенной эффективности и дальности стрельбы.

Для успешной борьбы со многими площадными и крупномасштабными наземными целями широко применяются реактивные системы залпового огня.

Стабилизация таких снарядов на всей или большей части траектории осуществляется с помощью аэродинамических стабилизаторов. Так, известны реактивные снаряды М8, М13, обеспечивающие поражение площадных и крупноразмерных целей (см. , например, Куров В.Д., Должанский Ю.М. Основы проектирования пороховых ракетных снарядов. - М.: Оборонгиз 1961, с. 11), принятые за аналоги. В их конструкции используются стабилизаторы, содержащие прочно скрепленные с корпусом (обтекателем) лопасти.

Задачей данного технического решения являлось обеспечение устойчивого полета реактивных снарядов. Однако наличие прочно скрепленного (нераскрывающегося) стабилизатора не позволяет разместить на пусковой установке большое количество снарядов, что снижает эффективность применения системы.

Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией стабилизатора реактивного снаряда является наличие в составе аналогов стабилизатора, содержащего обтекатель и лопасти.

Опыт проектирования и эксплуатации реактивных систем залпового огня показал, что наиболее рациональным компоновочным решением является размещение реактивных снарядов перед пуском и запуск их из трубчатых направляющих.

В этом случае на одной транспортной единице (боевой машине) удается разместить наибольшее количество реактивных снарядов. Запуск реактивного снаряда из трубчатой направляющей требует применения в нем стабилизатора с подвижными лопастями. Лопасти такого стабилизатора находятся в сложенном положении перед пуском и в процессе движения по направляющей, а после выхода из направляющей раскрываются.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому эффекту к изобретению является стабилизатор реактивного снаряда системы залпового огня М-210Ф (см. Боевая машина БМ-21. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: Военное издательство МО СССР, 1977, с. 74-75), принятый авторами за прототип. Он содержит обтекатель с установленными на нем раскрывающимися дугообразными лопастями.

Лопасти в раскрытом состоянии устанавливаются под определенным углом к продольной оси обтекателя, благодаря чему обеспечивается вращение снаряда в полете. Передние кромки лопастей выполнены с симметричным заострением. Раскрытие лопастей производится под действием специальных пружин, размещенных на осях и работающих на кручение. Стабилизатор, принятый за прототип, функционирует следующим образом. Перед запуском снаряда дугообразные лопасти находятся в сложенном состоянии. После схода с направляющей лопасти под действием пружин, работающих на кручение, поворачиваются на осях и раскрываются, обеспечивая устойчивое движение снаряда по траектории.

Угловая скорость вращения снаряда с указанным стабилизатором изменяется в широких пределах, достигая максимального значения в конце активного участка траектории (АУТ) и минимального в вершине траектории, причем отношение их значений достигается ~3...5.

Числа Маха, соответствующие скорости полета снаряда М-210Ф, составляют ~ 2,0 в конце АУТ и ~1,0 в вершине траектории на ПУТ, т.е. весь диапазон является сверхзвуковым.

Диапазон изменения скорости вращения снаряда со стабилизатором, идентичным прототипу, тем больше, чем больше скорость полета в конце АУТ, а следовательно, и дальность стрельбы.

Для каждого типа снаряда существует допустимый диапазон изменения угловой скорости вращения исходя из условий нормального функционирования, прочности и полета с минимальными углами атаки.

Верхняя граница обусловлена частотами изгибных колебаний стабилизатора и корпуса снаряда, а нижняя - частотой собственных колебаний снаряда как твердого тела.

Разработка снарядов повышенной дальности стрельбы приводит к необходимости уменьшать угол установки раскрывающихся лопастей стабилизатора к оси обтекателя и допуск на него, осуществлять неоднократную переборку лопастей стабилизатора при изготовлении, что увеличивает трудоемкость. Тем не менее, несмотря на принимаемые меры, при проведении летных испытаний опытных образцов сверхзвуковых снарядов с повышенной по сравнению со снарядом М-210Ф ~ в 1,5 раза дальностью стрельбы со стабилизатором, принятым за прототип, наблюдаются случаи отклонения отдельных снарядов от центра группирования, что снижает кучность, боевую эффективность, надежность функционирования.

Испытания опытных образцов снарядов с телеметрическими головными частями показывают на локальное увеличение углов атаки из-за сближения частоты вращения и частоты изгибных колебаний стабилизатора и корпуса снаряда.

Поэтому поиск технических решений конструкции стабилизатора, позволяющих уменьшить диапазон изменения скорости вращения снаряда на траектории, весьма актуален.

Задачей известного технического решения (прототипа) являлось размещение на боевой машине наибольшего количества реактивных снарядов залпового огня при обеспечении их устойчивого полета.

Общими признаками с предлагаемым стабилизатором является наличие в стабилизаторе-прототипе обтекателя с установленными на нем раскрывающимися дугообразными лопастями.

В отличие от прототипа в предлагаемом стабилизаторе сверхзвукового реактивного снаряда передние и задние кромки лопастей выполнены несимметричной формы со скосом, расположенным на выпуклой поверхности лопасти, при этом отношение ширины скоса в направлении, перпендикулярном кромкам, к толщине лопасти составляет 2...6, а размах лопастей стабилизатора выполнен в пределах 1,2...1,6 корневой хорды лопасти.

Это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является создание стабилизатора сверхзвукового реактивного снаряда с увеличенной дальностью стрельбы, повышение боевой эффективности снаряда и надежности функционирования за счет уменьшения диапазона изменения скорости вращения на траектории и исключения резонансных явлений.

Указанный технический результат достигается тем, что в стабилизаторе сверхзвукового реактивного снаряда, содержащем обтекатель с установленными на нем раскрывающимися дугообразными лопастями, согласно изобретению передние и задние кромки лопастей выполнены несимметричной формы со скосом, расположенным на выпуклой поверхности лопасти, при этом отношение ширины скоса в направлении, перпендикулярном кромкам, к толщине лопасти составляет 2. . . 6, а размах лопастей стабилизатора выполнен в пределах 1,2...1,6 корневой хорды лопасти.

Авторы предлагаемого изобретения провели большой объем теоретических и экспериментальных исследований на моделях и натурных макетах стабилизатора в аэродинамических трубах, летные испытания опытных образцов, направленные на поиск технических решений конструкции стабилизатора, уменьшающих диапазон изменения скорости вращения снаряда в полете.

Исследования проведены при числах Маха М=0,5...5,0, соответствующих полету как на дозвуковых, так и сверхзвуковых скоростях и охватывающих со значительным запасом режимы полета отечественных и зарубежных снарядов реактивных систем залпового огня. Испытаны различная ориентация дугообразных лопастей в направлении вращения снаряда, формы кромок, варьировались размах и корневая хорда лопастей, их количество и другие параметры лопастей стабилизатора.

Выявлено, что дугообразные лопасти индуцируют дополнительный вращающий момент крена даже при нулевом угле установки лопастей к продольной оси обтекателя.

При сверхзвуковых скоростях полета (М>1) этот момент направлен в сторону выпуклых поверхностей лопастей, при М<1 - в сторону вогнутых поверхностей лопастей.

Установлено, что за счет выполнения одностороннего скоса на их выпуклых поверхностях увеличивается вращающий момент крена снаряда при числах М≤2, а при М>2 происходит его уменьшение по сравнению с симметричным заострением кромок. Благодаря этому уменьшается скорость вращения снаряда в конце АУТ, в начале ПУТ и увеличивается на ПУТ по мере снижения скорости полета снаряда. Кроме того, при выполнении скоса со стороны выпуклой поверхности индуцированный момент крена всегда направлен в сторону выпуклых поверхностей лопастей.

Исследовано также влияние соотношения между размахом лопастей стабилизатора и корневой хордой при неименной площади лопастей и несущих свойств стабилизатора на моменты крена, а следовательно, скорость вращения снаряда.

Экспериментальные исследования в аэродинамических трубах показали, что оптимальное отношение размаха и корневой хорды лопастей стабилизатора для сверхзвуковых снарядов составляет 1,2...1,6.

Увеличение соотношения, например до 2,1, при числах М=1,0...3,0, характерных для полета существующих и разрабатываемых снарядов РС30, приводит к увеличению вращающего момента стабилизатора ~1,3...2,0 раза. Кроме этого, возрастают деформации лопастей в месте соединения с обтекателем за счет изгибающих моментов, увеличивается вероятность появления крутильных колебаний относительно оси, перпендикулярной оси обтекателя стабилизатора.

При отношении размаха и хорды более 1,6, обеспечивая идентичность несущих свойств стабилизатора и аэродинамических характеристик продольной устойчивости снаряда на дозвуковых и околозвуковых скоростях, начинается их уменьшение при сверхзвуковых скоростях, что неблагоприятно с точки зрения обеспечения требуемых аэродинамических характеристик (особенно запаса устойчивости) в конце АУТ.

При размахе лопастей стабилизатора менее 1,2 корневой хорды уменьшается коэффициент подъемной силы, смещается центр давления (точка приложения этой силы) к носовой части снаряда, в результате чего уменьшается запас статической устойчивости снаряда, коэффициент стабилизирующего момента. Снижение несущих свойств стабилизатора приводит к появлению углов атаки, ухудшению кучности стрельбы, понижается надежность функционирования.

Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между параметрами стабилизатора позволяют, в частности, за счет выполнения:
- передних и задних кромок лопастей несимметричной формы со скосом, расположенным на выпуклой поверхности лопастей и отношением ширины скоса в направлении, перпендикулярном кромкам, к толщине лопасти в пределах 2...6 - реализовать оптимальный закон скорости вращения снаряда, уменьшить за счет этого в 2,5...3,5 раза диапазон ее изменения в полете, обеспечивая тем самым полет снаряда в безопасной безрезонансной зоне;
- размаха лопастей стабилизатора в пределах 1,2...1,6 корневой хорды лопасти - уменьшить разброс частоты вращения снаряда на ПУТ, обеспечить оптимальное изменение аэродинамических характеристик во всем диапазоне скорости полета.

При отношении ширины скоса к толщине лопасти свыше 6 уменьшается индуцированный момент крена, обусловленный скосом, и кромка становится практически симметричной, увеличивается частота вращения снаряда в конце АУТ, приближаясь к частоте изгибных колебаний лопастей и корпуса снаряда, что вызывает раскачку снаряда.

При уменьшении отношения ширины скоса и толщины лопасти менее 2 увеличивается сопротивление лопастей стабилизатора, что приводит к потере дальности стрельбы, уменьшается индуцированный момент крена от скоса и кромки приближаются к тупому симметричному профилю.

Выполнение размаха лопастей свыше 1,6 корневой хорды приводит к увеличению диапазона изменения скорости вращения, приближая ее к границам верхнего и нижнего резонанса, повышает вероятность возникновения крутильных колебаний лопасти.

При размахе лопастей меньше 1,2 корневой хорды лопасти уменьшаются несущие свойства стабилизатора и для обеспечения требуемого запаса устойчивости снаряда в конце АУТ необходимо увеличивать габариты стабилизатора, что приводит к увеличению сопротивления стабилизатора и потери дальности стрельбы. При этом происходит увеличение аэродинамических нагрузок на лопасти.

Сущность изобретения поясняется чертежом. Стабилизатор состоит из обтекателя 1, раскрывающихся дугообразных лопастей 2, передние и задние кромки которых выполнены несимметричной формы со скосом 3, расположенным на выпуклой поверхности A лопасти. Отношение ширины 1 скоса 3 к толщине t лопасти составляет 2. . . 6. Размах H стабилизатора выполнен в пределах 1,2...1,6 корневой хорды b₀ лопасти.

Предлагаемый стабилизатор сверхзвукового реактивного снаряда работает следующим образом.

После запуска, когда снаряд движется по направляющей пусковой трубы, дугообразные лопасти 2 стабилизатора находятся в сложенном положении и охватывают обтекатель 1. После выхода из направляющей лопасти раскрываются (например, при помощи пружин, как в прототипе), обеспечивая устойчивое движение снаряда по траектории.

За счет установки лопастей под углом к продольной оси обтекателя и выполнения передних и задних кромок лопастей несимметричной формы со скосом на их выпуклой поверхности, а также обеспечения указанного выше соотношения параметров стабилизатора обеспечивается оптимальное вращение снаряда на траектории.

По сравнению с прототипом на начальном участке АУТ осуществляется его более быстрая (~ в 1,5 раза) раскрутка. В дальнейшем по мере возрастания скорости полета и приближения к концу АУТ (М>2,0) частота вращения уменьшается ~ в 1,5...1,7 раза, а на ПУТ при снижении скорости полета, соответствующей существующим и разрабатываемым снарядам РС30, до чисел М~1,2...2,0, скорость вращения снова возрастает ~ в 1,5...2,5 раза. Благодаря предлагаемому конструктивному решению диапазон изменения скорости вращения снаряда уменьшается в 2,5...3,5 раза по сравнению с прототипом.

Полет снаряда осуществляется в допустимом диапазоне частот вращения, гарантирующем отсутствие резонансных явлений, раскачек и разрушений, что повышает надежность функционирования и боевую эффективность.

При этом угол установки лопастей к продольной оси уменьшен в 2...2,5 раза, что снижает сопротивление и увеличивает дальность стрельбы.

Указанный положительный эффект подтвержден летно-конструкторскими испытаниями образцов реактивных снарядов залпового огня, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением.

Предложенное техническое решение позволило разработать снаряд с увеличенной ~ в 2 раза дальностью стрельбы, обеспечить надежность функционирования, заданную кучность стрельбы.

В настоящее время ведется разработка рабочей конструкторской документации, запланированы изготовление и испытания серийных образцов.