Результат интеллектуальной деятельности: СКЛАДНОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ОРГАН

Изобретение относится к летательной технике, а именно к управляемым снарядам.

Известен складной аэродинамический орган управляемого снаряда [RU, патент №2197704, МПК 7 F 42 В 10/14, БИ №3, 27.01.2003], принятый авторами в качестве прототипа, содержащий лопасти, каждая из которых укреплена на оси перпендикулярно осевой линии снаряда, цилиндрические пружины. Каждая лопасть укреплена на оси в пазу поворотной стойки, выполненной в виде цапфы, укрепленной в подшипниках и связанной через промежуточную ось с другой стойкой, пружины установлены по обе стороны стойки на опорных штифтах перпендикулярно оси складывания лопасти, осевые линии пружин расположены между осью складывания лопасти и осевой линией снаряда в сложенном положении лопасти, с возможностью пересечения оси складывания лопасти при переходе последней в раскрытое положение, один опорный штифт укреплен неподвижно на стойке, а другой - в радиальном по отношению оси складывания пазу лопасти, при этом поверхность стойки, соприкасающаяся с этим штифтом, выполнена в виде кулачка с уступом, совпадающим с пазом лопасти при раскрытом ее положении, а лопасти снабжены толкателем с импульсным пороховым приводом. Паз в лопасти или ближняя к кулачку грань уступа выполнены с изломом 6-20°.

Недостатками этого складного аэродинамического органа управляемого снаряда являются следующие.

1. Одним из влияющих факторов на уменьшение угла отработки рулевого привода, которое может привести к отказу изделия, является изменение момента шарнирной нагрузки в процессе полета снаряда, которое может происходить вследствие изменения положения центра давления на лопасть. Складной аэродинамический орган не обеспечивает определенного положения лопасти в полете снаряда, так как

- во-первых, для надежной фиксации лопастей подобных механизмов, как показывают расчеты, подтвержденные киносъемками процесса раскрытия, необходима величина люфта при верхнем положении фиксатора Δϕ₁≥1,5°, которая определяется необходимым зазором для обеспечения перемещения подвижного штифта в пазу лопасти, зазором для обеспечения необходимой глубины погружения подвижного штифта в уступ кулачка (min 1,3 радиуса подвижного штифта) и временем погружения подвижного штифта на необходимую глубину в уступ паза. Кроме того необходимо учесть люфт Δϕ₂≈0,8°, вызванный пластическими деформациями при ударе лопасти об упор при ее раскрытии и люфт Δϕ₃≈3÷5°, получаемый в результате изготовления деталей в производстве из-за наличия допусков. Таким образом, суммарный люфт Δϕ может достигать более 7°, это видно из сравнения фиг.4а прототипа, когда лопасть находится на упоре, и фиг.5а, когда лопасть находится в переднем положении после отскока от упора и выдавливания подвижного штифта на угол заклинивания;

- во-вторых, положение лопасти в полете снаряда зависит не только от момента пружин фиксатора (величина при такой конструкции ограниченная, пружины при этом надо делать более жесткими, что снижает их работоспособность и надежность при длительном хранении изделия в течении 10 и более лет в растянутом положении, когда лопасти сложены внутрь снаряда) и момента от сил лобового сопротивления (величина переменная, зависящая от скорости полета снаряда, угла поворота лопасти и от углов атаки изделия), действующих в сторону раскрытия лопастей, но и момента инерционных сил (величина переменная, зависящая от частоты вращения снаряда по крену, текущих расстояний от оси вращения до центра масс лопасти), действующих в сторону складывания. По результатам испытаний в полете снаряда могут преобладать как силы, действующие в сторону раскрытия, так и силы, действующие в сторону складывания, и поэтому лопасть может быть как на упоре, так и в переднем положении с углом Δϕ≥7°, а при таком угле, как показывают испытания, шарнирный момент разворачивает лопасть на упор, что приводит изделие к отказу.

2. Как следует из анализа конструктивных схем известного источника (RU, патент №2197704, фиг.1, 2, 4 и 5), при цилиндрической форме поверхности кулачка определена глубина уступа из-за совпадения уступа и оси складывания лопасти. Минимально необходимая глубина погружения фиксатора (подвижного штифта в уступ кулачка) должна быть для обеспечения надежности фиксации не менее 1,3 его радиуса. Возможности известной схемы в этом плане ограничены.

3. Увеличивается в известной схеме время погружения подвижного штифта на необходимую глубину в уступ кулачка, так как он вынужден совершать более сложное движение (вверх по инерции и вниз под действием пружин) из-за чего увеличивается величина люфта Δϕ₁, необходимая для надежной фиксации лопасти.

4. Не обеспечивается в известной схеме достаточная плавность перемещения подвижного штифта, особенно при углах складывания лопасти более 90°, а реально угол складывания значительно выше 90° (110° и более), это связано с тем, что при складывании лопасти внутрь блока необходимо обеспечить невыход задней кромки лопасти за пределы габаритов блока. При больших углах складывания более 90° подвижный штифт оказывает существенно более сильное давление на поверхность кулачка, то есть более сильно возрастает момент сопротивления перемещению этого штифта по поверхности кулачка в сторону фиксации, так как часть движущей силы толкателя импульсного порохового привода раскрытия лопастей, а именно проекция ее составляющей в радиальном направлении к оси вращения кулачка работает в этом случае при больших углах складывания на заклинивание подвижного штифта на начальном участке раскрытия, что конечно является недопустимым для надежной работы конструкции и требует принятия специальных технических мер по исключению этого явления или существенному снижению его влияния на работу устройства раскрытия и фиксации лопастей. Очевидно, что говорить о плавности перемещения штифта в известной схеме из-за этого недостатка весьма проблематично.

5. В известном прототипе паз в лопасти и уступ в кулачке выполнены сложной формы (с изломом 6...20° от вертикали), что само по себе при изготовлении связано с определенными технологическими трудностями, по сравнению, например, этих деталей с деталями, выполненными с прямоугольным пазом.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и надежности работы складного аэродинамического органа управления управляемого снаряда.

Поставленная задача решается тем, что в складном аэродинамическом органе управляемого снаряда, содержащем лопасти, каждая из которых укреплена в пазу цапфы перпендикулярно осевой линии снаряда, и цилиндрические пружины, установленные по обе стороны цапфы на опорных штифтах перпендикулярно оси складывания лопасти, один из которых укреплен неподвижно на цапфе, а другой подвижный - в радиальном по отношению к оси складывания пазу лопасти, при этом поверхность цапфы, соприкасающаяся с этим штифтом, выполнена в виде кулачка, снабженного уступом, совпадающим с пазом лопасти при раскрытом ее положении, а лопасти снабжены толкателем с импульсным пороховым приводом, поверхность кулачка выполнена цилиндрической переменного радиуса относительно оси складывания, а со стороны уступа - плоской, перпендикулярной оси цапфы, уступ выполнен с наклоном относительно плоскости, проходящей через ось складывания перпендикулярно осевой линии снаряда, а ближняя к кулачку грань уступа снабжена фаской.

Переменность радиуса поверхности кулачка относительно оси складывания обеспечена путем смещения ее оси в сторону оси вращения лопасти в продольном и поперечном направлениях соответственно на величины Δ₁ и Δ₂, определяемые соотношениями

где d₁ - диаметр оси складывания лопасти;

d - диаметр подвижного штифта;

а - толщина стенки между ближней к кулачку гранью уступа и отверстием под ось складывания лопасти, выбираемая не менее 1 мм из условия обеспечения прочности стенки.

Плоская поверхность кулачка выполнена длиной Δ₃, определяемой соотношением

Δ₃=(1,0...1,2)d.

Уступ кулачка выполнен шириной В, определяемой соотношением

B=(1,3...1,5)d,

с углом наклона в пределах от 4° до 6°, и с фаской К×45°, выбираемой равной

К=0,2d,

а паз лопасти выполнен шириной b, определяемой соотношением

b=(1,05...1,07)d,

при этом паз лопасти и уступ кулачка выполнены с обеспечением в раскрытом положении соотношения

L₁-L₂=d±0,04d,

где L₁ - расстояние от оси складывания лопасти до плоскости, проходящей через дальнюю грань паза лопасти, перпендикулярно осевой линии снаряда;

L₂ - расстояние от оси складывания лопасти до плоскости, проходящей через линию пересечения ближней грани и дна уступа, перпендикулярно осевой линии снаряда.

На фиг.1 изображен общий вид складного аэродинамического органа, а именно руля управления; на фиг.2, 3 - лопасть руля в сложенном положении; на фиг.4, 5 - лопасть в раскрытом положении, когда подвижный опорный штифт находится в начале захода в уступ кулачка цапфы; на фиг.6 - лопасть руля в раскрытом положении на упоре.

Предлагаемое устройство состоит из поворотной стойки, выполненной в виде цапфы 1, установленной в подшипнике 2 корпуса 3 и жестко соединенной осью 4 с противоположной стойкой. На каждой цапфе в пазу закреплена на оси 5 лопасть 6, а также опорный под пружины штифт 7. В лопасти выполнен радиальный по отношению к оси 5 паз, в котором расположен подвижный опорный штифт 8. По обе стороны стойки на опорных штифтах 7 и 8 установлены цилиндрические пружины 9. Поверхность цапфы, соприкасающаяся с подвижным штифтом 8, выполнена в виде кулачка цилиндрической формы переменного радиуса относительно оси складывания лопастей с уступом 10, совпадающим с пазом лопасти в раскрытом ее положении. Опорные штифты 7 и 8 (фиг.2) установлены так, что в сложенном положении лопасти, осевые линии пружин расположены между осевой линией снаряда и осью 5 складывания лопасти, то есть создается момент сил, направленный на складывание лопасти руля внутрь отсека.

Складной аэродинамический орган работает следующим образом. После старта снаряда и выхода из любого пускового устройства дается команда на раскрытие аэродинамических органов управления, срабатывает импульсный пороховой привод (не показан), который выталкивает лопасти из отсека снаряда. При раскрытии лопасти (фиг.4, 5 и 6) происходит плавное, без перемены направления движение подвижного опорного штифта 8 за счет того, что поверхность кулачка выполнена переменного радиуса R относительно оси складывания за счет смещения ее оси в сторону оси вращения лопасти в продольном и поперечном направлениях соответственно на величины Δ₁ и Δ₂, определяемые соотношениями

где d₁ - диаметр оси складывания лопасти;

d - диаметр подвижного штифта;

а - толщина стенки между ближней к кулачку гранью уступа и отверстием под ось складывания лопасти, выбираемая не менее 1 мм из условия обеспечения прочности стенки.

Это также позволяет увеличить необходимую глубину погружения подвижного штифта в уступ кулачка для обеспечения надежности его фиксации.

Наличие плоскости А (фиг.4...6) на поверхности обкатки кулачка со стороны уступа перпендикулярно продольной оси цапфы длиной Δ₃, определяемой соотношением

Δ₃=(1,0...1,2)d,

снабженной со стороны уступа фаской К×45⁰, выбираемой равной

К=0,2d,

позволяет уменьшить время погружения подвижного штифта на необходимую глубину в уступ кулачка (не менее 1,3 радиуса подвижного штифта) и величину люфта Δϕ₁, необходимого для начала захода подвижного штифта в уступ кулачка цапфы (Δϕ₁≤1,5°).

Выполнение уступа кулачка (фиг.6) с наклоном от 4° до 6° относительно плоскости С, проходящей через ось складывания перпендикулярно осевой линии снаряда, уступа шириной В, определяемой соотношением

B=(1,3...1,5)d,

и паза лопасти шириной b, определяемой соотношением

b=(1,05...1,07)d,

параллельно плоскости С, выполненных с обеспечением в раскрытом положении отношения

L₁-L₂=d±0,04d,

где L₁ - расстояние от оси складывания лопасти до плоскости, проходящей через дальнюю грань паза лопасти перпендикулярно осевой линии снаряда;

L₂ - расстояние от оси складывания лопасти до плоскости, проходящей через линию пересечения ближней грани и дна уступа перпендикулярно осевой линии снаряда.

позволяют обеспечить фиксацию лопасти практически без люфта, так как при углах заклинивания штифта от 4° до 6°, согласно расчетам и испытаниям, силы трения, работающие на заклинивание, в 3-4 раза превышают выдавливающие подвижный штифт силы, возникающие в результате отскока при энергичном раскрытии лопасти и вращении снаряда по крену.

Кроме того, из сравнения фиг.4 и 5 прототипа и фиг.4, 5 и 6 предлагаемого изобретения видно, что изготовление уступа с наклоном более технологично, чем изготовление фигурного паза лопасти и уступа кулачка цапфы с изломами.

Эффективность предлагаемого складного аэродинамического органа управления подтверждена положительными результатами отработки опытных образцов автопилотных блоков малогабаритных управляемых снарядов как во время стендовых испытаний, так и в летных в составе управляемых снарядов, выстреливаемых из ствола артиллерийских орудий.

Экспериментальная проверка раскрытия и фиксации рулей автопилотного блока по результатам скоростной киносъемки показала, что обеспечивается раскрытие рулей в течение 15-20 мс от начала подачи напряжения на пиропатрон привода механизма раскрытия до момента фиксации рулей, при этом подвижный штифт западает в уступ кулачка при первом колебании, количество колебаний от 2 до 4 с углом колебаний (люфт) от 1,5° в начале фиксации до 0-0,5° в конце фиксации, то есть лопасти в полете снаряда находятся на упоре практически без колебаний, что подтверждено результатами испытаний. Расшифровка записей работы рулевого привода в процессе полета показывает, что при введении предлагаемого технического решения максимальный угол отработки рулей увеличился до 15° за счет уменьшения шарнирной нагрузки в процессе полета снаряда вследствие уменьшения разброса положения центра давления на лопасть из-за существенного уменьшения (в 3...4 раза) люфта лопастей вместо максимального угла отработки рулей до 10-12° до введения этого технического решения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить точность и надежность работы складного аэродинамического органа управляемого снаряда за счет уменьшения времени фиксации и люфта рулевого привода, а также уменьшить трудоемкость его изготовления.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано как для модернизации существующих, так и для разработки вновь создаваемых малогабаритных управляемых снарядов комплексов высокоточного оружия.