Результат интеллектуальной деятельности: РЕАКТИВНЫЙ СНАРЯД

Предложенное изобретение относится к области вооружений и может найти применение в ракетных комплексах ближнего радиуса действия.

Известен реактивный снаряд [1], принятый авторами за аналог, с отделяемым двигателем, содержащий устройство для стыковки разнокалиберных ступеней снаряда. Оно состоит из переходного конического обтекателя с центральной трубой, охватывающей маршевую ступень снаряда, которая позволяет двигателю скользить параллельно оси в направлении, противоположном маршевой ступени, и механизма разделения в виде щелевого канального устройства на конусной части обтекателя, сообщающегося с одной стороны с полостью маршевой ступени, а с другой - с набегающим на снаряд потоком воздуха.

Конструкция аналога наиболее приемлема в неуправляемых реактивных снарядах реактивных систем залпового огня, поскольку большой консольный вылет маршевой ступени при малой глубине заделки в двигатель, приводящий к возникновению при отделении возмущений, практически не влияет на точность попадания в площадную цель, и не приемлема к зенитным управляемым реактивным снарядам с двигателями из композиционного материала, поскольку возникающие при отделении маршевой ступени от двигателя возмущения могут привести к резкому изменению угла атаки, что приводит к выходу маршевой ступени из луча системы управления, что ведет к потере снаряда. Кроме того, при большом консольном вылете маршевой ступени относительно двигателя надо иметь прочное соединение разнокалиберных ступеней ракеты, т.к. длина маршевой ступени существенно влияет на продольную устойчивость снаряда в полете. При этом работа механизма разделения в значительной степени зависит от скорости снаряда к моменту разделения и от угла атаки снаряда. Минимальное время разделения достигается при нулевом угле атаки, увеличение угла атаки ведет к увеличению неравномерности поля скоростей на входе в щели, возникновению несимметричных боковых сил, приводящих к росту трения в стыковочном узле в момент разделения и росту возмущений при разделении.

Наиболее близким аналогом, принятым авторами за прототип изобретения, является реактивный снаряд [2], содержащий маршевую ступень с обтекателем и состыкованный с ней с помощью механизма разделения двигатель. В двигателе установлен тонкостенный металлический стакан, армированный с внешней стороны теплозащитным материалом, в дне которого установлено воспламенительное устройство. Задняя часть маршевой ступени соединена со стаканом и частично утоплена в двигателе.

Конструкция прототипа позволяет вести стрельбу на большие дальности без использования дополнительного маршевого двигателя благодаря отделению двигателя с калибром, большим калибра маршевой ступени за счет того, что при отделении стартового двигателя уменьшается площадь миделя и боковой поверхности ракеты и, как следствие, лобовое сопротивление и сопротивление трения. Заглубление части маршевой ступени в двигатель повышает продольную устойчивость снаряда в полете.

Благодаря разнокалиберности маршевой ступени и стартового двигателя их разделение происходит за счет разности аэродинамических сил, действующих на маршевую ступень и стартовый двигатель после того, как уровень тяги двигателя на участке спада станет меньше силы лобового аэродинамического сопротивления.

Однако при использовании снаряда в широком диапазоне температур окружающего воздуха значительно возрастает разброс максимальной скорости снаряда, сообщаемой ему стартовым двигателем. Наличие указанного разброса вызвано в первую очередь изменением полного импульса тяги и полного времени работы отделяемого стартового двигателя при изменении начальной температуры заряда (при уменьшении температуры импульс уменьшается, а полное время работы растет), а также изменением плотности воздуха при изменении начальной температуры. Уменьшение полного импульса при увеличении времени работы приводит к снижению максимальной скорости снаряда за счет уменьшения тяги и увеличения импульса силы лобового сопротивления, что в сумме с увеличением плотности воздуха приводит к тому, что при отрицательных температурах окружающего воздуха максимальная скорость снаряда значительно ниже, чем при положительных. Наличие большого температурного разброса максимальной скорости снаряда наиболее отрицательно сказывается при стрельбе на большие дальности по удаляющейся цели. При этом при отделении двигателя за счет аэродинамической силы имеет место значительный разброс по времени разделения, вызванный наличием управляющего момента на рулях маршевой ступени, что также ведет к увеличению разброса максимальной скорости снаряда.

Таким образом, задачей предлагаемого изобретения является сокращение температурного разброса максимальной скорости снаряда, которое позволит повысить эффективность при стрельбе на большие дальности по удаляющейся цели в широком температурном диапазоне.

Поставленная задача достигается тем, что в реактивном снаряде с отделяемым двигателем, содержащем маршевую ступень, задняя часть которой состыкована с размещенным в двигателе стаканом, в котором установлено воспламенительное устройство, в отличие от прототипа между задним торцом маршевой ступени, стенками стакана и воспламенительным устройством выполнена полость, сообщающаяся с камерой сгорания отделяемого двигателя посредством дроссельного канала, при этом задняя часть маршевой ступени снабжена поддоном, соединенным со стаканом разрушаемым элементом, площадь поперечного сечения которого определяется как

где σ - предел прочности материала разрушаемого элемента на растяжение либо на срез;

Р_пол - давление в полости между задним торцем маршевой ступени, стенками стакана и воспламенительным устройством;

- площадь торца маршевой ступени;

m_Д - масса двигателя;

n_х - величина осевой перегрузки, действующей на снаряд в момент разрушения элемента;

- сила сопротивления, действующая на двигатель;

- давление в камере сгорания двигателя;

- площадь критического сечения сопла двигателя;

C_m - расчетная величина коэффициента тяги сопла двигателя, определяемая как

где k - отношение теплоемкостей продуктов сгорания применяемого в двигателе топлива (неотъемлемая характеристика каждого топлива, приводится в документации);

P_a, Р_н - давление продуктов сгорания топлива на срезе выходного сечения сопла и давление окружающей среды соответственно;

F_a - площадь выходного сечения сопла двигателя снаряда;

μ - расчетная величина коэффициента расхода сопла двигателя, определяемая как

,

где ζ_х=(θ_вх/90)^0,924 - для сопла с конической входной частью, θ_вх - угол наклона образующей входного конуса сопла к продольной оси снаряда; - для радиусного входа, r₂ - радиус входной части сопла, r_кр - радиус критического сечения сопла.

При этом поддон выполнен теплоизолированным, а разрушаемый элемент расположен вдоль оси снаряда.

Выполнение реактивного снаряда в соответствии с предполагаемым изобретением позволит:

- обеспечить сокращение температурного разброса максимальной скорости снаряда за счет саморегулируемого режима работы предлагаемой конструкции.

В процессе разгона снаряда на участке работы двигателя маршевая ступень скреплена со стаканом разрушаемым элементом. На него действуют:

- растягивающая сила от давления продуктов сгорания топлива, поступающих из камеры сгорания работающего двигателя через дроссельный канал в полость, выполненную между задним торцом маршевой ступени, стенками стакана и воспламенительным устройством;

- растягивающая инерционная сила, действующая со стороны двигателя в полете;

- растягивающая сила аэродинамического сопротивления, действующая на двигатель, или сила трения при движении по контейнеру;

- сжимающая осевая составляющая силы тяги двигателя.

В процессе набора давления в полость растягивающая сила возрастает пропорционально росту давления в полости между задним торцом маршевой ступени, стенками стакана и воспламенительным устройством. Растягивающая инерционная сила и растягивающая сила аэродинамического сопротивления возрастают пропорционально росту осевой перегрузки и скорости снаряда. Сжимающая осевая составляющая силы тяги двигателя определяется характером изменения тяги во времени и в большинстве случаев является практически постоянной.

На участке спада тяги и давления в камере сгорания двигателя в конце его работы за счет уменьшения осевой перегрузки растягивающее усилие, действующее на разрушаемый элемент, уменьшается, растягивающая сила аэродинамического сопротивления остается практически неизменной. Так как давление в полости между задним торцом маршевой ступени, стенками стакана и воспламенительным устройством падает медленнее, чем тяга двигателя, то растягивающее усилие к моменту разделения увеличивается.

Разделение маршевой ступени и двигателя происходит при выполнении условия

,

где F_разр. - усилие разрушения элемента;

m_д - масса двигателя;

n_х - осевая перегрузка, действующая на снаряд к моменту разделения:

,

где GΣ_{- текущее значение суммарной массы снаряда;}

- сила сопротивления, действующая на двигатель;

R - тяга двигателя;

- сила давления пороховых газов в полости между задним торцом маршевой ступени, стенками стакана и воспламенительным устройством на торец маршевой ступени.

После разрушения элемента разделение осуществляется за счет расширения набранного в полость газа, под действием силы сопротивления, действующей на стартовый двигатель, и силы трения при движении маршевой ступени по стакану.

Площадь дроссельного канала, объем полости и материал разрушаемого элемента выбираются из условия не превышения в течение работы двигателя растягивающего усилия на разрушаемый элемент сжимающих усилий

а также из условия получения минимального остаточного импульса двигателя после разделения ступеней при минимальной температуре воздуха

,

где m_д - масса пустого двигателя;

V_{отдел.Д} - скорость отделения двигателя;

τ_разд. - время отделения двигателя;

J_rост. - остаточный импульс тяги двигателя после его отделения от маршевой ступени, что позволяет исключить возможность удара пустого двигателя после его отделения по заднему торцу маршевой ступени.

Площадь поперечного сечения разрушаемого элемента назначается для условий работы двигателя при крайнем значении отрицательной температуры заданного диапазона. Так как с увеличением начальной температуры импульс давления в камере сгорания двигателя возрастает, то пропорционально ему возрастает давление в полости между задним торцом маршевой ступени, стенками стакана и воспламенительным устройством. Так как характер спада давления в камере сгорания двигателя, его тяги и перегрузки, действующей на снаряд, зависит от начальной температуры меньше, чем уровень давления в камере сгорания, полости между задним торцом маршевой ступени, стенками стакана и воспламенительным устройством, а также уровень тяги и перегрузки, то с ростом температуры момент начала разделения смещается по времени в сторону более высоких значений тяги, т.е. процесс разделения при увеличении начальной температуры начинается раньше. Это ведет к тому, что двигатель отделяется с частично недогоревшим зарядом, что ведет к уменьшению полного импульса тяги, максимальной скорости снаряда и сокращению температурного разброса максимальной скорости снаряда;

- уменьшить импульс силы аэродинамического сопротивления при отрицательных температурах воздуха за счет сокращения времени разделения и повысить тем самым конечную скорость снаряда на стартовом участке и за счет этого также сократить температурный разброс максимальной скорости снаряда;

- обеспечить надежное разделение маршевой ступени с двигателем независимо от соотношения их калибров и уменьшить время их разделения за счет силы давления пороховых газов, отобранных из камеры сгорания двигателя в полость, выполненную между задним торцем маршевой ступени, стенками стакана и воспламенительным устройством;

- обеспечить за счет нанесения на поддон теплоизоляционного покрытия защиту заднего торца маршевой ступени от нагрева в течение всего времени работы двигателя и не допустить тем самым ее расширения, которое может привести к увеличению силы трения либо заклиниванию маршевой ступени при отделении от нее двигателя;

- исключить перекос поддона за счет расположения разрушаемого элемента вдоль оси снаряда;

- обеспечить автономность работы узла разделения.

Сущность изобретения поясняется схемой реактивного снаряда, представленной на чертеже.

Предлагаемый реактивный снаряд содержит маршевую ступень 1 и отделяемый двигатель 2. Задний торец 3 маршевой ступени 1 состыкован с размещенным в двигателе 2 стаканом 4, в котором установлено воспламенительное устройство 5. Между задним торцом 3 маршевой ступени 1, стенками стакана 4 и воспламенительным устройством 5 выполнена полость, сообщающаяся с камерой сгорания двигателя посредством дроссельного канала 8. На задней части маршевой ступени закреплен поддон 6 с теплоизоляционным покрытием 9, соединенный со стаканом разрушаемым элементом 7, расположенным вдоль оси снаряда.

Работа предлагаемой конструкции осуществляется следующим образом. После срабатывания двигателя 2, он разгоняет снаряд до заданной максимальной скорости. В процессе работы двигателя через дроссельный канал 8 продукты сгорания топлива поступают в полость, выполненную между задним торцом 3 маршевой ступени 1, стенками стакана 4 и воспламенительным устройством 5. По мере выгорания заряда в двигателе давление в полости растет, растут осевая перегрузка, действующая на двигатель 2, и аэродинамическая сила лобового сопротивления. При этом растет растягивающее усилие, действующее на разрушаемый элемент 7. От разрушения его предохраняет сжимающее усилие со стороны тяги двигателя. В момент окончания работы двигателя тяга и осевая перегрузка резко падают, а давление в полости между задним торцом 3 маршевой ступени 1, стенками стакана 4 и воспламенительным устройством 5 изменяется незначительно. В результате происходит разрушение элемента 7 и отделение двигателя 2 от маршевой ступени 1 осуществляется за счет расширения набранного в полость газа под действием силы аэродинамического сопротивления, действующей на двигатель, и силы трения при движении маршевой ступени по стакану.

Объем полости, площадь дроссельного канала и площадь поперечного сечения разрушаемого элемента выбираются в каждом конкретном случае расчетным путем и уточняются в процессе отработки.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении обеспечивается сокращение температурного разброса максимальной скорости снаряда, которое позволяет повысить эффективность при стрельбе на большие дальности по удаляющейся цели в широком температурном диапазоне. Сокращение температурного разброса максимальной скорости может достигать ~ 10÷15%. В конечном итоге повышается надежность реактивного снаряда и эффективность комплекса.

Источники информации

1. Заявка Франции №2629583, МКИ F 42 B 15/00, опубликована 06.10.89 г. - аналог.

2. Патент RU №2133444, МКИ F 42 B 15/10, опубликован 20.07.99 г., бюллетень №20 - прототип.