Результат интеллектуальной деятельности: Вращающийся реактивный снаряд, запускаемый из трубчатой направляющей

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к вращающимся реактивным снарядам (PC), запускаемым из трубчатой направляющей РСЗО различного базирования.

Объект изобретения представляет собой вращающийся PC с увеличенной дальностью полета, повышенной надежностью функционирования, улучшенными аэробаллистическими характеристиками.

Опыт проектирования и эксплуатации РСЗО показал, что наиболее рациональным компоновочным решением является размещение и запуск PC из трубчатых направляющих. В этом случае на боевой машине удается разместить наибольшее количество PC.

Известен PC 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), содержащий головную часть, реактивный двигатель с соплами, стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями, установленные под углом к продольной оси двигателя и ориентированными выпуклыми поверхностями в направлении его вращения. Передние кромки лопастей выполнены симметричной формы.

Установка лопастей стабилизатора в раскрытом состоянии под определенным углом к продольной оси PC обеспечивает его вращение в полете. Вращение придается для компенсации эксцентриситетных возмущений и, как следствие, повышения точности, а при залповой стрельбе и улучшения кучности.

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

Верхняя граница обусловлена частотой изгибных колебаний корпуса PC, а нижняя - частотой собственных колебаний.

Диапазон изменения скорости вращения для PC тем больше, чем больше скорость полета в конце активного участка траектории (АУТ). Поэтому для конструкции М21ОФ с указанной формой кромок лопастей из-за особенностей изменения вращающего момента крена от числа Маха существуют ограничения по максимальной скорости полета, а, следовательно, по увеличению максимальной дальности стрельбы.

Задачей указанного технического решения являлось размещение на боевой машине наибольшего количества PC залпового огня при обеспечении устойчивого полета, существенное увеличение дальности по сравнению с известными PC залпового огня, например, PC М8, М13.

Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией вращающегося PC является наличие в аналоге: головной части, реактивного двигателя, стабилизатора с раскрывающимися дугообразными лопастями, установленными под углом к продольной оси PC и ориентированными выпуклыми поверхностями в направлении его вращения.

Известен также вращающийся PC по патенту РФ №2166178, МПК F42B 15/00. Он содержит головную часть, реактивный двигатель и аэродинамический стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями, установленными под углом к продольной оси PC. Дугообразные лопасти установлены выпуклыми поверхностями в направлении вращения снаряда, передние и задние кромки каждой лопасти выполнены с односторонним заострением со скосом, расположенным на выпуклой поверхности лопасти, и отношение среднего угла установки лопастей стабилизатора к углу скоса кромок находится в пределах (0,02…0,03) H/d, где Н-размах лопастей стабилизатора, d- калибр снаряда.

Задачей указанного технического решения являлось создание вращающегося сверхзвукового PC систем залпового огня с увеличенной скоростью полета и дальностью стрельбы, повышение его боевой эффективности и надежности функционирования за счет уменьшения диапазона изменения скорости вращения на траектории и исключения резонансных явлений.

Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией вращающегося PC является наличие в аналоге: головной части, реактивного двигателя, стабилизатора с раскрывающимися дугообразными лопастями и имеющими несимметричную форму передних кромок со скосом на их выпуклых поверхностях, установленными под углом к продольной оси PC и ориентированными выпуклыми поверхностями в направлении его вращения.

Начальное значение скорости вращения PC М21ОФ, а также по патенту №2166178 при вылете из пусковой установки обеспечивалось за счет наличия винтового паза внутри трубчатой направляющей и ведущего штифта в задней части корпуса реактивного двигателя.

В связи с разработкой и применением на практике более технологичных и экономичных, зачастую одноразовых контейнеров с гладкоствольными трубчатыми направляющими появилась необходимость в создании новой конструкции вращающегося PC.

Известен вращающийся PC, запускаемый из гладкоствольной трубчатой направляющей, по патенту РФ №2773057 от 30.05.2022 г., МПК F42B 15/00 и принятый авторами за прототип. Он содержит головную часть, реактивный двигатель с одним центральным соплом, включающим устройство создания вращающего момента с использованием струи реактивного двигателя, стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями, установленными под углом к продольной оси PC. Дугообразные лопасти установлены выпуклыми поверхностями в направлении вращения снаряда, передние кромки каждой лопасти выполнены с односторонним заострением со скосом, расположенным на выпуклой поверхности лопасти, с углом ρ_лоп=5°…15° в плоскости, перпендикулярной кромкам

Устройство создания вращающего момента с использованием струи реактивного двигателя для вращения снаряда в том же направлении, что и от момента, создаваемого лопастями стабилизатора, расположено на внутренней поверхности сопла за его критическим и содержит пластины, равномерно установленные в окружном направлении под одинаковым углом подъема винтовой линии их боковых поверхностей к продольной оси реактивного снаряда, толщина пластин постоянна по высоте и составляет (0,05…0,15)d_кр, а центр давления каждой пластины удален от выходного сечения сопла реактивного двигателя на расстояние (1,5…3,0)d_кр., где d_кр - диаметр критического сечения сопла реактивного двигателя.

Дальнейшее совершенствование PC, подобных прототипу, с целью существенного увеличения дальности и повышения надежности функционирования при повышенных скоростях полета привело к необходимости совершенствования формы пластин и оптимизации соотношений геометрических параметров пластин устройства вращения и лопастей стабилизатора, углов их установки.

В отличие от прототипа в предлагаемом вращающемся реактивном снаряде, запускаемом из трубчатой направляющей, поверхность каждой пластины устройства вращения, обращенная к продольной оси сопла, образована элементами цилиндрической поверхности с осью, совпадающей с продольной осью сопла, а угол подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин устройства вращения выполнен в пределах, определяемых по зависимости: ,

где S_пл - площадь проекции боковой поверхности одной пластины устройства вращения в плоскости, проходящей через продольную ось реактивного снаряда;

S_лоп - площадь проекции одной дугообразной лопасти стабилизатора в плоскости, проходящей через продольную ось реактивного снаряда;

r_пл - расстояние от оси реактивного снаряда до центра давления пластины устройства вращения;

- расстояние от оси реактивного снаряда до центра давления проекции дугообразной лопасти стабилизатора;

Н_ст - размах дугообразных лопастей стабилизатора;

d_обт - диаметр обтекателя на котором установлены дугообразные лопасти стабилизатора;

n_пл, n_лоп - количество пластин устройства вращения и дугообразных лопастей стабилизатора соответственно;

δ_лоп - угол установки дугообразных лопастей стабилизатора к продольной оси реактивного снаряда;

δ_пл - угол подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин устройства вращения.

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, и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является создание вращающегося реактивного снаряда, запускаемого из трубчатой направляющей, с существенно увеличенной дальностью стрельбы и повышенной надежностью функционирования, с улучшенными аэробаллистическими характеристиками за счет уменьшения сопротивления устройства вращения и лопастей стабилизатора, снижения начальных возмущений и разброса аэробаллистических характеристик в полете, оптимизации скорости вращения и исключения резонансных явлений как при вылете из направляющих, так и на всех участках траектории.

Указанный технический результат достигается тем, что во вращающемся реактивном снаряде, запускаемом из трубчатой направляющей, содержащем головную часть, реактивный двигатель с одним центральным соплом, включающим устройство создания вращающего момента с использованием струи реактивного двигателя для вращения снаряда в том же направлении, что и от вращающего момента, создаваемым лопастями стабилизатора, в виде равномерно расположенных в окружном направлении на боковой поверхности сопла пластин с постоянной по высоте толщиной и одинаковым углом подъема винтовой линии их боковых поверхностей к продольной оси снаряда, стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями, ориентированными выпуклыми поверхностями в направлении вращения снаряда, имеющими односторонние скосы на передних кромках со стороны их выпуклых поверхностей с углом β_лоп=5°…15° в плоскости, перпендикулярной кромкам, и установленными под углом к продольной оси снаряда, согласно изобретению, поверхность каждой пластины устройства вращения, обращенная к продольной оси сопла, образована элементами цилиндрической поверхности с осью, совпадающей с продольной осью сопла, а угол подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин устройства вращения выполнен в пределах, определяемых по зависимости:

где S_пл - площадь проекции боковой поверхности одной пластины устройства вращения в плоскости, проходящей через продольную ось реактивного снаряда;

S_лоп - площадь проекции одной дугообразной лопасти стабилизатора в плоскости, проходящей через продольную ось реактивного снаряда;

r_пл - расстояние от оси реактивного снаряда до центра давления пластины устройства вращения;

- расстояние от оси реактивного снаряда до центра давления проекции дугообразной лопасти стабилизатора;

Н_ст - размах дугообразных лопастей стабилизатора;

d_обт - диаметр обтекателя на котором установлены дугообразные лопасти стабилизатора;

n_пл, n_лоп - количество пластин устройства вращения и дугообразных лопастей стабилизатора соответственно;

δ_лоп - угол установки дугообразных лопастей стабилизатора к продольной оси реактивного снаряда;

δ_пл - угол подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин устройства вращения.

Авторы предлагаемого изобретения провели исследования в аэродинамических трубах, стендовые и летные испытания опытных образцов PC с устройствами вращения, расположенными за критическим сечением сопла реактивного двигателя, направленные на поиск технических решений, позволяющих обеспечить устойчивый безрезонансный полет с нулевыми углами атаки в допустимом интервале угловой скорости вращения PC, повысить надежность функционирования вращающегося PC и его боевую эффективность, уменьшить диапазон изменения угловой скорости вращения снаряда при движении в трубчатой направляющей и на всех участках траектории полета за счет выбора формы пластин устройства вращения, формы кромок лопастей стабилизатора и оптимальных соотношений их геометрических параметров, уменьшить сопротивление устройства вращения и лопастей стабилизатора.

Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между параметрами заявляемого вращающегося реактивного снаряда, запускаемого из трубчатой направляющей, позволили, в частности, за счет выполнения:

- поверхности каждой пластины, обращенной к продольной оси сопла, элементами цилиндрической поверхности с осью, совпадающей с продольной осью сопла,

- уменьшить сопротивление пластин устройства вращения, уменьшить потерю тяги реактивной струи и увеличить тем самым дальность полета PC;

- угла подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин устройства вращения в пределах, определяемых по зависимости:

- повысить надежность функционирования, улучшить характеристики точности и кучности за счет уменьшения сопротивления устройства вращения и лопастей стабилизатора, снижения начальных возмущений и разброса аэробаллистических характеристик в полете, оптимизации скорости вращения и исключения резонансных явлений как при вылете из трубчатой направляющей, так и на всех участках траектории полета. При увеличении угла подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин свыше - происходит увеличение сопротивления реактивного снаряда за счет увеличения сопротивления пластин устройства вращения, потере тяги и как следствие к уменьшению дальности стрельбы. Выполнение угла подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин менее приводит к снижению начальной угловой скорости вращения при вылете из трубчатой направляющей, повышается вероятность раскачки PC и попаданию в зону резонансной неустойчивости, снижается надежность функционирования, увеличиваются начальные возмущения, влияющие на точность и кучность стрельбы.

Сущность изобретения поясняется чертежом фиг.1, где представлен общий вид вращающегося реактивного снаряда с видом D со стороны сопла реактивного снаряда, на котором представлено расположение раскрывающихся дугообразных лопастей, сечением А-А – осевым сечением сопла, на котором представлены элементы устройства создания вращающего момента в виде пластин, видом С на одну из пластин, расположенных в окружном направлении сопла и сечением В-В одной из дугообразных лопастей, выполненной с односторонним скосом.

Вращающийся PC состоит из головной части 1, реактивного двигателя 2 с одним центральным соплом 3, стабилизатора 4 с раскрывающимися дугообразными лопастями 5, имеющими несимметричную форму передних кромок 6 и ориентированных выпуклыми поверхностями 7 в направлении вращения PC. Передние кромки 6 дугообразных лопастей 5 выполнены с односторонними скосами 8, выполненными на их выпуклых поверхностях 7 с углом β_лоп=5°…15° в плоскости, перпендикулярной кромкам. Лопасти 5 установлены под углом δ_лоп к продольной оси PC.

На внутренней боковой поверхности сопла 3 за его критическим сечением 9 расположено устройство 10 создания вращающего момента с использованием струи реактивного двигателя 2. Устройство 10 содержит пластины 11, равномерно расположенные в окружном направлении сопла 3 под одинаковым углом δ_пл подъема винтовой линии их боковых поверхностей 12 к продольной оси PC и постоянной по высоте толщиной t.

Поверхность 13 каждой пластины 11 устройства вращения 10, обращенная к продольной оси сопла 3, образована элементами цилиндрической поверхности с осью, совпадающей с продольной осью сопла 3, а угол δ_пл подъема винтовой линии боковых поверхностей пластин устройства вращения выполнен в пределах, определяемых по зависимости:

Функционирование предлагаемого вращающегося PC происходит следующим образом. После запуска реактивного двигателя 2 за счет реактивной силы газовой струи, истекающей из центрального сопла 3 PC с головной частью 1 движется по трубчатой направляющей пусковой установки, дугообразные лопасти 5 стабилизатора 4 находятся в сложенном положении. Газовая струя реактивного двигателя 2 воздействует на боковые поверхности 12 пластин 11 устройства вращения 10, расположенного за критическим сечением 9 сопла 3, создает вращающий момент относительно продольной оси PC, который начинает вращение.

После выхода PC из трубчатой направляющей пусковой установки лопасти 5 раскрываются, обеспечивая устойчивое движение снаряда по траектории. За счет установки лопастей 5 под углом δ_лоп к продольной оси PC поддерживается его дальнейшее вращение. Путем обеспечения требуемой скорости вращения исключается влияние начальных возмущений при вылете PC, геометрического, газодинамического эксцентриситетов на основные характеристики стрельбы. Наличие односторонних скосов 8 передних кромок 6, выполненных на выпуклых поверхностях 7 лопастей в сочетании с углом м δ_лоп их установки создается оптимальный вращающий аэродинамический момент стабилизатора 4, направленный в ту же сторону, что и газодинамический момент от пластин 11.

За счет выбора форм, углов установки, геометрических параметров лопастей стабилизатора и пластин устройства вращения, рациональных соотношений их между собой и указанных в приведенной формуле описания обеспечивается устойчивый безрезонансный полет PC без раскачек и разрушений в допустимом интервале угловой скорости вращения на всех участках траектории, уменьшение сопротивления пластин устройства и лопастей стабилизатора, при движении с большими скоростями, уменьшить потерю тяги двигателя.

Предложенное техническое решение позволило разработать вращающийся реактивный снаряд с повышенной надежностью функционирования, существенно увеличенной дальностью стрельбы, улучшенными аэробаллистическими характеристиками.

Указанный положительный эффект подтвержден летно-конструкторскими испытаниями образцов вращающихся PC системы залпового огня, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением.