анализ внутренней баллистики систем с подгоном модели в

УДК 629.7
ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ БАЛЛИСТИКИ СИСТЕМЫ С ПОДГОНОМ
МОДЕЛИ В ПУСКОВОЙ ТРУБЕ
Токарев Д.Н., научный руководитель д.ф.-м.н. А.И. Сафронов
Тольяттинский государственный университет
Классическая схема выстрела практически исчерпала свои возможности по повышению начальных
скоростей метания, как в лабораторных условиях, так и при применении в системах вооружения.
В [1] рассмотрена схема метания с присоединёнными камерами подгона, педставленная на рис.1.
Рис. 1. Схема метания: 0 – основного заряда; 1 – первая камера подгона; 2 – вторая камера подгона; 3 – поршни;
4 – метаемый элемент
В камерах подгона находятся части общего порохового заряда [2] рассматриваемой схемы. В начальный
момент времени в движение приходит сборка, состоящая из поршней 3, 1 и 2 областей и метаемого элемента 4.
Часть заряда, находящаяся в первой камере подгона, воспламеняется через заданное время задержки
зажигания после начала движения сборки. Часть заряда, находящаяся во второй камере подгона,
воспламеняется через заданный промежуток времени после зажигания заряда в первой камере подгона. После
этого метаемый элемент продолжает движение по каналу ствола отдельно от сборки, приобретая на дульном
срезе высокую скорость.
Рис. 2.Зависимости давлений и скоростей от координат движущихся поршней и метаемого элемента
Прямая задача внутренней баллистики для рассмотренной схемы решалась совместным эйлеролагранжевым методом (СЭЛ) [3] при обычных допущениях модели газопороховой смеси [4, 5].
Результаты расчётов для метаемого элемента с коэффициентом относительного веса Cq=3 кГ/дм3
представлены на рис. 2. Рассчитывался выстрел из модельной пороховой пушки калибра 421мм. Показаны
зависимости давлений и скоростей на границах рассматриваемых областей от координат движущихся в
процессе выстрела поршней и метаемого элемента.
На рис. 2: зависимости процесса изменения давления от координаты левой границы первого поршня в
казённой части (1), за первым поршнем (2); зависимости процесса изменения давления от координаты левой
границы второго поршня на правой границе первого поршня (4), за вторым поршнем (3); зависимости процесса
изменения давления от координаты метаемого элемента на правой границе второго поршня (5), на метаемом
элементе (6); зависимость процесса изменения скорости первого поршня от координаты его левой границы (7);
зависимость процесса изменения скорости второго поршня от координаты его левой границы (8).; зависимость
процесса изменения скорости метаемого элемента от его координаты (9).
Время задержки зажигания для первой камеры подгона tз=2,6031мс. После зажигания давление в камере
подгона предполагается равным 51МПа, а затем, при горении заряда в первой камере, давление перед поршнем
возрастает до 5051МПа. Торможению поршня препятствует давление за поршнем примерно до 4001МПа.
Расчётное давление на сборку второй камеры достигает 10001МПа. Из графиков скоростей, в зависимости от
соответствующих координат, видно, что левая граница сборки первой ускоряется в конце процесса выстрела.
Через некоторое время после воспламенения заряда во второй камере подгона (tз1=3,1551мс) происходит
разделение сборки (вторая камера подгона + метаемый элемент), и метаемый элемент дополнительно
ускоряется.
Необходимо отметить, что скорости 34861м/с относительно тяжёлый метаемый элемент с Cq=31кГ/дм3
достигает при использовании обычных штатных порохов.
В частном случае рассмотрим применение схемы с одной присоединённой камерой подгона в диапазоне
максимальных давлений до 5001МПа на системе с относительно коротким каналом ствола. Для исследования
была выбрана модельная установка калибра 30 мм с длиной канала ствола 60 калибров. Полагалось, что между
поршнем и метаемым элементом возможна реализация жёсткой связи, благодаря чему процесс в основной
камере не чувствителен к нарастанию давления за счёт горения пороха в камере подгона до разрыва связи.
В результате расчётов в случае без реализации жёсткой связи между поршнем и метаемым элементом
была подобрана задержка зажигания tз=2,6031мс, которая обеспечила начальную скорость метаемого элемента
с Cq=21кГ/дм3, V0=25151м/с. Эта скорость примерно на 10% выше начальной скорости при метании по
классической схеме при том же самом заданном максимальном давлении 500 МПа.
При наличии жёсткой связи между поршнем и метаемым элементом в системе противодавление
движению поршня начинает чувствоваться в области основного заряда лишь после разрыва связи. В этом
случае давление перед поршнем меняется скачком от нуля до давления разрыва связи. Соответственно,
давление на левой границе первого поршня также резко возрастает. В результате перераспределения энергии
может возрастать и скорость метаемого элемента. Результаты расчёта зависимости параметров от давления
разрыва связи Pz приведены на рис.3.
Рис.3. Зависимости баллистических параметров от давления разрыва связи; 1 – скорость метаемого элемента; 2
– давление на правой границе поршня
При давлении разрыва примерно 250 МПа на рассматриваемой системе калибра 30 мм за счёт
перераспределения энергии скорость метаемого элемента возрастает дополнительно примерно на два процента.
Давление разрыва 300 МПа вызывает рост давления на правой границе поршня примерно до 550 МПа, тем
самым, нарушая ограничение на максимальные давления в системе. На левой границе поршня при этом
ответный всплеск давления равен 395 МПа.
При реализации схемы с присоединённой камерой подгона возможно использование сгорающего
поршня.
Прирост скорости по сравнению с реализуемой на классической схеме и одинаковых максимальных
давлениях на дно канала будет увеличиваться при удлинении канала ствола.
Дальнейшее изучение баллистических возможностей схемы с присоединёнными камерами подгона
связано с решением оптимизационных задач подбора параметров подобных систем.
В настоящей статье рассматривается наиболее простая схема подгона метаемого элемента в пусковой
трубе, которая показала свою эффективность для получения существенного приращения скорости метаемого
элемента. Рассматриваемая схема метания с частично или полностью сгорающими поршнями и направляющим
поддоном метаемого элемента может привести только к увеличению дульной скорости элемента при
аналогичных ограничениях общего заряда, максимального давления в камерах и на метаемый элемент при
заданном его весе.
Таким образом, показана перспективность использования нетрадиционной схемы с присоединёнными
камерами подгона для повышения скоростей метаемых элементов в лабораторных условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комаровский Л.В., Сафронов А.И.Использование нетрадиционной схемы метания в баллистических системах
// Международная конференция по математике и механике: Избранные доклады / Под общ. ред. Н.Р.
Щербакова. Томск, 2003. С.182–187
2. Серебряков М. E. Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет. М.: Оборонгиз, 1962. 703 с.
3. Hox В. Ф.// СЭЛ – совместный эйлерово-лагранжевый метод для расчета нестационарных двумерных задач //
Вычислительные методы в гидродинамике. М., 1967. С. 128–189.
4. Газодинамические основы внутренней баллистики // С. А. Бетехтин, А. М. Виницкий,
М. С. Горохов и др. М.: Оборонгиз, 1957. 384 с.
5. Сафронов А.И. и др. К вопросу об использовании схемы с присоединённым зарядом в метательных
системах// II Международный технологический конгресс "Военная техника, вооружение и технологии двойного
применения в XXI веке": Труды конференции. Омск, 2003. С. 81–85