Снаряд для метания низкопрочных ударников

 

Снаряд для метания низкопрочных ударников относится к приспособлениям, используемым при испытаниях различных конструкций на ударное воздействие высокоскоростных ударников. Сущность изобретения: снаряд состоит из поддона, представляющего собой разрезной цилиндрический корпус, выполненный из двух или более одинаковых продольных частей и имеющий снаружи обтюрирующий пояс. В передней части поддона на его внутренней поверхности выполнен буртик, взаимодействующий с передней частью ударника, который своей задней частью упирается в дно поддона, толщина которого h связана с массой ударника M соотношением h= h1+rМ, где h1 (мм) - толщина дна поддона для ударника минимальной массы, r=0,04 - 0,08 (мм/г) - коэффициент пропорциональности. Для осесимметричного ударника с максимальным поперечным размером D высота буртика b, измеряемая в плоскости, перпендикулярной продольной оси поддона, выбирается, исходя из соотношения 0,025<b/D<0,1, если же отношение размера ударника D к внешнему диаметру поддона D_вн удовлетворяет неравенству D/D_вн<0,7, то на внешней поверхности поддона выполнен дополнительный обтюрирующий пояс, имеющий в продольном сечении профиль с вогнутой задней поверхностью и максимальной толщиной по его внешнему периметру. Между обтюрирующими поясами внешняя поверхность поддона выполнена цилиндрической диаметром D1, который выбирается из соотношения 0,8<D/D1<0,94. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к приспособлениям, используемым при испытаниях конструкций на ударное воздействие высокоскоростных ударников, и входит в состав метательных устройств, при этом ударники могут иметь низкие физико-механические характеристики (ФМХ). С помощью предлагаемого устройства можно осуществлять экспериментальное моделирование воздействия града на вертолетные лопасти и элементы конструкции самолетов, частиц грунта, вылетающих из-под шасси самолета на его обшивку, а также низкопрочных частиц грунта, выбрасываемых из воронки мощного промышленного взрыва, на различные объекты, находящиеся в зоне действия последнего.

Известно устройство снаряда (Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях/ Под ред. Н.А. Златина и Г.И.Мишина. - М., 1974, с. 109), представляющее собой стакан с размещенным в нем ударником. Способ использования устройства состоит в следующем. Снаряд помещают в ствол баллистической установки (БУ) и производят выстрел, для отделения поддона от ударника в полете используют отсекатели, установленные вдоль трассы. Отсекатели задерживают поддон, а ударник продолжает полет к мишени. К недостаткам аналога можно отнести: 1) возможность повреждения ударника под воздействием динамических процессов, возникающих при взаимодействии поддона с отсекателем, и 2) ограниченную скорость разгона низкопрочного ударника вследствие его возможного разрушения в стволе под действием перегрузки и внутрибаллистических газодинамических процессов.

Известно устройство снаряда, принятого за прототип (патент США 3610155, кл. 102-93, 1971), имеющего разрезной цилиндрический корпус, состоящий из двух продольных половинок и имеющий внутри полость, в которой размещен разгоняемый ударник, а снаружи - обтюрирующий пояс. К недостаткам прототипа можно отнести второй недостаток вышеописанного аналога.

Технико-экономический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении допустимой скорости метания низкопрочных ударников с заданным уровнем ФМХ (или уменьшении нижней границы прочностных характеристик ударников при заданной скорости метания) без их преждевременного разрушения до взаимодействия с мишенью, уменьшении навески порохового заряда при сохранении заданной скорости разгона ударника, что позволит уменьшить перегрузку, действующую на ударник при разгоне, и тем самым уменьшить вероятность его преждевременного разрушения, а также повысить безопасность подготовки и проведения экспериментальных работ, уменьшении стоимости экспериментальных работ за счет уменьшения расхода специальных дорогостоящих ударников (их стоимость эквивалентна 10 - 50 долларам США), поддонов (их стоимость сопоставима со стоимостью ударников) и пороха, увеличении ресурса собственно ствола БУ, в том числе, за счет исключения возможности касания ударника о внутреннюю поверхность последнего.

Указанный результат обеспечивается совокупностью существенных признаков, заключающихся в следующем.

В полости разрезного поддона выполнен внутренний буртик, плотно взаимодействующий с передней частью ударника и фиксирующий его от продольных перемещений относительно поддона, а задняя часть ударника плотно взаимодействует с дном поддона, толщина которого n (в миллиметрах) связана с массой метаемого ударника M (в граммах) соотношением h = h1 + rM, (1) где h1 - толщина дна поддона для ударника минимальной массы; r - коэффициент пропорциональности, выбираемый из интервала (0,04 - 0,08) мм/г, при этом для осесимметричного ударника с максимальным поперечным размером D высота буртика b, измеряемая в плоскости, перпендикулярной продольной оси поддона, выбирается исходя из соотношения 0,025 < b/D < 0,1, (2) если же отношение D/D_вн не превышает величину 0,7, где D_вн - внешний диаметр поддона, то на внешней поверхности поддона выполнен дополнительный обтюрирующий пояс, имеющий в продольном сечении переменный профиль с вогнутой задней поверхностью и максимальной толщиной по его внешнему периметру, при этом между обтюрирующими поясами внешняя поверхность поддона выполнена цилиндрической диаметром D1, который выбирается из соотношения 0,8 < D/D1 < 0,95. (3) Предлагаемая конструкция снаряда разработана исходя из следующих соображений.

Анализ большого количества результатов метания с помощью преимущественно пороховых БУ низкопрочных ударников, предварительно помещенных в поддоны различной конструкции, выявил, что динамический импульс пороховых газов приводит к прогибанию в направлении полета дна поддона и частичному выталкиванию из него ударника. В процессе дальнейшего движения по каналу ствола под действием пороховых газов, просачивающихся через обтюрирующий пояс поддона, а также в результате возможного касания внутренней поверхности ствола ударником, коэффициент трения которого выше коэффициента трения поддона, происходит замедление движения ударника. В результате поддон догоняет и ударяет ударник, что может привести к частичному повреждению или разрушению последнего. Следует отметить, что даже в случае неразрушения ударник может полностью не вернуться в исходное положение, т.е. в предназначенную для него полость поддона, т.к. последний, как правило, выполненный из специального полиэтилена или подобного полимерного материала, под действием высоких температуры и давления внутри ствола частично оплавляется и деформируется. В результате может произойти нештатный выход из ствола поддона вместе с ударником и нерасчетное отделение одного от другого, что может привести к дополнительным аэродинамическим возмущениям и соударению ударника об отсекатель.

Предлагаемая авторами конструкция снаряда позволяет исключить описанные неблагоприятные эффекты.

На рис. 1 изображен вариант исполнения снаряда для случая относительно небольших ударников (D/D_вн < 0,7), поддон которого представляет собой разрезной цилиндрический корпус, состоящий из двух продольных половинок 1 и 2 и имеющий внутри полость для разгоняемого ударника 3, в передней части поддона на внутренней его поверхности выполнен буртик 4, который поджимает ударник 3 к дну 5 поддона и исключает продольные перемещения ударника относительно поддона до раскрытия и отделения последнего. На внешней поверхности поддона выполнены основной (задний) 6 и дополнительный (передний) 7 обтюрирующие пояса, причем последний имеет в продольном сечении переменный профиль с вогнутой задней, например конической, поверхностью и максимальную толщину по его внешнему периметру.

На рис. 2 представлен вариант исполнения поддона для случая относительно больших ударников: при фиксированном калибре БУ (как правило, большинство экспериментальных работ проводятся на одной БУ) с увеличением поперечного размера ударника неизбежно уменьшается толщина стенки поддона и, начиная с определенного соотношения поперечного размера ударника D и внутреннего диаметра ствола БУ, с которым по номиналу совпадает внешний диаметр поддона D_вн, просто не хватает строительной высоты для выполнения дополнительного обтюрирующего пояса, и поддон выполняется без последнего. Из конструктивных и технологических соображений установлено, что, если размер ударника D составляет более 70% от величины D_вн, т.е. D > 0,7 D_вн, то поддон, к сожалению, выполняется без дополнительного пояса, но при D < 0,7 D_вн поддон следует выполнять с дополнительным обтюрирующим поясом.

Максимальная высота b буртика 4 определяется из условия незаклинивания и надежного раскрытия половинок поддона 1 и 2 под действием набегающего воздушного потока. Экспериментально установлено, что максимальный размер буртика b для случая цилиндрического ударника диаметром D выбирается из соотношения b/D < 0,1, а минимальный размер b буртика 4 определяется необходимостью гарантированного исключения продольного перемещения ударника 3 относительно поддона и с учетом реальных допусков на размеры сопрягаемых деталей, а также из опыта изготовления и применения таких поддонов выбирается из соотношения b/D > 0,025.

Таким образом, определены границы для соотношения b/D:
0,025 < b/D < 0,1.

Толщина h дна 5 поддона выбирается исходя из следующих соображений. Дно поддона, с одной стороны, должно быть достаточно жестким и прочным для минимизации его импульсных деформаций и сохранения его целостности в стволе под действием пороховых газов и перегрузки. С другой стороны, опять-таки из накопленного опыта, масса поддона не должна превышать 30 - 50% массы метаемого ударника, в противном случае, увеличиваются возмущения ударника при отделении от него поддона и, следовательно, ухудшается точность стрельбы. Минимизация массы поддона также целесообразна из соображений, связанных с уменьшением потребной пороховой навески. Исходя из указанных соображений и ограничений, экспериментальным путем была установлена близкая к оптимальной прямо пропорциональная зависимость между толщиной поддона h и массой ударника M, описываемая выражением (1): h = h1 + rM. Толщина поддона h1 для ударника минимальной массы выбирается из условий прочности поддона так же, как и в прототипе, при этом очевидно, что h1 > 0, т.е. даже при метании ударника ничтожной массы поддон должен иметь минимальную толщину, обеспечивающую его целостность в стволе под действием пороховых газов и перегрузки при выстреле. Допустимый интервал коэффициента пропорциональности r = 0,04 - 0,08 также определен опытным путем, причем при r < 0,04 с увеличением массы метаемых ударников наблюдался высокий процент преждевременного разрушения поддонов и ударников. Увеличение r > 0,08 приводит к неоправданному увеличению массы поддона, что, в свою очередь, приводит:
а) к повышенным возмущениям ударника при отделении от него поддона, которые вызывают потери точности стрельбы и даже увод ударника с траектории;
б) к увеличению потребной массы навески порохового заряда при заданных скорости метания и массы ударника, что служит дополнительной причиной разрушения ударников из-за роста действующих на них перегрузок в стволе и повышенного износа последнего, а также не способствует снижению уровня безопасности испытаний;
в) к увеличению стоимости экспериментальных работ из-за роста доли неудачных выстрелов и количества расходных материалов (пороха, поддонов, ударников и мишеней).

Введение в конструкцию поддона дополнительного обтюрирующего пояса 7 позволяет решить следующие задачи. Во-первых, уменьшить перегрузку, действующую на ударник, за счет более эффективного использования пороховых газов, получаемых от фиксированной навески пороха. Не привлекая достаточно громоздкие внутрибаллистические расчеты, получаемый эффект можно легко объяснить чисто качественно. Газы, просачивающиеся через задний обтюрирующий пояс 6, оказывают давление P на заднюю поверхность дополнительного пояса 7, формируя тем самым дополнительное ускоряющее движение снаряда продольное усилие F = PS, где S = (D_вн - D1)/4 и представляет собой площадь кольца, лежащего в плоскости, перпендикулярной продольной оси снаряда, ширина которого равна высоте переднего обтюрирующего пояса (b1 = D_вн)/2. Наличие дополнительной продольной силы F позволяет при заданной скорости разгона ударника уменьшить навеску пороха, либо при фиксированной навеске увеличить скорость разгона, т. е. обеспечивается более плавный разгон ударника. Для повышения степени обтюрации пороховых газов дополнительным поясом 7 профиль последнего выполнен переменным с вогнутой задней, например конической, поверхностью с максимальным продольным размером по внешнему периметру пояса, что позволяет получить от давления газов, действующих на вогнутую поверхность, дополнительные радиальные усилия, повышающие степень прижатия внешней цилиндрической поверхности пояса 7 к внутренней поверхности ствола БУ, уменьшая тем самым возможность просачивания газов между внешней поверхностью дополнительного обтюрирующего пояса и внутренней поверхностью ствола БУ. Во-вторых, введение дополнительного обтюрирующего пояса, причем с вогнутой задней поверхностью, чисто конструктивно позволяет уменьшить массу поддона (по сравнению с вариантом его исполнения со сплошной цилиндрической стенкой без переднего обтюрирующего пояса) при фиксированном размере ударника за счет выполнения его внешней поверхности между обтюрирующими поясами цилиндрической с диаметром D1, который находится в интервале D < D1 < D_вн и выбирается из соотношения (3): 0,8 < D/D1 < 0,95, что также позволяет уменьшить навеску пороха и, соответственно, перегрузку, действующую на ударник. Правая граница неравенства (3), определяющая минимальную толщину стенки поддона, выбрана из соображений прочности последней под действием нагрузок в стволе БУ при выстреле. Левая же граница неравенства, определяющая максимальную толщину стенки поддона, выбрана исходя из минимизации массы поддона и обеспечения минимально допустимой высоты переднего обтюрирующего пояса b1 min, меньше которой положительный эффект от выполнения поддона с передним поясом снижается за счет уменьшения величин дополнительных продольной и радиальных сил, действующих на заднюю поверхность переднего пояса 7.

Таким образом, предлагаемая конструкция поддона позволяет, по сравнению с прототипом, уменьшить вероятность преждевременного (до встречи с мишенью) разрушения низкопрочных ударников и, тем самым, обеспечить максимально близкое к натурному экспериментальное моделирование исследуемых процессов, повысить безопасность и уменьшить стоимость экспериментальных работ, а также увеличить ресурс ствола БУ. Наличие отмеченных преимуществ от использования предлагаемого изобретения подтверждено соответствующими экспериментальными работами, проведенными Московским институтом теплотехники на экспериментальной базе Военно-воздушной инженерной академии им. Н.Е. Жуковского с использованием пороховой пушки типа ППН-42.

Формула изобретения

1. Снаряд для метания низкопрочных ударников, состоящий из поддона, представляющего собой разрезной цилиндрический корпус, выполненный из двух или более одинаковых продольных составных частей и имеющий полость для размещения ударника и установленный снаружи обтюрирующий пояс, отличающийся тем, что в передней части поддона на его внутренней поверхности выполнен буртик, взаимодействующий с передней частью ударника, последний при этом взаимодействует с дном поддона, а толщина h дна поддона связана с массой M метаемого ударника соотношением
h = h₁ + rM,
где h₁ - толщина дна поддона для ударника минимальной массы;
r = 0,04 - 0,08 мм/г - коэффициент пропорциональности.

2. Снаряд по п.1, отличающийся тем, что для осесимметричного ударника с максимальным поперечным размером D высота b буртика, измеряемая в плоскости, перпендикулярной продольной оси поддона, выбирается из соотношения 0,025 < b/D < 0.1.

3. Снаряд по п. 1, отличающийся тем, что при отношении максимального поперечного размера ударника D к внешнему диаметру поддона D_вн, удовлетворяющем неравенству D/D_вн < 0,7, на внешней поверхности поддона выполнен дополнительный передний обтюрирующий пояс, имеющий в продольном сечении профиль с вогнутой задней поверхностью и максимальной толщиной по его внешнему периметру.

4. Снаряд по п. 3, отличающийся тем, что между обтюрирующими поясами внешняя поверхность поддона выполнена цилиндрической диаметром D₁, который выбирается из соотношения 0,8 < D/D₁ < 0,95.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2