Экспериментальный баллистический комплекс
Владельцы патента RU 2591132:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) (RU)
Изобретение относится к технике высокоскоростного метания в лабораторных условиях. В баллистическом комплексе последовательно по траектории движения метаемых моделей расположены баллистическая установка, вакуумный глушитель, камера отделения ведущих частей и поддона от метаемой модели и гидродинамическая камера. Вакуумируемый ствол через герметизирующее уплотнение частично заходит в вакуумный глушитель. К дульному срезу ствола пристыкован электромагнитный датчик скорости. На противоположном конце вакуумного глушителя крепится распорными винтами отсекатель метающего газа в виде металлической пластины с отверстием по оси. Камера отделения ведущих частей и поддона от метаемой модели и гидродинамическая камера оборудованы иллюминаторами и запорной арматурой. Внутри гидродинамической камеры размещена рама, к которой крепятся и/или уловитель метаемого тела, и/или мишень, и/или контактные датчики. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности проведения прямых измерений на всей траектории движения метаемых моделей. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технике высокоскоростного метания в лабораторных условиях и предназначено для аэробаллистических исследований, экспериментов по высокоскоростному взаимодействию метаемых моделей с преградами, наблюдения за гидродинамическими процессами, изучения процессов суперкавитации. Может быть, использование для выбора материалов, отработки конструкций и форм метаемых элементов, выбора материалов и отработки конструкций ведущих элементов, оценки устойчивости преград из различных материалов к воздействию различных метаемых элементов.
При проведении экспериментов модели, как правило, подкалиберные (имеют меньший, чем у ствола диаметр). Для высокоскоростного метания таких моделей используются различного рода ведущие элементы, поддоны. Часто необходимо отделять поддон от метаемого элемента, что является достаточно сложной проблемой. Кроме того, для некоторых исследований нежелательным является попадание в баллистическую трассу метающего газа (движение моделей в реагирующих средах, исследование чувствительности взрывчатых веществ к удару и др.).
Известны различные устройства для отделения (отсечки) элементов метаемой сборки от метаемой модели. Простейшим из них является преграда из картона или фанеры [2]. При соударении с такой преградой элементы метаемой сборки дробятся и их осколки отстают от метаемой модели. Влияние такой преграды на метаемую модель незначительно. Однако метающий газ практически полностью перетекает в трассу.
Также известны различные устройства, содержащие аэробаллистический участок и диафрагму для отделения ведущих элементов, где также метающий газ поступает в баллистическую трассу [3]. В публикации [4] в качестве отсекателя элементов метаемой сборки от модели используется конструкция, схожая с конструкцией прототипа, однако весь экспериментальный баллистический комплекс для исследования движения суперкавитирующих моделей в воде располагался в затапливаемом помещении, это накладывает целый ряд ограничений на установку и использование измерительной и регистрирующей аппаратуры. В публикации [5] весь экспериментальный баллистический комплекс для исследования движения суперкавитирующих моделей в воде располагался вертикально, отделение элементов метаемой сборки происходит аэродинамическим способом на траектории до входа в воду. Метание осуществляется баллистической установкой, использующей горючий газ, что накладывает ограничения на скорость метаемой сборки. Кроме того, расположение баллистического комплекса вертикально по объективным причинам, приводит к возрастанию плотности среды с увеличением глубины гидродинамического участка траектории.
Наиболее близкой по технической сущности и условиям применения является баллистическая установка, к стволу которой пристыкован отсекатель газа и поддонов [1]. Отсекатель имеет цилиндроконическую насадку, у которой диаметр входного цилиндрического участка равен калибру ствола, а выходного цилиндрического участка - калибру метаемого элемента. Во входную часть цилиндроконической насадки вставлен цилиндроконический буфер из пластического материала, энергопоглощающая характеристика материала зависит от скорости метаемой сборки.
Взятая за прототип конструкция баллистической установки с отсекателем газов и поддонов обеспечивает получение «абсолютно чистого метаемого элемента» позволяет существенно уменьшить экспериментальное помещение. Обеспечивает существенное глушение звука выстрела и, практически, полное отсутствие отката баллистической установки. И, наконец, загерметизированный в стволе метающий газ может быть откачан непосредственно в вентиляционную систему, что исключает попадание его в экспериментальное помещение.
Объективным недостатком такого решения является необходимость иметь запас буферных элементов, поскольку они однократного использования и запас насадок отсекателей, поскольку извлечение буферного элемента из отсекателя представляет некоторые сложности.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание эксперементального баллистического комплекса для аэробаллистических исследований, экспериментов по высокоскоростному взаимодействию метаемых моделей с преградами, наблюдения за гидродинамическими процессами, изучения процессов суперкавитации.
Технический результат достигается тем, что экспериментальный баллистический комплекс включает вакуумируемый ствол баллистической установки, метаемую сборку, состоящую из поддона и метаемой модели, отсекатель метающего газа и поддона, электромагнитный датчик скорости. В баллистическом комплексе последовательно по траектории движения метаемых моделей и соосно расположены вакуумный глушитель, камера отделения ведущих частей и поддона от метаемой модели и гидродинамическая камера. При этом вакуумируемый ствол через герметизирующее уплотнение частично заходит в вакуумный глушитель, к дульному срезу ствола пристыкован электромагнитный датчик скорости, а на противоположном конце вакуумного глушителя крепится распорными винтами отсекатель метающего газа в виде металлической пластины с отверстием по оси, а камера отделения ведущих частей и поддона от метаемой модели и гидродинамическая камера оборудованы иллюминаторами, причем внутри гидродинамической камеры размещена рама, к которой крепятся и/или уловитель метаемого тела, и/или мишень, и/или контактные датчики.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Фиг. 1. Экспериментальный баллистический комплекс.
Фиг. 2. Варианты конструкции метаемых сборок и процесс отделения ведущих частей от метаемой модели в камере разделения.
Фиг. 3. Процесс движения метаемой модели в жидкости.
Пример реализации изобретения.
Экспериментальный баллистический комплекс Фиг. 1 состоит из пороховой баллистической установки, ствол которой 1 частично входит в вакуумный глушитель 5 через герметизирующий узел 7. Объем вакуумного глушителя зависит от объема камеры сгорания баллистической установки. Вакуумный глушитель снабжен отсекателем 3 и позволяет надежно отсечь метающие газы. Вакуумный глушитель снабжен герметичными каналами 15 для ввода кабелей регистрации, подключаемых к датчику скорости 8. Вакуумный глушитель имеет запорную арматуру 16, посредством которой осуществляется удаление воздуха в период вакуумирования, отсос метающих газов после эксперимента в систему вентиляции, слив воды, поступившей в процессе эксперимента. Вакуумный глушитель имеет узел крепления мембраны 14, он обеспечивает отделение вакуумируемого объема от баллистической трассы в период подготовки эксперимента. К фланцу вакуумного глушителя крепится камера отделения ведущих частей и поддона от метаемой модели 4. Разделение происходит аэродинамическим методом - экспериментально установлено, длина аэродинамического участка траектории должна быть не менее 0.5 м. Камера отделения ведущих частей и поддона имеет иллюминаторы 9 для наблюдения за процессом отделения элементов метаемой сборки от метаемой модели, результаты наблюдений для различных конструкций метаемых сборок представлены на Фиг. 2. Камера отделения ведущих частей и поддона имеет запорную арматуру, которая позволяет увеличивать давление воздуха для активизации процессов отделения в ходе эксперимента и сливать воду после эксперимента. К камере разделения ведущих частей и поддона через герметизирующую мембрану пристыкована гидродинамическая камера 6, в которой посредством иллюминаторов и скоростной фото-видео регистрирующей аппаратуры происходит наблюдение за процессами, сопровождающими движение метаемых моделей в режиме суперкавитации на различных скоростях, результаты наблюдений представлены на Фиг. 3. Гидродинамическая камера имеет свободно размещенную раму 10, к которой в зависимости от требований эксперимента могут крепиться различные узлы. К раме могут крепиться контактные датчики либо диафрагмы 13, различного рода преграды 12, уловитель метаемой модели 11. Гидродинамическая камера имеет запорную арматуру, что обеспечивает возможность заполнения объема камеры водой, слива воды после эксперимента, изменение давления в соответствии с требованиями условий эксперимента. Кроме того, гидродинамическая камера имеет узел крепления мембраны, аналогичный 14 для обеспечения возможности выхода метаемой модели из воды и более качественного наблюдения формы метаемой модели после прохождения гидродинамического участка траектории. На Фиг. 2 представлены два варианта конструкций метаемых сборок, оба содержат поддон 1 металлическую метку 2, позволяющую надежно фиксировать и регистрировать скорость метаемой сборки на срезе ствола, метаемую модель 3, ведущие части 4, которые могут быть изготовлены из пластика, например полиэтилена либо из материала с низким пределом прочности, например из бальзы. Еще в процессе проектирования экспериментального баллистического комплекса для исследования движения суперкавитирующих моделей в воде решалась задача по герметизации объема жидкости на гидродинамическом участке траектории до эксперимента и герметизации объема камеры разделения после эксперимента, поскольку после прорыва мембраны гидродинамического участка вода поступает в камеру разделения самотеком. Кроме того, стояла задача обеспечить наблюдение за процессом отделения метаемых элементов от метаемой модели, что невозможно организовать при использовании буфера. В этой связи пришлось вернуться к аэродинамическому способу отделения элементов метаемой сборки от модели [3].
Баллистический комплекс работает следующим образом. В ствол 1 устанавливается метаемая сборка 2, объем вакуумного глушителя вакуумируется. По достижении форвакуума и завершении подготовительных работ производится выстрел. Метка Фиг. 2.2 метаемой сборки Фиг. 1.2, проходя по датчику скорости Фиг. 1.8, генерирует импульсы, которые используются для определения скорости метаемой модели на срезе ствола и запускают генератор задержки синхроимпульсов для запуска приборов подсветки и регистрирующей аппаратуры. Метающие газы, истекающие из ствола Фиг. 1.1, свободно распространяются в вакуумном глушителе Фиг. 1.5. Метаемая сборка, двигаясь по траектории, прорывает мембрану, установленную в узле крепления Фиг. 1.14, и выходит в камеру разделения Фиг. 1.4, где под действием воздуха, см. Фиг. 2.5, съемка производилась на иллюминаторе Фиг. 1.9, от метаемой модели Фиг. 2.3 отстают поддон Фиг. 2.1, метка Фиг. 2.2, ведущие части Фиг. 2.4 либо отстают, либо разрушаются. В гидродинамическую камеру Фиг. 1.6 метаемая модель входит уже без ведущих элементов, поддона и метки, см. Фиг. 3. Съемка производилась на первом иллюминаторе гидродинамической камеры.
Предложенная конструкция экспериментального баллистического комплекса позволяет проводить аэробаллистические исследования, эксперименты по высокоскоростному взаимодействию метаемых моделей с преградами, наблюдать за гидродинамическими процессами, изучать процессы суперкавитации. Используется для выбора материалов, отработки конструкций и форм метаемых элементов, выбора материалов и отработки конструкций ведущих элементов, оценки устойчивости преград из различных материалов к воздействию различных метаемых элементов. Кроме того, позволяет наблюдать процессы, сопровождающие движение метаемых моделей на всей траектории от вакуумного глушителя, эффективно совершенствовать как саму метаемую модель, так и конструкцию метаемой сборки. Обеспечивает уменьшение звука выстрела и практически полностью локализует метающий газ, который после эксперимента удаляется в систему вентиляции. Исключает выброс воды за пределы экспериментальной установки. Элементы крепления фланца вакуумного глушителя и соединение камер разделения и гидродинамического участка позволяют достаточно быстро заменять мембраны, что сокращает время подготовки эксперимента. Конструкция позволяет использовать широкий спектр контрольно-измерительного, регистрирующего оборудования. Опыт эксплуатации данного экспериментального баллистического комплекса показал, что его возможно эффективно использовать и в различных баллистических экспериментах.
ЛИТЕРАТУРА
1. «Баллистическая установка с отсекателем», патент RU 2400687, Герасимов А.В. Жаровцев В.В., Христенко Ю.Ф.
2. Златин Н.А., Красильщиков А.П., Мишин Г.И., Попов Н.Н. «Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях», М.: Изд-во Наука, 1974, 344 с.
3. «Аэробаллистическая установка - инструмент современной экспериментальной гиперзвуковой аэродинамики. Отчет. Институт Механики МГУ, №2032. рук. Темы Черный Г.Г., Чернявский С.Ю. М.; 1977, 43 с.
4. Forum, FED 210, J. Katz and Y. Matsumoto, editors, Hilto n Head Island, SC. Kirschner, I.N., N.E. Fine, D.C. Kring, and J.S. Uhlman (2001) "Numerical Modeling of Supercavitating Flows," Lecture Notes for the RTO AVT/VKI Special Course on Supercavitating Flows, von Karman Institute for Fluid Dynamics, Rhode Saint Genèse, Belgium.
5. Savchenko, Y.N., V.N. Semenenko, S.I. Putilin, Y.D. Vlasenko, V.T. Savchenko, and Y.I. Naumova (2000) "Theory of Stable Model Motion with Ventilated and Unventilated Supercavities," IHM Technical Report, National Academy of Sciences of Ukraine, Institute of Hydromechanics, Kiev, Ukraine.
1. Экспериментальный баллистический комплекс, включающий вакуумируемый ствол баллистической установки, метаемую сборку, состоящую из поддона и метаемой модели, отсекатель метающего газа и поддона, электромагнитный датчик скорости, отличающийся тем, что в баллистическом комплексе последовательно по траектории движения метаемых моделей и соосно расположены вакуумный глушитель, камера отделения ведущих частей и поддона от метаемой модели и гидродинамическая камера, при этом вакуумируемый ствол через герметизирующее уплотнение частично заходит в вакуумный глушитель, к дульному срезу ствола пристыкован электромагнитный датчик скорости, а на противоположном конце вакуумного глушителя крепится распорными винтами отсекатель метающего газа в виде металлической пластины с отверстием по оси, а камера отделения ведущих частей и поддона от метаемой модели и гидродинамическая камера оборудованы иллюминаторами, причем внутри гидродинамической камеры размещена рама, к которой крепятся и/или уловитель метаемого тела, и/или мишень, и/или контактные датчики.
2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что вакуумный глушитель имеет узел крепления мембраны, ограничивающий вакуумируемый объем и оснащен каналами ввода кабелей регистрации для присоединения к электромагнитному датчику скорости.
3. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что вакуумный глушитель, камера отделения ведущих частей и поддона от метаемого тела и гидродинамическая камера имеют запорную арматуру.
4. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что метаемая сборка имеет металлический диск, метку и ведущие части.
