Расширитель, демпфер-расширитель и устройство для их размещения
Группа изобретений относится к надульным устройствам огнестрельного оружия. Расширитель предназначен для гетерогенного расширения быстро движущихся пороховых газов и состоит из каскада блоков, которые содержат вихревую камеру и сверхзвуковое сопло с критическим сечением, которое обеспечивает бесконтактное прохождение метаемого тела. Демпфер-расширитель содержит корпус с впускной камерой и состоит из канала для истечения пороховых газов и расширительных камер торообразной формы с коническими или цилиндрическими стенками и поперечными перегородками. Устройство для обеспечения истечения быстро движущихся пороховых газов и максимально возможного снижения уровня шума содержит рабочую часть с перегородками и корпус с ячеистой структурой, аналогичной пористой многоканальной диффузионной матрицы, в котором установлены расширитель и демпфер-расширитель. Технический результат – снижение уровня шума при истечении быстро движущихся пороховых газов. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил.
Областью применения расширителя является многокамерные глушители расширительного типа, предназначенные для механического подавления звука при выстреле из стрелкового оружия или при истечении быстро движущейся газообразной среды под высоким давлением в канале. Расширитель относится к надульным устройствам. Расширитель служит для гетерогенного расширения быстро движущихся газовых сред высокого давления в атмосферу.
Из уровня техники известно изобретение «Надульное устройство ствола огнестрельного оружия», патент RU 2 355 976, опубл. 20.05.2009, МПК F41A 21/32, содержащий разгонную часть с газоотводными окнами, кожух, между кожухом и разгонной частью образовано N>1 отсеков, каждый отсек обеспечивает истечение порохового газа из отсека. В нем Si наименьшая площадь i-го отсека, отсеки имеют две продольные стенки, ограничивающие отсек в продольном направлении и внешний корпус с образованием зазора между продольной стенкой отсека и внешним корпусом R>1, канал разгонной части снабжен дульным сужением, наименьший диаметр которого равен 0,95…0,98 диаметра канала разгонной части, разгонная часть выполнена составной и содержит, по меньшей мере, два элемента. Однако данное изобретение служит для снижения импульса отдачи, дульного пламени при стрельбе в воздухе, а также для снижения импульса отдачи. Отражение порохового газа в боковом направлении от линии стрельбы значительно усиливает действие на стрелка звуковой ударной волны за счет того, что разгонная часть и наружный кожух, зазор между которыми образует один или несколько отсеков, ограниченных стенками в продольном и/или в поперечном направлении. Снижения звуковой ударной волны при данной конструкции не будет. Следовательно, не может применяться для составной части глушителя, в нем не обеспечено безотрывное истечение газов от стенок вихревых камер.
Известно изобретение «Глушитель звука выстрела», патент RU 2513342, опубл. 20.04.2014, МПК F41A 21/30, содержащий перегородки с отверстиями для пролета пули, вместе образующие сепаратор, стакан, стенки которого образуют с кожухом дополнительный объем. Изобретение позволяет повысить эффективность глушения звука выстрела для систем стрелкового оружия с не интенсивным режимом стрельбы за счет увеличения времени истечения газа через глушитель. Относится к области вооружения и направлено на совершенствование глушителя звука выстрела. Однако имеет неоправданно большие размеры, обусловленные необходимостью создания значительного внутреннего объема и ограничен в применении из-за условий работы глушителя. Не обеспечивает гетерогенного расширение быстро движущихся газовых сред высокого давления и безотрывное истечение газов с критическим сечением сопла вдоль всего каскада вихревых камер, поскольку центральный плотный поток никуда не уводится, а несет 2/3 энергии.
Известно наиболее близкое к заявленному техническому решению изобретение «Дульное устройство огнестрельного оружия», патент RU 110177, опубл. 10.11.2011, МПК F41A 21/30, которое взято в качестве прототипа. Устройство содержит расширительную камеру, выполненную с возможностью отвода в атмосферу одной части газов в продольном направлении движения пули и другой части - отвод газов в поперечном направлении движения пули, снабжено вставкой, которая соответственно образуют вторую, третью и четвертую расширительные камеры. Данное техническое решение позволяет достичь увеличения ресурса за счет предотвращения осаждения продуктов горения при отводе пороховых газов в поперечном направлении. Относится к средствам уменьшения громкости звука выстрела. Однако отвод пороховых газов из камеры в поперечном направлении осуществляют через кольцевую полость, что создает неустойчивый режим работы сопловых блоков, не позволяет реализовать весь потенциал геометрии расширительных камер. В следствие этого не разрушается центральное стержневое плотное течение, отводимый в стороны газ при больших отверстиях будет создавать в атмосфере ударную волну, а при малых отверстиях камеры заполнятся и газ прекратит отводится. Следовательно, данная конструкция не обеспечивает гетерогенное расширение быстро движущихся газовых сред высокого давления и безотрывное истечение газов с критическим сечением сопла вдоль всего каскада вихревых камер, поскольку центральный плотный поток никуда не уводится, а несет 2/3 энергии.
Изобретательской задачей является создание такой конструкции, в которой образуется гетерогенное расширение потока газов (истекающих быстро движущихся газовых сред высокого давления в атмосферу). При этом на выходе из расширителя требуется «смягчить» ударную волну истекающего потока, разделив его на отдельные струи, в которых характер истечения газов изменяется таким образом, чтобы в атмосферу эти газы попадали уже с характеристиками, при которых шума родится меньше чем могло бы быть при прямом истечении из ствола. Иными словами давление (превышение давления над атмосферным) волны газа, истекающего в атмосферу или на дальнем срезе расширителя должно быть снижено в разы. Это и требуется достичь с помощью гетерогенного расширения потока газов в расширителе.
Гомогенными смесями являются смеси любых газов, если они находятся в равновесном состоянии. В представленном случае под гомогенным расширением понимают такой тип спектра эмиссии расширяющегося газа, в котором все атомы, исходящие от определенного уровня на расстоянии, исходят с равными возможностями. Гомогенная система - это однородная система. В гомогенной системе из двух и более компонентов каждый компонент распределен в массе другого в виде молекул. Составные части гомогенной системы нельзя отделить друг от друга механическим путем, в предложенной конструкции, напротив, требуется разделить молекулы газа и направить их в потоке с разными скоростями, направлением их движения и под разным давлением. Иными словами - в расширителе должно осуществляться распределение струй газа в исходящем потоке таким образом, чтобы по мере продвижения их вдоль расширителя струи распределялись определенным образом с изменением своих характеристик в каждой струе по заданному закону. Поток истекающих под высоким давлением быстро движущихся газов в канале является сложной термодинамической системой. Для изучения макроскопической и физической структуры этой системы, состоящей из большого числа частиц не требуется для его описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц [Физическая энциклопедия, т. 5, 1998, с. 84. Физическая энциклопедия, гл. ред А.М. Прохоров, М., 1998 г., БРЭ]. В рассматриваемом случае необходимо только разделять быстро движущийся поток истекающего под высоким давлением газа на струи для гетерогенного расширения. Таким образом, в контексте данной заявки гетерогенное расширением называют разделение потока газовой среды на струи, каждая из которых имеет свои характеристики. Требуется расширить истекающий газовый поток так, чтобы, он был неоднороден (гетерогенное) по сечению т.е. на периферии потока струи должны быть более плотные чем в центре потока.
Техническим результатом является создание конструкции, в которой
- обеспечено гетерогенное расширение быстро движущихся газовых сред высокого давления
- и безотрывное истечение газов с критическим сечением сопла вдоль всего каскада вихревых камер
Данный технический результат достигается за счет того, что расширитель представляет представляющий каскад расширительных блоков, каждый из которых состоит из вихревой камеры, и сверхзвукового сопла с критическим сечением, обеспечивающим бесконтактное прохождение метаемого тела, выполненных с возможностью отвода одной части газов в продольном направлении и другой части газов в поперечном направлении движения газов, с креплением к цилиндрическому корпусу, образуя соответственно расширительные камеры каскада, расположенные на одной оси.
Конфузор и сверхзвуковое сопло выполненны с возможностью отвода одной части газов в продольном направлении движения среды и другой части газов - в поперечном направлении движения среды.
Новым в предложенной конструкции является то, что расширитель служит для гетерогенного расширения быстродвижущихся пороховых газов (газовых сред) высокого давления, каскад расширительных блоков состоит из последовательно размещенных на одной оси друг за другом расширительных блоков, в каждом из которых расстояние между срезом сопла предыдущего расширительного блока и входом конфузора следующего расширительного блока обеспечивает отвод части газов в поперечном направлении на периферию потока, каждая расширяющаяся часть блока в каскаде представляет собой сверхзвуковое сопло Лаваля с телесным углом, обеспечивающим безотрывное истечение пороховых газов (газовой среды) с критическим сечением сопла fкр в его узкой части, обеспечивающим разгон истекающего в продольном направлении газа до скорости звука в критическом сечении каждого соответствующего сопла на продольной оси каскада и равным калибру метаемого тела с зазором, достаточным для обеспечения бесконтактного прохождения метаемого тела через критическое сечение сопла. Сужающаяся часть блока, являющаяся конфузором, выполнена в виде короткого заглушенного со стороны критического сечения цилиндра с отверстием, внутренний диаметр цилиндрической части конфузора выбирают не менее чем в 1,5 раз больше диаметра критического сечения, а радиус скругления, сопрягающий перегородку (заглушку) с внутренней стенкой цилиндра выбирают исходя из условий гладкого сопряжения или сопряжения под прямым углом внутренних поверхностей, длина конфузора кратна диаметру цилиндрической части. Длина конфузора коррелирует с учетом допуска с диаметром вихря в его поперечном сечении. При этом, например, внутренний диаметр цилиндра с учетом допуска приблизительно равен наружному (габаритному) диаметру вихря, который образован при торможении на перегородке (заглушке) истекающего в продольном направлении потока (струи). В центральной части при этом поток закручен с наибольшей вероятностью навстречу основному потоку с образованием в его центральной части зоны повышенного давления, если расстояние от входа конфузора до среза предыдущего сопла обеспечено геометрическим местом точек (ГМТ) каждой линии тока струи в потоке. Опыты показывают, что ГМТ для каждой линии тока струи истекающей из предыдущего сопла, является параллельным цилиндрической части стенки конфузора и примерно равно длине этой цилиндрической части. При соблюдении этого условия обеспечивается формирование в конфузоре вихря с раскруткой вихревых линий снаружи внутрь по ходу движения каждой струи, с направлением каждой линии тока струи в потоке в центральной части тора навстречу основному потоку газа. При этом образуются локальные зоны повышенного газодинамического сопротивления, препятствующие течению основного потока газа в продольном направлении. На основе экспериментальных данных показано, что работа осуществляется как в газодинамическом обтюраторе, вызывающим ускоренный распад центральных струй потока и перераспределение основной части потока пороховых газов по плотности из центральной области на периферию к стенкам корпуса с обеспечением гетерогенности.
Термин вихрь в контексте данной заявки используют как вихри, приближенные к форме тора и определенные на основе опытных данных.
Техническое решение иллюстрируется чертежами, которые не охватывают всех конструктивных примеров реализации расширителя.
На Фиг. 1 - показано продольное сечение размещенных последовательно трех расширительных камер
На Фиг. 2 - показано продольное сечение расширительной камеры с образовавшимися в ней вихрями
На Фиг. 2а - показано сопло со струями потока истекающего газа;
На Фиг. 2б - показан увеличено конфузор
На Фиг. 2в - показан вихрь в вихревой камере - конфузоре вид сверху и поперечное сечение I-I
Конструкция расширителя следующая.
Расширитель состоит из каскада расширительных блоков (1), каждый из которых состоит из вихревой камеры (2), газодинамического конфузора (3) (показано условно) и сверхзвукового сопла (4). Каскад снабжен креплениями (5), которые удерживают его в цилиндрическом корпусе (не показан), образуя соответственно последовательность расширительных камер (1) каскада, расположенные последовательно на одной оси «А». Вихревая камера (2) выполнена в виде конфузора. Перед вихревой камерой (2) образован газодинамический конфузор (3), представляющий собой зону повышенного давления перед вихрем (6) (См. Фиг. 2в).
Расширительные блоки (1) расположены на оси «А» последовательно друг за другом. Расстояние «h» между срезом («а») сопла (4) предыдущего расширительного блока (1) и входом («б») вихревой камеры (конфузора) (2) следующего расширительного блока (1) рассчитано так, что происходит отвод части газов потока (7) в поперечном направлении на периферию потока (7). (см. Фиг. 2а).
Расширяющаяся часть каждого сопла (4) блока (1) в каскаде представляет собой сверхзвуковое сопло Лаваля с телесным углом «а», обеспечивающим безотрывное истечение газов (газовой среды) с критическим сечением сопла (fкр) в узкой части соответствующего сопла (4).
Конфузор (2) выполнен в виде короткого заглушенного со стороны критического сечения (fкр) цилиндра с отверстием диаметром «d». Внутренний диаметр «D» цилиндрической части конфузора (2) выбирают не менее чем в 1,5 раз больше диаметра критического сечения (fкр) соответствующего блока (1), а радиус «r» скругления, сопрягающий перегородку (8) (заглушку) с внутренней стенкой цилиндра конфузора (2) выбирают исходя из условий гладкого сопряжения или сопряжения под прямым углом внутренних поверхностей, (см. Фиг. 2б) Длину «L» конфузора (2) выбирают с учетом допуска кратной диаметру «в» вихря в его поперечном сечении. Поперечное сечение с диаметром «в» вихря (6) показано на Фиг. 2в. Габаритный диаметр «В» вихря (6) примерно равен внутреннему диаметру «D» цилиндрической части конфузора (2).
Работа расширителя осуществляется следующим образом.
Истекающий из ствола или узкой трубы (9) поток газа (7) под высоким давлением разделяется на отдельные струи, которые распределяются на периферии потока (7) более плотно, а в центральной части их давление уменьшается за счет столкновения центральных струй потока (7) с газодинамическим конфузором (3). При этом центральные струи потока (7) в начале теряют скорость и вынужденно продвигаются огибая конфузор (3), затем, при расширении с недостатком расхода, в них падает давление и плотность, то есть в камере процесс происходит в две фазы, в первой фазе поток тормозится об вихри, теряет скорость и формирует зону повышенного давления и препятствует потоку с высоким давлением но малым расходом, что и приводит к огибанию этой зоны, на втором этапе в критическом сечении сопла поток начинает расширяться и разгоняться, давление и температура падают, но, поскольку расход газа мал, (расход определяется сечением), а эффективное сечение -меньше калибра, так как поток пережат динамическим обтюратором, при этом угол сопла не позволяет газу оторваться от стенок, то недостаток расхода газа компенсируется еще большим падением давления и уменьшением плотности. Уплотненные периферические струи уходят в поперечном направлении движения среды к стенкам расширителя, а центральные, попадают сквозь центральную часть тора (6) и движутся в продольном направлении к соплу Лаваля (4), где расширяются при недостатке расхода и уменьшают свою плотность. Причем в центральной части потока (6) в конфузоре (2) центральные струи потока (7) по краям тормозятся на стенках перегородки (8) и закручиваются в вихрь (поток) (7) с раскруткой вихревых линий снаружи внутрь по ходу движения каждой струи (см. Фиг. 2в), направляя каждую линию тока струи в потоке в центральной части тора (6) навстречу основному потоку (7) газа, что и создает зону повышенного давления, работающую как конфузор (3). Таким образом, геометрическое место точек (ГМТ) каждой линии тока струи в потоке (7), истекающей из предыдущего сопла (4), является параллельным цилиндрической части стенки конфузора (2). Размеры отверстий d1, d2, d3 перегородок (8) одинаковы и равны калибру с зазором, диаметры D1, D2, D3 сопел (4) на срезе «а» уменьшаются от расширительной камеры, расположенной ближе к стволу (9) к более дальней расширительной камере (1). В частном случае D1, D2, D3 сопел (4) могут быть выполнены одинакового диаметра.
Опытные испытания показывают, что вихрь (6) образован при торможении на перегородке (8) (заглушке) истекающего в продольном направлении потока (7). Перед конфузором (2) образована зона высокого давления, которая является газодинамическим конфузором (3) и размещена в центральной части потока (6). Газодинамический обтюратор (3) вызывает ускоренный распад центральных струй потока и перераспределение основной части потока газа по плотности из центральной области на периферию к стенкам корпуса. Далее в сопле Лаваля центральные струи потока (7) снова разгоняются до критических скоростей.
В расширителе в начальном пути истекающей из ствола или длинномерной трубы (9) поток начинает расширяться уже на этапе выхода вдоль стенок выходного раструба (10), который также является расширяющейся частью сопла Лаваля только с большим телесным углом «а». Поэтому в частном случае можно утверждать, что расширительных блоков (камер) (1) не 3, а 4 камеры. Поэтому на начальном пути поток (7) тоже не отрывается от стенок, поскольку даже при большом телесном угле «а» достаточно высокое начальное давление удерживает поток возле стенок, но на начальном этапе распределение потока (7) еще не происходит. В частных случая также возможно применять не 3 основные расширительные камеры, а любое число. Однако с целью уменьшения габарита целесообразно выполнять не более 5 расширительных камер.
Таким образом, расширитель обеспечивает гетерогенное расширение быстро движущихся пороховых газов (газовых сред) высокого давления и безотрывное истечение газов с критическим сечением сопла вдоль всего каскада вихревых камер. Такой «организованный» поток в дальнейшем с существенно уменьшенными характеристиками по плотности струй возможно использовать в демпфере-расширителе.
Областью применения демпфера-расширителя является многокамерные глушители расширительного типа, предназначенные для механического подавления звука при выстреле из стрелкового оружия или при истечении быстро движущейся газообразной среды под высоким давлением в канале. Демпфер-расширитель относится к надульным устройствам.
Назначением демпфера-расширителя является максимально возможное снижение уровня шума, порождаемого давлением волны истекающего газового потока из демпфера-расширителя.
Из уровня техники известно изобретение «Глушитель для стрелкового оружия», патент RU 65635, опубл. 10.08.2007 Бюл. №2, МПК F41A 21/30, содержащий корпус, завихритель, камеры с воронкообразной диафрагмой, имеющей расчетную степень криволинейности образующих воронкообразных диафрагм. Представляет глушитель расширительного типа, предназначенный для механического подавления звука при выстреле из стрелкового оружия. Позволяет реализовать за счет математической модели звукообразования изменения внутренней конструкции глушителя в местах расположения наклонных диафрагм с отверстиями в виде кольцевых секторальных областей и камеры с воронкообразной диафрагмой. Позволяют достичь в сравнении со штатным глушителем при прежних геометрических размерах корпуса глушителя снижения скорости завихрения пороховых газов, что приводит к уменьшению уровня интенсивности звука (громкости) на 12 дБ. В предложенной конструкции эффективность достигается за счет использования фигурных перегородок сложного профиля, когда в его корпусе создаются: поворот потока газа, противопотоки и турбулентные завихрения. Однако в предложенной расчетной геометрии потребуется огромный габарит. За счет этого невозможность практического использования, это понижает эффективность глушителя. Скорость снижается только за счет увеличения длины пробега газового потока, при таких крутых углах спирали газ в спираль не попадет, так как столкнется с очень большим сопротивлением противопотока, а следовательно, такой глушитель работать не будет.
Известно изобретение «Глушитель звука выстрела», патент RU 2374590 опубл. 27.11.2009, МПК F41A 21/30, в котором в кольцевой полости расположены упругие элементы - демпферы в виде герметичных сильфонов, а глушитель разделен на две части и обе соединены с кольцевой полостью. Такой глушитель позволяет более полно наполнить проточные камеры пороховым газом и, следовательно, уменьшить температуру газов на выходе из глушителя через центральные отверстия в перегородках камер, которые выполнены с различными диаметрами, увеличивающимися по мере удаления перегородок от дульного среза ствола. Однако в изобретении ошибочно использовано то, что подпружиненный обтюрирующий канал практически не гасит продольные колебания газа при выстреле и может оказать возмущающее воздействие на пулю. Предложенная конструкция не может работать, так как скорость пули не менее 300 м/с, при длине глушителя даже длиной 300 мм, а в конструкции показано 150 мм, следовательно, время за которое пуля пройдет весь глушитель (характерное время воздействия) будет не более t=S V=0.3/300=0.001c (а по факту еще в 10 раз меньше). За это время механическая система из поршня и пружины сработать не может в силу наличия инерции, поскольку на скорости 300 м/с сопротивление будет соразмерно сопротивлению воды или бетонной стены.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является изобретение, которое принято за прототип, «Дульное устройство», патент RU 2202751, опубл. 20.04.2003, МПК F41A 21/32, назначением которого является создание конструкции дульного устройства для стрелкового оружия. Устройство содержит корпус с впускной камерой, содержащий расширительные камеры и пулевой канал, образованные последовательно расположенными элементами одинаковой конфигурации, полости расширительных камер выполнены -горообразной формы. С помощью устройства достигается дульное устройство с максимально возможной степенью глушения звука, обеспечивающего уменьшение отдачи оружия и полное устранение дульного пламени. Однако в предложенной конструкции расширительных камер создается вращение газового потока, который разбивает устойчивое истечение основной струи газов, препятствуя выходу газов через пулевое отверстие. Недостатками данного устройства являются: действие газов на пулю, проходящую расширительную камеру, и отклонение ее в сторону наименьшего давления за счет неравномерности потоков; отклонению пули способствуют не перпендикулярные оси пулевого отверстия стенки входных и выходных отверстий расширительных камер, которые всегда будут выполнены с производственными допусками; отклонение пули при прохождении надульного устройства неизбежно приводит к ухудшению кучности стрельбы оружия пропорционально количеству расширительных камер. Кроме того, в данной конструкции несмотря на то, что применены симметричные вихревые (ротационные) камеры и отклоняющие возмущения на пулю будут существенно уменьшены, но главным недостатком их устройства является то, что используют именно камеры (вихревые). Это приводит к тому, что образующиеся в них вихри только ухудшат работу устройства, так как они организованы по другому принципу. Вихри вращаются в тороидальной камере изнутри наружу, а это не приводит к пересечению потоков, как показано на чертежах патента. Отсутствие пересечения обусловлено тем, что за счет вращения вихря центробежная сила раздвинет поток газа из центра вихря к его краям, уменьшив плотность в центре. Таким образом, поток газа в камеру предложенной конструкции не будет попадать или его будет попадать даже меньше, чем в штатную прямоугольную камеру, в которой не образуются вихри. Поэтому конструктивно предложенное устройство аналогично устройству с перпендикулярными перегородками, но работать будет хуже. В следствие этого, снижения величины давления волны от истекающего газового потока для уменьшения уровня шума до приемлемого уровня не будет. В контексте заявки приемлемый уровень для стрелкового оружия - это когда выстрел не различим в шумовой обстановке стандартной улицы со 100 метров. Так же для специального оружия это расстояние принимается равным 20 метрам.
Важно различать шумовой фильтр, например, из пенопласта или пробки, который используют для звукоизоляции. Он снижает уровень шума, например, на 20 Дб, потому что до фильтра уже существует первоначальный уровень шума, а после фильтра это уровень шума снижен за счет пористости материала, т.е. используется свойство прохождения звуковой волны через преграду. В глушителе же требуется не воздействовать на уже порожденную звуковую волну, а не допустить ее возникновение, или получить звуковую волну с малой интенсивностью. Иными словами, в глушителях применяют не фильтр, а воздействуют на порождающую шум волну истекающего газа, потому что до глушителя никакого шума еще не существовало как такового, физика процесса совершенно другая, шум будет возникать при истечении любого газа в атмосферу с превышением давления и скорости на значение выше критического, что определяется параметрами среды. Например, для воздуха эта величина равна 2 атм и 330 м/с. Истечение газового потока сопровождается образованием ударной волны, сама ударная волна имеет характерную толщину фронта порядка 0.3 мм, ее удар вызовет кинетическое воздействие, но сама волна для человеческого уха неслышимая.
Из физики волновых процессов известна формула: частота (D) равна скорости, деленной на длину волны, т.е. примерно D=300/0.0003, т.е. ударная волна имеет эквивалентную частоту звука порядка 1 МГц, тогда как человеческое ухо способно воспринимать только звук в полосе частот от 50 Гц до 20 КГц, а частота ударной волны имеет уровень очень дальнего ультразвука и не может быть различима человеческим ухом.
Однако проходя через среду (например, воздух), ударная волна ее (среду) «разбивает», сзади за фронтом ударной волны образуется зона релаксации с повышенной энтропией, протяженность которой уже порядка десятков сантиметров. Таким образом колебательное выравнивание параметров газа в этой области и служит источником генерации звуковых волн слышимого диапазона. Поэтому, ни один глушитель не снижает уровень шума, например, на 20 Дб, такая оценка вообще не корректна. Значения, приводимые авторами, это разница между экспериментально замеренным уровнем шума, генерируемым газом при истечении из ствола без глушителя и уровнем шума, генерируемым газом при истечении с их глушителем.
Поэтому правильнее говорить, что их устройство снижает шум не на 20 Д6, а оно снижает до такого-то уровня и при тех параметрах, которые имел выбрасываемый газ на входе в их устройство. Если увеличить давление на входе в указанное в прототипе устройство (что без глушителя приведет и к увеличению уровня шума), то на выходе из такого устройства уровень шума будет несомненно ниже, чем без глушителя, но не настолько, насколько заявлено при расчетном эксперименте.
Поэтому не допустимо путать принципы работы фильтра и глушителя.
Изобретательской задачей предлагаемой конструкции является обеспечение истечения быстро движущихся газовых сред высокого давления в атмосферу с уменьшенным давлением. Поскольку шум меряется в децибелах, а децибелы это логарифмическая зависимость, то порождаемый истекающим потоком шум характеризуется уровнем величины давления волны от истекающего газового потока, при котором превышение давления над атмосферным тем меньше, чем меньше порождаемый шум. Например шум в Дб=10*Lg(Pa/Po) означает, что, например, при снижении шума на 5Дб давление волны упало примерно в 3 раза. Если снизили шум, например, на 25Дб, то это означает снижение давления волны в 300 раз.
Для уменьшения энергии волны истекающего потока требуется организовать с большой вероятностью в каждой расширительной камере демпфера-расширителя кратное число, но не менее 2х вихрей с окружностью в поперечном сечении и с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру соответствующей расширительной камеры в соответствующем сечении. Очень важно соблюсти два условия: первое - чтобы завихрения потоков истекающей газовой среды в вихрях были разнонаправленными относительно соседнего вихря; во-вторых - чтобы вихри были направлены таким образом навстречу друг другу, чтобы в центре между вихрями образовывалась зона повышенного давления, препятствующая истечению потока и снижающая его энергию за счет снижения скорости истечения потока в продольном направлении, сглаживания пульсации в потоке при перераспределении плотностей струй потока в движущейся среде и обеспечивающие увеличение времени истечения среды. Термин вихрь в контексте данной заявки используют как вихри, приближенные к форме тора и определенные на основе опытных данных.
Техническим результатом предложенного технического решения демпфера-расширителя является снижение величины давления волны от истекающего газового потока для уменьшения уровня шума до уровня ниже 86 дБ. (иными словами корректно говорить, что: снижается до такого-то уровня, так же корректно можно говорить, что обеспечивается истечение с уровнем шума не превосходящим такого-то значения).
Данный технический результат достигается за счет того, что демпфер-расширитель содержит корпус с впускной камерой, состоящий из канала для истечения пороховых газов и расширительных камер, образованных последовательно расположенными элементами одинаковой конфигурации, полости расширительных камер выполнены торообразной формы с коническими, либо цилиндрическими, стенками и поперечными перегородками.
Новым является то, что демпфер-расширитель обеспечивает истечение быстро движущихся пороховых газов высокого давления в атмосферу с уменьшенным давлением, каждая последующая расширительная камера выполнена прогрессирующего увеличенного объема, диаметральные (поперечные) перегородки ориентированы нормально к движению потока газовых сред и являются отсекателями. При этом каждая последующая расширительная камера имеет для обеспечения ступенчатого снижения давления объем больше предыдущей в соотношении не менее чем в 1.5-2 раза и внутренняя поверхность каждой расширительной камеры, как и всего демпфера-расширителя в целом, представляет собой усеченный конус. В качестве частных случаев конус может представлять ступенчатую пирамиду, либо цилиндр.
Внутренние стенки каждой расширительной камеры состоят из усеченной конической поверхности с диаметром первой расширительной камеры не менее чем 1,5 диаметра центрального отверстия и поперечными диаметральными перегородками - отсекателями по торцам, каждая перегородка - отсекатель снабжена в центре отверстием с диаметром не менее диаметра метаемого тела, обеспечивающим беспрепятственное прохождение с зазором метаемого тела, сопряжение поверхностей перегородок с внутренней конической поверхностью выполнено с радиусом, обеспечивающим гладкость сопряжения, или сопряжены под углом, расстояние между перегородками пропорционально объемам камер.
Эти геометрические формы рассчитываются исходя из газодинамики потока. Известно, что при дозвуковом течении и постоянном сечении отверстия, диаметр которого зависит только от калибра, расход газа будет определяться только давлением в камере. Чем больше камера, тем меньше давление по сравнению с предыдущей камерой, чем меньше давление в камере, тем меньше расход и скорость на входе в следующую камеру. Сопряжение поверхностей перегородок с внутренней конической поверхностью выполнено радиусом, обеспечивающим гладкость сопряжения, или они сопряжены под углом. Расстояние между перегородками (длина камеры) выбирают, например, исходя из геометрических размеров расширительной камеры таким образом, чтобы в каждой камере разместилось кратное число, но не менее 2х вихрей с окружностью в поперечном сечении и с внешним диаметром, равным внутреннему диаметру соответствующей расширительной камеры в соответствующем сечении. При этом с наибольшей вероятностью обеспечены завихрения потоков истекающей газовой среды в вихрях разнонаправленно относительно соседнего вихря. Из эксперимента видно, что вихрь, расположенный со стороны входного отверстия расширительной камеры имеет в ее центральной части потоки, направленные против направления истечения среды, а вихрь, расположенный со стороны выходного отверстия расширительной камеры имеет в ее центральной части потоки, направленные по направлению истечения среды, и в центральной зоне каждого вихря. В центре поток направлен против направления основного течения среды, и в зоне между каждой парой вихрей, за счет контакта встречных потоков истекающей среды образованы зоны повышенного давления, являющиеся динамическим уплотнением, и создающие противодавление, снижающее скорость истечения потока в продольном направлении, сглаживающие пульсации в потоке за счет перераспределения плотностей струй потока движущейся среды и обеспечивающие увеличение времени истечения среды.
Техническое решение иллюстрируется чертежами, которые не охватывают всех конструктивных примеров реализации расширителя.
На Фиг. 3 - показано продольное сечение демпфера-расширителя
На Фиг. 4 - показано продольное сечение расширительной камеры с образовавшимися в ней вихрями и зоной повышенного давления
На Фиг. 4а - показано распределение вихрей в расширительной камере
Конструкция демпфера-расширителя следующая.
Демпфер-расширитель состоит из корпуса (11) с впускной камерой (12). Впускная камера (12) состоит из расширительных камер (13) и канала (14) для истечения газовых сред (истекающей среды), образованных последовательно расположенными элементами одинаковой конфигурации. Полости «г» расширительных камер (13) выполнены торообразной формы с коническими, либо цилиндрическими, стенками и поперечными перегородками (15). Каждая последующая расширительная камера (13) выполнена прогрессирующего увеличенного объема. Прогрессирующий объем рассчитан таким образом, чтобы каждая последующая расширительная камера (13) имела объем больше предыдущей в соотношении не менее чем в 1.5-2 раза. Такая разница объемов расширительных камер (13) обеспечит ступенчатое снижение давления в каждой расширительной камере. Диаметральные (поперечные) перегородки (15) ориентированы нормально к движению потока (16) газовых сред и являются по своему воздействию на поток отсекателями. Внутренняя поверхность («г») каждой расширительной камеры (13), как и всего демпфера-расширителя в целом, представляет собой усеченный конус. В частном случае внутренняя поверхность («г») может быть цилиндрической, однако объемы камер при этом должны удовлетворять условию прогрессирующих объемов. В этом частном случае весь демпфер-расширитель выполнен ступенчатой пирамидой, что не повлияет на его работу. Геометрические формы внутренней поверхности («г») расширительных камер (13) рассчитываются исходя из характеристик газодинамики потока (16), попадающего в канал (14) демпфера-расширителя, таким образом, чтобы в каждой камере (13) при дозвуковом течении потока (16) расход газа в попадающем в камеры (12) потоке (16) будет определяться только давлением в каждой расширительной камере (13). При этом каждая расширительная камера (13) образована стенками, образующими усеченный конус, и перегородкой (15) с диаметральным отверстием, определяемым только размером калибра метаемого тела. Во всех перегородках (15) всех расширительных камер (13) диаметр (dк) отверстия одинаков. Каждая перегородка-отсекатель (15) с имеющимся в центре отверстием диаметром (dк) обеспечивает беспрепятственное прохождение с зазором метаемого тела. Для этого dк должен быть не менее диаметра метаемого тела.
Наибольший диаметр первой по направлению потока (16) расширительной камеры (13) - Dк, выполнен не менее 1,5 dк - диаметра отверстия в перегородке (15). Каждая последующая расширительная камера (13) имеет диаметр Dк больше предыдущей и диктуется геометрией сопрягаемых поверхностей. В узкой части усеченного конуса каждой расширительной камеры (13) диаметр Dкmin равен диаметру перегородки (15), которая плотно прилегает к стенкам соответствующей расширительной камеры (13). диаметральные перегородки-отсекатели (15) расположены по торцам соответствующей расширительной камеры (13). Размеры камер (ее объем) необходим для реализации принципа: чем больше камера, тем меньше давление по сравнению с предыдущей камерой, тем меньше давление в камере, тем меньше расход и скорость на входе в следующую камеру.
Сопряжение поверхностей перегородок (15) с внутренней конической поверхностью («г») выполнено радиусом, обеспечивающим гладкость сопряжения, или они сопряжены под углом. Расстояние между перегородками (15) (длина камеры - Lк) выбирают исходя из геометрических размеров расширительной камеры таким образом, чтобы в каждой камере разместилось кратное число, но не менее 2х вихрей (17а и б) (см. Фиг. 4а) с окружностью в поперечном сечении («вк») и с внешним диаметром («Вк») вихря (17), равным внутреннему диаметру Dк соответствующей расширительной камеры (13) в соответствующем сечении.
Работа демпфера-расширителя осуществляется следующим образом.
Набегающий поток (16), имеющий дозвуковую скорость, частично упирается в первую перегородку (15), боковые струи отводятся в поперечном направлении в хаотичном порядке, а центральные струи потока (16) попадают в продольный канал (14). В первой по ходу расширительной камере (15) за счет турбулентности, образованной второй перегородкой (15) второй расширительной камеры (13) и обтекания внутренней тороидальной поверхности («г») этой расширительной камеры (15), поток газов образует 2 вихря (17) (см. Фиг. 4). Первый вихрь (17) оказывается прижатым вследствие закона обтекания в зонах срыва потоков, где образуются вихри, к внутренней стенке первой перегородки (15), а второй вихрь (17) оказывается прижатым к внутренней стенке второй перегородки (15). Завихрения струй потока (16) истекающей газовой среды в вихрях (17) разно направленны относительно соседнего вихря) в этой расширительной камере (15). При этом вихрь (17а), расположенный со стороны входного отверстия соответствующей расширительной камеры (15) имеет в центральной части камеры (15) струи потока (16), направленные против направления истечения среды, а вихрь (17б), расположенный со стороны выходного отверстия этой же расширительной камеры (15) имеет в ее центральной части струи потока (16), направленные по направлению истечения среды (см. Фиг. 4а). В центральной зоне (18) каждого вихря (17а и 17б), в центре которых струи потока (16) направлены против направления основного потока (16) течения среды, и в зоне между каждой парой вихрей (17а и 17б), за счет контакта встречных потоков истекающей среды образованы зоны повышенного давления (18), являющиеся динамическим уплотнением. Причем струи потока (16), оказавшиеся за вихрем (17а) двигаются по направлению основного потока, а струи потока (16), оказавшиеся перед вихрем (17б) создают противопоток (противодавление) основному потоку (16) и работают как динамический уплотнитель, (см. Фиг. 4а), Противодавление снижает скорость истечения потока (16) из демпфера-расширителя (13) в продольном направлении, сглаживает пульсации в потоке (16) за счет перераспределения плотностей струй потока движущейся среды и обеспечивает увеличение времени истечения среды.
Кроме того, известно, что при дозвуковом течении и постоянном сечении отверстия, диаметр которого зависит только от калибра, расход газа будет определяться только давлением в камере.
Таким образом, демпфер - расширитель за счет двух тенденций, организованных в потоке (16) истекающей с дозвуковой скоростью газовой среды обеспечивает снижение величины давления волны от истекающего газового потока для уменьшения уровня шума до уровня ниже 86 дБ. Это достигается за счет естественного процесса расширения потока вдоль внутренних стенок каждой камеры и уменьшения расходного сечения до уровня меньше калибра за счет эффекта динамической обтюрации, создаваемого двумя встречными вихрями.
Устройство для обеспечения истечения быстро движущихся газовых сред высокого давления в атмосферу.
Областью применения устройства для обеспечения истечения быстро движущихся газовых сред высокого давления в атмосферу с уменьшенным уровнем шума является многокамерные глушители расширительного типа, предназначенные для механического подавления звука при выстреле из стрелкового оружия или при истечении быстро движущейся газообразной среды под высоким давлением в канале. Также возможно использование устройства в качестве глушителя для различных типов стрелкового оружия. Например, для типов стрелкового оружия, не имеющих резьбы на конце ствола, не заслоняющих их прицельных приспособлений, а также скорострельного оружия.
Назначением устройства является максимально возможное снижение уровня шума, порождаемого давлением волны истекающего газового потока из канала. Устройство может быть использовано также для подавления шума генерируемого газом, истекающим из двигателей внутреннего сгорания, а так же в пневмо и гидро технических сооружениях при истечении из трубопроводов в окружающую среду газов со скоростью выше скорости звука в данной среде и с превышением атмосферного давления в 2 и более раз.
Из уровня техники известно изобретение, описанное ранее, «глушитель для стрелкового оружия», патент RU 65 635, в котором используют завихритель, представляющий собой «винтообразную лестницу». В данном патенте указано, что уровень шума уменьшается за счет увеличения пути истечения пороховых газов. Однако в данном изобретении не используют гетерогенное расширение потока и организацию тороидальных потоков.
Наиболее близким техническим решением является изобретение «Глушитель звука выстрела, изготовленный по технологии селективного лазерного сплавления металла», патент RU 2652767, опубл. 28.04.2018, Бюл. №13, МПК F41A 21/30, которое взято за прототип. Устройство снабжено рабочей частью с перегородками для отвода пороховых газов в объем устройства, исключающий следование основного объема газов за пулей, которое достигается за счет ячеистого тела, которое получается при изготовлении изделия путем лазерного сплавления. Параметризованная ячеистая мембрана является аналогом пористой многоканальной диффузионной матрицы со структурой строгой формы, размеров и ориентации. Однако в результате организации только шероховатости поверхности элементов не достичь распределения струй потока таким образом, чтобы в центральной части изделия осуществлялось гетерогенное расширение потока, далее по пути следования истекающего потока осуществлялось бы его существенное торможение за счет зон повышенного давления, а основная часть потока газов отводилась бы на периферию с существенным уменьшением его температуры и скорости за счет удлинения пути, что обеспечивало бы истечение потока газа через распределенные отверстия с прогрессивным суммарным расходным сечением в корпусе устройства. В приведенном устройстве прототипа основной поток газа пойдет вслед за пулей и он не сможет уменьшить уровень шума намного, так как в конструкции не учтено, что звуковые волны рождаются уже в воздушной среде как следствие ударно-адиабатического расширения истекающих пороховых газов, а предлагаемая ячеистая структура никак не влияет на ударно-адиабатическое расширение после их истечения. Устройство, описанное в прототипе - это вариант глушителя накопительного типа.
В штатных глушителях используют один и тот же принцип - любыми конструктивными методами уменьшают давление истекающего газа на выходе в атмосферу, что и снижает уровень шума. Снизить давление истекающего газа можно двумя способами:
1. Расширить газ от давления на выходе из ствола (40-600 атмосфер при температуре 1000 градусов Цельсия) до давления менее <2 атм. Только расширять его придется плавно, чтоб не произошел отрыв потока, а это (для стандартного стрелкового оружия) потребует построения сопла длиной в три метра, что не приемлемо.
2. Используя свойство, что в процессе выстрела истечение является порционным (пульсирующим), а не постоянным (стационарным), сгорание 1-го грамма пороха, создает примерно 1 литр газов. Соответственно можно быстро накопить газ в процессе выстрела и затем длительное время (не сопоставимо большее с длительностью самого выстрела) не спеша расширять и выпускать его в атмосферу уже с меньшим давлением. Причем если время нахождения в глушителе длительное, то газ будет еще успевать и остывать, а значит, будет уменьшаться и его давление.
Именно это схему и используют практически все представленные штатные устройства.
По сути, все штатные глушители являются баллоном с клапаном на входе и выходе. Задача клапана на входе впустить газ и не выпускать его назад. Задача клапана на выходе закрыться по возможности сразу за пулей (чем быстрее, тем лучше) и уменьшить выходное сечение, поскольку расход газа будет определяться сечением, и через уменьшенное отверстие стравить газ в атмосферу, расширяя его на выходе до атмосферного давления. Эти клапаны могут быть как физическими, например в виде "коромысла" внутри корпуса, которое качаясь закрывает одно отверстие и открывает другое, либо ставятся резиновые манжетки, которые раздвигаются пулей и стягиваются позади нее, уменьшая отверстие до минимума. Однако механическая система имеет инерционность, а пуля проходит объем глушителя за время около 0.001 секунды, поэтому механическое коромысло в силу инерции хорошо сработать за столь малое время просто не успевает. Резиновые манжетки (обтюраторы) очень быстро изнашиваются в силу высокого трения о поверхность быстро движущейся пули, их хватает не более чем на 10 качественных выстрелов. Кроме того, механические обтюраторы контактируя с пулей, вносят несимметричные возмущения, что увеличивает рассеивание и уменьшает точность.
Второй тип клапанов - газодинамическое запирание, суть которых - использование разных геометрических форм перегородок и каналов, затрудняющих прохождение газа в осевом направлении для обеспечения требуемого результата, например, лабиринтные уплотнения. Все известные конструкции безобтюраторных глушителей являются вариациями на тему лабиринтных уплотнений, суть которых при удачной геометрии сводится к тому, что потоку газа легко втекать в камеру и трудно вытекать из нее из-за образовавшихся завихрений. В результате от камеры к камере достигают ступенчатое понижение давления и газ в атмосферу вытекает с меньшим превышением давления, что вызывает уменьшение громкости звука. Причем коэффициент асимметрии (вход - выход) в большинстве конструкций обычно не высок и штатные изделия при замене входа на выход и обратно работают с одинаковым результатом, чего не должно быть. Штатная конструкция имеет высокое аэродинамическое сопротивление, поэтому весь газ из ствола не успевает поступить в глушитель до того момента, когда удалившаяся гильза откроет патронник и газ вырвется оттуда, создав звук. Известные штатные конструкции имеют один общий существенный недостаток - это очень малое количество хороших выстрелов из-за износа обтюраторов и/или химических наполнителей и они пригодны только для стрельбы с очень не высоким темпом.
Для эффективной работы глушителя требуется вместить в себя газ от выстрела на высокой скорости, временно накопить его, а затем медленно выпустить в атмосферу с меньшей скоростью. Таким образом, геометрия полостей глушителя работает только до тех пор, пока глушитель заполняется газом, а заполняется он очень быстро. В известных технических решениях при скорости пули 300 м/с, и длине не более 300 мм, газ дойдет до конца глушителя за время не превышающее 0.001 секунды, а время истечения газа из ствола (развитие процесса выстрела) приблизительно 0.05 секунды, т.е. минимум в 50 раз больше, чем принято в расчетах аналогов. Таким образом, все аналоги устройства работают только 2% времени как глушитель (в соответствии с теми процессами, как они описаны в данных изобретениях) и 98% времени выстрела устройства-аналоги просто работают как баллон с давлением в пропорции Vствола/Vглушителя от начального давления. Таким образом, после заполнения глушителей, описанных в вышеприведенных изобретениях вне зависимости от их внутренней геометрии после 0.001 секунды они работают просто как баллон с газом, расход из которого определяется диаметром выходного отверстия и только им одним. Граничные условия известных применимых схем можно рассчитать заранее. Например, известно что 1 грамм пороха после сгорания дает 1 литр газов, таким образом, чтобы их конструкция работала как глушитель она должна иметь объем, способный вместить весь пороховой газ от выстрела конкретного патрона (а это для достижения приемлемого уровня звука потребует очень большого габарита), и с патроном, имеющим более большую пороховую навеску работать уже не будет.
Третий недостаток всех известных конструкций - невозможность использования в устройствах с высоким темпом стрельбы, так как они уменьшают давление на выходе за счет значительного растягивания процесса истечения по времени, обычно порядка 0.25 секунды, и, если второй выстрел происходит до того как газ от предыдущего выстрела полностью покинул глушитель, то падения давления в глушителе не происходит совсем, так как он уже заполнен. Поэтому уровень шума от выстрелов, последующих за первым, существенно не снижается, т.е. эффективная стрельба с глушителями известных конструкций возможна только до темпа не выше 4 выстрела в секунду (240 в минуту), тогда как автомат Калашникова, например, имеет темп стрельбы 650-700 выстрелов в минуту, a M16 - 800 выстрелов в минуту.
Предложенная конструкция глушителя расширяет газ и тоже временно накапливает его сглаживая пульсации, но избавляется от истекающего газа за счет организации истечения не только через центральный канал, но и по всей поверхности корпуса через ячеистую стенку, что на порядок быстрее, а именно - за время примерно 0.01 секунды. Это делает возможным эффективную стрельбу с темпом до 1200 выстрелов в минуту (что достаточно для большинства имеющихся и перспективных образцов стрелкового оружия).
Изобретательской задачей заявленного технического решения устройства является использование как увеличения пути истечения пороховых газов, так и гетерогенное расширение потока, реализованное в расширителе, а также организацию вихрей, реализованных в демпфере-расширителе.
Кроме того, требуется решить задачу объединения этих двух устройств в едином корпусе с дополнением новых свойств за счет конструкции общего корпуса и винтообразного завихрителя. При этом остаточные, отведенные на периферию в сторону общего корпуса из расширителя, струи газового потока необходимо выбросить в атмосферу со значительной потерей тепла (температуры потока), давления и минимальной скоростью. Такую задачу возможно решить только с применением прогрессивного суммарного расходного сечения, организованного в общем корпусе данного устройства. В данном контексте под прогрессивным суммарным расходным сечением понимается сумма сечений отверстий на выходе из каждого отдельного элемента структуры корпуса в несколько раз большей суммы сечений отверстий на входе в элемент.
Техническим результатом предложенного технического решения устройства является:
- создание конструкции, позволяющей параллельно и на разных стадиях истечения быстро движущейся среды типа газа обеспечить гетерогенное расширение быстро движущихся газовых сред высокого давления в атмосферу в сочетании со снижением величины давления и скорости волны от истекающего газового потока для уменьшения уровня шума до уровня не более 86 Дб. Техническим результатом предложенного решения конструкции можно достигнуть даже уровня шума не превышающего 76 Д6, если не стремиться использовать ячеистую структуру, обеспечивающую возможность применения устройства в сочетании с автоматическим оружием, и дополнительно установить в предусмотренное место секторный (ирисовый) клапан-обтюратор баллонного типа, что в сравнении со штатными глушителями, которые позволяют снизить шум только до уровня не ниже 90 Д6, позволяет радикально снизить шум от выстрела до уровня неразличимости в шумовой обстановке стандартного помещения.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для обеспечения истечения быстродвижущихся газовых сред высокого давления в атмосферу с уменьшенным уровнем шума содержит рабочую часть с перегородками для отвода газовых сред в объем устройства, исключающий следование основного объема потока газов по центральному каналу и корпус с ячеистой структурой строгой формы, размеров и ориентации, являющийся аналогом пористой многоканальной диффузионной матрицы.
Новым является то, что устройство состоит из гетерогенного расширителя, описанного выше, для расширения газа, демпфера-расширителя, описанного выше, для демпфирования пульсаций истекающего потока, корпуса с ячеистой структурой строгой формы, размеров и ориентации и диафрагм-завихрителей, представляющих совместно «винтообразную лестницу», выполненную в виде шнековых диафрагм - турбулизаторов, обеспечивающих за счет организации вращения истекающего потока газа, удержание массы газа в периферической области и служащие одновременно фиксаторами, удерживающими расширитель. Демпфер - расширитель размещен в корпусе соосно друг другу на расстоянии не менее половины диаметра центрального отверстия калибра метаемого тела, ячеистая структура цилиндрического корпуса обеспечивает непрерывное истечение газа в атмосферу по всей поверхности корпуса без образования ударных волн с превышением давления относительно атмосферного не более 2 атм и скоростью ниже скорости звука и образована элементами в виде ячеек, каждая из которых выполняет роль микроскопического газового редуктора, имеет прогрессивное суммарное расходное сечение и представляет из себя конструкцию, состоящую из микроразмерного сверхзвукового сопла Лаваля, каждый внутренний объем каждого элемента работает в расчетном режиме сверхзвукового сопла.
При этом гетерогенный расширитель обеспечивает снижение давления с одновременным отводом большей части истекающего потока газа из центральной области в периферийную, с одновременным отводом основного объема истекающего газа в периферийную область устройства, демпфер-расширитель обеспечивает снижение давления, скорости и сглаживания пульсаций истекающего потока газа и обеспечения истечения газа в атмосферу с понижением давления и скорости. Диафрагмы-завихрители выполнены в виде шнековых диафрагм-турбулезаторов, обеспечивающих за счет организации вращения истекающего потока газа удержание массы газа в периферийной области и служащие одновременно фиксаторами, удерживающими расширитель и демпфер-расширитель в цилиндрическом корпусе соосно друг другу с расчетной формой сечения между винтовыми поверхностями. Вход демпфера-расширителя расположен по продольной оси от выхода последнего блока расширителя для обеспечения растекания части набегающего на демпфер - расширитель потока истекающей газа на расстоянии не менее половины диаметра центрального отверстия калибра метаемого тела, ячеистая структура цилиндрического корпуса обеспечивает непрерывное истечение газа в атмосферу по всей поверхности корпуса в режиме, не сопровождающимся образованием ударных волн с превышением давления относительно атмосферного не боле 2 атм, и скоростью ниже скорости звука. В контексте данной заявки такая конструкция названа конструкция из микроразмерного сверхзвукового сопла Лаваля с газодинамическим замком. Каждый внутренний объем каждого элемента такой конструкции работает в расчетном режиме сверхзвукового сопла. В частном случае устройство для обеспечения истечения быстродвижущихся газовых сред с уменьшенным уровнем шума может быть дополнено для повышения эффективности конструкция устройства секторным (ирисовым) механическим газонаполненным клапаном-обтюратором, состоящим из элементов баллонного типа из эластичного материала, который устанавливают в выемку на выходе устройства, препятствующего проходу остаточных ударных волн в атмосферу.
Техническое решение иллюстрируется чертежами, которые не охватывают всех конструктивных примеров реализации устройства.
На Фиг. 5 - показан продольный разрез устройства
на Фиг. 6 - показан продольный разрез устройства со струями потоками истекающего газа
На Фиг. 7 - показано увеличенное сечение конструкции ячейки стенки устройства
На Фиг. 7а - показано увеличенное сечение конструкции ячейки стенки устройства с потоками истекающего газа
На Фиг. 8 - показана форма одной винтовой перегородки Конструкция устройства следующая.
Устройство состоит из рабочей части с перегородками (19) для отвода струй потока газовых сред в объем устройства. Устройство исключает следование основного объема потока (7) газов по центральному каналу (9 и 14) и корпус (20) с ячеистой структурой (21) строгой формы, размеров и ориентации, являющийся аналогом пористой многоканальной диффузионной матрицы.
Устройство состоит из гетерогенного расширителя (22), описанного выше, для расширения газа, демпфера-расширителя (23), описанного выше, для демпфирования пульсаций истекающего потока, корпуса (20) с ячеистой структурой (21) строгой формы, размеров и ориентации и диафрагм-завихрителей (24), представляющих совместно «винтообразную лестницу». Диафрагмы-завихрители (24) выполнены в виде шнековых диафрагм-турбулезаторов, размещены внутри корпуса (20) вдоль расширителя (22) и демпфера - расширителя (23) в периферийной области устройства. Диафрагм-завихрителей (24) может быть одна, а может быть 2 и более, расположенных в виде вложенных один в другой винтовых поверхностей, образуя «винтообразную лестницу». Шаг «1» каждой винтовой поверхности зависит от параметров газа в потоке (16) и равен от 1 до 2 диаметров устройства. Выбранный шаг «1» и число винтовых диафрагм выбирается исходя из требования обеспечения расчетной формы поперечного сечения канала, образованного поверхностями соседних винтовых диафмрагм-завихрителей. (см. Фиг. 6). Поперечное сечение Е-Е должно быть по- возможности приближено к квадратному. «Винтовая лестница» из диафрагм-завихрителей (24) обеспечивает за счет организации вращения истекающего потока (7 и 16 - см. Фиг. 1 и 4) газа удержание массы газа в периферийной области корпуса (20) и служат одновременно фиксаторами, удерживающими расширитель (22) и демпфер-расширитель (23) в цилиндрическом корпусе (20) соосно друг другу.
Ячеистая структура (21) цилиндрического корпуса (20) обеспечивает непрерывное истечение газа в атмосферу по всей поверхности корпуса (20) в режиме, не сопровождающимся образованием ударных волн с превышением давления относительно атмосферного не боле 2 атм, и скоростью ниже скорости звука. Ячеистая структура (21) образована элементами (см. Фиг. 7а и б) в виде ячеек. Каждая ячейка выполняет роль микроскопического газового редуктора. Ячеистая структура (21) имеет прогрессивное суммарное расходное сечение и представляет из себя конструкцию, состоящую из микроразмерного сверхзвукового сопла Лаваля. Каждый внутренний объем каждого элемента (ячейки) работает в расчетном режиме сверхзвукового сопла. Гозодинамичсекий замок образован турбулентным вихрем возникающим в результате торможения разогнанного потока о преграду.
На выходном срезе устройства в частном случае может быть установлен пакет из каналов малого диаметра (25), расположенных параллельно центральному каналу (14) устройства для охлаждения и вывода не отведенных через ячеистую стенку струй потока (16) газовой среды, движущейся в продольном направлении. Кроме того, в частном случае может быть в последней по направлению истекающего потока расширительной камере демпфера-расширителя (23) может быть установлен секторный (ирисовый), газонаполненный, механический клапан-обтюратор (условно не показан), состоящий из элементов баллонного типа из эластичного материала, препятствующий проходу остаточных ударных волн в атмосферу.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Устройство конструктивно и функционально объединяет расширитель (22), демпфер-расширитель (23), расположенные соосно в корпусе (20) устройства. При этом гетерогенный расширитель (22) обеспечивает снижение давления с одновременным отводом большей части истекающего потока газа из центральной области (14) в периферийную область корпуса (20) и одновременно с его помощью отводят основной объем истекающего газа (7) в периферийную область устройства. Демпфер-расширитель (23) обеспечивает снижение давления, скорости и сглаживания пульсаций истекающего потока (16) газа и обеспечивает истечение газа в атмосферу через периферическую область корпуса (20) с понижением давления и скорости.
Струи потока (9), которые отведены расширителем (22) в периферическую область корпуса (20) устройства, попадая на винтовую поверхность диафрагм-завихрителей (24) существенно увеличивают путь прохождения струй потока (7) до ячеистой структуры (20), что еще больше снижает температуру этих струй, а значит и давление в них. Далее, струи потока (7) газа из периферической области устремляются к микроразмерным сверхзвуковым соплам Лаваля ячеистой структуры (21), на выходе которых давление в каждой струе потока (7) уравнивается с атмосферным. Поскольку после каждого микроразмерного сопла Лаваля размещенным в стенке корпуса (20) образуется сопротивление, то скорость на выходе из элемента структуры меньше критической.
Комплекс узлов устройства позволяет последовательно задействовать свойства расширителя и демпфера-расширителя, а также обеспечить параллельное и на разных стадиях истечения быстро движущейся среды типа газа гетерогенное расширение быстро движущихся газовых сред высокого давления в атмосферу в сочетании со снижением величины давления и скорости волны от истекающего газового потока для уменьшения создаваемого уровня шума до уровня не более 76 Дб.
Конструкция устройства наиболее полно использует физические процессы газодинамики, которые образуются при выстреле, поскольку выстрел - это процесс стремительной трансформации химической мощности пороха сперва в тепловую, а затем в кинетическую энергию перемещения в длинной трубе. События, протекающие при таком истечении быстро движущихся газовых сред высокого давления в атмосферу условно можно разделить на две фазы - движение метаемого тела в ствольном канале и комплекс событий, свершающихся после вылета метаемого тела из канала (дула). Метаемое тело (снаряд) из канала (ствола) вылетает в результате работы пороховых газов. Это явление определяется такими качествами как большая температура газов пороха (1000-3500°С); внушительной величиной напора газов (2-3 тыс.и больше атмосфер); горением заряда пороха в быстро модифицирующемся объеме. Этот быстро модифицирующийся объем удается организовать таким образом, чтобы снизить интенсивность порождающей шум волны истекающего газа. Такое организованное воздействие позволяет снизить шум, порождаемый волной истекающего газа при выстреле до уровня не более 76 дБ.
1. Расширитель, представляющий каскад расширительных блоков, каждый из которых состоит из вихревой камеры и сверхзвукового сопла с критическим сечением, обеспечивающим бесконтактное прохождение метаемого тела, выполненных с возможностью отвода одной части газов в продольном направлении и другой части газов в поперечном направлении движения газов, с креплением к цилиндрическому корпусу, образуя соответственно расширительные камеры каскада, расположенные на одной оси, отличающийся тем, что расширитель служит для гетерогенного расширения быстро движущихся пороховых газов высокого давления, каскад расширительных блоков состоит из последовательно размещенных на одной оси расширительных блоков, в каждом из которых расстояние между срезом сопла предыдущего расширительного блока и входом конфузора последующего расширительного блока обеспечивает отвод части газов в поперечном направлении на периферию расширителя, каждая расширяющаяся часть блока представляет собой сверхзвуковое сопло Лаваля с телесным углом, обеспечивающим безотрывное течение газов с критическим сечением сопла fкp в его узкой части, обеспечивающим разгон истекающего в продольном направлении газа до скорости звука, и равным калибру метаемого тела с зазором, достаточным для обеспечения бесконтактного прохождения метаемого тела через критическое сечение сопла, сужающаяся часть блока, являющаяся конфузором, выполнена в виде короткого заглушенного со стороны критического сечения сопла перегородкой с отверстием цилиндра с внутренним диаметром, не менее 1,5 диаметра критического сечения сопла с радиусом скругления, обеспечивающим гладкое сопряжение или сопряжение под прямым углом внутренних поверхностей цилиндра с перегородкой, длина конфузора кратна диаметру цилиндрической части.
2. Демпфер-расширитель, содержащий корпус с впускной камерой, состоящий из канала для истечения пороховых газов и расширительных камер, образованных последовательно расположенными элементами одинаковой конфигурации, полости расширительных камер выполнены торообразной формы с коническими, либо цилиндрическими стенками и поперечными перегородками, отличающийся тем, что демпфер-расширитель обеспечивает истечение быстро движущихся пороховых газов высокого давления в атмосферу с уменьшенным давлением, каждая последующая расширительная камера выполнена прогрессирующего увеличенного объема, поперечные диаметральные перегородки ориентированы нормально к движению потока пороховых газов и являются отсекателями, при этом каждая последующая расширительная камера имеет для обеспечения ступенчатого снижения давления объем больше предыдущей в соотношении не менее чем в 1,5-2 раза и внутренняя поверхность каждой расширительной камеры, как и всего демпфера-расширителя в целом, представляет собой усеченный конус, внутренние стенки каждой расширительной камеры состоят из усеченной конической поверхности с диаметром первой расширительной камеры не менее чем 1,5 диаметра центрального отверстия и поперечными диаметральными перегородками-отсекателями по торцам, каждая перегородка-отсекатель снабжена в центре отверстием с диаметром не менее диаметра метаемого тела, обеспечивающим беспрепятственное прохождение с зазором метаемого тела, сопряжение поверхностей перегородок с внутренней конической поверхностью выполнено с радиусом, обеспечивающим гладкость сопряжения, или сопряжены под углом, расстояние между перегородками пропорционально объемам камер.
3. Устройство для обеспечения истечения быстро движущихся пороховых газов высокого давления в атмосферу, содержащее рабочую часть с перегородками для отвода газовых сред в объем устройства, исключающий следование основного объема потока газов по центральному каналу, и корпус с ячеистой структурой строгой формы, размеров и ориентации, являющийся аналогом пористой многоканальной диффузионной матрицы, отличающееся тем, что устройство состоит из расширителя по п. 1 для расширения газа, демпфера-расширителя по п. 2 для демпфирования пульсаций истекающего потока, корпуса с ячеистой структурой строгой формы, размеров и ориентации и диафрагм-завихрителей, составляющих совместно «винтообразную лестницу», выполненную в виде шнековых диафрагм-турбулизаторов, обеспечивающих за счет организации вращения истекающего потока газа удержание массы газа в периферической области и служащие одновременно фиксаторами, удерживающими расширитель и демпфер-расширитель в корпусе соосно друг другу на расстоянии не менее половины диаметра центрального отверстия калибра метаемого тела, ячеистая структура цилиндрического корпуса обеспечивает непрерывное истечение газа в атмосферу по всей поверхности корпуса без образования ударных волн с превышением давления относительно атмосферного не более 2 атм и скоростью ниже скорости звука и образована элементами в виде ячеек, каждая из которых выполняет роль микроскопического газового редуктора, имеет прогрессивное суммарное расходное сечение и представляет из себя конструкцию, состоящую из микроразмерного сверхзвукового сопла Лаваля, каждый внутренний объем каждого элемента работает в расчетном режиме сверхзвукового сопла.
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что для повышения эффективности конструкция устройства дополнена секторным механическим газонаполненным обтюратором, состоящим из элементов баллонного типа из эластичного материала, который устанавливают в выемку на выходе устройства.
