Двухступенчатая легкогазовая установка

Изобретение относится к технике получения гиперзвуковых скоростей моделей и ударников в лабораторных условиях. Двухступенчатая легкогазовая установка имеет пороховую камеру с затвором и электровоспламенителем, поршневой ствол, во входной части которого размещен составной деформируемый поршень, состоящий из двух пластиковых, например полиэтиленовых, обтюраторов, пространство между которыми заполнено жидким или гелеобразным наполнителем, например пушечным салом. С другим концом поршневого ствола состыкована камера высокого давления с коническим переходником и соединенный с ней баллистический ствол. Предлагаемая конструкция двухступенчатой легкогазовой установки позволяет повысить стабильность параметров выстрела, повысить живучесть камеры высокого давления, увеличить дульную скорость метаемого элемента. 1 ил.

 

Изобретение относится к технике получения сверхартиллерийских (свыше 2,5 км/сек) и гиперзвуковых (7... 10 км/сек и выше) скоростей моделей и ударников в лабораторных условиях.

Известны двухступенчатые легкогазовые установки [1, 2, 3], в которых метание производится легким газом (водородом или гелием), сжатым в камере высокого давления поршнем, который, в свою очередь, ускоряется в поршневом стволе продуктами сгорания порохового заряда.

Наиболее близким по технической сущности является двухступенчатая легкогазовая установка [2]. Двухступенчатая легкогазовая установка имеет пороховую камеру с размещенным в ней пороховым зарядом и закрытую с казенного среза затвором, в котором размещен электровоспламенитель. К пороховой камере пристыкован заполненный легким газом (водородом или гелием) поршневой ствол, во входной части которого размещен деформируемый поршень, отделяющий канал поршневого ствола от пороховой камеры. Другим концом поршневой ствол соединен с камерой высокого давления. Внутренний канал камеры высокого давления имеет два цилиндрических участка калибром D (калибр поршневого ствола) и калибром d (калибр баллистического ствола), которые соединяются коническим переходником с углом раствора конуса α =8° (относительное уширение (D-d)/I_K≥0,06). К выходной части камеры высокого давления пристыкован баллистический ствол, канал которого отделяется от канала камеры высокого давления металлической мембраной с насечкой. Во входной части баллистического ствола непосредственно за мембраной размещен метаемый элемент (поддон с моделью или ударником).

Установка работает следующим образом. С помощью электровоспламенителя зажигается пороховой заряд в пороховой камере, продукты сгорания которого ускоряют поршень в поршневом стволе. Поршень, в свою очередь, сжимает легкий газ в поршневом стволе и в камере высокого давления. При достижении давления в камере высокого давления, превышающего давление прорыва мембраны, последняя прорывается, и легкий газ ускоряет метаемый элемент в баллистическом стволе. При входе деформируемого пластического поршня в конический переходник его передний торец ускоряется, что вызывает волну сжатия в легком газе. Это, в свою очередь, приводит к дополнительному ускорению метаемого элемента - так называемый гидродинамический эффект [1].

Недостатки описанной двухступенчатой легкогазовой установки заключаются в следующем:

- невозможность обеспечить стабильность (воспроизводимость) всех параметров выстрела при всех режимах стрельбы [3, 4],

- низкая живучесть камеры высокого давления на предельных режимах работы, составляющая несколько или даже один выстрел [2, 5, 6],

- уменьшение дульной скорости метаемого элемента вследствие потерь энергии поршня на трение и деформацию при движении его в коническом переходнике камеры высокого давления.

Задачей изобретения является: обеспечение стабильности параметров выстрела при всех режимах работы легкогазовой установки, повышение живучести камеры высокого давления, а также повышение дульной скорости метаемого элемента при неизменных максимальных давлениях (напряжениях) в коническом переходнике и на метаемом элементе.

Поставленная задача решается тем, что в пороховую камеру вставлен и прикреплен к затвору кольцевой вкладыш, объем которого W_В выбирается из условия:

ω /(W₀-W_B)≥ 0,6 г/см³,

где ω - масса порохового заряда, a W₀ - начальный объем пороховой камеры.

Длина конического участка камеры высокого давления I_К выбирается из условия:

0,04≥ (D-d)/I_K≥0,06,

где D - калибр поршневого ствола, d - калибр баллистического ствола. Составной деформируемый поршень выполнен их двух полимерных, например полиэтиленовых, обтюраторов, пространство между которыми заполнено гелеобразным или жидким веществом, например пушечным салом. Длина обтюратора l₀ приблизительно равна калибру поршневого ствола (l₀≈D).

Введение в конструкцию пороховой камеры кольцевого вкладыша позволяет выбирать объем камеры, обеспечивающий оптимальные условия для стабильного функционирования порохового заряда. Увеличение длины конического переходника l_k камеры высокого давления (уменьшение угла раствора конуса) позволяет уменьшить пиковые напряжения при входе пластического поршня в конический переходник, что повышает живучесть камеры высокого давления. Замена монолитного поршня на составной поршень с жидким или гелеобразным наполнителем позволяет снизить силы сопротивления движению поршня (трения и деформации при движении поршня в коническом переходнике), что также приводит к повышению живучести камеры высокого давления и увеличению дульной скорости метаемого элемента.

На фиг.1 приведен пример конкретного выполнения заявляемой двухступенчатой легкогазовой установки. Установка включает пороховую камеру 1, в которой размещен пороховой заряд 2, закрытую с казенного среза затвором 3 с электровоспламенителем 4. В пороховую камеру 1 вставлен кольцевой вкладыш 5, который крепится к затвору 3 винтами. К пороховой камере 1 пристыкован поршневой ствол 6, во входной части которого размещен составной поршень, состоящий из заднего 7 и переднего 8 полиэтиленовых обтюраторов. Пространство между обтюраторами 7, 8 заполнено жидким или гелеобразным наполнителем 9, например пушечным салом. Другим концом поршневой ствол 6 соосно соединен с камерой высокого давления 10. К камере высокого давления 10 также соосно пристыкован баллистический ствол 11, во входной части которого размещается метаемый элемент 12. Между баллистическим стволом и камерой высокого давления 11 может быть установлена металлическая мембрана 13.

Установка работает следующим образом. С помощью электровоспламенителя 4 воспламеняется пороховой заряд 2 в пороховой камере 1. После достижения определенного давления продуктов сгорания, превышающего силу трения обтюраторов 7, 8, составной поршень начинает ускоряться и сжимает легкий газ в поршневом стволе 6 и в камере высокого давления 10. После достижения давления, превышающего давление прорыва мембраны 13 (или силу трения покоя поддона метаемого элемента), начинается ускорение метаемого элемента 12 в баллистическом стволе 11. При входе переднего обтюратора 8 в конический переходник камеры высокого давления 10 передний торец обтюратора ускоряется, что приводит к возникновению волны сжатия в рабочем газе. При соответствующем выборе параметров выстрела эта волна сжатия догоняет метаемый элемент 12, и он испытывает дополнительное ускорение.

Экспериментально установлено [7], что причиной нестабильности выстрела из двухступенчатой легкогазовой пушки [3, 4] является нестабильность воспламенения и горения порохового заряда при плотностях заряжания Δ =ω /W₀≤0,5 г/см³. При плотностях заряжания Δ ≥ 0,6 г/см³ процесс воспламенения и горения стабилен и обеспечивает высокую воспроизводимость всех параметров выстрела [7, 8]. Именно из этих условий и выбирается объем кольцевого вкладыша.

В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что уменьшение угла раствора конического переходника α с 8-12° (0,14≥ (D-d)/I_K ≥ 0,20) [2, 3, 6] до 2,5... 3,5° (0,04≥ (D-d)/I_K≥0,06) позволяет уменьшить напряжение, возникающее в пластическом поршне при торможении его в коническом переходнике камеры высокого давления на величину порядка 30%. Расчеты [9] показывают, что в этом случае также возможно получить те же дульные скорости метаемого элемента при более низких максимальных давлениях на дно поддона метаемого элемента. Экспериментально установлено [8, 10], что при скоростях деформации, характерных для легкогазовых установок с легким поршнем, динамический предел текучести в несколько раз выше, чем при квазистатическом нагружении. Это приводит к значительному росту напряжений в поршне и, соответственно, в коническом переходнике, что и является причиной разрушения камеры высокого давления. При замене монолитного полиэтиленового (фторопластового) поршня на составной с гелеобразным наполнителем напряжения в коническом переходнике уменьшаются, что повышает живучесть камеры высокого давления и дульную скорость метаемого тела.

Заявляемое изобретение реализовано при модернизации унифицированного комплекса баллистических установок ПХ (Т-110) [11]. Это позволило повысить стабильность процессов метания, обеспечить живучесть камеры высокого давления свыше 100 выстрелов при скоростях метания порядка 8 км/сек и выше.

Источники информации

1. Златин Н.А., Красильщиков А.П., Мишин Г.И., Попов Н.Н. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях.: М., Наука, 1974, 344 с.

2. Теоретические и экспериментальные исследования гиперзвуковых течений при обтекании тел и в следах: Сб. статей / Под ред. Г.Г.Черного, С.Ю.Чернявского. М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 1979.

3. Bogdanoff D.W. CFD Modelling of Bore Erosion in Two-Stage Gas Guns. NASA TM-112236, August 1998. - 35 p.

4. Христенко Ю.Ф. Экспериментальные методы исследования внутрибаллистических процессов. Материалы 3-ей Международной научной конференции "Внутрикамерные процессы и горение в установках на твердом топливе и в ствольных системах" (ICOC-99), Россия, Ижевск, 7-9 июня 1999 г., Ижевск: Изд-во УрО РАН, 2000. Ч. 1, С.256-274.

5. Чернявский С.Ю., Попов Н.Н., Сибилев В.Ю. и др. Легкогазовая баллистическая установка // Тр. Ин-та механики МГУ. 1975. №39. С.28-37.

6. Donald B., Longcope Jr. "Modeling of second stage of 1.125 inch two-stage light-gas gun STAR". SAND93-1320, Sandia National Laboratories, Albuquerque. NM, May 1993.

7. Христенко Ю.Ф. Экспериментальные исследования закономерностей горения зерненных порохов в широком диапазоне изменения плотностей заряжания. В кн.: Современные методы проектирования ракетно-артиллерийского вооружения. Саров, ВНИИЭФ, 2000. С.69-70.

8. Христенко Ю.Ф., Аблитаров Э.Ф. Экспериментальные исследования закономерностей движения поршня в камере сжатия легкогазовой установки. Докл. V Всероссийской научно-техн. конф. "Механика летательных аппаратов и современные материалы". Томск, 25-27 ноября 1998 г. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1998. С.46-47.

9. Жаровцев В.В., Комаровский Л.В., Погорелов Е.И. Математическое моделирование и оптимальное проектирование баллистических установок. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1989. 256 с.

10. Bogdanoff D.W., Miller R.J. New Higher-Order Godunov Code for Modelling Performance of Two-Stage Light Gas Guns. NASA TM-110363, 1995. - 45 p.

11. Христенко Ю.Ф. Проблема получения высоких скоростей ударников и моделей в лабораторных условиях. В кн.: Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1999. С.211-212.

Двухступенчатая легкогазовая установка, включающая пороховую камеру с затвором и электровоспламенителем, соединенный с ней поршневой ствол, во входной части которого размещен деформируемый поршень, состыкованную с другим концом поршневого ствола камеру высокого давления с коническим переходником, соединенный с ней баллистический ствол, во входной части которого размещен метаемый элемент, отличающаяся тем, что пороховая камера дополнительно снабжена кольцевым вкладышем, объем которого W_В выбирается из условия:

ω/(W₀-W_В)≥0,6 г/см³,

где ω - масса порохового заряда, a W₀ - начальный объем пороховой камеры, причем длина конического участка камеры высокого давления I_K выбирается из условия:

0,04≥(D-d)/Iк≥0,06,

где D - калибр поршневого ствола, d - калибр баллистического ствола, а деформируемый поршень выполнен составным и состоит из двух полимерных, например полиэтиленовых, обтюраторов, пространство между которыми заполнено жидким или гелеобразным веществом, например пушечным салом.