Способ ускорения тела



Способ ускорения тела
Способ ускорения тела
Способ ускорения тела
Способ ускорения тела
Способ ускорения тела
Способ ускорения тела

 


Владельцы патента RU 2558509:

Объединенный Институт Ядерных Исследований (RU)

Изобретение относится к механике и может быть использовано для придания ускорения телу. Газодинамически ускоряют тело, ускоряют тело взрывной волной, перемещаемой в пространстве со скоростью в зависимости от скорости детонации, радиуса и шага намотки спирали, обеспечивают устойчивость процесса ускорения тела условием автофазировки, синхронизируют газодинамическое ускорение и ускорение взрывной волной в зависимости от удаления тела от области взрыва. Изобретение позволяет достичь гиперзвуковой скорости тела. 2 табл., 1 ил.

 

Описание изобретения

Изобретение относится к области ускорения тел и может быть использовано для ускорения тела до гиперзвуковой скорости.

Область техники

Известен [1] способ газодинамического ускорения тела в стволе. Порох, расположенный в стволе, за короткое время переходит из твердого в газообразное состояние, после чего за счет своего расширения выталкивает тело из ствола. Конечная скорость тела в этом способе газодинамического ускорения определяется плотностью и температурой образовавшегося газа.

Увеличение плотности газа и его температуры ограничивается прочностью и износоустойчивостью ствола и не может быть увеличено. Современные системы рассчитаны на температуру 3000°C и давление 3500 atm. Дальнейшее повышение температуры и давления свыше этих величин становится нецелесообразным, т.к. при высоких температурах происходит сильный износ ствола, а увеличение давления требует увеличения прочности ствола. Далее, при высоких температурах может иметь место диссоциация молекул газа, что связано также с потерей тепловой энергии газа. Поэтому при современном состоянии развития техники достигнутая скорость является предельной.

Учитывая потери на теплоотдачу, на трение газа о стенки ствола и другие потери, можно принять приближенно V≈2 km/s. Эта скорость достигается, когда масса тела составляет малую часть массы пороха. Если увеличивать вес тела, то его скорость будет стремиться к обычной скорости тела Vord≈1 km/s.

Получить таким способом гиперзвуковую скорость тела порядка Vsh≈5 km/s невозможно.

Известен способ [2] ускорения тела взрывной волной. Взрывная волна образуется в результате неуправляемого процесса высвобождения большого количества энергии в небольшом объеме за короткий промежуток времени. В этом способе ускорение тела происходит за счет его взаимодействия с продуктами, образовавшимися при переходе взрывчатого вещества из твердого в газообразное состояние.

За счет большой плотности образовавшихся газов и большой скорости их расширения тело может быть ускорено в этом процессе до скорости порядка 2 km/s. Этот способ может быть выбран за прототип.

Однако прототип имеет принципиальный недостаток - неуправляемость процесса ускорения, что не дает возможность получить гиперзвуковую скорость тела, например, порядка 5 km/s.

Настоящее предложение направлено на устранение этого недостатка.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что в способе ускорения тела, включающем предварительное газодинамическое ускорение тела и окончательное ускорение тела взрывной волной, при этом окончательное ускорение тела осуществляют взрывной волной, которую перемещают в пространстве со скоростью, нарастающей по закону Vaxis=Vdeth/2πr0, где Vdet - скорость детонации, Vaxis - скорость взрывной волны, распространяющейся по оси спирали, r0 - радиус намотки спирали, h - шаг намотки спирали, при этом устойчивость процесса ускорения обеспечивают условием автофазировки, синхронизируя начало окончательного ускорения с окончанием предварительного ускорения так, что сила Faxis, ускоряющая тело, уменьшается по закону F a x i s ~ z ( r 0 2 + z 2 ) 3 / 2 при удалении тела на расстояние z от области взрыва.

Связь отличительных признаков с положительным эффектом

Выбор основных параметров

Выберем в качестве взрывчатого вещества гексогеновый [3], шнур с диаметром dcord=0.5 cm, который намотан на каркас с диаметром 2r0=3 cm. Ускоряемое тело пусть имеет цилиндрическую форму с массой mb=1 kg, площадью поперечного сечения Sb=1 cm2 и имеет начальную скорость Vin=1 km/s. Конечную скорость тела выберем равной Vfin=5 km/s, и длина ускорения пусть будет равна: Lacc=60 m.

Найдем из уравнения движения тела

что для того чтобы реализовать такое равноускоренное движение тела, ускоряющая сила должна быть равна Faxis=2*105N=2*105 kg*m/s2. Действительно, разделив эту силу на массу тела mb=1 kg, найдем, что тело будет двигаться равноускоренно, с ускорением а=2*105 m/s2.

Скорость тела будет нарастать в соответствии с законом:

и от начальной скорости Vin=1 km/s до конечной скорости Vfin=5 km/s тело ускорится за время tacc=20 ms.

Реализовать воздействие на тело такой постоянно действующей силы можно при подрыве гексогенового шнура, намотанного на каркас в виде двухзаходной спирали, с возрастающим шагом намотки так, чтобы скорость распространения взрывной волны вдоль оси спирали все время совпадала со скоростью движения тела.

Зависимость пройденного пути (при равноускоренном движении) от времени можно записать в виде:

Решая это уравнение относительно скорости, найдем, что зависимость скорости от пути выражается так:

В начале пути, при L=0, скорость тела равна V=Vin=1 km/s, а в конце пути, при L=Lacc=60 m, скорость тела будет равна: V=Vfin=5 km/s.

Зная закон нарастания скорости в зависимости от длины пути можно найти зависимость шага намотки спирали от длины пути.

Примем скорость распространения детонации в гексогене равной

Vdet≈8 km/s [3]. Чтобы скорость взрывной волны Vaxis, распространяющейся вдоль оси спирали, все время совпадала со скоростью тела Vb, должно все время выполняться соотношение:

где Vb - скорость тела, Vaxis - скорость взрывной волны, распространяющейся по оси спирали, Vdet - скорость детонации, r0 - радиус намотки спирали, h - шаг намотки спирали.

Детонация, распространяясь вдоль гексогенового шнура, оббегает спираль по периметру, при этом вдоль оси она распространяется со скоростью Vaxis=Vdeth/2πr0. Отсюда для начальной скорости тела Vin=1 km/s шаг намотки должен быть равен hin=2πr0Vin/Vdet=1.17 cm, конечный шаг намотки спирали должен быть равен hfin=2πr0Vfin/Vdet=5.88 cm. Промежуточные значения шага намотки спирали задаются соотношением:

Будем рассматривать детонацию двухзаходной спирали с диаметром каждого из гексогеновых шнуров dcord, равным dcord=0.5 cm.

Давление на фронте детонации в гексогене достигает Phex≈30 GPa [3]. Пусть тело в момент, когда к его заднему срезу подходит взрывная волна, находится от области детонации на расстоянии, равном радиусу намотки спирали z=zs=1.5 cm.

Будем рассматривать детонацию длинного гексогенового цилиндрического шнура. При разлете продуктов взрыва в свободном пространстве давление взрывной волны Pvawe на задний срез тела было бы меньше давления на фронте волны в отношении квадрата радиуса гексогенового шнура (dcord/2)2=0.625 cm2 к квадрату расстояния до среза тела (4.5 cm2) и составляло: P v a w e l = P h e x r 2 c o r d / ( r 0 2 + z s 2 ) = 0.4 G P a . Поскольку конструкция детонирующей камеры такова, что продукты взрыва покидают камеру только через один квадрант, то давление на фронте взрывной волны будет в 4 раза больше и составит: Pvawe2=1.6 GPa.

Сила, действующая на задний срез тела, при этом равна:

где мы выбрали: φ=45°, cosφ=0.7. Учитывая, что одновременно детонируют два шнура, силы сложатся.

Подставляя численные значения в формулу (7), найдем, что эта сила равна: Faxis≈2.2*105 N.

Легкий каркас вместе с гексогеновой спиралью, кольцами специальной формы и разъемным цилиндром при этом располагают внутри прочного ствола с внутренним диаметром Dbar=80 mm, так что давление на внутреннюю поверхность ствола в отсутствие вещества между гексогеновым шнуром и прочным стволом составляло бы величину: Pbar=P0*(dcord/2)2[(Dbar/2)-r0]2≈3000 atm, что является обычным давлением для пушек [1]. Из-за присутствия колец и разъемного цилиндра, давление на внутреннюю поверхность прочного ствола будет меньше.

После достижения скорости V=2 km/s можно будет перейти к четырехзаходной спирали, уменьшив соответствующим образом (в корень из 2 раз) диаметр шнуров. После достижения скорости V=3 km/s можно будет перейти к шестизаходной спирали и т.д.

Синхронизация предварительного и окончательного ускорений

Как показано в работе [4], скорость разлета продуктов детонации цилиндрического шнура в поперечном направлении равна: V≈=0.8 Vdet, то есть в нашем случае равна примерно V≈6.5 km/s. Продукты детонации должны достигнуть заднего среза тела в момент, когда он находится на расстоянии lin, равном радиусу спирали r0=1.5 cm, и расстояние от заднего торца до взрывающейся области детонационного шнура должно быть lbody≈2.12 cm.

Продукты взрыва преодолеют это расстояние за время τshok, равное τshok=lbody/V=3.26 µs. Тело, движущееся с начальной скоростью Vin=1 km/s, должно находиться в этот момент на расстоянии lin=3.26 mm от точки начала ускорения.

Автофазировка при движении тела на фронте взрывной волны

Так же как и в ускорителях частиц на бегущей волне [5], при ускорении тела на переднем фронте взрывной волны имеет место автофазировка. В ускорителях частиц заранее выбирают фазу ускорения частицы, называемую синхронной, под которую и рассчитывается продольное движение частицы. В случае если частица при своем движении случайно отстанет от синхронной фазы, то она будет попадать во все более сильное поле, сильнее ускоряться и, в конце концов, догонит синхронную фазу.

Если частица опередит в своем движении синхронную фазу, то она попадет в меньшее поле, меньше будет ускоряться, и, в конце концов, ускоренно движущийся импульс и синхронная фаза на нем догонят частицу.

Покажем, что в данном случае, при ускорении тела на фронте взрывной волны, зависимость силы, действующей на тело от фазы тела на фронте импульса, имеет спадающий характер.

Сила, действующая на тело, Faxis=Pvawe*Sb*cosφ, зависит от величины давления P v a w e = P h e x * r c o r d 2 / ( r 0 2 + z 2 ) , где Phex=30 GPa - давление взрывной волны гексогена, 2rcord=0.5 cm - диаметр гексогенового шнура, r0=1.5 cm - радиус намотки гексогенового шнура, z - расстояние вдоль оси от детонирующей области до заднего среза тела, cm. Проекция силы на ось ускорения, пропорциональна так же cosφ, который можно представить в виде: cos ϕ = z / ( r 0 2 + z 2 ) 1 / 2 .

Таким образом, зависимость силы, действующей на тело вдоль оси Faxis от расстояния вдоль оси между детонирующей областью и задним срезом тела, имеет зависимость от этого расстояния:

Составим таблицу значений этой функции для трех значений расстояния между детонирующей областью и задним срезом тела.

Из анализа значений этой функции в зависимости от отклонения тела от синхронной фазы, которую мы выбрали равной φs=45°, cosφs=0.7, zs=1.5 cm, сила взрыва, действующая на тело, уменьшается по мере удаления тела вперед от синхронной фазы и нарастает, если тело начинает от синхронной фазы отставать. Это зависимость соответствует устойчивой фазе продольного движения в соответствии с принципом автофазировки.

Поперечное движение

Рассмотрим действие поперечной силы, имеющейся на фронте взрывной волны, на движение тела. В начале ускорения скорость взрывной волны, распространяющейся вдоль оси спирали, составляет величину Vin=1 km/s, скорость детонации, распространяющейся вдоль спирали, равна Vdet=8 km/s. Периметр одного витка спирали равен πdspir≈10 cm, так что детонация совершает полный оборот за время: τсус≈πdspir/Vdet=10 µs.

Пусть тело движется в поперечном направлении с ускорением, на два порядка меньшим, чем в продольном: а=2*103 m/s2. За время, за которое детонация пробегает треть полного оборота τсус1/3=3 µs, тело сместится на расстояние S1/3=аτ2сус1/3/2=10-2 µ. После чего поперечная сила поменяет направление и ее действие, после прохождения целого оборота, усреднится.

Прохождение тела сквозь атмосферу. Подъемная сила

При длине ускорителя Lacc=60 m его можно располагать только горизонтально. Для вывода тела за пределы атмосферы можно использовать небольшую асимметрию формы тела, такую, чтобы эта форма создавала подъемную силу Fy. Уравнение вертикального движения при этом может быть записано в виде:

где Су - аэродинамический коэффициент подъемной силы,

ρ0=1.3*10-3 g/cm3 - плотность воздуха у поверхности Земли,

Vx=5 km/s - горизонтальная скорость тела, Spr - поперечное сечение тела.

Диаметр тела мы выбрали равным: dsh=11.3 mm (Spr=1 cm2) и массу тела равной m=1 kg. Возьмем коэффициент подъемной силы тела Су равным: Су=0.2. Такого же порядка пусть будет и коэффициент аэродинамического сопротивления Сх.

Решая приближенно уравнение (9), получим:

Проинтегрировав еще раз, получим выражение для высоты подъема тела:

Баллистика. Аэродинамическое сопротивление

Рассчитаем движение тела, выпущенного под углом Θ=0° к горизонту с учетом сопротивления воздуха. Уравнение горизонтального движения тела можно записать в виде:

где m - масса тела, Vx - скорость, g - 0.01 km/s2 - ускорение силы тяжести, ρ = ρ 0 e z / H 0 - барометрическая формула изменения плотности атмосферы с высотой, ρ0=1.3* 10-3 g/cm3 - плотность воздуха у поверхности Земли, Н0=7 km - значение высоты, на которой плотность падает в е раз.

Аэродинамическим коэффициентом или коэффициентом аэродинамического сопротивления называется безразмерная величина, учитывающая «качество» формы тела:

Решение уравнения (12) может быть записано в виде:

Для того чтобы можно было вычислять изменение скорости тела со временем, необходимо найти аэродинамический коэффициент Сх.

Расчет коэффициента аэродинамического сопротивления тела для воздуха

Будем считать, что тело имеет форму цилиндрического стержня с конической головной частью. Тогда при ударе молекулы азота по острому конусу изменение продольной скорости молекул равно:

где Θt - угол конуса при вершине. Молекулы газа передают телу импульс:

Изменение импульса в единицу времени - сила, сила лобового торможения,

Разделив Fx1 на ( 1 2 ) ρ V x 2 S p r , получим коэффициент аэродинамического сопротивления для острого конуса при зеркальном отражении молекул от конуса (формула Ньютона):

Наше рассмотрение соответствует гиперзвуковым скоростям, когда можно пренебречь эффектами, которые возникают при скорости, близкой к скорости звука в невозмущенной среде. Пусть длина конусной части тела равна: lcone=25.1 mm при диаметре тела dsh=11.3 mm. Это означает, что угол при вершине конуса равен: Θt=0.45 и Cxair=0.2.

Подставляя это значение Сх в формулу для потери продольной скорости со временем (14) и соответствующие значения скорости и плотности воздуха в формулы (10), (11), (14), получим значения для горизонтальной и вертикальной скоростей тела, а также для высоты подъема тела к заданной секунде полета.

Составим таблицу параметров полета тела. В первой колонке расположено время полета, во второй - горизонтальная скорость, в третьей - вертикальная скорость, в четвертой - высота подъема тела к заданной секунде полета.

Время подъема до максимальной высоты в этом случае равно: τmax=Vy/g=266 s, дальность полета S=Vx*2τmax=1400 km, максимальная высота подъема: Y = V у 2 / 2 g = 350  km . Изменяя у тела форму конуса в головной части, по-видимому, можно будет переходить к различным траекториям полета.

Осуществление изобретения

На Фиг.1 изображена схема устройства: 1 - пушка, 2 - тело, 3 - легкий ствол, 4 - легкий каркас, 5 - кольца специальной формы, 6 - гексогеновый шнур, 7 - разъемный цилиндр, 8 - прочный ствол.

Работа устройства происходит следующим образом. В пушке 1 производится разгон тела 2 цилиндрической формы с массой mb=1 kg, имеющего поперечное сечение: Sb=1 cm2. Тело центрируется относительно спирали легким стволом 3. Тело движется внутри легкого каркаса 4, на котором закреплены кольца 5 специальной формы. Синхронно началом ускорения производят подрыв гексогеновой спирали 6, уложенной в пазы между дисками и окруженной снаружи разъемным цилиндром 7. Кольца должны быть жестко скреплены с разъемным цилиндром. Крепление на рисунке не показано. Вся сборка помещается внутрь прочного ствола 8. Детонация, распространяясь вдоль шнура, создает на оси бегущую синхронно с телом взрывную волну.

Вывод

Максимальная высота подъема тела Y=350 km и дальность полета тела Smax=1400 km представляет интерес для ряда приложений.

Литература

1. И.А. Стержнев. Артиллерийские орудия кратного действия, предел скорости артиллерийских снарядов,

2. _(граната),

http://ru.wikipedia.org/wiki/Боеголовка

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Гексоген

4. В.В. Ильин, А.П. Рыбаков, В.В. Козлов. Математическая модель разлета продуктов взрыва при выходе косой детонационной волны на свободную поверхность. Электронный научный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» 1531,

5. В.И. Векслер. Доклады АН СССР, т.43, вып.8, с.346, 1944 Е.М. McMillan, Phys. Rev., v.68, p.143. 1945.

Способ ускорения тела, включающий предварительное газодинамическое ускорение тела и окончательное ускорение тела взрывной волной, отличающийся тем, что окончательное ускорение тела осуществляют взрывной волной, которую перемещают в пространстве со скоростью, нарастающей по закону Vaxis=Vdeth/2πr0, где Vdet - скорость детонации, Vaxis - скорость взрывной волны, распространяющейся по оси спирали, r0 - радиус намотки спирали, h - шаг намотки спирали, при этом устойчивость процесса ускорения обеспечивают условием автофазировки, синхронизируя начало окончательного ускорения с окончанием предварительного ускорения так, что сила Faxis, ускоряющая тело, уменьшается по закону F a x i s ~ z / ( r 0 2 + z 2 ) 3 / 2 при удалении тела на расстояние z от области взрыва.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии конверсионных производств и может быть использовано для изготовления кумулятивных зарядов для дробления негабаритов горных пород.

Изобретение относится к технике взрыва площадных зарядов из листовых взрывчатых веществ (ВВ) и может быть использовано в практике динамических испытаний преград (материалов и конструкций), а также в ряде импульсных технологических операций (штамповка и сварка взрывом).

Изобретение относится к вооружению и может быть использовано в кумулятивных боеприпасах. Устройство управления формой фронта детонационной волны содержит осесимметричные промежуточный заряд взрывчатого вещества с детонатором и основной заряд взрывчатого вещества с кумулятивной выемкой, инертную линзу в форме полого цилиндра с дном.

Изобретение относится к области экспериментальной физики, в частности к способу формирования металлического компактного элемента. Способ формирования металлического компактного элемента заключается в инициировании осесимметричного основного заряда взрывчатого вещества, разгоне металлической облицовки кумулятивной выемки под действием продуктов взрыва основного заряда, выполнении каждого металлического вкладыша в форме, аналогичной форме металлической облицовки, покрытии вкладыша со стороны облицовки слоем дополнительного заряда взрывчатого вещества, производстве ударного инициирования разогнанной металлической облицовкой примыкающего к ней дополнительного заряда взрывчатого вещества, размещенного на первом по направлению метания металлическом вкладыше.

Изобретение относится к боеприпасам, в частности к комбинированной кумулятивной облицовке для формирования высокоскоростных компактных элементов. Комбинированная кумулятивная облицовка для формирования высокоскоростных компактных элементов содержит струеобразующую часть в форме полусферы и сопряженную с ней отсекающую часть в форме цилиндра.

Изобретение относится к области военной техники, более конкретно к устройствам для разрезки стальных стержней, трубопроводов, электрических жгутов и т.п. с помощью удлиненных кумулятивных зарядов (УКЗ), и может быть использовано в ракетно-космической технике.

Изобретение раскрывает устройство кумулятивного заряда скважинного перфоратора, создающего при вскрытии продуктивного пласта расширяющийся кумулятивный канал.

Изобретение относится к области высокоскоростного соударения твердых тел и может быть применено в промышленности и военной технике, использующей заряды взрывчатых веществ для высокоскоростного метания компактных элементов.

Изобретение относится к боеприпасам, в частности к конструкциям облицовок снарядоформирующих зарядов, и может использоваться в устройствах формирования поражающих элементов (ПЭ) для пробития бронированных целей.

Cпособ включает управление процессом формирования поражающего элемента путем инициирования и формирования фронта детонационной волны в заряде взрывчатого вещества, обеспечивающего разгон облицовки с предварительно подобранной геометрией.

Изобретение относится к области средств безопасности, например при авиационных пассажирских и грузопассажирских рейсах, а также в кинотеатрах, зрительных залах, на выставочных комплексах, где имеет место большое скопление материальных и людских ресурсов.

Изобретение относится к малогабаритным стреляющим приспособлениям для скрытого ношения. .

Изобретение относится к огнестрельному оружию скрытого ношения и может быть использовано в индивидуальном стрелковом многозарядном полуавтоматическом оружии с полусвободным затвором, например в пистолетах.

Изобретение относится к скрытому оружию с дистанционным управлением и может быть использовано для уничтожения лазутчиков, диверсантов на границе, особенно в ночное время, при тумане, в непогоду.

Изобретение относится к военной технике и направлено на создание высокоэффективного, технологичного, легкого и малогабаритного пистолета-пулемета под пистолетный патрон, но может быть использовано в любом автоматическом стрелковом оружии с поступательно движущимся ударником.

Изобретение относится к ручному газовому оружию самообороны граждан. .

Изобретение относится к стрелковому оружию и может использоваться в качестве спортивного пистолета, а также как средство защиты от нападения. .

Изобретение относится к технологии конверсионных производств и может быть использовано для изготовления кумулятивных зарядов для дробления негабаритов горных пород, пробития металлических преград. В способе утилизации баллиститных ракетных топлив путем переработки их в кумулятивные разрывные заряды разрезают заряд баллиститного ракетного топлива на части, размещают отрезанную часть баллиститного ракетного топлива и формируют кумулятивную воронку конуса в матрицу пресс-формы, заполненную подогреваемой водой, нагревают их до размягчения топлива, после чего формируют кумулятивную воронку путем воздействия пуансона на формующий конус. Охлаждают пресс-форму, извлекают формующий конус и выталкивают изделие из гнезда пресс-формы. Достигается создание способа изготовления кумулятивного заряда из баллиститного ракетного топлива с истекшим сроком хранения. 2 ил.
Наверх