Способ решения основной задачи внешней баллистики неуправляемых реактивных снарядов длительных сроков хранения
Владельцы патента RU 2590841:
Федеральное государственное бюджетное военно-образовательное учреждение высшего образования"Черноморское высшее военно-морское ордена Красной Звезды училище имени П.С. Нахимова" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области вооружения и может быть использовано при определении дальности стрельбы неуправляемыми реактивными снарядами длительных сроков хранения. В рассматриваемой области задача решена применительно к реактивным глубинным бомбам номенклатуры минно-торпедного вооружения Военно-Морского Флота для случая, когда пороховой заряд реактивного двигателя твердого топлива подвержен геронтологическим изменениям, связанным с его длительным хранением. С учетом допущений представляется возможным получать экспресс-оценки геронтологических изменений порохового заряда РДТТ, что является самым главным в принятии решения о целесообразности применения по назначению неуправляемых снарядов длительных сроков хранения. В случае положительного решения о применении неуправляемых реактивных снарядов длительных сроков хранения вносятся поправки на дистанцию стрельбы в виду геронтологического изменения порохового заряда РДТТ. Технико-экономический эффект предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности применения неуправляемых реактивных снарядов при стрельбе по заданной цели. 10 ил.
Изобретение относится к области вооружении и военной техники, комплексам и системам военного назначения и может быть использовано в области эксплуатации и восстановления вооружения и военной техники, техническом обеспечении.
Реактивная глубинная бомба (РГБ) представляет собой неуправляемый реактивный снаряд с фугасной боевой частью и реактивным двигателем на твердом топливе (РДТТ), состоит из трех основных частей: боевой, ракетной и стабилизатора.
Топливо порохового заряда (ПЗ) представляет собой заряд нитроглицеринового пороха РСИ-60 или ФСГ-2.
Длительный срок хранения пороховых зарядов двигателей реактивных глубинных бомб обуславливает существенные отклонения их баллистических характеристик.
Основные факторы, влияющие на физико-химическую стабильность пороховых зарядов, важнейшими из которых являются: срок хранения, температура, влажность и условия хранения боеприпасов.
Эти факторы оказывают влияние на улетучивание азотсодержащих компонентов и спиртовых примесей.
Все это приводит к понижению теплотворной способности, что, в свою очередь, приведет к изменению баллистических характеристик, таких как:
интенсивное газообразование;
температура горения порохового заряда;
давление в камере горения;
скорость горения порохового заряда.
Изменение баллистических характеристик приводит к сокращению времени горения и уменьшению реактивной тяги, а следовательно, и к изменению дистанции приводнения и параметров эллипса рассеивания реактивных глубинных бомб.
В этой связи представляется практически важным определение изменений параметров внешней баллистики, поскольку они определяют результат применения реактивных глубинных бомб по цели.
Решение основной задачи внешней баллистики трудоемкое и не охватывает проблему истощения порохового заряда реактивного двигателя твердого топлива длительного срока хранения.
Применительно к РГБ задача внешней баллистики рассматривается в постановке основной задачи внешней баллистики, при этом неуправляемый реактивный снаряд, каковым является РГБ, во время его движения рассматривается как материальная точка, движущаяся под действием трех сил:
1. Сила тяги (реактивная сила) РДТТ.
2. Сила тяжести.
3. Сила лобового сопротивления.
Движение неуправляемого реактивного снаряда рассматривается в нормальной земной системе координат. Влияние вращения Земли учтем введением постоянного по величине и направлению ускорения свободного падения, пренебрегая кориолисовым ускорением; кривизну Земли также учитывать не будем.
При решении задачи внешней баллистики для неуправляемого реактивного снаряда принимаются следующие допущения:
1. В любой момент времени продольная ось РГБ совпадает с вектором скорости.
2. Считаем поверхность моря плоскостью, проходящей через линию горизонта.
3. Поле силы тяжести однородное: g = const.
4. Масса материальной точки равна массе РГБ.
5. На активном участке траектории скорость РГБ постоянна.
6. Атмосфера неподвижна.
7. Вращение Земли отсутствует.
С учетом этих допущений движение РГБ на активном участке траектории описываются следующей системой уравнений:
где 
- ускорение движения реактивного неуправляемого снаряда;
Р - реактивная сила;
Ха - лобовое сопротивление;
m - масса реактивного неуправляемого снаряда;
m0 - начальная (стартовая) масса РГБ;
- масса порохового заряда в определенный момент времени;
g0 - ускорение свободного падения;
θ - угол вертикального наведения.
Движение снаряда на пассивном участке траектории описывается системой уравнений для движения обычного артиллерийского снаряда:
кинематические уравнения:
;
;
и уравнение движения относительно нормали
.
Система уравнений (1)-(5) для активного участка траектории полета РГБ и (2)-(4), (6) и (7) для пассивного описывает движение центра масс РГБ в плоскости стрельбы, перпендикулярной плоскости моря (фиг. 1).
Центр масс снаряда описывает траекторию ОАВ (фиг. 1). За начальную точку траектории (О) принимается точка вылета (схода), под которой понимают положение центра масс снаряда в момент, когда он теряет механическую связь с направляющей. В точку вылета помещаем начало неподвижной декартовой системы координат. Горизонтальную плоскость, проведенную через точку вылета, будем называть плоскостью моря, а вертикальную плоскость, проходящую через эту же точку, - плоскостью стрельбы.
Учитывая то, что вся траектория полета РГБ разделена на активный и пассивный участки, запишем дополнительное условие, определяющее дальность стрельбы Sстр.
где Sa - составляющая дальности стрельбы активного участка траектории;
Sn - составляющая дальности стрельбы пассивного участка траектории.
Следует подчеркнуть, что представленная постановка задачи обусловлена тем, что в отличие от ракет, для которых масса топлива может составлять до 90% массы всего летательного аппарата, что в свою очередь определяет необходимость рассмотрения полета тела переменной массы (уравнения Мещерского, Циолковского), рассматривается класс неуправляемых реактивных снарядов, у которых масса топлива не превышает 5…7% от массы всего снаряда.
Кроме этого, максимальное время горения порохового заряда РДТТ составляет 0,7 секунды, что составляет всего 2,5% времени полета реактивного снаряда.
Все это приводит к выводу о том, что изменением массы неуправляемого реактивного снаряда можно пренебречь.
При раздельном рассмотрении активного и пассивного участков необходимо определить условия сопряжения.
Основными условиями сопряжения параметров внешней баллистики является их равенство как для активного, так и для пассивного участков траектории в точке с координатой x=Sa, у=На. Таким образом, баллистические параметры РГБ в конце активного участка равны баллистическим параметрам вначале пассивной составляющей траектории. Этим условием обеспечивается выполнение свойства сплошности траектории полета РГБ.
Таким образом, для координаты x=Sa, у=На можно записать:
С учетом сформулированного условия сопряжения и исходя из системы уравнений для пассивного участка (2)-(4), (6) и (7) следует отметить, что задача внешней баллистики на пассивном участке траектории решается в постановке основной задачи внешней баллистики для обычного снаряда, стрельба которым производится с возвышением точки стрельбы над плоскостью моря На в соответствии с (9). При этом вектор скорости снаряда определяется условием (10).
При длительном хранении пороха изменится такое свойство, как плотность пороха.
Учет изменения, вызванного геронтологическими факторами, только одной величины не может считаться удовлетворительным, так как обычно изменяются не только плотность пороха, но и другие важные характеристики, такие как: скорость горения пороха, а также теплота взрывчатого превращения - калорийность пороха (Q) и сила пороха (f).
На фигуре 2 представлены силы, действующие на снаряд при полете его на активном участке.
Учитывая то, что дуга реактивного снаряда на активном участке траектории во много раз меньше дистанции активного участка (ζ<<Sa) пренебрегаем ею и считаем, что ζ=0.
Для определения зависимости высоты и дальности активного участка траектории от времени горения порохового заряда РДТТ и угла бросания РГБ воспользуемся выражениями:
В процессе длительного хранения изменяется средняя плотность пороха ввиду процессов массопереноса и автокатализа.
В модельной задаче будем считать, что при стрельбе реактивным снарядом с кондиционным пороховым зарядом (ПЗ) РДТТ сгорает весь заряд (µ=1). Для порохов длительных сроков хранения эффект их истощения будем рассматривать как неполное сгорание ПЗ, тогда для них µ<1.
Учитывая то, что как показал анализ химического состава порохов и исследования по снижению массы ПЗ в ходе их длительного хранения, в диапазоне до 30-40 лет, снижение массы составляет 3-7%, а иногда и более. Поэтому целесообразно рассмотреть диапазон изменения µ=0,9…1,0.
В модели были заданы значения µ=1 для нормальных и µ=0,9-0,95 для истощенных в процессе длительного хранения пороховых зарядов РДТТ.
На фигурах 3-5 показаны зависимости просадки активного участка траектории реактивного снаряда при различных углах стрельбы и доли сгоревшего заряда.
Полученные результаты послужили основанием для выявления закономерности изменения высоты траектории в окончании активного участка траектории как функции угла бросания и степени истощения порохового заряда РДТТ в процессе хранения, которая выражалась через долю сгоревшего порохового заряда РДТТ µ (фиг. 6).
При этом кривые функции Ha(µ), для различных θ, аппроксимировались линейными функциями, после чего было получено обобщенное уравнение в виде:
при 25°≤θ≤45° и 0,85≤µ≤1.
На основе (12) представляется возможным оценить горизонтальную дальность активного участка траектории РГБ от времени горения ПЗ РДТТ и угла бросания РГБ (фиг. 7-9).
Полученные изменения горизонтальной дальности активного участка траектории послужили основанием для выявления обобщенной двухпараметрической зависимости от угла бросания и степени истощения порохового заряда РДТТ в процессе хранения (фиг. 10).
При этом кривые функции Sa(µ), для различных θ, аппроксимировались линейными функциями, после чего было получено обобщенное уравнение в виде:
при 25°≤θ≤45° и 0,85≤µ≤1.
Полученный способ стрельбы реактивной глубинной бомбой длительного срока хранения дает возможность определять зависимости высоты и горизонтальной дальности в конце активного участка траектории РГБ от времени горения порохового заряда РДТТ и угла бросания, что позволяет исключить решение каждого раза основной задачи внешней баллистики, за счет нахождения значения эффективной скорости горения порохового заряда реактивного двигателя твердого топлива РГБ длительного срока хранения.
Отсутствие систематических опытовых стрельб, а также полных и достоверных данных результатов практических бомбовых стрельб не позволяет эмпирическими методами определить оценку влияния изменяющихся баллистических характеристик на эффективность боевого применения РГБ. Поэтому задача может быть решена путем совместного использования результатов теоретических исследований и пассивного эксперимента - имеющихся данных о стрельбе РГБ различных сроков хранения.
Эксперименту подвергались реактивные глубинные бомбы (РГБ-60 и РГБ-12), находящиеся на хранении в интервале от 29 до 41 года.
Исследования проводились с целью определения:
состояния пороховых зарядов, находящихся на хранении 30 и более лет;
соответствия баллистических характеристик РГБ табличным значениям.
При осуществлении такого эксперимента выбирались параметры стрельбы, необходимые для достижения цели исследования:
№ партии РГБ;
год выпуска РГБ;
расстояние стрельбы до цели (стрельба на дистанцию);
фактически зафиксированная дистанция стрельбы РГБ;
угол возвышения реактивной бомбометной установки.
В результате обработки данных был сформирован массив исходных данных по партиям, годам хранения и типам РГБ.
Была смоделирована дальность стрельбы реактивными глубинными бомбами длительных сроков хранения с использованием данных, взятых из отчетов о результатах практических стрельб, описанных в вычислительной среде MathCAD.
Полученные выражения (13) и (14) позволяют определять высоту и дальность траектории в конце активного участка траектории полета РГБ в зависимости от угла бросания и степени истощения порохового заряда реактивного двигателя твердого топлива, не решая каждый раз задачу внешней баллистики.
Методы решения задачи на пассивном участке траектории достаточно хорошо отработаны и автоматизированы. Разработанный подход, предполагающий использование указанных выше выражений вместо решения задачи внешней баллистики для активного участка траектории, позволяет, в совокупности, определить, с требуемой для практики точностью, дальность стрельбы РГБ как с кондиционным ПЗ, так и с зарядом, подвергшимся геронтологическим изменениям в виду длительного хранения.
Технико-экономический эффект данного изобретения предполагает повышение точности стрельбы РГБ длительных сроков хранения.
Способ решения основной задачи внешней баллистики при стрельбе неуправляемыми реактивными снарядами, состоящий в усовершенствовании модели определения высоты и дальности в конце активного участка траектории от времени горения порохового заряда реактивного двигателя твердого топлива и угла бросания реактивной глубинной бомбы длительных сроков хранения, отличающийся тем, что дополнительно учитывается степень истощения порохового заряда, что повышает точность стрельбы и позволяет не решать каждый раз основную задачу внешней баллистики.
