АРТИЛЛЕРИЙСКИЙ СНАРЯД Российский патент 1999 года по МПК F42B10/00 

Изобретение относится к боеприпасам гладкоствольной артиллерии, а более конкретно к приспособлениям для улучшения аэродинамических свойств снарядов, стабилизации и увеличения дальности полета с использованием наклонных канавок и вращения, создаваемого под действием пороховых газов.

В артиллерийских системах с нарезными стволами продольная устойчивость снаряда на траектории полета обеспечивается приданием снаряду угловой скорости вращения относительно его оси в результате закрутки изделия при движении по нарезам ствола посредством ведущих устройств - гироскопическая стабилизация (1, 2).

В гладкоствольной артиллерии продольная устойчивость снаряда на траектории полета обеспечивается аэродинамическими средствами, преимущественно лопастными стабилизаторами с шарнирно закрепленным на корпусе лопастным оперением (3).

Для повышения кучности боя и дальности стрельбы используют комбинированные средства обеспечения продольной устойчивости снаряда на полете к цели: донное оперение и головной центральный стержень на затупленном торце корпуса, нормальном к его продольной оси (4).

Центральный стержень головной части в известном снаряде, выбранном по числу совпадающих признаков в качестве ближайшего аналога предложенному снаряду, обеспечивает значительное снижение лобового сопротивления, что увеличивает дальность полета при меньшем метательном заряде. От поверхности центрального стержня головной части происходит отрыв набегающего потока и возникает положительный градиент в пограничном слое, обусловленный торможением потока перед снарядом.

Прямой торцевой профиль затупленной головной части корпуса снаряда, сравнительно с оживальной у аналогов, обеспечивает увеличение коэффициента наполнения, то есть могущества боеприпаса.

Центральный стержень головной части дополнительно выполняет функции телескопической антенны, обеспечивающей подрыв снаряда на заданном расстоянии от преграды, строго выдерживает фокусное расстояние между пьезоэлектрическим взрывателем и взрывчатым веществом снаряда для формирования кумулятивной струи.

На периферии головного торца корпуса выполнены продольные выступы, соосные с лопастями хвостового оперения для организации стабилизированных воздушных потоков и устойчивого положения снаряда на траектории полета.

Однако продольная устойчивость снаряда заданного калибра на траектории зависит, в частности, от скорости обтекания воздушного потока, аэродинамической формы снаряда, соотношения его параметров геометрии, длины центрального стержня головной части и распределения масс снаряженного боеприпаса. Так, из-за обтекания сверхзвуковым воздушным потоком затупленной головной части корпуса снаряда с достаточно коротким его центральным стержнем, нарушается баланс массы газа в застойной зоне на центральном стержне головной части с возвратным течением от торца корпуса и возникает криволинейный скачок уплотнения на периферии торца, параметры которого пульсируют, что приводит к незатухающим колебаниям головной части (нутации), которые затрудняют автоматическое самоуправление полетом, тормозят снаряд и уводят его с расчетной траектории стрельбы. Это все корректируется аэродинамическими лопастями стабилизатора.

Аэродинамическая стабилизация посредством раскрывающихся лопастей стабилизатора поперек корпуса снаряда после выстрела из пушки, во-первых, усложняет конструкцию и удорожает технологию изготовления и сборки, снижает функциональную надежность механизмов раскрытия и изделия в целом, а во-вторых, значительно снижает тактико-технические характеристики, при этом уменьшается коэффициент наполнения из-за балластного (до трети объема снаряда) сложенного стабилизатора.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение отмеченных недостатков, в результате чего повышается могущество боеприпаса при улучшении точности и увеличении дальности стрельбы из гладкоствольной пушки снарядом с новой конструктивной схемой комбинированной стабилизации его продольной устойчивости на траектории полета.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном артиллерийском снаряде, содержащем корпус с наполнением, взрыватель и комбинированные средства продольной устойчивости, включающие укрепленные на корпусе лопасти и центральный стержень головной части, торец которой выполнен нормально к оси и снабжен на периферии коаксиальными выступами, согласно изобретению на центральном стержне головной части имеется, как минимум, одна дисковая ступень, выступы головного торца корпуса представляют собой кольцевую глухую обечайку, а лопасти высотой калибра снаряда жестко закреплены продольно, причем смонтированные на корпусе наклонные лопатки газодинамической турбины выполнены профилированными. Предложенный снаряд характеризуется тем, что высота дисковой ступени центрального стержня головной части превышает пять толщин пограничного слоя перед ней; расстояние l от головного торца корпуса калибром D до дисковой ступени выбрано из соотношения D = (1,7 - 1,9)l; диаметр d центрального стержня головной части выбран из соотношения l/d = 2-3; а профилированные поверхности соседних лопаток образуют между собой, в каналах газодинамической турбины, реактивное сопло Лаваля.

Каждый из существенных признаков необходим, а их совокупность достаточна для достижения новизны качества, то есть нового сверхэффекта, а не суммы эффектов, который проявляется в положительном техническом результате при реализации, неприсущем частям в их разобщенности.

Отличительные признаки обеспечили продольную устойчивость снаряда на траектории полета за счет комбинированной стабилизации: гироскопической посредством газотурбинной раскрутки снаряда в канале ствола пороховыми газами метательного заряда и аэродинамической головной, подавляющей нутацию (угловые пульсации), что в итоге улучшает кучность боя и увеличивает прицельную дальность стрельбы.

Выполнение дисковой ступени высотой более пяти толщин пограничного слоя перед ней обеспечило разделение возвратного циркуляционного потока на части сформированным скачком уплотнения от его периметра и образование сопряженного с головным торцем корпуса "жидкого конуса", внутри которого размещен газовый демпфер противодействия нутации.

В объеме между дисковой ступенью центрального стержня головной части и поднутрением кольцевой периферийной обечайки головного торца корпуса организовано квазистационарное возвратное течение уплотненного воздуха набегающего сверхзвукового потока с большим положительным градиентом давления противотока внутри конической формы застойной зоны, совмещенной с торцем корпуса, где давление значительно ниже, что заметно снижает лобовое сопротивление снаряда.

Выполнение профилированных лопаток турбины высотой, не превышающей калибр снаряда, позволяет использовать их для формирования реактивного движения пороховых газов по сопловым каналам между ними, создавая необходимый крутящий момент при осевом движения снаряда в канале ствола. Профилированная поверхность лопаток создает реактивные сопла в каналах газодинамической турбины, что увеличивает скорость истечения струйных потоков пороховых газов от направляющих лопастей на донной части снаряда и образует тягу, а следовательно, необходимую закрутку и вместе с повышенной начальной скоростью снаряда увеличивает его дальность полета при продольной устойчивости.

Предложенная конструктивная схема комбинированной стабилизации полета снаряда обеспечивает рациональное смещение центра давления к корме снаряда, а центра масс к голове, в частности, перераспределением дополнительных объемов взрывчатого вещества и металла корпуса взамен раскрывающихся лопастей стабилизатора и его донной части и укороченного центрального стержня головной части, что улучшает продольную устойчивость снаряда на траектории полета к цели.

Кроме того, направляющие лопасти и лопатки турбины обеспечивают заданное дробление корпуса на осколки за счет ориентированного ослабления поперечного сечения, являясь концентраторами напряжения его материала.

Снаряд по изобретению, сравнительно со штатным равного калибра, характеризуется повышенным могуществом основного действия: фугасного и осколочного, при конструктивном упрощении и удешевлении технологии изготовления.

Предложенные геометрические соотношения существенных конструктивных признаков изобретения обеспечивают снижение лобового сопротивления и уменьшают давление набегающего воздушного потока на головную часть изделия при устойчивой циркуляции местного воздушного потока на центральном стержне головной части за дисковой ступенью перед затупленным передним торцем корпуса, управляющего автоколебательным процессом до затухания, а следовательно, уменьшающего раскачку снаряда на траектории полета за дульным срезом.

Предложенный снаряд не известен из доступных источников информации уровня техники, явным образом не следует из него для специалиста-боеприпасника и может быть промышленно реализован в серийном производстве, то есть соответствует критериям патентоспособности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено:
на фиг. 1 - общий вид снаряда;
на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - вид по стрелке Б на фиг. 1, развертка варианта выполнения турбины;
на фиг. 4 - схема обтекания сверхзвукового воздушного потока.

Пример выполнения изобретения иллюстрируется 125 мм осколочно-фугасным снарядом (фиг. 1) к танковой тушке Д-81. Корпус 1 снаряда, наполненный взрывчатым веществом 2, связанным с головным инерционным взрывателем 3 марки В-429Е, оснащен центральным стержнем 4 головной части с дисковой ступенью 5, газодинамической турбиной 6 и направляющими продольными лопастями 7, диаметр которых равен калибру D (фиг. 2 и 4) при их высоте и высоте лопаток 6, соизмеримыми с толщиной пограничного слоя 8, равной 5,5 мм.

Центральный стержень 4 головной части диаметром d, равным 30 мм, и длиной 73 мм укреплен в поднутрении 9 глубиной 7-10 мм головного переднего торца корпуса 1, нормального к оси снаряда, которое образует периферийную обечайку с коническим наклонным вовнутрь выступом 10.

Дисковая ступень 5 толщиной 9 мм выступает над боковой поверхностью центрального стержня 4 головной части на 15 мм. Дисковая ступень 5 смонтирована на удалении l от головного торца корпуса 1, зависящем от скорости снаряда, его аэродинамической формы, угла атаки и т.п., которое определяется из соотношения: D = (1,7-1,9)l, причем расстояние l функционально связано с диаметром d центрального стержня 4 головной части l/d = 2-3.

В донной части корпуса 1 закреплен фиксатор 11 с пружинными опорами для удержания снаряда и фиксации при заряжании.

Образующие поверхности лопаток турбины 6 толщиной 5 мм выполнены профилированными и образуют каналы 12 в виде реактивного сопла Лаваля (фиг. 30).

При выстреле энергия газообразных продуктов горения метательного заряда, давление которых в канале ствола составляет 3,3-4,0 тыс.атм, подаваемых ориентированно посредством продольных направляющих лопастей 7 на наклонные лопатки турбины 6. При движении по стволу снаряд раскручивается вокруг своей оси до скорости 16000 об/мин. Начальная линейная скорость снаряда массой 23 кг достигает 900 - 950 м/с, что увеличивает максимальную дальность стрельбы до 12 км.

Конструктивная схема спрямления пороховых газовых потоков посредством направляющих продольных лопастей 7 на наклонные профилированные лопатки газодинамической турбины 6 корпуса 1 снаряда, диаметр которых равен калибру D, сравнительно со штатным снарядом инд. 30Ф26, позволяет, во-первых, исключив ведущее устройство, устранить потери на форсирование при врезании, направив энергию пороховых газов непосредственно на разгон и закрутку снаряда, а во-вторых, уменьшить градиент давления на длине ствола, что повышает метательный импульс и снижает износ ствола.

При обтекании снаряда сверхзвуковым потоком воздуха (фиг. 4) на внешней траектории полета от торца центрального стержня 4 головной части отходит ударная волна 13, которая характеризуется системой последующих скачков 14, 15, 16 уплотнений и перестройкой структуры возмущенного потока.

При отрыве воздушного потока от периферии дисковой ступени 5 образуется "жидкий конус" 17, который контактирует с выступом 10 кольцевой обечайки головного торца корпуса 1.

В зоне между скачком уплотнения 14 и дисковой ступенью 5 возникает застойная зона 18 с возвратным течением при торможении потока на переднем торце дисковой ступени 5, а внутри конуса 17 - циркуляционный поток конической поверхностью выступа 10 поднутрения 9, разгружая корпус 1 снаряда, то есть дисковая ступень 5 выполняет функции турбулятора (5).

На поверхности контакта конуса 17 с выступом 10 набегающий поток разделяется с образованием скачка 16 уплотнения, пограничного слоя 8 и турбулентного циркуляционного потока 19, уплотненного ротацией замещаемого воздуха.

Выступ 10 кольцевой обечайки поднутрения 9 формирует противоток в зоне 19, обусловленный торможением потока и большим положительным градиентом, за счет присоединения воздушного потока, не нарушая баланса массы газа в зоне 19, перетекающего по криволинейному скачку 16 уплотнения и в пограничный слой 8.

Газовый демпфер зоны 19, сформированный внутри "жидкого конуса" 17, упруго связан с корпусом 1 посредством поднутрения 9 и обеспечивает отрицательную обратную связь, гасящую возникающие автоколебания головной части снаряда, что стабилизирует его осевую ориентацию.

Следовательно, внутри "жидкого конуса" 17 целенаправленно организован циркулирующий квазистационарный поток 19 сжатого газа, который имеет постоянные скорость и давление при балансе расхода и подпитки воздуха, для автоматического управления продольной устойчивостью снаряда на полете, подобно гироскопу.

Снаряд предложенной рациональной аэродинамической формы обладает повышенным, сравнительно со штатным осколочно-фугасным снарядом, в 1,5 раза коэффициентом наполнения, вмещая не менее 5 кг взрывчатого вещества, и на 30% меньшим лобовым сопротивлением, начальная скорость повысилась на 50 - 100 м/с.

Использованная литература:
1. Магнус К. Гироскоп, теория и применение. - М.: Мир, 1974, 360 с.

2. Окунев Б.А. Вращательное движение артиллерийского снаряда. - М. - Л.: Гостехиздат, 1943, 254 с.

3. 100-мм противотанковая пушка Т-12. - М.: Воениздат, 1969, с. 93.

4. Справочник артиллерийских боеприпасов. - М.: СП "Нова", 1992, с. 94 и 95.

5. Справочник авиационной техники. - М.: Воениздат, 1974, с. 148.

Изобретение относится к боеприпасам гладкоствольной артиллерии. Снаряд содержит корпус с взрывчатым веществом и взрывателем, а также средства продольной устойчивости в виде закрепленных на корпусе продольных лопастей и центрального стержня головной части. Торец стержня выполнен нормально к оси снаряда с коаксильными выступами по периферии. Центральный стержень снабжен по меньшей мере одной дисковой ступенью. Головной торец корпуса снаряда выполнен в виде глухой обечайки, а лопасти - в калибре снаряда и закреплены продольно. На корпусе снаряда смонтированы лопатки газодинамической турбины. Изобретение позволяет улучшить аэродинамические свойства снаряда, увеличить дальность и точность стрельбы. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Артиллерийский снаряд, содержащий корпус с наполнением взрывчатым веществом, взрыватель, комбинированные средства продольной устойчивости в виде закрепленных на корпусе лопастей и центрального стержня головной части, торец которой выполнен нормально к оси снаряда с коаксиальными выступами по периферии, отличающийся тем, что его центральный стержень головной части выполнен по меньшей мере с одной дисковой ступенью, головной торец корпуса снаряда выполнен в виде кольцевой глухой обечайки, при этом лопасти выполнены по высоте в калибре снаряда и закреплены продольно, а на корпусе снаряда смонтированы профилированные наклонные лопатки газодинамической турбины. 2. Снаряд по п.1, отличающийся тем, что высота дисковой ступени центрального стержня головной части превышает пять толщин пограничного слоя перед ней. 3. Снаряд по п.1 или 2, отличающийся тем, что расстояние l от головного торца корпуса калибром D до дисковой ступени выбрано из соотношения D = (1,7 - 1,9)l. 4. Снаряд по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что диаметр d центрального стержня головной части выбран из соотношения l/d = 2 - 3. 5. Снаряд по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что профилированные поверхности соседних лопаток образуют между собой в каналах газодинамической турбины реактивное сопло Лаваля.