ВРАЩАЮЩИЙСЯ СВЕРХЗВУКОВОЙ РЕАКТИВНЫЙ СНАРЯД Российский патент 2001 года по МПК F42B15/00 F42B10/14 F42B10/26 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к реактивным снарядам систем залпового огня.

Объект изобретения представляет собой вращающийся сверхзвуковой снаряд системы залпового огня повышенной эффективности и дальности стрельбы.

Для успешной борьбы со многими площадными и крупномасштабными наземными целями широко применяются реактивные системы залпового огня.

Стабилизация таких снарядов на всей или большей части траектории осуществляется с помощью аэродинамических стабилизаторов. Так, известны реактивные снаряды М8, М13, обеспечивающие поражение площадных и крупноразмерных целей (смотри, например, Куров В.Д., Должанский Ю.М. Основы проектирования пороховых ракетных снарядов.- М.: Оборонгиз, 1961, с. 11), принятые за аналоги. В их конструкции используются стабилизаторы, содержащие лопасти, прочно скрепленные с корпусом реактивного двигателя.

Задачей данного технического решения являлось обеспечение устойчивого полета реактивных снарядов. Однако наличие прочно скрепленного (нераскрывающегося) стабилизатора не позволяет разместить на пусковой установке большое количество снарядов, что снижает эффективность применения системы.

Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией реактивного снаряда является наличие в составе снарядов-аналогов боевой части, реактивного двигателя, стабилизатора с лопастями.

Опыт проектирования и эксплуатации реактивных систем залпового огня показал, что наиболее рациональным компоновочным решением является размещение реактивных снарядов перед пуском и запуск их из трубчатых направляющих.

В этом случае на одной транспортной единице (боевой машине) удается разместить наибольшее количество реактивных снарядов. Запуск реактивного снаряда из трубчатой направляющей требует применения на нем стабилизатора с подвижными лопастями. Лопасти такого стабилизатора находятся в сложенном положении перед пуском и в процессе движения по направляющей, а после выхода из направляющей раскрываются.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому эффекту к изобретению является реактивный снаряд системы залпового огня М-210Ф (см. Боевая машина БМ-21. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: Военное издательство МО СССР, 1977, с. 74-75), принятый авторами за прототип. Он содержит заостренную носовую часть, боевой отсек, реактивный двигатель и аэродинамический стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями.

Лопасти в раскрытом состоянии устанавливаются под определенным углом к продольной оси корпуса, благодаря чему обеспечивается вращение снаряда в полете. Вращение придается снаряду для повышения точности, а при залповой стрельбе и улучшения кучности. Передние и задние кромки лопастей выполнены с симметричным заострением. Раскрытие лопастей производится под действием специальных пружин, размещенных на осях и работающих на кручение. Реактивный снаряд, принятый за прототип, функционирует следующим образом. Перед запуском снаряда дугообразные лопасти находятся в сложенном состоянии. После схода с направляющей лопасти под действием пружин, работающих на кручение, поворачиваются на осях и раскрываются, обеспечивая устойчивое движение снаряда по траектории.

Угловая скорость вращения снаряда изменяется в широких пределах, достигая максимального значения в конце активного участка траектории (АУТ) и минимального в вершине траектории, причем отношение их значений достигается ~3 - 5.

Для снаряда, принятого за прототип, скорость полета на пассивном участке траектории (ПУТ) является сверхзвуковой и соответствующие ей числа Маха М= 1,0...2,0.

Диапазон изменения скорости вращения для реактивных снарядов, идентичных прототипу, тем больше, чем больше скорость полета в конце АУТ, а следовательно, дальность стрельбы.

Для каждого типа снаряда существует допустимый диапазон изменения угловой скорости вращения исходя из условий нормального функционирования, прочности и полета с минимальными углами атаки.

Верхняя граница обусловлена частотой изгибных колебаний снаряда, а нижняя частотой собственных колебаний снаряда как твердого тела.

Разработка снарядов повышенной дальности стрельбы приводит к необходимости уменьшать угол установки раскрывающихся лопастей и допуск на него, осуществлять неоднократную переборку лопастей стабилизатора при изготовлении, что увеличивает трудоемкость. Тем не менее, несмотря на принимаемые меры, при проведении летных испытаний опытных образцов сверхзвуковых снарядов с повышенной в 1,5 раза дальностью стрельбы по сравнению с прототипом наблюдаются случаи отклонения отдельных снарядов от центра группирования, что снижает кучность, боевую эффективность, надежность функционирования.

Испытания опытных образцов снарядов с телеметрическими головными частями показывают на локальное увеличение углов атаки из-за сближения частоты вращения и частоты изгибных колебаний снаряда. Значительный рост угла атаки в конце АУТ явился причиной разрушения одного из изделий.

Поэтому поиск технических решений, позволяющих уменьшить диапазон изменения скорости вращения снаряда на траектории, весьма актуален.

Задачей известного технического решения (прототипа) являлось размещение на боевой машине наибольшего количества реактивных снарядов залпового огня при обеспечении их устойчивого полета.

Общими признаками с предлагаемым реактивным снарядом является наличие в снаряде - прототипе заостренной носовой части, боевого отсека, реактивного двигателя и аэродинамического стабилизатора с раскрывающимися дугообразными лопастями, установленными под углом к продольной оси снаряда.

В отличие от прототипа в предлагаемом реактивном снаряде дугообразные лопасти установлены выпуклыми поверхностями в направлении вращения снаряда, а вогнутые поверхности ориентированы в сторону носовой части снаряда, при этом передние и задние кромки каждой лопасти выполнены с односторонним заострением со скосом, расположенным на выпуклой поверхности лопасти, и отношение среднего угла установки лопастей стабилизатора к углу скоса кромок находится в пределах (0,02...0,03)H/d, причем отношение длины заостренной носовой части к размаху стабилизатора выполнено равным 1,2...1,5, где H - размах лопастей стабилизатора, d - калибр снаряда.

Это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является создание вращающегося сверхзвукового реактивного снаряда систем залпового огня с увеличенной дальностью стрельбы, повышение его боевой эффективности и надежности функционирования за счет уменьшения диапазона изменения скорости вращения на траектории и исключения резонансных явлений.

Указанный технический результат достигается тем, что во вращающемся сверхзвуковом реактивном снаряде, содержащем заостренную носовую часть, боевой отсек, реактивный двигатель и аэродинамический стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями, установленными под углом к продольной оси снаряда, согласно изобретению дугообразные лопасти установлены выпуклыми поверхностями в направлении вращения снаряда, а вогнутые поверхности ориентированы в сторону носовой части снаряда, при этом передние и задние кромки каждой лопасти выполнены с односторонним заострением со скосом, расположенным на выпуклой поверхности лопасти, и отношение среднего угла установки лопастей стабилизатора к углу скоса кромок находится в пределах (0,02 - 0,03)H/d, причем отношение длины заостренной носовой части к размаху стабилизатора выполнено равным 1,2 -1,5, где H - размах лопастей стабилизатора, d - калибр снаряда.

Авторы предлагаемого изобретения провели большой объем теоретических и экспериментальных исследований на моделях и макетах снаряда с натурными стабилизаторами в аэродинамических трубах, летные испытания опытных образцов, направленные на поиск технических решений, уменьшающих диапазон изменения скорости вращения снаряда в полете.

Испытания проведены при числах Маха М=0,5...5,0, соответствующих полету как на дозвуковых, так и сверхзвуковых скоростях и охватывающих со значительным запасом режимы полета отечественных и зарубежных снарядов реактивных систем залпового огня. Испытаны различная ориентация дугообразных лопастей в направлении вращения, формы кромок, варьировались параметры лопастей, удлинение носовой части снаряда.

Выявлено, что дугообразные лопасти индуцируют дополнительный вращающий момент крена даже при нулевом угле установки лопастей к продольной оси снаряда.

Для стабилизатора с дугообразными лопастями и симметричным заострением передних и задних кромок при сверхзвуковых скоростях полета (М>1) этот момент направлен в сторону выпуклых поверхностей лопастей, при М<1 - в сторону вогнутых поверхностей лопастей.

Установлено, что за счет выполнения одностороннего заострения передних и задних кромок дугообразных лопастей со скосом на их выпуклых поверхностях увеличивается вращающий момент крена снаряда при числах М ≤ 2, а при М > 2 происходит его уменьшение по сравнению с симметричным заострением кромок. Благодаря этому уменьшается скорость вращения снаряда в конце АУТ, в начале ПУТ и увеличивается на ПУТ по мере снижения скорости полета снаряда. Кроме того, при одностороннем заострении кромок индуцированный момент крена при любых скоростях полета снаряда всегда направлен в сторону выпуклых поверхностей лопастей.

При любой форме кромок лопастей вращающий момент крена снаряда пропорционален размаху стабилизатора, а демпфирующий момент крена увеличивается пропорционально квадрату размаха, поэтому требуемый угол установки лопастей к продольной оси снаряда пропорционален размаху стабилизатора.

На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено вполне определенное соотношение между углом установки лопастей продольной оси снаряда, углом одностороннего скоса передних и задних кромок лопастей, размахом стабилизатора, калибром снаряда, удлинением заостренной носовой части, при котором обеспечивается заданная цель изобретения за счет оптимального изменения угловой скорости вращения снаряда в допустимом диапазоне, обеспечивающем безрезонансный полет снаряда.

Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между параметрами снаряда и стабилизатора позволяют, в частности, за счет выполнения:
- установки лопастей выпуклыми поверхностями в направлении вращения снаряда, а вогнутыми поверхностями, ориентированными в сторону носовой части снаряда - обеспечить допустимую скорость вращения снаряда при меньших углах установки лопастей к продольной оси снаряда, что снижает сопротивление снаряда и увеличивает дальность стрельбы;
- передних и задних кромок лопастей с односторонним заострением со скосом, расположенным на выпуклых поверхностях каждой лопасти, и отношения среднего угла установки лопастей стабилизатора к углу скоса кромок в пределах (0,02 - 0,03)H/d, где H - размах лопастей стабилизатора, d - калибр снаряда - реализовать оптимальный закон скорости вращения снаряда, уменьшить за счет этого в 2 - 3 раза диапазон ее изменения в полете;
- отношения длины заостренной носовой части снаряда к размаху стабилизатора, равным 1,2 -1,5 - обеспечить идентичность коэффициента сопротивления снаряда по мере увеличения требуемой дальности стрельбы, скорости полета в конце АУТ и необходимостью увеличения размаха стабилизатора с целью сохранения запаса статической устойчивости в конце АУТ. При соотношении углов свыше 0,03H/d увеличивается частота вращения снаряда и с высокой степенью вероятности она может совпасть с одной из частот изгибных колебаний снаряда, вызывая раскачку и его разрушение, а при уменьшении соотношения относительно значения 0,02H/d снижается эффективность осреднения эксцентриситетных возмущений, появляется раскачка снаряда за счет резонансных явлений из-за совпадения с частотой собственных колебаний снаряда как твердого тела.

При отношении длины заостренной носовой части снаряда и размаха стабилизатора менее 1,2 происходит увеличение коэффициента лобового сопротивления снаряда за счет увеличения сопротивления носовой части в связи с разработкой снаряда повышенной дальности стрельбы и необходимостью увеличения габаритов стабилизатора.

Увеличение отношения длины носовой части и размаха стабилизатора свыше 1,5 нецелесообразно и не приводит к существенному снижению сопротивления снаряда за счет снижения волновой составляющей коэффициента сопротивления носовой части снаряда. Кроме этого, при сохранении общей длины снаряда увеличивается длина носовой части и уменьшается длина боевого отсека, что приводит к снижению боевой эффективности снаряда.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1). Реактивный снаряд содержит заостренную носовую часть 1, боевой отсек 2, реактивный двигатель 3, аэродинамический стабилизатор 4 с раскрывающимися дугообразными лопастями 5, установленными под определенным углом δ к продольной оси снаряда. Дугообразные лопасти 5 установлены выпуклыми поверхностями А в направлении вращения снаряда, а вогнутые поверхности Б ориентированы в сторону заостренной носовой части 1 снаряда. Передние и задние кромки лопастей 5 выполнены с односторонним заострением со скосом 6, расположенным на их выпуклых поверхностях А под углом γ к поверхности лопасти.

Отношение среднего угла установки δ лопастей 5 стабилизатора 4 к углу скоса γ кромок находится в пределах (0,02 - 0,03)H/d. Предлагаемый вращающийся реактивный снаряд работает следующим образом.

После запуска, когда снаряд движется по направляющей пусковой трубы, дугообразные лопасти 5 стабилизатора находятся в сложенном положении. После выхода из направляющей лопасти раскрываются (например, при помощи пружин, как в прототипе), обеспечивая устойчивое движение снаряда по траектории.

За счет установки лопастей под углом δ к продольной оси снаряда и выполнения одностороннего заострения передних и задних кромок лопастей обеспечивается оптимальное вращение снаряда на траектории. По сравнению с прототипом на начальном участке АУТ осуществляется его более быстрая (~ в 1,3 раза) раскрутка. В дальнейшем по мере возрастания скорости полета и приближения к концу АУТ (М > 2,0) частота вращения уменьшается ~ в 1,5 раза, а на ПУТ при снижении скорости полета, соответствующей существующим и разрабатываемым снарядам РСЗО, до чисел М≈1,0 - 1,5, скорость вращения снова возрастает ~ в 1,5 - 2,0 раза. Благодаря предлагаемому конструктивному решению диапазон изменения скорости вращения снаряда уменьшается в 2 - 3раза по сравнению с прототипом.

Полет снаряда осуществляется в допустимом диапазоне частот вращения, гарантирующем отсутствие резонансных явлений, раскачек и разрушений, что повышает надежность функционирования и боевую эффективность.

При этом угол установки лопастей к продольной оси уменьшен в 2 раза, что снижает сопротивление и увеличивает дальность стрельбы.

Указанный положительный эффект подтвержден летно-конструкторскими испытаниями образцов реактивных снарядов залпового огня, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением.

Предложенное техническое решение позволило разработать снаряд с увеличенной ~ в 2 раза дальностью стрельбы, обеспечить надежность функционирования, заданную кучность стрельбы.

В настоящее время ведется разработка рабочей конструкторской документации, запланированы изготовление и испытания серийных образцов.

Изобретение относится к ракетной технике. Вращающийся сверхзвуковой реактивный снаряд содержит заостренную носовую часть, боевой отсек, реактивный двигатель и аэродинамический стабилизатор. Дугообразные лопасти стабилизатора установлены выпуклыми поверхностями в направлении вращения снаряда, а вогнутые поверхности ориентированы в сторону носовой части снаряда. Передние и задние кромки каждой лопасти выполнены с односторонним заострением со скосом, расположенным на выпуклой поверхности лопасти. Отношение среднего угла установки лопастей стабилизатора к углу скоса кромок находится в пределах (0,02-0,03) H/d. Отношение длины заостренной носовой части к размаху стабилизатора выполнено равным 1,2-1,5, где H - размах лопастей стабилизатора, d - калибр снаряда. Изобретение позволяет увеличить дальность стрельбы, повысить боевую эффективность и надежность функционирования снаряда. 1 ил.

Вращающийся сверхзвуковой реактивный снаряд, содержащий заостренную носовую часть, боевой отсек, реактивный двигатель и аэродинамический стабилизатор с раскрывающимися дугообразными лопастями, установленными под углом к продольной оси снаряда, отличающийся тем, что дугообразные лопасти установлены выпуклыми поверхностями в направлении вращения снаряда, а вогнутые поверхности ориентированы в сторону носовой части снаряда, при этом передние и задние кромки каждой лопасти выполнены с односторонним заострением со скосом, расположенным на выпуклой поверхности лопасти, и отношение среднего угла установки лопастей стабилизатора к углу скоса кромок находится в пределах (0,02 - 0,03)H/d, причем отношение длины заостренной носовой части к размаху стабилизатора выполнено равным 1,2 - 1,5, где Н - размах лопастей стабилизатора, d - калибр снаряда.