РЕАКТИВНЫЙ СНАРЯД Российский патент 2001 года по МПК F42B15/00 

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

Объект изобретения представляет собой реактивный снаряд системы залпового огня с улучшенными аэробаллистическими характеристиками, повышенной надежностью функционирования, эффективностью поражающего действия.

Для успешной борьбы со многими площадными и крупномасштабными 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 M8, M13, 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. Конструкция снаряда состоит из головной части, реактивного двигателя, стабилизатора, лопасти которого прочно скреплены 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 головной 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 головную часть, реактивный двигатель, стабилизатор с обтекателем и раскрывающимися дугообразными лопастями.

Лопасти в раскрытом состоянии устанавливаются под определенным углом к продольной оси снаряда, благодаря чему обеспечивается его вращение в полете. 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.

Характерной особенностью стабилизаторов с дугообразными раскрывающимися лопастями является ограниченность его размаха ~2,5 калибра снаряда. Недостатком является в связи с этим ограничение его коэффициента подъемной силы Cαу

, относительной координаты центра давления C_d, стабилизирующего момента снаряда.

У прототипа и ряда существующих отечественных и зарубежных снарядов систем залпового огня относительная координата центра тяжести C_т в конце активного участка траектории (АУТ) не превышает величины 0.47. В частности у снаряда-прототипа эта величина равна 0,44.

C_т=X_ц.т./L - относительная координата центра тяжести,
X _ц.т. - расстояние от носовой части снаряда до центра тяжести,
L - длина снаряда.

При такой координате центра тяжести и максимальном размахе лопастей стабилизатора обеспечивается необходимый запас устойчивости, требуемый уровень аэродинамических и баллистических характеристик.

Однако при относительной координате центра тяжести снаряда C_т=0,5....0,6 снаряд-прототип не обладает необходимым запасом статической устойчивости, требуемым уровнем стабилизирующего момента и других аэробаллистических характеристик. Полет снаряда происходит с повышенными углами атаки, снижается надежность функционирования, кучность стрельбы.

Поэтому поиск технических решений, позволяющих повысить устойчивость снаряда, стабилизирующий момент, обеспечивая тем самым надежность функционирования и повышение боевой эффективности, весьма актуален.

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

Общими признаками с предлагаемым реактивным снарядом является наличие в снаряде-прототипе головной части, реактивного двигателя, стабилизатора с обтекателем и раскрывающимися дугообразными лопастями.

В отличие от прототипа в предлагаемом реактивном снаряде реактивный двигатель на дайне 1,8...3 калибра перед стабилизатором выполнен с обнижением и его диаметр составляет 0,7...0,8 калибра снаряда, обтекатель стабилизатора выполнен диаметром 0,9...1,0 калибра снаряда и снабжен коническим переходником, соединяющим его с реактивным двигателем, при этом длина переходника равна 0,3...0,6 калибра, головная часть соединена с реактивным двигателем конической юбкой длиной 0,5...1,0 калибра снаряда, причем размах лопастей стабилизатора составляет
(4,5...6,0)dC_т/
где d - калибр снаряда,
C_т=X_ц.т./L - относительная координата центра тяжести,
X_ц.т. - расстояние от носовой части снаряда до центра тяжести,
L - длина снаряда.

=(B_о+B_к)/2d - отношение средней хорды лопасти к калибру,
B_о и B_к - бортовая и концевая хорды лопасти соответственно.

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 реактивного снаряда систем залпового огня с увеличенной аэродинамической мощностью стабилизатора, позволяющею повысить устойчивость снаряда, улучшить аэробаллистические характеристики и обеспечигь тем самым надежность функционирования, повышение боевой эффективности.

Указанный технической результат достигается тем, что в реактивном снаряде, содержащем головную часть, реактивный двигатель, стабилизатор с обтекателем и раскрывающимися дугообразными лопастями, согласно изобретению реактивный двигатель на длине 1,8...3 калибра перед стабилизатором выполнен с обнижением, и его диаметр составляет 0,7...0,8 калибра снаряда, обтекатель стабилизатора выполнен диаметром 0,9...1,0 калибра снаряда и снабжен коническим переходником, соединяющим его с реактивным двигателем, при этом длина переходника равна 0,3...0,6 калибра, головная часть соединена с реактивным двигателем конической юбкой длиной 0,5..1,0 калибра снаряда, причем размах лопастей стабилизатора составляет
(4,5...6,0)dC_т/
где d - калибр снаряда,
C_т=X_ц.т./L - относительная координата центра тяжести,
X_ц.т. - расстояние от носовой части снаряда до центра тяжести,
L - детина снаряда,
=(B_о+B_к)/2d - отношение средней хорды лопасти к калибру,
B_о и B_к - бортовая и концевая хорды лопасти соответственно.

Авторы предлагаемого изобретения провели большой объем теоретических и экспериментальных исследовании на моделях в аэродинамических трубах, летные испытания опытных образцов, направленные на поиск технических решений, позволяющих повысить коэффициент подъемной силы стабилизатора и снаряда в целом, увеличить относительную координату центра давления снаряда, а следовательно его запас устойчивости, стабилизирующий момент при относительной координате центра тяжести C_т>0,44.

Исследования проведены в широком диапазоне чисел Маха M=0,5...3,0, углов атаки α =0^o...16^o.

Испытано влияние уменьшения диаметра реактивного двигателя перед обтекателем стабилизатора, удлинения и угла конического переходника между обтекателем и реактивным двигателем, удлинения и угла конической юбки между головной частью и реактивным двигателем на коэффициент подъемной силы Cαу

, относительную координату центра давления снаряда C_d=X_ц.д/L, коэффициент лобового сопротивления C_x, коэффициент стабилизирующего момента mαz. Запас статической устойчивости определяется по формуле: η, %=(C_d-C_т)100%.

Необходимо отметить, что использование предложенного технического решения при C_т≤0,44 позволяет по сравнению с прототипом уменьшить ~ в 1,2...1, 3 раза размах лопастей стабилизатора, что повышает его жесткость, снижаются деформации в полете от аэродинамических нагрузок. В результате этого повышается надежность функционирования снаряда, улучшаются его аэробаллистические характеристики.

Экспериментальными исследованиями установлено, что увеличение коэффициента подъемной силы Cαу

снаряда и смещение координаты центра давления C_d к хвостовой части происходит за счет увеличения интенсивности поперечного обтекания хвостового цилиндра (обтекателя), прилегающего к коническому переходнику.

Установка лопастей стабилизатора в зоне влияния переходного конуса приводит к росту эффективных углов атаки лопастей ввиду возрастания скорости поперечного обтекания обтекателя, то есть к росту интерференционного влияния обтекателя на увеличение подъемной силы лопастей.

Выполнение реактивного двигателя с обнижением диаметром (0,7...08)d на длине 1,8...3 калибра позволяет обеспечить необходимое для реализации течения типа "замкнутая каверна" отношение длины обнижения к его глубине (см. книгу П.Чжен "Отрывные течения", т.2. изд. "Мир". М.1973 г., с. 32-41).

В этом случае обнижение полностью заполнено потоком и конический переходник оказывает эффективное воздействие на увеличение скорости поперечного обтекания обтекателя. Причем наибольший эффект проявляется при длине конического переходника, равной 0,3...0,6 калибра.

Аэродинамическими исследованиями моделей в трубах установлено также влияние параметров конической юбки, соединяющей головную часть и реактивный двигатель на коэффициенты Cαу

, C_d m∞z снаряда. При ступенчатом соединении головной части и двигателя β=90^o) происходит уменьшение Cαу снаряда и смещение координаты центра давления к носовой части, 410 отрицательно влияет на его запас статической устойчивости, увеличивается лобовое сопротивление снаряда Так, при числах M=0,8 увеличение угла полураствора конической юбки с 11^o (1= 0,66d) до 30^o (1=0,2d) приводит к снижению несущих свойств ( Cαу уменьшается на 6%), относительная координата C_d уменьшается на 0,06. Увеличение коэффициента лобового сопротивления составляет при этом 0,04 (9% суммарной величины). Дальнейшее уменьшение длины, а следовательно, увеличение угла полураствора конической юбки с 30^o до 90^o при числе M=0,8 приводит к уменьшению Cαу еще на 3% и незначительному изменению C_d, C_x снаряда. Однако при числе Маха M= 0,3 влияние длины конической юбки более существенно. Так изменение угла полураствора конической юбки с 11^o (1=0,66d) до 90^o коэффициент лобового сопротивления C_x увеличивает на 15%...20%, что приводит к снижению дальности стрельбы.

На основе экспериментальных и теоретических исследований установлено вполне определенное соотношение между параметрами предлагаемого снаряда и размахом стабилизатора для обеспечения его устойчивого полета.

Опыт отработки реактивных снарядов РСЗО позволил установить, что средняя хорда лопасти (B_о+B_к)/2 изменяется в пределах 1,2...1,6 калибра снаряда. Дальнейшее ее увеличение смещает центр давления лопасти к носовой части снаряда и существенного увеличения относительной координаты C_d не происходит.

Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между параметрами снаряда позволяют, в частности, за счет выполнения:
- диаметра обнижения реактивного двигателя, равным 0,7...0,8 калибра снаряда на длине 1,8...3 калибра перед стабилизатором, а также обтекателя стабилизатора диаметром 0,9...1,0 калибра, снабженного коническим переходником длиной 0,3. ..0,6 калибра и соединяющим его с реактивным двигателем, обеспечить максимальное увеличение коэффициента подъемной силы Cαу

в 1,2... 1,3 раза, повысить запас устойчивости снаряда по сравнению с прототипом;
- соединения головной части с реактивным двигателем конической юбкой длиной 0,5...1,0 калибра снаряда обеспечить смещение координаты центра давления C_d к хвостовой части снаряда, что в совокупности с вышесказанным позволяет повысить запас устойчивости снаряда по сравнению с прототипом в 1,2... 1,3 раза, увеличить стабилизирующий момент снаряда, что обеспечивает ему полет с малыми углами атаки, отсутствие резонансных явлений и разрушений элементов конструкции;
- размаха лопастей стабилизатора в пределах (4,5...6,0)dC_т обеспечить устойчивый полет снаряда при относительных значениях центра тяжести гораздо больших, чем у прототипа (C_т=0,44...0,60), что повышает надежность функционирования снаряда, обеспечивает улучшение аэробаллистических характеристик и требуемую боевую эффективность в районе цели.

При диаметре реактивного двигателя >0,8 калибра происходит уменьшение коэффициента Cαу

, координаты C_d, за счет того, что развитый "толстый" пограничный слой на корпусе реактивного двигателя заполняет обнижение и воздействие конического переходника на внешний поток в зоне расположения лопастей на обтекателе практически не проявляется.

Выполнение реактивного двигателя с диаметром меньше 0,7 калибра не приводит к увеличению Cαу

, C_d снаряда, а возрастает коэффициент лобового сопротивления C_x что приводит к потере дальности стрельбы.

Уменьшение длины обнижения реактивного двигателя относительно 1,8d при его диаметре (0,7...0,8)d приводит к перестройке структуры обтекания. В этом случае реализуется течение типа "открытая каверна". Обнижение полностью заполняется пограничным слоем и увеличения Cαу

, C_d не происходит. Увеличение длины обнижения свыше 3d при неизменной длине снаряда приводит к уменьшению объема головной части, что снижает боевую эффективность снаряда.

При длине конического переходника, соединяющего обтекатель стабилизатора и реактивный двигатель, меньше 0,3 калибра в месте его соединения с цилиндрической поверхностью обтекателя за счет увеличения угла конуса реализуется течение типа "отрывного пузыря", которое уменьшает коэффициент подъемной силы Cαу

и C_d снаряда. Это приводит к ухудшению устойчивости снаряда по сравнению с предлагаемым техническим решением. Кроме того увеличивается сопротивление снаряда.

Увеличение длины конического переходника свыше 0,6 калибра за счет уменьшения угла конуса, а также сокращения длины обнижения двигателя диаметром 0,7...0,8 калибра приводит к уменьшению коэффициентов Cαу

и C_d.

При диаметре обтекателя стабилизатора менее 0,9 калибра происходит снижение несущих свойств стабилизатора и снаряда в целом по ряду причин. Во-первых, уменьшается положительное влияние интерференции обтекателя на увеличение коэффициента Cαу

(см. Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета. - М: изд. "Машиностроение", 1973 г., с. 156-159). Во-вторых, уменьшается поверхность конического переходника, создающая дополнительное увеличение Cαу.
Аналогичный эффект по снижению Cαу, C_d происходит при уменьшении длины конической юбки, соединяющей головную часть и реактивный двигатель, менее 0,5 калибра. При ее уменьшении или полном отсутствии происходит отрыв потока с поверхности головной части, а в полости за уступом формируется возвратно-циркуляционное течение, появляется донное давление на вертикальной стенке уступа головной части, возрастает лобовое сопротивление снаряда (см. П.Чжен. Отрывные течения, т. 2, изд. "Мир", 1973 г., с. 13-15). Экспериментально установлено, что оптимальным является угол полураствора конической юбки 7^o.. .15^o (1-0,5...1,0 калибра снаряда).

Увеличение длины конической юбки свыше 1,0 калибра нецелесообразно, так как это приводит к сокращению длины обнижения реактивного двигателя, об отрицательном эффекте которого сказано ранее, а при сохранении требуемой длины обнижения необходимо сокращать объем головной части, либо увеличивать габариты снаряда.

При размахе стабилизатора менее 4,5dC_т/ и относительной координате центра тяжести C_т=0,5...0,6 не обеспечивается необходимая устойчивость снаряда, полет его происходит с повышенными углами атаки, происходит деформация и разрушение элементов конструкции, нарушается нормальное функционирование. Увеличение размаха свыше 6,0dC_т/ нецелесообразно, так как при этом происходит увеличение аэродинамических сил на лопасти стабилизатора, появляются изгибные и крутильные деформации лопастей, в результате чего появляется раскачка снаряда, а в ряде случаев его разрушение.

Сущность изобретения поясняется чертежом. Реактивный снаряд содержит головную часть 1, реактивный двигатель 2, стабилизатор 3 с обтекателем 4 и раскрывающимися дугообразными лопастями 5. Реактивный двигатель 2 на длине 1,8...3 калибра выполнен с обнижением и его диаметр составляет 0,7...0,8 калибра снаряда. Обтекатель 4 выполнен диаметром 0,9...1,0 калибра снаряда и соединен с реактивным двигателем коническим переходником 6 длиной 0,3...0,6 калибра. Головная часть 1 соединена с реактивным двигателем 2 конической юбкой 7 длиной 0,5...1,0 калибра снаряда. Размах стабилизатора H выполнен в пределах
(4,5...6,0)dC_т/
где d - калибр снаряда,
C_т=X_ц.т./L - относительная координата центра тяжести,
X_ц.т. - расстояние от носовой части снаряда до центра тяжести,
L - длина снаряда,
=(B_о+B_к)/2d - отношение средней хорды лопасти к калибру,
B_о и B_к - бортовая и концевая хорды лопасти соответственно.

Предлагаемый реактивный снаряд работает следующим образом. После запуска, когда снаряд движется по направляющей пусковой трубы, дугообразные лопасти 5 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 выбора оптимальных параметров обнижения реактивного двигателя, наличия конического переходника 6 перед обтекателем 4 стабилизатора увеличивается коэффициент подъемной силы стабилизатора, смещается координата центра давления к хвостовой части снаряда, что позволяет обеспечить необходимый запас устойчивости при относительной координате центра тяжести C_т=0,44... 0,6, то есть гораздо большей, чем в снаряде-прототипе М-210Ф.

Снаряд совершает устойчивый полет, обеспечивая надежность функционирования и требуемую боевую эффективность. Необходимость разработки предлагаемого авторами снаряда появилась в связи с применением головных частей с жидким наполнителем, имеющих относительную координату центра тяжести в 1,2.. .1,3 раза большую, чем у снаряда М-210Ф.

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 1,2...1,3 раза аэродинамической мощностью стабилизатора, повышенной устойчивостью, что при худшей (увеличенной) в 1,2. ..1,3 раза относительной координате центра тяжести позволило обеспечить ему устойчивый полет, нормальное функционирование, заданную боевую эффективность.

В настоящее время разработана рабочая документация, запланировано серийное изготовление и летные испытания.

Изобретение относится к ракетной технике. Реактивный снаряд содержит реактивный двигатель, выполненный на длине 1,8-3 калибра перед стабилизатором с обнижением, а его диаметр составляет 0,7-0,8 калибра снаряда. Обтекатель стабилизатора выполнен диаметром 0,9-1,0 калибра и снабжен коническим переходником, соединяющим его с реактивным двигателем. Длина переходника равна 0,3-0,6 калибра. Головная часть снаряда соединена с реактивным двигателем конической юбкой длиной 0,5-1,0 калибра снаряда, а размах лопастей стабилизатора соответствует соотношению, приведенному в формуле изобретения. Изобретение позволяет повысить аэродинамическую мощность стабилизатора, увеличить относительную координату центра тяжести и, как следствие, увеличить устойчивость полета и надежность функционирования снаряда. 1 ил.

Реактивный снаряд, содержащий головную часть, реактивный двигатель, стабилизатор с обтекателем и раскрывающимися дугообразными лопастями, отличающийся тем, что реактивный двигатель на длине 1,8-3 калибра перед стабилизатором выполнен с обнижением и его диаметр составляет 0,7-0,8 калибра снаряда, обтекатель стабилизатора выполнен диаметром 0,9-1,0 калибра и снабжен коническим переходником, соединяющим его с реактивным двигателем, при этом длина переходника равна 0,3-0,6 калибра, головная часть соединена с реактивным двигателем конической юбкой длиной 0,5-1,0 калибра снаряда, причем размах лопастей стабилизатора составляет
(4,5-6,0)dC_т/
где d - калибр снаряда;
C_т = Х_ц.т./L - относительная координата центра тяжести;
Х_ц.т. - расстояние от носовой части снаряда до центра тяжести;
L - длина снаряда;
= (B_o+B_к)/2d - отношение средней хорды лопасти к калибру;
B_o и B_к - бортовая и концевая хорды лопасти соответственно.