РЕАКТИВНЫЙ СНАРЯД, ЗАПУСКАЕМЫЙ ИЗ ТРУБЧАТОЙ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ Российский патент 2001 года по МПК F42B15/00 F42B10/14 

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники, а именно к реактивным снарядам, и может найти применение при разработке снарядов, запускаемых из трубчатых направляющих реактивных систем залпового огня (РСЗО).

В настоящее время широкое применение в пусковых установках РСЗО нашли направляющие трубчатого типа, позволяющие формировать компактные пусковые пакеты.

Применение трубчатых направляющих в свою очередь обуславливает применение в реактивных снарядах стабилизирующего устройства со складывающимися лопастями. В связи с этим реактивные снаряды РСЗО имеют, как правило, разъемный сопловой блок, состоящий из скрепленных между собой входного и выходного конусов, на которых монтируется стабилизирующее устройство.

Как правило, головные части указанных снарядов представляют собой заостренные тела вращения (конической или оживальной формы), снижающие аэродинамическое сопротивление корпуса снаряда.

Современные неуправляемые реактивные снаряды большую часть траектории движутся со сверхзвуковой скоростью, которая колеблется в пределах 1,5-4,0 Маха.

Как показала практика, при больших скоростях полета снаряда свыше 1,5 М проблемы повышения его эффективности не могут решаться в отрыве от тепловых явлений, связанных с возникновением ударных волн на торце головного взрывателя, что в свою очередь диктует необходимость установки оптимальных соотношений геометрических и физических параметров отдельных узлов и элементов снаряда.

Известны реактивные снаряды (М-13, М-31), имеющие головную часть оживальной формы, головной взрыватель, ракетный двигатель твердого ракетного топлива и блок стабилизации (см. В.Д. Куров, Ю.М. Должанский "Основы проектирования пороховых реактивных снарядов". Государственное техническое издательство Оборонгиз, Москва 1961 г., стр. 11-12).

Существенным недостатком конструкции указанных снарядов является отсутствие защиты от аэродинамического нагрева как корпуса головной части, так и блока стабилизации, что в свою очередь приводит из-за аэродинамического нагрева к нежелательным процессам во взрывчатом веществе (ВВ), приводящим к уменьшению эффективности головной части у цели и снижению прочностных характеристик лопастей блока стабилизации, а следовательно, к их деформации в полете и даже разрушению. В итоге снижается эффективность боевого применения снарядов, ухудшается кучность и точность стрельбы.

Известно, что в полете торец головного взрывателя вызывает турбулизацию воздушного потока в пограничном слое на корпусе головной части, который нагревается до высокой температуры. Поэтому требуются радикальные меры по снижению теплового воздействия на заряд ВВ.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является реактивный снаряд к боевой машине 9П138 (Боевая машина 9П138, техническое описание и инструкция по эксплуатации, часть 3, книга 1, М., военное издательство, 1986 г. стр. 4-14), который принят авторами за прототип.

Указанный снаряд содержит взрыватель, головную часть оживальной формы, двигатель твердого топлива, включающий камеру сгорания, заряд твердого топлива, сопловой блок, состоящий из входного и выходного конусов, стабилизирующее устройство, состоящее из цилиндрического обтекателя и смонтированных на нем складывающихся лопастей и закрепленное на конусах.

Характерной особенностью данного снаряда является то, что для уменьшения нагрева конусов их внутренние поверхности армированы термостойкой пластмассой (от воздействия высокотемпературных газов, образующихся при горении заряда и истекающих через сопловой блок).

Кроме того, необходимо отметить, что при работе двигателя во время движения снаряда по трубчатой направляющей истекающие из соплового блока высокотемпературные газы расширяются и при встрече с внутренней поверхностью направляющей образуют скачки уплотнения, и часть потока газов перемещается в сторону движения снаряда. Этот рециркулярный поток высокотемпературных газов достигает сверхзвуковых скоростей и оказывает сильное температурное и механическое воздействие на стабилизирующее устройство, особенно на задние кромки лопастей.

Основным недостатком данного снаряда является отсутствие тепловой защиты корпуса головной части от аэродинамического нагрева и стабилизирующего устройства от высокотемпературных газов, истекающих из соплового блока при движении снаряда по направляющей и его нагрева через нагретые конуса на всей траектории полета снаряда.

Таким образом, задачей известного технического решения (прототипа) являлось обеспечение защиты конусов (соплового блока) без обеспечения тепловой защиты головной части и стабилизирующего устройства.

Общими признаками с предлагаемым авторами реактивным снарядом является наличие головной части оживальной формы со взрывателем, твердотопливного ракетного двигателя с камерой сгорания и сопловым блоком в виде цилиндрического обтекателя со смонтированными на нем складывающимися лопастями.

В отличие от прототипа в предлагаемом авторами реактивном снаряде в начале оживала головной части выполнен кольцевой уступ с кромкой, образованной пересечением торцевой плоскости и поверхности оживала, расстояние от кромки кольцевого уступа до торца взрывателя 0,15-0,25 длины головной части, отношение диаметра по кромке кольцевого уступа к диаметру торца взрывателя составляет 3-4,5, а между цилиндрическим обтекателем и конусами образована охлаждающая полость, при этом в зоне крепления стабилизирующего устройства на цилиндрическом обтекателе выполнены сквозные отверстия, суммарная площадь которых составляет 2-3 площади максимального поперечного сечения охлаждающей полости; на выходном конусе образован цилиндрический бурт, диаметр и ширина которого составляют 0,92-0,94 и 0,094-0,103 калибра снаряда соответственно, а на наружной поверхности бурта выполнена одна или несколько кольцевых проточек.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков предложенного 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 с обеспечением тепловой защиты головной части от аэродинамического нагрева путем формирования ламинарного потока ее обтекания, от нагрева задних кромок лопастей стабилизирующего устройства под воздействием высокотемпературных газов, истекающих из соплового блока, при движении снаряда по трубчатой направляющей, а также от нагрева стабилизирующего устройства через поверхность соплового блока на всей траектории полета снаряда и тем самым повышение эффективности боевого применения боеприпаса.

Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между деталями заявляемого реактивного снаряда позволяют, в частности, за счет:
- выполнения в начале оживала головной части кольцевого уступа с кромкой, образованной пересечением торцевой плоскости и поверхности оживала, расстояния от кромки кольцевого уступа до торца взрывателя, равного 0,15-0,25 длины головной части, отношения диаметра по кромке кольцевого уступа к диаметру торца взрывателя, равного 3-4,5, существенно снизить температуру головной части от аэродинамического нагрева и тем самым значительно повысить эффективность реактивного снаряда.

Такое техническое решение продиктовано тем, что не существует оптимальной формы для головной части, одинаково пригодной для дозвуковых и сверхзвуковых режимов обтекания, поэтому для снарядов РСЗО применяют наивыгоднейшую из форм головных частей, соответствующих сверхзвуковой скорости - оживальную форму, т.к. реактивный снаряд большую часть траектории проходит со сверхзвуковой скоростью. Такая форма головной части обуславливает снижение аэродинамического сопротивления, что повышает скорость и сокращает время полета реактивного снаряда.

При переходе снаряда с дозвукового режима на сверхзвуковой режим обтекания (когда начинается аэродинамический нагрев корпуса головной части) кромка, выполненная в начале оживала, в сочетании с линией перехода оживала в цилиндр, перераспределяет давление по профилю головной части.

Резкое падение давления у кромки оживала приводит к тому, что пограничный слой из турбулентного становится ламинарным. В месте перехода оживала в цилиндрический участок, который обычно осуществляется либо по касательной, либо под некоторым углом α ≠ 0 , пограничный слой остается ламинарным, что значительно снижает температуру стенки корпуса головной части;
- выполнения охлаждающей полости, образованной между цилиндрическим обтекателем и конусами, а в зоне крепления лопастей стабилизирующего устройства на цилиндрическом обтекателе сквозных отверстий суммарной площадью, равной 2-3 площадям максимального поперечного сечения охлаждающей полости, позволяет существенно снизить нагрев и, следовательно, температурную деформацию лопастей стабилизирующего устройства, а также отказаться от использования дорогостоящих теплозащитных материалов для защиты внутренней поверхности конусов от высокотемпературных газов, образующихся при горении заряда.

Из теории известно (см. Юдаев Б.И., Теплопередача., Москва, Высшая школа, 1973 г., Дракин И.И. Аэродинамический и лучистый нагрев в полете. Государственное научно-техническое издательство Оборонгиз, Москва, 1961 г.), что температура поверхности стенок корпуса конусов, соприкасающихся с высокотемпературным газом при горении заряда, определяется уравнением

где T_С.К. - температура поверхности стенки конусов, соприкасающихся с истекающими газами;
q - удельный тепловой поток;
δ - толщина стенки конусов;
α_B - коэффициент теплоотдачи от стенки конусов к охлаждающему воздуху;
λ - коэффициент теплопроводности материала конусов.

Здесь величина δ/λ по своему физическому смыслу является тепловым сопротивлением стенки конусов (чем толще стенка и чем хуже проводит тепло ее материал, тем больше тепловое сопротивление).

Из анализа следует, что снижение T_С.К. может быть достигнуто двумя путями:
- уменьшением теплового сопротивления конуса δ/λ;
- увеличением скорости циркуляции набегающего потока воздуха и соответствующим увеличением α_B.

Из первого пути следует, что толщина δ должна быть возможно меньше, а коэффициент теплопроводности материала стенки конусов возможно большим.

Однако материалы с хорошей теплопроводностью, как правило, имеют низкую жаропрочность и, с учетом специфики работы двигателей твердого ракетного топлива реактивных снарядов (высокое давление в камере сгорания и скорость истечения высокотемпературных газов, большой массовый расход газа, а следовательно, высокий коэффициент теплоотдачи от газа к стенке), их применение практически исключено.

Предлагаемое техническое решение основано на уменьшении температуры теплонапряженной зоны (конусов) вторым путем, причем оптимальное соотношение между суммарной площадью сквозных отверстий на цилиндрическом обтекателе и максимальной площадью поперечного сечения охлаждающей полости, образованной между цилиндрическим обтекателем и конусами, обеспечивает защиту лопастей стабилизирующего устройства от нагрева и температурных деформаций;
- выполнения на выходном конусе цилиндрического бурта, диаметр и ширина которого составляют 0,92-0,94 и 0,094-0,103 калибра снаряда соответственно, а на наружной поверхности бурта одной или нескольких кольцевых проточек позволяет защитить задние кромки лопастей стабилизирующего устройства от высокотемпературных газов, истекающих из соплового блока, при движении реактивного снаряда по трубчатой направляющей и исключить их деформации от температурного напряжения.

Сущность изобретения заключается в том, что реактивный снаряд, запускаемый из трубчатой направляющей, содержащий головную часть оживальной формы со взрывателем, твердотопливный ракетный двигатель с камерой сгорания и сопловым блоком в виде цилиндрического обтекателя со смонтированными на нем складывающимися лопастями, в отличие от прототипа, согласно изобретению, в начале оживала головной части выполнен кольцевой уступ с кромкой, образованной пересечением торцевой плоскости и поверхности оживала, расстояние от кромки кольцевого уступа до торца взрывателя 0,15-0,25 длины головной части, отношение диаметра по кромке кольцевого уступа к диаметру торца взрывателя составляет 3-4,5, а между цилиндрическим обтекателем и конусами образована охлаждающая полость, при этом в зоне крепления стабилизирующего устройства на цилиндрическом обтекателе выполнены сквозные отверстия, суммарная площадь которых составляет 2-3 площади максимального поперечного сечения охлаждающей полости, на выходном конусе образован цилиндрический бурт, диаметр и ширина которого составляют 0,92-0,94 и 0,094-0,103 калибра снаряда соответственно, а на наружной поверхности бурта выполнены одна или несколько кольцевых проточек.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, где на фиг. 1 изображен общий вид реактивного снаряда, на фиг. 2 - головная часть, на фиг. 3 - ракетный двигатель твердого топлива со стабилизирующим устройством, а на фиг. 4 - сечение по А-А.

Предлагаемый реактивный снаряд содержит взрыватель 1, головную часть оживальной формы 2, двигатель твердого ракетного топлива 3 и стабилизирующее устройство 4. На головной части оживальной формы 2 в начале оживала выполнен кольцевой уступ 5 с кромкой "а". Двигатель твердого ракетного топлива 3 включает в себя камеру 6, заряд твердого топлива 7, сопловой блок 8, состоящий из входного 9 и выходного 10 конусов. Стабилизирующее устройство 4 включает цилиндрический обтекатель 11 со смонтированными на нем складывающимися лопастями 12, а между цилиндрическим обтекателем 11 и конусами 9 и 10 образована охлаждающая полость "б". На цилиндрическом обтекателе 11 выполнены сквозные отверстия "в", на выходном конусе 10 образован цилиндрический бурт "г", на наружной поверхности которого выполнены одна или несколько кольцевых проточек "д".

Функционирование снаряда осуществляется следующим образом. При движении снаряда по трубчатой направляющей истекающие из соплового блока 8 высокотемпературные газы, встречаясь со стенкой направляющей, создают скачки уплотнения, в результате чего часть газового потока поворачивает в сторону движения реактивного снаряда и со сверхзвуковой скоростью движется в направлении снаряда. Однако при встрече с цилиндрическим буртом "г", на наружной поверхности которого одна или несколько цилиндрических проточек "д", при выполнении указанных соотношений диаметра и ширины бурта "г", происходит запирание газового потока, движущегося в сторону движения реактивного снаряда, что предотвращает нагрев лопастей 12 (особенно задних кромок) стабилизирующего устройства 4. После выхода реактивного снаряда из трубчатой направляющей складывающиеся лопасти 12 раскрываются и открывают сквозные отверстия "в" на цилиндрическом обтекателе 11. С этого момента начинает работать охлаждающая полость "б".

Суть работы охлаждающей полости "б" заключается в том, что набегающий поток воздуха, имеющий низкую температуру (примерно минус 40-50^oC), через сквозные отверстия "в", выполненные в цилиндрическом обтекателе 11 и расположенные у передних кромок лопастей 12, поступает в охлаждающую полость "б", обтекает наружную поверхность конусов 9 и 10 соплового блока 8 и вытекает из сквозных отверстий "в", выполненных в цилиндрическом обтекателе 11 и расположенных у задних кромок лопастей 12 и тем самым охлаждает конуса 9 и 10, а следовательно, исключает нагрев лопастей 12 стабилизирующего устройства 4 на всей траектории полета реактивного снаряда.

Одновременно с охлаждающей полостью "б" начинает работать кольцевой уступ 5 с кромкой "а" головной части 2. При выполнении кольцевого уступа 5 с кромкой "а" с указанными соотношениями на кромке "а" формируется ламинарный пограничный слой обтекания головной части 2, что значительно снижает нагрев головной части 2 по сравнению с турбулентным обтеканием.

Предлагаемый реактивный снаряд за счет выполнения в начале оживала головной части 2 кольцевого уступа 5 с кромкой "а", образованной пересечением торцевой полости и поверхности оживала с расстоянием от кромки "а" кольцевого уступа 5 до торца взрывателя 1 - 0,15-0,25 длины головной части 2, отношением диаметра по кромке "а" кольцевого уступа 5 к диаметру торца взрывателя 1 - 3-4,5, образования охлаждающей полости "б" между цилиндрическим обтекателем 11 и конусами 9 и 10, выполнения в зоне крепления стабилизирующего устройства 4 на цилиндрическом обтекателе 11 сквозных отверстий "в", суммарной площадью, равной 2-3 площади максимального поперечного сечения охлаждающей полости "б", образования на выходном конусе 10 бурта "г" с диаметром и шириной, равными 0,92-0,94 и 0,092-0,103 калибра снаряда, а на наружной поверхности бурта "г" одной или нескольких кольцевых проточек, позволяет значительно снизить температуру корпуса головной части 2 и лопастей 12 стабилизирующего устройства 4, что повышает эффективность головной части 2 у цели и тем самым повышается эффективность боевого применения реактивного снаряда.

На предприятии разработана техническая документация и изготовлены опытные образцы реактивных снарядов, которые прошли летно-конструкторские испытания с положительным результатом.

Испытания подтвердили, что реактивный снаряд надежно функционирует на всей траектории полета снаряда и эффективность его боевого применения повысилась на 15-18%.

Разработана конструкторская документация, проведены Государственные испытания, намечено серийное производство.

Изобретение относится к твердотопливным реактивным боеприпасам. Реактивный снаряд содержит оживальную головную часть со взрывателем, сопловой блок двигателя с цилиндрическим обтекателем, на котором смонтированы складывающиеся лопасти стабилизатора. В начале оживала головной части выполнен кольцевой уступ с кромкой, образованной пересечением торцевой плоскости и поверхности оживала. Расстояние от кромки кольцевого уступа до торца взрывателя 0,15-0,25 длины головной части, отношение диаметра по кромке кольцевого уступа к диаметру торца взрывателя составляет 3-4,5, а между цилиндрическим обтекателем и сопловыми конусами образована охлаждающая полость. При этом в зоне крепления стабилизирующего устройства на цилиндрическом обтекателе выполнены сквозные отверстия, суммарная площадь которых составляет 2-3 площади максимального поперечного сечения охлаждающей полости, на выходном конусе образован цилиндрический бурт, диаметр и ширина которого составляют 0,92-0,94 и 0,094-0,103 калибра снаряда соответственно, а на наружной поверхности бурта выполнены одна или несколько кольцевых проточек. Изобретение позволяет обеспечить тепловую защиту головной части и стабилизирующего устройства снаряда на всей траектории полета. 4 ил.

Реактивный снаряд, запускаемый из трубчатой направляющей, содержащий головную часть оживальной формы со взрывателем, твердотопливный ракетный двигатель с камерой сгорания и сопловым блоком в виде цилиндрического обтекателя со смонтированными на нем складывающимися лопастями стабилизирующего устройства, отличающийся тем, что в начале оживала головной части выполнен кольцевой уступ с кромкой, образованной пересечением торцевой плоскости и поверхности оживала, расстояние от кромки кольцевого уступа до торца взрывателя 0,15-0,25 длины головной части, отношение диаметра по кромке кольцевого уступа к диаметру торца взрывателя составляет 3-4,5, а между цилиндрическим обтекателем и конусами образована охлаждающая полость, при этом в зоне крепления стабилизирующего устройства на цилиндрическом обтекателе выполнены сквозные отверстия, суммарная площадь которых составляет 2-3 площади максимального поперечного сечения охлаждающей полости, на выходном конусе соплового блока образован цилиндрический бурт, диаметр и ширина которого составляет 0,92-0,94 и 0,094-0,103 калибра снаряда соответственно, а на наружной поверхности бурта выполнены одна или несколько кольцевых проточек.