БОЕПРИПАС Российский патент 2004 года по МПК F42B5/00 F42B7/00 

Изобретение относится к боеприпасам (патронам) для огнестрельного артиллерийского и стрелкового оружия.

Известна возникшая в 1944 году идея боеприпасов с системой "высокое-низкое давление": перфорированная перегородка разделяет заснарядное пространство на две полости, вследствие чего происходит понижение статического давления газов после их дросселирования через перфорацию из первой камеры во вторую [1].

Эта идея постепенно реализовывалась и развивалась в последнее десятилетие, главным образом для 40-миллиметровых австрийских и германских гранат [1] , боеприпасов к гладкоствольному стрелковому охотничьему и др. оружию [2-7].

Наиболее близким к заявленному изобретению по назначению и совокупности конструктивных признаков (прототипом) является боеприпас, содержащий снаряд, гильзу, контейнер с метательным зарядом, имеющий зону перфорации передней торцевой стенки, обращенной к дну снаряда, в виде множества продольно ориентированных сквозных отверстий, и устройство воспламенения метательного заряда [6].

В нем снаряд выполнен в виде пули, дробового или иного заряда, преимущественно в пыже-контейнере, метательный заряд - пороховым, а устройство воспламенения метательного заряда - в виде ударного капсюля-воспламенителя. Контейнер выполнен металлическим, однородным по объему (согласно изображению на фиг.1 в материалах заявки [6]) или из двух П-образных в продольном сечении частей - корпуса и крышки (согласно изображению на фиг.2, 3 в материалах заявки [6]). Толщина передней торцевой стенки контейнера соразмерна с толщиной его цилиндрической стенки (на основании иллюстраций) и превышает диаметр отверстий ее перфорации не более чем в 1,5-2 раза (на основании иллюстраций, происходящих физических процессов и эффекта в соответствии с поставленной задачей), а количество отверстий и их диаметр выбирают с учетом требуемой зависимости давления (продуктов сгорания метательного заряда) в увеличивающемся, по мере движения снаряда, заснарядном пространстве по длине канала ствола.

Устройство-прототип направлено на улучшение технико-эксплуатационных и экономических показателей, главным образом за счет повышения полноты сгорания метательного заряда и снижения давления на цилиндрическую стенку гильзы.

Однако в устройстве-прототипе при естественном, при сгорании метательного заряда и одновременном перетекании продуктов сгорания через перфорацию, уменьшении, со временем (ближе к концу процесса), давления p₁ уменьшается и расход продуктов сгорания через перфорацию. Соответственно снижается кпд использования энергии, освобождающейся при сгорании метательного заряда.

Другим недостатком устройства-прототипа является то, что существенное понижение давления продуктов сгорания метательного заряда (пороховых газов) в полости контейнера при ее дросселировании через относительно короткие отверстия перфорации не сопровождается существенным преобразованием статической составляющей давления p₁ в динамическую составляющую (в силу неупорядоченности истечения и, вследствие этого, преобразования значительной части давления в тепловую энергию) р_дин=0,5ρ•v² (где ρ - плотность продуктов сгорания метательного заряда, v - скорость их потока) в общем балансе (p_ст+Р_дин) в соответствии с уравнением Бернулли, во внешнем для контейнера заснарядном объеме. Соответственно давление распределяется по поверхностям стенок, ограничивающих указанный объем, части передней торцевой стенки и снаряда практически равномерно. Таким образом, энергия продуктов сгорания метательного заряда используется для сообщения снаряду ускорения недостаточно эффективно: через статическое в основном, причем уменьшенное вследствие тепловых потерь и редукции в перфорации, давление во внешнем для контейнера заснарядном объеме. Соответственно недостаточно используются возможности повышения начальной скорости снаряда при сохранении массы метательного заряда или сокращение массы метательного заряда при сохранении начальной скорости снаряда.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является улучшение технико-экономических характеристик устройства путем:
- повышения кпд использования метательного заряда и соответственно полноты сгорания метательного заряда, могущества выстрела или снижения потребной массы заряда за счет компенсации снижения давления продуктов сгорания метательного заряда увеличением расхода их поступления в заснарядное пространство, обеспечения в основном динамического воздействия продуктов его сгорания на снаряд, причем в расширенном временном диапазоне в пределах продолжительности указанного воздействия, и уменьшения доли остаточной энергии продуктов сгорания после вылета снаряда из канала ствола;
- снижения статического воздействия продуктов сгорания на другие поверхности, ограничивающие заснарядное пространство;
Решение поставленной задачи достигается тем, что в боеприпасе, содержащем снаряд или систему снарядов, гильзу, контейнер с метательным зарядом, имеющий зону перфорации передней торцевой стенки, обращенной к дну снаряда, в виде множества продольно ориентированных сквозных отверстий, и устройство воспламенения метательного заряда, по крайней мере, стенки отверстий перфорации выполнены из материала с повышенной эрозией под действием высокотемпературных газовых потоков, с возможностью интенсивного увеличения диаметра отверстий перфорации в процессе истечения через них продуктов сгорания метательного заряда.

Решение поставленной задачи достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
- отношение толщины передней торцевой стенки контейнера в зоне его перфорации к диаметру отверстий перфорации может лежать в диапазоне от 4 до 6, оптимально - 5;
- по крайней мере часть передней торцевой стенки контейнера, полностью включающая в себя зону перфорации, может быть выполнена в виде отдельной детали, закрепленной в оставшейся части контейнера;
- весь контейнер или зона перфорации его передней торцевой стенки могут быть выполнены, в частности, из титана или его сплавов;
- перфорация передней торцевой стенки контейнера может быть выполнена, как вариант, в виде втулок, встроенных в зону перфорации, при этом из материала с повышенной эрозией будут выполнены только эти втулки.

Среди известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с поставленной задачей.

Заявляемое устройство боеприпаса пояснено на чертежах:
на фиг. 1 изображен боеприпас в сборе, продольный разрез, где D₁ и D₂ - соответственно наружный и внутренний диаметры цилиндрической стенки гильзы, D_к1 и D_к2 - соответственно наружный и внутренний диаметры цилиндрической стенки контейнера, d - калибр боеприпаса (снаряда), d₀ - диаметр отверстий перфорации передней торцевой стенки, d₁ - диаметр отверстия или характерный размер окна в задней торцевой стенке контейнера, b - толщина передней торцевой стенки и, одновременно, длина отверстия (канала) ее перфорации, δ - зазор между донцем снаряда (пули) и передней торцевой стенкой контейнера; R - радиус кривизны завальцовки заднего торца контейнера с образованием его задней торцевой стенки;
на фиг.2 представлен фрагмент фиг.1 (повернуто на 90^o по часовой стрелке) с укрупненным изображением перфорации передней торцевой стенки контейнера, где p₁, p_1ст, р₂, р_2ст и р_2дин - давление продуктов сгорания метательного заряда, соответственно суммарное и его статическая составляющая в полости контейнера, суммарное и его статическая и динамическая составляющие во внешнем по отношению к контейнеру заснарядном пространстве;
на фиг. 3 - фрагмент варианта контейнера с выполнением перфорации на отдельной детали, выполненной из материала с повышенной эрозией и закрепленной в оставшейся части контейнера, выполненной из материала с пониженной эрозией;
на фиг. 4 - фрагмент фиг.2 или 3 с увеличенным изображением отверстия перфорации и схемой формирования газовой струи и процесса эрозии стенок этого отверстия, где V - скорость газовой струи на выходе из перфорации;
на фиг. 5 - фрагмент варианта контейнера с перфорацией в виде втулок из материала с повышенной эрозией, встроенных в оставшуюся часть контейнера, выполненного из материала с пониженной эрозией, с увеличенным изображением отверстия перфорации и схемой формирования газовой струи и процесса эрозии стенок этого отверстия, где d₂ - диаметр втулки;
на фиг.6 - эмпирические зависимости начальной скорости V₀ пули от массы ω порохового метательного заряда в боеприпасах с перфорированной стенкой контейнера из титанового сплава ВТ3-1 и из стали.

Представленный на фиг.1, 2, 4 пример устройства представляет собой модернизацию пистолетного патрона 9-мм "Макаров" (с соблюдением геометрических пропорций для указанного базового патрона), а примеры по фиг.3, 5 - в приложении к артиллерийским боеприпасам больших калибров.

Патрон содержит (см. фиг.1) гильзу 1 цилиндрической формы, с цилиндрической стенкой с наружным и внутренним диаметрами D₁ и D₂ соответственно и дном, в которое встроен ударный капсюль-воспламенитель 2 с затравочными отверстиями (каналами) 3. В гильзу встроена (с обжатием) калиберная пуля 4. Между пулей 4 и дном гильзы 1 установлен контейнер 5. Он вставлен в гильзу 1 с ее открытого торца до установки пули 4. причем без зазора с ее стенкой (D_к1≈D₂), предпочтительно с легкой прессовой посадкой, и с упором задней торцевой стенки контейнера 5 в дно гильзы 1. При этом между донцем пули 4 и передней торцевой стенкой контейнера 5 может быть предусмотрен, при необходимости, зазор δ.
В передней торцевой стенке контейнера 5 выполнена перфорация в виде множества продольно ориентированных сквозных отверстий (каналов) 6. Отношение толщины b передней торцевой стенки в зоне его перфорации к диаметру d₀ отверстий 6 лежит в диапазоне от 4 (четырех) до 6 (шести), оптимально b/d₀= 5. Диаметр d₀ должен быть, предпочтительно, меньше нормированного (стандартного) усредненного минимального размера частицы (диаметра порохового зерна). В частности, при используемых в настоящее время пластинчатых порохах диаметр d₀ составляет примерно от 0,4 до 2,0 мм, для патрона, принятого за базовый, d₀=0,4 мм. При этом отверстия 6 должны быть, по возможности, равноудалены друг от друга, а коэффициент перфорации (отношение суммарной площади отверстий 6 к площади передней торцевой стенки на внутреннем диаметре D_к2 контейнера 5) - максимально возможным по условию прочности (не разрушению перемычек между отверстиями 6).

Задняя торцевая стенка стакана 5, т.е. противоположная его перфорированной стенке, выполнена частично открытой - с шайбой 7, встроенной в расточку и завальцованной, по форме дна гильзы 1, с радиусом R, с образованием отверстия 8 диаметром d₁. Смысл отверстия 8 состоит в обеспечении возможности, во-первых, размещения порохового метательного заряда в контейнере 5 (заполнения контейнера пороховыми зернами) до установки шайбы 7 и, во-вторых, воспламенения заряда от устройства 2 (см. далее). Как рациональный вариант, суммарная площадь отверстий 6 должна превышать площадь отверстия 7, преимущественно в 2 (два) раза. Таким образом, в полости контейнера 5 размещен пороховой метательный заряд 9.

В примере по фиг.1, 2, 4 контейнер 5 выполнен, по крайней мере в части П-образного в продольном сечении тела, однородным по материалу. При этом использован материал с повышенной эрозией под действием высокотемпературных газовых потоков (в данном случае - струй пороховых газов в отверстиях 6 в направлении от полости контейнера 5 в заснарядное пространство), и, одновременно, с достаточными прочностными характеристиками в условиях высокого давления (традиционное требование для камер сгорания метательных зарядов).

Примером такого материала может служить титан или его сплавы (ВТ3-1 и др.), обладающие, при достаточной прочности, повышенной эрозией, в сравнении со сталью, согласно полученным авторами эмпирическим данным (см. фиг.6).

При необходимости, из материала с повышенной эрозией может быть выполнена лишь зона перфорации. В этом случае передняя торцевая стенка (см. фиг. 3) или ее часть (не показано), полностью включающая в себя зону перфорации, выполнена в виде отдельной перфорированной детали 10, закрепленной (показано крепление прессовой посадкой и, дополнительно, радиально ориентированными винтовыми штифтами 11). Деталь 10, собственно, и выполнена из материала с повышенной эрозией, например титана или его сплавов (см. также фиг.4 с позицией 10).

Для боеприпасов больших калибров (св. 100 мм) возможен и, в некоторых случаях, целесообразен вариант конструкции (см. фиг.5) с перфорацией в виде втулок 12 с наружным и внутренним диаметром d₂ и d₀ (собственно перфорация) соответственно, встроенных (например, запрессованных) в переднюю торцевую стенку контейнера 5 без возможности осевого перемещения (целиком) под действием давления p₁. При этом во всей конструкции только втулки 10 выполнены из материала с повышенной эрозией.

Описанные примеры конструктивного выполнения заявляемого устройства не исключают других возможных вариантов в рамках формулы изобретения.

В частности, предусмотрены следующие обобщения: вместо пистолетного патрона может быть иной боеприпас для стрелкового или артиллерийского нарезного или гладкоствольного оружия; вместо пули 4 (пулевого снаряда) - иной снаряд, например артиллерийский или контейнер с дробью; вместо снаряда 4 может быть предусмотрена система снарядов, например тандем пуль или снарядов; вместо порохового метательного заряда 9 - иной метательный заряд, не отнесенный к порохам (при этом оговоренные выше ограничения размеров отверстий 6 по геометрическим размерам зерен пороха требуют указания на сыпучую структуру метательного заряда); вместо ударного капсюля-воспламенителя 2 - иное устройство воспламенения метательного заряда, например электрокапсюль; контейнер 5 может упираться в иной ограничитель осевого перемещения, чем в дно гильзы 1; возможно другое оформление задней торцевой стенки контейнера 5 (вместо отверстия 8 - два разнесенных отверстия, расположенных напротив отверстий 3; окно или окна с характерным размером, эквивалентным диаметру d₁, при этом оговоренное выше условие превышения суммарной площади перфорации передней торцевой стенки контейнера 5 над площадью отверстия 8 трансформируется в условие превышения суммарной площади перфорации над суммарной площадью отверстий или окон 8; и т.д.).

Устройство работает следующим образом.

При инициировании заряда 9 устройством 2 продукты сгорания заряда 9 (далее для простоты изложения - "газы") в полости контейнера 5 перетекают через отверстия 6 в заснарядное пространство, которое, с момента превышения сил давления на донце пули 4 над суммарной силой трения (сопротивления) покоя и силой инерции пули 4, начинает увеличиваться пропорционально ее перемещению в канале ствола оружия. При этом, в соответствии с уравнением Бернулли и за счет указанного выше рационального эмпирически полученного соотношения диаметра d₀ отверстий перфорации и ширины b передней торцевой стенки контейнера 5 (а значит и длины отверстий-каналов 6) от 1:4 до 1:6, включая оптимальное для формирования правильной струи соотношение 1:5 (или иначе - b/d₀= 4-6, b/d₀ opt=5) в основном статическое (разнонаправленное в динамике) давление р₁ (р_1ст) в полости контейнера 5 преобразуется в преимущественно динамическое давление р₂ (р_2дин существенно больше, чем р_2ст) в заснарядном пространстве.

Газы, сформировавшись в системе отверстий 6 в параллельные струи, движутся, после среза отверстий 6 (т.е. после передней торцевой стенки), в заснарядном пространстве параллельными струями (см. фиг.2-5) и оказывают динамическое давление на донце пули 4, сообщая ей ускорение в осевом направлении, превышающее то ускорение, которое имело бы место под действием статического давления.

Минимальное, по условию прочности перемычек, расстояние между отверстиями 6 обеспечивает минимум турбулизирующих влияний со стороны газов, находящихся между струями, что позволяет дольше сохранить сформировавшийся характер течения.

На участке δ≤8d (также экспериментальные данные) не происходит существенной турбулизации и снижения динамической составляющей р_2дин в общем давлении p₂ в заснарядном пространстве.

Одновременно происходит, как побочный положительный эффект, снижение давления на цилиндрическую стенку гильзы 1 вследствие уменьшения доли статической составляющей р_2ст в общем давлении p₂.

Это согласуется с одной из основных тенденций в устройствах-аналогах с системой "высокое-низкое давление", а именно облегчением корпуса гильзы, обеспечением возможности использования тонких корпусных деталей гильзы.

Еще к одному побочному положительному эффекту, связанному с перераспределением давления р₂ в пользу динамической составляющей р_2дин, следует отнести и улучшение условий обтюрации газов.

В процессе истечения газов из полости контейнера в заснарядное пространство перфорация не пропускает еще не сгоревшие частицы заряда 9 в заснарядное пространство, а реактивная сила помогает силе давления газов на внутреннюю поверхность задней торцевой стенки поджимать контейнер 5 к дну гильзы 1 и удерживать ее (в дополнение к силе трения покоя и инерции) от перемещения вслед за пулей 4.

Высокотемпературные (порядка 2000-3000 К), высокоскоростные (V) струи газа вызывают повышенную эрозию материала стенок отверстий 6: частицы материала вымываются струями в заснарядное пространство (см. схему вымывания материала на фиг. 4, 5). Увеличение, вследствие этого, диаметра d₀ на фоне уменьшения давления p₁ (p_1ст), ближе к концу горения заряда 9 и перетечки газов через перфорацию, обусловливает компенсирующее (с точки зрения воздействия на пулю 4) увеличение расхода газов через перфорацию.

В проведенных авторами сравнительных экспериментах с передней торцевой стенкой из титанового сплава ВТ3-1 и из стали при переменной, уменьшенной навеске пороха (см. фиг.6) очевидный эффект в виде существенного увеличения начальной скорости пули V₀ достигнут за счет эрозионного увеличения диаметра d₀ от 0,87 до 1,2 мм, то есть порядка 38%.

Увеличение диаметра d₀ вследствие эрозии - положительное явление как для заявляемого устройства с оптимальной геометрией перфорации, так и для аналогов - боеприпасов с системой "высокое-низкое".

Таким образом, использование заявленного устройства позволяет улучшить технико-экономические характеристики устройства путем:
- повышения кпд использования метательного заряда и соответственно полноты сгорания метательного заряда, могущества выстрела или снижения потребной массы заряда за счет компенсации снижения давления продуктов сгорания метательного заряда увеличением расхода их поступления в заснарядное пространство, обеспечения в основном динамического воздействия продуктов его сгорания на снаряд, причем в расширенном временном диапазоне в пределах продолжительности указанного воздействия, и уменьшения доли остаточной энергии продуктов сгорания после вылета снаряда из канала ствола;
- снижения статического воздействия продуктов сгорания на другие поверхности, ограничивающие заснарядное пространство.

При этом следует учитывать наличие масштабного фактора: с ростом калибра d боеприпаса эффективность использования данного изобретения возрастает. Поэтому и рекомендуется использовать его, прежде всего, в артиллерийских боеприпасах свыше 100 мм (обычно это боеприпасы раздельного заряжания).

Источники информации
1. Хогг Я. Боеприпасы: патроны, гранаты, артиллерийские снаряды, минометные мины. - М.: Изд-во ЭКСМО-Пресс, 2001. - 144 с., ил. - С.66-73.

2. US 3575113, F 42 В 7/02, 26.02.1968.

3. SU 1821618 А1, F 42 В 7/00, 21.11.1990.

4. US 3687078, F 42 В 7/02, 31.03.1970.

5. RU 2151365 С1, F 42 В 7/02, 22.04.1998.

6. RU 2000109198/02 A, F 42 В 7/02, 21.04.2000 (прототип).

7. RU 2000109199/02 A, F 42 В 7/02, 21.04.2000.

Изобретение относится к боеприпасам (патронам) для огнестрельного, преимущественно нарезного и гладкоствольного артиллерийского и стрелкового оружия. Боеприпас содержит снаряд, гильзу, контейнер с метательным зарядом и устройство воспламенения последнего. Контейнер имеет зону перфорации передней торцевой стенки, обращенной к дну снаряда, в виде множества продольно ориентированных сквозных отверстий. По крайней мере стенки отверстий перфорации выполнены из материала с повышенной эрозией под действием высокотемпературных газовых потоков, с возможностью интенсивного увеличения диаметра отверстий перфорации в процессе истечения через них продуктов сгорания метательного заряда. Наибольший эффект достигается при отношении толщины передней торцевой стенки контейнера в зоне его перфорации к диаметру отверстий перфорации в диапазоне 4-6, оптимально 5. По крайней мере часть передней торцевой стенки контейнера, полностью включающая в себя зону перфорации, может быть выполнена в виде отдельной детали, закрепленной в оставшейся части контейнера. В частности, весь контейнер или зона перфорации его передней торцевой стенки могут быть выполнены из титана или его сплавов. Предусмотрен также вариант с выполнением перфорации передней торцевой стенки контейнера в виде втулок, встроенных в зону перфорации. При этом из материала с повышенной эрозией выполнены только эти втулки. Использование заявленного изобретения позволяет улучшить технико-экономические характеристики боеприпаса. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Боеприпас, содержащий снаряд или систему снарядов, гильзу, контейнер с метательным зарядом, имеющий зону перфорации передней торцевой стенки, обращенной к дну снаряда, в виде множества продольно ориентированных сквозных отверстий и устройство воспламенения метательного заряда, отличающийся тем, что, по крайней мере, стенки отверстий перфорации выполнены из материала с повышенной эрозией под действием высокотемпературных газовых потоков, с возможностью интенсивного увеличения диаметра отверстий перфорации в процессе истечения через них продуктов сгорания метательного заряда.2. Боеприпас по п.1, отличающийся тем, что отношение толщины передней торцевой стенки контейнера в зоне его перфорации к диаметру отверстий перфорации лежит в диапазоне от 4 до 6, оптимально равен 5.3. Боеприпас по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть передней торцевой стенки контейнера, полностью включающая в себя зону перфорации, выполнена в виде отдельной детали, закрепленной в оставшейся части контейнера.4. Боеприпас по п.1, отличающийся тем, что весь контейнер или зона перфорации его передней торцевой стенки выполнены из титана или его сплавов.5. Боеприпас по п.1, отличающийся тем, что перфорация передней торцевой стенки контейнера выполнена в виде втулок, встроенных в зону перфорации, при этом из материала с повышенной эрозией выполнены только эти втулки.