СНАРЯД Российский патент 2004 года по МПК F42B14/00 

Изобретение относится к боеприпасам, а именно к устройству снарядов, включая артиллерийские снаряды и ракеты.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано в артиллерийских снарядах, когда требуется увеличить дальность стрельбы, но может использоваться также в других типах снарядов, например в торпедах, ракетах, включая крылатые ракеты,

Основным недостатком снарядов является значительная потеря эффективности, в частности дальности стрельбы, и уменьшение скорости полета вследствие лобового и поверхностного сопротивления воздуха при полете в атмосфере, особенно при полете со сверхзвуковой скоростью. При полете со сверхзвуковой скоростью действие лобового сопротивления усугубляется за счет возникновения ударных волн перед носовой частью снаряда.

При совершенствовании снарядов большое внимание уделяется повышению эффективности за счет увеличения дальности стрельбы, скорости полета. С учетом того, что возможность изменения внешнебаллистических характеристик за счет изменения его габаритов и массы является ограниченной, весьма актуальной является проблема повышения эффективности без изменения геометрических параметров снаряда.

Известен снаряд (ракета), выстреливаемый из ствола орудия, содержащий носовую часть, корпус и стабилизирующее устройство - передний центрирующий и задний обтюрирующий ведущие пояски [1].

Повышение эффективности, а именно дальности стрельбы, достигается за счет изменения параметров, уменьшающих перекос снаряда (ракеты) относительно калиберной части ствола орудия при заряжании, что недостаточно эффективно, так как эта мера действует лишь внутри ствола, а после вылета из ствола снаряд (ракета) испытывает лобовое и поверхностное сопротивление, уменьшающее скорость и дальность полета.

Известен снаряд (пуля), содержащий носовую часть и корпус в виде свинцового стержня, наружная поверхность которого имеет полимерное фторорганическое покрытие типа политетрафторэтилена (тефлона) [2].

Недостаток - покрытие повышает, в основном, устойчивость к химическим воздействиям и истиранию, но не решает задачу повышения эффективности, в частности повышения дальности стрельбы.

Известен взятый за прототип снаряд, содержащий носовую часть, корпус и стабилизирующее устройство [3]. Снаряд имеет улучшенные аэродинамические параметры, но дальность стрельбы также недостаточно высокая вследствие действия лобового и поверхностного сопротивления. Стабилизирующее устройство выполнено в виде ведущего пояска.

В основу настоящего изобретения положена задача создания снаряда с повышенной эффективностью преимущественно за счет увеличения дальности стрельбы без изменения его габаритных параметров.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, выражается в повышении эффективности действия снаряда за счет повышения дальности стрельбы.

В отдельных случаях дополнительно к этому может быть получена повышенная бронепробиваемость или скорость полета.

Технический результат достигается тем, что в снаряде, содержащем носовую часть, корпус и стабилизирующее устройство, согласно изобретению наружная поверхность снаряда эпиламирована в соответствии с условием

где X - длина снаряда, см;

xε - суммарная длина тех участков снаряда вдоль его продольной оси, наружная поверхность которых эпиламирована, см;

ε - количество участков снаряда вдоль его продольной оси, наружная поверхность которых эпиламирована;

Li - периметр i-го поперечного сечения снаряда на участке с эпиламированной наружной поверхностью, см;

li - протяженность эпиламированного участка поверхности снаряда по периметру i-го поперечного сечения снаряда, см.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения в снаряде, имеющем в качестве стабилизирующего устройства ведущий поясок, эпиламирована вся боковая поверхность снаряда, включая ведущий поясок. Это позволяет повысить дальность стрельбы артиллерийского снаряда без изменения его геометрических параметров, без увеличения величины максимального давления в стволе.

Когда снаряд - бронебойный, возможен вариант выполнения изобретения, когда эпиламированную наружную поверхность имеет ведущий поясок. Это позволяет повысить эффективность снаряда за счет повышения бронепробития и дальности стрельбы, при которой сохраняется свойство бронепробития, путем повышения начальной скорости снаряда. В соответствии с другим вариантом конструкции, когда снаряд имеет разрушающийся баллистический наконечник, это позволяет повысить эффективность бронебойного действия снаряда как за счет повышения начальной скорости, так и за счет снижения потерь скорости путем уменьшения действия лобового сопротивления на баллистический наконечник после выстреливания из ствола.

В соответствии с одним из вариантов конструкции стабилизирующее устройство выполняется в виде хвостового оперения. Такой вариант конструкции изобретения позволяет повысить эффективность невращающегося снаряда, например ракеты, выстреливаемой из пусковой установки.

В некоторых случаях функцию стабилизирующего устройства в снаряде (ракете) выполняют крылья и хвостовое оперение.

Существенность отличительных признаков устройства обусловлена тем, что выполнение поверхности эпиламированной, при соблюдении условий, оговоренных в математических формулах, обеспечивает улучшение аэродинамических характеристик снаряда. Это объясняется существенным снижением поверхностной энергии снаряда по сравнению с неэпиламированной поверхностью.

Используемые в заявочном материале термины, редко встречающиеся в опубликованных источниках информации [4-7]:

- поверхность эпиламирована - поверхность имеет покрытие, представляющее собой мономолекулярный слой (монослой) или близкий к нему слой фторсодержащего поверхностно-активного вещества (ПАВ) толщиной в одну молекулу (около 10^-8 см), образующийся при адсорбции, поверхностной диффузии, в результате испарения растворителя из раствора, содержащего нелетучий компонент [4, 5];

- эпиламирование - обработка поверхности твердого тела эпиламирующим составом, в результате которого на поверхности снаряда образуется дополнительный, прочно скрепленный с ней слой в виде мономолекулярного покрытия, снижающего поверхностную энергию твердого тела, приближая ее к нулевому уровню;

- эпиламирующий состав - раствор ПАВ (фторсодержащего поверхностно-активного вещества) во фторуглеродном растворителе или воде.

Анализ опубликованных источников информации подтвердил неизвестность заявленной совокупности существенных признаков и ее патентоспособность.

Известный снаряд (пуля), свинцовый стержень (корпус) которого покрыт полимерной пленкой типа политетрафторэтилена [2], не противоречит вышесказанному. Эпиламированная поверхность в заявленном снаряде отличается от поверхности снарядов, модифицированной обычными фторсодержащими полимерами, по структуре и свойствам. В предлагаемом устройстве на поверхности снаряда - монослойное покрытие (монослой), представляющее собой набор перпендикулярно расположенных к поверхности молекулярных палочек, скрепленных с этой поверхностью, в то время как в известном снаряде [2] - сплошное покрытие из сшитого полимера (тефлона или политетрафторэтилена).

В известном техническом решении покрытие и его прочное сцепление с поверхностью снаряда образуется в процессе отверждения при температуре плавления свинца, т.е. выше 400°С, в то время как в заявленном решении монослойное покрытие образуется при адсорбции, поверхностной диффузии, в результате испарения растворителя из раствора [5].

Известно, что монослойные фторсодержащие покрытия (к которым можно отнести покрытие в заявленном снаряде) в несколько раз сильнее понижают поверхностную энергию твердого тела, чем политетрафторэтилен и другие обычные фторсодержащие полимерные покрытия [4-7], что использовалось ранее, в основном, для повышения износостойкости металлообрабатывающих инструментов и пар трения [6].

Вышеуказанные различия приводят к проявлению нового качества снаряда при использовании в нем монослойного покрытия, а именно повышению дальности стрельбы (полета) за счет снижения лобового и поверхностного сопротивления (на эпиламированных поверхностях снаряда).

Другие цели и преимущества настоящего изобретения вытекают из следующего детального описания примера его осуществления и прилагаемых чертежей, где на фиг.1 изображен артиллерийский снаряд; фиг.2 - бронебойный цельнокорпусный снаряд; фиг.3 - бронебойный снаряд с разрушаемым баллистическим наконечником; фиг.4 - реактивный снаряд; фиг.5 - крылатый снаряд (ракета); фиг.6 - внешний вид бронебойного снаряда после воздействия на броню.

Заявленное устройство (фиг.1) представляет собой артиллерийский снаряд, который состоит из корпуса 1, носовой оживальной части 2 с размещенным в ней взрывателем (не показан) и стабилизирующего устройства 3, выполненного в виде ведущего пояска, при этом наружная поверхность снаряда, включая ведущий поясок 3, полностью эпиламирована.

Параметры протяженности эпиламированных поверхностей в данном случае составят

где Х - длина снаряда, см;

xε - протяженность эпиламированных участков наружной поверхности снаряда (носовой оживальной части, корпуса и ведущего пояска вдоль его продольной оси (в проекции на ось), см;

ε - количество участков снаряда вдоль его оси, наружная поверхность которых эпиламирована (носовая часть, корпус и ведущий поясок);

Li - периметр i-го поперечного сечения снаряда на участке с эпиламированной наружной поверхносью, см;

li - протяженность эпиламированного участка поверхности снаряда по периметру i-го поперечного сечения снаряда, см.

На фиг.2 представлен цельнокорпусный бронебойный снаряд, состоящий из заостренной носовой части 2, цилиндрической части корпуса 1 и стабилизирующего устройства 3 в виде ведущего пояска и слоя эпиламирующего покрытия 4.

Параметры протяженности эпиламирующего покрытия соответствуют значениям

где х_в.п=хε - протяженность эпиламированной поверхности ведущего пояска снаряда вдоль его продольной оси (в проекции на ось), равной 0,1X;

lв.п - протяженность эпиламируемого участка поверхности снаряда по периметру поперечного сечения ведущего пояска;

Lв.п - периметр поперечного сечения снаряда по сечению ведущего пояска на участке с эпиламированной поверхностью.

На фиг.3 снаряд аналогичен снаряду на фиг.2, но носовая часть его выполнена в виде разрушаемого баллистического наконечника 2.

В данном случае эпиламированы наружные поверхности баллистического наконечника 2 и ведущего пояска 3.

Параметры протяженности эпиламированных поверхностей в данном случае составляют

где x_б.н и x_в.п. - соответственно протяженность эпиламированных поверхностей разрушаемого баллистического наконечника и ведущего пояска вдоль продольной оси снаряда (в проекции на ось).

На фиг.4 представлен реактивный снаряд (или проворачивающийся в полете с небольшой угловой скоростью), содержащий корпус 1, носовую часть 2 и стабилизирующее устройство 3 в виде хвостового оперения. Эпиламирована вся наружная поверхность снаряда в соответствии с соотношениями

На фиг.5 представлен снаряд, стабилизирующее устройство 3 которого выполнено в виде несущих крыльев 3_а и хвостового оперения 3_б (крылатая ракета). Носовая часть 2 снаряда эпиламирована (слой эпилама - 4) по всей поверхности. Остальная часть снаряда (корпус 1, крылья 3_а и хвостовое оперение 3_б) эпиламированы только на их верхней части.

В данном случае параметры эпиламированой поверхности снаряда (ракеты) определяются соотношениями

где x_в и х_н - суммарная длина (xε) тех участков снаряда вдоль его продольной вертикальной оси, наружная поверхность которых эпиламирована соответственно в верхней (в) и (н) части снаряда (ракеты);

l_н, l_к - протяженность эпиламированного участка поверхности снаряда по периметру носового его участка (сечение I-I) и по его корпусу (сечение II-II);

L_н, L_к - периметры поперечных сечений снаряда в сечениях I-I и II-II соответственно.

В других продольных сечениях (под углом к вертикальной плоскости) в сечение (например, III-III фиг.5) могут попасть эпиламированные поверхности как корпуса 1, так и стабилизирующего устройства (например, крыльев 3а). В этих случаях их проекции на продольную ось снаряда совмещаются (сливаются друг с другом), т.е. в любом случае соотношение не будет превышать единицу.

Работа снарядов фиг.1-5 осуществляется следующим образом.

На фиг.1 после сгорания метательного заряда снаряд начинает перемещаться в стволе, преодолевая (кроме инерционных и кулоновых сил) силу трения ведущего пояска 3 вдоль нарезки ствола. При движении снаряда внутри ствола снаряду передается со стороны нарезки через ведущий поясок 3 вращательное движение, стабилизирующее его полет на последующем пассивном участке траектории (после вылета из ствола). В данном случае ведущий поясок 3 является стабилизирующим устройством. Большое значение при движении снаряда в стволе имеет усилие, которое необходимо для обеспечения начала движения снаряда, так как оно влияет на величину максимально допустимого рабочего давления в стволе.

В случае эпиламирования наружной поверхности ведущего пояска это усилие уменьшается, т.е. появляются резервы для увеличения начальной (а следовательно, и последующей) скорости полета за счет увеличения массы метательного заряда (для компенсирования величины уменьшения рабочего давления в стволе). После вылета снаряда из ствола начинает действовать фактор снижения поверхностной энергии на эпиламированную его поверхность (вдоль всей наружной поверхности снаряда), уменьшая лобовое и поверхностное сопротивление. Результирующим эффектом является повышение дальности полета снаряда.

На фиг.2 работа снаряда осуществляется аналогично работе снаряда фиг.1 при движении его в стволе. Компенсирование величины уменьшения давления в каморе ствола может быть осуществлено за счет увеличения массы метательного заряда.

Это приводит к соответствующему увеличению начальной, а также и последующей скорости полета снаряда и, следовательно, увеличению его кинетической энергии на пассивном участке траектории, что, естественно, повышает его бронебойное действие.

На фиг.3 начальная работа снаряда осуществляется аналогично работе снаряда фиг.2 на активном участке траектории (внутри ствола). На пассивном участке траектории происходит дополнительное увеличение скорости полета (а следовательно, и кинетической энергии снаряда) за счет уменьшения лобового сопротивления на эпиламированном баллистическом наконечнике 2. После удара наконечник 2 разрушается и бронебойное действие осуществляет неэпиламированный корпус 1. Внешний вид снаряда после воздействия на броню под углом 30° приведен на фиг.6.

На фиг.4 работа снаряда (ракеты) аналогична работе снаряда фиг.1 на пассивном участке траектории (так как запускается снаряд не из ствола, а из пусковой установки). Отличие состоит в том, что при его отстреле из пусковой установки функцию стабилизирующего устройства 3 выполняет хвостовое оперение. При использовании снаряда в водной среде (в качестве торпеды) работа его аналогична работе снаряда (фиг.4) в воздушной среде.

На фиг.5 работа снаряда (ракеты) аналогична работе снаряда фиг.4.

Кроме того, эпиламирование корпуса 1 и стабилизирующего устройства (крыльев 3_а) только в верхней их части обеспечивает действие дополнительной подъемной силы вследствие "отлипания" слоя воздуха от верхней поверхности снаряда на этих участках. Увеличение подъемной силы может способствовать повышению дальности полета снаряда (ракеты) не только за счет улучшения аэродинамических характеристик, но также и за счет уменьшения габаритов и массы снаряда (в частности, за счет уменьшения габаритов несущих крыльев). При значениях меньших 0,5, величина подъемной силы начинает уменьшаться, так как уменьшается эффект "отлипания" воздуха от верхней поверхности снаряда.

Эффективность предложенного технического решения подтверждена натурными испытаниями наиболее предпочтительного варианта исполнения снаряда (фиг.1).

В испытаниях использовались 152-мм снаряды к системе "МСТА-СМ".

Испытания проводились с использованием снарядов, наружная поверхность которых была эпиламирована по всей длине, включая полимерный ведущий поясок (что соответствует соотношениям и ) и контрольных снарядов, поверхность которых не эпиламирована.

Эпиламирование наружной поверхности снарядов осуществлялось путем нанесения кисточкой в два слоя эпиламирующего состава на поверхность снаряда при температуре 20-25°С с просушкой после нанесения каждого слоя в течение 30-40 минут при этой же температуре.

В таблице приведены результаты оценки баллистических характеристик 152-мм снаряда к системе "МСТА-СМ" с улучшенными геометрическим параметрами: отношение длины оживальной носовой части 1 к калибру (диаметру снаряда) равнялось 3.

В таблице приняты следующие обозначения:

L - средняя дальность полета;

ΔL - приращение дальности полета;

V - начальная скорость снаряда;

Р - максимальное давление в каморе орудия;

ΔL_p - приращение дальности полета за счет компенсирования уровня максимального давления в стволе

Из таблицы следует, что дальность полета снарядов содержащих эпиламирующее покрытие, увеличилось на 3,2-5,8% по сравнению с непокрытыми (контрольными) снарядами при одинаковой начальной скорости снарядов.

Следует отметить, что в испытаниях использовались имеющиеся в наличии снаряды, наружная поверхность которых, кроме ведущего пояска, была покрашена нитроэмалевой краской, что заведомо ухудшает условия образования эпиламирующего покрытия, так как краска адсорбирует значительную часть покрытия в глубину. При использовании эпиламирующего покрытия можно будет вообще отказаться от окрашивания снарядов краской, так как эпиламирующие покрытия обладают более высокими гидрофобными, антикоррозионными характеристиками, а также более высокой ударной износостойкостью [6], что является дополнительным преимуществом с точки зрения условий хранения и эксплуатации снарядов.

Из таблицы следует также, что у снарядов, содержащих эпиламирующие покрытие на ведущем пояске 3, уровень максимального давления в каморе снизился на 2,4% при сохранении величины начальной скорости снаряда, т.е. улучшилось интегральное заполнение диаграммы "давление-время" в стволе. Это может быть объяснено меньшим усилием, необходимым для начального движения по нарезке ствола снарядов, ведущий поясок которых эпиламирован (длина ведущего пояска составляла 0,1 длины снаряда, т.е. соответствовала соотношению ).

Результаты расчетов показали, что компенсирование 2-2,5% по давлению за счет соответствующего увеличения массы метательного заряда должно привести к дополнительному увеличению дальности полета на 2-3% за счет естественного при этом увеличения начальной скорости снаряда.

Таким образом, повышение эффективности действия снарядов (ракет), поверхность которых эпиламирована, может быть обеспечено за счет увеличения дальности и скорости полета.

Изобретение может быть использовано при разработке различных типов снарядов (ракет).

Хотя наиболее подробно описан конкретный, предпочтительный вариант осуществления изобретения, следует считать, что изобретение не сводится по объему притязаний именно к этому варианту, а включает все изменения и модификации в рамках объема притязаний, определяемых прилагаемой формулой изобретения.

Источники информации

1. Патент RU №2110758, МПК; F 42 B 14/00, 14/02, oп. 1998.

2. Патент USА №5088415; Р 42 В 12/80, кл. 105-515, оп. 1993.

3. Патент RU №2168696, F 42 B 14/00 (прототип).

4. М.М.Сущинский. Курс физики. Т. 1. - М.: Наука, 1973, стр. 66-267.

5. Химическая энциклопедия. Т. 3. - М.: Научное издательство "Большая российская энциклопедия", 1992, стр. 259-260.

6. Промышленные фторорганические продукты. Справочник. - Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1990, стр. 398-402.

7. Фторполимеры./Под ред. акад. И.Л. Кнунянца, проф. В.А. Пономаренко. - М.: Мир, 1975, стр. 346.

Изобретение относится к боеприпасам и может быть использовано при изготовлении артиллерийских снарядов и ракет. Снаряд содержит носовую часть, корпус и стабилизирующее устройство. Наружная боковая поверхность снаряда эпиламирована в соответствии с определенным условием. Стабилизирующее устройство может быть выполнено в виде ведущего пояска, поверхность которого эпиламирована. Носовая часть может быть выполнена в виде баллистического разрушающегося наконечника. Стабилизирующее устройство также может быть выполнено в виде хвостового оперения или представлять собой несущие крылья и хвостовое оперение. Таким выполнением снаряда достигается повышение его эффективности за счет увеличения дальности стрельбы. 4 з.п.ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Снаряд, содержащий носовую часть, корпус и стабилизирующее устройство, отличающийся тем, что наружная боковая поверхность снаряда эпиламирована в соответствии с условием:

где Х - длина снаряда, см;

хε - суммарная длина тех участков снаряда вдоль его продольной оси, наружная поверхность которых эпиламирована, см;

ε - количество участков снаряда вдоль его продольной оси, наружная поверхность которых эпиламирована, см;

Li - периметр i-го поперечного сечения на участке с эпиламированной наружной поверхностью, см;

li - протяженность эпиламированного участка поверхности снаряда по периметру i-го поперечного сечения снаряда, см.