РЕАКТИВНЫЙ СНАРЯД Российский патент 2004 года по МПК F42B15/00 

Предложенное изобретение относится к области ракетной техники, в частности к управляемым реактивным снарядам с гиперзвуковыми скоростями полета, и может найти применение в дальнобойных противотанковых управляемых ракетах (ПТУР) и зенитных управляемых ракетах (ЗУР) ближнего радиуса действия.

Повышение боевой эффективности ЗУР и ПТУР в настоящее время ведется не только за счет совершенствования систем управления, но и за счет увеличения их дальности стрельбы и скорости полета.

Известна конструкция противотанковой ракеты кинетического действия (патент RU №2108537, МКИ F 42 B 12/06, 15/00, опубл. 10.04.98 г., бюл. №10), принятая авторами за аналог изобретения. Она содержит корпус, являющийся одновременно корпусом реактивного двигателя, заряд твердого топлива, бронебойный стержень и вспомогательные исполнительные устройства, размещенные внутри заряда твердого топлива по его оси и скрепленные непосредственно или через соединительный элемент с задним дном корпуса, стенками корпуса и зарядом твердого топлива, головку самонаведения и органы управления.

Данная конструкция обеспечивает равномерное распределение нагрузки по длине корпуса и снижает эффективность действия элементов динамической или активной защиты танков на боевой элемент. Однако исполнение ракеты по монокалиберной схеме с неотделяемым стартовым двигателем, с боевым элементом, размещенным внутри двигателя, и головкой самонаведения, расположенной в головной части ракеты, не позволяет реализовать большие дальности стрельбы (свыше 3-5 км), так как для поддержания скорости ракеты, обеспечивающей пробитие лобовой брони танка (≈ 1600-2000 м/с) на максимальной дальности (≈ 15-20 км), необходим маршевый двигатель, компенсирующий аэродинамическую силу лобового сопротивления и работающий в течение всего времени полета ракеты на максимальную дальность, а это приведет к увеличению стартовой массы ракеты, следовательно, к необходимости увеличения габаритов и массы стартового двигателя за счет увеличения массы стартового заряда. Все вместе это приведет к уменьшению возимого боекомплекта и снижению боевой эффективности комплекса.

Размещение в корпусе двигателя бронебойного стержня и элементов его крепления с теплозащитными покрытиями не позволяет добиться высокой степени заполнения камеры двигателя топливом, что также ведет к необходимости увеличения габаритов двигателя, которые, как правило, всегда ограничены.

Применение головок самонаведения (ГСН) при стрельбе на большие дальности при гиперзвуковых скоростях полета может быть также малоэффективно, так как с ростом дальности полета необходимо увеличивать массу ГСН, кроме того, увеличивается подверженность ГСН различным помехам, в частности, возникающим вследствие аэродинамического нагрева головного обтекателя. Рост стартовой перегрузки при увеличении скорости ведет к росту шумов в ГСН и ее уводам, вызываемым дисбалансом рамок гироскопов. Указанные явления ведут, в свою очередь, к увеличению отклонения снаряда на начальном участке траектории, для устранения которого требуется дополнительное время, что увеличивает полное полетное время и снижает скорострельность комплекса.

Общими признаками аналога с предлагаемым изобретением являются наличие ракетного двигателя с зарядом твердого топлива и боевого элемента с исполнительными устройствами, размещенного по оси ракеты внутри двигателя.

В то же время для стрельбы на большие дальности широко могут использоваться реактивные снаряды, выполненные по бикалиберной схеме с отделяемым стартовым двигателем большого калибра (D_дв/d_пн ≥_2-3).

Поэтому наиболее близким аналогом, принятым авторами за прототип изобретения, является реактивный снаряд (патент RU №2133444, МКИ F 42 B 15/10, опубл. 20.07.99 г., бюл. №20), содержащий маршевую ступень с обтекателем и состыкованный с ней с помощью механизма разделения двигатель из композиционного материала с резьбовой втулкой в переднем полюсном отверстии, с корпусом двигателя цилиндрической формы с коническо-оживальной частью, с выполненным на наружной поверхности втулки кольцевым упором и хвостовиком и продольным пазом на внутренней поверхности. Наружная поверхность хвостовика втулки эквидистантна коническо-оживальной части корпуса двигателя, при этом во втулку установлен опирающийся кольцевым уступом тонкостенный металлический стакан, армированный с внешней стороны теплозащитным материалом, в дне которого установлено воспламенительное устройство, а на наружной поверхности - штифт, совмещенный с пазом втулки. Задняя часть маршевой ступени размещена в стакане и частично утоплена в двигателе, а в пороховом заряде на длину стакана выполнено диаметральное уширение, переходящее во внутренний канал заряда. Стакан закреплен на втулке накидной гайкой, закрытой снаружи термостойким пластмассовым конусом, сопрягающим своей наружной поверхностью оживальную часть двигателя и обтекателя, а между кольцевым упором и гайкой образован зазор, причем внутри передней части стакана выполнена трапециевидная кольцевая канавка, а на торце - радиальный паз.

Конструкция прототипа позволяет вести стрельбу на большие дальности без использования дополнительного маршевого двигателя благодаря применению бикалиберной схемы снаряда с отделяемым двигателем, позволяет использовать командную систему управления, большая часть аппаратуры которой размещается на носителе, а бортовая аппаратура размещена в корме маршевой ступени, где она практически не подвергается воздействию аэродинамического нагрева. Конструкция прототипа позволяет обеспечивать высокую степень заполнения камеры двигателя благодаря размещению в ней лишь части маршевой ступени.

Однако, как следует из представленных в патенте графических материалов, диаметральное уширение в заряде имеет цилиндрическую форму, что при заданном калибре маршевой ступени, диаметре переднего полюсного отверстия и глубине вдвижения маршевой ступени в двигатель свыше (1-2)· d_MC, где d_MC - диаметр маршевой ступени, может привести к значительному перепаду давления по длине зазора между поверхностью заряда и стакана, в котором размещается маршевая ступень. Вследствие перепада давления скорость потока в зазоре повышается, что приводит к увеличению скорости горения (в пределе - к эрозионному горению) и местному повышению давления в зазоре. При повышенных положительных температурах в зоне местного повышения давления, в зазоре вследствие деформации происходит локальное увеличение диаметра канала заряда. При этом за участком с увеличенным диаметром вверх и вниз по потоку следует сужение канала (в пределе - перекрытие зазора), что может привести к резкому нерасчетному повышению давления вследствие уменьшения расхода продуктов сгорания из образовавшегося объема и разрушению двигателя и снаряда. Увеличение скорости газового потока в зазоре с увеличением длины вдвижения маршевой ступени в двигатель приводит к необходимости увеличения толщины теплозащитного покрытия (ТЗП) стакана, что при заданном диаметре маршевой ступени d_MC ведет к необходимости увеличения диаметра переднего полюсного отверстия во втулке, что, в свою очередь, ведет к увеличению диаметра конического участка двигателя и росту его массы, ухудшению аэродинамических характеристик снаряда и соответственно к уменьшению его максимальной скорости, что недопустимо. Кроме того, вследствие увеличения скорости горения топлива заряда в зазоре, вызванного увеличением скорости газового потока, топливо на этом участке сгорает быстрее и вследствие этого возрастает время воздействия продуктов сгорания на стенку камеры двигателя, а именно на фланец. Это может привести к снижению прочности стыка маршевой ступени с двигателем, что приведет к увеличению колебаний маршевой ступени относительно стыковочного узла и к моменту отделения двигателя возможно возникновение возмущений, недопустимых из условия надежного функционирования системы управления (выход снаряда из поля управления).

Таким образом, задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности функционирования реактивного снаряда за счет исключения нестабильного горения топлива в двигателе и предотвращение колебаний маршевой ступени относительно стыковочного узла ее с двигателем.

Общими признаками прототипа с предлагаемым изобретением является наличие у снаряда отделяемого двигателя цилиндрической формы с коническо-оживальной частью, выполненного из композиционного материала, с резьбовой втулкой, имеющей хвостовик, вмотанной в переднюю часть двигателя и формирующей переднее полюсное отверстие, а также наличие маршевой ступени, задняя часть которой размещена в теплоизолированном стакане, в дне которого установлено воспламенительное устройство, и частично утоплена в двигателе, в диаметральном уширении порохового заряда, имеющем длину стакана и переходящем во внутренний канал заряда.

В отличие от прототипа в предлагаемом изобретении внутренняя поверхность хвостовика армирована эластичным теплозащитным покрытием, внутренняя поверхность которого образует с внутренней поверхностью хвостовика острый угол так, что толщина покрытия увеличивается в направлении полюсного отверстия, в районе которого образующая внутренней поверхности покрытия сопряжена радиусом с выполненным трапециевидным кольцевым выступом покрытия, причем внутренний диаметр выступа меньше внутреннего диаметра полюсного отверстия во втулке и внешнего диаметра посадочного места теплоизолированного стакана, при этом диаметральное уширение порохового заряда на длине стакана до 0,5-1,0 d_cm имеет цилиндрическую форму с диаметром, равным диаметру переднего полюсного отверстия во втулке, с последующим расширением по длине стакана до максимального диаметра D_max, расположенного над стыком воспламенительного устройства со стаканом и определяемого как:

где D_{пол.отв} - диаметр полюсного отверстия;

F_kp - площадь критического сечения сопла двигателя;

L_cm - длина стакана;

SΣ - суммарная поверхность горения заряда;

d_cm - внешний диаметр теплоизолированного стакана;

q(λ _доп) - функция приведенной допустимой скорости газа в зазоре между стаканом и поверхностью канала заряда, определяемая экспериментально конкретно для каждого топлива,

причем после максимального расширения заряд выполнен с сужением, переходящим в канал с поперечным сечением, обеспечивающим требуемый закон изменения тяги, проходная площадь которого меньше проходной площади поперечного сечения в районе максимального диаметра D_max конического участка уширения заряда.

Совокупность конструктивных элементов, их взаимное расположение и наличие оптимальных соотношений их геометрических размеров позволяет:

- за счет армирования внутренней поверхности хвостовика втулки эластичным теплозащитным покрытием, внутренняя поверхность которого образует с внутренней поверхностью хвостовика острый угол так, что толщина покрытия увеличивается в направлении полюсного отверстия во втулке, в районе которого образующая внутренней поверхности покрытия сопрягается радиусом с выполненным трапециевидным кольцевым выступом покрытия, причем внутренний диаметр выступа меньше внутреннего диаметра полюсного отверстия и внешнего диаметра посадочного места теплоизолированного стакана, исключить разупрочнение конструктивных материалов втулки и силовой оболочки двигателя в месте его стыковки с маршевой ступенью, а также уменьшить колебания маршевой ступени, способные отрицательно повлиять на функционирование системы управления;

- за счет того, что диаметральное уширение порохового заряда на длине стакана до 0,5-1,0 d_cm имеет цилиндрическую форму с диаметром, равным диаметру переднего полюсного отверстия, с последующим расширением по длине стакана до максимального диаметра D_max, расположенного над стыком воспламенительного устройства со стаканом и определяемого как:

где D _{пол.отв} - диаметр полюсного отверстия;

F_kp - площадь критического сечения сопла двигателя;

L_cm - длина стакана;

SΣ - суммарная поверхность горения заряда;

d_cm - внешний диаметр теплоизолированного стакана;

q(λ _доп) - функция приведенной допустимой скорости газа в зазоре между стаканом и поверхностью канала заряда, определяемая экспериментально конкретно для каждого топлива на специальных стендовых установках, позволяющих определять пороговую скорость газового потока, после достижения которой начинается эрозионное горение, и влияние скорости газового потока на скорость горения при скоростях потока, превышающих пороговую, исключить возможность нестабильного аномального горения заряда и разрушения двигателя и снаряда при жестком ограничении по габаритам и массе снаряда за счет уменьшения перепада давления по длине зазора в ≈ 1,5- 2,5 раза при снижении скорости газового потока в зазоре ≈ в 2 раза;

- за счет сужения канала заряда после расширения, максимальный диаметр D_max которого располагается над стыком воспламенительного устройства со стаканом, и перехода его в канал с поперечным сечением, обеспечивающим требуемый закон изменения тяги, проходная площадь которого меньше проходной площади поперечного сечения в районе максимального диаметра D_max конического участка уширения заряда, повысить объемную плотность заряжания двигателя, а следовательно, его полный импульс и максимальную скорость снаряда при ограничении по габаритам и заданной массе маршевой ступени.

Все это в совокупности позволило повысить надежность функционирования реактивного снаряда в широком диапазоне температур эксплуатации за счет исключения нестабильного горения топлива в двигателе и предотвращение колебаний маршевой ступени относительно стыковочного узла ее с двигателем, а также снять ряд ограничений по использованию топлив.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид реактивного снаряда; на фиг.2. - соотношение геометрических размеров элементов конструкции снаряда; на фиг.3 - конструктивное исполнение теплозащитного покрытия переднего фланца двигателя снаряда.

Предлагаемый реактивный снаряд содержит маршевую ступень 1 с обтекателем и состыкованный с ней с помощью механизма разделения двигатель 2 из композиционного материала цилиндрической формы с коническо-оживальной частью, с резьбовой втулкой 9, расположенной в передней части двигателя, имеющей хвостовик 11 и формирующей переднее полюсное отверстие. Задняя часть 3 маршевой ступени 1 размещена в теплоизолированном стакане 4, в дне которого установлено воспламенительное устройство 5, частично утопленном в двигатель, в диаметральное уширение 7 порохового заряда 10.

Для предотвращения возможности аномального горения заряда и разрушения двигателя и снаряда при жестком ограничении по габаритам и массе снаряда за счет уменьшения перепада давления по длине зазора между стаканом 4 и внутренней поверхностью заряда на длине вдвижения снаряда в двигатель диаметральное уширение 7 порохового заряда 10 на длине стакана до 0,5-1,0 d_cm имеет цилиндрическую форму с диаметром, равным диаметру переднего полюсного отверстия во втулке, расширяясь далее по длине стакана до диаметра D_max, большего диаметра переднего полюсного отверстия во втулке 9 и однозначно определяемого конструктивными параметрами снаряда и двигателя: диаметром переднего полюсного отверстия в резьбовой втулке 9 - D_{пол.отв}, площадью критического сечения сопла двигателя - F_кр, длиной стакана (глубиной вдвижения маршевой ступени в двигатель) - L_cm, суммарной поверхностью горения заряда -SΣ , внешним диаметром теплоизолированного стакана (калибром маршевой ступени) - d_cm и допустимым значением функции приведенной скорости газа в зазоре между стаканом и поверхностью канала заряда q(λ _доп), определяемой экспериментально конкретно для каждого топлива на специальных стендовых установках, позволяющих определять пороговую скорость газового потока, после достижения которой начинается эрозионное горение, и влияние скорости газового потока на скорость горения при скоростях потока, превышающих пороговую. Максимальный диаметр D_max уширения располагается над стыком воспламенительного устройства 5 со стаканом 4. Далее заряд 10 сужается и переходит в канал с поперечным сечением, обеспечивающим требуемый закон изменения тяги, проходная площадь которого меньше проходной площади поперечного сечения в районе максимального диаметра D_max конического участка уширения заряда.

Диаметральное уширение 7 формируется при заполнении двигателя топливом с помощью пресс-инструмента, состоящего из разрезных секторов, наружный диаметр которых в сложенном состоянии меньше диаметра переднего полюсного отверстия. В рабочем положении сектора поднимаются и диаметр рабочей части пресс-инструмента при этом увеличивается до необходимого размера. Для предотвращения затекания топливной массы в зазоры пресс-инструмента его внешняя рабочая поверхность защищается резиновым чехлом. После заполнения двигателя топливом и полимеризации заряда пресс-инструмент складывается и вместе с защитным чехлом извлекается из двигателя через переднее полюсное отверстие.

Для предотвращения разупрочнения конструктивных материалов втулки и силовой оболочки двигателя в месте стыковки двигателя с маршевой ступенью и недопущения колебаний маршевой ступени, способных отрицательно повлиять на функционирование системы управления, внутренняя поверхность хвостовика 11 втулки 9 армирована эластичным теплозащитным покрытием 6, внутренняя поверхность которого образует с внутренней поверхностью хвостовика острый угол. Толщина покрытия увеличивается в направлении полюсного отверстия, в районе которого образующая внутренней поверхности покрытия сопрягается радиусом с выполненным трапециевидным кольцевым выступом покрытия 8. Внутренний диаметр выступа D_выст меньше внутреннего диаметра полюсного отверстия и внешнего диаметра посадочного места теплоизолированного стакана 4.

Вышеописанный реактивный снаряд функционирует следующим образом.

После срабатывания воспламенительного устройства 5 происходит воспламенение поверхности заряда 10 и продукты сгорания топлива, образующиеся при горении заряда, истекая через сопло двигателя 2, создают тягу и реактивный снаряд разгоняется до заданной максимальной скорости. Образующиеся в районе переднего полюсного отверстия продукты сгорания протекают над поверхностью теплоизолированного стакана 4 с размещенной в нем задней частью 3 маршевой ступени 1. По мере удаления от переднего полюсного отверстия расход продуктов сгорания над стаканом увеличивается за счет увеличения поверхности горения заряда над стаканом. В случае цилиндрического кольцевого зазора это могло бы привести к увеличению скорости потока, местному повышению скорости горения топлива и нерасчетному росту давления. Однако благодаря постоянному по длине стакана увеличению диаметра канала расход продуктов сгорания по длине стакана возрастает незначительно и при этом не происходит разгона газа до скоростей, при которых возможно возникновение эрозионного горения топлива. По мере выгорания заряда в районе переднего полюсного отверстия проходные сечения для истечения продуктов сгорания увеличиваются, скорости газовых потоков снижаются и двигатель продолжает работу в штатном режиме. Теплозащитное покрытие 6, предотвращающее разупрочнение резьбовой втулки и стыковочного узла маршевой ступени с двигателем, имеет максимальную толщину у полюсного отверстия, так как время воздействия высокотемпературных газов на элементы конструкции в этом районе максимальное вследствие того, что толщина свода заряда в этом месте меньше, так как двигатель имеет оживально-коническую форму. Поскольку внутренняя поверхность камеры двигателя и хвостовика втулки начинают подвергаться нагреву не сразу, а по мере выгорания заряда, толщина теплозащитного покрытия уменьшается с удалением от полюсного отверстия, что не приводит к значительному росту массы конструкции. Трапециевидный кольцевой выступ 8 теплозащитного покрытия 6, внутренний диаметр которого D_выст меньше внутреннего диаметра полюсного отверстия и внешнего диаметра посадочного места теплоизолированного стакана 4, внутрикамерным давлением прижимается к стакану и тем самым дополнительно обеспечивает герметичность двигателя и предотвращает прорыв газов в зазор между стаканом 4 и втулкой 9.

Выполнение реактивного снаряда в соответствии с изобретением позволит повысить надежность его функционирования в широком диапазоне температур эксплуатации за счет исключения нестабильного горения топлива в двигателе и предотвращения колебаний маршевой ступени относительно стыковочного узла маршевой ступени с двигателем, что обеспечит повышение точности стрельбы.

Указанный эффект подтвержден огневыми стендовыми и летными испытаниями опытных образцов снарядов, изготовленных в соответствии с предлагаемым изобретением.

Предложенное изобретение относится к управляемым реактивным снарядам с гиперзвуковыми скоростями полета и может найти применение в дальнобойных противотанковых управляемых ракетах и зенитных управляемых ракетах ближнего радиуса действия. В реактивном снаряде, содержащем маршевую ступень с отделяемым двигателем из композиционного материала, цилиндрической формы с коническо-оживальной частью, задняя часть маршевой ступени размещена в теплоизолированном стакане и частично утоплена в двигателе. Внутренняя поверхность хвостовика втулки армирована эластичным теплозащитным покрытием переменной толщины, а диаметральное уширение порохового заряда на определенной длине стакана имеет цилиндрическую форму с последующим расширением по длине стакана до максимального диаметра, расположенного над стыком воспламенительного устройства со стаканом. После максимального расширения заряд выполнен с сужением. Такое выполнение снаряда позволяет повысить его надежность. 3 ил.

Реактивный снаряд, содержащий маршевую ступень с отделяемым двигателем, выполненным из композиционного материала, цилиндрической формы с коническо-оживальной частью, с резьбовой втулкой, имеющей хвостовик, вмотанной в переднюю часть двигателя и формирующей переднее полосное отверстие, при этом задняя часть маршевой ступени размещена в теплоизолированном стакане, в дне которого установлено воспламенительное устройство, и частично утоплена в двигателе, в диаметральном уширении порохового заряда, имеющем длину стакана и переходящем во внутренний канал заряда, отличающийся тем, что в нем внутренняя поверхность хвостовика армирована эластичным теплозащитным покрытием, внутренняя поверхность которого образует с внутренней поверхностью хвостовика острый угол так, что толщина покрытия увеличивается в направлении полюсного отверстия, в районе которого образующая внутренней поверхности покрытия сопряжена радиусом с выполненным трапециевидным кольцевым выступом покрытия, причем внутренний диаметр выступа меньше внутреннего диаметра полюсного отверстия во втулке и внешнего диаметра посадочного места теплоизолированного стакана, при этом диаметральное уширение порохового заряда на длине стакана до 0,5÷1,0 d_ст имеет цилиндрическую форму с диаметром, равным диаметру переднего полюсного отверстия во втулке, с последующим расширением по длине стакана до максимального диаметра D_max, расположенного над стыком воспламенительного устройства со стаканом и определяемого как

где D_{пол.отв} – диаметр полюсного отверстия;

F_кр – площадь критического сечения сопла двигателя;

L_ст – длина стакана;

SΣ – суммарная поверхность горения заряда;

d_ст – внешний диаметр теплоизолированного стакана;

q(λ_доп) – функция приведенной допустимой скорости газа в зазоре между стаканом и поверхностью канала заряда, определяемая экспериментально конкретно для каждого топлива,

причем, после максимального расширения заряд выполнен с сужением, переходящим в канал с поперечным сечением, обеспечивающим требуемый закон изменения тяги, проходная площадь которого меньше проходной площади поперечного сечения в районе максимального диаметра D_max конического участка уширения заряда.