УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТЕЛА Российский патент 2005 года по МПК F42B5/00 

Изобретение относится к системам общего назначения с передачей текучей среды, главным образом газов, изменением ее давления и последующего преобразования в кинетическую энергию снаряда (артиллерийского или пулевого снаряда, рабочего органа и т.д.).

Известна возникшая в 1944 году идея газовых редукторов системы «высокое-низкое давление»: перфорированная перегородка разделяет замкнутое пространство на две полости, вследствие чего происходит понижение статического давления газов после их дросселирования через перфорацию из первой полости во вторую [1].

Эта идея реализована, в частности, в боеприпасах: в некоторых 40-миллиметровых австрийских и германских гранатах [1, с.66-73], боеприпасах к гладкоствольному стрелковому охотничьему и др. оружию [2, 3].

Наиболее близким к заявленному изобретению по назначению и совокупности конструктивных признаков (прототипом) является устройство для перемещения снаряда, содержащее тело (гильзу боеприпаса) с двумя полостями, разделенными перегородкой с перфорацией в виде сквозных отверстий для поступления текучей среды под давлением из первой полости во вторую, размещенный в первой полости источник текучей среды (метательный пороховой заряд россыпью), связанный с устройством его воспламенения, и снаряд, ограничивающий вторую полость со стороны, противоположной перегородке, и установленный с возможностью перемещения вдоль продольной оси тела (гильзы) в направлении от перегородки под действием текучей среды (пороховых газов) во второй полости [4].

В нем, как и в перечисленных выше аналогах, толщина перегородки и, соответственно, длина отверстий в ней, превышают (как следует из чертежей) диаметр этих отверстий менее чем в четыре раза (обычно в 2-3 раза). Такое соотношение достаточно для решения задачи редукции давления.

Кроме того, в данном устройстве коэффициент перфорации существенно меньше максимально возможного (геометрически) его значения, предусмотрено несколько отверстий, они выполнены цилиндрическими, сама перегородка - жесткой, неподвижной и замкнутой, с образованием контейнера внутри второй полости, а снаряд - в виде пыжа-контейнера с дробовым зарядом, при этом П-образная в продольном сечении донная часть пыжа-контейнера частично охватывает перегородку.

Однако в устройстве-прототипе существенное понижение давления текучей среды (в данном случае пороховых газов как продуктов сгорания метательного порохового заряда в первой полости) 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) p_дин=0,5·р·v² (где ρ - плотность текучей среды, v - скорость потока) в общем балансе (p_ст+p_дин) в соответствии с уравнением Бернулли в объеме второй полости. Соответственно, давление текучей среды (пороховых газов) распределяется по поверхностям стенок второй полости, части перегородки и снаряда практически равномерно. Таким образом, энергия газов используется для сообщения снаряду ускорения недостаточно эффективно: через статическое в основном, причем уменьшенное вследствие тепловых потерь и редукции в перфорации, давление во второй полости.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является улучшение технико-экономических характеристик устройства за счет повышения динамического воздействия текучей среды (главным образом, пороховых газов) на снаряд и снижения ее статического воздействия на другие поверхности тела, ограничивающие наряду со снарядом вторую полость при сохранении еще не сгоревших частиц (зерен) источника текучей среды в первой полости.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для перемещения снаряда, содержащем тело, в частности гильзу, ствол или пусковую трубу, с двумя полостями, разделенными перегородкой с перфорацией в виде сквозных отверстий для поступления текучей среды под давлением из первой полости во вторую, размещенный в первой полости источник текучей среды, преимущественно метательный пороховой заряд россыпью или в картузе, связанный с устройством его воспламенения, и снаряд, ограничивающий вторую полость со стороны, противоположной перегородке, и установленный с возможностью перемещения вдоль продольной оси тела в направлении от перегородки под действием текучей среды во второй полости, в последней предусмотрена дополнительная поперечная перегородка, разделяющая ее на две части, с одним или более продольно ориентированными сквозными каналами, диаметр которых не менее чем в 4 (четыре) раза меньше их длины и превышает диаметр отверстий в упомянутой первой перегородке.

Решение поставленной задачи достигается также за счет дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):

- диаметр отверстий в первой перегородке может быть меньше усредненного минимального размера зерен порохового метательного заряда или иного источника текучей среды из условия их задержки в первой камере (это позволяет предотвратить прорыв сгорающих зерен заряда к каналам дополнительной перегородки и, соответственно, нарушение ими формирования газовых струй в указанных каналах);

- при предыдущей совокупности существенных признаков первая перегородка может быть выполнена с максимально возможным коэффициентом перфорации и толщиной, выбираемыми из условия прочности перегородки (это предотвращает чрезмерное увеличение давления в первой полости, являющейся камерой сгорания, и повышает эффективность формирования газовых струй в каналах дополнительной перегородки);

- в дополнительной перегородке может быть выполнено множество упомянутых сквозных каналов, диаметр которых меньше их длины в 5 (пять) раз (это - оптимальное соотношение диаметра и длины каналов в дополнительной перегородке, т.е. соотношение, при котором при прочих равных условиях из каналов дополнительной перегородки выходят струи правильной формы, без вихревых образований и с максимальной кинетической энергией в продольном направлении);

- каналы в дополнительной перегородке могут быть выполнены с переменным по их длине сечением (при этом расширяются возможности формирования указанных «правильных» струй в зависимости от условий на входе в каналы дополнительной перегородки и конкретного соотношения их диаметра и длины);

- при предыдущей совокупности существенных признаков перегородка, по крайней мере, с одним каналом, который может быть выполнен в виде сопла Лаваля (это позволяет использовать преимущества сопла Лаваля в новом его приложении);

- дополнительная перегородка может быть установлена на расстоянии от первой перегородки в пределах (5-15) % от их среднего диаметра (это - оптимальное расчетное соотношение внутренних размеров полостей с учетом дефицита свободных объемов в устройстве для перемещения снаряда, особенно если речь идет о малокалиберных боеприпасах, например для нарезного стрелкового оружия);

- при предыдущей совокупности существенных признаков первая перегородка может быть выполнена выпуклой в сторону второй полости и частично входить в конфузорную часть канала сопла Лаваля (это позволяет предотвратить нежелательное увеличение габаритов от введения по сути трехкамерной системы, перераспределив объемы первой и второй полостей в пользу первой, служащей для размещения метательного заряда и являющейся камерой сгорания, без заметного ущерба формированию струи на выходе сопла Лаваля);

- устройство может быть выполнено в виде боеприпаса с гильзой и артиллерийским или пулевым снарядом, при этом первая перегородка охватывает метательный заряд с образованием контейнера, дополнительная перегородка выполнена в виде вставных диска, цилиндра или втулки, и обе перегородки установлены без возможности их продольного перемещения в гильзе (это - рациональное конструктивное решение для частного случая реализации заявляемого изобретения - боеприпаса для артиллерийского или стрелкового оружия).

- при предыдущей совокупности существенных признаков дополнительная перегородка закреплена в упомянутом контейнере.

Среди известных устройств и способов 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 для преобразования давления текучей среды для перемещения тела пояснено на чертежах:

на фиг.1 показан продольный разрез устройства, вариант с плоскими перегородками, цилиндрической перфорацией и с образованием текучей среды (пороховых газов) под давлением как продукта сгорания порохового метательного заряда, где d₁ и l₁ - соответственно диаметр и длина отверстий перфорации (она же - толщина перегородки) первой перегородки, d₂ и l₂ - соответственно диаметр и длина отверстий перфорации (она же - толщина перегородки) второй (дополнительной) перегородки, b₁ - расстояние между перегородками, b₂ - расстояние между дополнительной перегородкой и снарядом, D - диаметр миделева сечения снаряда, V - скорость перемещения снаряда;

на фиг.2 - схема преобразования давления текучей среды и ее динамического воздействия на снаряд, где p₁, p_1ст, р₂, р_2ст, р₃, р_3ст и р_3дин - давление текучей среды, соответственно, суммарное и его статическая составляющая в первой полости и в первой части второй полости (т.е. между перегородками), суммарное и его статическая и динамическая составляющие во второй части второй полости;

на фиг.3, 4 - фрагмент вида в осевом направлении на первую и вторую (дополнительную) перегородки соответственно;

на фиг.5 показан фрагмент продольного разреза устройства, вариант с коническими каналами в дополнительной перегородке, где ϕ - угол при вершине конуса канала, d_cp - средний диаметр канала;

на фиг.6 - то же, с выпукло-вогнутой системой «первая перегородка - снаряд», где α - угол между продольной осью отверстия перфорации первой перегородки и продольной осью тела (и снаряда);

на фиг.7 - продольный разрез устройства, вариант с замкнутой первой перегородкой, с образованием контейнера внутри второй полости, охватывающего метательный заряд;

на фиг.8 - продольный разрез устройства, вариант с обеими перегородками в составе контейнера, дополнительной перегородкой с одиночным каналом в виде сопла Лаваля и с П-образным продольным сечением снаряда.

Устройство для перемещения снаряда содержит (см. фиг.1) первую полость 1, ограниченную стенками тела 2 (в частности, гильзы, ствола или пусковой трубы) и перегородкой 3 (в данном примере - неподвижной), и вторую полость, ограниченную стенками тела 2, перегородкой 3 и снарядом 4 (со стороны, противоположной перегородке 3). Снаряд 4 установлен с возможностью перемещения вдоль продольной оси 5 тела 2 (она же - продольная ось снаряда 4) в направлении от перегородки 3. Во второй полости предусмотрена дополнительная (вторая) поперечная перегородка 6, разделяющая ее на две части - первую 7 (между перегородками 3 и 6) и вторую 8 (между перегородкой 6 и снарядом 4).

В полости 1 расположен метательный пороховой заряд 9 или аналогичное вещество (смесь веществ) с возможностью его инициирования капсюлем-воспламенителем 10 или аналогичным инициирующим устройством и образованием при этом пороховых газов или иных газообразных продуктов под давлением р₁.

В перегородке 3, как и у прототипа, предусмотрена перфорация в виде параллельных (как правило) сквозных отверстий 11 диаметром d₁ и с продольными осями, параллельными (как правило) продольной оси 5. Соотношение диаметра d₁ и длины l₁ отверстий 11 (и, соответственно, толщины перегородки 3 в месте выполнения отверстий 11) определяется прочностью перегородки и может совпадать с соотношением этих величин в прототипе и др. близких аналогах. Однако в обязательном порядке величина d₁ меньше усредненного минимального размера зерен метательного заряда 9. Рекомендуется максимально возможный коэффициент перфорации перегородки 3 (см. фиг.3), т.е. с минимальными перемычками между отверстиями 11, определяемыми прочностью перемычек. Тем не менее, не исключена, в некоторых условиях, конструкция с одним отверстием 11 (не показана).

Плоские перегородки 3, 6 (простейший конструктивный вариант) могут быть выполнены неподвижными за счет их фиксации в осевом направлении штифтами или аналогичными фиксаторами 12.

Если перегородка 3 выполнена замкнутой с образованием контейнера (см. фиг.7) аналогично устройству-прототипу, то ее фиксация осуществляется в тыльной (донной) части устройства непосредственно со стенкой (донной стенкой) тела 2, например, резьбовым соединением 13 (в данном примере) или через переходную деталь (детали). Перфорация 11 в контейнере-перегородке 3 выполнена, преимущественно, в торцевой плоской ее стенке, ближайшей к дополнительной перегородке 6 (т.е. тоже как у прототипа). При этом к перфорации 11 не относится затравочное отверстие 14 перед капсюлем-воспламенителем 10, выполненное как продолжение капсюльного гнезда, например, в задней пробке 15.

В перегородке 6 предусмотрены сквозные каналы 16 (в количестве один или более), параллельные друг другу и продольной оси 5 тела 2 (как правило).

Диаметр d₂ каждого канала 16 не менее чем в 4 (четыре) раза меньше его длины l₂ (и, соответственно, толщины перегородки 6 в месте выполнения каналов 16). Рекомендуется соотношение не выше шести в пользу длины канала. Оптимальное соотношение d₂:l₂=1:5, как правило, при множестве каналов. Диаметр каналов 16 превышает диаметр отверстий 11: d₂>d₁. Соответственно, толщина дополнительной перегородки 6 превышает толщину перегородки 3.

Каналы 16 могут быть как цилиндрическими (см. фиг.1, 2, 6, 7), так и с переменным по их длине l₂ сечением, например коническими (см. фиг.5), с ориентацией основанием конуса в сторону перегородки 3. В последнем случае значения диаметра d₂ указаны (см. выше) для среднего значения d_cp от диаметров основания и вершины конуса канала 16. Угол ϕ при вершине конуса канала 16 находится, предпочтительно, в диапазоне от 16 до 24 градусов.

В числе возможных более сложных каналов 16 рекомендуется, в частности, одиночный канал, образующий совместно с телом дополнительной перегородки сопло Лаваля 17 (см. фиг.8), или система параллельно расположенных нескольких сопел Лаваля (не показаны), как правило, для больших диаметров устройства.

При одиночном сопле Лаваля перегородка 3 может быть выполнена с целью повышения компактности устройства в целом выпуклой в сторону полости 2 и частично входящей в конфузорную часть канала сопла Лаваля 17 (не показано).

Целесообразна установка дополнительной перегородки 6 на расстоянии b₁ от перегородки 3 в пределах от 5 (пяти) до 15 (пятнадцати) % от среднего диаметра перегородок 3, 6.

В любом случае рекомендуется выполнение перегородки 6 жесткой и неподвижной во избежание ее прогиба и других деформаций, приводящих к непараллельности выходящих из каналов 16 потоков текучей среды и, следовательно, их перемешиванию, вихреобразованию, взаимодействию с поверхностью снаряда 4 не под прямым углом и, соответственно, к энергетическим потерям.

Именно в обеспечение взаимодействия выходящего из каналов 16 потока текучей среды с поверхностью снаряда 4 под прямым углом вариант устройства с выпуклой перегородкой 6 и веерообразной ориентацией каналов 16 должен сопровождаться соответствующим образом вогнутой конфигурацией поверхности снаряда 4 (см. фиг.6). Однако в таком конструктивном варианте динамика текучей среды в части 8 второй полости несколько уступает динамике в варианте с плоской перегородкой 6. Эффектность взаимодействия потоков текучей среды со снарядом 4 также ниже. Выпукло-вогнутая система "перегородка 6 - снаряд 4" в большей степени согласуется с П-образным, в продольном сечении, вариантом выполнения донной (хвостовой) части снаряда 4 (см. фиг.6).

Расстояние b₂ между противолежащими поверхностями перегородки 6 и снаряда 4 (см. фиг.1, 2, 7, 8) не должно, как правило (при плоской перегородке 6), превышать восьми эквивалентных диаметров D миделева сечения снаряда 4 (при цилиндрической форме последнего D - это диаметр цилиндра).

Снаряд 4 может быть зафиксирован от преждевременного перемещения в осевом направлении, например, легкой завальцовкй 18 (см. фиг.1, 2, 7,8) вплоть до организации известных узлов форсирования.

Среди возможных заявленных устройств первостепенное значение имеет боеприпас (см. фиг.7, 8) с гильзой 2 и артиллерийским или пулевым снарядом 4. При этом перегородка 3 выполнена в виде контейнера с размещенным в нем пороховым метательным зарядом 9 россыпью, дополнительная перегородка 6 выполнена в виде вставных диска, цилиндра или втулки, причем перегородки 3 и 6 установлены без возможности их продольного перемещения в гильзе 2.

Если в варианте по фиг.7 перегородка 6 расположена отдельно от контейнера 3 и закреплена непосредственно в теле 2 (в цилиндрической стенке гильзы 2 посредством фиксатора 12), то в варианте по фиг.8 дополнительная перегородка (в качестве нее выступает сопло Лаваля 17) закреплена в контейнере 3, например, посредством резьбового соединения 19. При этом для удобства сборки-разборки боеприпаса в торцах деталей 3 и 17, обращенных к части 8 второй полости (заснарядному пространству), предусмотрены выборки (шлицы) 20 под отвертку.

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

Устройство работает следующим образом.

Текучая среда под высоким давлением, например пороховые газы, образующиеся непосредственно в полости 1 при сгорании порохового заряда (россыпью) 9, инициированного капсюлем-воспламенителем 10, поступает через отверстия 11 перегородки 3 в первую часть 7 второй полости (см. фиг.2, 7, 8). При этом зерна метательного заряда 9 в часть 7 второй полости не проникают (оставаясь в камере сгорания - полости 1) благодаря размеру перфорации 11, меньшей размера зерен. Кроме того, имеет место некоторая редукция давления текучей среды: в основном статическое (разнонаправленное в динамике) давление p₁(р_1ст) в полости 1 понижается также в преимущественно статическое давление р₂(р_2ст) в полости в части 7 второй полости.

Последнее, в свою очередь, преобразуется в соответствии с уравнением Бернулли и за счет указанных выше соотношений диаметра d₂ и длины l₂ каналов 16 (один к четырем и более, преимущественно до шести) в преимущественно динамическое давление р₃ (р_3дин существенно больше, чем р_3ст) в части 8 второй полости. Благодаря гарантированно не перекрытым зернами 9 каналам 16 исключена существенная неравномерность расхода газов между ними.

Текучая среда, сформировавшись в системе каналов 16 в параллельные, примерно одинаковые (за счет отмеченной выше задержки зерен 9 перегородкой 3) струи, движется после среза каналов 16 (т.е. после перегородки 6) в части 8 второй полости параллельными струями (см. фиг.2, 7) и оказывает динамическое давление на поверхность (дно) снаряда 4, сообщая ему ускорение в осевом направлении. Снаряд 4, преодолевая трение и сопротивление завальцовки 18, перемещается вдоль продольной оси 5 тела 2 (скорость V).

Оптимальное соотношение I₂/d₂=5 (экспериментальные данные при цилиндрической форме каналов 6) - наилучшее условие формирования указанных струй.

Минимальное расстояние между выходными срезами каналов 16 (см. фиг.4) обеспечивает минимум вихревых образований между струями и, соответственно, газодинамических (в конечном счете, тепловых) потерь. Это позволяет дольше сохранить сформировавшийся характер течения в части 8 второй полости: на участке b₂≤8D (также экспериментальные данные) не происходит существенных завихрений и снижения динамической составляющей р_3дин в общем давлении р₃.

Одновременно происходит (побочный положительный эффект) снижение давления на стенки тела 2 на уровне части 8 второй полости вследствие уменьшения доли статической составляющей р_3ст в общем давлении р₃. Это согласуется с тенденцией облегчения тела 2, обеспечения возможности использования пластмассовых и тонких металлических корпусных деталей.

Коническая форма (как простейший частный случай переменного сечения) каналов 16 (см. фиг.5) дает примерно ту же эффективность формирования струй при меньшем соотношении l₂/d₂. Однако условия «внешней» динамики, т.е. в части 8, будут несколько хуже из-за большего расстояния между выходными срезами каналов 16.

В устройстве с соплом Лаваля (см. фиг.8) эффект преобразования статического давления текучей среды в динамическое усиливается за счет известных преимуществ сопла Лаваля.

При замкнутой (с образованием контейнера) перегородке 3 (см. фиг.7, 8) силы давлений p₁ и р₂ большей частью замыкаются на ней, снижая нежелательный «пробой» на внешние элементы устройства и окружающие тела.

Для рационального соотношения давлений p₁, р₂ и р₃ необходим, согласно авторским расчетам, минимальный объем части 7 второй камеры, определяемый рекомендуемым минимальным расстоянием между перегородками 3 и 6 в пределах (5-15)% от их среднего диаметра.

Таким образом, использование заявленного изобретения позволяет улучшить технико-экономические характеристики устройства за счет повышения динамического воздействия текучей среды на снаряд 4 и снижения ее статического воздействия на другие поверхности тела 2, ограничивающие наряду со снарядом 4 вторую полость (и, прежде всего, ее часть 8), и исключить при этом возможность проникновения еще не сгоревших частиц (зерен) источника 9 текучей среды в каналы 16 и/или их перекрытия на входе, что в силу несимметричности действия струй могло вызывать перекосы снаряда 4 при его перемещении в теле 2 и на дальнейших участках траектории вплоть до кувыркания во внешней среде.

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 A1, F 42 B 7/00, 21.11.1990.

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

Изобретение относится к системам общего назначения с передачей текучей среды, главным образом газов, изменением ее давления и последующего преобразования в кинетическую энергию снаряда. Устройство содержит тело с двумя полостями, в частности гильзу, ствол или пусковую трубу. Полости разделены перегородкой со сквозными отверстиями. В первой полости расположен источник текучей среды, преимущественно метательный пороховой заряд, который связан с устройством его воспламенения. В теле установлен снаряд с возможностью перемещения вдоль продольной оси в направлении от перегородки под действием текучей среды. Во второй полости предусмотрена дополнительная поперечная перегородка, разделяющая ее на две части, с одним или более продольно ориентированными сквозными каналами, диаметр которых не менее чем в 4 раза меньше их длины и превышает диаметр отверстий в первой перегородке. Использование изобретения позволяет улучшить технико-экономические характеристики устройства за счет повышения динамического воздействия текучей среды на снаряд и снижения статического воздействия на другие поверхности тела, ограничивающие наряду со снарядом вторую полость, и исключить при этом возможность проникновения еще не сгоревших частиц источника текучей среды в каналы и/или их перекрытия на входе. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для перемещения снаряда, содержащее тело, в частности гильзу, ствол или пусковую трубу с двумя полостями, разделенными перегородкой с перфорацией в виде сквозных отверстий для поступления текучей среды под давлением из первой полости во вторую, размещенный в первой полости источник текучей среды, преимущественно метательный пороховой заряд россыпью или в картузе, связанный с устройством его воспламенения, и снаряд, ограничивающий вторую полость со стороны, противоположной перегородке, и установленный с возможностью перемещения вдоль продольной оси тела в направлении от перегородки под действием текучей среды во второй полости, отличающееся тем, что во второй полости предусмотрена дополнительная поперечная перегородка, разделяющая ее на две части, с одним или более продольно ориентированными сквозными каналами, диаметр которых не менее чем в четыре раза меньше их длины и превышает диаметр отверстий в упомянутой первой перегородке.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диаметр отверстий в первой перегородке меньше усредненного минимального размера зерен порохового метательного заряда или иного источника текучей среды из условия их задержки в первой полости.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первая перегородка выполнена с максимально возможным коэффициентом перфорации и толщиной, выбираемых из условия прочности перегородки.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в дополнительной перегородке выполнено множество упомянутых сквозных каналов, диаметр которых меньше их длины в пять раз.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каналы в дополнительной перегородке выполнены с переменным по их длине сечением.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что по крайней мере один канал в перегородке выполнен в виде сопла Лаваля.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительная перегородка установлена на расстоянии от первой перегородки в пределах 5-15% от их среднего диаметра.8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что первая перегородка выполнена выпуклой в сторону второй полости и частично входит в конфузорную часть канала сопла Лаваля.9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде боеприпаса с гильзой и артиллерийским или пулевым снарядом, при этом первая перегородка охватывает метательный заряд с образованием контейнера, дополнительная перегородка выполнена в виде вставных диска, цилиндра или втулки и обе перегородки установлены без возможности их продольного перемещения в гильзе.10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что дополнительная перегородка закреплена в упомянутом контейнере.