СВЕРХЗВУКОВОЙ РЕАКТИВНЫЙ СНАРЯД Российский патент 2009 года по МПК F42B15/00 

Изобретение относится к военной технике, а именно к сверхзвуковым реактивным снарядам и может быть использовано при создании систем залпового огня.

Особенностью таких высокоскоростных реактивных снарядов являются высокие требования, предъявляемые к правильному выбору конструктивно-компоновочной схемы, позволяющему обеспечить высокие энергетические характеристики без усложнения конструкции и при минимальных затратах.

Известны реактивные снаряды М8 и М13 (см., например, Куров В.Д., Должанский Ю.М. Основы проектирования пороховых ракетных снарядов. - М.: Оборонгиз, 1961, с.11), содержащие двигатель с сопловым блоком, закрытым аэродинамическим обтекателем.

Такая конструкция позволяет осуществить доставку реактивного снаряда к цели при относительной простоте конструкции, обслуживания и боевого применения.

Однако вследствие не оптимального выбора конструктивных параметров снаряды имеют малые скорости и большие возмущения при сходе с направляющих и движение их происходит с относительно небольшими скоростями, в результате чего дальность стрельбы не превосходит 10 км.

Таким образом, задачей данного технического решения (аналога) являлось создание относительно простой конструкции реактивного снаряда с дальностью стрельбы до 10 км.

Общими признаками между предлагаемой авторами конструкцией реактивного снаряда и объектом-аналогом является наличие двигателя с сопловым блоком и аэродинамического обтекателя.

Наиболее близкой по технической сути и достигаемому техническому результату является реактивный снаряд системы залпового огня «Смерч» (см., например, журнал «Military Parade», М. АО «Милитэри Перейд», may-June 1994, р.22-27/120-121), принятый авторами за прототип, содержащий корпус с центрирующими утолщениями и двигатель с сопловым блоком, закрытым аэродинамическим обтекателем.

Реактивный снаряд, принятый за прототип, функционирует следующим образом. После запуска реактивного двигателя снаряд движется по трубчатым направляющим и, благодаря наличию центрирующих утолщений, получает высокую скорость схода при небольших угловых возмущениях. Продукты сгорания двигателя истекают через сопло, создавая реактивную силу, разгоняющую снаряд до высоких скоростей, в 2,0...4,0 раза превышающих скорость звука. Аэродинамический обтекатель обеспечивает снижение силы лобового сопротивления. Благодаря этому снаряд - прототип имеет значительно большую дальность стрельбы и меньшее рассеивание. При этом стремление увеличить максимальную скорость снаряда приводит к значительному увеличению тепловых воздействий на наиболее нагруженный узел двигателя - сопловой блок. Температура в нем достигает 3000...3500К, что в сочетании с механическим воздействием твердых частиц продуктов сгорания может приводить к разгару критического сечения сопла (сечения с наименьшей проходной площадью) и связанному с этим падению реактивной силы.

Таким образом, задачей данного технического решения (прототипа) являлось повышение дальности стрельбы и снижение рассеивания снарядов за счет создания благоприятных условий для схода с направляющих и разгона снаряда до высоких сверхзвуковых скоростей.

Общими признаками с предлагаемой авторами конструкцией сверхзвукового реактивного снаряда является наличие в реактивном снаряде (прототипе) корпуса с центрирующими утолщениями и двигателя с сопловым блоком, закрытым аэродинамическим обтекателем.

В отличие от прототипа, в предлагаемом авторами сверхзвуковом реактивном снаряде в аэродинамическом обтекателе перед критическим сечением сопла на расстоянии (0,35...0,4)l_k от него выполнен ряд входных отверстий, а за критическим сечением сопла на расстоянии (0,55...0,6)l_k от хвостового торца снаряда - ряд выходных отверстий той же площади, при этом на корпусе снаряда перед входными отверстиями на расстоянии (0,22...0,33)l_k от них выполнен уступ, диаметр которого не превышает диаметра центрирующих утолщений, а площадь отверстий каждого ряда составляет

,

где l_k - расстояние между плоскостью критического сечения сопла и хвостовым торцом снаряда (м);

d - диаметр центрирующих утолщений корпуса снаряда (м);

d_y - диаметр уступа (м);

W - объем, ограниченный внутренней поверхностью обтекателя и наружной поверхностью соплового блока (м³);

М_max - максимальное полетное значение числа Маха.

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является создание сверхзвукового реактивного снаряда, обеспечивающего снижение теплового нагружения соплового блока за счет его принудительного охлаждения набегающим воздушным потоком и повышение за счет этого дальности стрельбы и стабильности тяговых характеристик двигателя.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном сверхзвуковом реактивном снаряде, содержащем корпус с центрирующими утолщениями и двигатель с сопловым блоком, закрытым аэродинамическим обтекателем, особенность заключается в том, что в нем в аэродинамическом обтекателе перед критическим сечением сопла на расстоянии (0,35...0,4)l_k от него выполнен ряд входных отверстий, а за критическим сечением сопла на расстоянии (0,55...0,6)l_k от хвостового торца снаряда - ряд выходных отверстий той же площади, при этом на корпусе снаряда перед входными отверстиями на расстоянии (0,22...0,33)l_k выполнен уступ, диаметр которого не превышает диаметра центрирующих утолщений, а площадь отверстий каждого ряда составляет ,

где l_k - расстояние между плоскостью критического сечения сопла и хвостовым торцом снаряда (м);

d - диаметр центрирующих утолщений корпуса снаряда (м);

d_y - диаметр уступа (м);

W - объем, ограниченный внутренней поверхностью обтекателя и наружной поверхностью соплового блока (м³);

М_max - максимальное полетное значение числа Маха.

Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между ними позволяет, в частности, за счет:

- выполнения в аэродинамическом обтекателе перед критическим сечением сопла на расстоянии (0,35...0,4)l_k от него ряда входных отверстий, а за критическим сечением сопла на расстоянии (0,55...0,6)l_k от хвостового торца снаряда - ряда выходных отверстий той же площади организовать обтекание соплового блока воздушным потоком и обеспечить за счет этого принудительное охлаждение его. Предлагаемое удаление входных и выходных отверстий от критического сечения сопла позволяет осуществить воздействие воздушного потока на наиболее теплонагруженную часть соплового блока. При большом разнесении рядов отверстий (входных на расстоянии большем 0,44, выходных - большем 0,64) снижается эффективность отбора тепла из зоны критического сечения, так как поток за пределами этой зоны дополнительно прогревается и снижается градиент температуры между стенкой соплового блока и обдувающим его воздухом. При малом разнесении рядов отверстий (входных на расстоянии меньшем 0,35l_k, выходных - меньшем 0,55l_k) охлаждению подвергается небольшая часть соплового блока, уменьшается продолжительность взаимодействия воздушного потока с сопловым блоком и эффективность охлаждения так же снижается.

- выполнения на корпусе снаряда перед входными отверстиями на расстоянии (0,22...0,33)l_k от них уступа, диаметр которого не превышает диаметра центрирующих утолщений изменить вектор скорости воздушного потока и направить его во входные отверстия аэродинамического обтекателя. Наличие уступа на данном расстоянии от входных отверстий создает вихревое течение сверхзвукового потока, в результате чего воздушный поток подходит к поверхности обтекателя в зоне входных отверстий под углом 13...18° к образующей обтекателя, увеличивая проток воздуха через единицу площади отверстий, а, следовательно, и интенсивность обтекания соплового блока (при отсутствии уступа направление движения воздушного потока параллельно образующей обтекателя). При большем или меньшем удалении уступа от входных отверстий поток подходит к обтекателю не в зоне расположения отверстий, что снижает эффективность охлаждения соплового блока. Для того чтобы уступ не вызывал увеличения силы лобового сопротивления и не приводил к снижению дальности стрельбы, его диаметр не должен превышать диаметра центрирующих утолщений.

- выполнения площади отверстий каждого ряда равной обеспечить оптимальный режим отвода тепла от соплового блока. Как показывают лабораторные исследования, при площади отверстий меньше время заполнения объема между внутренней поверхностью обтекателя и наружной поверхностью соплового блока (W) превышает оптимальное значение. В результате этого температура воздуха в этом объеме успевает сравниться с температурой сопла и отток тепла от соплового блока прекращается. При площади отверстий больше наоборот время заполнения объема и взаимодействия воздуха с нагретым сопловым блоком меньше оптимального, и отдача тепла от соплового блока не достигает максимума. При этом время контакта частиц воздуха с нагретым сопловым блоком уменьшается при увеличении скорости набегающего воздушного потока, характеризующейся безразмерной величиной числа Маха, и увеличивается при увеличении относительного диаметра уступа (так как в этом случае происходит более интенсивное торможение потока на уступе). Поэтому данные характеристики присутствуют в предлагаемой зависимости. Максимальный прогрев соплового блока достигает к моменту окончания работы двигателя. В этот же момент достигает максимума и (скорость реактивного снаряда). Таким образом охлаждение соплового блока наиболее актуально для момента, когда скорость набегающего воздушного потока максимальна, поэтому в предлагаемой зависимости для площади отверстий, целесообразно использовать величину М_max.

Сущность изобретения заключается в том, что сверхзвуковой реактивный снаряд, содержащий корпус с центрирующими утолщениями и двигатель с сопловым блоком, закрытым аэродинамическим обтекателем, в отличие от прототипа, согласно изобретению выполнен с рядом входных отверстий в аэродинамическом обтекателе на расстоянии (0,35...0,4)l_k перед критическим сечением сопла и с рядом выходных отверстий той же площади за критическим сечением сопла на расстоянии (0,55...0,6)l_k от хвостового торца снаряда, при этом на корпусе снаряда перед входными отверстиями на расстоянии (0,22...0,33)l_k выполнен уступ, диаметр которого не превышает диаметра центрирующих утолщений, а площадь отверстий каждого ряда составляет ,

где l_k - расстояние между плоскостью критического сечения сопла и хвостовым торцом снаряда (м);

d - диаметр центрирующих утолщений корпуса снаряда (м);

d_y - диаметр уступа (м);

W - объем, ограниченный внутренней поверхностью обтекателя и наружной поверхностью соплового блока (м³);

М_max - максимальное полетное значение числа Маха.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен общий вид сверхзвукового реактивного снаряда, а на фиг.2 - характер обтекания аэродинамического стабилизатора и соплового блока воздушным потоком.

Предлагаемый сверхзвуковой реактивный снаряд содержит корпус 1 с центрирующими утолщениями 2 диаметра d, двигатель 3 с сопловым блоком 4, который закрыт аэродинамическим обтекателем 5. В хвостовой части снаряда имеется свободный объем W, ограниченный наружной поверхностью соплового блока 4 и внутренней поверхностью аэродинамического обтекателя 5. В обтекателе 5 выполнены два ряда отверстий: входные 6 и выходные 7. Сопловой блок 4 имеет критическое сечение 8 (сечение с наименьшим диаметром d_min), располагающееся на расстоянии l_k от хвостового торца снаряда. Входные отверстия 6 в обтекателе 5 расположены на расстоянии l₁=(0,35...0,4)l_k от критического сечения 8 перед ним, а выходные отверстия 7 - на расстоянии l₂=(0,55...0,6)l_k от хвостового торца снаряда за критическим сечением 8. Входные 6 и выходные 7 отверстия имеют равную площадь . На корпусе снаряда 1 перед входными отверстиями 6 на расстоянии l₃=(0,22...0,33)l_k выполнен уступ 9 диаметра d_y.

Например, диаметр центрирующих утолщений корпуса снаряда составляет d=0,3 м, расстояние между плоскостью критического сечения сопла и хвостовым торцом снаряда - l_k=0,4 м, объем, ограниченный внутренней поверхностью обтекателя и наружной поверхностью соплового блока - W=0,016 м³. Снаряд разгоняется до скорости, которой соответствует максимальное полетное значение числа Маха М_max=4. Для такого снаряда наибольшее снижение теплового нагружения соплового блока достигается при выполнении в обтекателе перед критическим сечением сопла на расстоянии 0,14...0,16 м от него ряда из например шести входных отверстий площадью 0,021...0,028 м², на расстоянии 0,088...0,132 м перед которыми на корпусе снаряда выполнен уступ диаметром 0,28...0,3 м, а за критическим сечением сопла на расстоянии 0,22...0,24 м от хвостового торца снаряда - аналогичных выходных отверстий той же площади, что и входные.

Сверхзвуковой реактивный снаряд работает следующим образом.

После запуска двигателя 3 реактивный снаряд в течении некоторого времени движется по направляющей и центрируется в ней с помощью центрирующих утолщений 2. После схода с направляющих в результате работы двигателя 3 снаряд разгоняется до скорости V_max или соответствующего этой скорости числа Маха (М_max). При этом под действием высокотемпературных продуктов сгорания двигателя происходит нагрев соплового блока 4 и в первую очередь зоны критического сечения 8. В процессе полета корпус снаряда 1 обтекается воздушным потоком. При взаимодействии воздушного потока с уступом 9 изменяется вектор скорости потока, и он направляется во входные отверстия 6 обтекателя 5. Взаимодействуя с нагретой поверхностью соплового блока 4, воздух нагревается, охлаждая сопловой блок, и истекает через выходные отверстия 8. За счет выбора рациональных соотношений между расположением уступа, входных и выходных отверстий, а также рациональной площади рядов отверстий обеспечивается наиболее эффективный принудительный отбор тепла от соплового блока. В результате этого в 1,5...2 раза снижается тепловое нагружение соплового блока, что дает возможность применять в двигателе снаряда высококалорийные топлива, имеющие высокую температуру горения, и повысить за счет этого дальность стрельбы и стабильность тяговых характеристик двигателя.

Указанный положительный эффект подтвержден испытаниями опытных образцов сверхзвуковых реактивных снарядов, выполненных в соответствии с изобретением.

В настоящее время разработана конструкторская документация, проведены летные испытания, намечено серийное производство таких снарядов.

Изобретение относится к военной технике, а именно к сверхзвуковым реактивным снарядам и может быть использовано при создании систем залпового огня. Сверхзвуковой реактивный снаряд содержит корпус с центрирующими утолщениями и двигатель с сопловым блоком, закрытым аэродинамическим обтекателем. В отличие от прототипа в аэродинамическом обтекателе перед критическим сечением сопла выполнен ряд входных отверстий на расстоянии (0,35...0,4)l_k от него, а за критическим сечением сопла на расстоянии (0,55...0,6)l_k от хвостового торца снаряда - ряд выходных отверстий той же площади. Одновременно на корпусе снаряда перед входными отверстиями на расстоянии (0,22...0,33)l_k выполнен уступ, диаметр которого не превышает диаметра центрирующих утолщений, l_k - расстояние между плоскостью критического сечения сопла и хвостовым торцом снаряда, м. Изобретение позволяет снизить тепловое нагружение соплового блока за счет его принудительного охлаждения набегающим воздушным потоком в 1,5...2 раза и повысить за счет этого дальность стрельбы и стабильность тяговых характеристик двигателя. 2 ил.

Сверхзвуковой реактивный снаряд, включающий корпус с центрирующими утолщениями и двигатель с сопловым блоком, закрытым аэродинамическим обтекателем, отличающийся тем, что в аэродинамическом обтекателе перед критическим сечением сопла на расстоянии (0,35...0,4)l_k от него выполнен ряд входных отверстий, а за критическим сечением сопла на расстоянии (0,55...0,6)l_k от хвостового торца снаряда - ряд выходных отверстий той же площади, при этом на корпусе снаряда перед входными отверстиями на расстоянии (0,22...0,33)l_k от них выполнен уступ, диаметр которого не превышает диаметра центрирующих утолщений, а площадь отверстий каждого ряда составляет величину, определяемую соотношением

,

где l_k - расстояние между плоскостью критического сечения сопла и хвостовым торцом снаряда, м;

d - диаметр центрирующих утолщений корпуса снаряда, м;

d_y - диаметр уступа, м;

W - объем, ограниченный внутренней поверхностью обтекателя и наружной поверхностью соплового блока, м³;

M_max - максимальное полетное значение числа Маха.