ГЛУШИТЕЛЬ ДЛЯ СТРЕЛКОВОГО ОРУЖИЯ Российский патент 2009 года по МПК F41A21/30 

Изобретение относится к многокамерным глушителям расширительного типа, предназначенным для механического подавлении звука при выстреле из стрелкового оружия.

В настоящее время наибольшее распространение получили многокамерные глушители расширительного типа и интегральные. Эффективность глушителя повышается при последовательном расположении нескольких камер, разделенных перегородками, тоже с отверстиями, соосными стволу, при этом рассчитывается его внутренняя газодинамика, когда за счет использования фигурных перегородок сложного профиля в его корпусе создаются поворот потока газа, противопотоки и турбулентные завихрения. Частицы газа, соударяясь, быстро теряют при этом свою энергию.

Из новейших отечественных разработок в этой области следует отметить винтовку снайперскую специальную (ВСС) "Винторез". В этом оружии глушитель интегрирован (но не составляет одно целое) со стволом обычного типа с завихрителями потока газов. Пороховые газы попадают в полость глушителя через ряд веерообразных отверстий в стенке ствола. В расширительной камере происходит сброс давления, затем газы разделяются на противопотоки и окончательно охлаждаются.

Известен интегрированный глушитель бесшумной снайперской винтовки «Винторез». Ствол в передней части (после газовой каморы) имеет несколько рядов отверстий, выводящих часть пороховых газов со дна нарезов в заднюю часть интегрированного глушителя. В передней части, перед дульным срезом ствола, глушитель имеет ряд стальных диафрагм с отверстием для пули, тормозящих пороховые газы внутри глушителя.

Известен глушитель для стрелкового оружия, в корпусе которого, установленном перед дульным срезом ствола, размещена стальная воронкообразная диафрагма с отверстием для пули, тормозящая пороховые газы внутри глушителя (см. US 5679916, F41A 21/30, 1997).

Задача изобретения - изменение внутренней конструкции глушителя в местах расположения наклонных диафрагм и звукообразования в свободном пространстве на глушитель, состоящий из перфорированного завихрителя, представляющего собой «винтообразную лестницу» с отверстиями в виде кольцевых секториальных областей и камеры с воронкообразной диафрагмой. При стрельбе в завихрителе с перфорацией возникают сильные завихрения пороховых газов, их скорость снижается, что приводит к уменьшению уровня интенсивности звука (громкости) на 12 дБ ниже, чем в штатном глушителе при прежних геометрических размерах корпуса глушителя,

Поставленная задача решается тем, что глушитель для стрелкового оружия, в корпусе которого, установленном перед дульным срезом ствола, размещена стальная воронкообразная диафрагма с отверстием для пули, тормозящая пороховые газы внутри глушителя, снабжен перфорированным завихрителем в виде «винтообразной лестницы» с отверстиями в форме кольцевых секториальных областей, имеющей 45 ступенек.

Для дальнейшего изложения использованы ссылки на фиг.1-9, на которых:

на фиг.1 - показана конструкция интегрированного глушителя бесшумной снайперской винтовки «Винторез»;

на фиг.2 - показана заявленная конструкция глушителя;

на фиг.3 - показан фрагмент конструкции завихрителя с перфорацией;

на фиг.4 - приведены зависимости давления и скорости частиц газа от времени t на сечении S₁;

на фиг.5 - показаны результаты расчета зависимости интенсивности звука от времени в точке наблюдения для штатного глушителя снайперской винтовки «Винторез»;

на фиг.6 - приведено сравнение результатов математического моделирования с натурным экспериментом;

на фиг.7 - зависимость интенсивности звука от угла завихрения пороховых газов;

на фиг.8 - показаны результаты математического расчета зависимости интенсивности звука в точке наблюдения от угла перфорации;

на фиг.9 - диаграмма направленности однокамерного глушителя с завихрением и перфорацией пороховых газов.

Для построения математических моделей звукообразования в глушителях использовались два вида базовых элементов:

1. Отрезок продольно-регулярного акустического волновода;

2. Стык акустических волноводов с различными структурами поперечных сечений.

Эти базовые элементы являются достаточно универсальными автономными блоками, из них можно строить широкий класс математических моделей неоднородностей для полости глушителя (диафрагмы, штыри, криволинейные поверхности различных перегородок и т.д.).

Для того чтобы определить акустическое поле в точке наблюдения М, необходимо знать функции P₁(t, r, α), на сечении S₁, которое является границей между стволом и глушителем. Из внутренней баллистики известно, что эти функции изменяются во времени по экспоненциальному закону: Р₁(t, r, α)=P₁(r, α)ехр(-βt), .

Считаем, что давление P₁(t, r, α) и вектор скорости частиц газа и не зависят от переменных r и α и являются постоянными величинами. Тогда функции Р₁(t, r, α) и на сечении S₁ представим в виде:

P₁(t, r, α)=Р₁ ехр(-βt), . Доопределим функции периодически с периодом Т=τ и представим временными рядами Фурье:

,

,

где

Фиг.4 - зависимости давления и скорости частиц газа от времени t на сечении S₁.

Временные гармоники давления Р₁(nω) и скорости частиц представим пространственным рядом Фурье

где P_k(1)(r, α), - собственные функции круглого акустического волновода. С учетом ортонормировки коэффициенты рядов Фурье (2) вычисляются следующим образом:

Подставляя (1) в (4), а (2) в (5), получаем формулы для вычисления коэффициентов пространственных рядов Фурье (3):

,

n = 0, ±1, ±2, …, m = 1, 2, 3, …,

где индекс k={0,m}, коэффициент A_0m определяется из условия ортонормировки:

.

Коэффициенты a_k(1)(nω), b_k(1)(nω) являются компонентами векторов a₁, b₁. Зная a₁,

b₂ и использую матричное выражение, находим вектора А, В, компонентами которых являются коэффициенты рядов. Для каждой временной гармоники (nω), используя ряды, определяем акустическое поле в точке наблюдения М. Нестационарное акустическое поле определяется по временным гармоническим составляющим с помощью рядов.

Входными величинами для расчета акустического поля являются P₁ (давление в стволе на бесконечно малом расстоянии от сечения S₁), (скорость частиц газа в стволе на бесконечно малом расстоянии от сечения S₁), параметры β и γ в экспоненциальных зависимостях давления и скорости частиц газа от времени t (фиг.1). Давление P₁, скорость частиц газа , параметры β и γ определяются экспериментальными методами или теоретически из решения внутренней задачи баллистики. Параметры β и γ определяем из длительности времени нагружения глушителя со стороны ствола. Так на уровне 0,25 параметры β и γ через длительность импульсов нагружения τ_β и τ_γ определяются

, .

Входными параметрами для математической модели являются: давление пороховых газов в стволе P₁ в сечении S_1,, скорость частиц газа в стволе в сечении S₂, длительность импульсов τ_β, τ_γ.

Математическое моделирование звукообразования бесшумной снайперской винтовки «Винторез».

На фиг.1 показана конструкция интегрированного глушителя бесшумной снайперской винтовки «Винторез». Ствол в передней части (после газовой каморы) имеет несколько рядов отверстий, выводящих часть пороховых газов со дна нарезов в заднюю часть интегрированного глушителя. В передней части, перед дульным срезом ствола, глушитель имеет ряд стальных диафрагм с отверстием для пули, тормозящих пороховые газы внутри глушителя.

На фиг.5 показаны результаты расчета зависимости интенсивности звука от времени в точке наблюдения М (r₀, θ₀, α₀) для штатного глушителя снайперской винтовки «Винторез»:

; P₁=13,7 МПа; τ_β=τ_γ=50 мкс; Т=900 мкс; r₀=3 м; r₀=0; θ₀=20°;

I₀=10¹² B_T/м²; кривая 1 - интенсивность звука в Вт/м²; кривая 2 - в децибелах.

Интенсивность звука определялась как

(среднее по времени значение плотности потока энергии, которую несет с собой звуковая волна). Результаты математического моделирования получены при количестве временных гармоник - 150; пространственных - 100. Гладкая поверхность неоднородности глушителя апроксимировалась ступенчатой моделью, количество ступенек - 45. Дальнейшее расширение базиса временных, пространственных гармоник и увеличение количества ступенек практически не изменяло результатов математического моделирования (внутренняя сходимость вычислительного процесса).

Интенсивность звука I (Вт/м²) на графике (фиг.5) имеет резко выраженный экстремальный характер в окрестности точки t_max=25 мкс, в децибелах - импульс интенсивности звука растянут и имеет квазипрямоугольную форму (звуковое ощущение от выстрела будет наблюдаться в течение времени τ₀=430 мкс).

На фиг.6 проведено сравнение результатов математического моделирования с натурным экспериментом. В точке М(r₀, θ₀, α₀) (r₀=3 м, θ₀=15°, α₀=0) измерялась интенсивность звука в децибелах, она была равна 124 дБ. Фиг.6 - диаграмма направленности штатного глушителя к снайперской винтовке «Винторез»: ; P₁=13,7 МПа; τ_β=τ_γ=50 мкс; Т=900 мкс; r₀=3 м; Δθ=15°; α₀=0;

― - математический расчет; о - эксперимент.

Изменяя в математической модели давление в канале ствола P₁, добились, что расчетное значение интенсивности звука совпадает с экспериментальным (Р₁=13,7 МПа). Остальные точки на графике получены с помощью математической модели при Р₁=13,7 МПа. Как видно из графика на фиг.6, совпадение результатов математического моделирования с экспериментом вполне удовлетворительное.

На фиг.2 показана заявляемая конструкция глушителя с завихрением акустического потока на базе глушителя снайперской винтовки «Винторез».

Фиг.2 - конструкция глушителя с завихрением пороховых газов на базе интегрального глушителя снайперской винтовки «Винторез»

Математическое моделирование винтовой поверхности проводилось с использованием двух базовых элементов:

- отрезок акустического волновода с секториальной областью кольца;

- стыка двух акустических волноводов с различными секториальными областями колец.

Базовые элементы позволяют моделировать винтовую поверхность как сплошную (α_p=0), так и с перфорацией (α_p≠0). Эти базовые элементы рассматривались как акустические волноводные трансформаторы, для них определялись матрицы рассеяния и импеданса, необходимые для построения декомпозиционной математической модели звукообразований в глушителе.

Фиг.7 - зависимость интенсивности звука от угла завихрения пороховых газов: , Р₁=13,7 МПа, τ_β=τ_γ=50 мкс,

Т=900 мкс, r₀=3 м, α₀=0, θ₀=15°; кривая 1 - α₁=α₂=9°, α_p=0;

кривая 2 - α₁=α₂=7°, α_p=2°.

На фиг.7 показаны результаты математического расчета зависимости интенсивности звука в точке наблюдения М(r₀, θ₀, α₀)(r₀=3 м, θ₀=15°, α₀=0) от угла завихрения пороховых газов, который определялся количеством витков винтовой поверхности. Из графиков на фиг.7 видно, что при ψ>4π перфорация снижает уровень интенсивности звука, при этом наименьшее значение интенсивности звука смещается в сторону больших углов завихрения. Наименьшие значения интенсивности звука наблюдаются для углов завихрения ψ=4π÷6,5π и составляют, примерно, 122 дБ.

Пакет прикладных программ, разработанный на основе декомпозиционного подхода решения краевых задач, позволяет проводить вычислительный эксперимент для широкого класса структур неоднородностей в полости глушителя. На фиг.2 показана заявляемая конструкция, разработанная и созданная на основе вычислительных экспериментов.

Фиг.2 - двухкамерный глушитель: 1 - камера с завихрителем и перфоратором; 2 - камера воронкообразная диафрагма; 3 - криволинейная диафрагма. Конструкция глушителя состоит из перфорированного завихрителя и камеры с воронкообразной диафрагмой. Перфорированный завихритель представляет собой «винтообразную лестницу» с отверстиями в виде кольцевых секториальных областей. Фрагмент «винтообразной лестницы» с перфорацией показан на фиг.2. Во время стрельбы в завихрителе с перфорацией возникают сильные завихрения пороховых газов, их скорость снижается, что приводит к уменьшению уровня интенсивности звука.

Фиг.3 - фрагмент конструкции завихрителя с перфорацией: α₁, d - размеры ступеньки; α_p - угол перфорации.

На фиг.8 показаны результаты математического расчета зависимости интенсивности звука в точке наблюдения М(r₀, θ₀, α₀) в зависимости от угла перфорации, при этом количество оборотов «винтообразной лестницы» оставалось постоянным и было равно 4π (два оборота).

Фиг.8 - зависимость интенсивности звука от угла перфорации: , P₁=13,7·10⁶ H/м², τ_β=τ_γ=50 мкс,

Т=900 мкс, r₀=3 м, α₀=0, θ₀=15°, α₁=9°, d=(α_p+90)/12

если толщину ступеньки (фиг.8) брать равной . При небольших углах перфорации, как видно из графика на фиг.8, наблюдается уменьшение уровня интенсивности звука. Это объясняется тем, что при малых углах перфорации происходит взаимодействие перфорированных потоков с вихревыми, которое приводит к уменьшению уровня интенсивности звука. При больших углах перфорации скорость вихревых потоков пороховых газов снижается, а это приводит к увеличению уровня интенсивности звука.

На фиг.9 показаны результаты математического расчета диаграммы направленности однокамерного глушителя с завихрением и перфорацией пороховых газов и сравнение их с экспериментальными результатами. Как видно из графика на фиг.9, совпадение результатов математического моделирования с экспериментом вполне удовлетворительное.

Фиг.9 - диаграмма направленности однокамерного глушителя с завихрением и перфорацией пороховых газов: , Р₁=13,7 МПа, τ_β=τ_γ=50 мкс, Т=900 мкс, r₀=3 м, α₀=0, θ₀=15°, α₁=9°, α_p=3°, d=2 мм.

Таким образом, предложена конструкция однокамерного глушителя с воронкообразной диафрагмой, завихрением и перфорацией пороховых газов. Проведено математическое моделирование звукообразования и сравнение результатов с экспериментом. Показано, что уровень интенсивности звука для однокамерного глушителя с завихрением и перфорацией пороховых газов на 12 дБ ниже, чем для штатного интегрированного глушителя к снайперской винтовке «Винторез».

Глушитель содержит установленный перед дульным срезом ствола корпус, в котором размещена стальная воронкообразная диафрагма с отверстием для пули, тормозящая пороховые газы внутри глушителя. Для снижения уровня интенсивности звука он снабжен перфорированным завихрителем в виде «винтообразной лестницы» с отверстиями в форме кольцевых секториальных областей, имеющей 45 ступенек. 9 ил.

Глушитель для стрелкового оружия, в корпусе которого, установленном перед дульным срезом ствола, размещена стальная воронкообразная диафрагма с отверстием для пули, тормозящая пороховые газы внутри глушителя, отличающийся тем, что он снабжен перфорированным завихрителем в виде винтообразной лестницы, имеющей 45 ступенек с отверстиями, выполненными в форме кольцевых секториальных областей.