ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ПУШКА Российский патент 2023 года по МПК F41B3/04 

Изобретение относится к области военной техники, в частности к машинам, способным метать артиллерийские снаряды без использования взрывчатых веществ, а только за счет центробежных сил.

Среди известных в военной технике центробежных катапульт, пушек и пулеметов, данное изобретение аналогов не имеет.

Не смотря на отсутствие близких аналогов, у этого изобретения все же имеется прототип, только из другой области техники - машиностроения, а точнее - прессового оборудования, и называется он - «Центробежный пресс-маховик», изобретенный автором заявки и зарегистрированный под номером 2021130565.

Чтобы понять принцип работы центробежной пушки, нужно сначала разобраться в устройстве ее прототипа - центробежного пресса, который отличается от других аналогичных машин тем, что его рабочим органом является ленточный маховик, только не цельной конструкции, а полый - с удаленной центральной частью обмотки, витки которой могут свободно скользить относительно друг друга, благодаря чему кольцо (или обод) маховика может в больших пределах изменять свою форму.

И второе его отличие - это расположение оси вращения, которая не перпендикулярна к плоскости намотки ленты, как в классическом маховике, а параллельна ей, благодаря чему он становится динамически неуравновешенным, и тогда в его ободе, при вращении, возникает дисбаланс (или разница) центробежных сил, отчего на его полюсах появляются силы, направленные внутрь маховика, которые с успехом можно использовать для обработки (деформации) заготовки.

Конструктивно пресс выполнен так: внутри станины по ее центру установлен ленточный маховик, имеющее форму овала вытянутого по вертикали. Он закреплен в держателях кольца (или обода), которые насажены на валы вращения, верхний из которых, имея возможность двигаться вверх-вниз, выходит наружу станины и удерживается в верхнем положении пружиной. Нижний вал вращения через ферму станины выходит наружу и соединяется с валом электропривода. Внутри маховика на держателях кольца закреплены стальные плиты, на нижнюю из которых установлена заготовка.

Работает пресс так: в режиме вращения, под действием центробежных сил, боковые части маховика начинают расходиться в стороны, его верхняя часть или "траверса" пресса, вместе со стальной плитой, опускаются на заготовку и после достижения маховиком расчетных оборотов, усилие пресса возрастает настолько, что начинает превышать предел текучести материала заготовки и она начинает деформироваться. После совершения прессом полезной работы, вращение маховика замедляют, применяя рекуперативное торможение электродвигателем.

Более подробно с конструкцией центробежного пресса и всех его разновидностей можно ознакомиться в вышеприведенной заявке, в которой приведены расчеты усилия пресса для стального ленточного маховика диаметром 3 м, шириной 0,6 м, толщиной 0,45 м и массой 20 тонн, который, при максимальной скорости вращения в 500 м/с, создает усилие равное 100 000 тонна-сил, что в 5000 раз превосходит его собственную массу.

Вращаясь со сверхзвуковой скоростью маховик запасает в себе колоссальную энергию - примерно 1200 МДж, от которой только небольшая часть идет на деформацию заготовки. Большая же часть запасенной энергии уходит обратно в электрическую сеть во время торможения маховика с помощью электродвигателя. Увеличить энергетическую отдачу пресса можно, если перейти от медленного или плавного режима работы к варианту, когда воздействие на заготовку осуществляется в ударном режиме. Расчеты показывают, что при массе подвижной части пресса - его "траверсы", равной 10 т и амплитуде хода в 1 м, она способна разогнаться до скорости 350 м/с и нанести мощнейший удар по заготовке. Выделенная при таком ударе энергия в 600 МДж, равная 140 кг тротила, способна разнести вдребезги не только саму заготовку, но и значительно повредить маховик со станиной, что накладывает ограничения на его использование в ударном режиме.

Очень мощная энергетика пресса и высокая скорость движения его "траверсы", натолкнули автора изобретения на идею использовать пресс в качестве орудия для стрельбы артиллерийскими снарядами, прежде всего крупных калибров. Конечно, для ее практической реализации, конструкцию пресса придется кардинально переработать, одни элементы убрать, а другие добавить, превратив его в настоящую центробежную пушку.

Ее главное отличие заключается в отсутствии внутри пресса стальных плит с заготовкой, а также кольцедержателей, функцию которых выполняет вертикальная стойка, служащая опорой для маховика и передающая на него момент вращения. Ее нижняя часть имеет вал вращения, который проходит сквозь станину и снаружи соединяется с валом электродвигателя, а верхняя часть имеет боковые горизонтальные отводы (балки), плавно изгибающиеся вниз и имеющие открытую снизу полость, ширина которой по всей длине совпадает с шириной ленты верхней части маховика, который вверху (вместе со стойкой) имеет отверстия, в которые запрессована нижняя часть полого вала, выполняя одновременно функцию ствола орудия. Стойка, если смотреть сбоку, имеет форму сильно вытянутого по вертикали прямоугольника, стороны которого в нижней части имеют вырезы, через которые внутрь нее подаются снаряды и ставятся в подставку или стакан (деталь с конической полостью), установленном на ленте маховика, которая в этом месте имеет расширение (выступы), посредством которых, во время разгона маховика, она фиксируется в нижнем положении с помощью защелки, в роли которой выступают четыре (по два с каждой из сторон стойки) поворотных подпружиненных элемента, изготовленных из стальных плит с дистанционным приводом и работающих по принципу собачки в храповом механизме.

Маховик пушки также имеет отличия от своего прототипа: для повышения эластичности его лента (или обод) имеет малую толщину набора, и ширина ее не постоянна - верхняя часть примерно в два раза шире нижней, и крепится она только одной, широкой стороной вверху стойки, а нижняя, узкая и подвижная сторона, разгоняющая снаряд, остается свободной и фиксируется в нижнем положении только защелкой.

По сравнению с прессом, станина у центробежной пушки более вытянута и заужена книзу, а также разбита на два сектора, разделенных толстой перегородкой. В верхнем, большом секторе, устанавливается сама пушка, а в нижнем, малом секторе - электродвигатель. А также для наклона пушки в сторону цели, станина имеет механизм поворота по вертикали (как в САУ), а если надо то и по горизонтали (как в полноценной пушке), т.е. она одновременно выполняет функцию артиллерийского лафета.

Одним из важнейших элементов пушки являются амортизаторы, поглощающие остаточную энергию ленты маховика, часть из которых устанавливается внутри его обода и предназначена для торможения нижней, более легкой его части, а другая, главная, часть амортизаторов устанавливается снаружи (в полостях балок отходящих от стойки) и служит для торможения как верхней, более тяжелой его части, так и легкой нижней.

Схема центробежной пушки изображена на фиг. 1 (вид спереди) и фиг. 2 (вид сбоку).

Для упрощения чертежа пушка нарисована без станины и электродвигателя, но при этом содержит все основные узлы, необходимые в работе.

Центробежное орудие состоит из вертикальной стойки 1, нижний вал которой проходит через перегородку в станине 2, где снаружи соединяется с электродвигателем. А в верхней части от стойки отходят две боковые балки 3, под которыми располагается лента или обод маховика 4, на внутренней поверхности которого расположены амортизаторы 5, а его нижняя часть (во взведенном состоянии) удерживается защелкой или фиксаторами 6 за выступы ленты, между которыми находится стакан со снарядом 7, который при выстреле вылетает наружу пушки через ствол 8.

Примечание: на фиг. 1 штриховыми линиями изображена только невидимая часть фиксаторов 6, а их видимая часть, чтобы не загромождать рисунок, не показана. У амортизаторов 5 показан только их наружный контур без внутренней структуры, а также полость в горизонтальных балках 3 изображена без амортизирующих элементов. Фрагмент станины 2 - это толстая перегородка, разделяющая внутреннюю полость станины на два сектора.

Так насколько мощным может быть центробежное орудие, созданное по вышеприведенной схеме? Из описания ударного варианта пресса следует, что при указанной массе маховика (20 тонн), ему вполне по силам разогнать снаряд весом несколько тонн до 500 м/с.Так что мешает это сделать на практике?

Все упирается в большой избыток энергии (скорости), который еще остается у ленты маховика после разгона снаряда. Ведь по понятным причинам, он не способен это сделать с КПД в сто процентов. Такой проблемы не существует в огнестрельной артиллерии, где вся остаточная энергия заряда уносится наружу вместе с пороховыми газами и рассеивается в атмосфере. И от ее решения зависит удастся ли такому орудию превзойти своих артиллерийских собратьев. Да, именно превзойти, поскольку со снарядами массой в десятки килограммов, вполне справляется и современная классическая артиллерия, более дешевая, простая и надежная в эксплуатации.

Понять насколько сложна эта задача по утилизации излишков энергии, можно, если рассмотреть ее на примере маховика, разгоняющего снаряд массой в одну тонну до скорости 500 м/с. Задав КПД пушки в 30% (как у большинства артиллерийских орудий), найдем, что остаток энергии маховика равен 250 МДж, что составляет 60 кг в тротиловом эквиваленте. И это очень много для сравнительно небольшого орудия с диаметром маховика в 3 - 4 метра, что приведет не только к его повреждению, но и разрушению. Теперь понятно, что у такого мощного орудия и амортизаторы должны быть супермощными. Если их сделать жидкостными с использованием воды, то ее потребуется примерно 650 литров, которую после выстрела каждый раз придется менять, поскольку она нагревается до кипения. Количество воды можно уменьшить, если предусмотреть возможность ее частичного превращения в пар. Но проблема тут не в количестве воды и ее замене, а в том как разместить ее или сами амортизаторы в полостях, вращающихся с большой скоростью, балок. Ведь большие центробежные силы, действующие на них, оставляют мало шансов на их успешную установку и эксплуатацию. И только для внутренних амортизаторов, размещаемых на ленте маховика, это еще можно сделать, но они являются второстепенными, по отношению к главным амортизаторам, поглощающим большую часть энергии. По этой причине, вместо жидкостных, газовых или вязких амортизаторов (на основе пеноматериалов), внутри ленты маховика можно установить обычные стальные пружины (рессоры), что уже принесет ощутимый эффект.

Еще затормозить ленту маховика (ее верхнюю, тяжелую часть) можно с помощью взрыва, разместив взрывчатку в полости балок и получив, таким образом, газовые амортизаторы взрывного типа. И если принять КПД этого процесса за 30%, то ее потребуется 180 кг, что вместе с остаточной энергией маховика это составит уже 240 кг взрывчатого вещества (ВВ). Можно себе представить какие громадные ударные нагрузки будут действовать в этом случае на балки, да и на пушку в целом. И какой они должны обладать прочностью, чтобы не разрушится. Но допустим, что эта проблема будет решена, то все равно закрепить взрывчатку в полостях балок (особенно на ее концах), из-за больших центробежных сил, не получится. Правда есть один способ как это обойти. Для этого потребуется жидкая или сыпучая ВВ, которую в контейнере размещают у основания балок, и в расчетный момент, с его внешней стороны, открывают крышку, после чего взрывчатка, под действием центробежных сил, начнет двигать к краям балок, равномерно распределяясь в их полости. Вот так, хотя бы теоретически, проблема взрывного торможения ленты поддается решению, но все равно непонятно, насколько такой способ осуществим на практике. Но дело совсем не в этом, а в том, что эти 180 кг взрывчатки можно с успехом использовать для разгона снаряда в обычной, хотя и очень большой пушке, что будет гораздо проще и дешевле.

Снизить ударные нагрузки при выстреле можно, увеличив КПД передачи энергии до 50 или даже до 90%, путем изменения соотношения масс снаряда и обода маховика, что приведет к уменьшению их конечной скорости. В первом случае (КПД - 50%) она упадет до 70% от максимально возможной, а во втором случае (КПД - 90%) скорость снизится до 25 - 30%, что составит всего 150 - 200 м/с, что конечно не устроит военных.

А что если сделать вращающиеся (вместе с маховиком) балки неподвижными, устранив тем самым главный недостаток такого варианта пушки - большие центробежные силы действующие на амортизаторы? Конечно, так можно сделать, только заранее предсказать в какое место придется удар обода маховика невозможно и поэтому, вместо узких балок, придется применить конструкцию в виде неподвижной сферической чаши, установленной соосно с маховиком, и открытой полостью обращенной книзу, в которой следует разместить, поглощающие удар, элементы амортизаторов. При этом масса чаши будет значительнее тяжелей исходной конструкции, и если, в качестве поглотителя энергии, использовать воду, то ее масса вместо 650 кг составит уже несколько тонн. Для ее размещения потребуется емкость, изготовленная из эластичного материала, состоящая из ячеек (отсеков), куда и будет заливаться вода. А поскольку маховик, после выстрела, еще будет иметь остаточную скорость вращения, его обод, в момент удара о емкости с водой, будет подвергаться большим боковым перегрузкам, для защиты от которых, ему потребуется экран в виде кожуха. Его функцию с успехом могут выполнить, расположенные над лентой (или под чашей), полые балки, которые придется немного доработать, сделав их более легкими и установив на шарниры.

Выстрел из пушки с водяными амортизаторами будет происходить так: после спуска защелки и разгона снаряда, верхняя часть маховика по инерции будет двигаться вверх и, после попадания в защитный кожух (полости балок), уже вмести с ним, она с большой силой ударит по емкости с водой, отчего та будет разрушена и вместе с водой разлетится во все стороны. И так будет происходить каждый раз при выстреле: емкость будет разрушаться и ее придется менять на новую, заново наполнять водой, которую еще предстоит собрать и перекачать в запасной резервуар. Несколько таких выстрелов-ударов и воду, нагретую до кипения, придется полностью заменить на новую, холодную. Понятно, что на все это будет уходить много времени, скорострельность пушки будет крайне низкой, эксплуатационные расходы высокими, и поэтому такое орудие, для применения в армии, военными будет не востребовано.

Так что с мечтой о сверхмощной центробежной пушке, скорее всего, придется расстаться: непреодолимые технические сложности не позволят реализовать конструкцию, пригодную для практического использования.

Пушка состоит из станины-лафета, по центру которой расположена вертикальная стойка, внутри которой установлен стальной ленточный маховик с гибким и тонким ободом. Ось вращения маховика лежит в плоскости намотки ленты. Верхняя, более широкая, часть обода маховика закреплена внутри стойки, а нижняя, узкая и подвижная в режиме вращения, удерживается во взведенном состоянии защелкой, рядом с которой на ленте устанавливается снаряд. Нижний вал вращения стойки подсоединен к электродвигателю, а ее верхняя полая ось - ствол орудия, выходит наружу станины. От верхней части стойки отходят две изогнутые балки, в полостях которых располагаются амортизирующие элементы, поглощающие остаточную энергию ленты. На внутренней поверхности стойки расположены амортизаторы. Технический результат – метание тел со сверхзвуковой скоростью без использования взрывчатых веществ. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Центробежная пушка, предназначенная для метания артиллерийских снарядов, состоящая из станины, ленточного маховика полой конструкции, имеющего гибкий обод, намотанный из стальной ленты, ось вращения которого расположена параллельно плоскости намотки ленты, при этом маховик закреплен внутри вертикальной стойки, при виде сбоку стойка представляет собой вытянутый по вертикали прямоугольник, нижняя часть которой имеет вал вращения, проходящий сквозь станину, снаружи соединяющийся с валом электродвигателя, верхняя часть стойки имеет боковые горизонтальные отводы-балки, плавно изгибающиеся вниз и имеющие открытую снизу полость, ширина которой по всей длине совпадает с шириной ленты верхней части маховика, в верхней части которого выполнены отверстия, соответствующие отверстиям в стойке, в которые запрессована нижняя часть полого вала, выполняющего одновременно функцию ствола орудия, в нижней части стойки имеются вырезы, выполненные с возможностью подачи через них снарядов внутрь стойки и установки снарядов в деталь с конической полостью - стакан, закрепленный на ленте маховика, которая в этом месте имеет расширение или выступ, посредством которых, во время разгона маховика, лента фиксируется в нижнем положении с помощью защелки, в роли которой выступают четыре, по два с каждой из сторон стойки, поворотных подпружиненных элемента, изготовленных из стальных плит с дистанционным приводом и работающих по принципу собачки в храповом механизме, лента или обод маховика с малой толщиной набора и переменной ширины, верхняя часть примерно в два раза шире нижней, а сам обод прикреплен только одной, широкой, стороной вверху стойки, а нижняя, узкая и подвижная, сторона, выполненная с возможностью разгона снаряда, остается свободной, зафиксирована в нижнем положении только защелкой, станина пушки вытянута и заужена книзу и разделена на два сектора толстой перегородкой, где в верхнем, большом, секторе установлена сама пушка, а в нижнем, малом, секторе - электродвигатель, станина имеет механизм поворота по вертикали и по горизонтали, амортизаторы, поглощающие остаточную энергию ленты маховика, часть из которых установлена внутри его обода и служит для торможения как верхней, более тяжелой, его части, так и легкой, нижней, или местом крепления главных амортизаторов или поглощающего энергию вещества служит внутренняя, обращенная книзу, полость неподвижной сферической чаши, которая соосна с валом маховика и расположена сверху горизонтальных балок.

2. Центробежная пушка по п. 1, отличающаяся тем, что внутренний состав амортизаторов может быть твердым - металлические пружины, вязким - пеноматериал, жидким, газообразным или содержать взрывчатые вещества.