СПОСОБ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ПОРОХОВЫХ ГАЗОВ В КАНАЛАХ ДУЛЬНОГО ТОРМОЗА И КОНСТРУКЦИЯ ДУЛЬНОГО ТОРМОЗА Российский патент 2024 года по МПК F41F1/08 

Изобретение относится к области стрелково-пушечного вооружения и предназначено для увеличения полезного действия энергетического потенциала ядра пороховых газов (ПГ) посредством перераспределения их расхода через боковые окна и снарядное окно дульного тормоза, уменьшение отдачи выстрела.

Функциональность дульных тормозов (ДТ) ствольного оружия во многом определяется структурой потока ПГ в периоде последействия. В свою очередь структура потока определяется внутренним устройством ДТ, наружным устройством снаряда (пули, мины, гранаты) и скоростью его движения, энергетическим потенциалом истекающих ПГ. Степень влияния указанных факторов на функциональные свойства ДТ недостаточно изучена по ряду объективных причин, и еще в меньшей степени отражена в публикациях этого направления. Вместе с тем, очевидно, что основным из перечисленных факторов является энергетический потенциал ПГ.

Работа ДТ основана на известном способе рассеяния части потока ПГ через окна в корпусе ДТ. «При этом уменьшается расход газов в направлении оси канала, что уменьшает реактивную силу в направлении движения ствола, а вследствие поворота струи газов в каналах дульного тормоза или вследствие удара центральной струи о переднюю стенку тормоза возникает реактивная сила, действующая в направлении, обратном откату, и уменьшающая энергию отката» [1, с. 386]. Такой способ рассеяния ПГ обеспечивает их силовое действие ослабленным периферийным течением, кратковременно усиливающимся энергетическим потенциалом центрального ядра ПГ во время прохождения дном снаряда областей отводящих окон в корпусе ДТ. Для всех ДТ, работа которых основана на принципе рассеяния ПГ, тормозящее действие газов резко уменьшается сразу после вылета снаряда из полости ДТ.

Известны дульные тормоза высокой эффективности, используемые в артиллерийских орудиях. Исследование расхода ПГ для таких орудий выявляет неожиданно низкое использование энергетического потенциала газов. Так, для 122-мм орудия [2] с эффективностью ДТ 51% отношение расхода ПГ через боковые окна и снарядное окно составляет 6% к 94%. При этом время их основного истечения из боковых окон составляет 16% от всего времени периода последействия. Для 152-мм орудия [3] с эффективностью ДТ 62% расход составляет 14.45% к 85.55%, истечение из боковых окон длится весь период последействия.

Известен дульный тормоз (прототип) 88-мм орудия [4] с эффективностью 32%, отношением расхода ПГ через боковые окна и снарядное 5% к 95%. Время истечения ПГ через боковые окна составляет 13% от времени периода последействия.

Конструкция ДТ [4] содержит (фиг. 1) корпус 1 с цилиндрической частью I, следующие за ней соосно коническую часть II с углом наклона образующей конуса 27 градусов к оси корпуса 1, и цилиндрическую часть III. Цилиндрическая часть I корпуса 1 используется для крепления со стволом орудия.

Корпус 1 (фиг. 2) содержит входную полость 2 в цилиндрической части I корпуса 1 (фиг. 1), соосное ему снарядное окно 3 в передней стенке 4 (фиг. 2) цилиндрической части III корпуса 1 (фиг. 1), диафрагму 5 (фиг. 2) с размещенными в ней установочными кольцами 6 и 7 (фиг. 2). В конической части II корпуса 1 (фиг. 2) выполнены два профильных боковых окна 8, симметричных относительно центральной вертикальной плоскости, проходящей через ось корпуса 1. Выполнение окон 8 (фиг. 2) образует отбойные приливы 10 (фиг. 2), увеличивающие площадь опорной поверхности для истекающих пороховых газов. В цилиндрической части III (фиг. 1) выполнены два профильных боковых окна 9, симметричных относительно центральной вертикальной плоскости, проходящей через ось корпуса 1.

Недостатками способа рассеяния ПГ и конструкции ДТ-прототипа являются малый расход ПГ через боковые окна и малое время их истечения, приводящие к низкой эффективности использования энергетического потенциала ядра ПГ в периоде последействия.

Целью изобретения является увеличение полезного действия энергетического потенциала ядра пороховых газов (ПГ) посредством увеличения расхода пороховых газов через боковые окна ДТ, уменьшение отдачи выстрела.

Реализация способа обеспечивается операциями формирования поля давления ПГ в полости ДТ в периоде последействия:

- операцией увеличения плотности по тока газов за счет ограничения направлений их радиального расширения в полости ДТ и целенаправленной организации потоков течения (фиг. 3). С этой целью в полости корпуса 1 от цилиндрической части I (фиг. 3) до передней стенки 3 (фиг. 2) выполнены два цилиндрических продольных сегмента 11, симметричных относительно продольной вертикальной плоскости, проходящей через ось корпуса 1 с профильными ребрами жесткости 12 (фиг. 3), выполненными на наружных поверхностях сегментов. Ребра жесткости 12 скрепляют сегменты 11 с корпусом 1 тормоза в единое тело (фиг. 3, разрезы В-В и Е-Е);

- операцией увеличения скорости потока ПГ. Для этого коническая часть II (фиг. 4, коллаж) выполнена с углом ϕ наклона образующей конуса к оси корпуса 1, равным 16 градусам, исключена диафрагма 5 (фиг. 4, коллаж). Выход газов в полость корпуса 1 при их обтекании донной части движущегося в цилиндрических продольных направляющих сегментах 11 снаряда IV (фиг. 4, а, коллаж) за все время его нахождения в полости ДТ приводит к разрушению центрального ядра потока (фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7). Сформированный таким образом входной участок является плоским соплом с центральным телом (снарядом), обеспечивающим увеличение скорости потока газов и создание зоны их глубоког о разрежения;

- операцией акселерации потока ПГ при обтекании дна снаряда в зазор между цилиндрическими направляющими сегментами (фиг. 4, а, коллаж). Для этого (фиг. 8) сегменты 11 выполнены с углами раскрытия α0, равным 60 градусов в начале конического участка, и α1, равным 120 градусов при креплении с передней стенкой 3 корпуса 1. При такой дифференциации углов раскрытия цилиндрических сегментов 11 происходит ускорение потока ПГ и их глубокое разрежение в конической части, функционально эквивалентной конфузору плоского сопла;

- операцией торможения потока ПГ передней стенкой 3 корпуса 1 (фиг. 2) и формирования области высокого статического давления, достигающего и кратковременно превышающего дульное давление ПГ (фиг. 9).

- операцией задержания движущихся ПГ в полости корпуса 1 с целью увеличения времени их действия путем организации встречного движения потоков ПГ после отражения от передней стенки тормоза (фиг. 7), окружного встречного движения после выхода через зазор между цилиндрическими сегментами 11 (фиг. 10, а), после вылета снаряда из снарядного окна (фиг. 10, b). Геометрическая конфигурация компонентов ДТ обеспечивает сопротивление истечению ПГ и снижается негативное действие при истечении в сторону размещения расчета.

Габариты ДТ, конфигурация и площади боковых окон предлагаемой конструкции ДТ соответствует значениям этих характеристик ДТ-прототипа. Сравнительные габариты предлагаемой конструкции ДТ и ДТ-прототипа в четырех стандартных видах показаны на фиг. 12.

Величины статического давления на фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 9 приведены к безразмерному виду путем деления их на величину дульного давления орудия-прототипа.

Каждая операция отдельно и их общая совокупность обеспечивают течение пороховых газов приоритетно через боковые окна ДТ.

Работа дульного тормоза.

При прохождении дном снаряда внутренней полости 2 цилиндрической части 1 (фиг. 2) образуются каналы течения ПГ, ограниченные цилиндрическими сегментами 11 (фиг. 3, фиг. 4), внутренней поверхностью конического участка корпуса 1 (фиг. 4, а) и задней частью снаряда IV (фиг. 4, а). Каналы расположены вертикально и симметрично относительно горизонтальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса 1.

Пороховые газы, обладающие высокой концентрацией, обтекают снаряда, и, обгоняя его, достигают передней стенки корпуса, отражаются от нее и во встречном взаимодействии истекают через боковые окна 8, 9 (фиг. 2, фиг. 1а, фиг. 11). Горизонтальные виды на фиг. 11 отражают цифровые поля скорости ПГ, а вертикальные - цифровые поля статического давления ПГ. После вылета снаряда из корпуса ДТ (фиг. 10, фиг. 11) повышенное статическое давление ПГ препятствует их выходу через снарядное окно, обеспечивая приоритет боковых окон.

Расход газов на начальном участке периода последействия и за весь период последействия показаны на фиг. 13 и фиг. 14 соответственно. Такое перераспределение ПГ обеспечивает существенное увеличение силовых характеристик процесса последействия и функционирования ДТ (фиг. 15). Приведенные на фиг.15 данные соответствуют результатам вычислительного эксперимента, проведенного для штатного ДТ и пяти вариантов ДТ, приведенного в описании изобретения. Модель периода последействия строилась на решеточных уравнениях Больцмана [5, 6]., истечение газов из ствола соответствовало закону профессора Слухоцкого В.Е. [7].

Оценка вариантов проведена по интегральному показателю, объединяющему частные критерии качества (ϕ_i) указанные в первой строке фиг. 15, соотношением [8].

где

ϕ₁→max - максимальная тянущая сила ДТ;

ϕ₂→max - среднее значение тянущей силы ДТ;

ϕ₃→max - импульс тянущей силы ДТ;

ϕ₄→min - расход газов через снарядное окно;

ϕ₅→max - расход газов через боковые окна.

Значения весовых коэффициентов [8] приведены в последней строке фиг. 15, а значения интегрального критерия для каждого варианта конструкции ДТ приведены в последнем столбце фиг. 15.

Таким образом, целью изобретения, заключающаяся в увеличении полезного действия энергетического потенциала ядра пороховых газов посредством увеличения их расхода через боковые окна ДТ, и уменьшении отдачи выстрела достигается предложенным способом и реализующей его конструкцией ДТ.

Источники.

1. Серебряков М.Е. Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет. М.: Оборонгиз, 1962. - 703 с.

2. 122-мм гаубица Д-30 (2А18). Части I и II. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: Воениздат, 1972. - 232 с.

3. 152-мм гаубица 2A65. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

4. http://metspra.ru/kwk-36-156-для-тигр-i

5. Черчипьяни К. Теория и приложения уравнения Больцмана. М.: Мир, 1978. - 496 с.

6. Кривовичев Г.В. О расчете течений вязкой жидкости методом решеточных уравнений Больцмана. Компьютерные исследования и моделирование, 2013 т. 5 №2 с. 165-178.

7. Дьячков Ю.А., Краснов М.Н., Камшин С.В., Новичков С.А., Мелин Е.П. Оценка законов истечения пороховых газов в периоде их последействия. Военное обозрение №1 (9), 2021, с 50-56.

8. Дьячков Ю.А., Черемшанов М.А. Моделирование систем автомобилестроения. - Пенза, ПГУ, 2009. 239 с.

Способ перераспределения расхода пороховых газов в каналах дульного тормоза, при котором в процессе формирования поля давления пороховых газов организуют увеличение плотности потока газов за счет ограничения направлений их радиального расширения в полости дульного тормоза и организации потоков течения, увеличивают скорости потока пороховых газов, акселерируют поток пороховых газов при обтекании дна снаряда в зазор между цилиндрическими направляющими сегментами, тормозят поток пороховых газов передней стенкой корпуса дульного тормоза и образуют зоны повышенного статического давления, которое достигает и кратковременно превышает дульное давление пороховых газов, задерживают движущиеся пороховые газы в полости корпуса дульного тормоза для увеличения времени их действия за счет встречного движения потоков ПГ после отражения от передней стенки тормоза и окружного встречного движения ПГ после выхода через зазор между цилиндрическими направляющими сегментами после вылета снаряда из снарядного окна. Дульный тормоз содержит корпус с выполненными соосно и последовательно цилиндрической частью, скрепленной со стволом, конической частью, цилиндрическую часть с передней стенкой и снарядным окном в ней, две пары боковых окон. Окна выполнены в конической и второй цилиндрической частях корпуса тормоза симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса тормоза. Коническая часть тормоза выполнена с углом наклона образующей 14 градусов к продольной оси корпуса. Во внутренней полости корпуса тормоза выполнены два цилиндрических направляющих сегмента как геометрическое продолжение внутренней полости ствола симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса тормоза. Зазоры между сегментами выполнены равномерно изменяющимися от угла раскрытия 60 градусов в начале конического участка до угла раскрытия 120 градусов в области передней стенки корпуса тормоза. На наружной поверхности продольных направляющих сегментов выполнены ребра жесткости, которые скрепляют сегменты с корпусом тормоза в одно тело. Технический результат - увеличение полезного действия энергетического потенциала ядра пороховых газов, уменьшение отдачи выстрела. 2 н.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ перераспределения расхода пороховых газов в каланах дульного тормоза, содержащий процесс пространственно-временного формирования дифференцированного поля статического давления пороховых газов в периоде последействия, отличающийся тем, что процесс формирования поля давления пороховых газов организуют как совокупность операций: операцию увеличения плотности потока газов за счет ограничения направлений их радиального расширения в полости дульного тормоза и целенаправленной организации потоков течения, операцию увеличения скорости потока пороховых газов, операцию акселерации потока пороховых газов при обтекании дна снаряда в зазор между цилиндрическими направляющими сегментами, операцией торможения потока пороховых газов передней стенкой корпуса дульного тормоза и образования зоны повышенного статического давления, достигающего и кратковременно превышающего дульное давление пороховых газов, операцию задержания движущихся пороховых в полости корпуса дульного тормоза с целью увеличения времени их действия путем организации встречного движения потоков ПГ после отражения от передней стенки тормоза, окружного встречного движения после выхода через зазор между цилиндрическими направляющими сегментами, после вылета снаряда из снарядного окна.

2. Дульный тормоз, содержащий корпус с выполненными соосно и последовательно цилиндрической частью, скрепляемую со столом, конической частью, цилиндрической частью с передней стенкой и снарядным окном в ней, двух пар боковых окон, выполненных в конической и второй цилиндрической частях корпуса тормоза симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса тормоза, отличающийся тем, что коническая часть тормоза выполнена с углом наклона образующей к продольно корпуса тормоза, равным 14 градусов, во внутренней полости корпуса тормоза выполнены два цилиндрических направляющих сегмента как геометрическое продолжение внутренней полости ствола симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса тормоза, зазоры между сегментами выполнены равномерно изменяющимися от угла раскрытия, равного 60 градусам в начале конического участка, до угла раскрытия, равного 120 градусам в области передней стенки корпуса тормоза, на наружной поверхности продольных направляющих сегментов выполнены ребра жесткости, скрепляющие сегменты с корпусом тормоза в одно тело.