Многоствольное орудие с неподвижным блоком стволов Российский патент 2024 года по МПК F41A19/69 

Авиационные, корабельные и сухопутные, особенно противовоздушные, средства современного артиллерийского и стрелкового вооружения требуют дальнейшего усовершенствования на основе новейших эффективных научно-технических достижений. Есть нерешенные очень принципиальные проблемы с функциональностью, надежностью и экономичностью скорострельных многоствольных орудий с вращающимся блоком стволов, которые применяются для поражения быстродвижущихся целей противника. Их скорострельность - до 16000 выстрелов/мин. против 600 выстрел ов/мин. у одноствольных - ограничение, обусловленное перегревом ствола орудия. Прочные массивные стволы, забандажированные в блоки, покрытые кожухами, имеют весьма значительные длины при малых диаметрах и моделируются очень массивными гибкими упругими стержнями, что «дико не оптимально» для быстрого вращения по всем критериям: функциональности, надежности, экономичности и всем остальным.

Многоствольные орудия содержат 4-10 и даже более стволов во вращающемся блоке: в новейших изделиях КНР - 20 / Электронный ресурс. Военное обозрение. Артиллерия, от 28.05.2021: https://topwar.ru/183442-novyj-jeksperiment-kitaja-20-stvolnaja-artillerijskaja-ustanovka.html/. Между собой стволы в блоке соединены рядом бандажей и/или закрыты наружным внешним кожухом. Скорость вращения ротора - порядка 1000 об/мин. Используется внешний привод вращения, как правило, электродвигатель.

Из-за столь быстрого вращения стволов, вибраций и ударных нагрузок, появления окружной составляющей скорости снарядов из-за вращения ствола резко падает точность и кучность стрельбы орудия, при весьма высокой стоимости каждого выстрела. Сам массивный термостойкий прочный блок стволов весьма инерционен, что приводит к задержкам в начале и конце стрельбы, потерям боеприпасов в этих фазах ведения огня и весьма большим энергозатратам по вращению столь тяжелого блока стволов.

Широко известна 20-мм скорострельная шестиствольная авиационная пушка с вращающимся блоком стволов массой 190 кг (без боекомплекта), длиной 1875 мм, скорострельностью 6000 выстрелов в минуту М61 Vulcan / Электронный ресурс.General Electric Gatling Cannon M61A1 GAU-4 20-mm Vulcan Cannon: https://www.f-106deltadart.com/weapons_20mm_cannon.htm/, принятая за прототип. Автоматические пушки и пулеметы подобной конструкции повсеместно используются в авиации, на флоте и сухопутной зенитной артиллерии. Скорострельность регулируется реостатом электропривода и варьируется от 3000 до 6000 выстрелов в минуту. Каждый из стволов имеет собственные затвор и патронник. Затворы перемещаются с помощью закрепленных на них роликов, которые перемещаются по специальному пазу в ствольной коробке. Запирание стволов производится путем поворота личинки затвора. Воспламенение гильзы - электроимпульсное. Питание боеприпасами может осуществляться из стандартной рассыпной ленты или при помощи механизма беззвеньевой подачи из барабанного магазина емкостью 1000 снарядов по специальному рукаву. Стреляные гильзы возвращаются обратно в магазин.

Еще более мощная 30-мм авиационная семиствольная пушка GAU-8/A Avenger имеет меньшую скорострельность: каждый ствол GAU-8/A совершает максимум 10 выстрелов в секунду, тогда как ствол М61 - почти 17, при одинаковой скорости снаряда у дульного среза 1050 м/с. По сути, максимальная скорострельность была заменена более тяжелым и точным снарядом, и для обеспечения длительного срока службы ствола потребовалась меньшая скорострельность на каждый ствол орудия.

Уменьшенная в размерах 20-мм авиапушка М61 Vulcan под стандартный винтовочный боеприпас НАТО калибра 7,62 мм представляет собой также широко известный многоствольный пулемет M134 Minigun.

При такой конструкции циклы операций по заряжанию, выстрелу и экстракции гильзы проводятся одновременно на разных стволах, что решает проблему перегрева и износа стволов при использовании одного ствола из-за чрезвычайно высокого темпа стрельбы. Кроме того, тепловая энергия выстрелов делится на несколько стволов: в разных системах от трех (GAU-19/А) до двенадцати (Fokker-Leimberger), что уменьшает их нагрев. Таким образом, по сравнению с одноствольной системой перегрев каждого ствола наступает значительно позже, и как следствие, увеличивается допустимое время непрерывной стрельбы.

Привод вращения блока стволов - электрический, пневматический, гидравлический или отводом пороховых газов; охлаждение стволов - воздушное или водяное. Зарубежные конструкции отдают предпочтение внешнему, чаще всего электрическому, приводу стволов. Главным «врожденным» недостатком схемы с вращающимся блоком стволов является большая инертность массивного блока стволов, замедляющая его выход на максимальный темп при открытии огня, а также мешающая при завершении, когда часть боеприпасов тратится непроизводительно. При ведении огня сначала стволы начинают вращаться от электропривода, а затем производится стрельба. Такой принцип создан по причине скорострельности, ведь при такой скорости поступления патронов (80-100 в секунду) для каждого следующего необходим уже другой ствол. По окончании очереди все патроны должны быть удалены из патронников, что также означает бесцельную потерю части боезапаса. Очевидно, что инертность блока стволов прогрессивно возрастает с увеличением калибра стволов, т.е. от пулемета - к многоствольной пушке.

Все развитие многоствольных орудий неизменно следует концепции орудия Гатлинга (англ. Gatling gun), иногда - просто «Гатлинг», - многоствольное скорострельное орудие с вращающимся блоком стволов. За данным типом вооружения осталось старое название «картечница». Запатентована доктором Ричардом Джорданом Гатлингом в 1862 году под названием «Improvement In Revolving Battery-Gun» / Richard J. Gatling. Improvement in Revolving Battery-Gun. Patent US 36836A. November 4, 1862/.

«Гатлинг» снабжен расположенным сверху магазином с гравитационной подачей боеприпасов (без пружины). В течение цикла поворота блока стволов на 2п каждый ствол делает единственный выстрел, освобождается от гильзы и заряжается вновь. Вращение стволов у первых моделей Гатлинга осуществлялось вручную, в более поздних для него использовался электрический привод. Скорострельность моделей с ручным приводом составляла от 200 до 1000 выстрелов в минуту, а при использовании электропривода могло достигать 3000 выстрелов в минуту. Так, в 1898 запатентовано десятиствольное орудие с водяным охлаждением блока стволов и электродвигателем, встроенным прямо в тело оружия / Richard J. Gatling. Machine-Gun. Patent US 502185A. July 25, 1898/.

Предшественницами орудия Гатлинга являются митральеза, пепербокс и орган соответственно в хронологическом порядке увеличения давности /Электронный ресурс https://wikitropes.ru/wikiМногоствольный пулемет/.

Бум развития многоствольных орудий приходится на начало эпохи реактивной авиации. В условиях околозвуковых скоростей воздушный бой стал скоротечным, и обычные пушки-пулеметы просто не успевали выпустить нужное для достижения успеха количество зарядов. Они производили не быстрее 1400 выстрелов в минуту, а простейшие расчеты указывали на то, что при наращивании темпа может расплавиться любое орудие. Пушки и пулеметы пытались охлаждать, но они все равно очень быстро расходовали свой ресурс. И тогда вспомнили про схему Гатлинга: американская фирма «Дженерал Электрик» взяла за основу принцип вращающейся многоствольное™, но из-за вращения блока стволов навсегда приобрела недопустимый побочный эффект Шестиствольный образец М61 Vulcan с калибром 20 мм был принят на вооружение в 1956 году и с тех пор практически не менялся, как и его уменьшенная копия - многоствольный пулемет M134 Minigun.

А побочный эффект вращающейся многоствольности достаточно очевиден. Для вращения массивного, обладающего большим моментом инерции, блока стволов, особенно на режимах пуска и останова, приходится использовать достаточно мощный электродвигатель. Так, для М61 Vulcan требуемая мощность составила 26 кВт. Угловые вибрации стволов при вращении весьма громоздкой конструкции вращающегося блока стволов недопустимо снижают точность и кучность стрельбы, учитывая большие дальности - около 1000 м.

Весьма негативен фактор вибрации и ударов вращающегося блока стволов: при стрельбе часто возникают резонансные колебания, приводящие иногда к нарушению нормальной работы бортового электронного оборудования. Так, например, при стрельбе из пушки М61А1, установленной на самолете F-16 (сентябрь 1979 г.), из-за вибраций нарушилась нормальная работа навигационного компьютера / Электронный ресурс http://www.airwar.ru/weapon/guns/m61.html/.

Для устранения окружной компоненты скорости снаряда при выходе из дульного среза из-за высокой скорости вращения ствола с одновременным созданием дополнительного момента вращения блока стволов за счет их отдачи применялись скошенные стволы / Harold McC. Otto - Multibarrel Gun with Skewed Bore Axes. Patent US 2872847A. August 18, 1954/. В этом патенте у четырехствольного гатлинга с внешним приводом стволы несколько отклонены в направлении, противоположном направлению вращения блока. Согласно патенту, угол отклонения оси ствола от оси вращения может составлять около 5 градусов для того, чтобы момент силы отдачи каждого ствола добавлялся к моменту электродвигателя, снижая его энергозатраты, хоть и в минимальной степени. При этом геометрическое отклонение стволов компенсирует тангенциальную составляющую скорости, которую снаряды приобретают из-за вращения блока стволов, и которая приводит к их уходу в сторону вращения. Из вышеизложенного можно сделать неутешительный вывод о точности и кучности стрельбы столь дорогостоящими боеприпасами, заключаем, что каждая цель поражалась весьма расточительным «роем, или облаком», очень дорогих боеприпасов. Учитывая «дико неоптимальной» по критериям функциональности и экономичности схему вращающегося блока стволов многоствольного орудия, следует признать ее дальнейшие развития тупиковыми.

Для устранения этих недостатков предлагается схема автоматического скорострельного многоствольного орудия с таким же весьма инерционным блоком стволов, но не вращающимся. Также используется электропривод, но не мощный - для быстрого вращения высокоинерционного блока стволов, а микроэлектродвигатель очень малой мощности - для медленного вращения практически безынерционного миниатюрного мультипликаторного оптического датчика электроимпульсной инициации выстрелов с последующими перезаряжаниями самозарядных стволов многоствольного орудия. Мультипликатор непрерывной коммутации был запатентован как средство многоканальной генерации быстрой непрерывной последовательности управляющих электрических импульсов посредством медленного вращения обтюратора микроэлектромеханической системы (МЭМС) / Свияженинов Е.Д. Мультипликатор непрерывной коммутации. Патент на изобретение РФ №2665875. Приоритет16.05.2017/.

Для электроимпульсной инициации выстрелов n-ствольного орудия с весьма инерционным блоком стволов, но не вращающимся, электропривод очень малой мощности вращает легкий компактный дисковый светоэкранирующий обтюратор с равномерно распределенными по окружности отверстиями, периодически прерывающий n неподвижных световых лучей, созданных n оптопарами, равномерно распределенными по окружности нормально к плоскости обтюратора, а сам обтюратор содержит mn+1 или mn-1 отверстий, где m - мультипликаторный коэффициент, - любое натуральное число: m=1, 2, 3, …, при этом последовательное прерывание всех n лучей происходит за время неполного оборота обтюратора, а только за время его малого поворота, соответственно в прямом или обратном направлении относительно направления вращения обтюратора, при этом последовательный электрический импульс воспламенения зарядов с каждой из оптопар по своему каналу подается на казенную часть соответствующего ствола для инициации электроспуска, а каждый ствол выполнен самозарядным. Частоту вращения обтюратора, определяющую скорость стрельбы, можно легко плавно увеличивать путем простого увеличения нажатия на гашетку включения электропривода вращения обтюратора, одновременно включающего автоматическую очередь стрельбы.

Каждый выстрел, как и в прототипе, инициируется электрическим воспламенением вместо ударно спускового механизма, что устраняет ударные нагрузки, вибрации, инерционность ударно спускового механизма и быстрый механический износ весьма дорогостоящего ответственного орудия. Блок неподвижных орудийных стволов, испытывающих вибрации и удары, и чувствительные датчики, инициирующие электрические управляющие импульсы, дистанционно разнесены друг от друга. Так, датчик может располагаться в кабине оператора, в непосредственной близи от управляющего элемента - гашетки, тогда как блок стволов - на турели вблизи наружной бортовой части изделия, что предохраняет чувствительную сенсорную аппаратуру от вибраций и ударных нагрузок, сопровождающих скорострельный блок стволов. Приведение в действие автоматического орудия предельно простое и надежное. Нажатие на гашетку мгновенно запускает вращение микроэлектромеханического безынерционного датчика и залп огня, а отпускание - так же мгновенно прекращает. Как возможная опция - увеличение нажатия на гашетку увеличивает требуемый темп стрельбы.

Итак, поставленная задача решается тем, что в микроэлектромеханическом роторном датчике электроимпульсного воспламенения зарядов n-ствольного орудия статор снабжен n равномерно распределенными по окружности лучами света, а ротор содержит светоэкранирующий обтюратор с равномерно распределенными по окружности mn+1 или mn-1 отверстиями, например, прорезями, где m - мультипликаторный коэффициент: m=1, 2, 3, …. При этом импульсы электровоспламенения для каждого из n стволов орудия генерируются последовательно и непрерывно за время неполного оборота обтюратора, а только за время его поворота на угол 2π/(mn+1) или 2π/(mn-1)в направлении, совпадающем с направлением вращения обтюратора (прямое воспламенение) или противоположном (обратное воспламенение), соответственно.

Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема автоматического многоствольного орудия, для наглядности, четырехствольного, n=4, с неподвижным блоком стволов, с датчиком непрерывного воспламенения для мультипликаторного коэффициента m=2, снабженным соответственно четырьмя оптопарами, n=4, по числу стволов и каналов передачи электроимпульсов воспламенения зарядов неподвижного орудийного блока стволов. На фиг. 2-4, фиг. 5-7 - мультипликаторные датчики непрерывной коммутации, генерирующие последовательность электроимпульсов прямого и обратного воспламенения соответственно, относительно направления вращения обтюратора. Прямое воспламенение показано на фиг. 2-4, тогда как обратное - на фиг. 5-7. В качестве примера приведена схема прямого воспламенения для 4-ствольного орудия, n=4, и обратного - для 6- ствольного орудия, n=6. В обоих случаях используется обтюратор с первыми последовательными значениями мультипликаторного коэффициента m=1, 2, 3. На фиг. 8 представлены временные развертки электроимпульсов воспламенения одновременно для всех стволовых каналов орудия, генерируемых устройством.

Схема многоствольного автоматического орудия с неподвижным блоком стволов

Многоствольное автоматическое орудие с неподвижным блоком n стволов (фиг. 1) состоит из вращающегося дискового обтюратора 1 с равномерно распределенными по окружности отверстиями, например, прорезями 2 угловой величины γ_r, периодически прерывающего неподвижные равномерно расположенные по окружности световые лучи 3 (на фиг. 1 показаны их поперечные сечения), перпендикулярные плоскости обтюратора, число которых n, угловой величины γ_s. Индексы r и s в обозначениях γ_r и γ_s призваны подчеркивать принадлежность этих угловых величин к роторной (вращающейся) и статорной (неподвижной) частям устройства. Обтюратор 1 вращается. Неподвижные лучи 3 излучаются и поглощаются соответственно передающей и принимающей частями n неподвижных оптических пар, или оптронов. Число этих лучей n равно числу стволов n в блоке орудия.

Оптопара, или оптрон - это электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно светодиода, в ранних изделиях - миниатюрной лампы накаливания) и фотоприемника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом, использующийся как датчик наличия отверстия в обтюраторе, его начала и конца. Оптические сенсоры - более высокоточные и безынерционные, чем многие другие электрические датчики. Источники света могут функционировать как в видимом, так и в инфракрасном спектре. Современные оптические устройства работают и при высоких температурах, вплоть до 125°С.

Один элемент оптопары расположен за обтюратором, а другой - перед ним, соответственно за и перед плоскостью чертежа на фиг. 1. Обтюратор 1 содержит mn+1 или mn-1 прорезей 2, где m - мультипликаторный коэффициент, - любое натуральное число: m=1, 2, 3, …. Обозначим через у полный (суммарный) угол прорези обтюратора и поперечного сечения луча:

При этом угол γ_r может быть как больше угла γ_s, (фиг. 1), так и меньше его. Соотношение углов γ_r и γ_s определяется конкретной реализацией устройства и совершенно не принципиально.

Обтюратор 1 содержит mn+1 прорезей 2 для реализации прямого воспламенения зарядов или mn-1 прорезей 2 - для обратного, относительно направления вращения обтюратора. Для обеспечения раздельного прерывания каждого луча по времени, чтобы временные циклы срабатывания соседних сенсоров не перекрывали друг друга, полный угол γ соответственно должен удовлетворять условиям:

γ ≤ δ = 2π/n/(mn+1) - для реализации прямого воспламенения,

γ ≤ δ=2π/n/(mn-1) - для обратного, а число лучей, как указано выше, равно n, где n - число стволов орудия с неподвижным блоком стволов.

Если угол γ - частная характеристика конкретной технической реализации многощелевого оптического датчика воспламенения, определяющийся его геометрическими размерами, то угол δ - принципиальная универсальная, зависящая только от чисел m и n, характеристика устройства, при которой достигается его наиболее эффективный режим выработки электроимпульсов воспламенения зарядов, полностью исключающий непроизводительное (холостое) вращение обтюратора всего лишь для поворота очередной прорези экрана к следующему лучу - непрерывное воспламенение, о чем будет указано ниже.

При медленном вращении обтюратора 1 по n ствольным каналам 4 на каждый из n неподвижных стволов 5 орудия быстро, непрерывно и последовательно подается электрический импульс воспламенения зарядов. После электроимпульсной инициации выстрела в каждом стволе 5 многоствольного орудия происходит их последовательное перезаряжание.

Принцип работы многоствольного автоматического орудия с неподвижным блоком стволов. Анализ прямой и обратной непрерывной мультипликаторной генерации электроимпульсов воспламенения зарядов.

Для начала автоматической последовательной стрельбы из стволов 5 (фиг. 1) оператором нажимается гашетка включения микроэлектродвигателя (на фиг. 1 не показана), практически мгновенно запускающая медленное вращение безынерционного обтюратора МЭМС 1, частота вращения которого много меньше требуемой частоты выстрелов каждого ствола орудия. По каналам 4 начинается быстрая непрерывная последовательная подача электроимпульсов воспламенения зарядов на стволы 5. При отпускании гашетки микродвигатель и обтюратор 1 мгновенно останавливаются, подача электроимпульсов воспламенения прекращаются, и сеанс стрельбы заканчивается, до следующего включения вращения обтюратора 1. Как опция частота вращения обтюратора, а следовательно, и частота выстрелов, растет с увеличением давления нажатия на гашетку, т.е. с ее смещением. Компактность и легкость МЭМС электроимпульсной инициации выстрелов позволяет расположить ее в любом защищенном от вибрации и ударов месте, например, удаленном от самого орудия.

Для пояснения принципа работы мультипликатора непрерывного воспламенения ствольных зарядов, прямого и обратного, служат фиг. 2-7 соответственно. На фиг. 2-4 изображена схема прямого воспламенения для 4-ствольного орудия, n=4, а на фиг. 5-7 - схема обратного воспламенения для 6-ствольного орудия, n=6, посредством соответственно mn+1 и mn-1-прорезного обтюратора, m=1, 2, 3, с указанием опорных углов.

Направление вращения обтюратора 1 показано круговой стрелкой, помеченной буквой f. Далее f будет обозначать также частоту его вращения.

Передние края прорезей 2 обтюратора 1 по ходу его вращения обозначены вращающимися радиусами r_i (сплошные линии), а передние края световых потоков 3 - неподвижными радиусами s_j (штриховые линии), с индексами i, j, соответствующими порядковым номерам прорезей 2 экрана 1 и световых потоков 3.

Ключевая особенность предложенной схемы, как видно из этих рисунков, состоит в том, что:

1. Последовательные углы между радиусами r_i, s_i, i=2, 3, 4… составляют (i-1)5, т.е. образуют натуральную последовательность (1, 2, 3, …)δ.

2. Вращающееся устройство имеет осевую симметрию mn+1 или mn-1 порядка, т.е. при повороте его вокруг оси вращения на угол 2π/(mn+1) или на угол 2π/(mn-1), соответственно, оно совмещается само с собой.

Именно эти два обстоятельства обуславливают непрерывный полный цикл воспламенения всех ствольных зарядов не за полный период вращения экрана 1, как в прототипе вращающегося блока стволов по Гатлингу, а только за mn+1 или mn-1 его часть.

Работает устройство следующим образом. Пусть в начальный момент времени передний край одной из mn+1 (фиг. 2-4) или mn-1 (фиг. 5-7) прорезей 2 обтюратора 1 совпадает с передней кромкой поперечного сечения одного из n световых потоков 3 (фиг. 1). Световой поток 3 открывается и начинается срабатывание соответствующей сенсорной оптопары, пока задний край прорези 2 экрана 1 не достигает задней кромки сечения луча 3, световой поток этого луча закрывается, и работа его оптопары заканчивается, что происходит при повороте ротора на угол γ. Сразу после этого (непрерывная коммутация, при γ=δ) или с некоторой задержкой во времени (дискретная коммутация, при γ<δ), происходит переключение сенсорных пар. Действительно, при повороте экрана 1 ровно на угол δ=2π/n/(mn+l) (при прямом воспламенении) или на угол δ=2π/n/(mn-1) (при обратном) открывается световой поток соседнего луча по направлению или против вращения экрана 1. Конструктивным выбором угла γ относительно универсальной постоянной δ, зависящей лишь от чисел m, n, достигается требуемый вид цикличности воспламенения ствольных зарядов - непрерывной или дискретной.

Очевидно, что полный цикл электроимпульсного воспламенения ствольных зарядов происходит не за полный период вращения экрана 1, как в прототипе - многоствольном орудии с вращающимся блоком стволов Гатлинга, а только за mn+1 или mn-1 его часть, в силу осевой симметрии устройства mn+1 или mn-1 порядка, когда при повороте его вокруг оси вращения на угол 2π/(mn+1) или на угол 2π/(mn-1), соответственно, оно совмещается само с собой. Поэтому при повороте обтюратора 1 на угол 2π/(mn+1)=nδ или на угол 2π;/(mn-1)=nδ произойдет последовательное и равномерное во времени срабатывание всех оптопар в прямом или обратном направлении. Таким образом, частота воспламенений при той же частоте вращения экрана 1 соответственно в mn+1 или mn-1 раз выше, чем в прототипе. Следовательно, требуемая частота вращения mn+1-прорезного или mn-1-прорезного обтюратора 1 должна быть соответственно в mn+1 или в mn-1 раз меньше частоты вращения прототипа, дающего ту же частоту во спламенений.

Таким образом, обтюратор по предложенной схеме устройства выполняет функцию мультипликатора, т.е. умножителя частоты воспламенений в mn+1 или в mn-1 раз, и его частота вращения должна быть во столько же раз снижена.

Итак, частота воспламенений на каждом стволе орудия ν связана с частотой вращения обтюратора f следующими соотношениями: для прямого воспламенения:

для обратного воспламенения:

Случаю γ = δ отвечает непрерывное воспламенение, когда последовательные срабатывания сенсоров происходят непрерывно, без разрывов во времени (фиг. 8), а случаю γ < δ - дискретная коммутация, когда последовательные срабатывания сенсоров происходят с определенными разрывами по времени, т.е. между последовательными срабатываниями сенсоров содержится некоторая временная пауза.

Благодаря предложенной схеме устройства достигается возможность непрерывного воспламенения - его важнейшее преимущество. При непрерывном воспламенении все время вращения обтюратора расходуется только на совершение главной его функции - выработку неперекрывающихся электроимпульсов воспламенения ствольных зарядов. Непроизводительное холостое вращение обтюратора, только лишь для поворота очередной его прорези к световому лучу, полностью исключается.

Время замкнутого состояния (время отработки одного луча на одной оптопаре) составляет

в случае непрерывной коммутации, когда γ = δ, и

в случае дискретной коммутации, при γ < δ.

В отличие от прототипа - многоствольного орудия с вращающимся блоком стволов Гатлинга, многоствольное орудие с неподвижным блоком стволов позволяет реализацию режима мультипликаторного одновременного воспламенения сразу по всем n стволам орудия посредством mn-щелевого обтюратора, при котором частота воспламенений на каждом стволе орудия ν в mn раз превышает частоту вращения обтюратора f, где m - мультипликаторный коэффициент, m=1, 2, 3, …:

Чтобы временные циклы срабатывания сенсоров не перекрывали друг друга, полный угол γ = γ_r+γ_s должен удовлетворять условию:

В этом режиме с частотой ν происходят одновременные залпы из всех n стволов орудия.

Пример расчета мультипликаторного многоствольного орудия с неподвижным блоком стволов

Важнейшей основной характеристикой мультипликаторного многоствольного орудия с неподвижным блоком стволов является частота воспламенений на каждом стволе орудия ν, которая связана с частотой вращения обтюратора f следующими соотношениями:

ν=(mn+1)f - для прямого воспламенения,

ν=(mn-1)f - для обратного,

ν=(mn)f - для одновременного воспламенения по всем стволам.

Пусть требуемая частота выстрелов на каждом из стволов орудия составляет ν=10 Гц. Тогда частота вращения блока стволов по прототипу - Гатлингу, - составляет 10 об/с=600 об/мин, независимо от числа стволов.

Скорострельность прототипа для четырехствольного орудия, n=4, - nν=40 выстр/с=2400 выстр/мин.

Скорострельность прототипа для шестиствольного орудия, n=6, - nν=60 выстр/с=3600 выстр/мин.

1. Пример расчета режима прямого воспламенения, когда последовательность выстрелов стволов орудия совпадает с направлением вращения обтюратора и образует на этих стволах вращающуюся волну, частота вращения которой в mn+1 раз превышает частоту вращения обтюратора.

В качестве первого примера рассчитаем схему прямого воспламенения для 4-ствольного орудия, n=4, посредством mn+1 - щелевого обтюратора, для первых трех значений мультипликаторного числа m=1, 2, 3. Пусть требуемая частота выстрелов на каждом из стволов орудия составляет ν=10 Гц. Тогда период вращения Т и частота вращения f обтюратора составят:

Сравнение с частотой вращения блока стволов по прототипу - Гатлингу, - которая составляет 10 об/с показывает, что мультипликаторный эффект снижает частоту вращения обтюратора на порядок!

2. Пример расчета режима обратного воспламенения, когда последовательность выстрелов стволов орудия противоположна направлению вращения обтюратора и образует на этих стволах вращающуюся волну, частота вращения которой в mn-1 раз превышает частоту вращения обтюратора.

В качестве второго примера рассчитаем схему обратного воспламенения для 6-ствольного орудия, n=6, посредством mn-1-щелевого обтюратора, для первых трех значений мультипликаторного числа m=1, 2, 3. Пусть требуемая частота выстрелов на каждом из стволов орудия составляет ν=10 Гц. Тогда период вращения Т и частота вращения f обтюратора составят:

Сравнение с частотой вращения блока стволов по прототипу - Гатлингу, - которая составляет 10 об/с показывает, что мультипликаторный эффект еще больше снижает частоту вращения обтюратора, в целом также на порядок!

3. Пример расчета режима одновременного воспламенения, когда все стволы орудия производят одновременные залпы и образуют на них стоячую волну, частота которой в mn раз превышает частоту вращения обтюратора.

В качестве третьего примера рассчитаем схему одновременного воспламенения для 6-ствольного орудия, n=6, посредством mn-щелевого обтюратора, для первых трех значений мультипликаторного числа m=1, 2, 3. Пусть требуемая частота выстрелов на стволах орудия составляет ν=10 Гц. Тогда период вращения Т и частота вращения f обтюратора составят:

Этот режим одновременного воспламенения, когда все стволы орудия производят одновременные залпы и образуют на них стоячую волну, является эксклюзивной принадлежностью заявляемого устройства - многоствольного орудия с неподвижным блоком стволов, потому что на прототипе - многоствольном орудии с вращающимся блоком стволов Гатлинга, - совсем не реализуется. Поэтому оценку мультипликаторного эффекта можно произвести путем сравнения с частотами вращения обтюратора, образующего на этих стволах вращающуюся прямую и обратную волны. Частоты вращения обтюратора, как видно из сравнения, оказываются такими же малыми.

Общий вывод. Учитывая, что для прототипа - многоствольного орудия с вращающимся блоком стволов Гатлинга, - частота вращения блока стволов составляла бы 10 об/с, видим, что для мультипликаторного микроэлектромеханического устройства частота вращения многооконного обтюратора подавляется на порядок. Таким образом, наглядно виден эффект мультипликации воспламенений, проявляющийся в mn+1, mn-1 или mn-кратном снижении требуемых частот вращения многооконного обтюратора.

Отметим, что данные вышеприведенных таблиц для прямого, обратного и одновременного воспламенения стволов - весьма похожи. Это подтверждает, что прямое воспламенение mn+1, обратное mn-1, и одновременное mn, с коэффициентом мультипликации m, обладают одинаковой эффективностью по критерию снижения оборотов обтюратора.

Когда n мало, выгоднее использовать прямое воспламенение, когда же n велико, - обратное или одновременное, потому что конструктивно угловая величина окон обтюратора при этом получается приблизительно одна и та же.

Главное, что увеличением коэффициента мультипликации m можно неограниченно снижать частоты вращения микродвигателя обтюратора, чтобы подавить вибрации, износ и тепловыделение, из-за которых снижается функциональность и надежность датчика.

Такова наглядная демонстрация принципа мультипликации, означающего, что малая частота вращения ротора дает высокую частоту волны реакции статора. Эта волна может быть бегущей, как в случаях прямого или обратного воспламенения, так и стоячей, как в случае одновременного. Дополнительным эффектом является возможность изменения направления вращения волны реакции статора на противоположное при том же направлении вращения ротора.

Выводы. Технический результат

1. Вместо быстровращающегося высокоинерционного громоздкого блока стволов для автоматической стрельбы медленно раскручивается безынерционный компактный обтюратор, пересекающий неподвижные лучи оптопар, число которых равно числу стволов. Используется электроимпульсное воспламенение зарядов вместо ударно спусковых механизмов. Высокоточные датчики электроимпульсов и неподвижный блок стволов, подвергающийся вибрации и ударам, дистанционно разнесены друг от друга. Все это повышает функциональность и экономичность устройства.

2. Использование mn+1 или пш-1-прорезного вращающегося обтюратора и n лучей неподвижных оптопар, где n - число стволов орудия, m - мультипликаторный коэффициент, снижает частоту вращения обтюратора соответственно в mn+1 или в mn-1 раз при той же требуемой частоте стрельбы. В первом случае последовательность воспламенения идет в прямом, а во втором - в обратном направлении относительно направления вращения обтюратора. Снижение частоты вращения микродвигателя подавляет вибрации, трение и износ подшипниковых узлов, тепловыделение и повышает точность и надежность устройства.

3. Нет необходимости сдвига стволов к осевой линии их блока для уменьшения момента инерции блока стволов орудия. Более того, неподвижные самозарядные стволы могут быть расположены совершенно произвольно друг относительно друга.

4. Внешний электрический привод обеспечивает наиболее плавное и постоянное вращение обтюратора, без резких толчков, ударов и вибраций, свойственных обычным автоматическим орудийным системам, к тому же он делает орудие нечувствительным к осечкам: пушка работает вне зависимости от качества патронов. Наконец, внешний привод позволяет плавно регулировать скорострельность прямо во время стрельбы, что полезно, когда приходится обстреливать то наземные, то воздушные цели.

5. По сравнению с вращающимся блоком стволов орудие с неподвижными стволами приобретает дополнительную возможность автоматической мультипликаторной одновременной залповой стрельбы сразу из всех стволов. Использование mn-прорезного вращающегося обтюратора и n лучей неподвижных оптопар, где n - число стволов орудия, m - мультипликаторный коэффициент, обеспечивает автоматическую стрельбу очередью залпами одновременно из всех стволов орудия, снижая частоту вращения обтюратора в mn раз для той же требуемой частоты стрельбы. В этом режиме периодические воспламенения стволов образуют стоячую волну при любом направлении вращения обтюратора. Снижение частоты вращения микродвигателя подавляет вибрации, трение и износ подшипниковых узлов, тепловыделение, повышает точность и надежность устройства.

Использованная литература

1. Электронный ресурс. Военное обозрение. Артиллерия, от 28.05.2021: https://topwar.ru/183442-novyj-jeksperimtnt-kitaja-20-stvolnaj a-arti llerij skaj a-ustano vka. html.

2. Электронный ресурс.General Electric Gatling Cannon M61A1 GAU-4 20-mm Vulcan Cannon: https://www.f-106deltadart.com/weapons_20mm cannon.htm (прототип).

3. Richard J. Gatling. Improvement in Revolving Battery-Gun. Patent US 36836A. November 4, 1862.

4. Richard J. Gatling. Machine-Gun. Patent US 502185A. July 25, 1898.

5. Электронный ресурс https://wikitropes.ru/wiki/Многоствольный пулемет.

6. Электронный ресурс http://www.airwar.ru/weapon/guns/m61.html.

7. Harold McC. Otto. Multibarrel Gun with Skewed Bore Axes. Patent US 2872847 A. August 18, 1954.

8. Свияженинов Е.Д. Мультипликатор непрерывной коммутации. Патент на изобретение РФ №2665875. Приоритет16.05.2017.

Многоствольное орудие с неподвижным блоком стволов содержит блок n стволов с электроимпульсным воспламенением зарядов, электрический привод вращения обтюратора, средство управления приводом. Электрический привод малой мощности вращает компактный легкий дисковый светоэкранирующий обтюратор с равномерно распределенными по окружности отверстиями. Оптопары создают периодически прерывающиеся n неподвижных световых лучей для электроимпульсной инициации выстрелов. Технический результат - повышение функциональности, надежности и экономичности устройства. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Многоствольное орудие с неподвижным блоком стволов, включающее блок n стволов с электроимпульсным воспламенением зарядов, электрический привод вращения, средство управления приводом, отличающееся тем, что электрический привод малой мощности вращает компактный легкий дисковый светоэкранирующий обтюратор с равномерно распределенными по окружности отверстиями, периодически прерывающий n неподвижных световых лучей угловой величины γ_s, созданных n оптопарами, равномерно распределенных по окружности нормально к плоскости обтюратора, а сам обтюратор содержит mn+1 или mn-1 отверстий угловой величины γ_r, где m - любое натуральное число: m=1, 2, 3, …, при этом последовательное прерывание всех лучей происходит за время неполного оборота обтюратора, а только за время его поворота на угол 2π/(mn+1) или 2π/(mn-1), соответственно в прямом или обратном направлении относительно направления вращения обтюратора, а чтобы временные циклы срабатывания соседних сенсоров не перекрывали друг друга, угол γ должен удовлетворять условию:

γ ≤ δ,

где γ=γ_r+γ_s, δ - угол, при котором достигается непрерывное прерывание лучей, определяющийся соотношениями:

δ=2π/n/(mn+1) - для прямого прерывания,

δ=2π/n/(mn-l) - для обратного, электрический импульс воспламенения зарядов с каждой оптопары подается на казенную часть соответствующего ствола по своему каналу для инициации электроспуска, а каждый ствол выполнен самозарядным.

2. Многоствольное орудие с неподвижным блоком стволов по п. 1, отличающееся тем, что частота вращения обтюратора плавно увеличивается с увеличением нажатия на гашетку управления электроприводом вращения обтюратора.

3. Многоствольное орудие с неподвижным блоком стволов по п. 1, отличающееся тем, что обтюратор содержит mn отверстий угловой величины γ_r, где m - любое натуральное число: m=1, 2, 3, …, при этом

происходит одновременное прерывание всех лучей за время неполного оборота обтюратора, а только за время его поворота на угол 2π/(mn), а чтобы временные циклы срабатывания сенсоров не перекрывали друг друга, угол γ должен удовлетворять условию:

γ ≤ δ,

где γ=γ_r+γ_s, δ=2π/(mn).