Проектировании стволов артиллерийских орудий

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТВОЛОВ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ ОРУДИЙ

При проектировании стволов артиллерийских орудий решаются следующие основные задачи:

баллистическое проектирование ствола;

расчет каморной и направляющей частей канала ствола;

расчет ствола на прочность.

Проектирование артиллерийского орудия, хотя и может быть разделено на две части – баллистическую и конструкторскую, но они обе тесно связаны между собой. Проектирование орудия начинается с выполнения баллистической части. Однако баллистические расчеты должны производиться с учетом назначения и будущей конструкции орудия.

При выполнении баллистической части  проекта в общем случае необходимо установить калибр орудия, массу и тип снаряда, начальную скорость снаряда, массу метательного заряда, сорт пороха, конструкцию канала ствола, а для орудий, имеющих переменные заряды, также и шкалу начальных скоростей.

Чаще всего калибр орудия, масса  и дульная скорость снаряда задаются в тактико-техническом задании (ТТЗ) и являются исходными данными для решения задачи баллистического проектирования. Если в ТТЗ калибр и масса снаряда не заданы и требования к артиллерийскому орудию сформулированы в общем виде, то сначала решают задачу по определению калибра и массы снаряда, обеспечивающих получение наибольшей эффективности стрельбы по типичным целям, а затем по известным калибру и массе снаряда решают задачу внешней баллистики в целях определения начальной скорости снаряда для получения наибольшей дальности стрельбы. Если считать, что приращение скорости снаряда в периоде последействия пороховых газов равно скорости откатных частей в момент вылета снаряда из канала ствола, то дульная скорость будет равна начальной скорости снаряда, то есть от начальной скорости переходят к дульной скорости снаряда.

Зная калибр, массу и дульную  скорость снаряда, решают обратную задачу внутренней баллистики, которую и называют задачей баллистического проектирования артиллерийских орудий.

Обратная задача внутренней баллистики имеет бесконечное множество  вариантов решений, из которых необходимо выбрать такой, который будет способствовать созданию наивыгоднейшей конструкции проектируемого артиллерийского орудия. Существует целый ряд критериев для оценки различных вариантов решения задачи баллистического проектирования артиллерийских орудий.

4.1. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ ОРУДИЙ И КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Для сравнительной оценки совершенства конструкций артиллерийских орудий разных калибров и назначений используются следующие относительные характеристики артиллерийских орудий:

коэффициент использования металла артиллерийского орудия;

коэффициент могущества артиллерийского орудия;

коэффициент использования метательного заряда.

Коэффициент использования металла артиллерийского  орудия – отношение дульной энергии артиллерийского снаряда к массе артиллерийского орудия в боевом положении.

Дульной энергией артиллерийского  снаряда называется кинетическая энергия  артиллерийского снаряда в момент его вылета из канала ствола. Поэтому

,                                                  (4.1)

где     – дульная скорость артиллерийского снаряда (относительная скорость артиллерийского снаряда в момент его вылета из канала ствола);

 – масса орудия в боевом положении.

Для буксируемых артиллерийских орудий величина этого коэффициента изменяется в пределах от 900 до 2200 Дж/кг, для минометов  – от 1400 до 2400 Дж/кг.

Коэффициент могущества артиллерийского орудия – отношение дульной энергии артиллерийского снаряда к кубу калибра артиллерийского орудия:

.                                                 (4.2)

Величина этого коэффициента для  пушек изменяется в пределах от 1,7 до 9,0 МДж/дм³, для гаубиц – от 0,6 до 0,7 МДж/дм³.

Коэффициент использования  метательного заряда – отношение дульной энергии артиллерийского снаряда к массе метательного заряда:

.                                                (4.3)

Величина этого коэффициента для пушек изменяется в пределах от 0,8 до 1,4 МДж/кг, для гаубиц – от 1,3 до 1,5 МДж/кг, для минометов – от 1,4 до       1,8 МДж/кг. С увеличением начальной скорости снаряда величина уменьшается, так как увеличивается масса метательного заряда.

Для сравнительной  оценки различных вариантов решения  задачи баллистического проектирования артиллерийских орудий могут быть использованы следующие критерии:

коэффициент полезного действия артиллерийского орудия (механический кпд);

термический коэффициент полезного действия артиллерийского орудия;

коэффициент использования рабочего объема канала ствола;

критерий профессора М. Е. Серебрякова;

критерий профессора В. Е. Слухоцкого.

Коэффициент полезного  действия артиллерийского орудия (механический кпд) – отношение дульной энергии артиллерийского снаряда к энергии, выделяющейся в результате сгорания метательного заряда:

.

Термический коэффициент полезного действия – отношение суммы всех учитываемых работ пороховых газов к энергии, выделяющейся в результате сгорания метательного заряда:

.

Коэффициент использования рабочего объема канала ствола – отношение среднего давления пороховых газов к максимальному давлению:

,

где     – среднее давление пороховых газов;

 – максимальное давление пороховых газов;

 – рабочий объем канала  ствола, .

Критерий профессора М. Е. Серебрякова:

,

где величина представляет собой механическую энергию , рассчи-

 

танную на единицу объема канала ствола и отнесенная к максимальному давлению :

.

Критерий профессора В. Е. Слухоцкого:

,

где     – характеристика использования длины ствола: ;

 – длина ствола в калибрах; при баллистических расчетах принимается на больше длины канала ствола;

 – условная живучесть ствола.

При оценке живучести  определяется не абсолютное количество выстрелов, которое может выдержать ствол, пока изменения начальной скорости снаряда, максимального давления пороховых газов и характеристик рассеивания снарядов не превысят допустимых значений, а условная величина

,

где – некий коэффициент.

Преобразуем формулу для критерия к виду, удобному для вычислений. Подставляя значения входящих в нее величин и объединяя постоянные для заданных условий баллистического проектирования , , , после преобразований получим

.

Здесь величина для удобства вычислений принимается равной любому числу, кратному десяти.

При баллистическом проектировании артиллерийских орудий большое значение имеет также характеристика положения артиллерийского снаряда в конце горения метательного заряда, численно равная отношению пути артиллерийского снаряда в конце горения метательного заряда к его дульному пути:

.

Если  , то это значит, что метательный заряд не сгорает полностью до момента вылета снаряда из канала ствола. Чем меньше величина , тем меньше разброс дульных скоростей снаряда от выстрела к выстрелу.

Следует отметить, что ни один из перечисленных критериев  качества баллистического проектирования не является универсальным, приемлемым для оценки систем различного класса. Окончательно наилучший вариант  решения задачи баллистического проектирования артиллерийского орудия определяется конструктором системы.

4.2. БАЛЛИСТИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ ОРУДИЙ МЕТОДОМ В. Е. СЛУХОЦКОГО

Теоретическую основу баллистического  проектирования артиллерийских орудий составляет внутренняя баллистика, которая изучает движение снаряда в канале ствола артиллерийского орудия при выстреле и устанавливает закономерные связи между параметрами заряжания и пиродинамическими элементами.

Обычно при  баллистическом проектировании задаются природой и формой пороха.

 

Выбор исходного варианта условий заряжания производится по табл. 4.1, составленной на основе анализа условий заряжания артиллерийских орудий, хорошо зарекомендовавших себя на практике.

Таблица 4.1

Условия заряжания

, МДж/дм3	, МПа	, кг/дм3	, кДж/кг			, м/с
1	167	0,51	1314	1,02	18	362
2	192	0,58	1274	1,09	29	573
3	217	0,64	1242	1,19	40	627
4	242	0,68	1204	1,29	48	725
5	267	0,71	1173	1,40	54	810
6	292	0,72	1134	1,51	60	888
7	317	0,74	1105	1,63	64	957
8	337	0,74	1084	1,75	67	1025
9	362	0,74	1055	1,87	70	1085
10	387	0,74	1033	2,00	71	1145
11	412	0,75	1006	2,09	73	1200
12	436	0,75	988	2,16	76	1254
13	462	0,76	976	2,22	78	1305
14	487	0,77	956	2,26	81	1355
15	512	0,80	938	2,31	83	1403

Таблица составлена для коэффициента массы артиллерийского снаряда кг/дм³. При малом отклонении от этой величины выбор данных исходного варианта условий заряжания может производится непосредственно по таблице. Если значительно отличается от 15 кг/дм³, то для сохранения баллистического подобия стволов учитывают изменение и . Так как работа, совершаемая пороховыми газами, равна кинетической энергии артиллерийского снаряда с фиктивной массой , то при стрельбе из орудия при данных параметрах заряжания снарядами с разной массой, можно записать

.

 

Здесь , , – соответственно коэффициент фиктивности, масса и дульная скорость снаряда, у которого кг/дм³;

, , – то же для снаряда, у которого кг/дм³.

Откуда

.                                             (4.4)

Эта формула позволяет при известных  массе и дульной скорости одного снаряда определить дульную скорость снаряда с другой массой (при  прочих одинаковых параметрах заряжания).

Однако изменение  дульной скорости при изменении  массы снаряда зависит от коэффициента фиктивности, а формулы для и изменения не учитывают. В этом случае поступают следующим образом:

1. По заданным значениям , и по формуле (4.2) рассчитывают коэффициент могущества .

2. По табл. 4.1 определяют коэффициент использования метательного заряда , соответствующий полученному значению .

3. По величине из формулы (4.3) рассчитывают массу метательного заряда :

.                                                    (4.5)

4. Используя формулу (1.3) определяют массу снаряда, у которого коэффициент массы кг/дм³:

.                                                (4.6)

 

 

5. Рассчитывают коэффициенты фиктивности и , полагая массу метательного заряда одинаковой для обоих снарядов и принимая (т.е. уширение каморы пока не учитывается):

;                    ,                 (4.7)

где – коэффициент, зависящий от типа орудия:

      (4.8)

Можно также коэффициент  определять в среднем в зависимости от длины ствола орудия в калибрах (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Зависимость коэффициента

от длины ствола в калибрах