Исследование возможностей повышения скорости поршня в условиях электротермохимической технологии воспламенения применительно к установке среднего калибра

Существует проблема повышения дульной скорости метаемого элемента или поршня, являющаяся одной из основных задач внутренней баллистики. Традиционные способы повышения дульной скорости выстрела по классической схеме заряжания не позволяют добиться значительного результата. В связи с повышением характеристик защищенности бронированных целей поиск путей повышения скорости поршня не утратил своей актуальности и в настоящее время. Для этого требуются исследования нетрадиционных схем метания, позволяющих повысить дульную скорость поршня. Перспективным направлением в области высокоскоростного метания является нетрадиционная схема выстрела с применением электротермохимической (ЭТХ) технологии воспламенения пороха. Она применяется для повышения интенсивности газообразования в камере, что обусловлено высокой температурой электроразрядной плазмы (ЭП), образующейся при высоковольтном разряде. При помощи ЭП удается существенно сократить длительность периода воспламенения порохового заряда, стабилизировать его характеристики и уменьшить влияние начальной температуры пороха на баллистические параметры выстрела по сравнению с капсюльным инициированием пороха [1].

Механика

Целью данной работы является проведение теоретических исследований возможностей выстрела с целью повышения дульной скорости поршня при использовании ЭТХ технологии воспламенения применительно к модельной баллистической установке среднего калибра.

Интерпретация режима повышенного газообразования

Расчетно-теоретический анализ схемы выстрела выполнен с использованием программного комплекса [2], в основе которого лежит математическая модель внутрибаллистических процессов в ствольных системах, базируемая на основных допущениях механики многофазных сред.

Параметры модельной установки: средний калибр (120 мм), масса поршня 7,8 кг. Заряд состоит из зерненого семиканального и трубчатого порохов (рис. 1). Плазмотрон типа «флейта» [3]

расположен внутри насыпной семиканальной части метательного заряда.

Рис. 1. Схема расположения пороха в камере ЭТХ выстрела:

1 – плазматрон; 2 – семиканальный порох; 3 – трубчатый порох; 4 – поршень; 5 – ствол

Поскольку программный комплекс [2] позволяет использовать произвольное количество фракций пороха, введение ЭП в порох учтено при помощи введения отдельной фракции – условного быстрогорящего топлива [4]. Это позволяет смоделировать время и характер разряда. Введение ЭП с энергией Q вызывает неравномерное воспламенение и горение пороха. В связи с этим режим повышенного газообразования смоделирован следующим образом. Фракция семиканального пороха, окружающая плазматрон (первая фракция), воспламеняется в момент начала электроввода и горит в режиме ускоренного газообразования. В общем случае увеличение газообразования может быть связано не только с дополнительным прогревом пороха, но и с частичной деструкцией пороховых зерен и увеличением поверхности горения. Образовавшийся газ спустя некоторое время воспламеняет вторую фракцию, которая горит в обычном режиме. Данное предположение согласуется с результатами экспериментов с введением ЭП в полиэтиленовые гранулы в замкнутом объеме, моделирующие зерненый порох в камере сгорания (рис. 2). Результаты показали, что часть гранул, расположенная вблизи «флейты», сгорела, а другая часть лишь обуглилась. Поэтому в расчетах семиканальный порох делится на две фракции с разными параметрами горения: масса, единичная скорость горения и время воспламенения [5].

Рис. 2. Результат введения электроразрядной плазмы в гранулированный полиэтилен

а                                                     б

Рис. 3. Зависимость массы первой фракции ( а ) и единичной скорости горения ( б ) от энерговвода

Буркин В.В., Дьячковский А.С., Ищенко А.Н., Касимов В.З., Саморокова Н.М. и др.

Адаптация режима повышенного газообразования к модельной установке калибром 120 мм проведена на основе расчетных данных, полученных на баллистической установке калибром 30 мм [6]. При смене калибра с 30 на 120 мм предполагается, что в плазмотроне увеличивается количество отверстий и размеры: длина и диаметр, что позволяет воспламенять большее количество пороха на этапе разряда. Это приводит к возрастанию значения массы первой фракции пороха. Зависимости массы первой фракции от уровня введенной энергии для 30 и 120 мм установок имеют линейную форму и расположены параллельно друг к другу на графике (рис. 3, а ). Зависимости единичной скорости горения u 1 и времени воспламенения второй фракции t 2 не изменятся, поскольку отличие порохов для 30 и 120 мм выстрелов – только в размере зерна (рис. 3, а и 4). Полученные в [5] зависимости для 30 мм установки экстраполируются в сторону больших значений энергии для 120-мм выстрела.

Рис. 4. Зависимость времени воспламенения второй фракции от уровня введенной энергии

Параметрические исследования

На основе полученного режима повышенного газообразования было проведено параметрическое исследование по определению возможностей выстрела с использованием ЭТХ-технологии воспламенения применительно к модельной установке калибром 120 мм, являющейся аналогом Rh120 [7], в широком диапазоне уровня введенной энергии Q = 20–120 кДж. Для определения прироста дульной скорости в качестве базовых точек использованы данные трех выстрелов по классической схеме заряжания с применением традиционных воспламенителей (далее базовый выстрел) при разных начальных температурах: –40, +20 и +40 °С.

Расчеты проведены с учетом ряда предположений. Начальная температура заряда равна +20 °С. Трение поршня о канал ствола и давление форсирования не зависят от уровня энерговвода. Сила f и относительная поверхность горения σ ( ψ ) второй фракции семиканального пороха не зависят от энерговвода. Вторая фракция семиканального пороха и трубчатый порох воспламеняются одновременно. Весь пороховой заряд горит по геометрическому закону. Параметры горения трубчатого пороха не зависят от энерговвода. Порох полностью сгорает за время выстрела. В условиях ЭТХ-воспламенения рост газоприхода учитывается при помощи увеличения единичной скорости горения первой фракции семиканального пороха.

Согласно полученным результатам, введение 120 кДж (около 1 % от общей потенциальной энергии всего заряда) в семиканальный порох позволяет повысить дульную скорость на 5,2 % (кривая 2 , рис. 5) по сравнению с базовым выстрелом. При этом доля первой фракции достигает 65 % от общей массы семиканального пороха. В области высоких значений введенной энергии (100–120 кДж) наблюдается снижение прироста давления газа (кривая 2 , рис. 5, б ), которое вызвано преждевременным форсированием поршня и увеличением объема заряжания, что приводит к снижению прироста дульной скорости поршня. Точками указаны расчетные данные базового выстрела при разных начальных температурах.

Известно, что изменение начальной температуры пороха влияет на баллистические параметры выстрела: дульную скорость поршня и максимальное давление [8]. Поэтому отдельно рассмотрены разные начальные температуры порохов: –40 и +40 °С (рис. 6). Температурный градиент выстрела по дульной скорости поршня при температурах –40 и +20 °С без дополнительного энерговвода составляет 4 %. Введение 60 кДж в пороховой заряд при начальной температуре T 0 = –40 °С позволяет компенсировать температурный градиент по дульной скорости поршня до

Механика уровня базового выстрела (с применением традиционных воспламенителей) при температуре +20 °С. Введение 120 кДж в пороховой заряд при T0 = –40 °С позволяет максимально повысить дульную скорость на 6,5 %, в порох (+40 °С) – на 5 %.

Q , кДж

а                                                     б

Рис. 5. Зависимость дульной скорости поршня ( а ) и максимального давления газа ( б ) от уровня введенной энергии: 1 —40 % ; 2 - +20 % ; 3 - +40 %; ■ - данные выстрелов по классической схеме заряжания

Для получения большего прироста дульной скорости поршня за счет использования ЭТХ воспламенителя были рассмотрены пороха с разными толщинами горящего свода при начальной температуре +20 °C (см. рис. 6). А именно: размер горящего свода семиканального и трубчатого порохов меньше (кривая 3) и больше (кривая 1) на 10 %, чем у стандартных порохов (кривая 2). Порох, имеющий меньший размер, позволил добиться большего прироста дульной скорости. В первом случае введение 120 кДж позволяет повысить дульную скорость на 6,6 %, во втором случае на 3,6 %.

Рис. 6. Зависимость дульной скорости поршня от уровня введенной энергии:

1 – утолщенный (+10 % к размеру); 2 – стандартный; 3 – утонченный (–10 % к размеру)

■ - данные выстрела по классической схеме заряжания

Заключение

В работе представлены результаты теоретического исследования схемы выстрела с применением ЭТХ-технологии воспламенения в условиях модельной установки среднего калибра. Для проведения параметрических исследований режим повышенного газообразования, полученный на баллистической установке калибром 30 мм, был адаптирован к условиям модельной баллистической установки калибром 120 мм. Полученные результаты продемонстрировали положительный эффект применения ЭТХ-технологии воспламенения заряда при разных начальных температурах пороха. Введение 60 кДж пороховой заряд при T 0 = –40 °C повышает дульную скорость поршня на 4 %. Это позволяет компенсировать температурный градиент выстрела при начальных температурах –40 и +20 °C. Максимальный прирост дульной скорости поршня по сравнению с

Буркин В.В., Дьячковский А.С., Ищенко А.Н., Исследование возможностей повышения Касимов В.З., Саморокова Н.М. и др. скорости поршня в условиях … базовым выстрелом при температуре T ₀ = –40 °C получен при введении 120 кДж пороховой заряд и составил 6,5 %. Дальнейшее повышение уровня энерговвода в порох вызывает преждевременное форсирование поршня со снижением баллистических параметров выстрела. Показано, что порох с меньшей толщиной горящего свода позволяет добиться большего прироста дульной скорости (на 6,6 %).

Результаты были получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России, проект № 0721-2020-0032.