Разработка макета выстрела замкнутого типа из композиционных материалов в ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)»

Миномёты в Российской армии

Минометы занимают важное место в номенклатуре вооружений Российской армии и решают широкий круг боевых задач [1]. Легко носимыми и наиболее эффективными являются минометы калибра 82 мм для непосредственной огневой поддержки пехоты, особенно в условиях труднодоступной местности. Они предназначены, прежде всего, для уничтожения (подавления) навесным огнем живой силы в средствах индивидуальной защиты и огневых средств противника, расположенных открыто и в укрытиях полевого типа, на обратных скатах высот и в глубоких ущельях, в лесных массивах [2]. Основным изделием этого класса стал носимый 2Б14 «Поднос» [3]. Он используется как в исходном исполнении, так и в сочетании с различными транспортными средствами, способными перевозить оружие с расчетом и боекомплектом. Также в калибре 82 мм представлен автоматический миномет 2Б9 «Василек». В 2011 г. был впервые представлен специальный миномет 2Б25 «Галл» [4]. Это 82-мм система под бесшумную мину 3ВО35Е, использующую принцип запирания пороховых газов. За счет этого выстрел из «Галла» производит минимальный шум [5].

Зарубежные радиолокационные станции, используемые в артиллерийском бою

Используемые в артиллерийском бою радиолокационные станции (РЛС) работают в диапазонах следующих частот (см. таблицу): L (1–2 ГГц), S (2–4 ГГц), С (4–8 ГГц), X (8–12 ГГц) и могут обнаружить огневую позицию (ОП) артиллерии до 30 км, реактивной артиллерии и тактических ракет – до 80 км, минометов – до 20 км [6, 7].

Частотные диапазоны и длины волн Frequency ranges and wavelengths

Обозначение	Этимология	Частоты	Длина волны	РЛС, работающие в данном диапазоне
L	Long	1–2 ГГц	15–30 см	AN/TPQ-48 (США), AN/TPQ-50 (США), EL/M-2084 (Израиль)
S	Short	2–4 ГГц	7,5–15 см	AN/TPQ-37 (США), AN/TPQ-53 (США)
C	Compromise	4–8 ГГц	3,75–7,5 см	Cobra (Германия), Arthur (Швеция)
X	X band	8–12 ГГц	2,5–3,75 см	AN/TPQ-36 (США), Giraffe (Швеция)
Ku	Under K	12–18 ГГц	1,67–2,5 см	ACAR (Турция), MSTAR V6 (Великобритания)
K	Kurz	18–26,5 ГГц	1,67–1,13 см	–
Ka	Above K	26,5–40 ГГц	1,13–0,75 см	–

Актуальность

В настоящее время продолжаются исследования в отношении модернизации и разработки новых конструкций средств поражения и боеприпасов. Применение РЛС контрбатарейной борьбы в современном бою привело к необходимости изменения существующих конструкций штатных боеприпасов, поскольку высокая отражающая способность металлических материалов делает их заметными и демаскирует ОП. Другой проблемой, которая в явном виде присутствует в процессе выстрела, – шумовой эффект («хлопок») от прорвавшихся пороховых газов. Все эти факторы существенно демаскируют процесс выстрела.

В ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» предложена концепция макета бесшумного выстрела из композиционных материалов (патент RU 2741982 С1), технический результат которой заключается в повышении малозаметности, бесшумности, эффективности осколочного действия и концепция боевой части (патент RU 2 656 258 C1), технический результат которой заключается в повышении могущества и обеспечении радионезаметности на всей траектории полета.

Конструкция макета выстрела

Особенностью изделий оборонной промышленности, в том числе боеприпасов, является их специфика, назначение и достаточно высокая степень необходимости совершенствования и смены в целях повышения обороноспособности страны. Для этого нужны методы совершенствования и обновления продукции, нужны методы, которые позволяют прогнозировать развитие такой продукции с выходом на качественно новый уровень. В качестве метода для модернизации конструкции выстрела был выбран структурно-функциональный анализ [8]. Таким образом, после работы над штатной конструкцией минометного выстрела с использованием инструментов структурно-функционального анализа были вычленены недостатки конструкции, а именно: металлические материалы корпуса обладают отражательной способностью, в силу этого принято решение использовать полимерные композиционные материалы, а также для сохранения осколочного поражающего действия – готовые поражающие элементы (ГПЭ) из керамики; шумо- и пламяподавление было осуществлено за счет запирания образующихся при выстреле от горения метательного заряда пороховых газов.

Разработана конструкция макета выстрела (рис. 1), которая содержит боевую часть (БЧ) 2 и хвостовую часть (ХЧ) 6. БЧ и ХЧ соединены между собой при помощи резьбы через переходное дно 3. В БЧ располагается бризантное взрывчатое вещество (ВВ) в оболочке, поверх которой укреплены ГПЭ, и взрыватель 1. В ХЧ размещаются сменный метательный заряд (МЗ) 4, поршень 5 и запорный конус 8. При выстреле поршень перемещается по внутреннему каналу корпуса ХЧ и заклинивается в запорном конусе, в результате перекрывается выход продуктов горения МЗ, от- сутствуют дым, пламя и нет громкого хлопка. Для стабилизации изделия на траектории полёта предусмотрен стабилизатор 7.

БЧ (рис. 2) снабжена ГПЭ в виде двух типов осколочных колец 4 и 5, это значительно облегчает процесс изготовления и сборки ГПЭ. Внутренняя цилиндрическая оболочка заряда 7 выполнена из композиционного материала. Внутри оболочки заряда размещены шашки ВВ 8 и 9. На оболочку собираются осколочные кольца, которые фиксируются с двух сторон переходной втулкой 2 и переходным дном 6. ГПЭ выполнены из керамики и забандажированы при помощи намотки стеклопластиковой тканевой ленты. Намотка зацепляется за гребни в виде профилей упорной резьбы у деталей 2 и 6.

В качества материала для изготовления переходной втулки и переходного дна выберем стержневой текстолит ГОСТ 5385-74 [9]. Для изготовления ГПЭ в виде осколочных колец используем оксидную минеральную керамику на основе оксида алюминия [10]. Намотка выполняется из стеклопластика на основе волокна АБС и связующего [11].

Осколочные кольца при сборке необходимо скрепить между собой герметиком УТ-34 [12]. Герметик УТ-34 представляет собой композицию из трех компонентов, один из которых содержит полисульфидный полимер, второй – вулканизующий агент для сшивки полимерных цепей и третий – ускоритель вулканизации. После смешения компонентов происходит необратимый процесс перехода герметика в резиноподобный материал.

Рис. 1. Разработанный макет выстрела: 1 – взрыватель; 2 – боевая часть; 3 – переходное дно; 4 – сменный метательный заряд; 5 – поршень с инициирующим устройством; 6 – хвостовая часть;

7 – стабилизатор; 8 – запорный конус; 9 – взрывчатое вещество

Fig. 1. Developed mock-up of a mortar round: 1 – fuse; 2 – warhead; 3 – transitional bottom;

4 – replaceable propellant charge; 5 – piston with initiating device; 6 – tail section;

7 – stabilizer; 8 – shut-off cone; 9 – explosive

Материалом уплотнительной втулки 3 является пенопласт ПУ-101 ТУ 6-05-1768-76 [13]. Такой пенопласт устойчив к бензину, керосину и органическим маслам, морозостойкий. Пенопласты ПУ-101 применяются в качестве легкого заполнителя изделий конструкционного назначения.

Рис. 2. Боевая часть: 1 – взрыватель; 2 – переходная втулка; 3 – уплотнительная втулка; 4 – кольцо осколочное № 1; 5 – кольцо осколочное № 2; 6 – переходное дно; 7 – оболочка заряда; 8, 9 – шашки взрывчатого вещества Fig. 2. Warhead: 1 – fuse; 2 – adapter sleeve; 3 – sealing sleeve; 4 – fragmentation ring No. 1; 5 – fragmentation ring No. 2;

6 – transitional bottom; 7 – charge shell; 8, 9 – explosive blocks

Труба 6 (рис. 3) составляет основу ХЧ выстрела. Она выполнена при помощи намотки ленты из стеклопластика на основе волокна АБС и связующего [11] на две втулки – переднюю 1 и донную 14. Передняя втулка 1 имеет наружную резьбу для крепления с БЧ.

Сменный МЗ представляет собой модуль из двух или одного заряда с основным порохом. Снаряжение выстрела двумя зарядами обеспечит наибольшую дальность. Для меньшей дальности используется только один модуль МЗ. Для удобства сборки МЗ помещается в картонный корпус 9 с заглушками 7. Осевой воспламенитель 3 представляет собой навеску дымного ружейного пороха, помещенного в картуз 8.

Стабилизатор 13 прессуется из термореактивной стеклонаполненной пластмассы АГ-4В [15] и крепится к трубе и донной втулке на клей 51-К-45 ТУ 38 1051955-90 [14].

Для деталей 1 и 14 на основании прочностных характеристик материала принято решение использовать стержневой текстолит ГОСТ 5385-74 [9], который будет обрабатываться на токарнофрезерном станке.

Материалы герметизирующего и теплозащитного покрытий трубы:

• –    резина марки 51-2110 ТУ 38.1051177-88 в качестве термозащитного слоя [16];

• –    пленка ВК-3А на основе каучука и фенольного лака в качестве герметизирующего и теплозащитного слоя [17].

Для прочного соединения материалов конструкции трубы выбран клей 51-К-45 [14].

Прочие материалы:

• –    картон прокладочный марки Б 1,0 мм ГОСТ 9347-74 в качестве заглушки;

• –    картон прокладочный марки Б 2,0 мм ГОСТ 9347-74 в качестве корпуса МЗ;

• –    резина 51-2110 в качестве прокладок, обтюрирующих колец [16].

Рис. 3. Поперечный разрез хвостовой части выстрела: 1 – передняя втулка; 2 – сменный метательный заряд; 3 – воспламенитель; 4 – демпфирующая втулка; 5 – обтюрирующие кольца; 6 – труба; 7 – заглушки;

8 – картуз; 9 – картонный корпус; 10 – внутренняя втулка; 11 – инициирующее устройство;

12 – внешняя втулка; 13 – стабилизатор; 14 – донная втулка

Fig. 3. Cross section of the tail of the shot: 1 – front bushing; 2 – replaceable propellant charge; 3 – igniter;

4 – damping bushing; 5 – obturating rings; 6 – pipe; 7 – plugs; 8 – cap; 9 – cardboard case; 10 – inner sleeve;

11 – initiating device; 12 – external bushing; 13 – stabilizer; 14 – bottom bushing

Баллистические и аэродинамические параметры

Для оценки внутрибаллистических характеристик по методу проф. Дроздова были рассчитаны величины пиродинамических элементов [18, 19]. Для получения большей дульной скорости подбиралась марка [20] и навеска пороха для одной и двух секций МЗ. Расчёт по данному методу был автоматизирован в программе Microsoft Excel для одной и двух секций МЗ. Для одного МЗ получили давление 120 МПа, скорость – 125 м/c и при двух МЗ давление – 600 МПа, скорость – 200 м/c.

Для разработанного макета конструкции выстрела рассчитаны траектории максимальной дальности для одной и двух секций сменного МЗ. Наиболее распространенные способы вычисления траектории – метод Сиаччи, Шапиро, приближенный, табличный, параболической теории. Для расчёта в данной работе используем более точный метод – метод численного интегрирования Адамса–Крылова [21]. Определение внешнебаллистических данных было автоматизировано в программе Microsoft Excel. Для одного МЗ дальность получилась 1260 м, высота – 350 м и при двух МЗ – 2480 м, высота 766 м.

Расстояние между центром масс L _цм и центром давления L_цд [22]

z = Lg -Lm = 346,9-201,5 = 145,4 мм.(1)

Коэффициент устойчивости определяется по формуле r145.4

£ = —100% =  -,- . 100% = 24,4%,

Lк            596              ,, где Lк – полная длина окончательно снаряженного изделия.

Запас устойчивости принимается равным 20 % < ^ <  50 %.

При £ = 24,4% условие выполняется, следовательно, проектируемое изделие стабильно в полете.

Моделирование обтекания воздушным потоком

В программе ANSYS (Fluent) промоделировано обтекание выбранной формы макета выстрела воздушным потоком при скорости 200 м/c. В результате получили:

• 1.    Изменение скорости воздушного потока (рис. 4) с максимальным значением 317,2 м/с.

• 2.    Изменение давления воздушного потока (рис. 5) с максимальным значением 0,03073 МПа.

• 3.    Изменение температуры воздушного потока (рис. 6) с максимальным значением 319 К.

3.141e+02 3.0896+02 3.0386+02 2.9876+02

Рис. 4. Изменение скорости потока Fig. 4. Changing the flow rate

Рис. 5. Изменение давления потока Fig. 5. Change in flow pressure

Temperalure Contour 3

—r 3.1926+02

2 936e*02

2.782e*02

2731e*02

2 680e*02

Рис. 6. Изменение температуры потока

Fig. 6. Flow temperature change

2 885e»02

2.8346+02

Расчёт эффективности осколочного действия

В работе был произведен расчет величины убойной дальности и убойной скорости по незащищённой живой силе и легкобронированной цели для оценки эффективности осколочного действия [23].

Убойная дальность для ГПЭ от осколочных колец по незащищённой цели составила 47–50 м и убойная скорость – 410–480 м/c. Убойная дальность для ГПЭ от осколочных колец по легкобронированной цели составила 25–28 м и убойная скорость – 960–1130 м/c.

Таким образом, преимущество применения ГПЭ из керамических материалов в осколочных боеприпасах – это стабильная масса, высокие прочностные характеристики и эффективность действия у цели.

Моделирование разлёта осколков

В программе ANSYS (Explicit Dynamics) промоделированы взрыв и разлёт осколков.

В результате моделирования напряжение на момент разрушения оболочки составляет 1998 МПа (рис. 7) и превышает предел прочности материала оболочки 1670 МПа [11]. Из рисунка видно, что разрыв оболочки будет происходить по кругу и не будет препятствовать разлету ГПЭ.

Максимальное напряжение сжатия ГПЭ в момент начала разрушения оболочки составляет 3533 МПа (рис. 8) при пределе прочности керамики на сжатие 3200 МПа [10]. Из этого следует, что разрушение в осколочном кольце будет происходить по насечкам.

Максимальная скорость при разлёте осколков составляет 2672,9 м/с (рис. 9). Это значение близко к полученному аналитическим расчетом (2960 м/с), что свидетельствует о правильности вычислений.

Рис. 7. Эквивалентное напряжение в момент начала разрушения оболочки Fig. 7. Equivalent stress at the moment the shell begins to fail

Рис. 8. Напряжение сжатия осколочного кольца Fig. 8. Compressive stress of fragmentation ring

Рис. 9. Скорость разлета осколков Fig. 9. Fragment speed

Вывод

На основании патента RU 2741982 С1 разработана конструкция макета бесшумного выстрела из композиционных материалов с готовыми поражающими элементами для изучения конструкции, технологии его изготовления, а также физических явлений, сопровождающих процесс выстрела, полёта и боевого действия у цели, по специальности 17.05.01 «Боеприпасы и взрыватели».