Выбор проектных параметров снарядов-пробойников активно-реактивного типа для движения в грунте
Автор: Гусев Е.В., Заговорчев В.А., Родченко В.В., Садретдинова Э.Р., Шипневская Е.А.
Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau
Рубрика: Авиационная и ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 1 т.26, 2025 года.
Бесплатный доступ
Целью работы является расчетно-экспериментальное обоснование целесообразности применения (как на Земле, так и на поверхности других планет) снарядов-пробойников активно-реактивного типа (СПАРТ) для решения целого ряда научных задач, связанных с образованием скважин в грунте и доставкой полезных грузов на некоторую глубину. Методы исследования: рассмотрены различные схемы запусков (варианты организации процесса функционирования) СПАРТ. Произведен расчет глубины проникания СПАРТ в суглинок для случая, когда СПАРТ выстреливается из баллистической установки, расположенной таким образом, что скорость выхода снаряда равна скорости его входа в грунт, а тяга двигательной установки в два раза больше статического сопротивления грунта. Из множества вариантов произведен выбор трех конструктивных схем СПАРТ в зависимости от скорости горения используемого топлива для обеспечения нормального функционирования двигателя. В результате проведенных расчетно-экспериментальных исследований по определению глубин проникания в суглинок 152,4 мм снарядов-пробойников длиной 4,6 м, запускаемых с артиллерийской установки, использующей одинаковый пороховой заряд весом 18 кг, установлено, что с момента выключения двигателя до полного останова будет , что более чем в два раза превышает глубину проникания такого же снаряда-пробойника, если бы он двигался в грунте только по инерции. Результаты, изложенные в статье, могут быть полезны для научных работников, аспирантов и инженеров, занятых созданием и эксплуатацией авиационной и ракетно-космической техники, а также студентов технических вузов, обучающихся по соответствующим специальностям.
Пенетратор, параметры и характеристики, снаряд пробойник активно-реактивного типа
Короткий адрес: https://sciup.org/148330587
IDR: 148330587 | DOI: 10.31772/2712-8970-2025-26-1-72-82
Текст научной статьи Выбор проектных параметров снарядов-пробойников активно-реактивного типа для движения в грунте
В современной практике человеческой деятельности идет ежегодное увеличение объема земляных работ, связанных с регламентированным разрушением грунтовых массивов.
На Земле подобного рода работы проводятся в дорожном и капитальном строительстве, горнодобывающей промышленности и геологических изысканиях, мелиорации, строительстве и военном деле, а на других планетах Солнечной системы с целью исследования подповерхностных слоев, образования скважин и доставки грузов в определенную точку грунтового полупространства. При этом трудоемкость работ с грунтом и целый ряд специфических факторов, присущих традиционным технологическим приемам, приводит к тому, что себестоимость этих работ чрезвычайно высока и на них затрачивается существенная доля материальных и людских ресурсов.
Рассматриваемые в настоящей работе снаряды-пробойники активно-реактивного типа (СПАРТ) относятся к автономным аппаратам, способным двигаться в грунтах с высокой скоростью и образующим скважину методом уплотнения. При этом СПАРТ устанавливается в пусковой трубе баллистической установки и с помощью метательного устройства выбрасывается из нее в нужном направлении. Движение же в грунте осуществляется как за счет кинетической энергии, накопленной при запуске СПАРТ из пускового устройства баллистической установки, так и за счет тяги ракетного двигателя, включаемого в процессе проникания снаряда-пробойника в грунт.
Схемы запуска СПАРТ в грунт
Возможны различные схемы запусков (варианты организации процесса функционирования) СПАРТ. При этом следует иметь в виду, что на всех участках движения снаряда-пробойника кроме сил инерции и тяги двигателя на него действует дополнительно еще и сила притяжения планеты. Эта сила зависит как от ускорения свободного падения, имеющего разные значения на разных планетах, так и от угла входа снаряда-пробойника в грунт, определяемого углом между осью вращения СПАРТ и касательной к поверхности грунта (реголита). При этом максимальным значение силы тяжести будет в случае вертикального входа и движения СПАРТ в грунте, а при горизонтальном входе и движении это значение будет равным нулю.
Схема 1. Пусковая труба (ствол пускового устройства) баллистической установки может быть расположена на некотором удалении от поверхности грунта. С помощью метательного устройства СПАРТ выбрасывается из нее в нужном направлении, приобретая при этом некоторую скорость входа в грунт. Для случая запуска СПАРТ с баллистической установки, расположенной на борту спускающегося с некоторой скоростью на поверхность аппарата, необходимо учитывать действующий на этот аппарат эффект торможения за счет отдачи при выстреле снаряда-пробойника.
В свою очередь двигательная установка может включаться:
-
1.1. В момент срабатывания метательного устройства баллистической установки. При этом двигатель работает и на участке подлета снаряда-пробойника к разделу сред и на участке движения его в грунте.
-
1.2. В момент входа снаряда-пробойника в грунт.
-
1.3. На участке движения его в грунте по инерции. Для случаев 1.2 и 1.3 движение в грунте осуществляется как за счет кинетической энергии СПАРТ, так и за счет тяги работающего двигателя.
-
1.4. После полного останова СПАРТ при движении его в грунте по инерции. Полная глубина проникания снаряда-пробойника складывается с участков движения его сначала по инерции, а затем за счет тяги работающего двигателя.
-
2.1. Одновременно с моментом срабатывания метательного устройства. При этом движение снаряда-пробойника в грунте происходит как за счет расширения газов в канале ствола метательного устройства, так и за счет тяги работающего двигателя СПАРТ.
-
2.2. На участке движения снаряда-пробойника по инерции после срабатывания метательного устройства, когда давление пороховых газов в канале ствола уже равно нулю. Движение в грунте осуществляется как за счет кинетической энергии СПАРТ, так и за счет тяги работающего двигателя.
-
2.3. После полного останова при движении снаряда-пробойника в грунте по инерции за счет кинетической энергии, переданной ему пороховыми газами метательного устройства. Полная глубина проникания СПАРТ складывается с участков движения его сначала по инерции, а затем за счет тяги работающего двигателя.
Схема 2. Пусковая труба может быть расположена таким образом, что головная часть снаряда-пробойника соприкасается с поверхностью грунта (импульсное вдавливание) и в процессе срабатывания метательного устройства СПАРТ начинает движение в грунте за счет давления пороховых газов.
В этом случае двигательная установка может также включаться:
Независимо от схемы расположения баллистической установки относительно поверхности грунта и момента включения двигателя при прохождении СПАРТ канала пусковой трубы за счет давления пороховых газов он может либо двигаться без закрутки, либо приобретая вращение вокруг собственной оси, т. е. с закруткой [1].
Очевидно, что на глубину проникания снаряда-пробойника активно-реактивного типа будут влиять не только указанные выше варианты организации процесса его функционирования, массово-габаритные параметры и характеристики, но также и величина тяги в каждый момент времени функционирования двигателя.
В частности, если тяга двигательной установки меньше статического сопротивления реголита, то включение двигателя необходимо проводить либо в момент входа СПАРТ в грунт, либо на участке движения его по инерции, а после останова снаряда-пробойника такое включение двигательной установки не имеет смысла.
Включение двигательной установки СПАРТ в момент срабатывания метательного устройства пусковой трубы приводит к увеличению и скорости его входа в грунт и перегрузок, действующих на конструкцию снаряда-пробойника и его полезную нагрузку.
Известно также, что для получения максимальной глубины проникания снаряда-пробойника с работающей двигательной установкой, он должен двигаться в реголите с оптимальной скоростью, которая достигается тягой двигателя, превышающей статическое сопротивление среды в два раза [2].
Ниже приведен расчет глубины проникания СПАРТ в суглинок для случая, когда СПАРТ выстреливается из баллистической установки, расположенной таким образом, что скорость выхода снаряда равна скорости его входа в грунт, а тяга двигательной установки в два раза больше статического сопротивления грунта.
Расчет глубины проникания СПАРТ в суглинок
В результате проведения лабораторных испытаний по достижению одной и той же глубины проникания при пусках из баллистической установки снарядов с разной массой установлено [3], что требуется меньшая энергия и меньший импульс при использовании более тяжелых снарядов. В частности, при запусках D н = 152,4 мм снарядов из специального артиллерийского орудия в суглинок естественного залегания, снаряд массой 148 кг достиг L = 24 м, в то время как снаряд массой 612 кг углубился на L = 95 м. И в первом и во втором случаях в орудии использовался одинаковый пороховой заряд весом ω = 18 кг (см. таблицу).
Экспериментальные и расчетные данные по прониканию снаряда диаметром 152,4 мм в суглинок
Mg , кг |
ω, кг |
β, гр |
L , м |
v 0 э , м/с |
vа , м/с |
k 0 |
148 |
18 |
90 |
24 |
482 |
787 |
0,61 |
148 |
23,9 |
36 |
34 |
640 |
908 |
0,70 |
612 |
10 |
36 |
76 |
191 |
285 |
0,67 |
612 |
10 |
36 |
69 |
191 |
285 |
0,67 |
612 |
18 |
36 |
95 |
274 |
384 |
0,71 |
612 |
18 |
36 |
90 |
274 |
384 |
0,71 |
Проведем расчет возможной глубины проникания указанного выше Dн = 152,4 мм снаряда длиной l = 4,6 м и массой Mg = 612 кг, с углом раствора головной части в = 360, если бы он вы- стреливался из специального артиллерийского орудия в суглинок естественного залегания и дополнительно был бы снабжен ракетным двигателем твердого топлива (РДТТ) с массой топ-
Нс кг лива равной Мт = 0,1 Mg, единичным импульсом Iед = 2620 — и плотностью рт = 1600 — . д кг м3
В качестве натурного грунта принят суглинок, в который запускались с различными скоростями артиллерийские снаряды с указанными выше параметрами.
Воспользовавшись результатами имеющихся пусков этих снарядов в грунт с различными скоростями входа, представленными в табл. 1, подставим в зависимость глубины проникания по инерции
Mg парт
L =---- — ln
2 B
F+BV X
F 0
по два значения v 0 = V EX и L из третьей и пятой строк, соответственно. В результате совместного решения относительно неизвестных F 0 и B системы этих двух логарифмических уравнений определяем
F 0 = 27514,68 Н и B = 11,087
м2
в формуле сопротивления грунта движущемуся снаряду-пробойнику [2].
Для достижения максимальной глубины проникания в грунт за счет тяги работающего двигателя снаряд должен двигаться с оптимальной скоростью, определяемой по формуле [4]
F м
Vopt = у ~g И равной для рассчитанных выше величин F 0 и B - Vopt = 49,816 — .
При этом тяга двигательной установки в соответствии с зависимостью Ropt = 2F0 должна быть в два раза выше статического сопротивления грунта, т. е. Ropt = 55029,36 —.
При заданном суммарном импульсе твердого топлива Iсум = Iед M т = 160344 —с и известной opt IЕДMT тяге R p , используя формулу [2] T = —----, определим время работы двигателя T = 2,914 с.
-
2 F 0
Определим, как уменьшится масса рассматриваемого снаряда с заданными параметрами за счет замены в нем стали, из которой он сделан, на твердое топливо, плотность которого меньше
M 3
стали. Объем 61,2 кг твердого топлива составляет WI = —- = 0,03825 м . Примем, что свобод-Рт ный объем камеры сгорания РДТТ составляет Wсв = 0,1 WI = 0,003 825 м3. Общий объем камеры сгорания равен W^ = WI + Wсв = 0,042075 м3.
Принимая плотность стали рст = 7800 к-, найдем на сколько уменьшилась масса корпуса м3
снаряда:
-
а) за счет разности плотностей топлива и стали AMg 1 = W r ( р ст -р т ) = 237,15 кг ;
-
б) за счет свободного объема камеры сгорания AMg 2 = W св р ст = 29,835 кг;
-
в) суммарное уменьшение массы AMg = AMg 1 + AMg 2 = 266,985 кг.
Масса СПАРТ будет на 267 кг меньше массы снаряда-пробойника таких же размеров, но выполненного из стали и использовавшегося в эксперименте, т. е. Mg парт = 345 кг .
При условии использования упомянутой выше артиллерийской системы с одинаковыми навесками и = 18 кг скорость входа СПАРТ массой Mg парт = 345 кг будет равна v0 = 365 мс, в то время как для снаряда массой Mg = 612 кг она равна v0 = 274 м/ . Глубина же проникания 0с снаряда массой Mg = 612 кг в грунт по инерции равна Lполн = 95 м, а массой Mgпарт = 345 кг , если бы он двигался в грунте только по инерции, равна Lполн = 62,26 м.
Для достижения максимального проникания в грунт за счет тяги работающего двигателя двигательная установка СПАРТ должна быть включена на глубине:
Mg парт
Lv =----— ln
V opt 2 B
F 0 + BV x
F 0 + BVo pt _
= 51,42 м, когда скорость снаряда, движущегося по инерции,
м снизится до V t = 49,816 — [4].
p с
Глубина проникания СПАРТ за счет тяги двигателя при условии, что тяга РДТТ равна R = 2F0 = 55029,36 — и он включается на глубине LVopt = 51,42 м , будет определяться по фор муле Lду = VoptT = 145,16 м.
После выключения двигателя СПАРТ массой ( Mg ние по инерции до полного останова и пройдет путь L
парт
V = 0
= 283,8 кг ) будет продолжать движе- = 8,9 м
Полная глубина проникания СПАРТ массой Mg парт = 345 кг, если бы он двигался в грунте на первом этапе с момента входа и до глубины 51,42 м по инерции; на втором этапе с включенной двигательной установкой при массе топлива 61,2 кг и оптимальной тяге; на третьем этапе с момента выключения двигателя до полного останова, будет L = L V opt + L ду + L v = 0 = 205,48 м.
При проектировании двигательной установки для СПАРТ необходимо учитывать перегрузки, действующие как на его корпус, так и на топливный заряд в момент полного погружения в грунт головной части СПАРТ. В этот момент СПАРТ движется по инерции и перегрузка принимает максимальное значение:
nx
F o + BV 2 27514,68 + 11,087 - 3652
0 вх
Mg парт g
345 • 9,81
= - 445,07.
Примем, что рабочее давление в камере сгорания равно Рк = 25 МПа. Минимальную толщину стенки камеры сгорания в соответствии с теорией оболочек определим по формуле [5]
P
8 min = r е = 1,6 мм,
2 ^ в
8 Н D
–
где п в = 6 - 10 —г - предел прочности материала камеры сгорания на растяжение; r = —н м2 2
радиус РДТТ; ε = 1,5 – коэффициент безопасности.
Исходя из конструктивных и технологических соображений, выберем толщину стенки камеры сгорания δ = 2,2 мм. При этом внутренний диаметр камеры сгорания будет равен DKC = DH - 2 8 = 0,148 м. кс н
Для более рационального использования объема камеры сгорания целесообразно применять заливной заряд твердого топлива. В этом случае заряд определенной массы и плотности будет иметь минимальную длину. Для рассматриваемого случая, когда известен внутренний диаметр камеры сгорания, объем, масса и плотность топлива, длина топливного заряда определится 4M по формуле l =----у- = 2,22 м.
ПР т D к 2 с
Выбор конструктивной схемы СПАРТ
В зависимости от скорости горения используемого топлива для обеспечения нормального функционирования двигателя могут быть применены РДТТ разных конструктивных схем. Ниже на рисунке представлены три конструктивные схемы [6–7].
Схема а. Скорость горения выбранного (быстрогорящего) топлива при заданном давлении в камере будет равна U = 0,149 Р к 0,53 = 744 мм . Толщина прогоревшего слоя за полное время работы двигателя А = UT = 2,168 м .
Для обеспечения процесса движения СПАРТ в грунте за счет работающего двигателя с оптимальной скоростью можно использовать двигатель с торцевым горением заряда (сигаретное горение заряда) (см. рис. а).
При этом поверхность горения топлива будет равна S полн
π D 2 кс
= 0,0172.
Суммарная площадь критических сечений всех сопел может быть определена на основании установившегося равновесия между приходом газов в камеру сгорания и их расходом по формуле [8–10]
U P pS полн р т
Fm =---------= 0,001146 м , кр
P к
Нс где в = 1400 --удельный импульс давления. p кг
При выбранной конструктивной схеме СПАРТ, использующего двигатель с торцевым горением зарядов, можно использовать либо одно сопло с диаметром критического сечения 38 мм, либо сопловой блок с суммарной площадью критических сечений 1146 мм2 [11–12].

а

б

в
Конструктивные схемы снарядов-пробойников активно-реактивного типа: а – с залитым твердотопливным зарядом; б – многомодульным двигателем; в – вложенным трубчатым зарядом
Constructive schemes of active-reactive type projectiles:
а – with a filled solid fuel charge; б – with a multimodule engine; в – with a nested tubular charge
Схема б. Скорость горения выбранного топлива при заданном давлении в камере будет рав
-
- 6 мм
на U = 18 + 1,76 - 10 Р к = 62 . Толщина сгоревшего слоя за полное время работы двигателя
с д = UT = 180,668 мм.
Для обеспечения процесса движения СПАРТ в грунте за счет работающего двигателя с оптимальной скоростью можно использовать шестисекционный многомодульный двигатель с торцевым горением зарядов (см. рис. б ). Длина каждого заряда при этом будет равна удвоенной толщине прогоревшего слоя, т. е. l ^6 = 2 А = 361,336 мм.
При этом суммарная поверхность горения топлива будет равна [13–14]
Sполн = -4кс n = 0,206 м2, где n = 12 - количество поверхностей горения.
Суммарная площадь критических сечений всех сопел может быть определена на основании установившегося равновесия между приходом газов в камеру сгорания и их расходом по формуле [8]
U в pS полн
— = 0,001146 м2.
Г =---—---- кр
P к
При выбранной конструктивной схеме СПАРТ, использующего шестисекционный многомодульный двигатель с торцевым горением зарядов, можно использовать семь кольцевых сопел. Эти сопла целесообразно расположить в торцах каждого из шести зарядов, причем пять средних сопел должны иметь одинаковые критические сечения площадью 0,000191 м2, а крайние сопла должны быть в два раза по площади меньше, т. е. 0,0000955 м2.
Схема в. Скорость горения выбранного топлива при заданном давлении в камере будет равна U = 0,001 р 0 ’ 53 = 5,667 мм. Толщина прогоревшего слоя за полное время работы двигателя А = UT = 0,015 м.
Для обеспечения процесса движения СПАРТ в грунте за счет работающего двигателя с оптимальной скоростью, в этом варианте можно использовать двигатель с вложенными трубчатыми зарядами (см. рис. в ).
Основными недостатками конструктивной схемы СПАРТ, использующего двигатель с вложенными трубчатыми зарядами, является низкая степень заполнения объема камеры сгорания топливом и необходимость обеспечения устойчивости топливных зарядов при входе СПАРТ в грунт (см. рис. в ) [15–17].
Заключение
В результате проведенных расчетно-экспериментальных исследований по определению глубин проникания в суглинок 152,4 мм снарядов-пробойников длиной 4,6 м, запускаемых с артиллерийской установки, использующей одинаковый пороховой заряд весом 18 кг, установлено, что:
-
1. Максимальная полная глубина проникания СПАРТ, если бы он двигался в грунте:
– на первом этапе с момента входа и до глубины 51,42 м по инерции;
– на втором этапе с включенной двигательной установкой при массе топлива 61,2 кг и оптимальной тяге;
– на третьем этапе с момента выключения двигателя до полного останова, будет L hojih = 205,48 м, более чем в два раза превышает глубину проникания такого же снаряда-пробойника, если бы он двигался в грунте только по инерции.
-
2. Установка РДТТ в задней части СПАРТ (за счет смещения центра масс вперед из-за разницы в плотностях пороха и стали) существенно увеличивают их статическую устойчивость, что при неуправляемом движении снарядов-пробойников в грунте позволяет добиться более прямолинейной траектории.
-
3. Целесообразно применять (как на Земле, так и на поверхности других планет) СПАРТ для решения целого ряда научных задач, связанных с образованием скважин в грунте и доставкой полезных грузов на некоторую глубину
-
4. Для практического использования формулы, определяющей силу сопротивления грунта при внедрении в него снарядов-пробойников, необходимо иметь массив экспериментальных значений удельных статических сопротивлений F 0уд и коэффициентов сопротивления B в зависимости от формы CПАРТ и скорости движения его в грунте.
Acknowledgments. The work was carried out within the framework of the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (code FSFF-2025-0001).