Патент на изобретение №2165587

(54) УНИТАРНЫЙ ВЫСТРЕЛ И КОРПУС СНАРЯДА К ВЫСТРЕЛУ

(57) Реферат:

Изобретение относится к артиллерийским боеприпасам. Унитарный выстрел к орудию содержит осколочно-фугасный снаряд с головным взрывателем, соединенную с ним гильзу с метательным пороховым зарядом из пироксилинового пороха и капсюльной втулкой. В головной части корпуса снаряда размещена переходная втулка, содержащая детонатор (цилиндрическая шашка ВВ). Коэффициент наполнения снаряда взрывчатым веществом составляет не менее 0,16, а пороховой заряд гильзы составляет не менее 0,4 объема гильзы. Корпус осколочно-фугасного снаряда с головным взрывателем выполнен из высокоосколочной стали с дном, имеющим внешний контур в виде усеченного конуса, а внутренний – в виде сопряжения двух дуг окружностей различного радиуса, одна из которых образована сферической поверхностью. Запоясковая часть корпуса выполнена цилиндрической формы. Толщина дна оси корпуса составляет 0,15 – 0,20 калибра снаряда. Изобретение позволяет повысить дальность стрельбы и боевую мощь снаряда. 2 с. и 6 з.п.ф-лы 2 табл., 10 ил.

Изобретение относится к боеприпасной технике, а более конкретно к боеприпасам легких среднекалиберных орудий умеренной баллистики для мобильной бронетехники. К этому классу относятся отечественные боевая машина пехоты БМП-3 со 100 мм орудием 2А70, самоходные орудия “НОНА-С” и “НОНА-СВК” со 120 мм орудием 2А60, бронированные колесные машины США “Dragoon” и “Commando”, Великобритании – “Simba” и “Valkyr” с 90 мм пушкой Cockeril Mk3 и другие.

В разных видах артиллерии оптимальное сочетание дальности стрельбы и мощи снаряда является различным. Для дальнобойных систем полевой артиллерии главным и определяющим требованием является увеличение дальности стрельбы, достигаемое, главным образом, за счет увеличения давления пороховых газов в стволе, увеличения длины ствола и улучшения аэродинамической формы снаряда. Высокие нагрузки на снаряд при выстреле не позволяют по условиям прочности реализовать оптимальный коэффициент наполнения, рациональное распределение массы по длине корпуса для обеспечения его однородного дробления, применять высокоосколочные стали. Совместное воздействие требований по прочности и аэродинамическим характеристикам снаряда не позволяет придать снаряду форму, оптимальную с позиции наиболее эффективного распределения осколков по меридиональному углу разлета.

Для орудий умеренной баллистики все указанные требования являются менее жесткими, что в принципе позволяет существенно улучшить осколочные характеристики снаряда с целью повышения его мощи. Прототипом предлагаемого изобретения является 100 мм осколочно-фугасный снаряд 3ОФ32 в составе унитарного выстрела 3УОФ17 [1] для орудия 2А70 БМП-3. Выстрел с суммарной массой 18,1 кг обеспечивает дальность стрельбы 4 км при начальной скорости снаряда 250 м/с. Масса снаряда 15,6 кг, масса заряда (состав A-IX-2, алюминизированный гексоген) 1,69 кг, материал корпуса – снарядная сталь C-60, масса порохового метательного заряда пороха 4/1 – 0,283 кг. Недостатками снаряда являются низкий коэффициент наполнения = 0,11 (отношение массы ВВ к массе снаряда), существенно меньший оптимальных расчетных значений = 0,2…0,25 [2], избыточная масса снаряда, неблагоприятная геометрия контура корпуса [3], особенно его придонной части, приводящая к узкому меридиональному углу разлета осколков и неудовлетворительному распределению осколков внутри угла разлета, невысокое качество дробления штатной снарядной стали C-60 [4], значительное статистическое рассеивание массы корпуса (4 весовых знака) и, как следствие, значительная ошибка дальности стрельбы. Недостатками унитарного выстрела в целом являются низкая начальная скорость снаряда и, как следствие, небольшая дальность стрельбы.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков. Техническое решение состоит в том, что унитарный выстрел, содержащий осколочно-фугасный снаряд с головным взрывателем, соединенную с ним гильзу с метательным зарядом из пироксилинового пороха с увеличенной массой (метательный заряд составляет не менее 0,4 объема гильзы, для прототипа – 0,34), отличается тем, что головная часть корпуса снаряда выполнена с переходной втулкой, содержащей детонатор (цилиндрическая шашка ВВ), дно снаряда имеет внешний контур в виде усеченного конуса, запоясковая часть корпуса выполнена цилиндрической формы, толщина дна по оси корпуса составляет 0,15… 0,20 калибра снаряда. Корпус выполнен из высокоосколочной стали, коэффициент наполнения снаряда взрывчатым веществом составляет не менее 0,16.

Головной взрыватель выполнен как с ударным механизмом с установками на мгновенное, инерционное и замедленное действия, так и имеет дистанционное (временное) или неконтактное исполнение.

Детонатор, расположенный во втулке корпуса, выполнен из того же состава, что и основное ВВ, с диаметром и высотой, равными 0,4…0,5 калибра.

Корпус осколочно-фугасного снаряда с головным взрывателем выполнен из высокоосколочной стали с дном, имеющим внешний контур в виде усеченного конуса, а внутренний – в виде сопряжения двух дуг окружностей различного радиуса. Угол наклона конической поверхности дна корпуса снаряда к оси снаряда составляет 72-76^o.

Радиус сферической внутренней поверхности дна корпуса составляет 0,9-1,1 калибра.

Данная комбинация признаков обеспечивает оптимальное сочетание дальности стрельбы, могущества снаряда и стоимости выстрела.

Графические изображения, поясняющие изобретение, представлены на фиг. 1-10. Фиг. 1 – конфигурация головной части снаряда, фиг. 2 – конфигурация донной части снаряда, фиг. 3а – компьютерное моделирование процесса взрыва снаряда, 3б – волновая картина в стенке корпуса при скольжении вдоль нее детонационного фронта, 3в,г – процесс взрывной деформации дна снаряда (шаг по времени 1 мкс), фиг. 4 – унитарный 100 мм выстрел, фиг. 5 – диаграмма: путь снаряда в канале ствола – давление, фиг. 6 – диаграмма: путь снаряда в канале ствола – скорость, фиг. 7 – сравнение гистограмм распределения осколков прототипа и предлагаемого снаряда по массе, фиг. 8 – сравнение гистограмм распределения осколков по меридиональному углу разлета, фиг. 9 – осколки мелкой и средней фракций, фиг. 10 – сравнение характеристик прототипа и предлагаемого выстрела.

Расчетами по критерию максимума вероятности поражения цели (наземная установка ПТУР) серией выстрелов при фиксированной массе системы оружия (огневая установка + боекомплект) и числе серий, и заданных ограничениях по энергии выстрела и импульсу отдачи было показано, что оптимальный калибр орудия мобильной бронетехники с массой машины 15-20 тонн близок к 100 мм. Оптимальная масса снаряда для этого калибра, рассчитанная по программе “Ливень-Q”, находится в диапазоне 13,0…13,8 кг (в дальнейшем была принята равной середине диапазона 13,4 кг), а оптимальная масса заряда ВВ (штатный состав A-IX-2) – в диапазоне 2,2…2,4 кг (принято 2,3 кг). Оптимизация внешнего и внутреннего контура корпуса при заданных массах снаряда и ВВ проводилась по условиям минимального перепада толщин в средней части корпуса, уменьшения толщины запоясковой части корпуса и дна и придания дну формы, обеспечивающей его равномерное дробление и разлет в угле 90^o от оси снаряда. Выбор толщин стенок корпуса ₀ в сечении, соответствующем переднему краю центрирующего утолщения (₀ = 12 мм, _d = 0,12, _d = ₀/d₀ – относительная толщина стенки, d₀ – внешний диаметр корпуса) и в сечении сопряжения прямолинейной образующей каморы с дугой малого радиуса образующей внутренней поверхности дна (₀ = 16 мм, _d = 0,16) проводился по условию реализации по всей длине корпуса одного и того же физического механизма разрушения, включающего волновые процессы в оболочке, сдвиговые и отрывные явления, развития продольных магистральных трещин. Однотипность механизма высокоскоростной деформации и разрушения в этом диапазоне относительных толщин стенки была подтверждена экспериментами на стандартных осколочных макетах (патент N 2025646 РФ [5] ) RSFC N 11 и N 12 (соответственно _d = 1/8=0,125 и _d=1/6= 0,167) в широком диапазоне свойств сталей и ВВ.

Головная часть снаряда выполнена с переходной втулкой (фиг. 1, 1 – корпус снаряда, 2 – заряд ВВ, 3 – переходная втулка, 4 – детонатор), при этом внутренняя камера переходной втулки имеет диаметр 48 мм, а детонатор, также как и основной заряд, выполнен из состава A-IX-2 (80% флегматизированного гексогена, 20% алюминиевой пудры). Режим полноценной детонации шашки A-IX-2 диаметром 40 мм в стальном корпусе подтвержден длительной практикой испытаний стандартных осколочных макетов N 11, 12 с указанным значением диаметра шашки (в данном случае принят 20%-ный запас по диаметру). По условию реализации небольшой кривизны детонационного фронта в момент его выхода на основной заряд состава A-IX-2 принята высота детонатора, равная его диаметру (h_д = d_d = 48 мм).

Использование переходной втулки и, как следствие, большой внутренний диаметр переднего торца корпуса позволяет, с одной стороны, обеспечить малую разноплотность заряда ВВ при операции снаряжения через передний торец (“очко”), а с другой стороны, обеспечить полноценное дробление резьбового пояса “А” при его значительной общей толщине.

Размещение в переходной втулке цилиндрической шашки ВВ позволило переместить место инициирования основного заряда ВВ вглубь корпуса снаряда, а следовательно, улучшить характеристики осколочного действия снаряда.

Внутренняя поверхность дна корпуса выполнена в виде сопряжения сферической поверхности радиуса R и тороидальной поверхности с радиусом образующей окружности r (фиг. 2, 1 – корпус с поясками 5, 2 – заряд ВВ), а внешняя поверхность дна – в виде усеченного конуса с углом наклона конической поверхности к оси снаряда. Дополнительными размерами, определяющими конфигурацию донной части, являются толщина дна по оси корпусу H и диаметр d_п малого основания усеченного конуса. Подбор угла и безразмерных величин R/d₀, r/d₀, H/d₀, d_п/d₀ проводился по условию реализации взрывной трансформации дна снаряда в полусферу с помощью компьютерного моделирования процесса [6] по программе “Гефест” (фиг. 3а). В результате моделирования определены следующие диапазоны безразмерных величин:
= 72. . .76^o, R/d₀=0,9…1,1, r/d₀=0,1…0,2, H/d₀=0,15…0,2, d_п/d₀= 0,15…0,25.

Дополнительное условие стабильного дробления дна принималось по критерию Покровского-Райнхарта-Пирсона:

где f – размер осколка; V_кр – критическая скорость (для стали 200…300 м/с),
V_R – скорость радиального расширения дна; = 1…2.

В целях получения высококачественного пространственно-массового распределения осколков и их хорошей аэродинамической формы для изготовления корпуса снаряда используется эвтектоидная кремнисто-марганцевая сталь 80Г2С. Изготовление корпуса производится горячей штамповкой методом прямого выдавливания, что позволяет уменьшить разностенность и разброс массы корпуса.

Унитарный 100 мм выстрел представлен на фиг. 4 (1 – корпус с поясками 5, 2 – ВВ, 3 – втулка, 6 – капсюль-воспламенитель, 7 – гильза, 8 – метательный заряд, 9 – взрыватель). Метательная часть выстрела, т.е. гильза с пороховым зарядом, электрокапсюльной втулкой и вспомогательными элементами (воспламенителем, размеднителем) при сохранении размеров прототипа изменена за счет увеличения массы порохового заряда и применения вместо зерненого пироксилинового, одноканального пороха марки 4/1 пороха аналогичного типа марки 5/1. Применение пороха с большей толщиной свода (0,5 мм вместо 0,4 мм) совместно с увеличением массы заряда и уменьшением массы снаряда Q позволило получить оптимальное сочетание максимального давления в канале ствола P_max и коэффициента заполнения индикаторной диаграммы , обеспечивающее высокое значение дульной скорости V₀ согласно соотношению

вытекающему из баланса энергии при выстреле

где – коэффициент фиктивности, S₀ – площадь сечения канала ствола, l – длина ствола (все величина в системе СИ). Графики P=f(x), V=f(x) (x – путь в канале ствола) представлены на фиг. 5, 6.

Связь основного внутрибаллистического параметра P_max с основными показателями Q, , определяющими внешнебаллистические характеристики и показатели мощи снаряда по осколочному, компрессионному и проникающе-фугасному действию, и характеристиками химического состава металла C%, Le% выполняется через относительную толщину стенки корпуса _d = ₀/d₀ по условиям ее прочности при выстреле и проникании в преграду.

Наряду с увеличением дальности стрельбы существенно уменьшены по отношению к прототипу ошибки по дальности, что в основном достигается уменьшением коэффициента вариации V статистического разброса массы снаряда до величины – – среднеквадратическое отклонение массы, – средневыборочное значение массы снаряда), соответствующей рассеиванию массы в пределах нулевого весового знака ( 1/3%). Уменьшение разброса масс снаряда осуществлено за счет применения новой высокоточной технологии горячей штамповки корпуса снаряда из стали 80Г2С, а также за счет уменьшения разброса плотности заряда ВВ, достигаемой благодаря применению снаряжения через увеличенное “очко” корпуса.

Таким образом, основными входными параметрами оптимизации выстрела при фиксированном калибре, длине ствола и длине хода нарезов являлись:
– масса снаряду Q;
– коэффициент наполнения ;
– содержание углерода в стали корпуса C%;
– суммарное содержание легирующих элементов в стали корпуса L%;
– скорость детонации заряда ВВ, D;
– коэффициент лобового сопротивления C_x;
– коэффициент вариации статистического рассеивания массы снаряда V;
– масса заряда пороха ,
– максимальное давление в канале ствола для данного заряда _max;
– коэффициент заполнения индикаторной диаграммы ;
– показатель сложности/стоимости технологического процесса изготовления корпуса Te;
– Ц_м, Ц_вв, Ц_п – соответственно стоимость 1 кг металла, ВВ и пороха.

При этом накладывались ограничения по максимальному давлению в канале ствола, кинетической энергии и импульсу отдачи выстрела, длине снаряда. Основными выходными параметрами являлись:
– дальность стрельбы Д = f₁(Q, , p_max, , C_Х);
– точность стрельбы T=f₂(V, Te);
– мощь снаряда М = f₃(Q, , C%, L%, D);
– стоимость выстрела Ц = f₄(Q, , , Te, Ц_м, Ц_вв, Ц_п).
Оптимизация комбинаций исходных параметров, проведенная по критерию обобщенного качества выстрела K= f(Д, Т, М, Ц), подтвердила правильность выбора указанного сочетания (таблица 1).

Подрывы предлагаемых 100 мм осколочно-фугасных снарядов в камере с улавливающей средой и в щитовой мишенной обстановке показали явное преимущество предлагаемого снаряда перед прототипом (таблица 2).

Сравнение гистограмм распределения осколков прототипа и предлагаемого снаряда представлено на фиг. 7, сравнение гистограмм распределения осколков по меридиональному углу разлета – на фиг. 8 (отсчет угла производится от луча, направленного из центра снаряда к взрывателю).

Осколочный спектр предлагаемого снаряда с высокой точностью (² = 7,2; R=0,62) описывается хорошо известным распределением Вейбулла:


при = 0,5, m₀=0,62 г, = 1,24 г, N₀=8467,
где N( N₀ – число осколков с массой, большей нуля (теоретическая константа распределения);
m₀ – характеристическая масса распределения;
– показатель качества дробления;
– математическое ожидание массы осколка;
Г(x) – гамма-функция.

Расчетное число осколков с массой, большей 0,5 г, составляет N_0,5=3449, что с точностью 1,7% соответствует экспериментальному значению N_0,5^э=3389.

Относительная масса средней фракции (315 г) составила 0,49, относительная масса крупной фракции (m>15 г) – 0,08. Осколки мелкой и средней фракций показаны на фиг. 9.

Сравнение основных характеристик прототипа и предлагаемого выстрела показано на фиг. 10.

При выстреле от луча огня капсюльной втулки и воспламенителя 6 (фиг. 4) происходит воспламенение метательного заряда 8. Под действием давления пороховых газов снаряд начинает движение по каналу ствола и далее совершает полет по траектории.

В момент удара снаряда о преграду происходит взрыв капсюля-детонатора, который передается детонатору во взрывателе, а от него разрывному заряду.

Источники информации
1. В.П.Киреев “Выстрелы полевой артиллерии России”, Военный парад, сент. – окт. 1994 г., стр. 152.

2. В.А.Одинцов “Основные направления развития боеприпасов полевой артиллерии и проблемы перехода на калибр 155 мм”, Оборонная техника, 1996 г., N 8-9, стр.3-12.

3. Rounds for tank and antitank guns, field and naval artillery. Выстрелы танковых, противотанковых пушек, полевой и морской артиллерии. Научно-исследовательский машиностроительный институт (НИМИ), Москва, стр. 45.

4. Лещинский Ю.М., Телегин Н.Н. и др. под общей редакцией генерального конструктора д. т. н. Калистова А.А. Справочник артиллерийских боеприпасов, подлежащих утилизации и уничтожению. Советско-германская фирма Нова, 1992 г. , стр. 41-42.

5. Макет боеприпаса для испытания материалов и взрывчатых веществ на метательно-дробящее действие. Патент РФ N 92012269 от 30.12.94 г.

6. В.И.Колпаков, С.В.Ладов, А.А.Рубцов “Математическое моделирование функционирования кумулятивных зарядов”. Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998 г.
)>

Формула изобретения

1. Унитарный выстрел к орудию, содержащий осколочно-фугасный снаряд с головным взрывателем, соединенную с ним гильзу с метательным пороховым зарядом из пироксилинового пороха и капсюльной втулкой, отличающийся тем, что в головной части корпуса снаряда размещена переходная втулка, содержащая детонатор, коэффициент наполнения снаряда взрывчатым веществом составляет не менее 0,16, а пороховой заряд гильзы составляет не менее 0,4 объема гильзы.

2. Унитарный выстрел по п.1, отличающийся тем, что детонатор, расположенный во втулке корпуса, выполнен из того же состава, что и основное ВВ, с диаметром и высотой, равными 0,4 – 0,5 калибра.

3. Унитарный выстрел по п.1 или 2, отличающийся тем, что головной взрыватель выполнен с ударным механизмом с установками на мгновенное, инерционное и замедленное действие.

4. Унитарный выстрел по п.1 или 2, отличающийся тем, что головной взрыватель выполнен дистанционным или временным.

5. Унитарный выстрел по п.1 или 2, отличающийся тем, что головной взрыватель выполнен неконтактным.

6. Корпус осколочно-фугасного снаряда из стали с головным взрывателем, отличающийся тем, что он выполнен из высокоосколочной стали с дном, имеющим внешний контур в виде усеченного конуса, а внутренний – в виде сопряжения двух дуг окружностей различного радиуса, одна из которых образована сферической поверхностью, запоясковая часть корпуса выполнена цилиндрической формы, толщина дна по оси корпуса составляет 0,15 – 0,20 калибра снаряда.

7. Корпус осколочно-фугасного снаряда по п.6, отличающийся тем, что угол наклона конической поверхности дна корпуса снаряда к оси снаряда составляет 72 – 76°.

8. Корпус осколочно-фугасного снаряда по п.6, отличающийся тем, что радиус сферической внутренней поверхности дна корпуса составляет 0,9 – 1,1 калибра.

РИСУНКИ