Автор: А.П. Болштянский, д.т.н. (ОмГТУ)

О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСКОНТАКТНОГО
ЦЕНТРИРОВАНИЯ СНАРЯДА В ГЛАДКОСТВОЛЬНОМ ОРУДИИ

      При проведении подавляющего большинства современных боевых операций основу наземных ударных сил составляют многоцелевые машины, оснащенные различными видами стрелкового и артиллерийского оружия. С целью повышения специфических служебных характеристик последнее часто выполняется гладкоствольным.

      Особенностью наиболее часто встречающихся в последнее время боевых ситуаций является необходимость иметь на борту машины оружие, обладающее высокой огневой мощью, что практически при ограниченных габаритах выливается в требование высокой скорострельности и возможности произвести в течение скоротечного боя сравнительно большое количество выстрелов при приемлемой точности попадания в цель.

      Как известно, точность выстрела зависит от многих факторов: тактико-технические показатели, состояние орудия и боеприпасов, квалификация персонала, погодные условия, динамика перемещения цели и т.д. Эти факторы условно можно разделить на зависимые и независимые. К первым, безусловно, относятся показатели, на совершенство которых может оказать влияние существующая система проектирования и эксплуатации оружия, вторые определяются исключительно условиями проведения боевых операций и могут воздействовать на независимые факторы лишь опосредствованно через формулировки задач, которые ставят армейские подразделения перед проектировщиками.

      Одной из таких задач является снижение работы трения при прохождении снаряда по стволу. При существующей конструкции артиллерийского орудия этот процесс неизбежен, т.к. центрирование снаряда производится за счет его опорных кольцевых поясков, контактирующих с внутренней направляющей поверхностю ствола. В то же время трение снаряда в стволе приводит к выделению большого количества теплоты, которая существенно повышает температуру ствола, что, в свою очередь, негативно влияет на его геометрическую точность и, соответственно, на точность выстрела. Кроме того, в результате трения происходит активный износ ствола со всеми вытекающими из этого последствиями.
      Борьба с этим явлением возможна по нескольким направлениям. Одно из них очевидно и широко применялось в конструкциях скорострельного стрелкового оружия. Это активное охлаждение тела ствола. Однако для артиллерийского орудия оно плохо применимо, т.к. в связи с необходимостью отвода огромного (по сравнению со стрелковым оружием) количества теплоты эффективная система охлаждения окажется чрезвычайно громоздкой и массивной, что существенно усложнит динамику наводки на цель. Кроме того, такой подход к проблеме не дает решения задачи снижения износа ствола.
      Второй метод, широко использующийся для оружия с относительно небольшим калибром, заключается в одновременно-последовательном использовании нескольких стволов ("роторные" установки). Он принципиально неприменим для подвижных многоцелевых ударных сил, т.к. в "артиллерийском исполнении" неизбежно окажется очень громоздким и чрезвычайно ограничит маневренность машины и динамику наводки на цель.

      Третьим методом может стать создание новых материалов для изготовления направляющих опорных колец снаряда и технологии обработки внутренней поверхности ствола, обеспечивающих минимальные трение и износ. Здесь следует отметить, что в последнее время такой подход в различных отраслях техники продемонстрировал широкие возможности и хорошие перспективы достижения успеха.

      И четвертым, рассматриваемым в данной работе, подходом к решению выше обозначенной задачи, является попытка полного исключения активного трения снаряда о внутреннюю поверхность ствола. Впервые в мировой практике такой подход был продемонстрирован в патенте США № 3 001 609, выданном на имя Е.М. Macks в 1962 году. Суть опубликованной конструкции заключается в выполнении части снаряда в виде газостатического подвеса, питание которого осуществляется образовавшимися в результате выстрела пороховыми газами (рис. 1).

Рис. 1. Схема газостатического центрирования снаряда в стволе орудия по патенту США № 3 001 609: 1. Ствол. 2. Снаряд. 3. Полость питания. 4. Клапанный узел. 5. Дроссельные устройства. 6. Полость ствола

      Снаряд 2 под действием пороховых газов, находящихся в полости 6 под давлением РГ, движется вдоль ствола. При этом часть газов через клапанный узел 4 попадает в полость питания 3 и находится там при давлении РП . Из полости 3 газ по двум поясам дроссельных устройств 5 истекает в зазор между снарядом 2 и внутренней поверхностью ствола 1, где находится под давлением Pd . В общем случае, при наличии зазора между снарядом и внутренней поверхности ствола, всегда реализуется условие - Pd < РП . Клапанный узел 4 необходим для отсечки полости 3 от полости 6 ствола 1 при падении в ней давления в результате расширения пороховых газов. Таким образом, образовавшиеся пороховые газы в момент выстрела под большим давлением попадают в полость питания 3, а благодаря наличию клапанного узла 4 и относительно небольшому расходу газа через дроссельные устройства 5, это давление по мере продвижения снаряда по стволу падает намного медленнее, чем давление в полости 6 ствола. При этом условие Pd < РП и наличие дроссельных устройств обеспечивает образование газостатического эффекта (газостатического несущего слоя), препятствующего активному трению снаряда о внутреннюю поверхность ствола.

      Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные с участием автора, показали, что в подобных конструкциях при действии боковых нагрузок со стороны самого газостатического несущего слоя возникают перекашивающие усилия, пытающиеся опрокинуть подвижный элемент (в данном случае - снаряд), в связи с чем необходимо использовать отделительную канавку для перепуска уплотняемого потока газа с давлением РГ мимо зоны действия газостатического несущего слоя. Как показали расчеты и эксперименты, при этом практически не происходит увеличения утечки, а жесткость газового слоя существенно возрастает.

      При проведении исследований подобных конструкций было установлено, что они чрезвычайно чувствительны к колебаниям, в связи с чем в разработанных на настоящий момент математических моделях поведения подвижного элемента, окруженного газовым несущим слоем и находящегося под действием перепада давления, учитываются амплитуда и частота колебания направляющей поверхности.

      Проведенные расчеты показывают, что для снаряда, движущегося в стволе орудия, при определенных условиях возможно создание бесконтактного прохождения ствола. Так, например, при длине ствола 4,2 м , его диаметре 100 мм , диаметральном зазоре между снарядом и стволом 0,2 мм и начальном давлении перед снарядом около 500 бар необходимая длина направляющей части газостатического слоя составляет 100 мм , а питание газового слоя может быть обеспечено двумя поясами дроссельных отверстий диаметром 5 мм (12 отверстий в каждом ряду). При этом жесткость газового слоя достигает 750 Н/мкм и более, что обеспечивает бесконтактное движение снаряда в стволе при колебаниях последнего с частотой 100 Гц при амплитуде 1 мм .