10.2.9. Численные методы оценки уровня нагрева стволов

Практика инженерного анализа образцов СПВ требует оценки уровня нагрева стволов при решении разнообразных вопросов, связанных, например, с возможностью самопроизвольного выстрела из нагретых стволов, снижением механической прочности ствола, падением его баллистических характеристик, ухудшением условий эксплуатации и проч.

Для этих целей в НИИ и КБ исследуются соответствующие численные методики расчета на ЭВМ температурных полей стволов как при одиночной, так и при автоматической стрельбе.

Основная идея численных методов решения состоит в том, что исходная математическая задача, сформулированная в дифференциальных операторах, с помощью некоторых приемов трансформируется к более простому виду, например, к системе алгебраических уравнений.

Ранее мы уже отмечали, что оценка уровня нагрева стволов может быть дана численным решением уравнения теплопроводности при соответствующих условиях однозначности. Рассмотрим теперь эти решения подробно.

На рис. 10.11 – 10.13 показаны типовые расчетные схемы и соответствующие формулировки, наиболее часто использующиеся в инженерном анализе нагрева стволов СПВ. Из приведенных рисунков видно, что любая разновидность расчетной схемы предусматривает решение уравнения теплопроводности, записанного лишь в той или иной форме.

Уравнения теплопроводности при одномерной расчетной схеме запишутся в следующем виде:

.

Рис. 10.11. Принципиальная схема распределения количества

тепла по длине ствола

Рис. 10.12. Одномерная расчетная схема

(поперечное сечение ствола)

Распределение температур по поперечным сечениям при двухмерной расчетной схеме определяют по уравнениям

Рис. 10.13. Двумерная расчетная схема (поперечное сечение ствола)

Распределение температуры вдоль оси ствола при двумерном решении вычисляются по уравнениям

10.2.10. Температурное поле стволов спв

Температура является одним из важнейших контролируемых параметров работы стволов автоматического оружия. Круг задач, возникающих при исследовании нагрева стволов, весьма широк и занимает значительное место в деятельности инженеров-разработчиков СПВ.

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования позволили выявить многие закономерности трансформации температурного поля стволов при автоматической стрельбе. Рассмотрим некоторые из них.

Как мы уже отмечали, процесс нагрева стенок ствола при выстреле отличается той особенностью, что промежуток времени, в течение которого ствол получает тепло от порохового газа и снаряда, исчисляется тысячными или сотыми долями секунды. Из-за кратковременности действия выстрела это тепло воспринимается лишь очень тонким слоем металла, прилегающим к поверхности канала ствола и имеющим толщину не более 0,5 мм.

В этом слое температура при выстреле изменяется чрезвычайно интенсивно (рис. 10.14), достигая на поверхности ствола максимальных значений (1300-1500 К), близких к температуре плавления.

Легко установить, что максимальные температуры определяются двумя основными факторами: интенсивностью подвода тепла к поверхности канала ствола и способностью металла ствола отводить его в глубь стенки. В начальные моменты действия газа (до t_m) металл ствола не успевает справляться с отводом тепла и температура на его поверхности растет. С течением времени интенсивность подвода тепла от порохового газа падает из-за уменьшения его плотности, в то время как созданный в поверхностном слое ствола градиент температур еще весьма велик. Процессы отвода тепла начинают превалировать над процессами его подвода, и температура в указанном слое снижается.

Рис. 10.14. Температурное поле при одиночном выстреле

Однако снижение температуры происходит сравнительно медленно и продолжается после окончания действия порохового газа (t_г). В промежутках между выстрелами (до t_ц) происходит дальнейшее выравнивание температур по толщине стенки-ствола.

Исследования показывают, что выравнивание температур не успевает закончиться к началу очередного выстрела в очереди (рис. 10.15), и новый выстрел происходит при более высокой температуре.

Рис. 10.15. Изменение температуры внутренней поверхности ствола

при автоматической стрельбе

Рис. 10.16. Рост устанавливающихся температур с числом выстрелов

в очереди

Температура поверхности канала ствола, соответствующая началу очередного выстрела, носит название температуры, устанавливающейся к началу очередного выстрела, или просто устанавливающейся температуры. Рост устанавливающихся температур с числом выстрелов в очереди является важнейшей характеристикой ствольного узла (рис. 10.16).

Интенсивность теплового воздействия пороховых газов и снарядов различна для различных сечений по длине канала ствола. При патронном заряжании поверхность патронника теплоизолируется от непосредственного соприкосновения с нагретыми газами гильзой, уносящей при экстракции полученный ею при выстреле запас тепла.

Наиболее интенсивно и наибольшее время пороховые газы воздействуют на участок канала ствола, прилегающий к началу нарезов. Кроме того, здесь же происходит наиболее интенсивное деформирование ведущих элементов снаряда, сопровождающееся значительным тепловыделением.

Очевидно также, что количество тепла, передаваемого стволу при выстреле, постепенно уменьшается для сечений, находящихся ближе к дульному срезу. Это связано как с меньшей интенсивностью воздействия пороховых газов, давление и плотность которых падают по мере движения снаряда по каналу ствола, так и с меньшей продолжительностью такого воздействия.

Отмеченное указывает на то, что наибольшего уровня температуры достигают на начальном участие движения снаряда по стволу. Именно в этих сечениях наиболее быстро с числом выстрелов растут и температуры, устанавливающиеся к началу очередного выстрела.

При перерывах в стрельбе сначала происходит быстрое (~ за 10 с) выравнивание температур по толщине ствола (здесь наибольшие градиенты) (рис. 10.17), а затем – более медленное по его длине.

Рис. 10.17. Температурное поле ствола при перерывах в стрельбе

Легко установить, что уровень температур в различных сечениях ствола в первые моменты после прекращения стрельбы определяется не только количеством полученного при стрельбе тепла, но и толщиной стенок или массой ствола в этих сечениях.

Может оказаться, например, что участки ствола, расположенные ближе к дульному срезу и получающие при стрельбе меньше тепла, будут в первые моменты иметь благодаря меньшей толщине стенок большую температуру на наружной поверхности, чем какие-либо другие участки. Поэтому дальнейшее выравнивание температур по стволу и ствольному узлу во многом определяется его геометрией и конструктивным исполнением.