УДК 621.45.01

Т16

Рецензенты: замдиректора УрО РАН д-р техн. наук, проф. В.В. Терешатов, завкафедрой ТПМП ПГТУ д-р техн. наук, проф. А.С.Ермилов.

Талин Д.Д.

Внутренняя баллистика ствольных систем и ракетных двигателей твер Т16 дого топлива: Конспект лекций / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь,

2003. 165 с.

Описаны количественные закономерности процессов и явлений, проте­ кающих при горении пороха в замкнутом постоянном объеме и при выстреле из ствольного оружия. Изложены основы теории реактивного движения, рассмотре­ ны устройство РДТТ и конструкция зарядов, влияние свойств топлив, характери­ стик заряда на внутрибаллистические характеристики двигателя. Приведены ме­ тоды термодинамического расчета характеристик ракетных топлив, эксперимен­ тальной отработки зарядов и определения сроков их технической пригодности.

Объем изложенного материала соответствует курсу «Баллистика» Основ­ ной образовательной программы подготовки дипломированного специалиста по специальности «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив», (251200)

УДК 621.45.01

© Пермский государственный технический университет, 2003

ВВЕДЕНИЕ

Порох был изобретен очень давно (около 3500 лет назад, предполо­ жительно, в Индокитае) и до сих пор является лучшим метательным сред­ ством в артиллерийских орудиях, минометах и стрелковом оружии. Кроме того, порох широко применяется для создания газовых смесей определен­ ного состава; создания зондирующих импульсов в сейсморазведке; забива­ ния анкеров; разделки металлолома, гранита, аварийных магистральных трубопроводов; создания положительной плавучести при подъеме зато­ нувших судов; подачи спасательным судном потерпевшему линя в штор­ мовых условиях и др.

В первых твердотопливных ракетах применяли прессованный дым­ ный порох, в настоящее время - баллиститный, а также смесевое твердое ракетное топливо (СТРТ). Ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ) обладают рядом достоинств: высокой надежностью, простотой эксплуата­ ции и постоянной готовностью к действию. В настоящее время более 90% существующих и вновь разрабатываемых ракет оснащаются двигателями твердого топлива. РДТТ широко применяются как в военных, так и в на­ родно-хозяйственных целях. Они используются практически во всех клас­ сах ракет военного назначения, а также для борьбы с градом, для бурения скважин, зондирования высоких слоев атмосферы и др.

Разнообразие областей применения вызывает необходимость в соз­ дании большого количества систем, различающихся внутрибаллистическими характеристиками (ВБХ). Решение задачи получения заданных ВБХ в любой системе, использующей горение пороха или СТРТ, можно пред­ ставить в виде иерархической структуры с тремя основными уровнями.

На первом уровне, к которому относятся технологические процес­ сы, происходит формирование геометрической формы и размеров заряда и

его элементов, а также обеспечиваются заданные физические, энергетиче­ ские, баллистические и другие свойства материалов.

Ко второму уровню отнесены процессы, протекающие в заряде при хранении до боевого применения, вызывающие изменение размеров и формы заряда, а также физических, энергетических, баллистических и дру­ гих свойств порохов и твердых ракетных топлив.

Третий уровень включает в себя процессы горения и совершения ра­ боты продуктами горения, которые определяют ВБХ ствольной системы или ракетного двигателя. Необходимо подчеркнуть жесткую функцио­ нальную зависимость характера протекания процессов третьего уровня от результатов, полученных на первом и втором.

Очевидно, что для обеспечения заданного функционирования кон­ кретной системы необходимо на всех уровнях данной иерархической структуры синтезировать и осуществлять оптимальное управление этими процессами.

Кафедра технологии полимерных материалов, порохов и твердых ра­ кетных топлив (ТПМП) Пермского государственного технического уни­ верситета готовит и выпускает инженеров-химиков-технологов, специали­ зирующихся в области управления технологическими процессами первого уровня. Однако этим специалистам необходимо понимание и других про­ цессов, влияющих на работу ствольных систем и ракетных двигателей. К сожалению, необходимый материал разбросан по разным литературным источникам, которые к тому же имеются в очень ограниченном количест­ ве. Настоящий конспект лекций предназначен устранить этот недостаток.

Автор выражает благодарность коллективу кафедры ТПМП ПГТУ за ценные замечания при работе над рукописью.

ряд (контейнер с листовками), химический снаряд (контейнер с ОВ), подкалиберный, бронепрожигающий и другие снаряды, мину для миномета и т.п. Энергия движения сообщается снаряду силой давления пороховых га­ зов, развиваемого в стволе.

Ствол служит для придания снаряду заданной скорости и направле­ ния. Он состоит из дульной части, заканчивающейся с одной стороны дуль­ ным срезом, а с другой - зарядной каморой, которая, в свою очередь, за­ канчивается казенной частью с затворным гнездом. Затвор запирает канал ствола и создает начальный импульс для воспламенителя с помощью ударного механизма.

Лафет у орудия включает в себя лижний станок (опора и ходовая часть) и верхний станок с механизмом наведения. На лафете устанавлива­ ются противооткатные устройства, щит, уравновешивающий механизм.

1.2. Устройство зарядов и назначение отдельных элементов

Зарядом для стрельбы из ствольной системы называют количество пороха, собранное в определенном порядке и предназначенное для произ­ водства одного выстрела. Определенное количество пороха является ос­ новным элементом всех зарядов. Однако для выполнения тактико­ технических требований в современные заряды вводится также ряд до­ полнительных элементов, наличие которых обусловлено типом оружия. В общем случае заряд может содержать следующие элементы:

-навеску пороха;

-дополнительный воспламенитель;

-вспомогательные элементы (пламегаситель, размеднитель);

-обтюрирующее (уплотняющее) устройство.

Порох, входящий в навеску, обладает энергией, обеспечи­

вающей желаемый метательный эффект. Форма заряда зависит от формы

Рис.2. Способы заряжания: а - унитарный патрон; б - раздельное гильзовое заряжание;

в - картузное (безгильзовое) заряжание; г - заряды к минометам. 1 - капсюль, 2 - ос­ новной заряд, 3 - дополнительные заряды, 4 - гильза, 5 - снаряд (пуля, мина)

Навеска может помещаться в гильзе россыпью или в мешочке (кар­ тузе), при безгильзовом заряжании - только в картузе. Для полного сгорания ткань картуза изготавливают из натурального шелка. В зависи­ мости от задач стрельбы, типа орудия и других условий заряды могут иметь постоянную или изменяемую при стрельбе навеску пороха.

По типу оружия и способу заряжания заряды подразделяются сле­

дующим образом:

1.Заряды к орудиям унитарного заряжания (рис.2,а),

2.Заряды к орудиям раздельного гильзового заряжания (рис.2,6).

5.Заряды для стрелкового оружия.

1.3 Выстрел из ствольного оружия

Под выстрелом из ствольного оружия понимают сложный термоди­ намический и газодинамический процесс очень быстрого, почти мгно­ венного, превращения химической энергии пороха сначала в тепловую, а затем в кинетическую энергию пороховых газов, приводящих в движе­ ние снаряд, ствол и лафет. Этот процесс характеризуется очень высокой напряженностью, что подтверждают следующие данные. Выстрел длится тысячные или сотые доли секунды, при этом достигается максимальное давление р тах = 300...400 МПа, температура газов Т\ в момент их образо­ вания составляет 2500...3500 К, а в момент вылета снаряда из ствола Т ~1500.. .2000 К; снаряд из ствола вылетает со скоростью V~ 700... 1000 м/с, приобретая ускорение 15... 20 тысяч g.

Несмотря на высокую интенсивность протекающих при выстреле процессов, они, тем не менее, закономерны, в определенных пределах управляемы и при сохранении одних и тех же условий заряжания стабиль­ ны от выстрела к выстрелу.

Явление выстрела из орудия включает в себя следующие основные процессы:

1. Горение пороха и образование газов, нагретых до очень высо­

кой температуры и обладающих большим запасом внутренней энергии.

2.Преобразование тепловой энергии пороховых газов в кинети­ ческую энергию движения системы газы заряда - снаряд - ствол - лафет.

3.Движение газов заряда, снаряда и ствола.

Все эти процессы связаны и протекают одновременно.

Вявлении выстрела различают следующие периоды:

-предварительный период, протекает от начала горения заряда до начала движения снаряда;

-первый или основной период, охватывает горение пороха и дви­ жение снаряда в канале ствола до полного сгорания заряда;

-второй период после полного сгорания заряда продолжается

вылета его из канала ствола.

При горении заряда в канале ствола давление р пороховых газов и

скорость V снаряда изменяются по вполне определенным законам в функ­ ции пути / снаряда (рис.3,я) и времени t (рис.3,6).

Явление выстрела может быть описано следующим образом. Под действием ударного механизма зажигается воспламенительный состав

капсюльной втулки. Продукты горения воспламенительного состава разви­ вают в каморе давление ръ=2...5 МПа и нагревают порох до температуры воспламенения Тв. Под действием нагрева и давления газов порох заряда воспламеняется и горит в каморе в постоянном объеме до тех пор, пока давление газов не повысится до давления форсирования /?о=25...50 МПа,

р

б

Рис.З. Характер зависимости изменения давления пороховых газов и скорости снаряда

в канале ствола от координаты снаряда (а) и от времени (5)

достаточного для врезания пояска снаряда в нарезы канала ствола. Этот период выстрела называется предварительным.

Далее следует первый (или основной) период выстрела - период го­

рения пороха в увеличивающемся объеме канала. При этом пороховые газы, сообщая снаряду все возрастающую скорость, производят работу и охлаждаются. В начале периода, когда скорость снаряда еще невелика,

объем образующихся газов растет быстрее, чем объем заснарядного про­ странства, в котором происходит горение. В результате давление бы­

стро повышается, достигая максимального значения ртах, снаряд к этому

времени tM от начала движения проходит путь /ми набирает скорость V.

Для данного вида орудия давление /?тах является важнейшей характери­ стикой. В дальнейшем, несмотря на продолжающееся горение и приток

новых газов, давление начинает падать, достигая величины р к к моменту

tK полного сгорания пороха. В течение первого периода газы совершают

большую часть работы.

После сгорания пороха приток газов прекращается, но так как имею­

щиеся в канале ствола газы обладают еще очень большим запасом энергии, на оставшемся до дульного среза участке пути они продолжают расширяться и совершать работу, увеличивая скорость снаряда. Этот пе­ риод называется вторым периодом или периодом адиабатического рас­

ширения газов. На самом деле, в конечный момент горения пороха ско­

ствола очень малы, а значит, расширение газов можно считать адиабатиче­ ским. Второй период заканчивается в момент, когда дно снаряда проходит дульный срез ствола. Давление падает от р кдо pRi скорость возрастает с VK

до Кд.