Глава 2. Исследование функционирования двигателей авиационного артиллерийского оружия

2.1. Особенности устройства стволов авиационного артиллерийского оружия

Ствольный агрегат авиационного артиллерийского оружия использует энергию газов, образовавшихся при сгорании порохового заряда патрона. Основными элементами ствольного агрегата является ствол, гильза и запирающий механизм.

Ствол с помощью гильзы и запирающего механизма ограничивает объем образующихся при выстреле пороховых газов и обеспечивает требуемое их воздействие на снаряд, в нем снаряд получает заданное поступательное и вращательное движение.

Ствол предназначен для сообщения снаряду поступательного движения с определенной начальной скоростью и вращения его относительно продольной оси с целью обеспечения устойчивого полета снаряда на траектории.

Стволы бывают нарезные и гладкоствольные, составные и унитарные. В авиационном артиллерийском оружии используются только нарезные стволы.

Гильза, как элемент ствольного агрегата, служит для закрывания заднего отверстия ствола и его обтюрации, а также обеспечивает воспламенение порохового заряда с помощью расположенного в ее дне капсюля-воспламенителя.

Запирающий механизм удерживает гильзу в стволе во время выстрела.

Основой конструкции ствольного агрегата (блока стволов) является ствол. Ствол представляет собой открытую с двух концов трубу (рисунок 2.1). Внутреннюю поверхность ствола называют каналом ствола. Передняя торцевая часть ствола (без учета дульных устройств) строго перпендикулярна оси ствола и называется дульным срезом, а задний торцевой срез – казенным срезом (пенек ствола).

Канал ствола в общем случае имеет патронник, нарезную часть и соединительный конус на котором начинаются нарезы. Патронник (казенная часть канала ствола) служит для размещения патрона перед выстрелом. Патрон удерживается в нем с помощью запирающего механизма.

Нарезная часть (нарезная часть канала ствола НЧКС) является основной, т.к. в ней снаряд получает поступательное и вращательное движение. Поступательное движение снаряду сообщается путем его разгона в направляющей части ствола давлением пороховых газов, находящихся в заснарядном пространстве. Длина ствола и масса порохового заряда выбираются, исходя из необходимой начальной скорости снаряда после вылета из ствола, обеспечивающей его эффективное воздействие по цели, в частности, требуемую толщину пробиваемой им брони.

Нарезная часть канала ствола применяется для снарядов, устойчивость которых на траектории обеспечивается вращением. В этом случае канал ствола является не только направляющей, по длине которой снаряд разгоняется до заданной скорости, но и обеспечивает снаряду нужную для стабилизации полета скорость вращения.

С тволы с гладким каналом применяются для снарядов, стабилизация полета которых осуществляется оперением.

Дульная часть ствола может иметь различные дульные устройства: дульный тормоз, локализатор и т.д.

Большое влияние на рассеивание снарядов оказывает точность обработки и состояние дульного среза. Дульный срез должен быть строго перпендикулярным к оси ствола и не иметь повреждений, так как всякое его повреждение вызывает дополнительное рассеивание снарядов при стрельбе.

Патронник служит для размещения патрона. Поэтому его форма определяется формой гильзы патрона, ее наружной конфигурацией. Кроме того, форма и размеры патронника тесно связаны с таким фактором, как фиксация патрона, который перед выстрелом должен занимать в патроннике строго определенное положение для того, чтобы обеспечить надежное срабатывание капсюля патрона.

В ААО патрон досылается в патронник с большой скоростью, поэтому в конце досылания, при остановке патрона, возникают большие инерционные нагрузки. При этих условиях может происходить деформация гильзы и нарушение целостности патрона (распатронирование, трещины в гильзе).

Существует несколько способов фиксации патрона в патроннике: посадка патрона на специальный буртик, выполненный на гильзе; патрон в конце досылания опирается на скат гильзы; патрон удерживается в патроннике специальным фиксатором, заскакивающим за закраину гильзы; патрон при остановке удерживается в экстракторах затвора. Могут использоваться их различные комбинации.

Соединительный конус является переходным элементом между патронником и НЧКС. Длина соединительного конуса выбирается из условия оптимального прилегания ведущего пояска (ВП) снаряда к нарезам: с одной стороны, чтобы не было предварительного врезания пояска в нарезы, с другой, – между пояском и нарезами должен существовать зазор. Длина соединительного конуса делается в пределах 0,25…1,0 калибра снаряда.

В авиационном артиллерийском оружии применяются следующие типы стволов: ствол моноблок, ствол с лейнером, скрепленный и автоскрепленный ствол.

Ствол моноблок или автоскрепленный ствол получил большое распространение из-за технологичности изготовления. Как правило, применяется для оружия калибра менее 100 мм и давлении в канале ствола менее 500 МПа. При потере живучести НЧКС ствол заменяется целиком на новый ствол моноблок. Такой тип ствола применяется на всех базовых образцах ААО, кроме пулемета ЯкБ-12,7 и пушки ГШ-23.

Ствол с лейнером или со свободной трубой применяется, главным образом, с целью экономии металла, из которого изготовляются стволы, так как при потере живучести меняется только изношенная внутренняя часть канала ствола. Лейнирование ствола осуществляется либо по всей длине, либо в наиболее напряженных местах, например, в казенной части канала ствола и соединительного конуса.

В стволах со свободным лейнером зазор между тонкостенной трубой (лейнером) и внутренней поверхностью ствола по мере увеличения давления пороховых газов выбирается, после чего в деформации ствола участвует и его оболочка. Дульная часть лейнера работает как простой моноблок, так как под действием сравнительно небольших давлений зазор полностью не выбирается.

Свободная труба в отличие от свободного лейнера закрыта оболочкой не по всей длине. Это выгодно, так как уменьшаются поверхности, подлежащие точной обработке. Однако стенки свободной трубы должны быть толще, чем у лейнера.

Ствол с лейнером используется в пулемете ЯкБ-12,7.

Скрепленные стволы нашли применение в оружии большого калибра, и в оружии, в котором во время выстрела создается большое давление пороховых газов. Скрепление ствола осуществляется либо по всей длине, либо с натягом в казенной части. Такой ствол с предварительно напряженной внутренней трубой позволяет повысить предел упругости материала на величину, напряжения предварительного сжатия металла поверхности ствола.

Стволы ААО имеют ограниченный срок службы, так как их канал изнашивается в процессе эксплуатации. Для восстановления баллистических свойств не скрепленный ствол заменяют полностью, а в скрепленном обычно заменяется изношенная труба. Такая конструкция ствола применяется на пушке ГШ-23.

Автоскрепленный или автофретированный ствол по внешнему виду ничем не отличается от обычных стволов моноблоков, однако, на их внутренней поверхности предварительным нагружением сверх предела текучести создается зона остаточных деформаций, увеличивающая прочностные свойства ствола.

Сущность автоскрепления заключается в следующем. Если подвергнуть ствол достаточно большому внутреннему давлению, такому, чтобы внутренние слои его испытали пластическую деформацию, то после снятия давления произойдет упрочение этих слоев за счет образования наклепа металла и за счет появления остаточных напряжений сжатия. После снятия нагрузки внутренние слои не придут в первоначальное состояние вследствие остаточных деформаций. В то же время внешние менее деформированные слои будут стремиться возвратиться к первоначальному положению. Вследствие этого внутренние слои окажутся сжатыми, и во время выстрела такой ствол будет работать как скрепленный (с непрерывным скреплением).

К стволам предъявляются жесткие требования по технологичности изготовления, по прочности, по жесткости, весу и габаритам. В настоящее время для изготовления стволов применяются следующие марки специальных сталей 30ХН2МФА, ОХНЗМФА, 25ХЗЗНБЦА-Ш.

В артиллерийском оружии экстракция гильз производится, как правило, при значительном остаточном давлении пороховых газов (15…20 МПа). При этом происходит опрессовка гильзы по поверхности патронника, что резко увеличивает усилие ее экстракции и может приводить к поперечным разрывам гильзы, срыву закраины гильзы при экстракции.

С целью предотвращения указанных явлений патронник изготавливают с продольными канавками (рисунок 2.2), которые называются канавками Ревелли.

П рименение канавок Ревелли, с одной стороны, уменьшают площадь соприкосновения гильзы с патронником, что снижает силу трения, а с другой – снижается обжатие за счет противодавления со стороны пороховых газов, находящихся в канавках Ревелли.

Испытания показали, что усилие экстракции гильзы из патронников, имеющих канавки Ревелли снижается в среднем на 30 ... 40 % по сравнению с патронниками, не имеющими канавок Ревелли.

Длина ствола определяется при решении задачи внутренней баллистики из условия, что снаряду заданных калибра и массы необходимо сообщить определенную начальную скорость.

Увеличение длины ствола на готовом образце оружия всегда ведет к повышению начальной скорости снаряда.

В настоящее время авиационные пушки, предназначенные для неподвижных установок истребителей, бомбардировщиков и штурмовиков, имеют длину ствола 50…60 калибров, а у пушек, которые размещаются на подвижных установках, длина ствола ограничивается 40…45 калибрами.

Наружные размеры и форма ствола определяются прочностью и, кроме того, зависят от конструктивных особенностей оружия.

Стволы гранатометов и пулеметов устроены так же, как и у пушек. Следует лишь заметить, что пуля в отличие от снаряда и гранаты не имеет ведущего пояска и врезается в нарезы своей оболочкой.