4.4. Движение вращающегося снаряда в воздухе
Стабилизация полета снаряда понимается как решение следующих двух задач:
- придание снаряду такой устойчивости, чтобы он не опрокидывался в воздухе;
- достижение такого полёта, при котором бы снаряд «следил» осью за траекторией.
Обе эти задачи решаются приданием снаряду вращательного вращающихся движения.
Чтобы правильно уяснить полет снарядов, напомним особые свойства вращающихся тел - гироскопов. (Гироскопом называется всякое быстро вращающееся симметричное тело; простейшим гироскопом является обыкновенный волчок).
Первое свойство гироскопа. Вращающееся тело способно сопротивляться воздействию внешних сил, сохранять положение оси.
Рассматривая это свойство, необходимо отметить, что способность вращающихся тел сохранять положение оси велика и тем больше, чем больше скорость вращения. С помощью гироскопов подаются команды привода которые стабилизируют положение орудийных башен кораблей, танковых пушек, БМП-2, БМП-3, БМД-2, БМД-3, БТР-80У, БТР-90.
Устойчивость вращающихся тел можно показать на ряде простых опытов. Заведенный обыкновенный волчок во время вращения не падает, сохраняя положение своей оси в вертикальном положении. Еще нагляднее это свойство демонстрируется на специальном приборе - учебном гироскопе. Уравновесим гироскоп на нитке (рис. 39). После этого нанесем по нему небольшой удар, гироскоп сразу изменит положение своей оси. Заведя же гироскоп, можно убедиться, что даже довольно резкие удары не могут отклонить ось гироскопа от первоначального положения.
Рис. 39. Учебный прибор-гироскоп.
Если учесть, что скорость вращения снаряда во много раз превосходит скорость вращения гироскопов, станет понятно, на сколько велика устойчи-
вость его в полете.
Второе свойство гироскопа. При воздействии на гироскоп внешней силы его ось отклоняется в ту сторону, где окажется получившая импульс точка через 3/4 оборота. Отклонение будет тем больше, чем сильнее действие внешней силы. (Сила, с которой ось гироскопа поворачивается под прямым углом к действующей силе, настолько велика, что в практике наблюдались случаи срыва подшипников валов гребных винтов пароходов при резкой килевой качке).
Это свойство можно также продемонстрировать на учебном гироскопе. Заведем уравновешенный гироскоп и потянем вниз за нитку, привязанную к оси гироскопа. Ось гироскопа отклонится на 90˚ в сторону его вращения.
Если внешняя сила будет действовать на гироскоп постоянно, то его ось будет описывать конус. Это движение называют медленным коническим движением или прецессией. Так вращается ось заведенного на столе волчка (рис. 40).
Как увидим дальше, вращается под воздействием силы сопротивления воздуха продолговатый снаряд. Это же движение можно заметить на опыте с гироскопом. Гироскоп, сохраняя горизонтальное положение, своим свободным концом будет описывать конус вокруг точки опоры.
В
ращающаяся
пуля или снаряд являются очень сильными
гироскопами. Рассмотрим на основе
свойств гироскопа полет в воздухе
вращающихся снарядов.
Рис. 40. Прецессионное движение оси волчка.
а) Полет снаряда на начальном, прямолинейном участке траектории и
при стрельбе вертикально вверх и вниз. Рассматривая вращательное движение снаряда, траекторию обычно делят условно на начальную (прямолинейную) часть и криволинейную часть.
При
движении на прямолинейном участке
траектории, а также при стрельбе вверх
и вниз, вследствие образования угла δ,
на снаряд начнет действовать опрокидывающий
момент. Пусть в первый момент снаряд
отклонится головной частью вверх. Тогда
воздух будет давить на его нижнюю часть;
снаряд вследствие свойств гироскопа
не опрокинется, а отклонится головной
частью вправо. Теперь воздух будет
давить на левый бок снаряда, но снаряд
повернется головной частью вниз и воздух
будет давить на верхнюю часть снаряда,
в результате чего он отклонится влево.
Так как действие возд
уха
будет непрерывным, то ось снаряда будет
описывать конус (рис. 41). Такое движение
снаряда называется прецессией.
Рис. 41. Прецессионное движение снаряда.
б) Полет снаряда на криволинейном участке траектории. На криволинейном участке касательная к траектории все время понижается. Это приводит к тому, что снаряд будет получать больший импульс снизу, чем со всех других сторон. Следовательно, головная часть снаряда будет больше отклоняться вправо и вниз, чем влево и вверх.
Проследим подробно один виток прецессионного движения на криволинейном участке траектории. Пусть первоначально головная часть была выше касательной к траектории. Получив импульс силы снизу, снаряд отклонится головной частью вправо и получит давление на левый бок. Вследствие этого он отклонится головной частью ниже касательной к траектории. Но к этому времени снаряд опустится на какую-то величину и касательной к траектории. Угол δ будет значительно меньше, чем он был в тот момент, когда головка снаряда была выше касательной к траектории. Следовательно, снаряд получит меньшее давление на верхнюю сторону относительно оси и только немного отойдет головной частью левее касательной к траектории. А раз так, то он получит небольшой толчок по правому боку относительно оси и снаряд не сможет занять первоначального положения. Ось его после этого витка будет находиться ниже первоначального. Но к этому времени снова опустится касательная к траектории. Угол δ в верхнем положении будет снова большим и снаряд, резко отклонившись вправо, начнет новый цикл, в результате которого его ось опять не возвратится в прежнее положение по высоте.
Так, вылетевший снаряд, постепенно поворачивается в воздухе головной частью вниз.
Для достижения такого правильного полета нужна определенная скорость вращения снаряда. При малой скорости вращения снаряд опрокидывается, при большой скорости вращения мы можем получить «перестабилиз
рованный» снаряд, который не следит головной частью за траекторией. Так и летел бы вращающийся снаряд в безвоздушном пространстве (рис. 42).
Рис. 42. Схема полета вращающегося снаряда в безвоздушном пространстве.
В артиллерийской практике очень долгое время подбирали опытным путем крутизну нарезки, пока профессор Н.А. Забудский не вывел формулу определения необходимой скорости вращательного движения для придания устойчивости снаряду.
Таким образом, вращательное движение не дает опрокинуться снаряду
и заставляет его следить за траекторией (рис. 43).
Рис. 43. Схема полета стабилизированного снаряда в воздухе.
Вращательное движение позволило добиться правильности полета снаряда в воздухе. Однако вращающиеся пули и снаряды отклоняются от направления стрельбы в сторону вращения. Это явление отклонения снаряда в сторону вращения от плоскости стрельбы называется деривацией.
Деривация — вредное явление, осложняющее стрельбу. Однако величина деривации очень мала по сравнению с дальностью стрельбы и легко может быть учтена с помощью специальных таблиц. В некоторых образцах вооружения деривация устраняется при помощи устройств, установленных в прицел. Они при установке прицела смещают мушку в противоположную сторону от угла деривации (например, ГП-25).
Чтобы уяснить причины деривации, необходимо вспомнить, что при движении на криволинейном участке траектории снаряд больше отклоняется своей осью вправо и вниз, чем влево и вверх.
Большее отклонение вправо приводят к тому, что на боковую поверхность снаряда с левой стороны приходится большее сопротивление воздуха и, следовательно, сила Rn (рис. 44) больше действует вправо, отклоняя снаряд вправо от направления первоначального полета. Чем круче будет траектория и больше время полета, тем больше будет и деривация.
Rn
+
Rn
-
Рис. 44. Возникновение деривации.
При стрельбе вверх и вниз, а также на небольшие дальности, где траекторию можно принять за прямую линию, деривации нет, так как снаряд будет равномерно прецессировать вокруг касательной к траектории. Сила Rn будет равномерно действовать во все стороны и отклонения снаряда от плоскости бросания не будет.
Таким образом, причинами деривации являются:
- вращательное движение снаряда;
- сопротивление воздуха;
- понижение касательной к траектории.
При стрельбе из артиллерийских орудий величину деривации учитывают при подготовке данных, внеся соответствующие поправки в исходную установку угломера по таблицам стрельбы.