- •ВВЕДЕНИЕ
- •2.1. Виды порохов и требования к ним
- •2.2. Свойства порохов
- •3.1.Формулировка геометрического закона горения
- •3.2.Быстрота газообразования
- •3.4. Пороха прогрессивной формы
- •4.2. Особенности горения порохов с узкими каналами
- •5.1. Определение силы пороха и коволюма пороховых газов
- •5.3. Определение скорости горения пороха
- •6.1. Баланс энергии при выстреле
- •6.2. Основные энергетические характеристики выстрела
- •2. УСТРОЙСТВО РДТТ
- •2.1. Корпус камеры сгорания
- •2.3. Теплозащитное покрытие
- •2.4. Твердотопливные заряды ракетных двигателей
- •2.5. Бронирующие покрытия
- •3.3. Взаимосвязь параметров ракеты, двигателя и топлива
- •3.3. Влияние параметров ракеты и двигателя на режим полета
- •4.2. Упрощенная модель внутрикамерных процессов
- •4.3. Особенности горения зарядов РДТТ
- •4.6.2. Гашение заряда вводом хладоагента
- •5. ОГНЕВЫЕ СТЕНДОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ РДТГ
"Министерство образования Российской Федерации
Пермский государственный технический университет
Д.Д. Талин
ВНУТРЕННЯЯ БАЛЛИСТИКА
СТВОЛЬНЫХ СИСТЕМ
И РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве конспекта лекций
Пермь 2003
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
пороховых элементов, |
способа и условий заряжания, конструкции камо |
ры. Марку пороха и |
вес заряда подбирают баллистическим расчетом, |
задаваясь требуемой |
начальной скоростью и максимально допустимым |
для данного оружия |
давлением пороховых газов. |
1 |
1 |
|
|
а |
б |
в |
г |
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).
3.Заряды к орудиям |
картузного (безгильзового) |
заряжания |
(рис.2,в). |
|
|
4. Заряды для минометов. |
|
|
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
до вылета |
снаряда из канала ствола; |
- |
третий период - период последействия газов на снаряд после |
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
рость снаряда постоянно увеличивается и участок пути до |
дульного сре |
за снаряд проходит очень быстро, поэтому потери тепла |
через стенки |
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.