РАЗРАБОТКА КРИОГЕННО-ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ МЕТАНИЯ ОБЪЕКТОВ

АННОТАЦИЯ

Тела, ускоренные пневматическими установками, могут найти применение практически во сферах деятельности, например, для газодинамических исследований, изучения процессов соударения, при работах по обеспечению защиты жизни. Какого бы рода экспериментов ни проводились с летящими телами, каждый из них требует знание определенных процессов и характеристик.

В работе приведена криогенно-пневматическая метательная установка, принцип работы, а также разработана схема для оценки скорости полета снаряда.

ABSTRACT

Bodies accelerated by pneumatic installations can find applications in practically all fields of activity, e.g. for gas dynamic research, the study of collision processes and life-safety applications. Whatever type of experiments on flying bodies, each of them requires knowledge of certain processes and characteristics.

The paper presents a cryogenic-pneumatic propellant, the principle of operation, as well as s scheme for estimating the velocity of the projectile flight.

Ключевые слова: метательная установка, рабочее тело, криогенно-пневматическая установка, оценка скорости.

Keywords: throwing installation, working medium, cryogenic-pneumatic installation, assessing the velocity.

Изучение быстропротекающих процессов стало возможным благодаря развитию экспериментальных, баллистических методов исследования, а также техники эксперимента.

Существующие в настоящее время пневматические установки нашли применение в научных исследованиях в области аэродинамики и физики твердого тела [1].

Значительное расширение области применения пневматических установок стало причиной их использования и поставило новые задачи, суть которых заключается в необходимости разработки систем по совершенствованию этих установок.

Явление выстрела является результатом преобразования химической энергии в механическую работу метания тела, что представляет с собой сложный термодинамический и газодинамический процесс. Исследование явлений выстрела требует подробного изучения основных закономерностей, которым подчиняются газы, как в отношении изменения свойств при переходе из одного состояния в другое, так и в отношении происходящего при этом преобразования энергии. При процессе превращения энергии из одного вида в другое совершается работа [2].

Пневматические газовые пушки представляют собой экспериментальные устройства, состоящие из двух основных частей: цилиндрического ствола (трубы) и камеры высокого давления. Метание снаряда в газовой установке, как и в любой другой артиллерийской установке, происходит за счет расширения рабочего газа в основной установке. Основной задачей теории метания является определение влияния таких параметров, как площадь ствола S, масса снаряда m, масса газа и др. на скорость снаряда и показать наиболее перспективные направления создания метательных устройств [3].

Криогенно пневматическая установка – один из видов газовой установки рабочим телом которого является азот. Эта лабораторная установка, в которой в качестве топлива используется жидкий азот. Она была разработана для метания хрупких снарядов, движущихся на относительно небольших скоростях (50÷200 м/с). Установка состоит из стального ствола и испарительной камеры, где и происходит сам процесс расширения жидкого азота.

В процессе разработки криогенно-пневматической установки возникают две важные задачи: газодинамические и конструктивные. В газодинамические задачи входят: подбор заряда, выбор оптимального веса инициирующего элемента реакции расширения газа и т.п. В то время как конструктивные задачи включают в себя выбор параметров частей установки. Вопрос решения газодинамических и конструктивных задач возможен при учете определенных характеристик. В случае использования криогенно-пневматической установки применяется инженерная методика нахождении связи между скоростью метания и параметрами заряжания. По этой же методике определяются оптимальные геометрические параметры и размеры криогенно-пневматической установки [4].

Рисунок 1. Криогенно-пневматическая установка во время эксперимента

На рисунке 2 описана схема экспериментальной установки.

 Рисунок 2. Схема экспериментальной установки

1 – емкость, 2 – крышка с упором, 3 – штатив, 4 – кожух с тензодатчиками, 5. – рамка с разрывными контактами, 6. – снаряд, 7 –испаритель

Криогенно-пневматическая установка выполнена из стали и имеет длину ствола 4 метра. Устройство включает в себя испаритель, где находится жидкий азот с термитом, отделенные специальной диафрагмой, где в дальнейшем происходит процесс расширения. Также установка имеет кожух с тензорезисторами расположенные на определенных расстояниях между собой. Рамка с разрывными элементами закреплен снаружи ствола и само устройство закрепляется на штативе.

При разработке криогенно-пневматической установки были учтены следующие оптимальные параметры: степень расширения, максимальное давление, вес снаряда, форма камеры и длина ствола.

В данной экспериментальной работе азот используется в качестве рабочего тела. Суть методики применения азота заключается в использования его свойств для процесса метания снаряда с помощью криогенно-пневматической установки. В рабочей части цилиндрического ствола установки находятся рабочее тело в виде жидкого азота, выступающего как испаряющийся элемент и за счет расширения, которого создается высокое давление в рабочем объеме ствола. Величина максимального рабочего давления в камере ограничена конструктивными и эксплуатационными параметрами.

Инициатор зажигательной системы является термит. Они разделены между собой между собой перегородкой в виде полиэтиленовой упаковки каждой составляющей. При запуске данной системы в рабочем объеме ствола криогенно-пневматической установки происходит процесс объемного расширения азота, за счет, которого происходит метание снаряда. Сам процесс объемного расширения характеризуется коэффициентом объемного расширения и термическим коэффициентом давления. Коэффициент объемного расширения показывает долю увеличения объема газа при повышении ее температуры на 1 кельвин, в то время как термический коэффициент показывает долю увеличения давления при таком же изменении температуры [5].

В настоящее время для изучения быстропротекающих процессов существуют множество методов определения скорости, опирающихся на последних достижениях электроники, импульсной техники, оптики, техники высоких напряжений и др. Не исключение, что выстрел из орудия представляет собой один из таких процессов, что требует получение наиболее точных и практических результатов измерений. Одна из основных технических наук, которая изучает закономерности явлений и процессов, протекающих при выстреле, является внутренняя баллистика. Как наука внутренняя баллистика включает в себя: изучение и анализ условий и факторов, от которого зависит процесс выстрела из ствольного оружия [6].

Одним из основных параметров, характеризующих процесс выстрела, является скорость полета снаряда. Определение скорости является сложной задачей и перспектива дальнейшего развития методов определения скорости снаряда имеет существенно важное значение [7].

В результате исследования криогенно-пневматической установки была разработана система определения скорости снаряда. Система состоит из прямого метода определения скорости, который заключается в измерении интервала времени, за который снаряд пролетает определенный участок трассы. В обращенном эксперименте в качестве измерительных приборов использовались тензорезисторы и рамы измерители. В результате экспериментальных работ были получены следующие данные.

На рисунке 3 показан элемент массива цифровых данных каждая строчка которой показывает запись 1/5000 доли секунды. Из-за огромного количества цифровых данных необходимо было перевести эти данные в графическую форму. При переводе данных в графическую форму был получен экспериментальный график. Ниже приведены результаты графического моделирования экспериментов. Каналами 22, 21, 23 показаны результаты, полученные при использовании тензорезисторов, а каналы 27, 26, 28, 25 показывают данные рамочных измерителей.

Рисунок 3. Цифровые данные

В результате экспериментальных работ были получены следующие данные.

Рисунок 4. График преобразований цифровых сигналов эксперимента

На рисунке 4 показан график преобразований цифровых сигналов эксперимента. Как видно на графике каналы тензорезисторов показывают вполне корректные результаты, то есть выделяются моменты пролета снаряда определенных участков.

Однако также можно заметить, что до прохода снарядом этих тензорезисторов имеются определенные шумы (колебания) и на данный момент точные причин появления этих шумов не установлены. Каналы, отвечающие за рамочные измерители, имеют некоторые искажения. На графике канал первого разрывного элемента можно заметить, что обрыв произошел значительно позже по времени и утверждается это значениями времени пролета тензорезисторов.

Предположительно причиной этой проблемы стал свободный ход разрывного элемента. Данные остальных каналов вполне удовлетворительны.

Анализ данных графиков в дальнейшем использовалась при определении скорости метаемого тела.

Таблица 1.

Результаты полученных скоростей

Таким образом изложенные сведения дают достаточно полное представление о разработанной криогенно-пневматической установки. Были исследованы процесс метания тел, получены расчетные данные, изучена внутренняя баллистика криогенно-пневматической установки, выведены некоторые математические зависимости, а также получены теоретические выводы и практические рекомендации.

Список литературы:

1. Златин Н.А., Красильщиков А.П., Мишин Г.И. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях. – М.: Наука, 1974. – 344 с.
2. Станюкович К.П., Горохов М.С. Газодинамические основы внутренней баллистики. – М.: Оборонгиз, 1957.  – 472 с.
3. Серебряков М.Е. Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет. – М.: Оборонгиз, 1957. – 703 с.
4. Серебряков М.Е. Физический закон горения во внутренней баллистике. – М.: Оборонгиз, 1940. – 216 с.
5. Вьюков Н.Н., Акимов А.В., Аверин Н.Н. Устройство для измерения скорости полета пули и снаряда. 1997. – 5 с.
6. Бринк А.Ф. Внутренняя баллистика. – Изд. Морского Министерства, 1901. – 370 с.
7. Попов Н.Н. К вопросу сообщении телам высоких скоростей полета // Вестник МГУ. – 1962. №4. – С. 27-37.