ОСНОВИ БУДОВИ АРТИЛЕРІЙСЬКИХ

Кількість газів, що утворюються в процесі горіння, залежить від маси згорілого пороху.

Відносна кількість згорілого пороху

де - відносна кількість згорілого пороху;с - маса згорілого пороху;с - об’єм згорілого пороху (зерна);- початкова маса пороху;

1 - початковий об’єм пороху (зерна);- густина пороху;

n - число зерен у снаряді.

Рисунок 6.6 - Закони зміни = ( ) (а) та похідної ( ) (б) у часі

У процесі горіння змінюється за певним законом у часі (рис. 6.6а). Похідна у часі (рис. 6.6б) називається швидкістю газоутворення. Вона становить відносну кількість газів, що утворилися під час горіння пороху за одиницю часу.

591

Визначимо чинники, від яких залежить швидкість газоутворення. Продиференціюємо вираз (6.20) у часі, отримаємо

Якщо поточна поверхня порохового зерна S, а товщина згорілого пороху за час d дорівнює de (рис. 6.7), то об'єм згорілого пороху (згорілої частки порохового зерна) має вигляд

Рисунок 6.7 - До визначення об'єму згорілого пороху

Підставивши (6.2.14) в (6.2.13), отримаємо

Помноживши і розділивши праву частину (6.2.15) на величину S1, яка є початковою поверхнею порохового зер-

на, отримаємо

592

рна;

u u1 p - швидкість горіння пороху;

S

S1 - відносна поверхня горіння.

З (6.24) виходить, що швидкість газоутворення прямо пропорційна початковій оголеності, відносній поверхні горіння і швидкості горіння пороху.

Визначимо залежність швидкості газоутворення від геометрії порохового зерна (початкової оголеності й відносної поверхні горіння).

Розглянемо n-канальне порохове зерно циліндричної форми як найбільш загальний приклад порохового зерна

(рис. 6.8).

Рисунок 6.8 - До визначення початкової оголеності порохового зерна

Визначимо його початкову оголеність:

593

де D - початковий діаметр порохового елемента; d - діаметр каналу;

l - довжина порохового елемента.

Проаналізуємо вираз (6.25): 1) n = 0 (циліндр без каналу):

Отже, для циліндричного зерна без каналу початкова оголеність (і швидкість газоутворення) зростає зі зменшенням довжини і діаметра. Дрібні зерна мають більшу оголеність ніж, крупні.

2) n = 1 (циліндр з одним каналом, трубчасте зерно):

де l1 = R - r - товщина стінки трубки;

R, r - зовнішній і внутрішній радіуси відпові-

дно.

Отже, для трубчастого пороху початкова оголеність тим вища, чим менша товщина стінки трубки.

3) Багатоканальне зерно.

4 D dn

си виходить, що зі збільшенням кількості каналів зростає

594

початкова оголеність (і швидкість газоутворення) порохового зерна.

Підсумовуючи отримані результати, можна зробити висновок, що початкова оголеність порохових елементів тим вища, чим менші їх геометричні розміри, чим менша товщина шару горіння (товщина стінки трубки) і чим більша кількість каналів у пороховому елементі.

Поверхня горіння порохового зерна може зменшуватися, залишатися сталою або збільшуватися. Показником

S

цієї зміни є відносна поверхня горіння S1 , яка ще но-

сить назву коефіцієнта прогресивності пороху.

а

б

в

Рисунок 6.9 - Види порохових зерен з різним коефіцієнтом прогресивності :

а) < 1; б) = 1; в) > 1

Порох, у якого під час горіння поверхня зменшується

( <1), називається порохом дегресивної форми (куб, куля,

пластина, циліндр без каналу тощо - рис. 6.9а).

Порох, у якого під час горіння поверхня не зміню-

ється ( =1), називається порохом нейтральної форми

(трубки з одним каналом, стрічка - рис. 6.9б).

Порох, у якого під час горіння поверхня збільшується ( >1), називається порохом прогресивної форми (багатоканальне зерно - рис. 6.9в).

595

6.3.П і р о д и н а м і к а

6.3.1.Періоди явища пострілу

Постріл починається з розбиття (або електричного запалювання) капсуля; після цього починається горіння запалювача, а потім порохового заряду. Відбувається бурхливе газоутворення, тиск газів зростає. За деякої величини тиску газів (тиску форсування) починається рух снаряда.

Явище пострілу (ЯП) охоплює такі процеси:

1.Запалювання пороху.

2.Горіння пороху.

3.Утворення порохових газів.

4.Розширення газів.

5.Поступальний і обертальний рух снаряда.

6.Рух порохових газів та незгорілих частинок поро-

ху.

7.Рух відкотних частин гармати.

8.Урізання ведучих поясків снаряда у нарізи.

9.Тертя снаряда об стінки ствола.

10.Спрацювання та розпал каналу ствола.

11.Теплообмін, нагрівання ствола і гільзи та випромінювання теплової енергії у простір.

12.Пружні та пластичні деформації ствола та снаря-

да.

6.Виштовхування стовпа повітря з каналу ствола.

14.Витікання порохових газів з каналу ствола.

15.Утворення дульного полум'я та дульної хвилі.

З усієї різноманітності процесів, що визначають ЯП, внутрішня балістика вивчає лише основні: горіння пороху, газоутворення, розширення порохових газів, поступальний рух снаряда, витікання порохових газів з каналу ствола.

Решта вищезгаданих процесів звичайно розглядається лише на якісному рівні для розуміння суті ЯП.

Під час вивчення ЯП розглядають п'ять періодів:

596

-початковий, або простатичний, період;

-період форсування;

-піродинамічний період;

-термодинамічний період;

-період післядії порохових газів.

Початковий період

Припустимо, що порох горить у сталому об'ємі, запалювач до початку цього періоду повністю згоряє, горіння основного заряду починається у момент, що відповідає кінцю горіння запалювача.

Упочатковому періоді, що триває від моменту запалювання до моменту зрушення снаряда (моменту початку врізання ведучого пояска у нарізи каналу ствола), горить порох бойового заряду, відбувається процес газоутворення, наростає тиск порохових газів.

Удеякий момент часу тиск порохових газів у зарядній каморі (заснарядному просторі) і власне на дно снаряда створює силу, достатню для врізання ведучого пояска снаряда у нарізи. З цього моменту починається рух снаряда.

Період форсування

Цей період починається від моменту зрушення снаряда і триває до моменту врізання ведучого пояска снаряда у нарізи ствола на повну глибину. Тиск газів наприкінці даного періоду, який становить для існуючих систем

po (10 100)МПа ,

називається тиском форсування. Величина цього тиску суттєво впливає на характер зміни тиску газів у заснарядному просторі, а також на швидкість снаряда.

Протягом періоду форсування об'єм заснарядного простору дещо збільшується.

597

Період форсування – дуже складний у аналізі, тому що його важко врахувати внаслідок малої тривалості й несталості заснарядного об'єму.

Піродинамічний період

Це основний період ЯП – період горіння порохового заряду в змінному об'ємі. Він починається з моменту повного врізання ведучого пояска в нарізи і закінчується в момент кінця горіння порохового заряду (припинення надходження нових порцій газів).

Порохові гази здійснюють роботу, надаючи снаряду певної швидкості руху. Наприкінці горіння пороху швидкість снаряда становить

vк=(0,8...0,9)vд ,

де vд - швидкість снаряда в момент вильоту його з каналу ствола (момент проходження дном снаряда дульного зрізу каналу ствола). Ця швидкість називається дульною швидкістю снаряда.

Протягом третього періоду порохові гази здійснюють більшу частину роботи (більш як 2/3 всієї роботи).

Під час горіння пороху в змінному об'ємі одночасно протікають два процеси:

-до заснарядного простору надходять порохові гази, утворені під час горіння пороху;

-прискорено зростає об'єм заснарядного простору внаслідок прискореного руху снаряда.

Спочатку, поки швидкість руху снаряда мала, вирішальний вплив має перший процес. Тиск у заснарядному просторі дедалі зростає.

Збільшення швидкості снаряда приводить до сповільнення наростання тиску. В момент, коли між дією першого і другого процесів установлюється рівновага, тиск досягає найбільшого значення рm .

598

Потім набуває переваги другий процес, і тиск у заснарядному просторі зменшується. Наприкінці горіння пороху величина тиску досягає значення рк. Тиск рm є найважливішою характеристикою гармати.

Згідно з механікою рівняння руху снаряда має вигляд

де - коефіцієнт пропорційності; q - маса снаряда;

v - поточна швидкість снаряда; t - поточний час;

S - площа поперечного перерізу каналу ствола з урахуванням нарізів;

pсн - тиск порохових газів на дно снаряда.

З (6.28) виходить, що величина швидкості снаряда дорівнює

З останнього виразу виходить, що оскільки величини S, , q – сталі, то прискорення снаряда лінійно залежить від тиску pсн (або взагалі від балістичного тиску p).

Таким чином, при p=pm снаряд зазнає максимального прискорення.

dv

Величину рm і відповідно dt max використовують при таких розрахунках:

-інерційних механізмів підривачів;

-міцності корпусів снарядів і стінок каналу ствола;

-напружень у різних перерізах снаряда.

599

Термодинамічний період

Термодинамічний період – це період адіабатного розширення газів. Він починається з моменту кінця горіння пороху і закінчується в момент вильоту снаряда з каналу ствола.

Протягом цього періоду відбувається розширення сильно стиснених і нагрітих газів (без їх притоку) і подальше наростання швидкості снаряда.

Оскільки швидкість снаряда досягає високих значень, четвертий період дуже нетривалий (tІV = 0,003c), його тривалість не набагато перевищує тривалість періоду форсування. Тому теплообміном порохових газів зі стінками ствола нехтують і вважають процес їх розширення адіабатним. Робота пороховими газами в цьому періоді здійснюється виключно за рахунок їх внутрішньої енергії, без надходження нових порцій теплоти (порох вже не горить).

Період післядії порохових газів

Рисунок 6.10 - Піродинамічні криві: п'ять періодів ЯП; період форсування

Цей період починається з моменту вильоту снаряда з каналу ствола до моменту припинення дії порохових газів на снаряд і ствол.

600