Research of high-density fuels combustion under the conditions of a model ballistic plant.pdf Использование классических подходов для повышения дульной скорости метаемого элемента в области ствольной баллистики не позволяет получить существенный прирост. Наличие «эффекта насыщения» ограничивает скорость снаряда в классической схеме выстрела при использовании порохового заряда, поскольку максимальная скорость метания при сгорании заряда определяется предельной скоростью разлета пороховых газов в вакууме. Перспективным является применение нетрадиционных схем заряжания [1-3], в частности схемы с присоединенным зарядом (ПЗ) и комбинированной схемы заряжания [4-8]. Использования данных нетрадиционных схем заряжания позволяет за счет включения в метательный заряд топлив увеличить суммарную массу метательных веществ и как следствие повысить среднюю плотность заряжания. Применение данных схем приводит к перераспределению энергии продуктов горения в заснарядном пространстве, что позволяет снизить максимальное давление в камере заряжания. При использовании схемы с ПЗ появляется возможность реактивного подгона снаряда в стволе. Перечисленные преимущества позволяют повысить дульную скорость снаряда без повышения максимального давления на дно канала ствола. Для достижения описанных положительных эффектов в качестве ПЗ используют различные варианты топлив, разработанных для каждого конкретного случая, одним из перспективных вариантов является использование высокоплотных топлив. Преимуществом данных топлив является плотность укладки или насыпная плотность (по аналогии с пороховым зарядом) Д > 1.5 г/см3, превышающая насыпную плотность традиционных зерненых пироксилиновых порохов (Д < 1.0 г/см3), что позволяет включить в метательный заряд большее количество метательных веществ или же провести частичную замену традиционного метательного заряда, тем самым увеличить суммарную массу заряда. 1 Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-79-00028). 128 К.С. Рогаев, А.Н. Ищенко, В.В. Буркин, А.С. Дьячковский, А.Д. Сидоров, Е.Ю. Степанов При проектировании новых ствольных баллистических систем, использующих в составе метательного заряда высокоплотные топлива функционирующих в схеме заряжания с присоединенным зарядом необходимо знать механизмы разрушение моноблока из данных топлив на частицы (диспергирование) и горение образовавшихся частиц в послойном режиме в условиях динамических давлений, реализуемых в выстреле. Проведено комплексное экспериментально-теоретическое исследование законов диспергирования и горения высокоплотных топлив, включенных в метательный заряд, в условиях модельной баллистической установки. Экспериментальная методика Экспериментальные внутрибаллистические исследования проводились на баллистическом стенде [9] НИИ ПММ ТГУ в состав которого входит модульная модельная баллистическая установка. Данная баллистическая установка позволяет изменять конфигурацию ствол-камеры под требуемые параметры исследования. В состав баллистической установки входит вакуумируемая баллистическая трасса с пулеприемником, в котором располагается требуемый набор преград. Внешний вид баллистической установки представлен на рис. 1. Рис. 1. Внешний вид модельной баллистической установки и вакуумируемой баллистической трассы Fig. 1. Design of the model ballistic installation and evacuated ballistic track В состав баллистического стенда входит измерительно-регистрирующий комплекс [10], состоящий из следующего парка оборудования: - пьезокварцевые датчики 2Т6000 и комплект аппаратуры «Нейва-10000» со специальным программным обеспечением для измерения давления в баллистических установках в диапазоне от 0 до 600 МПа; - индукционные датчики дульной скорости метаемых тел в диапазоне от 100 до 3000 м/с [11]; - измерители скорости снаряда в стволе во время выстрела «ДДС-6000» на основе СВЧ-радаров [12]; - осциллографы цифровые запоминающие «Tektronix» DPO2014, «Instek» GDS-8^ и «RIGOL» DS7024. Исследование горения высокоплотных топлив 129 Во время проведения баллистических испытаний регистрируется: изменение давления в камере заряжания P(t), фиксируется максимальное давление на дно канала ствола Pmax, временная зависимость скорости снаряда в стволе Ѵсн(і) и дульная скорость снаряда V. Для обеспечения отказоустойчивости лабораторного баллистического стенда предусмотрена дублирующая ветка регистрации основных баллистических характеристик, состоящая из представленных осциллографов. В качестве снаряда использовался поршень массой 50 г, изготовленный из текстолита и запрессованной в него стальной метки. В качестве метательного заряда использовался одноканальный пироксилиновый порох марки «Сунар 30-06». Для определения базовых значений дульной скорости проведены эксперименты при использовании классической схемы заряжания, где в качестве метательного заряда применялся только порох. Полученные экспериментальные данные использовались как эталонные для сравнения классической схемы заряжания и схемы с высокоплотными топливами в качестве ПЗ. Внешний вид компоновки выстрела при использовании классической схемы заряжания представлен на рис. 2, а. |ІІІІ|ІІІІ|ІІІІ|ІІІІ|ІІІІІІІІІ|ІІІІ|ІІІІ|ІІІІ|ІШ|ШІ|ІШ|І]ІІ1ІШр 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 b Рис. 2. Внешний вид выстрела: a - классическая схема; b - схема с присоединенным зарядом; с - схема с имитатором ПЗ Fig. 2. Schematic representation of a shot: (a) a classic scheme, (b) a scheme with a traveling charge (TC), and (c) a scheme with a TC-simulator (TCS) В качестве ПЗ использовалось высокоплотное топливо массой m и 2m г и размещенное в пластиковом контейнере, изготовленном методом послойного наплавления SBS-пластика. Данный контейнер необходим для предотвращения воспламенения ПЗ по боковой поверхности при движении по стволу. Внешний вид выстрела с ПЗ представлен на рис. 2, с. Контейнеры при использовании m и 2m высокоплотного топлива имели массу 5 и 9 г соответственно. Для определения начала горения присоединенного заряда, состоящего из высокоплотного топлива, были проведены эксперименты, где в качестве ПЗ использовался имитатор (ИПЗ). ИПЗ изготавливался из полиэтилена, в котором с каждо- 130 К.С. Рогаев, А.Н. Ищенко, В.В. Буркин, А.С. Дьячковский, А.Д. Сидоров, Е.Ю. Степанов го из торцов запрессовывалась металлическая шайба, при этом масса и длина были равны ПЗ из высокоплотного топлива (рис. 2, с). Выполнение предварительного эксперимента с ИПЗ соответствующей массы было необходимо для корректного определения навески порохового заряда, обеспечивающего достижение требуемого максимального давления на дно канала ствола при включении высокоплотных топлив в метательный заряд. Результаты проведенных экспериментальных внутрибаллистических исследований, направленных на получение законов горения высокоплотных топлив в условиях динамических давлений представлены на рис. 3. 2000 1600 1200 ■ 2 - ■ ✓ И' 1 ■ і -ч -Л & -г и _□ \\ \\ р ^ . В ч 0 100 200 300 Ртах, МПа Рис. 3. Зависимость дульной скорости снаряда от максимального давления на дно канала ствола: 1, • - классическая схема заряжания; 2, ▲ - схема заряжания с ПЗ массой m; 3, ■ - схема заряжания с ПЗ массой 2m; 4, А - схема заряжания с ИПЗ массой m; 5, □ - схема заряжания с ИПЗ массой 2m Fig. 3. Dependence of the projectile muzzle velocity on the maximum of the bore bottom pressure: 1, • - a classic loading scheme; 2, ▲ - a loading scheme with a TC with a mass of m; 3, ■ - a loading scheme with a TC with a mass of 2m; 4, Д - a loading scheme with a TCS with a mass of m; and 5, □ - a loading scheme with a TCS with a mass of 2m Ѵд, м/с 800 Как показал анализ результатов проведенных экспериментальных исследований, представленных на рис. 3, включение в состав метательного заряда высокоплотных топлив в виде ПЗ позволяет увеличить скорость снаряда на дульном срезе на (4.9М2.7) % по сравнению с классической схемой заряжания, при сохранении максимального давления на дно канала ствола. Однако при использовании высокоплотного топлива массой 2m и максимальном давлении Pmax = 360 МПа не получаем выигрыша в дульной скорости, это объяснятся тем, что большая часть ПЗ не успела сгореть за время выстрела. Исследование горения высокоплотных топлив 131 Расчетная методика Все эксперименты были обработаны с применением программного комплекса, разработанного сотрудниками НИИ ПММ ТГУ [13]. В программном комплексе используется математическая модель, которая базируется на основных допущениях механики многофазных сред. В данной модели предусмотрено наличие в метательном заряде произвольного количества фракций частиц и возможность добавления моноблочных элементов (в данном случае высокоплотных топлив), которые диспергируют на отдельные частицы дополнительной фракции и горят по своим законам. На рис. 4 представлено сравнение расчетно-экспериментальных данных для классической схемы заряжания: для классической схемы заряжания (а) и схемы заряжания с ИПЗ массой m (b) и 2m (c). Как видно из сравнения экспериментальных и расчетных данных, представленных на рис. 4, используемая модель позволяет хорошо описывать процессы в заснарядном пространстве. Расхождение расчетных и экспериментальных данных по максимальному давлению не превышает 3 %, по дульной скорости снаряда - 1 %. Следовательно, данная математическая модель может быть использована для расчета газодинамической картины при включении в метательный заряд высокоплотных топлив и получения законов его диспергирования и горения. В рамках использованной математической модели выстрела с ПЗ предполагалось, что зона или фронт горения высокоплотного топлива заменяется поверхностью сильного газодинамического разрыва. Параметры справа и слева от разрыва связывались соответствующими условиями динамической совместности. Предполагалось, что топливо во фронте горения частично сгорает, а частично диспергирует на совокупность одинаковых частиц, догорающих в заснарядном объеме в послойном режиме. Закон диспергирования присоединенного заряда записывался как степенная зависимость от давления и выглядел следующим образом: U = P РІ, (1) где Bs - скорость диспергирования при Р = Ратм = 0.1 МПа; Р - давление; Ратм - атмосферное давление; ѵ - показатель степени (для исследуемого топлива ѵ = 0.8). Наибольший прирост скорости снаряда при использовании ПЗ получается тогда, когда ПЗ загорается позже порохового заряда. В качестве характеристики задержки начала горения моноблока используется импульс давления на фронте го- Ч рения /j =| Р (t) dt (импульс начала горения присоединенного заряда). Закон гоt0 рения моноблочного заряда выглядит следующим образом: Us = 0, при / < /ь Р-1 Us = Bs t1 при / > / где /1 =| Р (t) dt. t0 Степень выгорания топлива во фронте горения характеризовалась параметром у0 [14], который при проведении расчетов принимался равным у0 = 0.1. 132 К.С. Рогаев, А.Н. Ищенко, В.В. Буркин, А.С. Дьячковский, А.Д. Сидоров, Е.Ю. Степанов 132 136 140 144 148 t, мс Рис. 4. Временные зависимости давления на дно канала ствола и скорости снаряда в стволе при использовании классической схемы заряжания: a - снаряд 50 г; b - снаряд 50 г + ИПЗ m; c - снаряд 50 г + ИПЗ 2m; 1 - давление на дно канала ствола; 2 - скорость снаряда в стволе; ■ - дульная скорость снаряда;--эксперимент;----расчет Fig. 4. The pressure on the bore bottom and the projectile velocity in the barrel as the functions of time when using the classic loading scheme: (a) a 50 g projectile; (b) a 50 g projectile + TCS with a mass of m; and (c) a 50 g projectile + TCS with a mass of 2m; 1, the pressure on the bore bottom; 2, the projectile velocity in the barrel; ■ - the projectile muzzle velocity; --experiment;----calculation 1600 1200 .О 800 К t" 400 0 1000 800 600 s 400 200 0 1000 800 600 s 400 200 0 Исследование горения высокоплотных топлив 133 Послойное горение диспергированных частиц высокоплотного топлива в математической модели при движении по стволу также определялось общепринятой зависимостью от давления [15]: где U1 - скорость горения при P = Ратм = 0.1 МПа (зависит от химической природы топлива); ѵ - показатель степени (в расчете ѵ = 0.8). На рис. 5 показан типичный результат сравнения расчетных и экспериментальных данных с использованием m (а) и 2m (b) высокоплотных топлив, в качестве ПЗ. 138 142 ' 146 ' t, мс Рис. 5. Временные зависимость давления на дно канала ствола и скорости снаряда в стволе при использовании ПЗ массой m (a) и 2m (b) г с учетом контейнера: 1 - давление на дно канала ствола; 2 - скорость снаряда в стволе; ■ - дульная скорость снаряда;--эксперимент; ----расчет Fig. 5. The pressure on the bore bottom and the projectile velocity in the barrel as the functions of time when using a TC with a mass of (a) m and (b) 2m g taking into account the container: 1, the pressure on the bore bottom; 2, the projectile velocity in the barrel; ■ - the projectile muzzle velocity;--experiment;----calculation 3000 2000 1000 0 2100 1400 о S 700 0 134 К.С. Рогаев, А.Н. Ищенко, В.В. Буркин, А.С. Дьячковский, А.Д. Сидоров, Е.Ю. Степанов Как и в случае с классической схемой заряжания расхождение расчетноэкспериментальных данных по максимальному давлению на дно канала ствола и дульной скорости снаряда составляет не более 3 и 1 % соответственно. Представленные результаты сравнения расчетно-экспериментальных данных свидетельствуют о получении правдоподобной картины распределения газодинамических параметров в выстреле при использовании высокоплотных топлив. Результаты параметрических исследований Анализ полученных расчетно-экспериментальных данных позволил получить параметры закона диспергирования и послойного горения высокоплотного топлива при использовании перспективной схемы заряжания в условиях динамических давлений, реализуемых в выстреле из модельной баллистической установки. Теоретические результаты по определению законов диспергирования и горения высокоплотных топлив, основанные на экспериментальных данных, представлены в таблице. Законы горения высокоплотного топлива, полученные теоретическим образом из обработки экспериментальных данных № ЮПз, Г P 1 max? МПа V, м/с Іп, МПа-с Bls, м/с •*кд, см mопз, г Ux, мм/с mопч, г 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 m 112.7 1659 80 0.19 249.9 - 0.30 12.8 2 2m 109.1 1614 85 0.19 - 8.4 0.29 25.3 3 m 209.9 1945 80 0.20 160.2 - 0.30 8.6 4 2m 205.3 1909 85 0.19 - 2.5 0.29 23.8 5 m 292.9 2044 85 0.19 181.0 - 0.29 10.1 6 2m 290.3 2077 85 0.19 - 0.2 0.30 23.5 7 m 360.0 2138 85 0.19 162.6 - 0.29 9.3 8 2m 354.9 2038 85 0.17 - 5.7 0.26 24.7 В таблице по столбцам приняты следующие обозначения: 1 - номер эксперимента; 2 - масса присоединенного заряда из высокоплотного топлива без контейнера; 3 - максимальное давление на дно канала ствола; 4 - дульная скорость снаряда; 5 - импульс начала горения присоединенного заряда; 6 - коэффициент в законе скорости диспергирования; 7 - координата снаряда при окончании диспергирования ПЗ; 8 - масса остатка ПЗ, вылетевшего из ствола вслед за снарядом; 9 -коэффициент, зависящий от химической природы топлива; 10 - суммарная масса частиц высокоплотного топлива, не сгоревших за время выстрела. Как показал газодинамический анализ расчетно-экспериментальных данных представленных в таблице, диспергирование присоединенного заряда, состоящего из высокоплотного топлива, начинается с момента Іп > 85 МПа с, и продолжается в течение всего процесса выстрела либо до полного превращения в частицы и газ, либо до вылета из ствола вслед за снарядом. Диспергированное топливо на частицы продолжает гореть при движении по каналу ствола модельной баллистической установки. Однако сильная зависимость послойной скорости горения (ѵ = 0.8) не позволяют высокоплотному топливу сгореть полностью за время выстрела. В результате получено, что законы диспергирования и горения высокоплотного топлива в условиях динамических давлений, реализуемых в модельной баллистической установке во время выстрела, имеют следующий вид: Исследование горения высокоплотных топлив 135 диспергирование - Us = 0, при Іп < 85 МПас, Us 0.019 м/с, при Іп > 85 МПас; послойное горение частиц - UC = 2.95-10 P 0.8 мм/с.. атм Выводы Проведенные комплексные расчетно-экспериментальные исследования позволили получить законы диспергирования и горения высокоплотного топлива в условиях динамических давлений, реализуемых в модельной баллистической установке. Получены картины изменения газодинамических параметров при использовании классической схемы заряжания и схемы заряжания с присоединенным зарядом из высокоплотного топлива. Экспериментальным образом показано, что включение в состав метательного заряда высокоплотных топлив в виде ПЗ, позволяет увеличить скорость снаряда на дульном срезе на 4.9-12.7 % по сравнению с классической схемой заряжания, при сохранении максимального давления на дно канала ствола.

Скачать электронную версию публикации