Гиперскоростные орудия. Особенности конструкции снарядов 3
27.4. НИЗКОНАПРЯЖЁННЫЕ ВЕДУЩИЕ ПОЯСКИ
Если не могут быть использованы предварительно нарезанные снаряды, крайне желательно проектировать ведущие пояски, дающие низкие напряжения. Соответственно, исследования для этой цели были проведены в Институте Франклина, Leeds and Northrup Company и в Католическом Университете Америки.
27.4.1 Снаряды калибра .50
Испытания отстрелом
Поясковые пули калибра .50 семи перечисленных ниже классов были испытаны для определения влияния конструкции ведущего пояска на силу, необходимую для нарезания.
1. Обычного артиллерийского типа (см. Рис. 3 Главы 11).
2. Артиллерийского типа с обтюрирующим кольцом диаметром 0,530 дюйма и с диаметром пояска, варьирующимся от 0,493 до 0,510 дюйма.
3. Артиллерийского типа с радиальными отверстиями диаметром 0,055 дюйма, просверленными в ведущем пояске.
4. Артиллерийского типа, имеющий полностью стальной ведущий поясок с шестью кольцевыми канавками глубиной 0,0155 дюйма. (Рис. 11).
5. Типы 3 и 4 с отверстиями или канавками, заполненными припоем.
6. Несколько вышеперечисленных типов с кадмиевым покрытием толщиной 0,003 дюйма на пояске.
7. Предварительно нарезанный с двумя стальными поясами (см. Рис. 3 Главы 11.)
В этих испытаниях использовалось орудие для испытания на эрозию, описанное в Разделе 11.2.1 [122]. Ствол был моноблочной стальной конструкции с нарезами глубиной 0,010 дюйма. Были приняты меры для устранения, насколько это возможно, всех факторов, которые могли бы повлиять на максимальное давление пороховых газов, кроме самой конструкции пояска; среднее максимальное давление, достигнутое при отстреле 6 патронов, было затем взято в качестве меры силы нарезания.
Уменьшение диаметра пояска (класс 2) дало последовательное снижение давления пороховых газов; самый маленький отмеченный поясок диаметром 0,493 дюйма давал давление 41590 psi по сравнению с 53950 psi, полученными при 0,510 дюймовом пояске; это означает снижение давления на 23%.
Незначительное улучшение, только около 5% в случае 81 отверстия, было результатом сверления отверстий в пояске (класс 3). Однако когда они были заполнены припоем (класс 5), снижение давления составило порядка 9% для поясков с 54 или 81 отверстием.
Стальной снаряд с канавками, либо простой (класс 4), либо с кадмиевым покрытием (класс 6), либо с припоем и кадмиевым покрытием (класс 6), снизил давление пороховых газов примерно на 7%.
Полностью предварительно нарезанная пуля (класс 7) дала наилучшие результаты, при этом давление уменьшилось на треть (см. Раздел 27.3).
Рис. 11. Чертеж пули артиллерийского типа калибра .50, имеющей полностью стальной ведущий поясок с шестью кольцевыми канавками.
Статические испытания
В дополнение к испытаниям отстрелом проводились статические испытания для определения силы, необходимой для нарезания нескольких снарядов, перечисленных выше. Было обнаружено, что небольшое снижение было достигнуто благодаря использованию простых поясков с просверленными отверстиями, но когда отверстия были заполнены припоем, требуемое усилие уменьшалось на 70%. Кадмирование уменьшило статическую нагрузку на 25%.
Испытание на эрозию снарядов с рифлеными стальными поясками
Особый интерес был проявлен к рифленому снаряду со стальными поясками (класс 4), поскольку его можно было легко переделать из пуль стандартного типа, уже находящихся в производстве. С точки зрения только пониженных радиальных напряжений, эти снаряды должны были быть лучше без наполнения припоем. Однако довольно узкие кольцевые ребра были бы подвержены большим изгибающим моментам. Свинцово-оловянный сплав, заполнявший канавки, служил для усиления ребер, а также для образования локальной смазки. Затем вся пуля была покрыта кадмием для снижения трения. Статические испытания показали 50% снижение силы нарезания по сравнению со стандартным артиллерийским типом.
Эта конструкция, показанная на Рис. 11, казалась очень многообещающей, и некоторые из этих снарядов были отстреляны в ходе испытания на эрозию. Было обнаружено, что эрозия полей и нарезов в начале нарезки, а также падение начальной скорости были не больше, чем те, что наблюдались для пули с медным пояском. Эрозия полей от 10 дюймов за пределы начала нарезки была, однако, больше. Собранные пули, показанные на Рис. 12, иллюстрируют нормальную нарезку и невозможность нарезания, вызванную износом ствола.
21.4.2. Большие снаряды [114]
Хотя напряжения можно уменьшить, уменьшив ширину или диаметр пояска, назначение пояска устанавливает нижние пределы для этих величин, особенно в случае изношенного оружия. Для придания меткости снаряду, в контакте с ведущей гранью полей должна находиться минимальная площадь металла пояска; и аналогично, для удовлетворительной обтюрации требуется достаточное количество металла для заполнения нарезов.
37-мм снаряды
Эффект каннелюр. Естественный подход к проблеме уменьшения напряжений заключается в рассмотрении влияния канавок или каннелюр в пояске. Служебная конструкция для 37-мм выстрела M51 имеет каннелюру шириной приблизительно 0,1 дюйма и глубиной 0,022 дюйма. Эта глубина достаточно велика, чтобы поля орудия не касались дна каннелюры. Однако после нарезания было обнаружено, что в каннелюру попало достаточно металла, чтобы заполнить её до уровня остальной части нарезки. Этот металл увеличивает радиальные и осевые нагрузки, не помогая выдерживать боковую нагрузку, необходимую для вращения. Добавление ряда подобных каннелюр фактически лишь сократит полосу; ограничения будут по-прежнему действовать; и общий результат состоял бы в добавлении металла без увеличения эффективности пояска.
Если вместо этого канавка углубляется, результатом пластической деформации будет выталкивание металла в дно каннелюры, вне контакта с полями, что снизит радиальную нагрузку и трение. Добавление дополнительных каннелюр такого типа ещё больше уменьшит напряжение.
Было показано [64, 114, 372], что смазанные края металла пояска увеличивают радиальную нагрузку, не внося вклад в боковую опорную поверхность между гранью полей ствола и канавками снаряда. Корпус снаряда имеет канавку, примыкающую к задней части ведущего пояска, которая, однако, недостаточно велика для предотвращения смазывания краёв. Чтобы исправить это, канавка тела была увеличена.
Экспериментальные испытания. Затем теория была подвергнута экспериментальной проверке методом, описанным в Разделе 7.3. Первоначальная каннелюра глубиной 0,022 дюйма был сначала заменена таковой в 0,040 дюйма с заметным улучшением. Имеются доказательства того, что желательны даже более глубокие каннелюры, и заключительные испытания проводились на поясках с глубиной каннелюры 0,065 дюйма. Канавка в задней части корпуса была такой глубины (приблизительно 0,03 дюйма), что дно её было на уровне дна каннелюры. При использовании одной такой каннелюры и канавки корпуса радиальные и осевые нагрузки снижаются примерно до 70%. Добавление второй глубокой каннелюры сокращает нагрузки примерно до половины их нормального значения для пояска такого размера. Поскольку эффективная длина пояска была уменьшена, вторая каннелюра не должна быть глубокой, чтобы вызвать дальнейшее снижение напряжения. Сопротивление боковой нагрузке в последнем случае будет уменьшено примерно на 20%. Эти сокращения подтверждены в ходе испытаний отстрелом на Абердинском Испытательном Полигоне.
В оценках, сделанных для радиальных нагрузок в различных конструкциях поясков, использовалась теория Эффективной Области Интерференции [EAI], разработанная в Главе 7. Метод был легко применим в более ранних испытаниях. Однако при более глубоких каннелюрах необходимо было вводить отрицательные члены для частей каннелюр и канавок корпуса, имеющих меньший диаметр, чем поля орудия. Расчетный отрицательный вклад оказался примерно вдвое большим; это указывает на то, что пространство, предназначенное для размещения экструдированного металла, используется только наполовину.
Кадмирование. Дальнейшие эксперименты проведены для изучения влияния на поясок кадмирования. Применяемое покрытие имело толщину 0,002 дюйма. На радиальную нагрузку это не повлияло, но осевая нагрузка была снижена в 2 или 3 раза. Общий эффект новой конструкции с кадмированием заключался в создании пояска, который имеет радиальную нагрузку около половины и осевую нагрузку от около одной пятой до одной шестой нагрузок для обычного пояска тех же размеров.
Рис. 12. Нормальная нарезка и невозможность нарезания; показаны собранные пули калибра .50 артиллерийского типа с полностью стальными ведущими поясками. (A) Выстрел № 156: пули проскальзывают вдоль канала; диаметр пояска уменьшен до 0,492 дюйма. (B) Выстрел № 83: нормальное нарезание пояска.
75-мм снаряды
75-миллиметровый бронебойный снаряд M72 с ведущим пояском, модифицированным каннелюрой шириной 0,098 дюйма и глубиной 0,070 дюйма, испытан на радиальную нагрузку. Это дало 20600 фн/дюйм окружности в сечении трубы с соотношением стенок 1,75 с нарезами французского типа, в которых углы полей закруглены. Если бы поясок был эквивалентной длины, без каннелюры, радиальная нагрузка ожидалась бы около 40000 фн/дюйм окружности; для немодифицированного пояска служебной конструкции, нагрузка составила бы около 53000 фн/дюйм окружности.
Сравнение напряжений пояска при стрельбе выполнялось для 75-мм зенитной пушки T22 на Абердинском Полигоне. Это орудие имеет прямоугольную нарезку, в отличие от нарезки французского типа, использованной в орудии, упомянутом в предыдущем абзаце. Использовались разрывные снаряды. Поясок служебного типа имеет общую длину 0,86 дюйма, передние 0,14 из которых сужаются под углом 8°30'. Модифицированный поясок имеет каннелюру шириной 0,1 дюйма и глубиной 0,05 дюйма вблизи центра плоской секции. Как определено датчиком в точке около 25 дюймов по направлению к дульной части от начала нарезов, радиальная нагрузка в среднем составляла 43200 фн/дюйм окружности для стандартного пояска и 34700 фн/дюйм окружности для такого же с каннелюрой. Соответствующие значения P/EAI составляют 40,5 и 40,4. Согласование замечательное.
Представляется желательным провести испытания отстрелом, предложенные [117] для получения дополнительной информации о влиянии глубоких каннелюр прямоугольного сечения. В частности, следует определить, уменьшается ли эрозия и удовлетворительно ли уплотняются пояски, модифицированные таким образом, в эродированных стволах.
Британские исследования
[Этот параграф цитируется по с. 20 Отчета AMP № 75.1. [147] [См. сноску (с).]]
Британцы провели экспериментальные и теоретические исследования на предмет правильного проектирования самого ведущего пояска [362, 372, 388, 556]. Одна из их идей состоит в том, чтобы разделить две функции пояска, т.е. вызывать вращение снаряда и выполнять функцию уплотнения для предотвращения утечки метательных газов мимо гранаты. Поскольку эти две функции очень разные, весьма вероятно, что конструкция, разделяющая их, может привести к пояску, который вызовет намного меньшее поясное давление. Один очень интересный эксперимент был проведен с двойным пояском на 17-фунтовой гранате; передний поясок был сточен, чтобы не было избытка меди, а задний поясок был модифицирован так, чтобы обеспечить уплотнение. Показания тензодатчика на орудии при стрельбе показали, что давление в пояске было незначительным. Кроме того, напряжения в экспериментальном пояске были рассчитаны с использованием методов упрощения [359].
27.5 МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В ГРАНАТАХ
Акцент на точном определении напряжений в оболочке гранаты важен, чтобы позволить конструктору обеспечить достаточное количество металла в стенках для предотвращения растрескивания. Но также необходимо, чтобы используемый металл был однородным и не содержал шлаковых включений, пор, трещин или других дефектов, которые могут вызвать выход из строя при служебном использовании из-за того, что горячие газы просачиваются через донце или стенки корпуса и воспламеняют взрывчатое вещество внутри. С этой целью разработаны два метода для проверки готовых гранат на наличие дефектных отверстий.
27.5.1. Первый метод проверки
В качестве тестовой среды используется аммонизированная вода. Жидкость прижимается к донцу кованой гранаты под давлением, несколько превышающим максимальное давление газа, имеющее место в орудии. Индикатор, такой как влажная лакмусовая бумага, помещается внутри полости гранаты. Дефектные отверстия в донце гранаты выявляются по изменению цвета индикатора, вызванному испарениями аммонизированной воды.
Устройство, используемое в этом первом способе, использует специальную прижимную плиту для гидравлического пресса. В этой плите донце гранаты плотно прилегает к кольцу, герметизируя полость под ним, соединяющуюся с резервуаром высокого давления и насосом. Внутри гранаты находится стальная форма, на которую плунжер этого быстродействующего гидравлического пресса прикладывает необходимую нагрузку для герметизации основания. Затем клапан камеры сжатия открывается на короткое время, после чего он закрывается и плунжер поднимается. Если в основании корпуса имеется дефект, из-за которого малейшее количество газа проходит через него, индикатор меняет цвет.
Этот метод очень быстрый и подходит для тестирования производственной линии. Однако существуют определенные недостатки, одним из которых является наличие паров аммиака в воздухе, окружающем оборудование, которые могут воздействовать на операторов и окружающее оборудование. Однако этот недостаток можно в значительной степени компенсировать за счет использования промасленной бумажной прокладки в верхней части поковки и использования вентиляторов в помещении. Другим недостатком является тот факт, что это оборудование дороже, чем второй метод, описанный ниже, хотя его стоимость не высока, если учесть, что один комплект оборудования будет обслуживать несколько производственных линий, расположенных в том же или близлежащих зданиях.
21.5.2. Второй метод проверки
Другим методом является автономное устройство для использования под гидравлическим прессом. Оно состоит из неподвижного поршня в подвижном цилиндре, опирающемся на пружины, достаточно мощные, чтобы удерживать уплотнение на основании гранаты до начала сжатия жидкости. Устройство содержится в направляющем цилиндре, на котором установлен индикатор для измерения относительного перемещения движущегося цилиндра, несущего гранату. Пространство над верхней частью поршня, окруженное подвижным цилиндром, полностью заполнено жидкостью, такой как вода или Varsol (высококачественный керосин).
Этот метод медленнее и менее точен, чем первый, и, следовательно, не способен к такому быстрому действию. Он хорошо подходит для использования на предприятиях, где нежелательны химические пары.
Несколько серий испытаний проведены на 75-мм и 3-дюймовых гранатах с использованием Varsol в качестве жидкости. Результаты показали, что граната будет удовлетворительной и без дефектов в донце при отклонении индикатора примерно до 2,35 мм. При прогибе от 2,35 до 3,00 мм снаряды сомнительны, а при превышении этого значения они должны быть отбракованы.