Анализ способов стендовой отработки разделяющихся снарядов

Стендовая отработка РРС проводится обычно с целью отработки надежного разделения боеприпаса и определения силовых и тепловых нагрузок (давления, температуры, перегрузок), действующих на конструктивные элементы в процессе разделения. Под надежным разделением боеприпаса понимается отход разделяющихся элементов на некоторое минимальное (критическое) расстояние, при котором исчезает их взаимное влияние друг на друга и исключается возможность догона ракетной частью отделившихся от нее элементов.

В процессе разделения РРС возникают линейные и угловые возмущения разделяемых элементов, обусловленные, в самом общем случае, суммарным воздействием сил аэродинамического, газодинамического и механического характера. Учитывая, что определение возмущений, обусловленных суммарным воздействием возмущающих сил, в условиях полета не представляется возможным, а теоретическая оценка их затруднительна и недостаточно точна, экспериментальное исследование и отработка процесса разделения PC проводится в стендовых условиях.

Разделение реактивных снарядов систем залпового огня осуществляется в плотных слоях атмосферы или на подводном участке траектории, характеризующихся действием значительной величины силы аэродинамического сопротивления на разделяемые отсеки. Учитывая небольшую величину угла атаки снарядов залпового огня в момент разделения (а — 2°-^12°), действие суммарной силы аэродинамического сопротивления может быть сведено к действию силы лобового сопротивления Ы_лс, которая для условий разделения в плотных слоях атмосферы составляет величину порядка 5—10 кН, а для условий разделения на подводном участке траектории имеет более высокие значения, 20—30 кН.

Известно несколько методов экспериментального исследования процесса разделения ГЧ, точность которых определяется условиями закрепления разделяемых объектов и способами имитации силовых воздействий. Наиболее простым является способ, по которому один из разделяемых объектов (отсеков) закрепляется на неподвижном основании 1 в горизонтальном или вертикальном положении (рис. 10.11, а).

При этом для удобства регистрации внутрибаллистических параметров в основу разработки конструкции стендовой установки может быть положена обратная схема, в соответствии с которой вместо ускоряемых в условиях реального полета элементов (например, кассеты с боевыми элементами) отстреливаются пассивные элементы конструкции (оболочка и дно) 2, снабженные компенсатором массы ускоряемых элементов или макетом ракетной части 3 (рис. 10.11, б).

Основным недостатком способа является то, что он не позволяет определить характер изменения и величину внутрибаллистических характеристик процесса разделения с учетом торможения хвостового отсека (РЧ) относительно головного (ГЧ), свойственного полетным усло;

Рис. 10.11. Функциональные схемы отработки РРС в стендовых условиях без учета силы лобового сопротивления

виям. Результаты анализа процесса разделения двух объектов постоянной суммарной массы ml + т = const = 200 кг, представленные в табл. 10.4 для полетных (ЛГ_ЛС = 10 кН) и стендовых (m2 = °о; дг_лс = 0) условий, говорят о том, что ошибка в определении ВБХ возрастает при увеличении отношения ml/m2 и при равенстве массовых характеристик разделяемых объектов (ml/m2 = 1) достигает максимальной величины: по максимальному давлению Р_тах и осевым перегрузкам п_тах — 18,9%; по скорости разделения — 30,9%; по времени воздействия силовых и тепловых нагрузок — 41,4%.

Для уменьшения погрешностей определения ВБХ может быть использован метод отработки, при котором разделяющиеся объекты размещаются на неподвижной направляющей, выполненной, например, в виде полуцилиндра 1 (см. рис. 10.11, б). В этом случае оба разделяемых отсека 2 и 3 не связаны с неподвижным основанием и при срабаты;

Таблица 10.4

Изменение основных ВБХ процесса разделения двух масс для полетных и стендовых условий в зависимости от соотношения масс разделяемых объектов.

	Полетные условия.			Стендовые условия.			Ошибка определения ВБХ.
0,2.	12,07.	56,5.	0,0236.	12,57.	56,1.	0,0246.	4,14.	0,71.	0,42.
0,4.	13,36.	46,2.	0,0280.	14,50.	41,1.	0,0322.	7,78.	11,0.	15,0.
0,6.	13,83.	43,1.	0,0301.	15,54.	34,9.	0,0372.	12,36.	19,0.	23,6.
0,8.	14,01.	42,1.	0,0308.	16,22.	31,3.	0,0409.	15,77.	23,6.	32,8.
1,0.	14,05.	42,1.	0,0309.	16,70.	29,1.	0,0437.	18,90.	30,9.	41,4.

вании механизма разделения имеют возможность перемещаться относительно друг друга с определенным ускорением. Однако и у этого способа отработки есть свои недостатки, заключающиеся в неучете аэродинамических сил и моментов, возникающих при силовом воздействии скоростного напора воздуха на разделяемые объекты, и в наличии сил трения движущихся объектов о направляющую F_Tp, отсутствующих в реальных условиях.

Теоретическая оценка такого способа, проведенная для случая максимальной ошибки в определении ВБХ (ml/m2 = 1), показала, что ошибка в определении параметров, обусловленная в основном величиной силы лобового сопротивления Nnc = 10 кН (Fxp ЛГЛС), не превышает 6% (Ртах = 14 МПа, Ура3д = 44,6 м/с, ?п = 0,030 с). Следовательно, при невысоком значении силы лобового сопротивления (Ылс.

Результаты проведенного выше анализа позволяют сделать вывод о том, что рассмотренные методы стендовой отработки имеют серьезные недостатки и требуют своего совершенствования. При этом установлено, что в случае разделения СЗО на воздушном участке траектории (Nnc 10 кН) основное влияние на изменение ВБХ оказывает соотношение масс разделяемых объектов.

Последний факт был использован при разработке метода исследования процесса разделения ГЧ в стендовых условиях, сущность которого сводится к подбору величины массы имитатора, обеспечивающей соответствие ВБХ для стендовых и полетных условий. Действительно, если исходить из соответствия основных внутрибаллистических характеристик.

то можно записать приближенное энергетическое соотношение для определения массы имитатора, путь разгона которого равен.

Для случая жесткого закрепления одного из отсеков на неподвижном основании это соотношение имеет вид.

где т, I, V, ф — масса, путь разгона, скорость отстрела и коэффициент учета второстепенных работ соответствующих подвижных элементов в полетных условиях; N_nc — сила лобового сопротивления от действия набегающего потока на разделяемые объекты; К_этп — коэффициент эффективности тепловых потерь.

При пользовании указанной формулой нужно помнить, что в случае идентичности условий теплообмена (коэффициентов теплоотдачи и поверхностей нагрева) и условий перемещения подвижных элементов (усилий форсирования и сил трения) для реальных и стендовых условий можно считать: К_этп = 1; ф_гч = ф_дв = ф_им = 1,03.

При отсутствии такой аналогии указанные коэффициенты должны устанавливаться теоретическим или экспериментальным путем (эти коэффициенты изменяются в нешироких пределах: 1,01 < ф < 1,05; 0,9 < К_этп < 1,1). В некоторых случаях коэффициент эффективности тепловых потерь может выступать в роли параметра согласования теоретических и экспериментальных данных. Такой подход позволяет после проведения первых «стыковочных» экспериментов определять его величину из соотношения Р^ах ⁼ -^этп^шах? ^а дальнейшую отработку процесса разделения осуществлять уже при скорректированной массе имитатора.

На рис. 10.12 показано изменение ВБХ процесса разделения стендового устройства, использующего для имитации полетных условий изделия принцип подбора подвижных масс. Из рис. видно, что при силе лобового сопротивления N_nc = 10 кН и массе имитатора т_им = 55,0 кг удается достаточно полно воспроизвести количественную и качественную картину процесса разделения, максимально соответствующую полетным условиям.

Результаты расчета показывают, что применение рассматриваемого способа отработки в случае более высоких значений сил лобового сопротивления (А[_лс = 30 кН, т_им = 107 кг) приводит к существенному от;

Рис. 10.12. Изменение во времени основных внутрибаллистических характеристик процесса разделения (давление 7 и скорость 2) для разделения с силой лобового сопротивления 10 кН (сплошные линии) и стендового устройства с имитатором подвижных масс (пунктирные линии)

клонению ВБХ процесса от полетных условий (5р_тах =18,6%; § у_разд = = 7,0%; 6_tn = 27,5%). Поэтому для экспериментальной отработки процесса разделения систем с высоким аэроили гидродинамическим сопротивлением необходимо проводить теоретический анализ внутрикамерного процесса, по результатам которого принимается решение о допустимости описанного способа отработки.

В случае невозможности его применения отработка процесса разделения может производиться с использованием устройств, косвенным образом реализующим действие силы лобового сопротивления. Для этого было предложено устройство для стендовой отработки кассетных ГЧ, представленное на рис. 10.13, а и содержащее основание 1, модель КГЧ 4, имитатор дистанционного устройства 2, вышибной заряд 3 и элементы форсирования 5. К торцу модели прикреплен компенсатор массы с имитатором внешних сил, выполненным в виде малогабаритного ракетного двигателя 6. Устройство воспламенения двигателя соединено с имитатором дистанционного устройства посредством временного механизма, обеспечивающего необходимую последовательность включения в работу РД и процесса разделения.

Описанное устройство работает следующим образом. При подаче рабочего напряжения приводится в действие воспламенительное устройство ракетного двигателя 6, происходит воспламенение порохового заряда и выход двигателя на установившийся режим. По окончании процесса выхода двигателя на установившийся режим подается напряжение на имитатор дистанционного устройства 2, обеспечивающего за счет подачи теплового импульса воспламенение вышибного заряда 3 и заполнение свободных полостей КГЧ 4. В момент достижения давления, соответствующего усилию форсирования, обеспечивается разрушение элементов форсирования 5. Путем воздействия давления на поршень обеспечивается процесс разделения КГЧ, сопровождаемый противодействием постоянного тягового усилия ракетного двигателя на отделяемые элементы конструкции. Тем самым осуществляется процесс разделения КГЧ при наличии постоянно действующей силы, равной по величине и направлению силе лобового сопротивления.

Такое конструктивное решение в принципе позволяет учитывать действие силы лобового сопротивления и определять в этих условиях значения силовых и тепловых нагрузок на разделяемые элементы. Но рассмотренный подход к отработке процесса разделения осложняется тем, что необходим ракетный двигатель с тягой, равной силе лобового сопротивления (такого готового двигателя, как правило, не бывает, что требует проектирования и отработки специального РД). Кроме того, проведение такого эксперимента в некоторой степени трудоемко, а в случае необходимости обеспечения больших тяг и дорого, так как для отработки процесса требуется несколько десятков таких двигателей.

В целях упрощения и сокращения стоимости отработки процесса разделения ГЧ с учетом силы лобового сопротивления была предложена конструкция стендового устройства, принципиальная схема которого представлена на рис. 10.13, б. Устройство состоит из корпуса 6, в котором посредством узла форсирования 2 закреплены имитаторы массы подвижных элементов ГЧ 4 и пассивных элементов двигателя 1. Между имитаторами массы выполнена рабочая полость, имитирующая сво;

Рис. 10.13. Функциональные схемы стендовой отработки РРС с имитацией действия силы лобового сопротивления за счет использования:

а — тяги малогабаритного РД; б— сил сопротивления режущих кромок; в — сил сопротивления, действующих на обтекатель ГЧ

бодный объем реального объекта и содержащая заряд отделения 3, воспламеняемый, например, за счет срабатывания электровоспламенителя. Имитатор массы ГЧ 4 снабжен диском 5 с режущими кромками, выполненными в форме резца и взаимодействующими в процессе разделения со сменными срезными планками 8, жестко закрепленными в корпусе, например, посредством натяжных винтов 7 и упорного кольца 9. При этом суммарная площадь срезаемой поверхности планок выбрана из условия равенства силы сопротивления перемещению масс ГЧ силе аэроили гидродинамического сопротивления ГЧ на соответствующем участке траектории.

Стендовое устройство работает следующим образом. При подаче напряжения на электровоспламенители происходит воспламенение порохового заряда 3, продукты сгорания которого заполняют свободный объем рабочей полости. При величине давления, соответствующей давлению форсирования, разрушается узел форсирования 2 и начинается отстрел имитатора массы подвижных элементов двигателя 1, к которому не приложена сила лобового сопротивления (пассивные элементы двигателя для реального снаряда движутся в следе ГЧ, поэтому сила сопротивления мала и может не учитываться). При величине давления, соответствующей при заданной площади действия усилию среза планок 8, начинается перемещение имитатора массы подвижных элементов ГЧ. При этом величина силы лобового сопротивления имитируется действием силы сопротивления планок, срезаемых режущими кромками подвижного диска 5. В дальнейшем процесс разделения сопровождается совместным движением имитаторов массы 1 и 4, движущихся в различных направлениях. В момент выхода из корпуса имитатора 1 происходит резкий сброс давления в рабочей полости и имитатор 4 тормозится срезными планками до полной остановки.

Для проведения повторного опыта производится смена порохового заряда 3, узла форсирования 2, срезаемых планок 8, и весь процесс повторяется сначала. При этом следует иметь в виду, что параметры заряжания, габаритно-массовые характеристики и усилие разрушения узла форсирования стендового устройства должны соответствовать натурному образцу. На рис. 10.14 представлено изменение ВБХ процесса разделения стендового устройства с имитацией силы лобового сопротивления N_nc = 30 кН. Из сравнения полученных результатов с полетными характеристиками (Р_тах = 14,31 МПа; V_max = 29,9 м/с; ?_п = 0,0356 с) видно, что при качественном подборе срезаемых планок (АГ_сопр = N_nc) ошибка в определении ВБХ имеет незначительную величину, а при разбросе усилия сопротивления на 20% (iV_conp = 24 кН и 36 кН) достигает 13% по величине скорости разделения.

В целях повышения качества отработки узла форсирования и уменьшения погрешностей определения параметров внутрикамерного процесса при высоких значениях сил лобового сопротивления, действующих на разделяемые отсеки, например, на подводном участке траекто;

Рис. 10.14. Изменение во времени давления (7) и скорости разделения (2) для стендового устройства с имитатором силы лобового сопротивления

Л/сопр = 24−36 кН

рии PC, был разработан метод стендовой отработки, исключающий указанные выше недостатки за счет закрепления объекта испытаний на рельсе трековой дорожки посредством тормозных башмаков. Для иллюстрации такого метода на рис. 10.15 показана принципиальная схема стендового устройства, выполненного в виде экспериментального снаряда 9, подвижно скрепленного с рельсовой направляющей 5 за счет башмаков 4, снабженных разъемными кольцевыми бандажами 2.

Экспериментальный снаряд имеет в своем составе испытываемую головную часть 3 с узлом отделения и макет ракетной части 10 с компенсатором массы. Узел отделения содержит пороховой заряд 8 с инициирующим устройством 1 и предохранительно — исполнительным механизмом 7 и элементы форсирования 6, скрепляющие ГЧ с макетом РЧ.

Рис. 10.15. Принципиальная схема стендового устройства

Башмаки снабжены регуляторами усилия торможения, выполненными в виде сменных вкладных тормозных элементов 11 с регламентированным механическим поджатием башмаков к рельсу, обеспечиваемым давлением упорных винтов 13 с контргайками 12 на тормозные элементы башмаков. Перед проведением опытных работ, посредством заворачивания моментным ключом упорных винтов, осуществляется регламентированное силовое поджатие башмаков к рельсу, обеспечивающее соответствие сил трения полетным силам лобового сопротивления головной части и двигателя. Эта операция может выполняться с использованием тарировочных таблиц (Т_{лоб сопр} = /(М_кр)) и контролироваться, например, силовым протягиванием блоков по рельсу обычной лебедкой с динамометром. После требуемого поджатия тормозных элементов к рельсу, упорные винты фиксируются от разворачивания контргайками.

В дальнейшем работа на установке осуществляется следующим образом. За счет срабатывания инициирующего устройства, например электрического типа, предохранительно-исполнительный механизм выдает исполнительную команду на воспламенение порохового заряда. Продукты сгорания заряда заполняют рабочую полость узла разделения и при давлении, соответствующем усилию разрушения элементов форсирования, начинается процесс отделения ГЧ от макета РЧ. При этом действие сил лобового сопротивления для обоих объектов имитируется силой трения внутренней поверхности башмаков о направляющую, обеспечивающую одновременно удержание разделяемых объектов на направляющей после завершения процесса отделения. Теоретический анализ процесса отделения головной части от двигателя (рис. 10.16) по;

Рис. 10.16. Зависимость давления в полости разделения Р и скорости отстрела головной части У_гч относительно двигателя для полетных (сплошные кривые) и трековых (пунктирные кривые) условий:

масса заряда — 0.7 кг, головной части — 300 кг, двигателя — 200 кг, одного башмака — 20 кг; сила лобового сопротивления — 7 кН, трения — от 7 до 6 кН

называет, что для относительно крупных снарядов (типа 9М55К) методическая ошибка в определении параметров внутрикамерного процесса, вызванная наличием башмаков и зависимостью силы трения их от скорости разделения, составляет около 6%.

Таким образом, за счет подвижности и одновременного учета сил лобового сопротивления для обоих отсеков, удается в стендовых условиях достаточно полно имитировать внутрикамерный процесс, протекающий в процессе отделения ГЧ на траектории. Это обеспечивает более точное воспроизводство силовых и тепловых нагрузок, действующих на конструктивные элементы головной части, и повышает качество экспериментальной отработки. Одновременно, за счет удержания объекта испытаний на опытной площадке без дополнительных силовых воздействий, представляется возможность путем визуального осмотра и необходимых технических проверок произвести оценку работоспособности всех узлов и элементов головной части. Это особенно важно в случае отработки управляемых в полете ГЧ, снабженных рядом исполнительных элементов, чувствительных к силовым нагрузкам ударного типа.

Рассмотренные выше методы и экспериментальные устройства с той или иной достоверностью позволяют определить силовые и тепловые характеристики процесса разделения — давление и температуру продуктов сгорания в рабочих полостях, скорости и перегрузки подвижных элементов. На основе анализа полученных характеристик проводится конструктивная доработка соответствующих узлов и делается окончательный вывод о работоспособности конструкции. Однако в процессе разделения ГЧ возникают линейные и угловые возмущения разделяемых элементов, обусловленные суммарным воздействием сил аэродинамического, газодинамического и механического характера. Поэтому в практике отработки снаряда иногда возникает необходимость в определении величины начальных возмущений, самым непосредственным образом влияющих на кучность стрельбы и угол подхода ГЧ к цели.

Для частичного решения задачи, а именно, определения боковых возмущений головного или хвостового отсека, может быть использована маятниковая установка с двумя степенями свободы, позволяющая по максимальному отклонению маятника установить боковой импульс силы после срабатывания узла разделения. Однако наличие жесткой связи огрубляет полученный результат. Поэтому был предложен другой способ отработки (см. рис. 10.13, в), который предполагает выполнение следующих приемов:

• • путем нарушения пирозамка гибкой связи 2, первоначально удерживающей отсеки 1,3 в подвешенном состоянии (в соответствии с угловым положением на траектории), разделяемые отсеки приводят в состояние невозмущенного совместного свободного падения;
• • прикладывают в центре давления отделяемого отсека силу, соответствующую по направлению и величине вектору полной аэродинамической силы, действующей в реальных условиях к моменту разделения (например, используя тягу малогабаритного двигателя);

• воспроизводят процесс разделения, осуществляя одновременно пространственную регистрацию необходимых параметров посредством СКС 4.

Такой подход позволяет в условиях стенда воспроизвести и зарегистрировать количественную и качественную картину процесса разделения, близкую к полетным условиям. Но обеспечить одновременное приложение вектора аэродинамической силы и включение процесса разделения очень сложно, что делает использование его на практике затруднительным.

Подробное описание предложенных в указанных работах экспериментальных методов и устройств в рамках объема настоящей работы затруднительно. Однако хотелось бы отметить, что в процессе исследования закономерностей функционирования и выбора рациональных параметров разделяющихся PC очень часто возникает необходимость решения задач прикладного характера. Такие задачи возникали и решены авторами на уровне изобретений и в рамках настоящего исследования. Это обуславливалось, в первую очередь, необходимостью выявления моментов страгивания подвижных элементов, моментов включения в работу пороховых зарядов, определения силовых и тепловых нагрузок на уязвимые элементы конструкции. При этом в процессе анализа функционирования разрабатываемых конструкций производилась модернизация экспериментальных устройств, направленная на обеспечение возможности изучения влияния силы лобового сопротивления и изменения конструктивных характеристик на изменение рабочих параметров процесса. Кроме того, разрабатывались новые способы и экспериментальные устройства для отработки специфичных механизмов вскрытия парашютных отсеков, узлов отсечки и распаковки пусковых труб с БЭ.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что разработанные авторами методы стендовой отработки разделяющихся ГЧ позволяют в достаточно полной мере определять величину основных внутрибаллистических характеристик процесса разделения. Выявление же характера и величины начальных возмущений, свойственных практически любому способу разделения ГЧ, целесообразно осуществлять либо в полетных условиях за счет размещения на исследуемом объекте радиотелеметрической аппаратуры, либо посредством динамических испытаний боеприпасов в условиях ракетного трека.