Прогнозирование изменения физико-химических свойств порохового заряда

В целом, можно сделать вывод, что при хранении выстрела у него уменьшается масса, и уменьшается она, прежде всего, за счет уменьшения массы порохового метательного заряда. Уменьшение массы является признаком изменения баллистических свойств порохового заряда, которое возможно определить в условиях штатной эксплуатации боеприпасов непосредственно на складах, и является одним из параметров, определяющим явления внутренней баллистики.

Следует отметить, что существует ряд величин, являющихся баллистическими характеристиками пороха, и определяющих начальную скорость снаряда. Эти характеристики зависят от природы пороха и связаны с его физико-химическими свойствами. Поэтому, получив зависимость хотя бы одной из них от времени хранения порохового заряда, представляется возможным спрогнозировать баллистические характеристики выстрела, соответствующие данному этапу эксплуатации [4].

Ввиду того, что внутренняя баллистика имеет дело с большими давлениями и температурами газа и очень малым временем процесса, в результате которого снаряд набирает большую скорость, то изучать это явление чрезвычайно сложно. Поэтому теоретические методы основаны на допущениях и условиях.

В ряде фундаментальных работ по внутренней баллистике отмечается, что основной характеристикой пороха является плотность. Следовательно, по изменению ее значения можно судить и об изменениях  других физико-химических свойств, определяющих баллистические характеристики выстрела, таких как теплота горения, скорость горения, сила пороха.

Будем считать, что разложение порохов на анализируемом промежутке времени не привело к разрушению пороховых зерен и значительному уменьшению их объема. Тогда изменение баллистических свойств метательного заряда в значительной степени можно свести к функции от его массы.

Для получения прогноза об изменении начальной скорости 30 мм артиллерийского боеприпаса морской номенклатуры необходимо решить прямую основную задачу внутренней баллистики, когда по заданным условиям заряжания для выстрелов, у которых  изменяются в процессе длительного хранения свойства пороховых зарядов, рассчитываются скорости снарядов и определяются величины их отклонений от табличных значений.

Теоретическое решение основной задачи основано на совместном решении системы дифференциальных уравнений, описывающих закон горения пороха и соответствующие законы термодинамики с основным уравнением движения снаряда. Такое решение базируется на теоретическом анализе явления выстрела и получается довольно сложным [11]. В отличие от теоретического, эмпирические методы решения исходят из подобранных на основе большого опытного материала зависимостей между скоростью снаряда и путем, который он прошел внутри ствола. В результате сочетания зависимостей, найденных опытным путем, с основным уравнением движения снаряда можно получить систему таблиц или формул, позволяющих численным методом получить кривые изменения скорости в зависимости от пути снаряда.

Для получения поправочных формул внутренней баллистики сформулируем задачу в общем виде [12]: необходимо вычислить изменения начальной скорости вследствие изменения параметров на величину , где i  =1,2….

При этом будем предполагать, что изменения параметров являются малыми, то есть такими, для которых величиной квадрата отношения приращения параметра к величине самого параметра при заданной точности можно пренебречь (не более 3%).

Следовательно, будет справедлива формула:

   (3)

В случае, если изменится один какой-нибудь из параметров , от которого зависит , то соответствующие изменения величин будут вычисляться по формуле:

       (4)

Здесь, - изменение величины при изменении только параметра .

Если выражение для умножить на и разделить на , то получим,

      (5)

Обозначим,

       (6)

Тогда поправочная формула будут иметь вид:

       (7)

Величина называется поправочным коэффициентом внутренней баллистики.

Таким образом, нахождение поправочных формул внутренней баллистики сводится к вычислению поправочных коэффициентов .

Поправочный коэффициент это величина, численно равная изменению начальной скорости (в процентах) при изменении рассматриваемого параметра на один процент.

Для нахождения поправочных коэффициентов необходимо вычислять частные производные величины по интересующим параметрам. А так как аналитические формулы, дающие выражение величины через параметры от которых они зависят, весьма сложны, то получить интересующие частные производные в виде аналитических формул без серьезных упрощений практически невозможно.

Существуют таблицы поправочных коэффициентов внутренней баллистики, по которым можно найти поправочные коэффициенты для конкретного орудия.

Если известны конструктивные элементы артиллерийской системы, то можно принять следующий порядок расчета изменения начальной скорости снаряда ( ) от изменения веса порохового заряда ( ).

 В [13] замечено, что изменение близько к линейному характеру в зависимости от изменения до 40%. Следовательно,

 

                                                                                   (9)

  и      .                                (10)

          Но,

                            =                          (11)

Здесь, представляет изменение , превышающее 3%.

Отсюда, , а .

Поэтому, учитывая формулу 7,  для определения используем формулу:

    

                   (12)

где,  - берется из табл.1 как значение ;

- известное табличное значение;

  - берется из Таблиц комплектации боеприпасов морской артилерии     ТБП-80;

  - вычисляется по таблицам поправочных коэффициентов.

На основании приведенного решения строится график зависимости изменения начальной скорости снаряда от изменения массы порохового заряда (рис.3)

             

Рисунок 3 – Изменение начальной скорости снаряда в функции

   от изменения   массы  выстрела

Необходимо учесть то, что полученная зависимость  является прогнозной. Поэтому результаты решений по упрощенной математической модели необходимо согласовывать с опытными данными. Сравнение упрощенных решений с экспериментальными может показать степень математической погрешности их при тех же константах и условиях заряжания. Отсюда возникает потребность в проведении опыта по определению начальной скорости снарядов тех выстрелов, взвешивание которых проводилось во время предыдущего эксперимента.

Описание подробной методики баллистических испытаний выходит за рамки статьи.

Пусть в результате эксперимента получены средние значения изменений начальных скоростей снарядов в зависимости от изменений масс выстрелов, зависящих от срока хранения боеприпасов (табл. 2).

 

Таблица 2 – Результаты баллистических испытаний

 

Зная общий вид кривой графика, можно, используя способ наименьших квадратов, подобрать аппроксимирующий полином для данных в табл.2 и построить графическую зависимость изменения скорости от  изменения массы заряда

Проанализировав зависимости, провести коррекцию прогноза, полученного математическим путем (рис.4).

         

       Рисунок 4 – Изменение начальной скорости снаряда

На основе данных графиков, представленных на рис.2  и рис.4 строится кривая изменения относительного значения массы выстрела в зависимости от времени хранения порохового заряда (рис.5).

     

    где, - масса выстрела из Таблиц комплектации ТБП-80

                           Рисунок 5 – Модель эксплуатации артиллерийских  боеприпасов

 

На основе зависимостей, показанных на рис.2 и 5, разрабатывается модель эксплуатации артиллерийских боеприпасов малого калибра.

Модель эксплуатации включает три этапа: первый - соответствует этапу, когда за счет действия замедлителя плотность пороха, следовательно, и его масса, как основная его характеристика, остаются практически неизменными. В этом периоде продукты автокаталитической реакции связываются стабилизатором и скорость их протекания мала, что не оказывает существенного влияния на физико-химические свойства пороха. На первом этапе предполагается, что масса пороха изменяется незначительно и определить ее можно по представленной методике.

Во втором периоде масса пороха резко снижается. Допустимое минимальное значение массы пороха может быть определено на основе минимально допустимой скорости снаряда.

В третьем периоде скорость изменения массы пороха снижается постепенно за счет истощения компонентов реакции. В этом периоде энергетическая ценность пороха как топлива уменьшается до такой степени, что совершаемая им работа не обеспечивает минимально допустимую скорость снаряда, а в предельном случае снаряд может остаться в стволе орудия.

С помощью этой модели возможна оценка и прогнозирование изменения                   физико-химических свойств пороховых зарядов по величине массы выстрелов унитарного снаряжения.

Разработанный метод оценки и прогнозирования физико-химических свойств порохов по величине его массы позволяет использовать его в местах хранения, что является существенным преимуществом.

Использование данных, прогнозирующих физико-химические свойства пороха при длительном хранении, создает предпосылки для перехода эксплуатации вооружения по состоянию, без разработки и применения диагностической аппаратуры.

Для обеспечения точности стрельбы необходимо компенсировать изменение начальной скорости снаряда, обусловленное длительным хранением боеприпаса. Метод расчета компенсационных поправок показан в статье. При использовании этого метода  надо учитывать, что небольшие отклонения в условиях заряжания, многие из которых носят случайный характер, приводят к разбросу скоростей. Поэтому определение небольших изменений в условиях заряжания в большинстве случаев является вероятностной задачей для боеприпасов, которые хранились одинаковое время при одних и тех же условиях. Поскольку допустимые разбросы скоростей ограничиваются определенными границами, то и отклонения в свойствах порохов должны ограничиваться определенными границами.

В целом, теоретические результаты и данные экспериментальных исследований, полученные в работе, могут быть положены в основу для перехода на эксплуатацию боеприпасов, срок хранения которых более 25 лет.

В дальнейшем необходимо разработать методику измерения массы заряда без разпатронирования выстрела унитарного заряжания и методику косвенного определения начальной скорости снаряда. Причем, применяемые экспериментальные методы должны отличаться простотой и доступностью, а также единством методической базы. Затем, на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований, оценить периоды эксплуатации 30-мм артиллерийских боеприпасов морской номенклатуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Тимчасове Рішення про встановлення термінів зберігання (технічної придатності) боєприпасів артилерії, засобів ближнього бою та їх комплектуючих елементів// Утверждено первым заместителем Министра машиностроения, военно-промышленного комплекса и конверсии Украины 25 ноября 1996 года №131/Н/02-9.

2. Хайков В.Л. Возможности радиационных методов неразрушающего контроля для повышения объективности диагностики технического состояния артиллерийских боеприпасов./ В.Л.Хайков // Збірник наукових праць АВМС - Севастополь, 2011 –        Вип.1 (5) – С.26-36.

3. Анипко О.Б., Гончаренко П.Д., Хайков В.Л. Преждевременные разрывы снарядов корабельной артиллерии и методы их предупреждения. Зарубежный опыт./ О.Б.Анипко, П.Д.Гончаренко, В.Л.Хайков // Збырник наукових праць АВМС – Севастополь, 2011 – Вип.4 (8) С.6-16.

4. Анипко О.Б., Бусяк Ю.М. Внутренняя баллистика ствольных систем при применении боеприпасов длительных сроков хранения: монографія / О.Б.Анипко, Ю.М.Бусяк – Х.:Академия ВВ МВД України, 2009. – 128 с.

5. Бирюков И.Ю. Пороховые заряды длительных сроков хранения: проблемы, задачи і пути их решения / И.Ю.Бирюков // Інтегровані технології  та енергозбереження : збірник наукових статей. – Х.: 2006. - №2. – С.50-55.

6. Черкашин А.Д. Проверка достоверности прогноза и коррекции зависимости изменения начальной скорости пули 9 мм пистолетного патрона ПМ / А.Д.Черкашин // Системи озброєння і військова техніка. – Х., 2010. – №3 (23) – С.90-92.

7. Explosive effects and applications. / [edited by] J.A. Zukas., W.P. Walters. – New York. Spring-Verlag, 1998. – 240 p.

8. Свешников А.А. Теория стрельбы и боевой эффективности корабельного оружия/ А.А.Свешников, В.А.Кодрау – Ленинград. Военно-морская Академия, 1971. – 532 с.

9. Горст А.Г. Пороха и взрывчатые вещества/ А.Г.Горст – М.: Машиностроение, 1972. – 208 с.

10. Андреев К.К. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ                   / К.К.Андреев – М. Наука,  1966. – 339 с.

11. Серебряков М.Е. Внутренняя баллистика / М.Е.Серебряков, К.К.Гретен,               Г.В.Оппоков.; под ред. Серебрякова М.Е. – М.: Оборонгиз, 1939. – 592с

12. Чернов В.П. Поправочные формулы внутренней баллистики: монография                      / В.П. Чернов – М.: Воениздат, 1956. – 368 с.

13. Горохов М.С. Внутренняя баллистика ствольных систем / М.С. Горохов – М.: Воениздат, 1985. – 155 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРОГНОЗУВАННЯ ЗМІНИ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ПОРОХОВОГО ЗАРЯДУ І ПОЧАТКОВОЇ ШВИДКОСТІ 30 мм АРТИЛЕРІЙСЬКИХ БОЄПРИПАСІВ МОРСЬКОЇ НОМЕНКЛАТУРИ