снаряд с ограниченной дальностью полета

Формула изобретения

1. Стабилизированный вращением снаряд (10), отличающийся тем, что снаряд имеет удлиненный, имеющий аэродинамическую форму корпус и содержит носовую часть (20) оживальной или конической формы, заднюю часть (30) и среднюю часть (110), расположенную между носовой частью и задней частью, при этом указанная средняя часть содержит проходящую в продольном направлении секцию (100) увеличения торможения вращения, расположенную в круговом углублении поверхности, причем секция (100) увеличения торможения вращения содержит множество элементов в виде расположенных рядом канавок (120) или плоских срезов (220) в указанном корпусе и проходящих в продольном направлении между носовой частью (20) и задней частью (30), при этом элементы проходят в наружном направлении не более чем примерно на глубину углубления, и имеют высоту, по меньшей мере, в два раза превосходящую толщину потери импульса пограничного слоя снаряда, для обеспечения того, что снаряд (10) на заданной длине полета становится гироскопически неустойчивым и после этого постоянно сохраняет гироскопическую неустойчивость.

2. Стабилизированный вращением снаряд (10) по п.1, отличающийся тем, что количество канавок (120) составляет от 4 до 12.

3. Стабилизированный вращением снаряд (10) по п.1, отличающийся тем, что указанная задняя часть (30) содержит множество соединительных прорезей (140), определяющих угол наклона указанных канавок (120).

4. Стабилизированный вращением снаряд (10) по п.1, отличающийся тем, что канавки (120) проходят радиально в наружном направлении перпендикулярно оси (710) вращения.

5. Стабилизированный вращением снаряд (10) по п.1, отличающийся тем, что элементы секции торможения вращения наклонены относительно продольной оси (710) в направлении набегающего воздуха.

6. Стабилизированный вращением снаряд (10) по п.5, отличающийся тем, что элементы секции торможения вращения наклонены на угол между 3 и 5^o относительно продольной оси (710) в направлении набегающего воздуха.

7. Стабилизированный вращением снаряд (10) по п.1, отличающийся тем, что количество плоских срезов (220) составляет от 4 до 12.

8. Стабилизированный вращением снаряд (10) по п.1, отличающийся тем, что плоские срезы (220) равномерно распределены по периметру снаряда.

9. Стабилизированный вращением снаряд (10) по п.1, отличающийся тем, что длина секции (100) увеличения торможения вращения составляет до 2,0 диаметров корпуса снаряда, и имеет множество воздушных полостей (180), глубина каждой из которых составляет от 3 до 7% от диаметра корпуса снаряда.

10. Стабилизированный вращением снаряд (10) по п.1, отличающийся тем, что секция (100) увеличения торможения вращения расположена у центра тяжести указанного снаряда.

11. Стабилизированный вращением снаряд (10) по п.1, отличающийся тем, что уплотняющий пояс (160) расположен между секцией (100) увеличения торможения вращения и задней частью (30).

Описание изобретения к патенту

Правительство США имеет оплаченную лицензию на это изобретение и ограниченное право требовать у владельца патента выдавать лицензию другим на разумных условиях, предусмотренных в DAAAZI-90-C-0096 министерства армии США.

Область техники, к которой относится изобретение.

Данное изобретение относится к новому и улучшенному тренировочному снаряду, который имеет заданную характеристику ограниченной дальности траектории полета. В частности, распределенные радиально плоские срезы вызывают возникновение гироскопической нестабильности на заданной дальности, что ограничивает траекторию полета снаряда.

Уровень техники

В патенте США 4063511 (Bullard) раскрыта вращающаяся ружейная пуля с канавками для. придания обтекаемости корпусу пули и снижения сопротивления воздуха в полете.

В патенте США 4520972 (Diesinger и др. ) раскрыт стабилизированный вращением тренировочный снаряд, который изменяет свою осевую устойчивость посредством приведения в действие стабилизатора, установленного на заднем конце снаряда.

В патенте США 4708065 (Schilling и др.) раскрыт тренировочный снаряд с кольцевым углублением вокруг своего периметра, в котором однако не используется демпфирование поворота для укорачивания нормальной траектории полета снаряда.

В патенте США 4905602 (Buckland) раскрыт тренировочный снаряд с демпфированием вращения, который имеет ряд тормозящих вращение ребер, установленных на носу снаряда.

Полигоны для испытания траекторий вооружения большого калибра требуют много площади по вполне понятным причинам безопасности. Типичный полигон для 25-мм снаряда имеет длину примерно 14 км, поскольку снаряды калибра 25-мм имеют типичную длину полета 12 км. Это расстояние изменяется в зависимости от размеров снаряда. Более крупные снаряды требуют пропорционально больших площадей. Для многих применений артиллерии, например для тренировочных стрельб по мишеням, требуются снаряды, которые удовлетворяют противоречивым требованиям: 1) обеспечивать эффективную плоскую траекторию на заданной дальности и 2) резко замедляться и тем самым не выходить за заданный предел дальности. Обычные стабилизированные вращением снаряды из-за их заостренной цилиндрической формы сильно ограничены в степени соответствия этим двум противоречивым требованиям.

Проблема состоит в том, что высокие начальные скорости приводят к чрезвычайно большим дальностям полета, или наоборот, если удовлетворяются требования по ограничению дальности полета, то эффективность начальной траектории является неадекватной.

Сущность изобретения

Данное изобретение решает эту задачу за счет создания тренировочного снаряда с секцией увеличения торможения вращения, которая вызывает гироскопическую неустойчивость снаряда после полета на заданное расстояние. Гироскопически неустойчивая траектория приводит к появлению большого угла рыскания снаряда и поэтому сокращает расстояние, которое пролетит в конечном итоге снаряд.

Это изобретение относится к снаряду, который обеспечивает плоскую траекторию на заданном расстоянии и после достижения этого расстояния становится гироскопически неустойчивым.

Согласно изобретению стабилизированный вращением снаряд имеет удлиненный, имеющий аэродинамическую форму корпус и содержит носовую часть оживальной или конической формы, заднюю часть и среднюю часть, расположенную между носовой частью и задней частью, при этом указанная средняя часть содержит проходящую в продольном направлении секцию увеличения торможения вращения, расположенную в круговом углублении поверхности, причем секция увеличения торможения вращения содержит множество элементов в виде расположенных рядом канавок или плоских срезов в указанном корпусе и проходящих в продольном направлении между носовой частью и задней частью, при этом элементы проходят в наружном направлении не более чем примерно на глубину углубления, и имеют высоту, по меньшей мере, в два раза превосходящую толщину потери импульса пограничного слоя снаряда, для обеспечения того, что снаряд на заданной длине полета становится гироскопически неустойчивым и после этого постоянно сохраняет гироскопическую неустойчивость.

Количество канавок может составлять от 4 до 12.

Задняя часть снаряда может содержать множество соединительных прорезей, определяющих угол наклона указанных канавок.

Предпочтительно, канавки проходят радиально в наружном направлении перпендикулярно оси вращения снаряда.

Элементы секции торможения вращения могут быть выполнены наклоненными относительно продольной оси в направлении набегающего потока воздуха. Угол наклона выбирают между 3 и ^o.

Количество плоских срезов составляет от 4 до 12. Плоские срезы равномерно распределены по периметру снаряда.

Предпочтительно, длина секции увеличения торможения вращения составляет до 2,0 диаметров корпуса снаряда и имеет множество воздушных полостей, глубина каждой из которых составляет от 3 до 7% от диаметра корпуса снаряда.

Целесообразно располагать секцию увеличения торможения вращения у центра тяжести указанного снаряда.

Уплотняющий пояс располагают между секцией увеличения торможения вращения и задней частью.

На фиг.1 показаны характеристики ограничения дальности полета снаряда с помощью увеличения торможения вращения, согласно данному изобретению.

На фиг. 2 показан снаряд с ограниченной дальностью полета, имеющий по существу коническую носовую часть и секцию увеличения торможения вращения, имеющую канавки.

На фиг. 3 показан снаряд с ограниченной дальностью полета, имеющий по существу коническую носовую часть и секцию увеличения торможения вращения, имеющую плоские срезы, образующие канавки.

На фиг.4 показан снаряд с ограниченной дальностью полета, имеющий скошенные канавки.

На фиг.5 показан снаряд с ограниченной дальностью полета, имеющий скошенные плоские срезы.

На фиг.6 показано осевое поперечное сечение снаряда, имеющего скошенную секцию торможения вращения.

На фиг.7 показан продольный разрез снаряда под углом 90^o.

На фиг.8А и 8В показаны изменения количества канавок или плоских срезов, соответственно.

На фиг.9 показан снаряд с ограниченной дальностью полета, имеющий регулируемые скошенные канавки торможения вращения.

На фиг. 10 показан разрез, иллюстрирующий угол ориентации канавок или плоских срезов для увеличения торможения вращения.

На фиг. 11А и 11В показаны примеры величины канавки с конфигурацией конус-конус.

На фиг. 12А и 12В показаны примеры величины канавки с конфигурацией конус-цилиндр.

На фиг. 13 показан снаряд с ограниченной дальностью полета, имеющий сплошную секцию увеличения торможения вращения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Это изобретение относится к тренировочным снарядам, для которых механизм ограничения дальности полета не оказывает существенного воздействия на траекторию внутри заданной дальности полета, однако после этого сокращает дальность полета, предотвращая выход тренировочных снарядов за границы тренировочного полигона.

Обычно вращающийся снаряд имеет устойчивый полет, если показатель гироскопической устойчивости, который позволяет иметь снаряду аэродинамически устойчивую траекторию полета, больше 1,0, а показатель динамической устойчивости, который отражает способность снаряда сохранять устойчивую траекторию, находится между нулем и 2,0.

Вращающийся снаряд имеет устойчивую траекторию полета, если S_g>1, где



где v является скоростью невозмущенного набегающего потока воздуха; I_x - осевой момент инерции снаряда; Р - плотность воздуха; d - опорный диаметр снаряда; I_y - поперечный момент инерции снаряда; - угловая скорость относительно продольной оси снаряда и Сm - производная коэффициента аэродинамического момента тангажа.

Для согласованности можно использовать единицы СИ.

Поскольку d, I_х и I_y являются постоянными, а Р и Сm изменяются только незначительно для высокоскоростных траекторий с небольшим углом, то основным фактором, определяющим гироскопическую устойчивость снаряда, является отношение угловой скорости к скорости полета (/v).

В основу данного изобретения положена задача создания снаряда с ограниченной дальностью полета за счет увеличения торможения вращения, которое приводит к более быстрому уменьшению скорости вращения, чем скорости полета. В ходе нормальной траектории уменьшение скорости полета больше, чем уменьшение скорости вращения, поэтому снаряд становится более устойчивым. Если торможение вращения снаряда увеличить в достаточной степени, так что уменьшение скорости вращения превысит уменьшение скорости полета, то S_g уменьшится во время полета, и снаряд, начавший полет в устойчивом положении, может получить неустойчивость после прохождения критического расстояния. Важно, чтобы механизм торможения вращения не увеличивал лобового сопротивления снаряда, а также не приводил к изменению мгновенного момента тангажа, а также момента Магнуса в такой степени, чтобы не оказывать отрицательного воздействия на возможно большее приближение тренировочного снаряда к боевому снаряду, который он должен моделировать. Конструкция тренировочного снаряда, согласно изобретению, не оказывает помех для нормального применения подкалиберных снарядов вместо снарядов полного калибра с использованием вкладышей.

Данное изобретение позволяет снаряду иметь первый отрезок его траектории гироскопически стабильным и таким образом соответствовать нормальному снаряду. Характеристики первого отрезка траектории можно измерять и регистрировать. Данные, собранные в результате измерения первого отрезка траектории, можно использовать для экстраполяции траектории, которую бы имел снаряд без увеличения торможения вращения.

Первый отрезок траектории имеет скорость полета с числом Маха, задаваемым дульным срезом. При выстреле задается также угловая скорость, пропорциональная углу закручивания нарезки ствола. При движении снаряда вдоль траектории скорость полета начинает уменьшаться в большей степени, чем угловая скорость. Это уменьшение делает необходимым включение в секцию увеличения торможения вращения, согласно изобретению, показанную на фиг.2 и 3, канавок 120 или плоских срезов 220, образующих канавки в корпусе снаряда для увеличения момента сил относительно оси вращения снаряда и тем самым уменьшения устойчивости полетной траектории. В противном случае, снаряд будет иметь устойчивую траекторию полета и такая траектория приведет к увеличению дальности полета снаряда.

Второй отрезок траектории является гироскопически неустойчивым вследствие увеличения ротационного момента тангажа, вызванного воздействием воздуха и секцией увеличения торможения вращения снаряда. Гироскопическая неустойчивость приводит к тому, что снаряд получает большие углы рыскания. Эти большие углы рыскания приводят к большому лобовому сопротивлению, которое уменьшает дальность полета снаряда. Одной из задач заглубленной секции 100 торможения вращения является обеспечение возможности применения конструкции в снарядах полного калибра, выстреливаемых из обычных пушечных стволов; или же для адаптации конфигураций существующих подкалиберных снарядов/вкладышей без необходимости модификации критической для конструкции задней части подкалиберного снаряда/взаимодействия с толкающим основанием или процесс изготовления и/или отливки вкладышей.

Вращающийся снаряд, используемый в качестве тренировочного, имеет скорость полета V, которая уменьшается быстрее, чем угловая скорость . Таким образом, при замедлении снаряда его полет становится более устойчивым. Согласно данному изобретению применение секции увеличения торможения вращения в средней части снаряда приводит к воздействию на снаряд момента относительно его оси вращения, который приводит к уменьшению (/V)². Это приводит к тому, что снаряд становится гироскопически неустойчивым и получает большой угол рыскания и/или падающую траекторию.

Как показано на фиг.2 и 3, секция 100 увеличения торможения вращения может иметь либо канавки 120, либо плоские срезы 220, образующие канавки, для взаимодействия с потоком воздуха, окружающим снаряд. Конструкция секции увеличения торможения вращения, в частности количество заглубленных канавок 120 или плоских срезов 220, угол канавок 120 или плоских срезов 220 относительно продольной оси и степень заглубления канавок 120 и плоских срезов 220 в корпус снаряда, определяют точку траектории, в которой снаряд становится гироскопически неустойчивым и начинает траекторию с большим углом рыскания. Эта точка известна как "точка перехода", поскольку снаряд переходит с гироскопически устойчивой траектории на гироскопически неустойчивую траекторию. Точка перехода является функцией скорости вращения, т.е. скорости, с которой вращается снаряд (угловой скорости), и скорости снижения, которая зависит от воздействия тормозящих сил на траекторию снаряда. За счет регулирования быстроты увеличения скорости снижения можно задавать точку перехода и конструировать снаряд с желаемой точкой перехода.

Канавки 120 и плоские срезы 220 могут иметь плоские, или закрученные, и/или изогнутые поверхности, что приводит к большему или меньшему воздействию воздуха на траекторию снаряда. Кумулятивный эффект множества проходящих в продольном направлении канавок 120 или плоских срезов 220, отклоняющих потоки воздуха, приводят к тому, что момент сил преобладает над тенденцией снаряда становиться более гироскопически устойчивым по мере его замедления.

Канавки 120 или плоские срезы 220 заглублены в средней части 110 снаряда так, что они по существу не выступают за оживальную поверхность снаряда. Глубина канавок 120 или плоских срезов 220 примерно равна глубине углубления в средней части и должна, по меньшей мере, в два раза превышать толщину потери импульса пограничного слоя снаряда, так что они не оказываются погруженными в пограничный слой. Пограничный слой является зоной, которая окружает движущийся снаряд и прикладывает силы к снаряду.

На фиг. 2 и 3 показан поток воздуха вдоль поверхности снаряда во время полета. Канавки 120 или плоские срезы 220 выступают наружу в направлении от продольной оси 710 так, что они преодолевают эффекты пограничного (приповерхностного слоя) и, таким образом, канавки 120 или плоские срезы 220 увеличивают момент сил, действующих на снаряд 10.

На фиг.2 показан снаряд 10 с носовой частью 20, которая может быть полой и может быть изготовлена из любого упругого материала, такого как алюминий или сталь, задней частью 30 и средней частью 110. Средняя часть 110 имеет заглубленную секцию 100 увеличения торможения вращения, которая включает канавки 120. На фиг.3 показан снаряд 10 с конической носовой частью 20, задней частью 30 и секцией 100 увеличения торможения вращения, включающей плоские срезы 220.

Канавки 120 или плоские срезы 220 могут образовывать воздушные полости 180, которые наполняются набегающим воздухом. Воздушные полости 180 могут иметь любую глубину, однако предпочтительной является глубина, составляющая от 2,5 до 7,5% от диаметра корпуса снаряда, а наиболее предпочтительной - глубина, составляющая 5,7% от диаметра корпуса снаряда.

Канавки 120 расположены вдоль продольной оси 710 снаряда 10, как показано на фиг.7. Канавки 120 могут быть расположены под различными углами относительно оси и могут иметь различные формы.

Как показано на фиг.10, секция 100 торможения вращения может быть расположена под углом относительно продольной оси 710. Предпочтительный угол ориентации составляет 90^o, что обеспечивает максимальную площадь поверхности секции 100 торможения вращения, на которую воздействует набегающий воздух. При увеличении или уменьшении угла ориентации канавки или плоского среза по сравнению с прямым углом 90^o секция 100 торможения вращения имеет меньшую площадь поверхности, на которую воздействует набегающий воздух, поскольку большая часть секции 100 торможения вращения будет ближе к корпусу снаряда. Угол ориентации также влияет на форму воздушных полостей 180. Секция 100 торможения вращения средней части увеличивает степень уменьшения скорости вращения и преднамеренно переводит снаряд 10 в состояние гироскопической неустойчивости на заданной дальности полета.

Секция 100 увеличения торможения вращения, которая включает канавки 120 или плоские срезы 220, расположена в средней части 110 снаряда 10, которая расположена ближе к центру тяжести, что снижает нежелательные нарушения траектории полета. Секция увеличения торможения вращения может проходить по всей длине снаряда. Предпочтительной длиной является длина, которая составляет от 1 до 1,75 диаметра корпуса снаряда. Наиболее предпочтительной является длина, составляющая 1,33 диаметра корпуса снаряда.

Как показано на фиг.2 и 3, снаряд 10 имеет уплотняющий пояс 160 для придания стволом вращения снаряду 10 при его выстреле.

За счет изменения величины, количества и/или углов закручивания канавок 120 или плоских срезов 220 для торможения вращения можно настроить аэродинамические крутящие моменты торможения вращения для управления временем возникновения условий большого лобового сопротивления и тем самым обеспечивать соответствующее соотношение быстрой и медленной частей траектории. Чем глубже канавки 120 или плоские срезы 220 в средней части 110, тем быстрее снаряд 10 становится гироскопически неустойчивым. Канавки 120 или плоские срезы 220 перераспределяют поток воздуха вокруг поверхности снаряда, так как канавки 120 или плоские срезы 220 приводят к тому, что аэродинамические силы, действующие в противоположных направлениях, создают момент относительно оси вращения, который уменьшает гироскопическую устойчивость, и заставляют снаряд получать большой угол рыскания и/или падающую траекторию. Как показано на фиг. 8А и 8В, секции 100 торможения вращения могут иметь различное число сегментов. Количество сегментов может быть любым. Однако предпочтительное количество сегментов составляет между 4 и 12, которые равномерно распределены по периметру снаряда.

Как показано на фиг. 4 и 5, секция 100 увеличения торможения вращения может быть скошена под углом против потока воздуха для увеличения эффекта торможения вращения. Увеличение угла наклона канавок 120 или плоских срезов 220 относительно продольной оси 710 увеличивает угол, под которым воздух взаимодействует с секцией 100 торможения вращения. Это облегчает переход к гироскопически неустойчивой траектории снаряда, что приводит к ограниченной дальности полета снаряда. Величина угла может быть между 0 и 30^o относительно продольной оси. Однако предпочтительными являются углы между 3 и 5^o. Углы наклона свыше 15^o вызывают раннее появление неустойчивости на траектории полета.

Как показано на фиг.9, канавки 120 для торможения вращения можно также регулировать в полевых условиях за счет изменения угла наклона. Угол наклона, под которым заглубленные канавки 120 образованы в задней части 30, можно изменять за счет наличия множества соединительных прорезей 140 в задней части 30. После выбора пользователем желаемого угла наклона каждую из канавок 120 можно образовать с использованием соответствующей прорези 140 на задней части 30.

На фиг. 6 показано осевое поперечное сечение средней части 110, когда секция 100 торможения вращения слегка наклонена. Это иллюстрирует относительную глубину секции 100 торможения вращения. Секция торможения вращения достаточно заглублена для преодоления импульсов сил приповерхностного слоя.

На фиг.7 показан продольный разрез снаряда с ограниченной дальностью полета под углом 90^o.

На фиг.8 показано, что снаряд с ограниченной дальностью полета может иметь различное количество средств для торможения вращения.

На фиг.13 показано, что секция 100 торможения вращения может быть сплошной. Плоские срезы 220 образуют канавки, которые обеспечивают взаимодействие с набегающим воздухом и поэтому увеличивают торможение вращения снаряда 10. В этом варианте выполнения отсутствуют воздушные полости.

Пример 1

Фиг.1 графически иллюстрирует сравнительные рабочие характеристики обычного, стабилизированного вращением снаряда и снаряда с увеличенным торможением вращения. Линия 14 представляет траекторию снаряда, согласно данному изобретению, с увеличенным торможением вращения. Снаряд без признака ограничения дальности полета (линия 12) пролетает до 12 км, в то время как снаряд с ограниченной дальностью полета пролетает менее 8 км, что означает уменьшение дальности полета на 33%. Эта разница в максимальной дальности полета может быть важной с учетом физических ограничений существующих тренировочных и испытательных полигонов. Расстояние, которое преодолевает снаряд, является функцией его массы. Чем больше масса, тем больше дальность его траектории. Однако увеличение торможения вращения, согласно изобретению, пропорционально сокращает расстояние и дальность полета снаряда. Таким образом, данное торможение вращения можно применять к снарядам всех размеров.

Пример 2

На фиг.11А, 11В, 12А и 12В показаны примеры размеров канавок 120. Размеры выражены в процентах к диаметру корпуса снаряда и таким образом применимы к любому снаряду. На фиг.11А и 11В показан снаряд типа конус-конус с канавками 120, имеющими глубину от поверхности снаряда в направлении продольной оси 3,5% от диаметра корпуса. На фиг.12А и 12В показан снаряд типа конус-цилиндр, где глубина канавок составляет 5,7% от диаметра корпуса для конфигурации конус-цилиндр. Как для конфигурации конус-конус, так и конфигурации конус-цилиндр длина секции торможения вращения составляет 133% диаметра корпуса.

Глубина канавки в 5,7% от диаметра корпуса для конфигурации конус-цилиндр обеспечивает в четыре раза большее торможение вращения, чем глубина канавок в 3,7% от диаметра корпуса для конфигурации конус-конус.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения используются заглубленные канавки 120, имеющие плоскую вертикальную поверхность, проходящую наружу в направлении от продольной оси. Такая конфигурация увеличивает эффективную площадь поверхности складок 120. Складки имеют отношение длины к высоте 15:1. Вольфрамовый цилиндр в качестве средней части 110 позволяет подгонять гироскопическую устойчивость для обеспечения перехода и сокращения длительности полета независимо от температуры окружающего воздуха. Точка перехода не зависит от температуры на срезе ствола при ее изменении от +150 до -60^oС при применении вольфрамового цилиндра. Канавки 120 или плоские срезы 220 могут быть отлиты в вольфрамовом цилиндре или вырезаны в вольфрамовом цилиндре.

Хотя был подробно описан предпочтительный вариант выполнения данного изобретения, для специалистов в данной области техники очевидны модификации и адаптации без выхода за объем данного изобретения, представленного в формуле изобретения.