Экспериментальное моделирование процессов разделения реактивных снарядов залпового огня

Основные задачи и направления моделирования рабочих процессов разделяющихся снарядов

Разработка разделяющихся реактивных снарядов, обеспечивающих отделение головной части от пассивных элементов двигателя или осуществляющих выброс боевых элементов в заданной точке траектории, неразрывно связана с проведением экспериментальных работ, направленных на исследование закономерностей и отработку надежно функционирующих узлов разделения. При этом для более полной идентификации параметров исследуемого процесса необходимо моделирование реальных условий отработки механизмов отделения ГЧ от двигателя, разделения ГЧ и выброса боевых элементов.

Как правило, цель различных способов и видов моделирования сводится к изучению реального объекта за счет применения некоего искусственного или естественного объекта (модели), обладающего объективным соответствием с оригиналом. Это обеспечивает возможность замещения оригинала на некоторых этапах исследования и получения необходимых сведений об изучаемом объекте в результате проведенного на модели эксперимента [38].

С функциональной точки зрения при рассматриваемой постановке задачи экспериментальная модель может представлять из себя неполную копию объекта, содержащую модели (макеты) головной части, ракетной части и механизмов разделения, обеспечивающих в конечном итоге вскрытие ГЧ на траектории. Учитывая, что модель должна достаточно хорошо отражать изучаемый объект только в отношении тех явлений, или входящих в эти явления процессов, которые существенны в данном исследовании, в испытуемом объекте на практике используются, как правило, макеты РЧ и ГЧ, снабженные реальными механизмами отделения ГЧ от двигателя, разделения головной части и вскрытия кассеты с БЭ. Это обусловлено трудностями физического моделирования процесса разделения PC, характеризующегося:

• • переносом пороховых элементов (источников энергии) по всем газодинамически связанным рабочим полостям, где и происходит их догорание;
• • эффективным отбором тепла от продуктов сгорания заряда к стенкам элементов конструкции в условиях резкой нестационарности процесса, продолжающегося 0,01—0,1 с, и существования сложной и развитой поверхности обогрева;
• • сложностью движения разделяемых элементов PC под действием механизмов разброса и набегающего потока воздуха. Таким образом, применение реальной конструкции узлов, обеспечивающих отделение ГЧ от РЧ, вскрытие ГЧ и разброс БЭ на траектории позволяет конкретизировать требования к модели-объекту и сводит их к такому выбору моделей ГЧ и РЧ и условий их взаимодействия, при которых обеспечивается соответствие основных баллистических характеристик в статических и динамических условиях.

Учитывая сложность, а в некоторых случаях и недостаточную точность теоретических оценок характеристик указанных выше процессов, в настоящее время разработан ряд экспериментальных способов, испытательных стендов и измерительных комплексов, позволяющих в той или иной степени анализировать закономерности исследуемого процесса.

Экспериментальные исследования в условиях полета требуют больших материальных затрат, связанных как с созданием дорогостоящего оборудования, так и с использованием специальных натурных образцов PC, оснащенных бортовой радиотелеметрической аппаратурой (БРТА). Кроме того, разрешающие возможности существующей БРТА, используемой для данного типа боеприпасов, ограничены по частоте пропускания переменных сигналов, что не позволяет, например, определить динамические параметры кратковременных процессов, характерных для процесса разделения PC. Использование же для решения этой задачи других измерительных средств (оптических, радиолокационных) также малоэффективно в связи с низкой разрешающей способностью оптических средств и случайным характером точек вскрытия ГЧ. Одновременно, помимо значительных материальных и временных затрат, летные испытания не обладают достаточной информативностью и при небольшом количестве экспериментов не позволяют с достаточной степенью надежности дать заключение о работоспособности, преимуществах и недостатках отрабатываемой конструкции.

В этих условиях возрастает роль теоретического и физического моделирования процессов вскрытия КГЧ при максимальном учете различных факторов, влияющих на функционирование разделяемых объектов. Разработка достаточно точных и физически корректных подходов к моделированию рабочих процессов в КГЧ в сочетании с широкими возможностями вычислительной техники позволяет получить теоретические результаты, учитывающие основные факторы, влияющие на протекание процесса разделения.

Поэтому для анализа внутрикамерного процесса, оценки достоверности результатов теоретического исследования и проверки работоспособности PC в процессе разделения используются методы экспериментальной отработки изделий в статических или динамических условиях, включающие в основном лабораторные исследования, стендовую отработку и динамические испытания разрабатываемого изделия. Это позволяет сократить количество дорогостоящих полетных испытаний и тем самым уменьшить временные и материальные затраты на разработку новых образцов вооружения и военной техники.

Для иллюстрации основных направлений и задач отработки разделяющихся реактивных снарядов систем залпового огня представлена табл. 10.1, которая определяет объем полунатурного моделирования основных процессов функционирования разрабатываемого образца до проведения летных испытаний.

Известен ряд теоретических и экспериментальных разработок, направленных на решение актуальных вопросов отработки различных образцов военной техники [58]—[176]. В работе [58] предпринята попытка систематизации установившихся на соответствующий момент методов аэромеханических измерений, разрозненно изложенных главным.

Таблица 10.1

Основные задачи экспериментальной отработки РРС с механизмами отделения, вскрытия и разброса БЭ.

образом в периодической литературе. Даны описания различных установок для аэромеханических исследований, способов, приборов и аппаратуры для измерения параметров потока при различных скоростях движения.

В работе [113] рассматриваются теоретические, методические и инженерные вопросы экспериментальной отработки конструкции ракетных двигателей на твердом топливе при лабораторных испытаниях элементов конструкции, при исследовании процессов в камерах сгорания и сопловых блоках, а также при огневых стендовых испытаниях натурных образцов РДТТ.

В справочнике [206] изложены основные принципы испытаний теплозащитных и эрозионностойких материалов в сверхзвуковых потоках. Приведены схемы и методы расчета установок для тепловых испытаний. Даны приближенные соотношения и результаты числовых расчетов уравнений, описывающих газодинамику, теплообмен и взаимодействие потоков с обтекаемой поверхностью. Представлены критерии подобия, необходимые для обработки экспериментальных данных и переноса полученных закономерностей на натурные условия. Одновременно, на основе принципов теплотехнического эксперимента сделана попытка систематизированного изложения методов газодинамических испытаний тепловой защиты, основных особенностей рабочих процессов в различных испытательных установках и расчетных оценок, используемых как для определения основных параметров и выбора необходимых экспериментальных средств, так и для обработки и обобщения результатов стендовых испытаний.

Книга [176] посвящена разработке численных, теоретических и экспериментальных методов, алгоритмов и методик определения структуры течений, аэродинамических и баллистических характеристик осесимметричных тел. Изложены результаты исследований по разработке и практическому применению таких методов для решения сверхзвуковых, трансзвуковых и дозвуковых задач при осесимметричном и пространственном обтекании воздухом осесимметричных тел, в том числе и тел, имеющих оперение.

Известны публикации, посвященные научным исследованиям и разработкам конструкций установок, предназначенных для решения задач проектирования и опытной отработки различных боеприпасов в стендовых условиях. В них рассматриваются результаты экспериментальных исследований начальных параметров разлета боевых элементов КАС в точке вскрытия. Для анализа процесса вскрытия кассетных артиллерийских снарядов и формирования начальных возмущений БЭ вскрытие боеприпаса осуществляется в специальной мишенной обстановке, позволяющей за счет применения скоростной фоторегистрирующей аппаратуры определять скорость, углы разлета и угловые возмущения БЭ. Такой подход к экспериментальному исследованию процесса вскрытия имеет несомненную ценность для отработки малогабаритных боеприпасов, имеющих небольшое количество БЭ в ГЧ. Однако практическая реализация такого метода при наличии большого количества боевых элементов в кассете или корпусе (например, 30 штук или 72 штуки) является трудновыполнимой задачей из-за сложности идентификации БЭ на фотоснимках при большом скоплении их в мишенной обстановке.

Метод исследования функционирования кассетных боевых частей в процессе распаковки и разлета боевых элементов базируется на проведении экспериментов с интерферометрической или тепловой регистрацией картины обтекания моделей ГЧ на аэробаллистическом стенде. При этом тепловые снимки позволяют уточнить физическую картину поля течений, а по интерферограммам определяют газодинамические параметры потока, по которым затем рассчитывают траектории движения БЭ. Аэробаллистический стенд позволяет решить поставленную задачу, однако требует наличия вакуумированной баллистической трассы, применения метательных установок (ВЯ-23, ППН-110, Т-29), обеспечивающих скорость метания аэродинамических моделей от 200 м/с до 3500 м/с, и комплекс измерительно-регистрирующей аппаратуры с системой управления.

Известны конструктивные схемы устройств для метания кассетных элементов с использованием оболочек, надуваемых продуктами сгорания порохового заряда газогенератора. Математическое моделирование процесса метания и результаты испытаний метательного устройства позволяют сделать вывод о том, что в рассматриваемом случае может быть реализована радиальная скорость разлета БЭ до 300 м/с. При этом уровень перегрузок, действующих на элементы в процессе метания, составляет от 250 до 600 ед., что является приемлемым для боевых элементов, используемых в КГЧ для систем залпового огня.

Известен также ряд работ по экспериментальной отработке боеприпасов в условиях ракетного трека. Рассмотрены результаты экспериментальной отработки на треке РТ 1000 процесса принудительного разворота тросом «жесткой», статически устойчивой кассеты, имеющей значительные массу и момент инерции. Этот специфичный процесс реализуется после того, как под действием аэродинамических сил кассета выйдет из корпуса и относительное расстояние между ними станет равным длине троса. В результате создается некоторый гарантированный угол атаки кассеты, при котором происходит «вымывание» потоком БЭ из посадочных гнезд.

Опубликованы также некоторые результаты экспериментальных исследований процесса разгона тяжелого ракетного поезда. В ходе эксперимента был проведен ряд пусков, подтверждающих возможность разгона ракетным поездом со стартовой массой 7800 кг грузовой каретки с макетом (общая масса более 2000 кг) до скоростей около 530 м/с. Макет изделия, ракетный поезд и рельсовый путь трека выдерживают рабочие нагрузки, возникающие в ходе испытаний.

В статье [18] излагаются результаты аэробаллистических испытаний объекта испытаний (ОИ) на ракетном треке. В основных чертах постановка этих испытаний сводится к разгону изделия до заданной скорости, катапультированию его в свободный полет и отделению ОИ с требуемыми начальными условиями движения. Далее, в свободном полете на баллистической трассе, с помощью бортовой радиометрической системы измеряются динамические и кинематические параметры движения ОИ. Это обеспечивает решение практических задач по баллистической и аэродинамической отработке различных образцов военной техники.

Проведенный выше анализ говорит о том, что к настоящему времени накоплен обширный опытно-теоретический материал по экспериментальной отработке артиллерийской и ракетной техники. Большая часть разработанных методов и методик могут использоваться стандартным образом в указанных диапазонах параметров для определения и отработки рациональных баллистических и аэродинамических характеристик. Поэтому основная задача исследователя сводится к обоснованию выбора методов и режимов испытаний таким образом, чтобы при минимальных затратах времени и средств получить наиболее достоверную информацию о функционировании испытуемого объекта. При этом должны быть учтены основные характерные особенности, нестандартность, а иногда и уникальность поведения исследуемого процесса, что в конечном итоге требует разработки новых, более совершенных методов экспериментальной отработки разрабатываемого образца в статических и динамических условиях.