Расчет прибора малошумной стрельбы

Использование стандартного (штатного) оружия в бесшумном варианте создает большие преимущества для производства и снабжения. В этом случае существенно снижается себестоимость бесшумного комплекса, а оружие может эксплуатироваться как с «глушителем» звука выстрела, так и без «глушителя».

Дульные «глушители» звука выстрела представляют собой ряд последовательных проточных камер относительно больших размеров, не предназначенных для сброса пороховых газов через боковые поверхности. Аналогичные устройства в элементах пневмоавтоматики называются дросселями.

В проточных камерах существенно снижаются давление, температура и скорость пороховых газов, истекающих из канала ствола, в результате чего уменьшается шумообразование на выходе из «глушителя». Кроме того, одновременно с изменением указанных термодинамических характеристик уменьшается и давление в дульной ударной волне, если она смогла возникнуть при истечении газов в первую камеру.

Теория газовых дросселей различного типа достаточно полно развита в работах, посвященных выбору параметров пневмоавтоматики. Однако в работах рассматривается газовый поток с постоянно, температурой газов, что позволяет существенно упростить окончательные уравнения, определяющие состояние газа на выходе из дросселя.

Случай течения порохового газа через проточные камеры рассмотрен в работе Б. В. Орлова. Использование данной методики расчета для случая течения газа через «глушители» звука выстрела приводит к большим погрешностям (более чем в 2 раза). Кроме того, давление в последующих камерах «глушителя» является Функцией отношения перепадов площадей дросселя, а длина проточной камеры в уравнения не входит. Таким образом, сложность газодинамических процессов, происходящих при выстреле в период течения порохового газа через «глушитель», не позволяет использовать существующие методы для выбора параметров «глушителя».

Опытные данные по изменению давления пороховых газов в двух последовательно соединенных проточных камерах приведены на рисунке 2.3. В таблице 2.1 приведены значения максимального давления в проточных камерах в сечениях, отмеченных индексами 1 и 2 на схеме рисунка 2.3.

Таблица 2.1-Максимальное давление в двух проточных камерах при переменной длине второй камеры, кгс/см2

Р, кгс/см²

t, 10^-3 с.

Рисунок 2.3 — Изменение давления пороховых газов в двух проточных камерах (опытные данные)

Из данных рисунка 2.3 и таблицы 2.1 видно, что в последовательных проточных камерах протекает сложный процесс, и определение давления газов на выходе требует учета противодавления в последующей камере.

При большом числе проточных камер давление в последних камерах может увеличиваться. Задача проектирования «глушителя» звука выстрела должна сводиться к нахождению такой конструкции, чтобы на выходе из нее давление пороховых газов было минимальным, так как от давления на выходе зависит и громкость выстрела.

Таким образом, число камер «глушителя» должно определяться и с учетом распределения давления в его камерах, г. е. на выходе из «глушителя» давление должно быть минимально возможным.

Для каждого конкретного решения существует вполне определенное число камер «глушителя», обеспечивающее наибольшее заглушение звука выстрела. При этом предполагается, что камеры «глушителя» имеют рациональные параметры.

Теории расчета дульных «глушителей» применительно к заглушению дульной ударной волны в настоящее время нет. Наиболее полно теория расчета «глушителей» разработана применительно к явлению заглушения аэродинамических шумов: шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания и компрессоров, вентиляционных шумов и т. п. Данная теория основывается на волновых процессах, происходящих в элементах глушителя (фильтрах) при прохождении через ячейки глушителя акустической волны, имеющей определенный спектр, в связи с чем, она называется теорией акустических фильтров.

Проанализировав, приходим к выводу, что использование акустической теории расчета глушителей шума выхлопа двигателей внутреннего сгорания для расчета и проектирования «глушителей» звука выстрела невозможно по следующим соображениям: акустическая теория фильтров (глушителей) разработана применительно к прохождению через глушитель звукамалой амплитуды и учитывает линейные процессы, происходящие в элементах фильтра. Звук выстрела, имеющий высокое избыточное давление, в ближнем звуковом поле является ударной волной, поэтому процесс возникновения и распространения звука выстрела относится к области нелинейной акустики; акустическая теория дает относительную величину заглушения звука на вполне определенной частоте.

Тактико-технические требования (ТТТ) на бесшумное оружие оговаривают только величину максимального избыточного давления. Для выбора рациональных параметров бесшумного оружия («глушителя», патрона и др.) необходим метод расчета, связывающий внутрибаллистические характеристики и параметры «глушителя» с величиной максимального избыточного давления.

Обширными субъективными экспериментами (прослушиванием звука выстрела) и записью величины максимального избыточного давления установлено, что слышимость звука выстрела при стрельбе с «глушителями» определяется только величиной максимального избыточного давления, т. е. «глушитель» звука может характеризоваться одним параметром — степенью уменьшения максимального избыточного давления. Однако, если максимальное избыточное давление при стрельбе с «глушителем» мало (меньше 1 г/см²), то слышимость звука выстрела определяется не только амплитудой звуковой волны, но и частотой излучаемого звука. Это должно учитываться при экспериментальной отработке высокоэффективных «глушителей» звука выстрела.

В практике проектирования «глушителей» звука выстрела учитывают только максимальное избыточное давление. Следовательно, задача проектирования (расчета) «глушителей» может считаться выполненной, если найдены зависимости, определяющие величину максимального избыточного давления в зависимости от внутренней баллистики используемого оружия и параметров «глушителя».

Звук выстрела зависит от давления пороховых газов на выходе из камеры «глушителя», что требует учета течения пороховых газов по различным лабиринтным уплотнениям. Большие экспериментальные исследования показывают, что течение турбулентной струи в камере не подчиняется закономерностям свободного течения при относительном диаметре камеры D вн / dО < 10 (рисунок 2.4). При данном соотношении истекающая струя начинает или касаться стенок камеры, или испытывает некоторое противодавление со стороны эжектируемого внутреннего потока, циркулирующего между границей истекающей струи и стенками камеры.

Рисунок 2.4 — Схема камеры глушителя.

Поэтому при определении сопротивлений лабиринтных уплотнений Г. Н. Абрамовичем рассматривалась ограниченная струя, состоящая из ядра первоначальной массы и присоединенных масс циркулирующих потоков. В дальнейшем мы используем модель Г. Н. Абрамовича для определения рациональных параметров «глушителя» звука выстрела, так как указанная модель позволяет с некоторой степенью точности выявить влияние различных параметров на затухание струи в лабиринтном уплотнении.

В камерах «глушителя» наблюдается дозвуковое течение, за исключением первой камеры. Однако опытные стрельбы по определению коэффициента потерь скорости в закрытой камере указывают на полную возможность использования теории турбулентных струй для случая определения потерь скорости в струе при расчетах дульных тормозов и, тем более, «глушителей» звука выстрела, так как погрешность определения коэффициента потерь скорости в камере не превышает 4%.

Таким образом, для расчета потерь энергии пороховых газов в камере «глушителя» воспользуемся теорией турбулентных струй, которая разработана Г. Н. Абрамовичем.

Оптимальное число камер «глушителя» определяется требуемой степенью заглушения звука выстрела, чем больше число камер с рациональными параметрами, тем выше эффективность «глушителя». На практике необходимо рассчитать число камер «глушителя» при определенной его длине. Таким образом, максимальная эффективность «глушителя» при определенной его длине наблюдается также в том случае, если камеры «глушителя» имеют рациональные параметры. Анализ местных потерь энергии в струе пороховых газов показывает, что суммарный коэффициент сопротивления камеры «глушителя» можно увеличить только за счет изменения входа потока в центральный канал, так как местное сопротивление при внезапном расширении потока является максимальным. Коэффициент смягчения входа имеет максимальное значение 0,5 для различных конструктивно приемлемых (для «глушителя» звука выстрела) входов, за исключением входа в канал с выдвинутой кромкой и наклонного входа в канал.

Камера с выдвинутой входной кромкой обеспечивает существенное увеличение потерь энергии от сжатия струи. Однако увеличение длины патрубка должно происходить не за счет уменьшения длины камеры, а за счет увеличения общей длины камеры, что также является невыгодным, так как потери энергии от внезапного расширения больше, чем потери от «плоского» течения в патрубке равноценной длины.

Увеличение коэффициента смягчения входа может быть достигнуто за счет применения наклонного входа струи пороховых газов в очередную диафрагму камеры. Однако в «глушителе» звука выстрела центральный канал, служащий для пролета пули, выполняется строго симметрично оси канала ствола. Для обеспечения наклонного входа газов в очередной канал диафрагмы возможно отклонение всей струи пороховых газов от оси глушителя за счет косого среза выходного отверстия. Теоретические основы отклонения струи пороховых газов при истечении через кососрезанные насадки достаточно подробно разработаны Б. В. Орловым.

При проектировании новых видов бесшумного оружия, часто используют камеры сброса пороховых газов, которые представляют собой некоторый замкнутый объем вокруг ствола, сообщающийся с каналом ствола рядом отверстий. Находящиеся в объеме камеры сетчатые рулоны из различных материалов (меди, бронзы, алюминия и др.) или перфорированные трубки дросселируют проходящие через них газы.

Уменьшение максимального избыточного давления в дульной волне при использовании таких камер объясняется тем, что. часть пороховых газов в данном случае не участвует в создании дульной волны, а истекает в камеру сброса.

Для упрощенного конструктивного варианта камеры сброса можно определить давление как функцию времени. Однако остается неизвестен момент образования ударной волны, т. е. время. Кроме того, реальные конструкции камер сброса включают в себя сетчатые рулоны из теплопроводного материала, что требует учета тепловых потерь в камере сброса, т. е. опытного определения коэффициента теплопередачи от пороховых газов к материалу рулона. Учет камеры сброса при расчете, дульных «глушителей» целесообразно проводить путем опытного определения фиктивного коэффициента потерь энергии в камере сброса по аналогии с «глушителем».

При стрельбе может быть использован дульный глушитель звука выстрела или комбинированный глушитель звука выстрела, т. е. дульный глушитель со ствольной камерой сброса пороховых газов.

Использование только дульного глушителя звука имеет ряд преимуществ в производственном отношении, но служебные характеристики такого оружия несколько ухудшаются.

Рассмотренный метод расчета позволяет теоретическим путем определить основные параметры глушителя звука выстрела, предназначенного для использования на определенном оружии (стандартном, модернизированном для бесшумной стрельбы или специальном). Акустическая теория, как показано выше, не позволяла выбирать необходимые параметры глушителя, удовлетворяющего основным требованиям на данный вид оружия.

При проектировании высокоэффективных глушителей звука выстрела, имеющего оптимальные параметры по весу, габаритам и заглушению, необходимо учитывать: проникание ударных волн конечной амплитуды через кожух глушителя; вынужденные вибрации кожуха глушителя от внезапного приложения сил давления пороховых газов и ударной волны. Указанные факторы увеличивают на 3−8% максимальное избыточное давление.

Последовательно рассчитаем все необходимые параметры проектируемого прибора малошумной стрельбы.

Исходя из конструктивных соображений, задаем значения внутреннего диаметра (Dвн) и длины (L) проектируемого «глушителя».

L = 400 мм. Dвн = 200 мм.

Определяем «остаточную» энергию Е₀ по формуле.

где: q — вес мины, кг;

V₀— начальная скорость мины, м/с;

g — ускорение свободного падения, :

w — вес максимального порохового заряда, кг;

f = 85 000 — сила пороха:

k = 1,22 — коэффициент фиктивности.

По таблице или графику определяем необходимую энергию Е₀₁ создающую звуковое давление, оговоренное тактико-техническим заданием, т. е. по p определяем Е_ог. Е_ог= 6,89.

Определяем диаметр центрального канала глушителя.

d₀1 = d + б'- L = 82 + 0,016 * 400 = 88,4 мм, где d. — калибр, мм;

б'= 0,011 — 0,016 — опытный коэффициент, выбираемый из условия нормального полета мины через «глушитель»;

L — ожидаемая (заданная) длина «глушителя», мм.

Для обеспечения больших потерь в глушителе диаметр центрального отверстия в каждой диафрагме камеры может быть переменным, равномерно увеличивающимся к выходному отверстию.

Определяем длину камеры:

1 = (0,6 0,8) * (Dвн — d₀₁) = 0,7*111,6 = 78,12 мм, где Dвн — внутренний диаметр глушителя, мм.

В практике конструирования глушителей звука выстрела все камеры принимают одинаковыми.

Рассчитываем относительные потери в денной камере:

где ж = 0,5 — коэффициент смягчения входа, зависящий от входной кромки узкого канала;

а = 0,0016 0,12 — коэффициент структуры струи, зависящий от характера распределения скорости в поперечном сечении струи (для случая порохового газа, а = 0,08 0,09);

R₀ = 37,2 — начальный радиус струи, мм;

1 — расстояние от начала рассматриваемого участка (длина камеры), мм.

Определяем необходимое число камер по формуле:

Полученное значение округляем до ближайшего целого числа и получаем число камер «глушителя» n= 5.

Экспериментальными исследованиями выбранные параметры могут быть уточнены.

Длина разрабатываемого прибора малошумной стрельбы, исходя из полученного числа камер, будет равна:

L = 1 * n = 78,12 * 5 = 390,6 мм, Необходимо учесть толщину стенок «глушителя» и элементы крепления к стволу миномета и предохранителю от двойного заряжания.

Мы имеем внутренний диаметр «глушителя» Dвн = 200 мм, тогда согласно второй теории прочности наружный диаметр будет находиться по формуле:

.

где — предел упругости для стали 60, МПа;

Р' — среднее давление пороховых газов в «глушителе».

Следовательно, толщина стенки глушителя с учетом запаса прочности:

Таким образом, рассчитанный в данном вопросе прибор малошумной стрельбы имеет следующие конструктивные характеристики и параметры:

• — длина L = 390, мм;
• — внутренний диаметр Dвн = 200 мм;
• — наружный диаметр Dн = 212 мм;
• — толщина стенок и диафрагм ДR = 6 мм;
• — длина каждой камеры 1 = 78,12 мм;
• — диаметр центрального канала глушителя d₀₁ = 88,4 мм;
• — число камер 5;
• — материал Сталь 60.

Принцип действия «глушителя» звука выстрела данной конструкции показан на рисунке 2.5.

• 4
• 3

Рисунок 2.5 — Принцип действия многокамерного «глушителя» расширительного типа: Р — давление на входе, Рв — давление на выходе, 1−5 — камеры

Выводы

• 1 Применение прибора малошумной стрельбы значительно увеличит живучесть миномета и эффективность его применения.
• 2 Большое разнообразие видов конструкций «глушителей» подтверждает огромный интерес людей к данным приборам.
• 3 Отсутствие в настоящее время четкой теории расчета дульных «глушителей» применительно к заглушению дульной ударной волны значительно затрудняет получение числовых значений.
• 4 Важное значение имеет уточнение полученных результатов расчета экспериментальными исследованиями.