Газодинамические методы ускорения тел. Легкогазовые пушки

2. Легкогазовые  баллистические установки. 

Одним из самых  распространённых типов метательных  устройств (можно предполагать, около  половины действующих ускорителей ) являются легкогазовые баллистические установки (ЛГУ), близкие по принципу действия к обычным артиллерийским системам. В настоящее время существует большое число действующих ЛГУ, описание конструкций различных легкогазовых установок можно найти во многих обзорах. Наряду с метательными системами, использующими энергию детонации ВВ, ЛГУ являются одними из наиболее конкурентоспособных разгонных устройств.

А.Общие сведения

Изобретение предназначено  для использования преимущественно  при постановке экспериментальных исследований высоко-скоростного соударения твердых тел. Изобретение позволяет обеспечить более равномерное нагружение камеры сжатия и метаемого объекта при заданных ограничениях его несущей способности и несущей способности камеры сжатия. Сущность изобретения заключается в разделении камеры сжатия легкогазовой пушки на отсеки посредством дополнительных поршней. По оси каждого поршня выполнен сквозной ступенчатый канал, перекрытый диафрагмой. Диафрагма закреплена в месте выполнения ступени с возможностью открытия в сторону баллистического ствола.

Патентообладателем  на ЛГУ является Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство Российской Федерации по атомной энергии.

Изобретение относится  к ствольным метательным системам. Преимущественная область применения - экспериментальные исследования высокоскоростного соударения твердых тел. 
Известны легкогазовые пушки, в которых разгон метаемого объекта осуществляется с помощью сжатого и разогретого импульсом электрического тока гелия или водорода. Недостатком таких легкогазовых пушек является сложность конструкции, необходимость использования дорогостоящих и громоздких импульсных источников электрического тока. 
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является двухступенчатая легкогазовая пушка. Названная пушка содержит зарядную камеру с пороховым зарядом, цилиндрическую камеру сжатия, заканчивающуюся коническим переходником, заполненную легким газом (водородом или гелием), баллистический ствол, поршень, отделяющий зарядную камеру от камеры сжатия, и диафрагму, отделяющую камеру сжатия от баллистического ствола. В начале баллистического ствола, непосредственно перед диафрагмой размещается метаемый объект. 
Выстрел из двухступенчатой легкогазовой пушки осуществляется следующим образом. 
При поджигании порохового заряда продукты сгорания разгоняют поршень, который сжимает легкий газ. При достижении определенного давления легкого газа в камере сжатия диафрагма разрушается, и легкий газ, устремляясь в баллистический ствол, разгоняет метаемый объект. 
Недостатком двухступенчатой легкогазовой пушки, рассматриваемой в качестве прототипа, является существенная нестационарность нагрузок, действующих на камеру сжатия и метаемый объект в процессе выстрела. 
Решаемой технической задачей является повышение равномерности нагружения камеры сжатия и метаемого объекта. Технический результат: увеличение скорости разгона метаемого объекта при заданных ограничениях нагрузок, воспринимаемых камерой сжатия и метаемым объектом. 
Техническая задача решается легкогазовой пушкой, содержащей зарядную камеру с пороховым зарядом, цилиндро-коническую камеру сжатия, заполненную легким газом, баллистический ствол, поршень, отделяющий камеру сжатия от зарядной камеры, и диафрагму, отделяющую камеру сжатия от баллистического ствола, за счет разделения камеры сжатия на отсеки дополнительными поршнями, в каждом из которых выполнен сквозной ступенчатый канал, перекрытый диафрагмой. При этом диафрагмы закреплены в местах выполнения ступеней с возможностью открытия в сторону баллистического ствола. 
Сопоставительный анализ предлагаемого решения и прототипа показывает, что заявляемая легкогазовая пушка отличается совокупностью новых конструктивных признаков: 
камера сжатия разделена на отсеки дополнительными поршнями; 
в дополнительных поршнях выполнены сквозные каналы; 
сквозные каналы выполнены по оси поршней; 
сквозные каналы в дополнительных поршнях имеют ступенчатую форму; 
каналы в дополнительных поршнях перекрыты диафрагмами; 
диафрагмы установлены в местах выполнения ступеней; 
диафрагмы дополнительных поршней установлены с возможностью открытия в сторону баллистического ствола. 
Разделение камеры сжатия на отсеки дополнительными поршнями позволяет управлять подводом энергии сжатого газа к метаемому объекту. 
Выполнение сквозных каналов в дополнительных поршнях обеспечивает возможность перетока легкого газа в процессе выстрела из одного отсека камеры сжатия в другой. 
Выполнение сквозных каналов по осям дополнительных поршней обеспечивает наиболее благоприятное для функционирования названных поршней осесимметричное нагружение при движении их в камере сжатия. 
Наличие ступеней в каналах дополнительных поршней обеспечивает возможность выполнения диафрагмами их функций. 
Наличие диафрагм, перекрывающих каналы в дополнительных поршнях, дает возможность организации перетока легкого газа из одного отсека камеры сжатия в другой в требуемые моменты времени. 
Установка диафрагм в местах выполнения ступеней в каналах дополнительных поршней позволяет открывать диафрагмы только в заранее определенную сторону (в сторону большего диаметра канала). 
Установка диафрагм в дополнительных поршнях с возможностью открытия их в сторону баллистического ствола обеспечивает возможность последовательного перетока легкого газа из отсеков камеры сжатия в баллистический ствол пушки.

Работа легкогазовой пушки осуществляется следующим  образом. 
Перед выстрелом, в камеры сжатия легкогазовой пушки с установленными в зарядной камере пороховым зарядом и в баллистическом стволе метаемым объектом заполняются легким газом. После достижения требуемого давления легкого газа в отсеках камеры сжатия производится инициирование порохового заряда. Образующиеся при этом пороховые газы разгоняют основной поршень, который, сжимая находящийся перед ним легкий газ, последовательно начинает разгонять первый и второй дополнительные поршни. После достижения заданной величины давления между основной диафрагмой и дополнительной диафрагмой, установленной в дополнительном поршне, основная диафрагма раскрывается, и легкий газ, находящийся между диафрагмами, устремляется в баллистический ствол  и начинает разгонять метаемый объект. При этом основной и дополнительные поршни продолжают перемещаться вперед. Вследствие перемещения метаемого объекта по баллистическому стволу давление легкого газа перед дополнительной диафрагмой падает, и после достижения заданной величины разности давлений на заднюю и переднюю поверхности этой диафрагмы она раскрывается. В результате этого легкий газ, находящийся между дополнительными диафрагмами, также устремляется в баллистический ствол и сообщает добавочный импульс метаемому объекту. При этом дополнительный поршень останавливается у конического переходника камеры сжатия, а дополнительный и основной поршни продолжают двигаться вперед. Дальнейшее перемещение метаемого объекта в баллистическом стволе приводит к снижению величины давления легкого газа перед дополнительной диафрагмой. После достижения заданной величины разности давлений на заднюю и переднюю поверхности дополнительной диафрагмы она также раскрывается и легкий газ, находящийся между основным поршнем и дополнительной диафрагмой, через канал в дополнительном поршне попадает в баллистический ствол и дополнительно подгоняет метаемый объект. Благодаря такому многократному "впрыскиванию" легкого газа в баллистический ствол обеспечивается повышение скорости разгона метаемого объекта без увеличения давления, действующего на стенки камеры сжатия и на метаемый объект. 
После вытеснения легкого газа из пространства между дополнительными поршнями  и  в баллистический ствол поршень  останавливается. Затем также останавливается основной поршень.

Б. Газодинамический подход к баллистике.

Газодинамический  подход к описанию внутренней баллистики метательных систем имеет достаточно давнюю историю. В 1793 г. Лагранж по поручению Конвента первым рассмотрел вошедшую в литературу под его именем задачу о движении снаряда в канале орудия под действием пороховых газов; в 1832 г. его исследования были опубликованы Пуассоном. Считая, что порох сгорает мгновенно, Лагранж выписал уравнения движения газа и поршня и из предположения о постоянстве плотности газа в каждый момент времени получил, что скорость газа распределена по линейному закону. В решениях с таким распределением скорости, которые могу т быть реализованы при специальном задании неоднородного начального давления, почти все частицы газа одновременно приходят в движение, в то время как, например, в случае постоянного начального давления газа между метаемым снарядом и дном установки на плоскости (ж, t) возникает система волн разрежения, представление о которой впервые ввёл Гюгонио в 1887 году. Им же было найдено решение в области волны разрежения 1, граничащей с невозмущённой областью 0. Решения в областях 2 и 3 (для показателя адиабаты 7 = 3) были опубликованы Ф. Госсо и Ж. Лиувиллем в 1922 году. Сведя задачу к решению уравнения Эйлера—Пуассона—Дарбу, в том же году А. Ляв и Ф. Пиддак получили в рядах решения в областях 3, 4, 5 для показателя адиабаты, удовлетворяющего соотношению 2т = (7 + 1)/(7 — 1), т, € G N. Для этих же значений 7 решение в области 3 было сведено Ю. А. Созоненко к решению нелинейного обыкновенного дифференциального уравнения, а при 7 = 5/з им получено точное решение этого уравнения в бесселевых функциях. Обзор некоторых классических работ, в которых развивался газодинамический подход к решению баллистической задачи Лагранжа, со ссылками на первоисточники можно найти в. Задачу рассматривали также В. А. Фок, Ф. И. Франкль, К. П. Станюкович, С. А. Чаплыгин (в случае движения с линейным распределением скорости), А. И. Некрасов.

Численно задача Лагранжа изучалась в случаях  однородного начального состояния газа, движения газа в трубе переменного сечения, с учётом противодавления, с использованием специальных уравнений состояния газа. В классе решений с однородной деформацией с случае канала переменного поперечного сечения задача исследовалась в. С помощью замены газа системой частиц с конечным числом степеней свободы задача исследовалась в, с учётом горения пороха и трения поршня рассмотрение работы одноступенчатой установки проводилось, например, при экспериментальных исследованиях внутренней баллистики двухступенчатой поршневой легкогазовой установки Баулиным. Газовая динамика орудий, включая внутреннюю баллистику и процесс распространения газа за дулом, изучалась в одномерной постановке при получении газовых струй большой скорости. Ряд задач об ускорении поршня в трубе, когда в газ вводится некоторое количество энергии, также численно и аналитически изучался.

Хотя для исчерпывающего описания движения поршня и газа необходимо решать полные уравнения движения газа в двумерной нестационарной постановке, во многих случаях с достаточной для приложений точностью можно изучать работу газодинамических установок используя уравнения газовой динамики в квазиодномерном приближении без учёта теплопроводности, о чём говорит сравнение результатов, полученных с помощью точного и приближённого подходов. Например, в двумерной постановке движение газа в трубе переменного сечения рассматривалось в работах, в которых делается вывод о том, что в рассмотренном диапазоне определяющих параметров имеется малое отличие в одномерном и пространственном случаях, а учёт поперечных изменений слабо сказывается на положении и скорости поршня. В одномерной постановке численные и аналитические решения задач о метании поршня в трубе переменного сечения при наличии продольной теплопроводности приводятся в. В рассмотренных примерах снижение скорости модели по сравнению со случаем, когда теплопроводностью пренебрегают, не превышало долей процента, то есть для данного класса задач влиянием теплопроводности на скорость модели, как и в случае артиллерийских систем, можно пренебречь.

Пороховые газы обладают достаточно большим молекулярным весом и относительно малой скоростью расширения, поэтому их использование не позволяет ускорять тела быстрее 2—2,5 км/с. Применение лёгких газов с большой скоростью звука (таких как гелий и водород) дало увеличение скорости метания до 3—4 км/с. Кардинальным шагом было использование двухступенчатых установок, в которых пороховые газы в первой ступени толкали поршень, сжимавший лёгкий газ во второй ступени. Впервые эта схема была предложена в 1940-х годах. Такие установки состоят из двух цилиндрических стволов — поршневого и баллистического, соединённых коническим переходником. При сгорании порохового заряда образующиеся газы толкают поршень, который сжимает лёгкий газ. После раскрытия при заранее заданном давлении диафрагмы, лёгкий газ входит в баллистический ствол и ускоряет метаемое тело. Двухступенчатые установки с тяжёлым недеформируемым поршнем имеют низкую степень сжатия лёгкого газа (около 100) и позволяют ускорять тела до скоростей порядка 4 км/с. Ещё большие скорости достигаются на двухступенчатых ЛГУ с лёгким пластмассовым поршнем (степень сжатия около 1000) за счёт увеличения скорости движения передней границы промежуточного деформируемого поршня во время его входа в коническую часть установки (применение деформируемого поршня и камеры высокого давления конической формы предложено Чартерсом). Кроме того, удобство применения пластмассового поршня состоит ещё и в том, что он не разрушает установку. В настоящее время с помощью ЛГУ возможно ускорение тел массой Ю-1—1 г до скоростей 9—11 км/с и массой около 103 г до скоростей 3—7 км/с.

Легкогазовые  пушки обеспечивают повторяемость, стабильность результатов экспериментов, дают возможность ускорения тел  заданной формы и сравнительно большого веса до достаточно высоких скоростей, легко оснащаются стационарными измерительными комплексами.

Проводился расчёт параметров двухступенчатой легкогазовой установки методами классической внутренней баллистики. Также предлагались приближённые аналитические методики расчёта ЛГУ, основанные на последовательном расчёте параметров отдельных узлов установки и учитывающие нагрев лёгкого газа при многократном прохождении ударных волн через лёгкий газ. Для численных исследований внутренней баллистики двухступенчатых установок широко применяются уравнения газовой динамики в квазиодномерном приближении, дающие хорошее совпадение с экспериментальными данными. Численное исследование разгона тела газом в установке с каналом переменного поперечного сечения в случае подвижной задней стенки проводилось в рамках квазиодномерных уравнений газовой динамики с выделением возникающей ударной волны. Изложение основ теории и практики высокоскоростных экспериментальных легкогазовых устройств и принципов расчёта их конструктивных и баллистических параметров, а также результаты исследования процессов, имеющих место при высокоскоростном движении тел различной формы в газообразных и твёрдых средах, можно найти в монографии. Вопросы применения методов теории подобия к задачам моделирования работы двухступенчатых ЛГУ рассмотрены в, где приведены различные варианты точного и приближённого моделирования метательных установок.

Для повышения  скорости метания в ЛГУ используются различные технические решения, например увеличение числа ступеней, применение нетрадиционных схем, дополнительный нагрев газа и т.д. Например, предлагается трёхступенчатая газовая пушка, предназначенная для изучения ударных явлений при скоростях более 7 км/с. Трёхступенчатые установки, в которых горючее использовалось для движения большого поршня через лёгкий газ (гелий или смесь кислорода и водорода), который в свою очередь приводил в движение меньший поршень, сжимающий гелий, описываются в. На некоторых установках использовался так называемый способ «дульной струи»: несущий метаемое тело поддон деформировался, наталкиваясь на специальную насадку в конце дула, и дополнительно ускорял снаряд, повышая его скорость на 1—2 км/с. В качестве способа увеличения скорости снаряда используется дополнительный разгон тела при помощи реактивных сил. В исследуются схемы легкогазовой пушки с деформируемым поршнем и поршнем, несущим пороховой заряд; приводятся данные об ускорении алюминиевых и нейлоновых шариков диаметром 3 мм до 10,7 км/с. В приводятся результаты теоретического и экспериментального изучения метательных установок с дополнительным твердотопливным зарядом, присоединяемым к тыльной части ускоряемого тела; показана возможность увеличения КПД системы по сравнению с классической схемой без присоединённого заряда.

Повышения скорости метания в ЛГУ можно добиться, предварительно подводя к лёгкому газу дополнительную энергию с использованием тех же методов, которые используются для повышения эффективности ударных труб. Так, использование горючих смесей (например, кислорода, водорода и гелия) и электроимпульсного подогрева газа позволяет повысить скорость метания тел массой Ю-4—10~3 кг в одноступенчатых установках до 5—7 км/с. ЛГУ с предварительным электроподогревом газа описываются в. Кроме того, возможен также подогрев газа в самом процессе выстрела. Численное моделирование ускорения тела в канале с применением электродинамических методов подогрева газа проводится в. В рассмотренном случае за время выстрела конденсаторная батарея не успевает существенно разрядиться и отдать значительную часть энергии газу. Например установка, в которой разгон снаряда достигается путём последовательных электродуговых разрядов, происходящих в расширяющемся лёгком газе непосредственно за снарядом при его движении в пусковом стволе газовой пушки. Хотя в экспериментах зарегистрировано увеличение скорости снаряда на 2,5 км/с, отмечается эрозия ствола и загрязнение рабочего газа примесями с большим молекулярным весом, которые выделяются из электродов и стенок камеры. Кроме того, коэффициент полезного действия (КПД) процесса всё ещё остаётся достаточно низким, так как накопленная электрическая энергия не успевает передаться газу за короткое время. Этот относительно сложный метод позволяет надеяться на полезный эффект для сравнительно несовершенных пушек, но полученные результаты довольно скромны.

Кроме упомянутых выше методов, для предварительного нагрева газа, в дальнейшем используемого  в ЛГУ, можно использовать безударное сжатие газа в специальных установках. Обзор большого числа работ, посвященных математическому описанию и оптимизации процесса безударного сжатия газа, приведён в монографии. Среди методов повышения температуры газа особое место занимает способ, основанный на использовании многокаскадных газодинамических установок, в которых неизоэнтропический нагрев газа осуществляется при многостадийном перепуске газа в вакуумированные объёмы (дросселировании). Описания различных конструкций таких одно- и многокаскадных установок приводятся в работах. С помощью таких систем удаётся повышать температуры и давления газов от 2 до 10 раз по сравнению с их первоначальными значениями и получать плазму с температурой до 8000—12000 К и давлением до 5 • 106—108 Па. Для расчёта и оптимизации работы подобных установок с достаточной для практики точностью обычно применяются выражающие баланс массы и энергии приближённые интегральные соотношения, описывающие квазистатические процессы. Также интересны установки, в которых клапан для перепуска газа (сквозное отверстие) делается непосредственно на подвижном поршне. Например, в описывается баллистическая установка для нагрева газа с двумя свободными поршнями, в одном из которых имеется клапан для перепуска газа. В таких системах возможен нагрев газа до 15000 К, а КПД преобразования энергии толкающего газа во внутреннюю энергию плазмы достигает 80%. Задачи о движении поршня, имеющего отверстия, под действием давления расширяющегося газа рассматривались в. В этих расчётах метаемое тело заменялось двумя поверхностями сильного разрыва, на которых выполнялись законы сохранения. Такая схема одномерной аппроксимации хорошо подтверждается анализом решения соответствующих задач в осесимметричной постановке.