ААВ-учебник

ВЕДЕНИЕ
В.1. Комплекс авиационного вооружения
Комплекс авиационного вооружения (КАВ) – это авиационное
оружие (АО) и совокупность специализированных устройств и систем,
размещенных на летательном аппарате (ЛА), предназначенные для выполнения конкретной боевой задачи.
АО подразделяют на авиационное артиллерийское оружие (ААО:
пушки, пулеметы, гранатометы), и авиационные средства поражения
(АСП: бомбы, ракеты, торпеды и др).
Для размещения АО на ЛА предназначены установки авиационного вооружения (УАВ): авиационные артиллерийские установки
(ААУ), предназначенные для размещения ААО,
и ракетнобомбардировочные установки (РБУ) - для размещения АСП.
Третья составная часть КАВ – авиационная прицельная система
обеспечивает прицеливание при применении АО.
Система управления вооружением (СУВ) обеспечивает подготовку АО к боевому применению, наводку ААО на цель, и формирование
рациональных вариантов применения АО.
В составе КАВ выделяют системы вооружения – совокупность
составных частей АО, УАВ, прицельной системы и СУВ: авиационное
артиллерийское вооружение (ААВ); бомбардировочное вооружение,
ракетное вооружение и др.
ААВ включает артиллерийские боеприпасы, ААО, ААУ, часть
прицельной системы, обеспечивающей прицеливание при применении
ААО, и систему управления наводкой оружия и стрельбой (СУНОС).
В учебнике рассматриваются вопросы, связанные с назначением,
принципами устройства и действия ААО, ААУ и СУНОС.
В2. Роль и место авиационное артиллерийского
вооружения
1.1. Назначение и характерные черты
авиационного артиллерийского оружия
Под термином «авиационное артиллерийское оружие» понимается специально разработанное для установки на ЛА артиллерийское
оружие.
ААО предназначено для поражения воздушных и наземных
(надводных) целей. Современное ААО – это малокалиберное автоматическое оружие. В автоматическом ААО (после его ручного заряжания
боеприпасами) все операции, связанные со стрельбой (включая задержки стрельбы из-за неисправности патронов) выполняются автоматически.
В отличие от других видов авиационных средств поражения (ракеты, бомбы) ААО может применяться независимо от метеоусловий,
независимо от теплового или радиолокационного контраста как по воздушным (высотные, маловысотные), так и по наземным (надводным)
целям.
Специфика боевого применения ЛА формирует определённые
требования к основным характеристикам ААО. Например, малое время,
отводимое ЛА для атаки цели требует наличия ААО с высоким темпом
стрельбы (3000…9000 выстр./мин по ВЦ, 1500…3000 выстр./мин – по
НЦ). Как и всякое авиационное устройство ААО должно иметь минимальные массу и габариты.
ААО на ЛА устанавливается на значительном расстоянии от
стрелка, что требует наличия системы дистанционного управления
наводкой ААО на цель стрельбой. Система управления стрельбой
должна автоматически реализовывать рациональные варианты стрельбы.
Несмотря на отмеченные особенности ААО по принципам
устройства и действия автоматики образцы ААО существенно не отличаются от малокалиберного автоматического оружия ВМФ и Сухопутных войск России. Это обусловлено схожестью решаемых боевых задач
(поражение живой силы, легкобронированной и небронированной техники, малоразмерных целей), а следовательно, близостью предъявляемых тактико-технических требований различных родов войск к малокалиберному артиллерийскому оружию.
Отметим основные достоинства и недостатки ААВ.
ААВ обладает высокой эффективностью действия по большому
типу целей и в этом аспекте выступает как наступательное и оборонительное оружие. Современное ААВ обеспечивает эффективное поражение всех воздушных целей и большинства наземных целей.
ААВ постоянно готово к действию.
ААВ не по подвержено действию помех и всепогодно.
3
ААВ применяется и для решения ряда так называемых вспомогательных задач: постановки пассивных радиолокационных и инфракрасных помех, постановки дымовых ориентиров и др.
ААВ просто в эксплуатации.
Основной недостаток ААВ, относительно небольшая дальность
его боевого применения. Эффективная максимальная дальность
стрельбы по воздушным целя 600…800 м, по наземным – 1000…1200м.
Отметим, что максимальная дальность эффективной стрельбы по ВЦ
ограничивается в основном характеристиками прицельной системы.
Отмеченные положительные свойства ААВ и определили его широкое применение в составе вооружения многих типов ЛА: на многоцелевых тактических самолетах и вертолетах как наступательное; на ракетоносцах-бомбардировщиках и военно-транспортых самолетах как
оборонительное.
В.3. Очерк развития авиационного
артиллерийского вооружения
К современному состоянию ААВ пришло через исторически непродолжительный по времени, но очень интенсивный путь развития.
Кратко и емко осветить все аспекты развитая ААВ является весьма сложной задачей. Но для понимания динамики развития ААВ как
составной части техники отметим следующее. Развитие техники определяется разнообразными и сложными процессами взаимодействия в
человеческом сообществе.
Отметим два положения, определяющим образом влияющих на
развитие техники и оказавших существенное влияние на развитие ААВ.
Первое – познание человечеством свойств и законов окружающей
среды. Второе – социальные процессы в самом человеческом обществе:
взаимоотношение между отдельными группами людей и личностями в
одних и разных группах людей в условиях достигнутого уровня развития производительных сил.
С точки зрения развития техники отметим две особенности социальных процессов в человеческом обществе. Во-1-х, социальные процессы порождают “закрытость” групп и личностей друг от друга и
“свои” пути развития техники. Как следствие стремление узнать “чужие” пути развития техники и все лучшее использовать в своих разработках. Во-2-х, каждая группа людей и каждая личность, как правило,
4
считает правильным только свое мнение и всеми способами обеспечивает главенство “своей правоты”. “Судьей ” здесь выступает диалектика дальнейшего развития техники и способов ее применения.
Появление таких ЛА, как самолеты не могло быть не использовано для военных целей. Прежде всего, самолеты использовались для
разведки и корректировки огня наземной артиллерии. Естественно для
пресечения действий самолетов разведчиков и корректировщиков появились самолеты-истребители. Для их вооружения применялось то
стрелковое оружие, которое имелось на вооружении сухопутных войск.
Сначала оно устанавливалось без переделок, а потом его стали приспосабливать к требованиям авиации. Такая работа проводилась во многих
странах.
В нашей стране первым образцом ААО был пулемет ПВ-1. Его в
1924-1925 гг. разработал А.А. Надашкевич на базе пехотного пулемета
“Максим” (Характеристики всех образцов ААО приведены в таблице
В1).
В 1927-1928 гг. для вооружения ЛА был приспособлен пехотный
пулемет В.А. Дехтярева. Темп его стрельбы был повышен, он был облегчен и поступил на вооружение под маркой ДА (Дехтярев авиационный). Затем появился пулемет ДА-2 как спарка пулеметов ДА.
Первый специализированный авиационный пулемет ШКАС (Б.Г.
Шпитальный, И.А. Комарницкий, авиационный, синхронный). Он использовался как на подвижных, так и на неподвижных ААУ.
С появлением цельнометаллических конструкций ЛА и улучшением их летно-тактических характеристик (ЛТХ) последовало увеличение калибра ААО. В 1936 г. была принята на вооружение 20-мм пушка
ШВАК (В.Г. Шпитальный, С.В. Владимиров, авиационная, крыльевая;
отметим, что пушка ШВАК выпускалась и в синхронном варианте), а в
1939 г. - пулемет УБ (универсальный, М.Е. Березина). Первым серийным самолетом с пушечным вооружением был истребитель И-16П, на
котором были установлены две крыльевые пушки ШВАК и два синхронных пулемета ШКАС.
В 1940 г. на вооружение была принята 23-мм пушка ВЯ (А.А.
Волков, С.А. Ярцев), которая устанавливалась на штурмовике Ил-2.
Таким образом, к началу Великой Отечественной войны на вооружении нашей авиации состоял пулеметы ШКАС и УБ и пушки
ШВАК и ВЯ.
5
В 1941 г. на вооружение была принята 37-мм пушка НС-37 (А.Э.
Нудельман, А.С. Суранов), которая устанавливалась на самолеты Ил-2
и Як-9Т и предназначалась для борьбы с танками.
В ходе ВОВ продолжались работы по совершенствованию ААВ.
В конце 1944 г. на часть самолетов Як-9В устанавливалась 45-мм пушка НС-45 (А.Э. Нудельман, А.С. Суранов). В 1945 г. появились 20-мм
пушка Б-20 М.Е. Березина и 23-мм пушка НС-23.
Пушки Б-20, ВЯ и НС-23 были наиболее совершенными образцами для своего времени и обеспечивали превосходство в эффективности
наших самолетов не только над немецкими, но и над американскими и
английскими самолетами.
В послевоенные годы велись активные работы по совершенствованию ААВ в направлении повышения темпа стрельбы.
В 1946 г. на замену пушке НС-37 принимается 37-мм пушка Н-37
(А.Э. Нудельман). В 1948 г. появилась пушка НР-23 (А.Э. Нудельман,
А.А. Рихтер), явившаяся модернизацией пушки НС-23.
В послевоенные годы на основе научно-исследовательских работ
по совершенствованию ААВ и с учетом уровня развития техники были
определено, что использование ААО для борьбы с танками нецелесообразно, для действия по другим наземным целям, т.е. для вооружения
истребителей-бомбардировщиков оптимальным является калибр ААО,
равный 30 мм, а для оборонительного вооружения бомбардировщиков
оптимальным является ААО калибра 23мм.
С учетом этих рекомендаций к 1952 г. была закончена разработка
двух новых образцов пушек: АМ-23 (Н.М. Афанасьев, Н.Ф. Макаров) –
для подвижных ААУ и НР-30 (А.Э. Нудельман, А.А. Рихтер) - для неподвижных ААУ.
В 1959 г. на вооружение была принята 23-мм пушка Р-23 (А.А.
Рихтер) с барабанной схемой автоматики как оборонительное ААО.
К концу 1950-х годов интерес к ААВ резко падает. Причина этого заключалась в следующем. Большинство военных специалистов считали, что при больших сверхзвуковых скоростях маневренных воздушных боев не будет, а перехват целей на таких скоростях с помощью
ААВ будет маловероятным. Все надежды возлагались на бурно развивающийся вид вооружения – авиационные управляемые ракеты (АУР).
Опыт боевых действий во Вьетнаме (1965-1972 гг.) и на Ближнем
Востоке показал необходимость наличия ААВ на многоцелевых ЛА.
Во-1-х, АУР класса “воздух-воздух” оказались гораздо менее эффективными в воздушных боях, чем ожидалось. Правда следует отметить,
6
что к началу указанных боевых действий АУР, имеющиеся на вооружении, и не предназначались для использования в маневренных воздушных боях. Во-2-х, в ближних маневренных воздушных боях между
реактивными истребителями ААВ оказалось весьма эффективным.
В 1965г. на вооружение принимается 23-мм двуствольная авиационная пушка ГШ-23 (В.П. Грязев, А.Г. Шипунов).
В 1974г. на вооружение принимаются 23-мм шестиствольная
авиационная пушка ГШ-6-23 и 30-мм шестиствольная авиационная
пушка ГШ-6-30А. Позже 23-мм пушка была доработана и получила
наименование ГШ-6-23М.
В 1984г. на вооружение принимаются 30-мм двуствольные авиационные пушки ГШ-30 и ГШ-30К.
С конца 50-х годов на вооружение ВВС начали поступать управляемые ракеты.
В 1984г. на вооружение принята 30-мм одноствольная авиационная пушка ГШ-301.
Для вооружения вертолетов были разработаны два пулемета: в
1968 г. принят на вооружение четырехствольный авиационный пулемет
ГШГ-7,62 (В.П. Грязев, Е.Б. Глаголев,
) калибра 7,62 мм; в 1974 г.
принят на вооружение четырехствольный авиационный пулемет ЯкБ12,7 (П.Г Якушев, Б.А. Борзов) калибра 12, 7 мм.
Динамика развития второго важнейшего компонента ААВ –
авиационных артиллерийских установок определялось как развитием
ААО, так развитием самих ЛА. Отметим, что наиболее динамично развивались подвижные ААУ.
Исходя из степени автоматизации процесса наведения ААО на
цель, эволюцию развития подвижных ААУ условно можно разделить
на три этапа.
Первый этап. Процесс наведения на цель осуществляется исключительно вручную. При этом сам процесс наведения производится в
два приёма. Первый, грубая наводка, т.е. наведение оружия в зону цели.
Второй приём, точное наведение, т.е. прицеливание.
Второй этап. Процесс наведения механизирован. Первый приём,
грубая наводка, осуществляется с помощью электрического или гидравлического силового привода, а второй, как и ранее, вручную.
Третий этап, современный. Весь процесс наведения ААО на цель
автоматизирован. Система управления наводкой оружия с помощью
следящего привода осуществляет быстрое и точное наведение ААО на
7
цель. Стрелок выдаёт целеуказание с помощью визирного устройства
прицельной системы.
В процессе развития было разработано большое количество разнообразных конструктивных схем подвижных ААУ.
Первыми были разработаны турели Тур-4 и Тур-6, на которых
крепился пулемёт с магазинной системой питания.
Принятие на вооружение 7.62-мм пулемёта ШКАС с ленточной
системой питания повлекло модернизацию ААУ. Представителями
конструктивно новой группы турелей стали ААУ типа Тур-8, Тур-9.
Первой ААУ, на которой стрелок был защищен от воздушного
потока, была КЭТ (кормовая экранированная турель).
По мере роста скоростей полета ЛА стало очевидным, что для сокращения времени наводки ААО на цель необходимо использовать
следящего привода.
Поворотным моментом в развитии подвижных ААУ стало появление самолета Ту-4, на котором была система ААВ, обеспечивающая
круговую оборону самолета и вкючающаю две верхних и две нижних
турелей и кормовую подвижную ААУ. На ААУ сначала устанавливалось по два пулемета УБ-12,7, затем по две пушки Б-20Э и позже по две
пушки НС-23. Установки имели электрические следящие приводы, механизмы контурного обвода и прерыватели стрельбы, исключающие
поражение собственных частей самолета. ААВ самолета Ту-4 имела
единую систему управления во главе с командиром огневых установок,
обеспечивающую управление всеми ААУ каждым оператором.
Конструкция подвижные ААУ самолета Ту-4 была положена в
основу разработок аналогичных ААУ для других типов ЛА. Практически шло только совершенствование или изменение отдельных составных частей ААУ.
Так для самолёта Ил-28 была разработана кормовая подвижных
ААУ Ил-К6 с гидравлическим следящим приводом (ГСлПр) под две
пушки НС-23. ГСлПр имеет определенные преимущества по сравнению
с электрическим, и применялись на нескольких типах ААУ, например,
на ДК-20 (дистанционная кормовая), стоявшая на вооружении самолета
Ту-22. Но существенные эксплуатационные недостатки ГСлПр и совершенствование ЭСлПр привели к тому, что наиболее широко на современных ААУ применяются ЭСлПр.
Высокая эффективность действия ААВ по широкому перечню
наземных целей привела к разработке неподвижных и подвижных
съемных ААУ. Характерными из них являются следующие.
8
Неподвижная ААУ типа УПК-23-250 (универсальный пушечный
контейнер) предназначена для применения пушки ГШ-23Л. Боекомплект – 250 патронов.
Неподвижная ААУ типа ГУВ (гондола универсальная вертолетная) имеет два варианта комплектации: ГУВ-I – для применения 12,7мм пулемета ЯкБ-12.7 и двух 7,62-мм пулемета ГШГ-7.62М; ГУВ-II –
для применения 30-мм авиационного гранатомета АГ-17А. Боекомплект: 750 патронов для ЯкБ-12,7; по 1800 патронов к каждому ГШГ7.62М; \300 выстрелов для АГ-17А.
Подвижная ААУ типа СППУ-22 (съемная подвижная пушечная
установка) предназначена для применения пушки ГШ-23. ААО поворачивается только в вертикальной плоскости на угол 300 вниз. Боекомплект – 260 патронов.
Подвижная ААУ типа СППУ-6А предназначена для применения
пушки ГШ-6-23М. Устанавливается на внешних точках подвески самолета Су-24М. Обеспечивает перемещение оружия в плоскости сваливания вниз до 42˚, в плоскости наклона ±46,5˚. Масса установки без пушки и боекомплекта 293 кг. Боекомплект – 400 патронов.
Подвижная ААУ типа СППУ-30 предназначена для применения
пушки ГШ-301. Зона обстрела: в вертикальной плоскости - вниз на 30˚;
горизонтальной - ±15˚. Боекомплект 150 патронов Планируется к принятию на вооружение.
9
РАЗДЕЛ 1. АВИАЦИОННОЕ АРТИЛЛЕРИЙСКОЕ ОРУЖИЕ
ГЛАВА 1. СТРУКТУРА, ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА
И ДЕЙСТВИЯ АВИАЦИОННОГО АРТИЛЛЕРИЙСКОГО
ОРУЖИЯ
1.1. Классификация авиационного артиллерийского оружия
Основные признаки, которые закладываются в основу классификации ААО, отражают как динамику, так достигнутый уровень его
развития к определенному периоду времени. При этом определяются
наиболее существенные признаки, объединяющие или разъединяющие
всю совокупность образцов ААО. Несомненно, дальнейшее развитие
ААО (см. Заключение) приведет к новым схемам классификации ААО.
В этом легко убедится на основе анализа схем и признаков классификации для различных периодов развития не только ААО, но и огнестрельного оружия вообще [3, 11, 15].
В настоящее время классификация ААО производится по следующим трем признакам: числу стволов: типу цикла автоматики и типу
двигателя автоматики. При этом двигатели автоматики подразделяются
на два вида: внешние и внутренние (газопороховые).
В зависимости от числа стволов ААО различают одноствольное,
двуствольное или многоствольное.
В зависимости от типа цикла автоматики оружие может иметь
схему с обычным циклом или схему с револьверным циклом автоматики.
И, наконец, в зависимости от вида двигателя автоматики оружие
может иметь схему автоматики с внешним двигателем или с газопороховым двигателем. Схема автоматики с газопороховым двигателем может быть двух типов: с газоотводным двигателем или двигателем откатного типа.
10
ААО
ПРИЗНАКИ
Число
стволов
Тип
автоматики
вид
Одноствольное
Двуствольное
Многоствольное
Двигатель
автоматики
т
и
п
Обычный
Внешний
Внутренние
(газопороховые)
Револьверный
(барабанный)
Откатный
т
и
п
Электрический
Газоотводный
Пневматический
Гидравлический
Аэродинамический
Рисунок 1.49. Классификация ААО
Число стволов является основным признаком ААО, определяющим через темп стрельбы отражаетего эффективность при другихравных тактических условиях (калибр, масса и начальная скорость снаряда). Данные таблиц 1. Х и 1.У наглядно это подтверждают.
В таблицах
1.Х и 1.У введены следующие обозначения:
vo , ì / ñ , - начальная скорость снаряда; T , âû ñò ð / ì èí - темп
стрельбы (максимальные значения); T 
Tï î ñë  Òï ðåä
Tï ðåä
100 , % - прирост
11
темпа стрельбы к предыдущему образцу ААО; M , êã - масса ААО;
Ì ï î ñë  Ì ï ðåä
M 
100 , % - прирост массы ААО.
Ì ï ðåä
Из приведенных в таблицах 1.Х и 1.У данных следует, что увеличение количества стволов оказывает определяющее влияние на увеличение темпа стрельбы ААО. Улучшаются и другие характеристики
ААО с большим количеством стволов по сравнению с ААО с меньшим
количеством стволов: практически у всех образцов ААО уменьшается
масса на единицу темпа стрельбы.
Таблица 1.Х. Некоторые характеристики ААО калибра 23 мм
ОДНОСТВОЛЬНОЕ
ДВУСТВОЛЬНОЕ
МНОГОСТВОЛЬНОЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
(АМ-23)
(ГШ-23)
(ГШ-6-23)
vo , ì / ñ
715
715
715
1250
0
3200
156
9000
260
43
50
73
0
16,З
46
29,1
64,0
123,3
T , âû ñò ð / ì èí
T , %
M , êã
M , %
T âû ñò ð
,
M ì èí  êã
Таблица 1.У. Некоторые характеристики ААО калибра 30 мм
12
ОДНОСТВОЛЬНОЕ
ДВУСТВОЛЬНОЕ
МНОГОСТВОЛЬНОЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
(ГШ-301)
(ГШ-30)
(ГШ-6-30)
vo , ì / ñ
860
870
860
1800
0
3300
83,3
6000
81,8
50
105
136
0
110
29,5
36
31,4
41,4
T , âû ñò ð / ì èí
T , %
M , êã
M , %
T âû ñò ð
,
M ì èí  êã
1.1. Назначение и характерные черты
авиационного артиллерийского оружия
Под термином «авиационное артиллерийское оружие» понимается специально разработанное для установки на самолётах и вертолётах артиллерийское оружие.
Авиационное артиллерийское оружие (ААО) предназначено для
поражения воздушных и наземных (надводных) целей, находящихся в
пределах прямой видимости стрелка (лётчика, штурмана). При этом
максимальная дальность эффективной стрельбы по воздушным целям
(самолёты, вертолёты, ракеты) составляет 700…600 метров, а по наземным целям (живая сила, БМП, БТР, средние танки) – 1000…1200 метров.
Современное ААО – это малокалиберное автоматическое оружие,
в котором после его ручного предварительного заряжания боеприпасами все операции, связанные с началом стрельбы, перезаряжанием, производством очередного выстрела в очереди, а также окончанием
стрельбы, выполняются без непосредственного участия стрелка. Помимо указанных операций в ААО автоматизированы операция устранения
13
задержки стрельбы из-за несрабатывания капсюля-воспламенителя патрона и подсчёт количества произведённых из оружия выстрелов.
В отличие от других видов авиационных средств поражения (ракеты, бомбы) ААО может применяться независимо от метеоусловий,
независимо от теплового или радиолокационного контраста как по воздушным (высотные, маловысотные), так и по наземным (надводным)
целям.
Специфика боевого применения самолётов и вертолётов формирует вполне определённые требования к некоторым характеристикам
ААО. Например, малое время, отводимое самолёту или вертолёту на
атаку цели (воздушной – 1…2с, наземной – 2…4с), требует для эффективного её поражения наличия артиллерийского оружия с высоким
темпом стрельбы (3000…9000 выстр./мин по воздушным целям,
1500…3000 выстр./мин – по наземным). При этом должна быть обеспечена высочайшая надёжность работы автоматики оружия.
Естественные ограничения, накладываемые на массу и размеры
летательных аппаратов, а также ограничения по их центровке жёстко
ограничивают массовые и габаритные характеристики ААО.
На летательном аппарате артиллерийское оружие устанавливается на значительном расстоянии от стрелка, что требует наличия системы дистанционного управления стрельбой.
Несмотря на отмеченные особенности ААО, в настоящее временя
сложилась ситуация, когда по принципам устройства автоматики,
функционирования агрегатов и механизмов образцы ААО существенно
не отличаются от малокалиберного автоматического оружия ВМФ и
Сухопутных войск России. Это обусловлено схожестью решаемых боевых задач (поражение живой силы, легкобронированной и небронированной техники, малоразмерных целей), а следовательно, близостью
предъявляемых тактико-технических требований различных родов
войск к малокалиберному артиллерийскому оружию.
1.2. Базовые образцы авиационного артиллерийского оружия
ВВС России
Термин «базовый образец» означает, что конкретный образец
ААО находится в серийном производстве и состоит на вооружении
14
ГШ-301
ВВС России.
В настоящее время базовыми образцами ААО являются пушки
ГШ-301, ГШ-30, ГШ-30К, ГШ-23, ГШ-6-23М.
Пулемёты ЯкБ-12.7, ГШГ-7.62М, а также гранатомёт АГ-17А
сняты с производства, но входят в состав системы артиллерийского воГШ-23
ГШ-30
оружения некоторых вертолётов.
В недалёком прошлом в состав вооружения самолёта МиГ-27К
входила самая мощная авиационная 30-мм шестиствольная пушка ГШ6-30А. Её аналог пушка ГШ-6-30К в настоящее время состоит на вооружении некоторых кораблей ВМФ России.
ГШ-6-30А
30-мм пушка 2А42 состоит на вооружении Сухопутных войск
(БМП-2), однако она установлена и на перспективных вертолётах Ми28, Ка-50, Ка-52.
ГШ-6-23М
15
Следует отметить, что авиационные пушки ГШ-301, ГШ-30, ГШ30К, ГШ-6-30А наряду с пушками Сухопутных войск 2А42, 2А72, 2А38
и пушками Военно-морского флота ГШ-6-30К, ГШ-6-30Л, 6К30ГШ обГШ-30К
разуют унифицированную систему малокалиберного автоматического
оружия на базе единого патрона типа АО-18. Заслуга в создании этой
2А42
системы принадлежит тульскому ГУП КБП.
В Таблице 1.1 представлены образцы артиллерийского оружия,
состоящие на вооружении ВВС России. В скобках указан авиационный
индекс оружия, а базовые образцы подчёркнуты.
Таблица 1.1. Артиллерийское оружие ВВС России
Одноствольные
Двуствольные
16
Пушки
калибра
30-мм
Патроны:
ОФЗ-30ГШ
БТ-30ГШ
МЭ-30ГШ
ГШ-301
(изд.9-А4071К)
2А42
ГШ-30
(изд.9-А623)
Пушки
калибра
23-мм
Патроны:
ОФЗ-23АМ-ГШ
БЗТ-23АМ-ГШ
МЭ-23ГШ
Пулемёты
калибра
12.7-мм
Патроны:
Б-32
БЗТ-44
Пулемёты
калибра
7.62-мм
Патроны:
ЛПС
Б-32
Т-46
Гранатомёт
калибра
30-мм
Выстрел
ВОГ-17А
АГ-17А
(изд.9-А-800)
ГШ-23
(изд.9-А472)
Многоствольные
ГШ-30К
(изд.9-А623К)
ГШ-630А
(изд.9-А620)
ГШ-623М
(изд.9-А768)
ЯкБ-12.7
(изд.9-А624)
ГШГ7.62М
(изд.9-А622)
1.3. Характеристики авиационного артиллерийского оружия
Качество ААО и его приспособленность для решения боевых задач оценивается совокупностью различных характеристик. Каждая из
характеристик отражает определенные свойства ААО. Всю совокупность характеристик ААО условно принято разделять на три группы
(рисунок 1.1): тактико-технические, эксплуатационные и экономические.
17
Характеристики ААО
Тактико-технические
18
Эксплуатационные
Эффективность боевого применения и техническое совершенство
любого образца ААО определяются его тактико-техническими характеристиками (ТТХ). Борьба за высокие значения ТТХ начинается с этапа проектирования оружия, когда решаются две важнейшие взаимосвязанные задачи:
- первая – структурный синтез, т.е. выбор и обоснование
схемы автоматики, которая обеспечила бы значения ТТХ в рамках, определённых техническим заданием на разработку оружия;
- вторая – параметрическая оптимизация, т.е. определение
оптимальных динамических параметров выбранной схемы автоматики с целью получения наиболее высоких значений ТТХ
оружия.
Основными ТТХ, дающими представление о боевых и технических возможностях ААО, являются: калибр оружия, начальная скорость снаряда, масса снаряда, масса патрона, темп стрельбы, предельная длина очереди, ресурс работы оружия, масса оружия, максимальное
усилие отдачи.
Все образцы ААО имеют нарезную часть канала ствола. В России
принято считать, что калибр – это диаметр канала ствола, измеренный
по полю нарезов (Рисунок 1.1). Измеряется в миллиметрах.
19
Поле нареза
Дно нареза
Калибр
Рисунок 1.1. Поперечный разрез ствола
Начальная скорость снаряда – это максимальная скорость снаряда, которую он приобретает после вылета из канала ствола оружия. Эту
скорость снаряд приобретает на расстоянии 20…40 калибров (клб.) от
дульного среза ствола. Измеряется в м/с.
Темп стрельбы – количество выстрелов, произведённых из оружия, в единицу времени при непрерывной (сплошной) очереди, выстрелов. Измеряется в выстр./мин.
Предельная длина очереди оценивается количеством выстрелов в
непрерывной (сплошной) очереди. Она определяется степенью износа
нарезной части канала ствола. Внешне это проявляется в том, что
уменьшаются значения начальной поступательной и вращательной
скоростей движения снаряда. Полёт снаряда на траектории становится
неустойчивым. Критериями предельной длины очереди являются:
- падение значения начальной скорости снаряда по отношению к
номинальной для данного типа оружия более, чем на 5;
- значение коэффициента kп овальности пробоин, оставленных
снарядами на фанерном щите, более, чем 1.25; значения коэффициента
рассчитывается из выражения
kп = Lп/d ,
(1.1)
где
Lп – длина пробоины;
d – калибр оружия.
Ресурс оружия – суммарная наработка оружия, измеряемая от
начала эксплуатации в выстрелах, в пределах которой сохраняется работоспособное состояние оружия с учётом использования индивидуального комплекта запасных частей и принадлежностей (ЗИП). Ресурс
оружия часто называют живучестью оружия.
20
Ресурс оружия бывает двух типов: гарантийный и назначенный.
Гарантийный ресурс устанавливается заводом-изготовителем данного
образца оружия. Назначенный ресурс устанавливается военным представителем по результатам дополнительных испытаний оружия.
Максимальное усилие отдачи – это сила, действующая со стороны оружия на лафет установки в процессе очереди выстрелов. Она
определяется, главным образом, силой давления пороховых газов на
дно канала ствола и действует вдоль оси канала ствола. Измеряется в
Ньютонах.
В таблице 1.2 приведены значения основных ТТХ артиллерийского оружия, находящегося на вооружении ВВС России.
21
3
4
5
6
7
8
9
22
Калибр, мм
Начальная скорость
снаряда, м/с
Масса снаряда, кг
Масса патрона, кг
Темп стрельбы,
выстр./мин
Предельная длина
очереди, выстр.
Ресурс работы
(гарантийный),
выстр.
Масса оружия, кг
Максимальное
усилие
отдачи, Н
12.7
7.62
30
30
860
870
940
845
715
715
810
825
180
970
0.39
0.83
1500 –
1800
0.39
0.83
3000–
3200
0.39
0.83
2300,
350
0.39
0.83
0.184
0.34
3100–
3300
0.184
0.34
0.044
0.127
0.28
0.36
9000
4500
0.0095
0.022
5500,
2750
0.39
0.83
650,
250
75
150
150
300
200
300
400
1000
50
150
2000
4000
4000
6000
8000
9000
8000
40000
3000
6000
45
105
125
150
50
75
45
15
20
115
65000
6000
72000 75000 85000 35000 50000 12000
8000
450
2А42
23
АГ-17А
23
ГШ-623М
30
ГШ-23
30
ГШ-630А
30
ГШ-30К
30
ГШ-30
ГШГ7.62М
1
2
ГШ-301
№
п/п Характеристика
ЯкБ-12.7
Таблица 1.2. Основные ТТХ артиллерийского оружия
4000 72000
1.4. Критерии оценки технического совершенства
авиационного артиллерийского оружия
Выбор рациональных значений основных ТТХ и, главное, нахождение оптимального сочетания между ними – задача чрезвычайно
сложная. Кроме того, поскольку ААО является частью системы артиллерийского вооружения летательного аппарата, для получения высокой
эффективности боевого применения этой системы в целом необходимо
согласовать основные ТТХ оружия с параметрами боеприпасов и установки под оружие. Эта сложная задача может быть успешно решена
только путём выполнения специальных теоретических и экспериментальных исследований. В настоящее временя по результатам исследований разработана система критериев оптимальности основных технических характеристик системы «боеприпас – оружие – установка».
Одним из важнейших является критерий качества автоматического оружия, получивший название коэффициента технического совершенства (СТ). Он позволяет оценить удельную производительность
оружия, т.е. секундный расход патронов на единицу массы и объективно сравнить работу схем автоматики различных образцов артиллерийского оружия. Коэффициент технического совершенства определяется
из следующего выражения:
E
C  пт
T M
ор
m Т
E ПТ  ПТ
60
(1.2)
(1.3)
где:
Епт – секундный расход патронов, т.е. производительность
оружия;
mПТ – масса патрона, кг;
Т – темп стрельбы, выстр./мин;
Мор – масса оружия, кг.
Другим критерием оптимальности технических характеристик
артиллерийского оружия является коэффициент мощности оружия. Он
служит для оптимального согласования параметров оружия и боеприпасов, исходя из условия высокой вероятности поражения цели. Определяется из выражения:
23
E
C  в
м M
ор
(1.4)
где
Е T
– секундная энергия выстрелов;
E  сн
в
60
m  v2
E сн  сн 0 – кинетическая энергия снаряда;
2
(1.5)
(1.6)
mсн – масса снаряда;
v0 – начальная скорость снаряда.
Таблица 1.3. Технические характеристики 30-мм авиационных пушек
Характеристика
Темп
стрельбы,
(выстр./с)
Начальная
скорость снаряда, (м/с)
Масса снаряда
(типа ОФЗ), (кг)
Масса патрона, (кг)
Масса пушки, (кг)
Секундный расход
патронов, (кг/с)
Коэффициент технического совершенства оружия
Кинетическая энергия снаряда, 103
(Дж)
Секундная энергия
выстрела,
103
(Дж/с)
Коэффициент
мощности оружия,
103 (Дж/скг)
Одноствольная
ГШ-301
1600
Схемы автоматики
Двуствольная
«Эрликон»
КСА 304RK
(Швейцария)
1350
Многоствольная
ГШ-30
FA
(США)
ГШ-630А
3100
2000
6000
4200
GAU-8/A
(США)
860
1066
870
1066
845
1066
0.39
0.83
45
0.37
0.693
125
0.39
0.83
105
0.37
0.693
118
0.39
0.83
149
0.37
0.693
270*
22.4
15.6
43.4
23.1
84.0
48.5
0.49
0.12
0.41
0.2
0.56
0.18
144.2
210.2
147.6
210.2
139.2
210.2
3.85
4.73
7.63
7.0
13.9
14.7
85.6
38.5
72.6
59.4
93.4
54.5
*) Масса пушки GAU-8/A указана без учёта массы внешнего двигателя
автоматики. С пневмоприводом масса пушки равна 335 кг.
24
Коэффициент мощности оружия характеризует удельную энергию выстрела, т.е. мощность секундного залпа на единицу массы оружия.
В таблице 1.3 приводятся значения вышеуказанных коэффициентов отечественных и лучших зарубежных 30-мм авиационных пушек.
Анализ данных, представленных в таблице 1.3, позволяет сделать
вывод о том, что энергетические характеристики выстрела, определяемые в основном кинетической энергией снаряда, у зарубежных образцов в 1.5 раза выше, чем у отечественных. Превосходство можно объяснить следующими причинами.
1. Рациональный, с точки зрения внутренней баллистики, выбор
длины ствола оружия. Для сравнения: длина стволов пушки GAU-8/A
равна 72 калибрам (клб.), а у аналогичной нашей пушки ГШ-6-30А
длина – 39 клб.
GAU-8/A
2. Относительно высокое значение максимального давления пороховых газов при выстреле: 390…410 МПа у зарубежных образцов и
340…350 МПа у отечественных.
3. Относительно высокое значение отношения веса () порохового заряда к весу (qсн) снаряда:
/qсн = 0.35…0.6 – зарубежные образцы;
/qсн = 0.29…0.31 – отечественные образцы.
Однако, несмотря на высокие энергетические характеристики выстрела, мощность нашего оружия примерно в 1.6 раза выше, чем зарубежного. Это объясняется тем, что в зарубежных образцах ААО используется схемы с внешним двигателем автоматики, что существенно
увеличивает массу оружия. Из таблицы видно, что, например, наша
пушка ГШ - 301 в 3 раза легче, чем швейцарская «Эрликон» КСА.
25
«Эрликон» КСА 304
RK
И, наконец, по уровню технического совершенства отечественные образцы оружия значительно, в 2…4 раза, превосходят лучшие зарубежные. Такое превосходство получено в результате более совершенной конструкции механизмов автоматики, хорошо продуманных
кинематических связей между отдельными узлами и деталями, а также
за счёт оптимального совмещения времени выполнения отдельных операций, выполняемых автоматикой оружия. Благодаря высокому уровню
технического совершенства достигнуто превосходство отечественного
оружия и в эффективности боевого применения. В таблице 1.4 приведены значения вероятностей поражения воздушной одиночной цели
(самолёта) различными образцами ААО
Таблица 1.4 – Вероятности (W1) поражения воздушной одиночной цели
Тип оружия
W1
Тип оружия
W1
ГШ -301
0.25
КСА (Швейцария)
0.24
ГШ -30
0.37
FA (США)
0.31
ГШ -6 -30
0.53
GAU-8/A(США)
0.44
3. Изд. №9872
26
1.5. Операции и механизмы заряжания
авиационного артиллерийского оружия
Выше отмечалось, что все образцы ААО являются оружием автоматическим.
При стрельбе очередью одним из главных процессов, происходящих в автоматическом артиллерийском оружии, является процесс заряжания.
Этот процесс включает следующие операции.
1. Подача очередного патрона в автоматику оружия, т.е. перемещение патрона из приёмного окна оружия в плоскость снижения
(Рисунок 1.2). Перемещение осуществляется на один шаг патронной ленты после каждого выстрела. Шаг патронной ленты – это
расстояние между продольными осями соседних патронов в ленте.
Движок с клапаном
Направление
перемещения ленты
Патрон
Плоскость
снижения
Шаг патронной
ленты
Рисунок 1.2. Подача патронной ленты в пушке ГШ-301
2. Снижение патрона, т.е. извлечение патрона из звена патронной
ленты с дальнейшим перемещением в плоскости снижения до
совмещения его продольной оси с осью канала ствола (Рисунок
1.3).
27
Патронник
ствола
Снижатели
Направление снижения
патрона
Рисунок 1.3. Снижение патрона в пушке ГШ-30
3. Досылание патрона в патронник, т.е. перемещение патрона
вдоль оси канала ствола до посадки его в патронник (Рисунок
1.4).
Ускоритель
Направление досылания
Копир
Шатун
Затвор
Ствол
Рисунок 1.4. Досылание патрона в пушке ГШ-23
4. Запирание канала ствола, т.е. закрытие канала ствола со стороны патронника. После этой операции следует выстрел, а далее
выполняется следующая операция (Рисунок 1.5).
28
3*
Направление перемещения
затвора при запирании
канала ствола
Рисунок 1.5. Запирание канала ствола в пушке ГШ-30
5. Отпирание канала ствола, т.е. открытие канала ствола со стороны патронника; по сути, эта операция обратная операции запирания.
6. Экстракция гильзы, т.е. извлечение гильзы из патронника (Рисунок 1.6).
Затвор
Гильза
Ствол
Рисунок 1.6. Экстракция гильзы в пушке ГШ-30
7. Удаление или отражение гильзы за пределы автоматики оружия (Рисунок 1.7).
В совокупности перечисленные операции называются операциями перезаряжания.
29
Отражатель
Гильза
Ствол
Рисунок 1.7. Удаление гильзы в пушке ГШ-301
Для выполнения этих операций в автоматическом артиллерийском оружии имеются одноимённые механизмы перезаряжания:
-
механизм отпирания;
механизм экстракции;
механизм удаления;
механизм подачи;
механизм снижения;
механизм досылания;
механизм запирания.
Следует отметить, что с целью упрощения конструкции оружия,
одни и те же детали, как правило, входят в состав нескольких механизмов.
1.5.1. Механизмы подачи
Существует два способа питания автоматического оружия патронами: магазинный и ленточный.
При магазинном способе питания боекомплект патронов располагается
в коробке-магазине закреплённом, как правило, на корпусе оружия. Перемещение патронов к приёмному окну оружия осуществляется специальным механизмом-транспортёром. В нашей стране этот способ питания реализован на самолёте МиГ-31 для питания 23-мм шестиствольной пушки ГШ-6-23М.
30
Наибольшее распространение в ВВС России получил ленточный
способ питания. В этом случае боекомплект патронов располагается в
некотором удалении от оружия. Все патроны соединяются с помощью
стальных звеньев (Рисунок 1.8) в одну ленту, которая укладывается в
патронный ящик и по рукаву питания подводится в приёмное окно
оружия. Для всех образцов ААО, находящегося в настоящее время на
вооружении ВВС России, используются звенья открытые, рассыпные,
типа «краб». Каждое звено имеет крючок и петлю, поэтому при соединении в ленту звенья образуют между собой шарнирное соединение.
Соединение звеньев в ленте
Расположение звена на патроне
Крючок
Петля
Направление извлечения патрона из звена
Рисунок 1.8. Звенья патронной ленты
Ниже рассматриваются особенности механизмов подачи для ленточного способа питания.
Механизм подачи предназначен для принудительного перемещения патронной ленты на один шаг в промежутке между очередными
выстрелами. В конце перемещения патрон должен располагаться строго
в плоскости снижения. В многоствольных схемах автоматики реализована, так называемая, прямая подача. В этом случае очередной патрон
перемещается механизмом подачи на один шаг и устанавливается сразу
на линию досылания.
В современных образцах ААО используются механизмы подачи
двух типов: со звездой подачи и реечного типа.
Механизм подачи первого типа (на всех пушках и пулемётах,
кроме ГШ-301) перемещает патронную ленту за счёт вращения звезды
подачи (Рисунки 1.9, 1.11).
31
Звезда подачи
Патронная
лента
Направление перемещения ленты
Сниженный
патрон
Рисунок 1.9. Механизм со звездой подачи
Механизм подачи реечного типа (Рисунок 1.2) в своём составе
имеет движок с клапаном. В процессе стрельбы движок совершает возвратно-поступательное движение в поперечном к продольной оси оружия направлении. При движении в одну сторону (холостой ход) движок
перемещается в исходное положение, а при движении в обратном
направлении (рабочий ход) движок через свой клапан захватывает свободное звено и перемещает патронную ленту на один шаг.
1.5.2. Механизмы снижения
Механизмы снижения предназначены для извлечения патрона из
звена патронной ленты и перемещения его на линию досылания. В результате патрон оказывается либо в лапках затвора, либо на рычаге досылателя (пушка ГШ-301). На всех образцах современного ААО извлечение из звена производится в направлении перпендикулярном продольной оси патрона, т.е. осуществляется его выдавливание из звена
(Рисунок 1.8). Снижение патрона может осуществляться или поступательным перемещением снижателей (Рисунок 1.3), или поворотом снижателя вокруг своей продольной оси (Рисунок 1.10).
В многоствольном оружии одновременно с подачей осуществляется только съём звена с патрона (Рисунок 1.11), снижение практически
отсутствует, так как патрон устанавливается сразу на линию досылания. Для съёма звена используется специальная деталь – съёмник.
32
Снижатель
Направление
поворота
снижателя
Звено
патронной ленты
Снижаемый
патрон
Корпус пушки
Рисунок 1.10. Схема снижения патрона в пушке ГШ-301
Звено патронной
ленты
Звезда подачи.
Вращается против
часовой стрелки
Съёмник
Рисунок 1.11. Функционирование механизмов подачи и снижения
в пушке ГШ-6-23М
33
1.5.3. Механизмы досылания
Механизм досылания предназначен для перемещения патрона,
находящегося на линии досылания в патронник. В зависимости от закона движения патрона существует два способа досылания: ударный и
безударный. Эти способы реализуют соответственно механизм досылания ударного типа и механизм досылания безударного типа.
При ударном досылании (Рисунок 1.12) патрону практически
мгновенно (ударно) сообщается значительная поступательная скорость,
после чего он по инерции движется в сторону патронника. В конце досылания, при взаимодействии ската гильзы с конусом патронника, происходит резкая остановка патрона, так называемая остановка на скат
гильзы.
Пружина досылателя
Патронник
Направление досылания
Рычаг
досылателя
Рисунок 1.12. Механизм досылания ударного типа пушки ГШ-301
В процессе ударного досылания, при разгоне и торможении, все
элементы патрона испытывают действие сил инерции, которые вызывают нежелательные явления. Так, характерным явлением при резком
разгоне является осадка снаряда внутрь гильзы, а при остановке – выход снаряда из дульца гильзы, т.е. распатронивание. Кроме того, вследствие деформации гильзы по скату, весь патрон углубляется в патронник, т.е. продвигается вперёд, иногда говорят, происходит «проскок па-
34
трона». В результате теряется контакт бойка с капсюлемвоспламенителем. При значительных силах инерции все указанные явления могут привести к задержке при стрельбе. Для исключения нежелательных явлений при досылании, экспериментально установлено, что
скорость патрона (со стальной гильзой) относительно ствола в момент
остановки не должна превышать 20 м/с.
Безударное досылание (Рисунок 1.4) заключается в том, что патрон плавно разгоняется до максимальной скорости и, главное, плавно
тормозится при посадке в патронник. При этом любой желаемый закон
движения патрона в процессе досылания может быть реализован путём
выбора фигурного профиля специального паза – копира (Рисунки 1.13,
1.43), по которому перемещаются ролики ускорителей (пушки ГШ-23,
ГШ-30, ГШ-30К) или затворов (пушка ГШ-6-23М). Значение максимальной скорости разгона патрона ограничивается только условиями
прочности гильзы. Так, например, максимальная скорость разгона патрона в пушке ГШ-30 составляет 28-30 м/с.
Участок торможения
затвора в крайнем
заднем положении
Участок
ускорения
затвора
Контур
копира
Ролик
ускорителя
Участок торможения
затвора перед посадкой
патрона в патронник
(крайнее
переднее положение)
Рисунок 1.13. Копир пушки ГШ-23
35
При безударном досылании патрон постоянно удерживается в
лапках затвора. Это существенно снижает отрицательное влияние колебания корпуса оружия на движение патрона, а при посадке в патронник исключает «проскок патрона». Безударное досылание имеет неоспоримые преимущества перед ударным как по надёжности работы
механизмов досылания, так и по возможности повышения темпа
стрельбы оружия.
1.5.4. Механизмы запирания
Механизм запирания предназначен для закрытия (запирания) канала ствола со стороны его казённой части. Запирание необходимо для
того, чтобы исключить преждевременное выталкивание гильзы пороховыми газами из патронника в процессе выстрела. Преждевременное
выталкивание гильзы может привести к её разрыву и, как следствие, к
выходу из строя оружия.
Основная деталь механизма запирания – затвор. Запирание осуществляется путём жёсткого сцепления затвора с патронником. В зависимости от направления перемещения затвора относительно ствола
различают два вида механизмов запирания:
-механизмы с клиновым затвором;
-механизмы со скользящим затвором.
В механизме с клиновым затвором (Рисунок 1.14) последний перемещается относительно оси канала ствола под углом близким к 90°.
Механизмы этого
Затвор
вида имеют небольшую массу,
Направление двинебольшой
ход
жения затвора
затвора и, главпри запирании
ное, обеспечивают
высокую
жёсткость сцепления с патронником и обладают большим заРисунок 1.14. Механизм запирания пушки ГШ-301
пасом прочности.
Наибольшее распространение в современных образцах ААО получили механизмы запирания со скользящим затвором. В этих механизмах затвор в
36
процессе досылания сначала скользит по специальным направляющим
вдоль оси канала ствола. Далее, запирание канала ствола осуществляется либо поперечным перемещением затвора (Рисунок 1.5), либо поворотом затвора вокруг оси канала ствола (Рисунок 1.15).
1.5.5. Механизмы отпирания
Механизм отпирания открывает (отпирает) канал ствола через
определённый промежуток времени после срабатывания стреляющего
механизма. По конструкции механизм отпирания идентичен механизму
запирания. Основная деталь – затвор, который перемещается в сторону
обратную запиранию (Рисунок 1.15). Отпирание начинается после того,
как давление в канале ствола упадёт до величины 15…20 МПа. Это
условие обеспечивается так называемым «свободным ходом» управляющей детали, т.е. детали, которая управляет движением затвора при
отпирании. «Свободный ход» - это величина перемещения управляющей детали от момента начала её движения до начала отпирания ствола. Пока выбирается «свободный ход», давление в канале ствола успевает снизиться до величины 18…20 МПа.
Направление
вращения
блока стволов
Запирания канала
ствола
Размыкатель
Отпирание канала
ствола
Рисунок 1.15. Запирание и отпирание
канала ствола пушки ГШ-6-23М
37
1.5.6. Механизмы экстракции
Механизм экстракции предназначен для извлечения (экстракции)
гильзы из патронника после отпирания канала ствола. Во многих образцах ААО механизмы экстракции осуществляют также извлечение
патронов при несрабатывании капсюля-воспламенителя, т.е. экстракцию «осечных» патронов.
Затвор пушки ГШ-30
Экстрактор пушки ГШ-301
Экстракторы
Рисунок 1.16. Затвор пушки ГШ-30 и экстактор пушки ГШ-301
Усилие необходимое для экстракции гильзы направлено на преодоление значительной силы трения между гильзой и патронником.
Величина силы трения определяется, главным образом, значением
остаточного давления пороховых газов внутри гильзы. Высокое остаточное давление вызывает пластическую деформацию гильзы, обжимая
её по поверхности патронника. Говорят, образуется натяг.
В большинстве современных образцов ААО экстракция гильзы
(или «осечного» патрона) осуществляется затвором (Рисунок 1.6), в
конструкции которого предусмотрены специальные захваты – экстракторы (Рисунок 1.16).
Гильза своей закраиной попадает в экстракторы ещё при снижении патрона. Прочность экстракторов гораздо выше, чем прочность
фланца гильзы. В свою очередь прочность фланца выше прочности
корпуса гильзы на поперечный разрыв.
38
Экстрактор
Завершение
экстракции
Начало
экстракции
Действие пороховых газов
Направление перемещения
экстрактора
Рисунок 1.17. Экстракция гильзы в пушке ГШ-301
электромагнита
В оружии с клиновым затвором (пушка ГШ-301) для извлечения
301
гильзы предусмотрена специальная деталь
– экстрактор (Рисунок 1.16).
Он обеспечивает страгивание гильзы из патронника, сообщая ей некоторую поступательную скорость. Дальнейшая экстракция происходит
под действием давления пороховых газов на дно гильзы (Рисунок 1.17).
Рисунок 1.18. Канавки Ревелли в патроннике пушки ГШ-301
39
В пушках ГШ-30, ГШ-301 для повышения темпа стрельбы осуществляется экстракция при повышенном остаточном давлении пороховых газов (22…24 МПа). С целью исключения срыва закраины или
поперечного разрыва корпуса гильзы, что приводит к задержке при
стрельбе, в патроннике делаются продольные канавки – канавки Ревелли (Рисунок 1.18).
В процессе выстрела пороховой газ проникает в эти канавки и
снижает обжатие гильзы по патроннику, т.е. снижает натяг. В результате существенно (на 35…40%) снижается усилие экстракции гильзы.
1.5.7. Механизмы удаления
Механизм удаления предназначен для вывода (удаления) гильзы
за пределы контура оружия.
В большинстве современных образцов ААО этот механизм удаляет и осечные патроны.
В одноствольных и двухствольных образцах оружия после экстракции гильза удаляется за пределы контура оружия с помощью специальных отражателей (Рисунок 1.7).
При встрече с отражателем гильза изменяет направление движения и покидает контур оружия, при этом она имеет значительную скорость движения. Так
Гильза
например, при удалении из пушки ГШ301 гильзы имеют
скорость
90…100
м/с.
Большая скоНаправление врарость удаления необщения
ходима гильзе для
пальца
ускорителя
того, чтобы быстро
преодолеть
возмущённый воздушный
Направление вращения
поток вокруг летаблока стволов
тельного аппарата и
тем самым исклюРисунок 1.19. Удаление гильзы в пушке
чить удары по обГШ-6-23М
шивке.
40
В многоствольном оружии гильза вращается вместе с блоком
стволов, набегает на пальцы ускорителя и выбрасывается за пределы
контура оружия (Рисунок 1.19).
1.6. Механизмы управления стрельбой
Как отмечалось ранее, на летательном аппарате ААО устанавливается на значительном расстоянии от стрелка, что требует наличия системы дистанционного управления стрельбой. Главной составной частью этой системы являются механизмы управления стрельбой. К указанным механизмам, в общем случае, относятся:
- механизм начала (прекращения) стрельбы;
в зависимости от особенностей конструкции оружия, это может
быть спусковой механизм или стартер;
- стреляющий механизм;
- механизм устранения задержки стрельбы из-за несрабатывания
капсюля-воспламенителя патрона.
1.6.1. Спусковые механизмы
Спусковой механизм предназначен для удержания стреляющего
механизма ударного типа во взведённом положении, если стрельба не
производится. В этом случае, говорят, – стреляющий механизм выключен. Взведённое положение – это такое состояние, при котором ударник стреляющего механизма зафиксирован и находится под действием
упругой силы сжатой боевой пружины.
При начале стрельбы спусковой механизм отпускает (расфиксирует) ударник, т.е., говорят, включает стреляющий механизм. Начинается стрельба, в процессе которой спусковой механизм с ударником не
взаимодействует.
Основная деталь спускового механизма, которая непосредственно фиксирует ударник, называется, шептало.
Из современных образцов ААО спусковой механизм имеется
только в составе пушки ГШ-23 (Рисунок 1.20). При отсутствии стрельбы электрошептало одним плечом взаимодействует с рычагом электромагнита, а другим фиксирует ударник стреляющего механизма во взведённом положении. При этом автошептало под действием переднего
снижателя опущено вниз и не взаимодействует с ударником. Для производства стрельбы нажимается боевая кнопка. При её нажатии срабатывает электромагнит. В результате рычаг освобождает электрошепта-
41
ло, которое, в свою очередь, расфиксирует ударник. Последний ударяет
по бойку и происходит выстрел.
Боевая
пружина
Стрельба не производится
Электрошептало
Ударник
Рычаг
электромагнита
При стрельбе
Передний
снижатель
Автошептало
Электромагнит
Рисунок 1.20. Спусковой механизм пушки ГШ-23
Автошептало фиксирует ударник между выстрелами в процессе
стрельбы с целью исключения удара по бойку при не запертом канале
ствола. Если запирания канала ствола не произошло, то очередного выстрела не будет.
1.6.2. Стартеры
Стартер – это устройство, которое предназначено для сообщения
блоку стволов многоствольного оружия вращательной скорости движения с целью начала стрельбы.
Величина скорости вращения блока стволов при срабатывании
стартера составляет, как правило, 70…75% от номинальной скорости
4.
42Изд. №9872
вращения, приобретаемой в процессе стрельбы. Энергия вращения затрачивается на выполнение операций досылания, запирания, производство выстрела и подачи.
В зависимости от вида энергии, используемой при работе, различают следующие виды стартеров:
- пиростартер (пушка ГШ-6-23М, пулемёт ЯкБ-12.7);
- пневмостартер (пушка ГШ-6-30А);
- электростартер (пулемёт ГШГ-7.62М);
- пружинный стартер – торсион (пулемёт ЯкБ-12.7).
Пиростартер использует энергию, образующуюся при сгорании
порохового заряда пиропатрона. Например, в пушке ГШ-6-23М пиростартер снаряжается десятью пиропатронами, что позволяет сделать
десять очередей. При срабатывании пиропатрона, пороховые газы попадают в цилиндр и воздействуют на пиропоршень (Рисунок 1.21), сообщая ему значительную скорость поступательного движения. С помощью системы шестерён это движение преобразуется во вращательное движение казённика, жёстко связанного с блоком стволов.
Направление действия пороховых газов
Шестерня
пиропоршня
Пиропоршень
Направление
вращения
блока стволов
Шестерня казённика
Рисунок 1.21. Работа пиростартера пушки ГШ-6-23М
Пневмостартер использует энергию сжатого воздуха. Принцип
его действия аналогичен пиростартеру.
43
Основным устройством электростартера является электродвигатель, который для производства стрельбы, через редуктор сообщает
начальное вращательное движение блоку стволов.
Пружинный стартер использует упругую энергию пружины, которая с помощью специальной планетарной передачи преобразуется во
вращательное движение блока стволов.
1.6.3. Стреляющие механизмы
Следующая операция, которая происходит в автоматическом
оружии после окончания перезаряжания, т.е. после запирания канала
ствола, – это осуществление выстрела. Операция заключается в подаче
электрического импульса или механическом воздействии на капсюльвоспламенитель патрона. В результате происходит выстрел.
Выстрел – это явление, включающее сложные термохимические, газодинамические, механические и термодинамические процессы,
происходящие в канале ствола оружия.
Для производства выстрела служит стреляющий механизм. В зависимости от вида воздействия на капсюль-воспламенитель существует
два типа стреляющих механизмов:
- стреляющий механизм ударного типа или ударный механизм;
- стреляющий механизм электрического типа или электрозапальный механизм.
Стреляющие механизмы ударного действия.
Ударные механизмы обеспечивают стрельбу при использовании
патронов с капсюлями-воспламенителями ударного действия.
Основными деталями этих механизмов, в общем случае, являются:
- боёк – деталь, которая непосредственно воздействует на капсюль-воспламенитель патрона;
- ударник – деталь, ударяющая по бойку;
- боевая пружина – источник энергии.
Боёк, как правило, конструктивно входит в состав затвора.
В зависимости от способа сообщения бойку кинетической энергии, необходимой для срабатывания капсюля-воспламенителя патрона,
ударные механизмы отличаются конструктивно.
В пушке ГШ-23 упругая энергия боевой пружины передаётся
бойку через ударник и лодыжку затвора (Рисунок 1.22), а в пулемёте
ГШГ-7.62М напрямую бойку.
4*
44
Боёк
Боевая
пружина
Капсюльвоспламенитель
патрона
Затвор
Направление
удара по бойку
Ударник
Лодыжка
затвора
Направление удара по лодыжке
Рисунок 1.22. Ударный механизм пушки ГШ-23
В пушке ГШ-6-23М и пулемёте ЯкБ-12.7 боевой пружины нет.
Боёк получает кинетическую энергию от вращающегося блока стволов
(Рисунок 1.23).
Стреляющие механизмы электрического типа.
Капсюльвоспламенитель
патрона
Направление
вращения
блока стволов
Боёк
Направление
удара по
бойку
Направление
поворота
ударника
Выступ, взаимодействующий с
ударником при выстреле
Рисунок 1.23. Ударный механизм пушки ГШ-6-23М
45
Электрозапальные механизмы обеспечивают стрельбу при использовании патронов с электрокапсюлями-воспламенителями (ЭКВ).
В этом случае спусковые механизмы в составе конструкции оружия отсутствуют. Основная деталь электрозапального механизма – электробоёк. Он конструктивно входит в состав затвора.
При нажатии на боевую кнопку электрический импульс напряжением +27В, при условии завершения операции запирания канала ствола, поступает на электробоёк из бортовой сети летательного аппарата.
Срабатывает ЭКВ патрона, происходит выстрел (Рисунок 1.24).
ЭКВ патрона
Затвор
Электробоёк
+27В
Промежуточный
контакт
Рисунок 1.24. Электрозапальный механизм пушки ГШ-301
1.6.4. Блокировка стрельбы при незапертом канале ствола
Каждый образец ААО спроектирован таким образом, что при отсутствии полного запирания канала ствола стреляющий механизм блокируется. Срабатывание патрона при не полностью запертом канале
ствола чревато серьёзными последствиями, вплоть до катастрофы летательного аппарата. Функция блокировки стреляющего механизма при
неполном запирании ствола на разных образцах ААО реализована поразному.
Если в оружии используются электрозапальные стреляющие механизмы, то процесс запирания организован таким образом, что замыкание боевой электрической цепи: промежуточный контакт – электро-
46
боёк – ЭКВ патрона (Рисунок 1.24) происходит только после полного
запирания канала ствола.
Если используется стреляющий механизм ударного типа, то в
конструкции оружия предусматривается блокировка или ударника, или
бойка. Так в конструкции пушки ГШ-23 для блокировки ударника
предусмотрено автошептало. Только при полном запирании канала одного из стволов передний снижатель другого ствола повернёт автошептало на угол, при котором ударник освобождается и ударяет через лодыжку по бойку затвора.
В пушке ГШ-6-23М при не запертом канале ствола затвор не повёрнут до упора (Рисунок 1.25).
Затвор
Вид А
Выточка
Боёк
Остов затвора
Направляющие
выступы
Наконечник бойка
Рисунок 1.25. Затвор пушки ГШ-6-23М
В результате направляющие выступы бойка не совпадают с выточкой затвора. Поэтому наконечник бойка не выходит за зеркало затвора и, следовательно, не сможет произвести удар по капсюлювоспламенителю патрона.
1.6.5. Механизмы устранения задержки стрельбы
Механизм устранения задержек стрельбы предназначен для извлечения и удаления за пределы контура оружия «осечных» патронов.
Такой механизм имеется в составе конструкции одноствольного
(пушка ГШ-301) и двуствольного (пушки ГШ-23, ГШ-30, ГШ-30К)
оружия. В многоствольном оружии этот механизм отсутствует, т.к.
энергии вращающегося блока стволов хватает на экстракцию и удаление нескольких, следующих один за другим, «осечных» патронов.
47
В пушках ГШ-23, ГШ-30, ГШ-30К для работы механизма устранения задержки используется энергия, образующаяся при сгорании порохового заряда пиропатрона.
Если в процессе стрельбы после очередного выстрела следующий
патрон оказался «осечным», то, как правило, через 0.15с из системы
управления оружием выдается электрический сигнал напряжением
+27В в механизм устранения задержки стрельбы. Срабатывает пиропатрон, а энергия пороховых газов (Рисунок 1.26) используется для приведения в действие механизмов заряжания, т.е. выполняются операции
отпирания канала ствола, экстракции «осечного» патрона, удаления патрона, подачи очередного патрона, его снижения и, наконец, запирания
канала ствола.
Направление действие пороховых газов пиропатрона
Поршень
двигателя
«Осечный» патрон
Направление
извлечения
Патронник
Рисунок 1.26. Устранение задержки стрельбы в пушке ГШ-30
Следует отметить, что в пушке ГШ-23 механизм устранения задержек используется также и для окончательной подготовки её к
стрельбе, т.е. для перезаряжания. В результате второй патрон в ленте
досылается в патронник, запирается канал ствола, происходит выстрел
и начинается стрельба.
В пушке ГШ-301 механизм устранения задержек не приводит в
действие механизмы перезаряжания. Работа механизма заключается в
непосредственном инициировании порохового заряда патрона, минуя
«осечный» электрокапсюль – воспламенитель.
48
Осечный патрон
Пулька
дополнительного запала
+27В
Дополнительный
запал
Рисунок 1.27. Устранение задержки стрельбы в пушке ГШ-301
При отсутствии очередного выстрела в течение 0.15 секунд из системы управления оружием на дополнительный запал подаётся электрический импульс напряжением +27В (Рисунок 1.27) Дополнительный
запал срабатывает, его пулька пробивает гильзу, форс огня воспламеняет пороховой заряд и происходит штатный выстрел.
1.7. Структурная схема авиационного артиллерийского оружия
Несмотря на конструктивные отличия базовых образцов ААО, их
общие принципы устройства, а также связи между агрегатами и механизмами описываются одной структурной схемой (Рисунок 1.28). Как
следует из этой схемы, основу конструкции любого базового образца
ААО составляют ствольный агрегат, внутренний двигатель автоматики,
механизмы перезаряжания, механизмы управления стрельбой и вспомогательные механизмы различного назначения. На схеме указаны
также типы агрегатов, механизмов и устройств, которые реализованы в
конструкции того или иного образца ААО.
Следует отметить, что в артиллерийском оружии широко применяется такое понятие как «схема автоматики».
49
Механизмы
Агрегаты
Ствольный агрегат
или
блок стволов
Газопороховой
(внутренний)
двигатель автоматики
Механизмы
заряжания
Механизмы
управления
стрельбой
Вспомогательные механизмы
(газопороховой)
Механизм отпирания
Откатного
Газоотводного типа
типа
(ГШ-301)
Механизм экстракции
(Все остальные)
(ГШ-301)
Реечного типа
Механизм удаления
Со звездой подачи
Механизм подачи
Ударного типа
Механизм снижения
Безударного типа
Механизм досылания
С клиновым
затвором
Механизм запирания
Со скользящим
затвором
Пружинного
типа
(ЯкБ-12.7)
Пневматического типа
(ГШ-6-30А)
Стреляющий
механизм
Электр
типа
Датчики
информации
Ударн
типа
Механизмы
начала
(прекращения)
стрельбы
Механизм
устранения
задержки
стрельбы
С
О
П
Электрического типа
(ГШГ-7.62М)
Система
охлаждения
ствола
Спусковые
механизмы
(ГШ - 23)
Стартерные
механизмы
Готовности
к стрельбе
Амортизаторы
силы отдачи
С витой пружиной
(Все остальные)
Пиротехнического типа
(ЯкБ-12.7 и все остальные)
Рисунок 1.28. Структурная схема образцов авиационного артиллерийского оружия
50
С кольцевой пружиной
(ГШ-30, ГШ-30К)
Схема автоматики – это совокупность механически взаимосвязанных агрегатов (ствольные агрегаты, блоки стволов, двигатели автоматики) и механизмов автоматики (перезаряжания, управления стрельбой), которые определяют конструктивные и функциональные особенности артиллерийского оружия.
Главным образом состав агрегатов и особенности функционирования механизмов перезаряжания определяют тип схемы автоматики и
существенно влияют на основные тактико-технические характеристики
артиллерийского оружия.
Например, в зависимости от количества стволов оружие может
выполняться по одноствольной, двуствольной или многоствольной
схемам автоматики. В зависимости от того, по какому алгоритму выполняются операции перезаряжания, в оружии может быть реализована
схема с обычным или револьверным циклом автоматики. Схема автоматики может быть с внешним или внутренним двигателем автоматики.
1.7.1. Ствольные агрегаты и блоки стволов
Ствольный агрегат в одноствольном и двуствольном оружии (Рисунок 1.29) представляет механическое соединение ствола (стволов) и
казённика.
Ствол
ГШ-301
Стволы
Казённик
ГШ-30
Рисунок 1.29. Ствольные агрегаты пушек ГШ-301 и ГШ-30
Ствольный агрегат – это несущее, базовое соединение в конструкции оружия, на котором устанавливается большинство механизмов и деталей автоматики. Кроме того, через ствольный агрегат
обеспечивается закрепление оружия на лафете установки.
51
Ствол – это главная часть оружия. Он предназначен для сообщения снаряду в процессе выстрела поступательного и вращательного
движений.
Основное назначение казённика – обеспечить закрепление и
надёжное удержание стволов. На нём также устанавливаются некоторые механизмы и детали автоматики.
Стволы
Казённик
Рисунок 1.30. Блок стволов пушки ГШ-6-23М
В многоствольном оружии (Рисунок 1.30) все функции ствольного агрегата выполняет блок стволов – механическое соединение нескольких стволов, казённика и некоторых деталей автоматики.
1.7.2. Двигатели автоматики
Двигатель автоматики ААО – это устройство, предназначенное для преобразования одного из видов энергии в механическую энергию ведущего звена оружия.
Ведущее звено – это совокупность деталей, которые в процессе
стрельбы получают движение от двигателя автоматики, передают
его механизмам перезаряжания и координируют их работу. Так,
например, в пушках ГШ-23 (Рисунок 1.31), ГШ-30, ГШ-30К ведущим
звеном являются ползуны, в пушке ГШ-301 – агрегат ствола, а в многоствольном оружии – блок стволов.
В зависимости от вида используемой энергии различают следующие виды двигателей автоматики:
-газопороховые;
-электрические;
-гидравлические;
-пневматические;
-аэродинамические.
52
Ползун
Поршень
Снижатель
передний
Ускоритель
Затвор
Рисунок 1.31. Ведущее звено пушки ГШ-23
Газопороховые двигатели автоматики преобразуют в механическую работу энергию пороховых газов, образующихся в канале ствола
при выстреле. Эти двигатели часто называют внутренними двигателями
автоматики. Электрические, гидравлические, пневматические, аэродинамические двигатели называют внешними двигателями автоматики,
поскольку соответствующая энергия подаётся от внешних источников.
Все образцы ААО России имеют только газопороховые двигатели автоматики. Эти двигатели, в отличие от внешних, характеризуются
очень малым временем выхода на номинальный режим работы, имеют
небольшие габариты и массу, обладают высокой надёжностью работы,
сравнительно просты в эксплуатации.
В зависимости от способа использования энергии пороховых газов, различают внутренние двигатели откатного типа и газоотводные.
Из базовых образцов ААО двигатель автоматики откатного типа
имеет только пушка ГШ-301. Функцию двигателя выполняет ведущее
звено, т.е. ствол с казёнником.
При выстреле ведущее звено пушки получает движение в результате действия силы давления пороховых газов на дно запертой в канале
ствола гильзы (Рисунок 1.32). Движение в сторону обратную направлению стрельбы принято называть откатом. При откате кинетическая
энергия ведущего звена аккумулируется возвратной пружиной, которая
затем возвращает ствол с казёнником в исходное положение. Перемещение в сторону стрельбы называется накатом. Таким образом, при откате и накате ведущее звено пушки сообщает движение механизмам
перезаряжания. В результате выполняются операции по подготовке
очередного выстрела, который происходит при приходе ствола с казёнником в исходное положение, т.е. после завершения наката.
53
Действие пороховых
газов на дно гильзы
Затвор запер
канал ствола
Накат
Ведущее звено пушки
Откат
Рисунок 1.32. Двигатель откатного типа пушки ГШ-301
Использование двигателя автоматики откатного типа в двуствольном и многоствольном оружии ограничено отсутствием возможности повышения темпа стрельбы.
По этой причине в пушках ГШ-23, ГШ-30, ГШ-30К, ГШ-6-23М,в
пулемётах ЯкБ-12.7, ГШГ-7.62М используется газоотводный двигатель
автоматики.
В процессе выстрела (Рисунок 1.33), после того как снаряд прой-
Газовый цилиндр
Направление
движения
пороховых
газов
Ползун
Поршень
Соединительный
рычаг
ползунов
Газоотводное отверстие
в стволе
Рисунок 1.33. Схема функционирования газоотводного двигателя
автоматики пушки ГШ-23
54
дёт газоотводное отверстие, часть пороховых газов поступает в газовый
цилиндр. Под действием силы давления поршень и жёстко связанный с
ним ползун начинают перемещаться назад. Благодаря наличию кинематической связи (соединительный рычаг), синхронно с первым, начинают перемещаться вперёд второй ползун и связанный с ним поршень. В
результате возвратно-поступательного движения ползунов приводятся
в действие механизмы перезаряжания и осуществляется следующий
выстрел.
Двигатель
автоматики
Направление
перемещения
штока
Механизм подачи
Кривошипно-шатунный
механизм
Рисунок 1.34. Двигатель автоматики пушки ГШ-6-23М
В базовых образцах многоствольного оружия (Рисунок 1.34) возвратно-поступательное движение поршней через шток передаётся кривошипно-шатунному механизму. В результате чего возвратнопоступательное движение преобразовывается во вращательное движение блока стволов.
В пулемёте ЯкБ-12.7 двигатель автоматики связан с ведущим
звеном, т.е. блоком стволов с помощью копирно-роликового механизма.
55
1.7.3. Вспомогательные механизмы
Вспомогательные механизмы входят в конструкцию ААО, но не
участвуют в подготовке и производстве стрельбы. В ААО вспомогательные механизмы выполняют, в общем случае, следующие функции:
выдают информацию о готовности оружия к стрельбе;
выдают сигналы о количестве произведённых выстрелов;
обеспечивают охлаждение теплонагруженных участков
стволов;
снижают усилие отдачи на лафет установки.
Датчики информации.
Функцию выдачи информации о готовности оружия к стрельбе
выполняет специальный датчик – датчик готовности.
Главным элементом конструкции этого датчика является подвижный контакт, который взаимодействует непосредственно или через какую-либо деталь с ведущим звеном оружия.
В двуствольном оружии (пушки ГШ-23, ГШ-30, ГШ-30К) подвижный контакт замыкает электрическую цепь при приходе одного из
ползунов в крайнее переднее положение. По этой причине указанный
датчик называют ещё датчиком переднего положения. Крайнее переднее положение ползуна означает, что канал ствола полностью заперт и
автоматика оружия готова к стрельбе. При замыкании цепи электрической сигнал в виде напряжения +27В выдаётся в систему управления
оружием (СУО) летательного аппарата (ЛА), где формируется индикация готовности оружия к стрельбе.
Функцию выдачи сигналов о количестве произведённых выстрелов выполняет, так называемый, счётчик остатка патронов (СОП).
Его конструкция и принцип действия аналогичен датчику готовности. Подвижный контакт также взаимодействует непосредственно
или через группу деталей с ведущим звеном оружия. При замыкании
им электрической цепи в СУО ЛА выдаётся импульс напряжением
+27В. В различных образцах ААО управление подвижным контактом
организовано по-разному. Так, например, один импульс выдаётся после
одного выстрела в пушке ГШ-301 (Рисунок 1.35). В исходном (переднем) положении агрегата ствола венчик плунжера находится на токопроводящем контакте, в результате чего электрическая цепь замкнута.
В процессе выстрела плунжер, взаимодействуя с откатывающимся агрегатом ствола, смещается назад и выходит на изолятор. В результате
56
электрическая цепь разрывается. Таким образом, формируются электрические импульсы.
В пушках ГШ-23, ГШ-30, ГШ-30К один импульс выдаётся после
двух выстрелов, а в пушке ГШ-6-23М - после пяти выстрелов.
В системе управления оружием производится подсчёт поступивших из оружия импульсов и формируется индикация боекомплекта на
борту ЛА.
Плунжер
Токопроводящий
контакт
Изолятор
Рисунок 1.35. Счётчик остатка патронов пушки ГШ-301
Датчик готовности оружия к стрельбе и СОП часто определяются
единым термином – датчики информации.
Система охлаждения ствола.
При стрельбе очередями из одноствольного и двуствольного
оружия, после каждой очереди (кроме случая израсходования полного
боекомплекта патронов) в патроннике остаётся патрон. Так как каждый
выстрел сопровождается образованием пороховых газов, имеющих высокую температуру (2500…2700°С), то патронник и примыкающий к
нему участок нарезной части ствола сильно разогреваются. Патрон,
оставшийся в патроннике после предыдущей очереди, в течение некоторого промежутка времени также сильно разогревается. Это может
привести к возгоранию его порохового заряда, т.е. самопроизвольному,
нештатному выстрелу.
Способность оружия обеспечить любой напряжённый, но штатный, режим стрельбы без самопроизвольного срабатывания патрона,
находящегося в патроннике, называется термостойкостью оружия. Она
оценивается в выстрелах. Чем больше можно произвести выстрелов без
57
самопроизвольного срабатывания патрона, тем выше термостойкость
оружия.
С целью охлаждения участка ствола, подверженного наибольшему нагреву при стрельбе, т.е. с целью повышения термостойкости, в
конструкции оружия (пушки ГШ-301, ГШ-30К) предусматривается система охлаждения ствола.
Кожух
Охлаждающая жидкость
Пробка
Винтовые канавки
Направление движения
пароводяной смеси
Рисунок 1.36. Система охлаждения пушки ГШ-30К
Охлаждающая жидкость заливается в кожух (Рисунок 1.36) через
специальную пробку. В процессе стрельбы вода превращается в пароводяную смесь, которая проходит вдоль ствола по винтовым канавкам и охлаждает его. Через передний сальник пароводяная смесь выходит в атмосферу.
Амортизаторы силы отдачи.
В процессе стрельбы на корпус оружия действует значительная
по величине (250000…300000Н) сила отдачи, которая может привести к
поломке лафета и установки в целом.
Для снижения величины отдачи в конструкции оружия имеются
специальные устройства – амортизаторы силы отдачи или, просто,
амортизаторы. Главной деталью амортизаторов является упругий элемент, обычно это пружина. Она непосредственно воспринимает и снижает силу отдачи.
В зависимости от устройства пружины различают два типа амортизаторов, которыми снабжены базовые образцы ААО:
амортизаторы с витой пружиной (пружинные);
5. Изд. №9872
58
амортизаторы
с
кольцевой
пружиной
(пружинофрикционные).
Амортизаторы с витой
пружиной (Рисунок 1.37)
нашли применение в пушках
ГШ-23, ГШ-6-23М, с кольцевой пружиной (Рисунок 1.38)
Рисунок 1.37. Витая пружина
пушки ГШ-6-23М
- в пушках ГШ-30, ГШ-30К
Кольцевая пружина –
это набор стальных колец, из которых одни являются внешними, а другие – внутренние. Кольца взаимодействуют между собой конусными
поверхностями.
Конусные поверхности
Внутреннее кольцо
Внешнее кольцо
Рисунок 1.38. Кольцевая пружина пушек ГШ-30, ГШ-30К
Кроме амортизаторов, некоторое снижение величины силы отдачи обеспечивают специальные надульные устройства – локализаторы.
Локализатор представляет собой насадку на конце ствола, у которой
сделаны боковые отверстия. Через эти отверстия происходит рассеивание газового потока после выхода снаряда из канала ствола. Локализаторы нашли применение в пушках ГШ-23Л (Рисунок 1.39).
Рассеянный
газовый поток
Основной
поток газа
Рисунок 1.39. Пушка ГШ-23Л с локализаторами
59
По сравнению с пушками ГШ-23, не имеющими локализаторов,
величина силы отдачи в пушках ГШ-23Л уменьшилась, в среднем, на
10…11%.
1.8. Цикл автоматики авиационного артиллерийского оружия
и пути снижения его продолжительности
Цикл автоматики ААО – это совокупность операций перезаряжания, выполняемых по неизменному алгоритму и заканчивающихся
выстрелом.
Очевидно, что время цикла автоматики складывается из времени
выполнения операций перезаряжания и времени выстрела:
tц = tп + tс + tд + tз + tот + tэ + tу + tв
(1.7)
Чем короче по продолжительности один цикл, тем выше темп
стрельбы. В общем случае формула для расчёта темпа стрельбы имеет
вид:
Т=
60
tц
,
(1.8)
где tц – продолжительность цикла в секундах.
В России принято темп стрельбы измерять в выстрелах в минуту (выстр./мин), поэтому в числителе формулы стоит число 60.
Для графического представления цикла автоматики используется
циклограмма, т.е. специальный график, на котором по оси абсцисс откладывается время, а по оси ординат обозначаются операции перезаряжания или откладывается перемещение некоторых деталей, участвующих в перезаряжании оружия. Чаще используется два вида циклограмм: ленточная и круговая. Ленточная циклограмма (Рисунки 1.40,
1.42) представляет совокупность полос, расположенных параллельно
горизонтальной оси. Каждая полоса соответствует одной операции перезаряжания. На круговой циклограмме (Рисунок 1.43) каждая операция обозначается сектором. Полному циклу автоматики соответствует
360°.
Как указывалось выше, главное требование, предъявляемое к
ААО, – высокий темп стрельбы. Исходя из этого требования, к настоящему времени чётко обозначились два направления изысканий,
направленных на снижение продолжительности цикла.
5*
60
Первое – это интенсификация работы механизмов перезаряжания,
т.е. сокращение времени, отводимого на выполнение каждой операции
перезаряжания и, в том числе, времени выстрела.
Второе – это полное или, в крайнем случае, частичное совмещение времени выполнения некоторых операций перезаряжания.
Очевидно, что при разработке новых образцов оружия учитываются результаты изысканий, как первого, так и второго направлений.
Интенсификация работы.
Сократить время выполнения той или иной операции перезаряжания можно за счёт увеличения скорости движения деталей в составе
соответствующего механизма перезаряжания. Реальными путями увеличения скорости движения является уменьшение массы деталей, тщательная конструкторская проработка конфигурации деталей, применение высококачественных, более лёгких материалов для изготовления
деталей.
Однако, существуют предельные значения скоростей, определяемые прочностью деталей. Детали артиллерийского оружия, как правило, имеют сложную конфигурацию (вырезы, острые углы, выступы и
т.д.) и поэтому их прочность ограничивается опасностью поломок в местах концентрации напряжений, возникающих при ударах. Величина
указанных напряжений прямо пропорциональна величине кинетической энергии взаимодействующих (соударяющихся) деталей. По этой
причине очень важно проводить исследования по определению рационального распределения энергии между всеми взаимодействующими
деталями и механизмами перезаряжания. Например, пусть одни детали
имеют излишний запас энергии. Для снижения их скорости движения
придётся поглощать энергию с помощью гидротормоза (пушка ГШ301). В то же время другие детали, обладая недостаточным запасом
энергии, перемещаются слишком медленно. Поэтому, если излишнюю
энергию первых деталей не поглощать безвозвратно, а в нужный момент передавать вторым, то результатом может стать сокращение времени их движения. К настоящему времени, по результатам многолетнего опыта проектирования и отладки современного артиллерийского
оружия установлено, что запас кинетической энергии детали в момент
её удара о другую неподвижную деталь или преграду не должен превышать 150 Н•м.
Снижение времени выполнения операции подачи ограничено величиной скорости перемещения патронной ленты, которая определяется, исходя из прочности звеньев. Для существующих в настоящее время
61
форм звеньев, а также с учётом механических характеристик стали, из
которой они изготовляются и параметров патронной ленты, скорость
движения последней не должна превышать 6…8 м/с.
Сокращение времени выполнения операции досылания связано с
увеличением скорости досылания патрона. Увеличение скорости, в
свою очередь, ограничено прочностью соединения снаряда с гильзой.
Как было отмечено выше, для исключения осадки снаряда и распатронивания при ударном досылании, скорость патрона относительно ствола в момент остановки не должна превышать 20 м/с. Применение безударного досылания позволило в 1.5…2.0 раза увеличить максимальную скорость патрона при досылании и, тем самым, существенно снизить время досылания.
Снижение времени экстракции ограничено прочностными характеристиками гильзы. При ранней экстракции высокое остаточное давление пороховых газов внутри гильзы может привести к её разрыву и,
следовательно, к выходу из строя оружия.
Таковы основные ограничения на пути интенсификации операций перезаряжания.
Совмещение операций.
Из выражения (1.7) можно сделать очевидный вывод, что если бы
все операции, образующие цикл автоматики, удалось совместить с какой-нибудь одной из них, то было бы получено минимальное время
цикла, а оружие имело бы почти предельный темп стрельбы. В настоящее время нет таких технических возможностей, которые бы позволили
реализовать указанный алгоритм.
Многочисленные работы, целью которых было исследование
возможностей совмещения операций перезаряжания, привели к отличию в конструкции главного устройства оружия – «ствол – патронник».
Появилось оружие, в котором число патронников равно числу стволов
и оружие, в котором число патронников больше числа стволов. Указанные разновидности оружия имеют существенные различия в алгоритме
цикла автоматики. Цикл автоматики оружия, в котором число патронников равно числу стволов называется обычным циклом. А цикл автоматики оружия, в котором число патронников больше числа стволов,
называется револьверным циклом или, часто говорят, циклом барабанного типа.
Все базовые образцы ААО имеют цикл автоматики обычного типа. Из отечественных образцов только 23-мм авиационная пушка Р-23
имела револьверный цикл автоматики.
62
1.9. Анализ цикла автоматики одноствольного оружия
В одноствольном оружии с обычным циклом автоматики время tц
цикла складывается из времени tв выстрела и времени работы тех механизмов перезаряжания, которые выполняют не совмещаемые на практике операции, а именно, отпирание (tот), экстракцию (tэ), досылание
(tд) и запирание (tз), т.е.
tц = tв + tот + tэ + tд + tз ,
(1.9)
Время выстрела, в свою очередь, определяется как сумма
tв = tстр + tкв + tф + tсн ,
(1.10)
где tстр – время срабатывания стреляющего механизма;
tкв – время срабатывания капсюля - воспламенителя. Например, среднее значение времени срабатывания электрокапсюлявоспламенителя типа ЭКВ-30М составляет 0,25 мс.
tф – время форсирования, т.е. время от момента воспламенения порохового заряда до начала движения снаряда по нарезной части
канала ствола. К примеру, среднее значение времени форсирования при
использовании штатного 30-мм патрона типа АО-18 в пушках ГШ-301,
ГШ-30 составляет 0,65 мс.
tсн – время от начала движения снаряда до момента начала
отпирания канала ствола. На практике это происходит тогда, когда давление пороховых газов в канале ствола уменьшится настолько, чтобы
при отпирании не произошло разрыва гильзы или нарушения режима
работы каких-либо механизмов оружия. Например, среднее значение tсн
для пушек ГШ-301, ГШ-30 приблизительно равно 2,5 мс.
Следует подчеркнуть, что формула (1.9) справедлива только для
идеального случая, т.е. когда операции удаления, подачи и снижения
полностью совмещены по времени выполнения с операциями отпирания, экстракции, досылания и запирания.
Однако, в реальных образцах оружия осуществить такой идеальный цикл, по различным техническим причинам, не удаётся. Обычно
совмещаются частично или полностью следующие операции: снижение
с удалением, досылание со снижением, экстракция с удалением, подача
с досыланием или запиранием. На рисунке 1.40, в качестве примера,
показана ленточная циклограмма работы пушки ГШ-301. Ведущим
звеном пушки и одновременно двигателем автоматики являются ствол
с казёнником. За один цикл это звено совершает движение в откате и
накате, обеспечивая тем самым функционирование всех механизмов
оружия. На этой пушке существенно интенсифицирована работа
63
Запирание
t з  3,0 мс
Досылание
t д  16,0 мс
Снижение
t сн  4,0 мс
Подача
t п  17,0 мс
Удаление
t у  1,2 мс
Экстракция
t э  0,8 мс
Отпирание
t от  3,0 мс
Окончание цикла
tц = 37,5 мс
Выстрел
ВРЕМЯ
Движение ствола
с казёнником
0
t в  3,5 мс
5
10
В ОТКАТЕ, tотк.13,0 мс
15
20
25
В НАКАТЕ, tнак.  24,5 мс
Рисунок 1.40. Циклограмма работы 30-мм авиационной пушки ГШ-301
64
30
35
мс
механизмов перезаряжания, а также найден оптимальный вариант совмещения операций перезаряжания. Как видно из циклограммы, операция удаления частично совмещена по времени выполнения с экстракцией, операция снижения - с досыланием, а подача – с досыланием и
полностью с запиранием. В результате при сравнительно малом весе
данная пушка обладает темпом стрельбы 1500…1800 выстр./м. Это рекордный, в настоящее время, темп стрельбы среди одноствольных пушек 30-го калибра с обычным циклом автоматики.
Принципиальной особенностью работы автоматики любого одноствольного оружия с обычным циклом является остановка движения
всех механизмов во время выстрела, т.е. в течение времени tв.
Одноствольное оружие обладает сравнительно небольшой массой
и габаритами, что облегчает размещение его на подвижных артиллерийских установках.
В целом, одноствольная схема автоматики характеризуются
ограниченными возможностями по повышению темпа стрельбы. Основное ограничение связано с проблемой живучести ствола, т.е. способностью нарезки ствола, в условиях интенсивного разогрева, противостоять механическому воздействию ведущих поясков снарядов. Разработка двуствольных схем автоматики с обычным циклом позволила
частично решить указанную проблему.
1.10. Анализ цикла автоматики двуствольного оружия
С целью дальнейшего повышения темпа стрельбы ААО была
разработана двуствольная схема автоматики (пушки ГШ-30, ГШ-30К,
ГШ-23), которая имеет в 2…3 раза больший темп стрельбы при массе и
габаритах примерно на уровне одноствольного оружия. Аналогично
одноствольному, принципиальной особенностью двуствольного оружия является остановка движения всех механизмов автоматики во время выстрела, которое также определяется значением tв. Время tц цикла
автоматики каждого ствола определяется по формуле (1.9). Однако,
операции перезаряжания, выполняемые в каждом стволе, смещены относительно друг друга по времени выполнения (Рисунок 1.41).
Так, например, пока в правом стволе выполняются операции отпирания и экстракции, в левом, синхронно с ними, выполняются досылание и запирание. С операциями отпирания и экстракции совмещены
операции удаления, подачи и снижения. Выстрелы следуют поочерёдно
из каждого ствола.
65
Останов
Досылание
Запирание
Выстрел
Отпирание
Экстракция
Выстрел
Рисунок 1.41. Процесс выстрела в двуствольном оружии
Таким образом, время цикла двуствольного оружия в целом
определяется выражением
tц = tв + tд + tз,
(1.11)
На рисунке 1.42, в качестве примера, показана циклограмма работы пушки ГШ-30. Принимается, что выстрел произошёл из правого
ствола. В процессе выстрела часть пороховых газов через специальное
отверстие в стволе отводится в предпоршневое пространство газового
цилиндра левого двигателя автоматики. Под действием силы давления
пороховых газов поршень начинает перемещаться (максимальное значение силы давления пороховых газов в газовом цилиндре может достигать 72000…74000 Н). Поршень жёстко связан со своим ползуном
(правым). Точно также поршень левого двигателя автоматики жёстко
связан со своим ползуном (левым). Ползуны кинематически связаны
между собой с помощью шестерни и являются ведущими звеньями автоматики пушки. За один цикл работы автоматики, т.е. за время tц, каждый из ползунов совершает движение только в одном направлении. В
данном случае, правый ползун откатывается, инициируя через соответствующие механизмы выполнение операций отпирания, экстракции,
удаления, подачи и снижения. Левый ползун накатывается, включая в
работу механизмы досылания и запирания. Максимальная скорость перемещения ползунов составляет 12…13,5 м/с.
Выстрел из каждого ствола обеспечивает один стреляющий механизм электрического типа. Электрический импульс подаётся на электрокапсюль-воспламенитель патрона в момент полного запирания
ствола, из которого будет производиться выстрел. Перед выстрелом все
механизмы и детали, находящиеся в движении ударно останавливаются, а после выстрела также ударно включаются в движение.
Отпирание канала ствола и экстракция гильзы производятся затвором. При отпирании происходит поперечное движение затвора вниз,
а при экстракции движение назад. После удара об отражатель гильза
66
удаляется за пределы автоматики оружия. Аналогично удаляется осечный патрон.
В этот же ствол во время отпирания и экстракции осуществляется
подача и снижение нового патрона. Механизм подачи, имеющий звезду
подачи, кинематически связан с ползунами. За один цикл работы автоматики (tц) механизм подачи подаёт патронную ленту на один шаг.
Максимальная скорость перемещения патронной ленты около 5.5 м/с.
Один механизм подачи обслуживает оба ствола.
С каждым из ползунов кинематически связаны свои два снижателя (передний и задний). Они обеспечивают снижение патрона из звена
патронной ленты на линию досылания.
Безударное досылание патронов производится затворами при их
движении вперёд, т.е. в направлении стрельбы. Каждый ствол имеет
свой затвор. Через ускорительные механизмы каждый из затворов связан со своим ползуном. Плавный разгон и торможение затворов обеспечивает копирное устройство. Максимальная скорость затворов на
участке разгона лежит в пределах 30…32 м/с.
Запирание канала ствола осуществляется поперечным перемещением вверх переднего снижателя, в направляющих которого находится
затвор.
Время цикла пушки ГШ-30 составляет в среднем 19 мс.
Проблема живучести стволов стоит и перед двуствольным оружием, ограничивая рост темпа стрельбы.
Из выражения (1.11) очевидно, что дальнейшее повышение темпа
стрельбы связано, прежде всего, с уменьшением времени выполнения
операции досылания, как наиболее продолжительной. Технически реализовать это в двуствольном оружии оказалось невозможно.
Разработка многоствольных схем автоматики интенсифицировала
операцию досылания и, главное, снизило остроту проблемы живучести
стволов. Многоствольные – это схемы автоматики с тремя и более
стволами.
1.11. Анализ цикла автоматики многоствольного оружия
В многоствольном оружии каждый ствол скреплён со своим патронником, а все вместе они объединены в блок стволов (Рисунок 1.30).
С каждым патронником взаимодействует свой затвор. В процессе
стрельбы блок стволов вместе с затворами непрерывно вращается
67
Правый ствол
Левый
ствол
Запирание
t з  2,0 мс
Досылание
t д  14,0 мс
Движение левого
ползуна в накате
В р е м я, мс
0 1 2 3
Движение правого
ползуна в откате
Выстрел
tв5,5 мс
Отпирание
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18
t от  2,0 мс
Экстракция
Удаление
t э  7,0 мс
t у  1,0 мс
Подача
Снижение
t п  13,0 мс
t сн  4,5 мс
Рисунок 1.42. Циклограмма работы 30-мм авиационной пушки ГШ-30
68
вокруг своей продольной оси. Одновременно с вращением затворы совершают возвратно-поступательное движение вдоль осей стволов. Как
правило, это движение осуществляется за счёт взаимодействия ведущих роликов затворов с фигурным замкнутым пазом, т.е. копиром на
внутренней поверхности кожуха оружия (Рисунок 1.43).
Ведущий
ролик затвора
Ведущий
ролик затвора
Копир
Рисунок 1.43. Копир пушки ГШ-6-23М
При этом одни затворы перемещаются назад, извлекая гильзы, а
другие – вперёд, безударно досылая патроны в патронники. Один из затворов занимает в течение некоторого времени крайнее переднее положение. Канал ствола в этом случае заперт и из этого ствола производится выстрел. В это же время другой затвор находится в крайнем заднем положении и в его лапки производится снижение очередного патрона. Выстрелы происходят поочерёдно из каждого ствола. После
каждого выстрела производится отпирание соответствующего ствола,
экстракция и удаление гильзы. Поступательное перемещение патронной ленты в процессе стрельбы осуществляется безостановочно. Скорость её перемещения строго согласована со скоростью вращательного
движения блока стволов.
Следует особо подчеркнуть, что непрерывное вращение блока
стволов в процессе стрельбы вызывает непрерывное движение
69
00
Экстракция (1400)
Продолжительность выполнения операций перезаряжания (Т=9000 в/м)
Угол поВремя,
Операция
ворота
мс
0
Досылание
153
17
Запирание
180
2,0
Отпирание
220
2,4
0
Экстракция
140
15,6
Направление
вращения блока
стволов (вид со
стороны дульного
среза)
3000
N1
600
N6
N2
N3
N5
1200
0
240
N4
Досылание (1530)
Отпирание (220)
Цикл автоматики оружия
Выстрел (380)
Запирание (180)
1800
Рисунок 1.44. Циклограмма работы 23-мм авиационной пушки ГШ-6-23М
70
механизмов перезаряжания и непрерывное перемещение патронной
ленты. Это является принципиальной конструктивной особенностью
современных многоствольных схем автоматики (пушки ГШ-6-30А,
ГШ-6-23М, пулемёты ЯкБ-12.7, ГШГ-7.62М). Такое оружие получило
название – многоствольное оружие с вращающимся блоком стволов.
Принцип стрельбы с вращением блока стволов был реализован
ещё во второй половине IX века в картечнице Гатлинга. Отсюда происходит термин «схема Гатлинга», часто употребляемый для характеристики многоствольного оружия с вращающимся блоком.
Многоствольная схема автоматики в максимальной степени реализует основные принципы интенсификации работы механизмов перезаряжания:
безостановачность движения всех механизмов автоматики
(в том числе в процессе выстрела);
совмещение (полное и частичное) всех операций перезаряжания;
равномерность подачи патронной ленты (без остановки);
безударность досылания патронов.
На рисунке 1.44, в качестве примера, показана круговая циклограмма пушки ГШ-6-23М. Условно принято, что выстрелы происходят
тогда, когда каждый из стволов приходит в нижнее положение. Если
ствол занимает положение №1, то очередной патрон снижается в лапки
затвора и устанавливается на линии досылания. При перемещении
ствола в положение №2 патрон досылается в патронник примерно на
1/3, а в положение №3 почти на 4/5 своей длины. При перемещении
ствола в положение №4 завершается досылание патрона в патронник.
Одновременно с завершением досылания начинается запирание канала
ствола. После окончания запирания происходит выстрел. Время выстрела заканчивается в процессе перемещения ствола в положение №5.
Перед тем, как ствол займёт положение №5, производится операция отпирания и начинается экстракция гильзы. При перемещении ствола в
положение №6 экстракция продолжается, а при перемещении в положение№1 экстракция заканчивается, гильза удаляется и очередной патрон снижается в лапки затвора. При этом подача патронной ленты
происходит непрерывно, причём при каждом повороте блока стволов
на 60° лента перемещается на один шаг.
Таким образом, подготовка одного ствола к выстрелу, или, как
говорят, цикл ствола, происходит за один оборот (360°) блока стволов.
Время цикла ствола определяется выражением (1.9).Цикл автоматики
78
пушки ГШ-6-23М происходит при повороте блока стволов на 60°. При
этом он включает завершающую стадию операции досылания патрона,
стадию запирания, не совмещённую с досыланием и некоторую часть
процесса выстрела. Время цикла автоматики пушки определяется выражением
1
1
1
tц  t д  t з  t в .
5
2
2
(1.12)
Величина времени цикла автоматики пушки ГШ-6-23М примерно
равна 6.5 мс. Это обеспечивает стрельбу с темпом около 9000 выстр./с.
На сегодняшний день, 23-мм пушка ГШ-6-23М является самой высокотемпной авиапушкой в мире.
Итак, в многоствольном оружии время цикла автоматики определяется выражением
tц = κд· tд + κз· tз + κв· tв ,
(1.13)
где коэффициенты κд, κз, κв < 1.0.
Величина этих коэффициентов зависит от конкретного образца
оружия. Например, для пушки ГШ-6-23М κд=1/ 5, κз=1/2, κв=1/2, а для
пушки ГШ-6-30А κд=1/4, κз=1/4, κв=2/3. Цикл автоматики четырёхствольных пулемётов ЯкБ-12.7 и ГШГ-7.62М совершается при повороте блока стволов на 90°, но значения коэффициентов также меньше 1.
Что касается количества стволов в блоке, то их увеличение повышает момент инерции блока и, тем самым, затрудняет разгон блока
стволов при начале стрельбы. Кроме того, с ростом количества стволов
увеличиваются масса и габариты оружия. Расчёты и опыт проектирования многоствольного оружия показывают, что собирать в блок более
восьми стволов нецелесообразно.
1.12. Анализ револьверного цикла автоматики оружия
Как уже отмечалось выше, для оружия с циклом автоматики револьверного типа характерным признаком является то, что число патронников больше числа стволов. На практике наибольшее распространение получило оружие с одним стволом и несколькими патронниками.
Это отечественная 23-мм авиационная пушка Р-23 (Рисунок 1.45),
Рисунок 1.45. 23-мм авиационная пушка Р-23
72
французские 30-мм пушки Дефа–552, Дефа-553 (Рисунок 1.46), американская пушка М-39 и другие. Единственным примером двуствольного
оружия является американская 20-мм авиационная пушка Мк-11. Многоствольного оружия с циклом автоматики барабанного типа на сегодняшний день не существует.
Рисунок 1.46. 30-мм авиационная пушка Дефа-552 (Франция)
Рассмотрим особенности функционирования схемы автоматики с
револьверным циклом на примере одноствольного оружия. Патронники, как правило, объединены в одном блоке - барабане. В процессе
стрельбы этот барабан вращается вокруг своей продольной оси, которая параллельна оси канала ствола. При вращении каждый из патронников последовательно совмещается со стволом, т.е. ось патронника
совмещается с осью канала ствола. В этот момент происходит выстрел
и в течение всего времени tв механизмы автоматики неподвижны. Допустим, патрон заперт в патроннике №1 (Рисунок 1.47). В патроннике
№2 находится гильза предыдущего патрона. В патронник №4 дослан
очередной патрон, а перед патронником №3 установлен патрон, который готов к досыланию. Произошёл выстрел. После истечения времени
tв происходит поворот барабана на 90°. За время поворота осуществляется отпирание патронника №1, экстракция гильзы из патронника №2,
досылание патрона в патронник №3 и запирание патрона в патроннике
№4. Одновременно осуществляется подача патронной ленты, снижение
патрона (если необходимо), и удаление гильзы. Происходит новый выстрел и процесс повторяется.
Таким образом, характерной особенностью револьверного цикла
автоматики является полное совмещение всех операций перезаряжания
с операцией досылания. Время цикла tц складывается из времени досылания tд и времени выстрела tв. Такой цикл часто называют идеальным.
В реальности добиться полного совмещения операций пока не удаётся.
73
По сравнению с обычным циклом автоматики, цикл револьверного типа имеет неоспоримые преимущества по темпу стрельбы. К
примеру, 23-мм одноствольная пушка АМ-23, автоматика которой работает по обычному циклу, имеет темп стрельбы 1200…1300 выстр./мин, а 23-мм одноствольная пушка Р-23 с револьверным циклом
автоматики имеет темп стрельбы 2400…2500 выстр./мин.
А
Направление досылания
Барабан
Ствол
Кожух
А
A-A
Направление вращения
барабана
00
Экстракция
(удаление и
подача со
снижением)
Досылание
№3
№2
2700
900
№4
Гильза
Патрон в
патроннике
№1
Запирание
Отпирание
1800
Выстрел
Рисунок 1.47. Схема автоматики с четырьмя патронниками
Время цикла револьверного типа можно уменьшить, если применить так называемое многотактное досылание. Для этого необходимо
иметь барабан с числом патронников от пяти и более. В этом случае патрон досылается в патронник не за один приём, а за несколько тактов,
число которых зависит от числа патронников. Например, если патронников шесть, тактов досылания будет три.
6. Изд. №9872
74
№4
№3
№5
№6
№2
№1
2/3
досылания
1/3 досылание
00
600
Экстракция
(удаление и
подача со
снижением)
0
№4
300
№3
№2
2400
Окончание
досылания
№5
№6
№1
1200
Отпирание
1800
Запирание
Выстрел
Рисунок 1.48. Схема автоматики с шестью патронниками
Пусть, патрон заперт в патроннике №1 (Рисунок 1.48). В патроннике №2 находится гильза предыдущего патрона. Перед патронником
№3 установлен патрон, который готов к досыланию. В патронник №4
один патрон дослан примерно на 1/3 своей длины, в патронник №5 другой патрон дослан на 2/3 своей длины, а в патронник №6 третий патрон
дослан полностью. Произошёл выстрел. После истечения времени tв
происходит поворот барабана на 60°. За время поворота осуществляется отпирание патронника №1, экстракция гильзы из патронника №2,
досылание патрона на 1/3 своей длины в патронник №3, досылание патрона на 2/3 своей длины в патронник №4, полное досылание патрона в
патронник №5 и запирание патрона в патроннике №6. Одновременно
75
осуществляется подача патронной ленты, снижение патрона (если
необходимо), и удаление гильзы. Происходит новый выстрел и процесс
повторяется.
В общем случае время идеального револьверного цикла определяется по формуле
tЦ  tВ 
tД
z 1
,
(1.14)
где z – число патронников.
Итак, теоретически оружие с револьверным циклом автоматики
имеет, неограниченные возможности повышения темпа. Одноствольное
оружие может иметь почти такой же темп стрельбы как многоствольное оружие с обычным циклом автоматики. Однако, на практике, эти
возможности существенно ограничены живучестью ствола. В оружии с
револьверным циклом проблема живучести стволов стоит значительно
острее, чем в оружии с обычным циклом автоматики. По этой причине
в настоящее время почти всё высокотемпное оружие имеет многоствольную схему автоматики с обычным циклом.
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ДВИГАТЕЛЕЙ АВИАЦИОННОГО АРТИЛЛЕРИЙСКОГО
ОРУЖИЯ
2.1. Особенности устройства стволов
авиационного артиллерийского оружия
Ствольный агрегат авиационного артиллерийского оружия использует энергию газов, образовавшихся при сгорании порохового заряда патрона. Основными элементами ствольного агрегата является
ствол, гильза и запирающий механизм.
Ствол с помощью гильзы и запирающего механизма ограничивает объем образующихся при выстреле пороховых газов и обеспечивает
требуемое их воздействие на снаряд, в нем снаряд получает заданное
поступательное и вращательное движение.
Ствол предназначен для сообщения снаряду поступательного
движения с определенной начальной скоростью и вращения его относительно продольной оси с целью обеспечения устойчивого поле-
76
та снаряда на траектории.
Стволы бывают нарезные и гладкоствольные, составные и унитарные. В авиационном артиллерийском оружии используются только
нарезные стволы.
Гильза, как элемент ствольного агрегата, служит для закрывания
заднего отверстия ствола и его обтюрации, а также обеспечивает воспламенение порохового заряда с помощью расположенного в ее дне
капсюля-воспламенителя.
Запирающий механизм удерживает гильзу в стволе во время выстрела.
Основой конструкции ствольного агрегата (блока стволов) является ствол. Ствол представляет собой открытую с двух концов трубу
(рисунок 2.1). Внутреннюю поверхность ствола называют каналом
ствола. Передняя торцевая часть ствола (без учета дульных устройств)
строго перпендикулярна оси ствола и называется дульным срезом, а
задний торцевой срез – казенным срезом (пенек ствола).
Канал ствола в общем случае имеет патронник, нарезную часть и
соединительный конус на котором начинаются нарезы. Патронник (казенная часть канала ствола) служит для размещения патрона перед выстрелом. Патрон удерживается в нем с помощью запирающего механизма.
Нарезная часть (нарезная часть канала ствола НЧКС) является
основной, т.к. в ней снаряд получает поступательное и вращательное
движение. Поступательное движение снаряду сообщается путем его
разгона в направляющей части ствола давлением пороховых газов,
находящихся в заснарядном пространстве. Длина ствола и масса порохового заряда выбираются, исходя из необходимой начальной скорости
снаряда после вылета из ствола, обеспечивающей его эффективное воздействие по цели, в частности, требуемую толщину пробиваемой им
брони.
Нарезная часть канала ствола применяется для снарядов, устойчивость которых на траектории обеспечивается вращением. В этом
случае канал ствола является не только направляющей, по длине которой снаряд разгоняется до заданной скорости, но и обеспечивает снаряду нужную для стабилизации полета скорость вращения.
77
Стволы с гладким каналом применяются для снарядов, стабилизация полета которых осуществляется оперением.
Нарезная часть канала ствола
(НЧКС)
Соединительный конус
Казенная часть ствола
(патронник)
Канавки
Ревелли
Рисунок 2.1. Продольный разрез ствола
Пенек
ствола
Дульная часть ствола может иметь различные дульные устройства: дульный тормоз, локализатор и т.д.
Большое влияние на рассеивание снарядов оказывает точность
обработки и состояние дульного среза. Дульный срез должен быть
строго перпендикулярным к оси ствола и не иметь повреждений, так
как всякое его повреждение вызывает дополнительное рассеивание
снарядов при стрельбе.
Патронник служит для размещения патрона. Поэтому его форма
определяется формой гильзы патрона, ее наружной конфигурацией.
Кроме того, форма и размеры патронника тесно связаны с таким фактором, как фиксация патрона, который перед выстрелом должен занимать
в патроннике строго определенное положение для того, чтобы обеспечить надежное срабатывание капсюля патрона.
В ААО патрон досылается в патронник с большой скоростью, поэтому в конце досылания, при остановке патрона, возникают большие
инерционные нагрузки. При этих условиях может происходить деформация гильзы и нарушение целостности патрона (распатронирование,
трещины в гильзе).
Существует несколько способов фиксации патрона в патроннике:
посадка патрона на специальный буртик, выполненный на гильзе; патрон в конце досылания опирается на скат гильзы; патрон удерживается в патроннике специальным фиксатором, заскакивающим за закраину
гильзы; патрон при остановке удерживается в экстракторах затвора.
Могут использоваться их различные комбинации.
78
Соединительный конус является переходным элементом между
патронником и НЧКС. Длина соединительного конуса выбирается из
условия оптимального прилегания ведущего пояска (ВП) снаряда к
нарезам: с одной стороны, чтобы не было предварительного врезания
пояска в нарезы, с другой, – между пояском и нарезами должен существовать зазор. Длина соединительного конуса делается в пределах
0,25…1,0 калибра снаряда.
В авиационном артиллерийском оружии применяются следующие типы стволов: ствол моноблок, ствол с лейнером, скрепленный и
автоскрепленный ствол.
Ствол моноблок или автоскрепленный ствол получил большое
распространение из-за технологичности изготовления. Как правило,
применяется для оружия калибра менее 100 мм и давлении в канале
ствола менее 500 МПа. При потере живучести НЧКС ствол заменяется
целиком на новый ствол моноблок. Такой тип ствола применяется на
всех базовых образцах ААО, кроме пулемета ЯкБ-12,7 и пушки ГШ-23.
Ствол с лейнером или со свободной трубой применяется, главным образом, с целью экономии металла, из которого изготовляются
стволы, так как при потере живучести меняется только изношенная
внутренняя часть канала ствола. Лейнирование ствола осуществляется
либо по всей длине, либо в наиболее напряженных местах, например, в
казенной части канала ствола и соединительного конуса.
В стволах со свободным лейнером зазор между тонкостенной
трубой (лейнером) и внутренней поверхностью ствола по мере увеличения давления пороховых газов выбирается, после чего в деформации
ствола участвует и его оболочка. Дульная часть лейнера работает как
простой моноблок, так как под действием сравнительно небольших
давлений зазор полностью не выбирается.
Свободная труба в отличие от свободного лейнера закрыта оболочкой не по всей длине. Это выгодно, так как уменьшаются поверхности, подлежащие точной обработке. Однако стенки свободной трубы
должны быть толще, чем у лейнера.
Ствол с лейнером используется в пулемете ЯкБ-12,7.
Скрепленные стволы нашли применение в оружии большого калибра, и в оружии, в котором во время выстрела создается большое
давление пороховых газов. Скрепление ствола осуществляется либо по
всей длине, либо с натягом в казенной части. Такой ствол с предварительно напряженной внутренней трубой позволяет повысить предел
79
упругости материала на величину, напряжения предварительного сжатия металла поверхности ствола.
Стволы ААО имеют ограниченный срок службы, так как их канал
изнашивается в процессе эксплуатации. Для восстановления баллистических свойств не скрепленный ствол заменяют полностью, а в скрепленном обычно заменяется изношенная труба. Такая конструкция ствола применяется на пушке ГШ-23.
Автоскрепленный или автофретированный ствол по внешнему
виду ничем не отличается от обычных стволов моноблоков, однако, на
их внутренней поверхности предварительным нагружением сверх предела текучести создается зона остаточных деформаций, увеличивающая
прочностные свойства ствола.
Сущность автоскрепления заключается в следующем. Если подвергнуть ствол достаточно большому внутреннему давлению, такому,
чтобы внутренние слои его испытали пластическую деформацию, то
после снятия давления произойдет упрочение этих слоев за счет образования наклепа металла и за счет появления остаточных напряжений
сжатия. После снятия нагрузки внутренние слои не придут в первоначальное состояние вследствие остаточных деформаций. В то же время
внешние менее деформированные слои будут стремиться возвратиться
к первоначальному положению. Вследствие этого внутренние слои
окажутся сжатыми, и во время выстрела такой ствол будет работать как
скрепленный (с непрерывным скреплением).
К стволам предъявляются жесткие требования по технологичности изготовления, по прочности, по жесткости, весу и габаритам. В
настоящее время для изготовления стволов применяются следующие
марки специальных сталей 30ХН2МФА, ОХНЗМФА, 25ХЗЗНБЦА-Ш.
В артиллерийском оружии экстракция гильз производится, как
правило, при значительном остаточном давлении пороховых газов
(15…20 МПа). При этом происходит опрессовка гильзы по поверхности
патронника, что резко увеличивает усилие ее экстракции и может приводить к поперечным разрывам гильзы, срыву закраины гильзы при
экстракции.
С целью предотвращения указанных явлений патронник изготавливают с продольными канавками (рисунок 2.2), которые называются
канавками Ревелли.
80
Применение канавок Ревелли,
с одной стороны, уменьшают площадь соприкосновения гильзы с паГильза
тронником, что снижает силу трения,
а с другой – снижается обжатие за
Пороховые
счет противодавления со стороны
газы
пороховых газов, находящихся в канавках Ревелли.
Ствол
Испытания показали, что усилие экстракции гильзы из патронников, имеющих канавки Ревелли сниРисунок 2.2. Канавки Ревелли
жается в среднем на 30 ... 40 % по
сравнению с патронниками, не имеющими канавок Ревелли.
Длина ствола определяется при решении задачи внутренней баллистики из условия, что снаряду заданных калибра и массы необходимо сообщить определенную начальную скорость.
Увеличение длины ствола на готовом образце оружия всегда ведет к повышению начальной скорости снаряда.
В настоящее время авиационные пушки, предназначенные для
неподвижных установок истребителей, бомбардировщиков и штурмовиков, имеют длину ствола 50…60 калибров, а у пушек, которые размещаются на подвижных установках, длина ствола ограничивается
40…45 калибрами.
Наружные размеры и форма ствола определяются прочностью и,
кроме того, зависят от конструктивных особенностей оружия.
Стволы гранатометов и пулеметов устроены так же, как и у пушек. Следует лишь заметить, что пуля в отличие от снаряда и гранаты
не имеет ведущего пояска и врезается в нарезы своей оболочкой.
2.2. Определение и характеристики основных
технических данных нарезной части канала ствола
Вращательное движение снаряд получает одновременно с его
разгоном в направляющей части ствола. Для этого на поверхности этой
части канала ствола имеются винтовые пазы-нарезы, а в средней части
снаряда утолщение – ведущий поясок. При движении снаряда вдоль
канала ствола ведущий поясок врезается в нарезы и, взаимодействуя с
ним, приводит во вращение снаряд.
Вращение снаряда необходимо для обеспечения его устойчивости. Центр давления снаряда находится впереди его центра масс. В ре-
81
зультате при полете снаряда с углом атаки полная аэродинамическая
сила создает опрокидывающий момент. Вращение снаряда обеспечивает нейтрализацию действия этого момента. Вращающийся снаряд, как
гироскоп, под действием момента не опрокидывается, а совершает
сложное прицессионно-нутационное движение, причем при высокой
скорости вращения снаряд не только не опрокидывается, но и его угол
атаки практически не увеличивается, вращается лишь плоскость, в которой находится угол атаки. При недостаточно высокой скорости вращения угол атаки может существенно возрасти и снизить бронепробиваемость снаряда. Кроме того, в этом случае ухудшится баллистика
снаряда, увеличится время его полета и, как следствие, возрастет вероятность его промаха.
Нарезы (нарезка) – это пазы, идущие по винтовой линии на
внутренней поверхности нарезной части канала ствола и предназначенные для придания снаряду вращательного движения. Поперечное сечение канала ствола на этом участке (рисунок 2.3) называют
профилем нарезов. Профиль нарезов может быть прямоугольным, трапециевидным и сегментным.
Прямоугольные нарезы вполне обеспечивают надежное движение
снаряда по каналу ствола. Однако отсутствие плавного перехода от дна
нареза к гране нареза затрудняет заполнение материалом ведущего пояска всего нареза, особенно его углов. Вследствие этого в углах нарезов
могут возникать каналы, по которым прорываются пороховые газы.
Большая скорость течения газов в этих местах в совокупности с высокой температурой являются причиной ускоренного разгара ствола с
прямоугольной нарезкой.
Увеличению интенсивности разгара ствола способствует также
концентрация напряжений в углах нарезов при выстреле.
К указанным недостаткам следует отнести еще трудность удаления нагара из углов нарезов при чистке оружия после стрельбы.
Оставшийся нагар вызывает усиленную коррозию ствола, что сокращает срок эксплуатации ствола.
В настоящее время, в авиационном оружии применяются прямоугольные нарезы со скругленными углами. Такой профиль нарезов в
значительной степени устраняет недостатки, присущие прямоугольным
нарезам.
На поверхности НЧКС различают поле нареза, дно нареза и боковые грани нареза. Ширина поле нареза (а) обычно равна ширине дна
82
нареза (в). Номинальный диаметр канала ствола по полям нарезов (d)
называется калибром оружия.
в
d
d1
tн
н
d
a
hн
Рисунок 2.3. Технические характеристики НЧКС
Вращение снаряда вызывается тем, что в момент выстрела ведущий поясок снаряда врезается в нарезы и затем взаимодействует с одной из боковых граней нарезов. Та грань нареза, реакция которой сообщает снаряду вращательное движение, называется боевой, противоположная – холостой гранью.
Основными техническими характеристиками НЧКС являются:
1. Ширина поля (а) и дна (в) нареза. Обычно принимается следующее соотношения между ними а=(1,2.... 2,0)в.
2.
3.
4.
5.
6.
либрах.
Глубина нареза t H – постоянна по длине ствола и составляет
(0,014…0,020) d .
Число нарезов n1 – зависит от калибра оружия: для калибра
7,62 мм число нарезов равно 4, 12,7 мм – 8, 23 мм – 10, 30
мм – 16 нарезов.
Угол наклона нарезов (угол нарезки) Н – это угол наклона
нарезов к образующей цилиндра канала ствола.
Длина хода нарезов (шаг нарезки) hН – это длина образующей цилиндра, на которой нарез делает один оборот.
Крутизна нарезки “” – это шаг нарезки измеренный в ка-
Теоретическое значение крутизны нарезки в районе дульного
среза канала ствола определяется из условия устойчивости снаряда по
формуле Забудского-Вентцеля
I V
1
,
 HT  10,9  X 2 0
2
d
I Z  h1  K m    y   V1  V02  2  V1  V0  Cos180   


83
где IХ, IZ – осевой и продольный моменты инерции снаряда, соответственно;
h1 – плечо опрокидывающего момента, т.е. расстояние между
центром давления и центром масс снаряда (рассчитывается по формуле
Габора);
(у) – плотность воздуха на высоте у;
Km – аэродинамический коэффициент опрокидывающего момента, являющийся функцией числа М=V/а;
V1, VО – скорость ЛА и начальная скорость снаряда соответственно;
 – угол между векторами V1 и VO .
Нарезка может быть правой (рисунок.2.4) и левой. В ААО используется правая нарезка, и, следовательно, снаряд вращается после
выхода из канала ствола по часовой стрелке.
Кроме того, нарезы могут
Направление двибыть постоянной либо переменжения снаряда
ной крутизны. Обычно крутизна
Развертка МВП
нарезов канала ствола выбирается
на плоскости
постоянной, так как она более
Результирующая
простая в изготовлении. Однако
сила давления
постоянная крутизна нарезов приВП на боевую
водит к неравномерному давлегрань нареза
~
нию ведущего пояска на боевую
N
Нарез
грань.
Поэтому
наибольшее
Результирующая реакция бонапряжение смятия ведущего поевой грани нареза ствола на
яска определяется наибольшим
ВП снаряда
давлением в канале ствола.
Рисунок 2.4. Развертка НЧКС на
Нарезы переменной крутизплоскости
ны (прогрессивная нарезка) обеспечивают более легкий режим работы ствола, но они достаточно сложны в технологии изготовления.
Нарезы переменной крутизны используются в целях увеличения живучести стволов, так как на начальном участке движения снаряда в канале
ствола угол наклона делается примерно равным нулю, а в дальнейшем
он плавно изменяется и к дульному срезу крутизна нарезки должна
равняться  H .
В таблице 2.1 приводятся технические характеристики нарезной
части каналов стволов для пушек калибра 23 и 30 мм.
T
84
Таблица 2.1. Значение технических характеристик НЧКС
№ Характерип/п стика
Обозначение
Единица Калибр, мм
измерения
1
1
2
3
Ширина поля а
4
мм
30
5
2,3
23
6
2,4
2
Ширина дна
в
мм
3,6
4,8
3
Глубина
нареза
tн
мм
0,45
0,35
4
Число
зов
наре- -
шт
16
10
5
6
Угол нарезки Н
Шаг нарезки hH
град
мм
7,5
7,2
715,5 575
7
Крутизна
нарезки
клб
23,83 25
H
Во время выстрела в стенке ствола возникают напряжения, вызываемые действием сил давления пороховых газов, давлением ведущего
пояска снаряда на боевые грани нарезов, а также температурные
напряжения вследствие нагревания внутренних слоев ствола.
Нагружения ствола носят динамический характер, так как давление газов во время выстрела действует в течение очень короткого промежутка времени.
2.3. Силы, действующие на ствол оружия при движении
снаряда по нарезной части канала ствола
Выстрел представляет собой совокупность механических, физико-химических, тепловых, термо- и газодинамических процессов, происходящих в орудии от момента начала воспламенения порохового за-
85
ряда до момента окончания истечения пороховых газов из канала ствола после вылета снаряда. Главная цель выстрела – сообщить снаряду
начальную скорость поступательного и вращательного движения. Поэтому часто выстрел определяют как сложный процесс, в результате
которого химическая энергия порохового заряда превращается в энергию сильно сжатых и нагретых газов, совершающих при своем расширении работу по сообщению снаряду некоторой кинетической энергии.
Рассматривая явление выстрела поэтапно, можно выделить следующие характерные процессы, происходящие одновременно или последовательно:
- срабатывание капсюля-воспламенителя, зажжение и воспламенение порохового заряда;
- горение пороха в постоянном объеме (до начала движения снаряда);
- врезание ВП в нарезы ствола под действием силы давления пороховых газов;
- поступательное и вращательное движения снаряда под действием сил давления пороховых газов, реакции боевых граней и трения;
- горение пороха в увеличивающемся объеме (после начала движения снаряда);
- расширение газообразных продуктов сгорания пороха, в результате которого они совершают работу и приобретают скорость движения
вдоль канала ствола;
- вытеснения столба воздуха из канала ствола снарядом;
- откат подвижных частей оружия;
- прорыв газообразных продуктов сгорания пороха между ВП
снаряда и полями нарезов ствола;
- истечение продуктов сгорания пороха после вылета снаряда из
канала ствола;
- теплообмен между газообразными продуктами сгорания пороха
(теплоноситель) и элементами оружия;
- нагрев ствола вследствие действия сил трения, возникающих
при движении снаряда.
Процесс выстрела весьма быстротечен и напряжен. Он длится сотые, иногда даже тысячные доли секунды, при этом максимальное давление газов достигает 300…400 МПа, а их температура – свыше 3000 К.
При выстреле отдельным элементам оружия и снаряду сообщаются
большие ускорения, в результате чего они приобретают значительные
скорости поступательного и вращательного движения. При взаимодей-
86
ствии части оружия подвергаются значительным ударным нагрузкам
большой интенсивности. В процессе выстрела происходит также значительный нагрев ствола оружия и его казенной части, что еще больше
отягчает условия их работы.
Явление выстрела из артиллерийского оружия во времени условно делится на пять последовательных периодов:
1. Пиростатический. Длится с момента воспламенения капсюля
патрона до момента воспламенения порохового заряда патрона.
2. Форсирования. Длится с момента воспламенения порохового
заряда до врезания ведущего пояска снаряда в нарезы ствола.
3. Пиродинамический. Является наиболее сложным. Он длится
от момента форсирования до конца горения заряда пороха. Порох продолжает гореть в переменном объеме. Заснарядное пространство заполнено смесью пороховых газов и горящих пороховых зерен. В начале
движения снаряда, когда его скорость еще невелика, количество газов,
образующихся вследствие горения пороха, увеличивается быстрее, чем
объем заснарядного пространства, давление в стволе повышается и достигает максимума. Вместе с увеличением давления возрастает ускорение и скорость снаряда и, начиная с момента, когда давление достигнет
максимального значения, объем заснарядного пространства увеличивается настолько быстро, что, несмотря на продолжающееся горение пороха и приток газов, происходит падение давления. Так продолжается
до конца горения пороха. В этот период газы совершают большую
часть работы.
4. Адиабатический (термодинамический). Охватывает время от
конца горения пороха до вылета снаряда из канала ствола. В этот период пороховые газы расширяются, продолжает увеличиваться скорость
снаряда. Длительность этого периода невелика, так как снаряд к его
началу приобретает уже достаточно высокую скорость. Поэтому потерями тепла на нагревание стенок ствола и другими энергетическими
потерями пренебрегают, считая, что в этот период происходит адиабатическое расширение газа.
5. Последействия. После вылета снаряда пороховые газы истекают из ствола, и некоторое время воздействуют на снаряд, увеличивая
его скорость. Повышение скорости снаряда по сравнению с дульной
весьма незначительно. Поэтому обычно полагают, что дульная скорость равна максимальной.
Активное воздействие снаряда на ствол осуществляется в периоды форсирования, пиродинамический и адиабатический. В эти периоды
87
движение снаряда по НЧКС связано с преодолением сил препятствующих его движению: силы сопротивления врезанию ВП в нарезы ствола; силы сопротивления поступательному движению снаряда по НЧКС;
силы инерции вращательного движения снаряда.
В период форсирования действие силы сопротивления врезанию
FВР. ведущего пояска в нарезы ствола обусловлено отличием диаметров
ведущего пояска снаряда и соединительного конуса ствола оружия
(рисунок 2.5).
45°
15°
30
30.9
10
32.4
31.12
8.2°
8.2
8
Рисунок 2.5. Размеры ВП и соединительного конуса 30-мм
авиационной пушки
Сила FВР возникает с момента начала обжатия ВП снаряда соединительным конусом ствола и быстро возрастает, достигая максимального значения к моменту врезания ВП снаряда на всю свою ширину.
При врезании ВП снаряда в нарезы происходит сложный процесс
пластического и упругого пластического деформирования материала
пояска при взаимодействии с соединительным конусом ствола (рисунок 2.6).
88
Контактная поверхность
площадью Sк
 кст
Ψк
 кст
Действие пороховых газов на снаряд
Рисунок 2.6. Врезание ВП снаряда в нарезы ствола
При этом между стенкой ствола и ВП снаряда возникает контактная поверхность площадью SК, на которой развиваются контактные
напряжения:
CТ
– нормальное напряжение, действующее со стороны ВП
K
снаряда на ствол;
 KCT – касательное напряжение, действующее со стороны ВП снаряда на ствол.
Для того чтобы выразить силы, действующие на ствол через параметры движения снаряда будем рассматривать силы: СH
дей ,  CH ,
K
K
ствующие со стороны ствола на ВП снаряда. При этом согласно 3-му
закону Ньютона.
 KCT   KCH ,
 KCT   KCН .
В результате действия
 СH ,  CH
К
со стороны ствола на ВП
K
снаряда будет действовать по оси снаряда сила сопротивления врезанию
FВР    КСН sin К dS К    КСН cos К dS К .
SK
SK
Первое слагаемое характеризует силу, совершающую работу по
деформированию материала ВП. Величина первого слагаемого составляет от FВР:
8 ... 15 % при к = 10 ,
45 ... 60 % при к = 100
7. Изд. №9872
89
Второе слагаемое в формуле для FВР характеризует осевую составляющую силы трения ВП снаряда о поверхность соединительного
конуса канала ствола.
Снаряд приходит в движение после того как давление пороховых
газов в стволе достигнет величины равной давлению форсирования пороховых газов.
Давление форсирования – это давление пороховых газов в канале
ствола в момент врезания ВП снаряда на полную ширину нарезов.
Для оружия калибра 23 мм и 30 мм сила сопротивления врезанию
достигает максимального значения (20…40 кН) на расстоянии 7…10
мм от соединительного конуса ствола.
Силы, действующие на ствол оружия со стороны ВП снаряда в
пиродинамический и адиабатический периоды, показаны на рисунке
2.7.
Боевая грань
нареза
Ф
П
Поле
N
Дно
ФД
Направление движения снаряда
fтр ФД fтр N
fтр ФП
Рисунок 2.7. Силы, действующие на ствол оружия при
движении снаряда по НЧКС
Вращение снаряда происходит в результате давления боевых граней нарезов, которыми при правой нарезке являются правые грани
нарезов. На этих гранях под действием ВП при движении снаряда возникают силы:
ФД, ФП – нормальные силы, действующие со стороны ствола на
снаряд, приложены к поверхности дна и полю нареза, соответственно;
N – сила давления ВП снаряды на боевую грань нареза.
ТР ФД, ТР  ФП, ТР  N – силы трения, вызванные действием сил
ФД, ФП, N соответственно (fтр – коэффициент трения скольжения).
Наибольшей по величине силой, действующей на ствол оружия
при движении снаряда по НЧКС, т.е. в пиродинамический и адиабатической периоды, является сила N. Она приводит, при определенных
условиях, к деформированию нарезов ствола. При определении этой
90
силы будем рассматривать действие силы сопротивления поступательному движению снаряда по НЧКС, силы инерции вращательного движения снаряда, а так же силы трения.
2.4. Определение и анализ действия давления
ведущего пояска снаряда на боевую грань нареза ствола
Рассмотрим схему сил (рисунок 2.8), действующих на снаряд при
его движении по НЧКС. При движении снаряда по НЧКС со стороны
ВП на боевую грань нареза действует сила давления N . Эту силу приложим к поверхности ведущего пояска снаряда, взаимодействующей с
боевой гранью.
Касательная к кривой
нареза
N
y
Vст
ρ
U
Q
αн
V
VΩ
''
pсн S
F
Fтр
αн
М
'Vотн
~
N
x
Рисунок 2.8. Силы, действующие на снаряд при движении по
НЧКС
Сила N направлена по нормали к указанной поверхности. Точку
приложения этой силы обозначим буквой – М. Выразим силу давления
на боевую грань N через параметры движения снаряда и нарезки. Согласно третьему закону Ньютона реакция боевой грани нареза N по
абсолютному значению равна силе давления на боевую грань, т.е.
~
N  N . Сила N вызывает появление силы трения FТР. Результирующую сил N и FТР обозначим через U.
Сила U является так же результирующей силы сопротивления F
поступательному движению снаряда по НЧКС и силы Q, образующей
момент вращения снаряда вокруг своей продольной оси симметрии.
7*
91
Согласно второму закону Ньютона уравнения поступательного и
вращательного движения снаряда в инерциальной системе координат
ОХУ имеют вид:
dv
(2.1)
mCH
 SpCH  F ;
dt
d
d
(2.2)
IX
 Q ,
dt
2
где v – абсолютная скорость движения точки М,
v = vотн–VСТ;
VCT – скорость отката ствола;
vотн – относительная скорость движения снаряда, т.е. относительно ствола;
pсн – давление пороховых газов в канале ствола;
S – площадь поперечного сечения канала ствола;
IХ – осевой момент инерции снаряда;
d – калибр оружия;
Ω – угловая скорость вращения снаряда,
2v tq
(2.3)

.
d
Из рисунка 2.8 имеем:
N
 sin  H   ;
cos 
N
Q=
 cos H   ,
cos ρ
F
(2.4)
(2.5)
где  =arctg fтр – угол трения.
Продифференцируем выражение (2.3), в результате получим следующее уравнение:
d d  2
 d 2

   vOTH  tq H    v V CT tq H  .
dt dt  d
 dt  d

Учитывая то, что VСТ <<v, получим
d 2  dv
d

  tq H  v 2  tq H  ,
dt d  dt
dx

где x – абсолютный путь снаряда по каналу ствола.
92
dv
из
dt
(2.1), учитывая то, что tg н  dy / dx; d / dx(tg н )  d 2 y / dx 2 , после преобразований получим выражение для силы N:
Подставляя полученное выражение в (2.2) и исключая

CH  S  CH 
N
где CH 
dy
d2y
 mv 2 2  cos 
dx
dx 

,
dy
CH
sin  H     cos H   
dx
4 gI X
– коэффициент распределения массы снаряда.
mCH d 2
Обозначим через В выражение
B
cos 
dy
sin  H     cos H   
dx
Отметим, что для средних значений параметров н    70 с погрешностью порядка 1 % можно принять В  1.
С учетом сказанного, сила давления ВП на боевую грань нареза
ствола может быть рассчитана по формуле

dy
d2y 
(2.6)
N  CH  SCH
 mCH v 2 2 .
dx
dx 

Уравнение (2.6) дает возможность рассчитать значение силы N, а
зная ее можно определить силу препятствующую движению снаряда по
каналу ствола F (2.4), после врезания в нарезы и силу от момента вращения снаряда Q (2.5).
При d / dx(tg н )  d 2 y / dx 2  0 , т.е. для нарезов постоянной крутизны
CH
( н  const ) имеем формулу
N  сн Spсн tg н .
С учетом полученного выражения (2.6) можно определить давление ВП снаряда на боевую грань нареза ствола
CH
2

dy
2 d y
S


m
v
CH
 CH
,
n1  t H  h1 
dx
dx 2 
где n1 – число нарезов;
tН – глубина нареза;
 =
(2.7)
93
h1
tн
След ВП
h1 – длина следа ВП снаряда на боевой грани нареза (рисунок 2.9).
Длину следа h1 можно выразить через ширину ВП 1 снаряда и угол нареза Н
h1 
Рисунок 2.9. След ВП на боевой
грани нареза
1
,
cos  н
тогда окончательно выражение
для давления ВП на боевую грань
нареза ствола примет вид:
 бг 
CH cos H
n1  tH  1

dy
d2y
 SCH
 mCH v2 2 .
dx
dx 

Давление ВП на боевые грани нарезов ствола должно быть
меньше напряжения смятия ведущего пояска снаряда (  бг   вп ).
Это уравнение используется для оценки соотношения кинетической энергии снаряда и работы пороховых газов по преодолению рассмотренных выше сил сопротивления движению снаряда по каналу
ствола.
2.5. Виды износа стволов и их характеристика
Живучесть стволов, как основного элемента артиллерийского
оружия, является важнейшим фактором, определяющим живучесть
оружия в целом, а также боевые, эксплуатационные и экономические
характеристики систем артиллерийского вооружения в целом.
Живучесть ствола это способность ствола сохранять основные
характеристики оружия в определенных условиях боевого применения
и при интенсивном разогреве ствола противостоять механическому
воздействию в основном ведущих поясков снаряда.
Живучесть ствола оценивается общим количеством произведенных из артиллерийского оружия выстрелов, определяется износом поверхности канала ствола и внешне проявляется в снижении начальной
скорости снаряда, увеличении рассеивания снарядов.
На практике живучесть ствола оценивается по устойчивости полета снарядов на траектории при стрельбе по щитам – в них появляют-
94
ся овальные пробоины. Минимальный диаметр пробоины равен калибру d, а максимальный l зависит от угла нутации оси снаряда относительно касательной к траектории. Появление этого угла ведет к повышению коэффициента сопротивления снаряда и более быстрому падению скорости.
Живучесть считается исчерпанной, когда начальная скорость
уменьшается на 5% от номинального значения или когда овальность
пробоин в щите доходит до l/d  1,25.
Основной причиной износа ствола является разгар канала ствола
вследствие теплового воздействия порохового газа, температура которого достигает 2500…3000К, и больших сил трения между нарезами и
ведущим пояском.
В оружии, имеющим большой темп стрельбы, нагрев ствола от
выстрела к выстрелу увеличивается, так как за время между выстрелами металл ствола не успевает остыть. Возрастание температуры металла ствола и глубины его прогревания приводят к быстрому износу
нарезов, а в отдельных случаях и к потере стволом прочности.
Для снижения нагрева ствола и увеличения допустимой продолжительности непрерывной стрельбы при сохранении требуемой живучести ствола можно применять принудительное охлаждение. Например, межслойное жидкостное охлаждение уменьшает перерывы, потребные на охлаждение ствола, с 20…30 мин до 20…30с. Однако при
непрерывных очередях наличие такого охлаждения практически не сказывается на температуре внутренней поверхности ствола, поэтому и
мало влияет на его живучесть.
Различают два наиболее интенсивных вида износа поверхности
канала ствола: эрозионный и термопластический.
Эрозионный износ НЧКС. При резком нагреве в процессе выстрела и последующем быстром охлаждении на поверхности канала ствола
образуются мелкие трещины, которые в результате последующего теплового и химического действия газов разгораются, (т.е. происходит
оплавление и износ оплавленного металла с поверхности ствола). Этот
процесс сопровождается постепенным механическим истиранием поверхности канала ствола снарядом (ведущим пояском и центрирующим
утолщением). В конце концов, образуется такой зазор между снарядом
и стенками ствола, через который происходит интенсивная утечка пороховых газов, давление в стволе интенсивно понижается, уменьшается
начальная скорость снаряда.
95
Этот вид износа наблюдается на начальном участке движения
снаряда в зоне больших давлений и характерен для оружия с низким
темпом стрельбы (Т<1000 в/м).
Эрозионный износ качественно описывается теорией проф. Д.К.
Чернова – русского ученого металлурга, основоположника теории живучести стволов.
Эрозионный износ может наблюдаться в газоотводных отверстиях ствола. Природа его появления идентична эрозионному износу
нарезной части канала ствола. Этот вид износа приводит к нарушению
правильного функционирования автоматики оружия и выходу его из
строя.
Термопластический износ НЧКС. В результате напряженного режима стрельбы происходит интенсивный разогрев материала ствола на
глубину 1 ... 1,5 нареза (для d = 30 мм; 0.45 ... 0,65 мм) в результате чего
теряются его прочностные свойства. Этот слой канала ствола (рисунок
2.10), подвергающийся наиболее интенсивному разогреву при стрельбе,
принято называть рабочим слоем канала ствола.
0,45…0,65
Рабочий
слой
Исходная форма
нареза
Смятое поле
нареза
Рисунок 2.10. Термопластический износ НЧКС
При малых промежутках между выстрелами тепло не успевает
отводиться от внутренней поверхности ствола к наружной. Температура слоев, близких к внутренней поверхности, в течение очереди повышается, а прочность их падает.
При некоторой температуре прочность рабочего слоя ствольной
стали  В становится равной прочности сравнительно холодного медного ведущего пояска  МВП . После этого несколько следующих выстрела полностью выводят ствол из строя: размягченная внутренняя
поверхность ствола сминается, истирается ведущим пояском и центрирующим утолщением снаряда (т.е. потеря прочностных свойств рабо-
96
чего слоя состоит в том, что предел прочности его становится меньше
предела прочности ведущего пояска).
Происходит это на расстоянии 200…250 мм от начала нарезов, в
области максимальных давлений, где наблюдается интенсивный
нагрев. На этом участке при врезании снаряда и действии давления на
боевую грань происходит смятие полей нарезов (  В   МВП ).
Этот вид износа характеризуется срывом снаряда с нарезов и
нарушением правильного стабилизированного полета снаряда (внешне
проявление – появление овальности пробоин на щите). Следует подчеркнуть, что термопластический износ характерен для высокотемпного оружия (Т > 1000 в/м) при напряженном (жестком) режиме стрельбы.
Термопластический износ может наблюдаться и в дульной части
ствола и вызывается он действием центрирующего утолщения снаряда.
Приводит также к нестабилизированному полету снаряда и увеличению
рассеивания снарядов.
I
N∑ , в
3
0
3000
II
6
0
9
0
III
1
1
1
2
5
8
в
0 Т=1000
0
0/м
Т=2000 в/м
2000
1000
I - зона эрозионного
износа ствола.
II - зона смешанного, т.е. эрозионнотермопластического
износа ствола.
III - зона термопластического износа
ствола.
60 90 120 150 180 N, в
30
I
II III
Критический режим стрельбы,
при котором живучесть ствола
составляет одну очередь
0
Рисунок 2.11. Зависимость износа ствола от темпа стрельбы и
длины очереди
В зависимости от сочетания режима стрельбы и баллистических
характеристик оружия может наблюдаться совместный эрозионный или
термопластический износ с преобладанием того или иного вида износа,
т.е. эрозионно-термопластический износ НЧКС.
97
На рисунке 2.11 показана зависимость износа ствола от длины
очереди и темпа стрельбы. При малом темпе стрельбы износ ствола
наступает при достаточно большом настреле и не лимитирует общую
живучесть оружия. Например, для авиационных пушек калибром 23 мм
( V0  700 м / с, mСН  0,175кг ) при темпе стрельбы 500 в/м и отстреле
боекомплекта в 100 патронов одной-двумя очередями (после чего следует полное охлаждение) живучесть стволов составляет порядка 10000
выстрелов. Однако повышение темпа стрельбы и увеличение длины
очереди ведет к резкому снижению живучести стволов.
2.6. Анализ факторов, влияющих на живучесть ствола
артиллерийского оружия
В техническом отношении стволы являются сложными деталями,
требующими больших затрат на изготовление с применением дорогостоящих специальных сталей. Вследствие этого проблема повышения
живучести стволов имеет исключительно важное значение. Процесс
износа поверхности канала ствола весьма сложен и определяется большим числом факторов: конструктивных, технологических, баллистических и эксплуатационных.
К конструктивным факторам относят устройство стволов (калибр, длина, число, глубина и форма нарезов и др.), устройство снарядов (пуль) (диаметр ведущего пояска, его ширина и форма и др.).
К технологическим факторам относят способы изготовления
стволов и боеприпасов, термообработку и материал ствола, а также
специальные покрытия ведущего пояска и его материал.
К баллистическим факторам относятся величина заряда, состав и
калорийность пороха, давление пороховых газов, закон изменения скорости движения снаряда по каналу ствола и т.д.
Большое влияние на живучесть стволов оказывают условия эксплуатации: режим стрельбы, наличие и интенсивность охлаждения,
чистка и смазка стволов, условия хранения.
Ограничение темпа стрельбы по живучести стволов состоит в
том, что при заданных баллистических характеристиках оружия, длине
непрерывной очереди и живучести ствола темп стрельбы не должен
превышать некоторой определенной величины. В противном случае
живучесть оружия (ствола) будет меньше заданной, а при значительном
повышении темпа или длины непрерывной очереди допустимых значений, ствол может выйти из строя в течение одной очереди. Это ограни-
98
чение действует в оружии независимо от того, по какой схеме оно построено: в любом образце темп стрельбы в расчете на один ствол не
должен превосходить допустимого по живучести.
В настоящее время живучесть стволов авиационных пушек находится в пределах 3000…4000 выстрелов и зависит от баллистических
характеристик и режима огня. Задаваемая длина непрерывной очереди
для многоствольного оружия больше чем у одноствольного и двуствольного.
Поэтому допустимый темп стрельбы, приходящийся на один
ствол, у этого оружия должен быть меньше.
Все выше перечисленные факторы находятся во взаимной связи,
и живучесть стволов определяется их совокупным действием. Причем в
теоретическом плане влияние некоторых из них не поддается даже качественному анализу.
В результате исследований износа каналов стволов были выдвинуты различные теории, объясняющие причины износа тепловым, механическим, химическим воздействием газопороховой смеси и боеприпасов на поверхности канала ствола.
В настоящее время установлено, что износ ствола вызывается
всеми воздействиями одновременно, проявляющимися в большей или
меньшей степени в различных системах. Например, в стрелковом оружии износ ствола определяется в основном механическим воздействием пуль, в артиллерийском оружии превалирующее значение приобретает эрозия металла.
Физическую модель износа канала ствола должна отражать следующие процессы:
­
нагревание поверхности ствола пороховым газом до температуры 2000…3000К в зависимости от марки пороха;
­
нагревание НЧКС от работы сил трения по месту контакта
ВП снаряда с поверхностью канала ствола;
­
нагревание ствола теплом, выделяющимся от работы преодоления внутренних сил трения в металле ствола при его
деформации от давления порохового газа и ударного воздействия центрирующего утолщения снаряда на поверхности нарезов;
­
износ нагретого ствола вследствие механического смятия
металла с поверхности его канала потоком порохового газа
в заснарядном пространстве и в зазорах между ведущим
99
пояском снаряда и поверхностью канала ствола, а также ведущими устройствами снаряда.
Основными факторами влияющими на живучесть ствола являются:








баллистические и энергетические характеристики выстрела: импульс силы давления пороховых газов; скорость движения снаряда; скорость движения порохового газа; калорийность пороха; температура горения;
режим стрельбы: длина непрерывной очереди; темп
стрельбы; время перерыва между очередями;
теплофизические характеристики материала ствола: теплопроводность; теплоемкость; температуропроводность;
механические характеристики материала ствола: предел
упругости; предел прочности;
геометрические характеристики НЧКС: ширина поля и дна
нареза; глубина нареза; угол нареза; шаг и крутизна нарезки;
условия охлаждения ствола;
механические характеристики материала ведущего пояска
снаряда: предел упругости; предел прочности;
геометрические характеристики ведущего пояска: ширина
и высота ведущего пояска.
2.7. Способы изготовления нарезки стволов
артиллерийского оружия
Задача проектирования НЧКС может рассматриваться практически автономно от других задач, стоящих при проектировании авиационного артиллерийского оружия. Единственным параметром, оказывающим значительное влияние на выходные характеристики оружия, является угол наклона нарезов канала ствола у дульного среза. В то же
время изменение угла нарезки по длине НЧКС мало влияет на внутри
баллистические процессы, но в значительной мере определяет нагрузки
на ВП, а следовательно на боевую грань нарезов. Поэтому единственной задачей, с которой тесно связано проектирование нарезов, это задача, а лучше сказать проблема, повышения живучести стволов.
Основными критериями оптимизации параметров НЧКС (с точки
зрения повышения живучести стволов) являются:
100
1. K1  min max( N ) – обеспечение минимума максимальной силы
N при движении снаряда по НЧКС.
2. K 2  min Nf òð vîòí  – обеспечение минимума мощности истирания ВП (FтрVотн).
3. K 3  min max  S íî


 S íò
 – обеспечение минимума, максимального


изменения площади отпечатка нарезов на ведущем пояске снаряда при
его движении по НЧКС ( S но , S нт – начальное и текущее значение
площади отпечатка нарезов на ВП).
Кроме того, нарезы должны обеспечивать следующие оптимальные условия движения снаряда по каналу ствола:
­
врезание ведущего пояска в нарезы должно происходить
без удара;
­
обеспечение прогрессивности крутизны нарезов на всем
участке, т.е. прогрессивность крутизны нарезов на всем
участке изменения угла наклона нарезов. Следует отметить,
что у стволов с прогрессивной нарезкой омеднение НЧКС
происходит значительно интенсивнее, чем у стволов с постоянной крутизной. Это объясняется непрерывным изменением начального отпечатка нарезов на ВП при движении
снаряда по НЧКС. В отдельных случаях – при стрельбе из
авиационных высокотемпных пушек – применение прогрессивной крутизны нарезов может существенно понизить
живучесть ствола, оцениваемую по срыву снарядов с нарезов.
­
минимум начальных возмущений снаряда при его вылете
из канала ствола путем обеспечения постоянства угла
наклона нарезов в дульной части ствола;
­
необходимый запас гироскопической устойчивости снаряда
на траектории движения.
Для изготовления нарезки стволов используют два способа: электрохимическая обработка и холодно-радиальная ковка.
Электрохимическая обработка. Установка для электрохимической обработки (рисунок 2.12) включает в свой состав: насадки для залива и слива электролита; заготовку ствола, токопроводящую штангу,
катод.
101
Основывается этот метод обработки на электролизе. Электролиз
– это химические процессы, протекающие в электролите при прохождении через него постоянного электрического тока. При этом ионы
электролита движутся к электродам: положительно заряженные ионы –
к катоду, а отрицательно заряженные ионы – к аноду. Качественные
изменения состава электролита обуславливаются характером электродных процессов образования продуктов восстановления на катоде и продуктов окисления на аноде. Количественные изменения описываются
законами Фарадея.
Заготовка ствола
Насадка для залива
электролита
С
твол
Ка
Насадка для слива электролита
Катод
тод
Токопроводящая
штанга
Рисунок 2.12. Электро-химическая обработка
Качество электрохимической обработки и скорость процесса
определяются плотность электрического тока, проходящего через поверхность заготовки ствола, составом и температурой электролита.
Холодно-радиальная ковка. Установка для холодно-радиальной
ковки (рисунок 2.13) включает в свой состав: молот, заготовку ствола и
дорн, на котором располагается необходимая нарезка.
молот
заготовка
ствола
дорн
Рисунок 2.13. Холодно-радиальная ковка
Холодно-радиальная ковка это один из способов обработки металлов давлением, при котором инструмент (молот) оказывает прерывистое многократное ударное действие на заготовку ствола, в результа-
102
те чего она, деформируясь, постепенно приобретает заданные формы и
размеры, т.е. на внутренней поверхности заготовки ствола образуется
нарезная часть канала идентичная нарезам, расположенным на дорне.
2.8. Основы математической модели
термопластического износа ствола
В основе математического описания явления термопластического
износа ствола лежат теории теплопроводности и пластичности. Теория
теплопроводности описывает передачу и распространения тепла в процессе очереди выстрелов.
Основой этой теории является дифференциальное уравнение теплопроводности, полученное на основе закона сохранения энергии.
Применительно к артиллерийскому оружию количество тепла Q поступающее в элементарный объем внутри ствола из вне за время t
вследствие теплопроводности, равно изменению внутренней энергии
вещества, содержащегося в указанном элементарном объеме:
  2T  2T  2T 
T
 a 2  2  2  ;
t
y
z 
 x
a ,
c
где a – коэффициент температурапроводности материала ствола;
c – теплоемкость материала ствола;
 – плотность материала ствола;
 – коэффициент теплопроводности, характеризует способность материала ствола проводить тепло.
Это уравнение устанавливает связь между температурой Т в любой точке материала ствола, пространственным положением этой точки
х, у, z и временем t передачи тепла от пороховых газов в ствол и внутри
ствола.
Для полного описания процесса теплопроводности при стрельбе
из ААО необходимо к дифференциальному уравнению теплопроводности добавить математическое описание частных особенностей стрельбы. Они называются краевыми условиями и включают:
1.
Геометрические условия, характеризующие форму, и размеры НЧКС.
103
2.
Физические условия, характеризующие свойства газа и
ствола, т.е. это их теплоемкости, плотности, теплопроводности и
т.д.
3.
Начальные условия, характеризующие распределение температуры внутри ствола и на его поверхности в начальный момент времени: при t=0, T  f ( x, y, z,0) .
4.
Граничные условия, характеризующие взаимодействие
ствола с окружающей средой:
а) Граничные условия 1-го рода. Определяют распределение температуры (ТС) на поверхности НЧКС в каждый момент времени:
TC  f x, y, z, t  .
б) Граничные условия 2-го рода. Определяют величины
плотности (q) теплового потока для каждой точки ствола в
каждый момент времени:
q=f(x,y,z,t), q  
T
,
n
где T – температурный градиент.
n
Температура в стволе оружия изменяется только в направлениях,
пересекающих изотермические поверхности. При этом наибольший перепад температуры на единицу длины происходит в направлении нормали (n) к изотермической поверхности. Возрастание температуры в
направлении нормали к изотермической поверхности характеризуется
температурным градиентом.
Изотермическая поверхность это геометрическое место точек в
температурном поле, имеющих одинаковую температуру.
в) Граничные условия 3-го рода. Определяют теплообмен между
стволом и окружающей средой в процессе стрельбы (нагрев,
охлаждение):
q   Tг  TC  ,
где  – коэффициент теплоотдачи, характеризует интенсивность
теплообмена между пороховым газом и материалом свола;
ТГ – температура порохового газа в стволе;
Tс – температура рабочего слоя ствола.
104
г) Граничные условия 4-го рода. Определяют теплообмен системы тел, например, ствол ( TC ) с гильзой ( TГ ) в патроннике.
n
n
Контакт между ними предполагается идеальный:
T
T
 Г Г  C C .
n
n
Дифференциальное уравнение теплопроводности ( T / t ) совместно с граничными и начальными условиями дают математическую
модель нагрева ствола при стрельбе, а его деформацию в зависимости
от этого нагрева описывают уравнения пластичности.
При движении снаряда по каналу ствола (рисунок 2.8), в результате взаимодействия ведущего пояска снаряда с боевой гранью нареза
ствола в произвольной точке М, расположенной на этой гране, возникает напряжение вектор, которого (  ) в общем случае ориентирован
произвольно. Это напряжение вызывает на плоскости OXY, на которой
расположена точка М, нормальные  x,  y и касательные  xy , yx
напряжения.
Касательные напряжения удовлетворяют закону парности, т.е.
проекция на ось OY касательного напряжения на площадке нормальной
оси OX, равна проекции на ось OX касательного напряжения на площадке, нормальной оси OY (  yx   xy ).
В произвольной точке М деформация ствола при выстрелах, в зависимости от его нагрева, описывается следующими уравнениями пластичности:
1. Уравнение пластической деформации:

x
4
2
  y   4 xy2   T2 ,
3
где  Т – предел текучести материала ствола.
2. Уравнение, связывающее напряжения со скоростью (
v ,v
x
y
)
деформации материала ствола:
 x  y
dv y dvx dv y
dv
( x 
) /(

).
2 xy
dx
dy
dy
dx
3. Уравнения равновесия:
8. Изд. №9872
105
 x  xy

 0,
x  y
 xy  y

 0.
x
y
4. Уравнение не сжимаемости:
dvx dv y

 0.
dx
dy
К выше записанным уравнениям необходимо добавить уравнение
давления ВП на боевую грань нареза ствола в процессе движения снаряда по НЧКС:
 cos H
 бг  CH
n11t H
2

dy
2 d y
S СH   mCH vCH 2  .
dx
dx 

Таким образом, получили замкнутую систему уравнений, описывающую явление термопластического износа нарезной части канала
ствола, основу которой составляют уравнения теплопроводности и пластичности, а так же уравнение давления ВП снаряда на боевую грань
нареза ствола. В результате решения полученной системы уравнений
определяют, например, величину предельной и допустимой длины
очереди для различных образцов авиационного артиллерийского оружия.
2.9. Расчет ствола на прочность
Во время стрельбы стенки ствола деформируются в результате
давления на них пороховых газов, скручиваются и растягиваются в результате воздействия ведущего пояска на боевые грани нарезов, растягиваются силами трения снаряда о поверхность канала ствола и инерционными усилиями, возникающими при откате ствола, наконец, они
нагреваются пороховыми газами.
Решающее влияние на прочность ствола оказывает давление пороховых газов. Поэтому расчет ствола на прочность обычно ведется
только на внутреннее давление пороховых газов, а остальные воздействия учитывают за счет некоторого запаса прочности.
При расчете ствола на прочность обычно принимают следующие
допущения:
106
1. Ствол считается цилиндрическим, а имеющиеся конические
участки разбиваются на необходимое число цилиндрических так,
чтобы разница в диаметрах оснований была не значительной;
2. Пренебрегают силами инерции элементов ствола, осевыми и
скручивающими усилиями, поскольку их влияние незначительно;
3. Температурные напряжения и снижение допустимых напряжений вследствие нагревания ствола учитываются при специальных расчетах. Основной расчет проводят для первого выстрела;
4. Материал ствола считают однородным;
5. Ствол после деформации сохраняет цилиндрическую форму
и любое его сечение остается плоским;
6. Давление в стволе действует статически.
С учетом этих допущений задача расчета ствола на прочность
сводится к определению напряжений в толстостенной трубе, подверженной внутреннему давлению, т.е. к известной в теории упругости задаче Ламе-Гадолина.
В результате для определения напряжений в стенке ствола можно
использовать следующие формулы:
 r22 
1  2  pÑÍ ;
 r 
r2  r2 
 r  2 1 2 1  22  pСН ;
r2  r1  r 
 z  0,
r12
t  2 2
r2  r1
(2.8)
(2.9)
где  t ,  r ,  z – соответственно тангенциальное, радиальное и
осевое напряжения;
r1 , r2 – радиусы внутренней и наружной поверхностей
ствола;
r – текущий радиус по толщине стенки ствола ( r1  r  r2 ).
Анализ этих формул позволяет сделать следующие выводы:
- тангенциальное напряжение является растягивающим, а радиальные – сжимающими (  t  0, r  0 );
- тангенциальные напряжения всегда больше радиальных и достигают максимальных значений на внутренней поверхности
ствола (  t 
8*
 r ;  t (r1 )   t max );
107
- максимальное тангенциальное напряжение всегда больше
внутреннего давления (  t max  pСН ), т.е. без принятия специальных мер нельзя изготовить ствол, выдерживающий давление, равное пределу прочности внутренних слоев ствола.
Увеличение прочности ствола по отношению к внутреннему давлению достигается за счет изготовления многослойных и автофретированных стволов. В многослойных стволах наружная труба надевается
на внутреннюю с некоторым натягом. Вследствие натяга тангенциальные напряжения в стенке внутренней трубы уменьшаются, а в стенке
наружной трубы увеличиваются. В автофретированных (или многослойных автоскрепленных) стволах предварительное напряжение во
внутренних слоях стенки ствола получают, подвергая их большому
внутреннему давлению, при котором эти слои получают пластическую
деформацию. Увеличение прочности этих слоев происходит за счет образования наклепа металла и появления остаточных напряжений сжатия.
Во время выстрела каждый элемент ствола испытывает сложное
напряженное состояние. В этом случае для определения прочности
ствола необходимо воспользоваться одной из теорий прочности.
Наибольшее распространение при расчете стволов получила теория
наибольших относительных деформаций. В основу этой теории положено допущение о том, что прочность материала не нарушается, если
наибольшая относительная деформация при сложном напряжении достигает такого значения, которое имеет место при простом нагружении
с допускаемым напряжением растяжения или сжатия.
Величина относительной деформации  0 при простом нагружении (сжатие или растяжение) по допускаемому напряжению Rz определяется по формуле
0 
Rz
,
E
где Е – модуль упругости материала ствола.
Учитывая, что максимальная относительная деформация ствола
имеет место в тангенциальном направлении и ее величина определяется
формулой
t 
108
 t   r
E
,
для принятой теории условие обеспечения прочности (ε0 = εt) выражается следующей зависимостью:
(2.10)
Rz   t   r ,
где  – коэффициент Пуассона (для стали  
1
).
3
Выше было показано, что максимальные напряжения возникают
на внутренней поверхности ствола. Тогда подставляя в формулу (2.10)
значения  t и  r из выражений (2.8, 2.9) и принимая  
Rz 
2
2r 2  r 2
pСН 22 21 .
3
r2  r1
1
, получим
3
(2.11)
При расчете на прочность обычно задается некоторый запас
прочности деталей
Rz 
e
n
,
(2.12)
где  е – предел упругости;
n – коэффициент запаса прочности.
На практике при расчете ствола используется так называемое
предельное давление p1  npСН . Кроме того, в расчетах учитывают,
что при первых выстрелах материал ствола упрочняется, поэтому допустимые напряжения в формуле (2.12) относят не к пределу упругости
 е , а к пределу текучести  s .
Таким образом, заменяя в формуле (2.12)  е на  s и подставляя
в нее значение Rz из выражения (2.11), окончательно получим условие
обеспечения прочности в следующем виде:
2 2r22  r12
 s  p1 2 2 .
3
r2  r1
Тогда для определения минимального значения наружного радиуса ствола получим формулу в виде
r2  r1
3 s  2 p1
.
3 s  4 p1
(2.13)
109
Расчет ствола на прочность с использованием формулы (2.13)
выполняют в следующей последовательности:

баллистическим расчетом определяют кривую давления пороховых газов по длине ствола p(l) и значение максимального давления p m ;

строят кривую предельного давления p1 (l). При этом по всей
длине патронника принимают p1  pm , от начала соединительного конуса по длине ствола за точку максимального давления на
два-три калибра предельное давление принимают постоянным
значением, равным (1,1…1,2) p m , и далее к дульному срезу
p1 (l )  3 p(l ) ;

выбирают материал ствола с определенным значением предела
текучести  s;

в соответствии с формулой (2.13) рассчитывают минимальный
наружный радиус ствола;

из конструктивных соображений окончательно выбирают конфигурацию и наружные размеры ствола так, чтобы по всей длине
ствола размеры не выходили за пределы минимально допустимых.
В настоящее время стволы авиационного оружия изготовляют из
стали с пределом текучести  s =700…850 МПа.
2.10. Теоретическое обоснование величины
предельной и допустимой длины очереди
Численное решение системы уравнений (пункт 2.8), описывающих термопластический износ ствола, дает возможность получить графические зависимости (рисунок 2.14), на основании которых можно
обосновать величину предельной и допустимой длины очереди.
Зависимость температуры (Т 0С) в стенке ствола от количества
выстрелов (N) в очереди, а так же предела прочности (  Â ) и упругости
(  Р ) материала ствола, предела упругости медного ведущего пояска
(  ВМВП ) снаряда, определяет критическую и допустимую длину очереди.
Предельная длина очереди (NПРЕД) оценивается количеством выстрелов в сплошной очереди, определяется температурой рабочего
110
слоя, при которой величина предела прочности материала ствола становиться сравнимой с величиной давления смятия полей нарезов и
внешне проявляется в изменении формы нарезов, приводящие к выходу
параметров движения снаряда на траектории за пределы установленных норм.
Допустимая длина очереди (NДОП) оценивается количеством выстрелов в сплошной очереди и определяется температурой рабочего
слоя, при которой величина предела упругости, материала ствола становится сравнимой с величиной давления смятия полей нарезов, при
этом выхода параметров движения снаряда на траектории за пределы
установленных норм не происходит.
Предельная температура 650-700ºС
Т=1500
в
/м
Т,◦С
Допустимая температура 550-620ºС
600
σ
с
в
400
σ
σ,МПа
8
200
мвп
σв
с
р
6
4
2
0
2
4
Nд
6
Nпр
8
N, выстр
Рисунок 2.14 – Определение предельной (допустимой) длины очереди
При критической длине очереди в ее конце температура в стенке
ствола достигает предельной, что приводит к потере стволом живучести. При допустимой длине очереди температура не достигает предельной, однако все же оказывается большой. Допустимой длине очереди
соответствует допустимая температура, при которой при многократных
стрельбах с полным охлаждением ствола между ними его живучесть
исчерпывается через гарантированное для данного оружия число выстрелов.
111
При увеличении темпа стрельбы нагревание ствола идет интенсивнее, и поэтому критическая и допустимая длины очереди при прочих равных условиях сокращаются.
Следует также отметить, что в некоторых типах оружия, в которых после стрельбы в патроннике остается патрон, допустимая длина
очереди может ограничиваться опасностью срабатывания взрывателя и
капсюля патрона.
Результаты экспериментов показали, что для применяемых в
настоящее время форм медных ВП снарядов можно принимать давления на боевую грань, при котором будет происходить смятие полей
нарезов равным 1,3   МВП
.
В
2.11. Анализ влияния режима стрельбы на живучесть стволов
авиационного артиллерийского оружия
Согласно закону Ньютона-Рихмана элементарное количество
тепла (dQ), проходящее через единицу поверхности (dF) ствола в единицу времени (dt) прямо пропорционально разности температур газа
(ТГ ) и внутренней поверхности ствола (ТС)
d  dQ 

    TГ  TС  .
dt  dF 
Представим данное уравнение в виде:
tn
Q
   TГ  TC dt ,
F 0
где tn – время окончания действия поровых газов.
Подставим в уравнение значение    0 Г и проведем преобразования, в результате получим:
tn
 T
Q
   o ГTГ 1  C
0
F
 TГ

 dt ,

где Г – удельный вес порохового газа;
0 – коэффициент, определяемый экспериментально.
Из уравнения состояния газа
Г 
где R – газовая постоянная.
112
pСН
,
R  TГ
С учетом выше сказанного, имеем:

tn  p
Q
  o СН
0
F
R
 TC
1 
 TГ
Принимая во внимание, что

dt 


tn
o
 o  1 

R
pСН dt 
TC 

TГ 

tn
o
p СН dt .
Iб
– полный импульс
S
давления пороховых газов, отнесенный к единице площади поперечного сечения канала ствола S, получим следующее уравнение:

Q

F
TC 

 TГ   I б ,
R
S
 o 1 
где S  ns  d ;
2
ns  
4
– коэффициент приведенной площади сечения ка-
нала ствола.
Из теории внутренней баллистики известно, что Iб складывается
из дульного импульса (Iд) и импульса последействия (Iп) [14], т.е.
I б I д I п   mcн vд vд
  

,
S
S S
S
S
1 
где   1, 05  
– коэффициент фиктивной массы снаряда;
3 mсн
1300

– коэффициент последствия газов;
v
д
 – масса порохового заряда.
После подстановки в основное уравнение получим:

Q

F
Tc 
vд
 TГ  1,05  1  m  1300    .

cн
3 mcн 
vд 
ns  d 2  R 
 o 1 
Учитывая, что для действующих образцов ААО принимаются,
как правило, следующие допущения:
113
1 
1,05  mcн  mcн ; 
 1;
3 mcн
1300
v
  1; vд  vo ,
д
перепишем полученное выше выражение

Q

F
 o 1 

Tc
TГ
R


  vo mcн .
nS  d 2
Общие количество тепла (Q) передаваемое единице поверхности
ствола за все время стрельбы () определяется выражением

Q

F
 o 1 

R
Tc 

TГ 

v
 mcн T
 c .
ns  d 2 60
o
В данном уравнении vo mСН T / 60d 2 есть ни что иное, как коэффициент тепловой напряженности оружия СТ.
На
рисунке
2.15
в
виде
графиTc C
Т=6000в/м
ков
представлены
1200
результаты расчетов
Т=3000в/м
1000
влияния Iб на температуру рабочего
800
Т=1000в/м
слоя ТС после 100
600
выстрелов из 30-мм
400
пушки при различ0.53 0.56 0.59 0.61 0.64 I δ , ÌÏà
ных темпах стрельбы.
Рисунок 2.15. Зависимость температуры
Основной вырабочего слоя ствола от баллистического
вод заключается в
импульса
том, что увеличение
либо темпа стрельбы Т, либо начальной скорости снаряда v0 приводит к
увеличению температуры рабочего слоя ствола до одного и того же
значения.
114
Ведение высокоэффективной стрельбы из ААО требует повышенного расхода боеприпасов. Расчеты и практика показывают, что для
получения максимальной вероятности поражения цели длина непрерывной очереди должна
составлять 100 … 200 выКалибр – 30мм, Т=1500в/м
Tc C
стрелов при продолжиТпр=650ºС
тельности стрельбы 1 … 4
Тдоп=550º
600
секунды.
С
Будем
оценивать
N=100в
живучесть ствола в функ400
ции параметров режима
N=50в
200
стрельбы. При этом живуN=10в
честь ствола будем оценивать по температуре ТС
0
0.4 0.6 δ, см
0.2
рабочего слоя.
Рабочий слой ствола
Смятие нарезов возРисунок 2.16. Влияние длины очереди
никает из-за сильного
на температуру ствола
нагревания поверхности
ствола при интенсивной
стрельбе. В этом случае внутренние слои не успевают охлаждаться, что
приводит к повышению их температуры. Изменение температуры в
стенке ствола оружия в зависимости от количества выстрелов в очереди
имеет вид, изображенный на рисунке 2.16. Очевидно, что чем больше
длина очереди, тем быстрее будет происходить нагревание ствола.
Предельной температурой нагревания ствола является такая
температура, при которой материал рабочего слоя ствола становится
мягче материала ведуTc C
щего пояска.
Интенсивность
Т=6000в/м
нагревания ствола при
800
Калибр – 30мм.
Т=3000в/м
стрельбе
можно
Длина сплошной
600
уменьшить за счет
в
Т=1500 /м очереди – 100в
увеличения его массы,
400
а также путем флегматизации пороха.
Графики на ри0
0.2 0.4 0.6 δ, см
сунке 2.17 дают качеРабочий слой ствола
ственное представлеРисунок 2.17. Влияние темпа стрельбы на
ние о нагревании внуттемпературу ствола
115
ренних слоев ствола в зависимости от темпа стрельбы. Во время выстрела, когда поверхность ствола омывается пороховыми газами, ее
температура превышает 10000 С. В промежутке между выстрелами, за
счет теплопроводности происходит отвод тепла к наружным слоям,
температура внутренних слоев падает. Чем выше темп стрельбы, тем
скорее (при меньшем числе выстрелов) температура внутренней поверхности достигает критической.
Кроме того, по мере роста темпа стрельбы имеет место резкий
перепад температуры по толщине ствола, что связано с сокращением
временного промежутка между выстрелами, вследствие чего температура не успевает распределиться по всей толщине ствола.
Если вести стрельбу не одной непрерывной очередью, а короткими очередями, то общее число выстрелов, которое можно сделать, не
оказывая существенного влияния на живучесть ствола, может быть существенно больше. На рисунке 2.18 сплошной кривой показано повышение температуры внутренних слоев ствола в течение непрерывной
очереди, а ломанной – при стрельбе короткими очередями. Даже небольшие перерывы в стрельбе (1…3с) играют существенную роль, так
как в эти промежутки за счет теплопроводности температура по сечению ствола успевает выравниваться, следовательно, температура внутренней поверхности понижается.
Tc C
600
Стрельба без перерыва
Тпр=650ºС
50в
Тдоп=550ºС
25в
400
Калибр – 30 мм.
Темп стрельбы –
1500 в/м.
Время перерыва
– 2 сек.
200
0
20
40
60
80
N, в
Рисунок 2.18. Влияние перерыва между очередями на температуру рабочего слоя
116
Таким образом, анализ влияния различных характеристик выстрела на живучесть стволов позволяет сделать следующие выводы:
– наличие перерыва между очередями снижает температуру рабочего слоя, чем больше перерыв, тем глубже охлаждение
ствола;
– по величине допустимой температуры можно давать рекомендации по режимам стрельбы авиационного артиллерийского
оружия;
– при очередях 10 … 25 выстрелов и перерыве 5 … 15 сек между очередями, температура рабочего слоя устанавливается
ниже 5500 С, что позволяет отстреливать практически любой
боекомплект.
Однако увеличение живучести ствола за счет увеличения времени перерыва и сокращения длины сплошной очереди ведет к снижению
эффективности боевого применения ААО.
2.12. Особенности функционирования
газоотводного двигателя автоматики
авиационного артиллерийского оружия
В оружии с отводом пороховых газов движущей силой, приводящей в движение все механизмы, является сила давления пороховых газов, отводимых в газовый цилиндр двигателя автоматики оружия через
специальный газоотводный канал в стенке ствола.
Принципиальная схема газоотводного двигателя автоматики
оружия показана на рисунке 2.19. Как только снаряд пройдет газоотводный канал а, пороховые газы из ствола 1 по этому каналу поступают
1
a
П
pFn
3
2
Рисунок 2.19. Расчетная схема газоотводного
двигателя автоматики
117
в газовый цилиндр 2 и давят на поршень 3, к которому приложена сила
П, являющаяся равнодействующей сил сопротивления механизмов
оружия.
Сила давления пороховых газов на поршень двигателя – движущая сила автоматики оружия – определяется по формуле
(2.14)
P  pFп ,
где Fп – площадь поршня;
p – давление пороховых газов в цилиндре двигателя.
Сложность физических явлений, происходящих в газоотводном
двигателе автоматики оружия, делает весьма трудную задачу определения давления в цилиндре двигателя. При ее решении необходимо учитывать следующие особенности:
­
давление газа в стволе непрерывно меняется во времени;
­
сила сопротивления движения поршня П – величина переменная;
­
масса связанных с поршнем деталей является переменной,
так как в процессе перемещения поршня происходит включение и выключение различных механизмов автоматики
оружия и изменение передаточных чисел ряда звеньев механизма;
­
происходит непрерывная утечка газа через зазор между
поршнем и стенками цилиндра двигателя;
­
в течение всего процесса часть энергии пороховых газов
теряется на нагревание поршня и цилиндра двигателя.
Сложный характер имеет также сам процесс истечения газов из
ствола в цилиндр газопорохового двигателя и обратно. В начальный
период, когда давление пороховых газов в стволе значительно больше
давления в цилиндре двигателя, течение газа в газоотводном канале
происходит при критическом режиме, поэтому массовый расход газа из
ствола не будет зависеть от противодавления в цилиндре двигателя. По
мере понижения давления газа в стволе и повышения давления газа в
цилиндре двигателя в некоторый момент времени наступает докритический режим истечения газа из ствола, при котором расход газа становится зависимым от противодавления.
Истечение газа через зазор между поршнем и стенками цилиндра
двигателя все время происходит при критическом режиме, так как давления газов в цилиндре всегда немного выше атмосферного давления.
118
2.13. Математическая модель работы
газоотводного двигателя автоматики
артиллерийского оружия
Для анализа физических явлений в газоотводном двигателе и
практического решения задачи определения давления в цилиндре двигателя принимаются следующие допущения:
– состояние газа в цилиндре двигателя считается стационарным, а течение газов в канале и в зазоре – подчиняющимся
законам стационарного истечения;
– тепло, вносимое газами в цилиндр двигателя, расходуется
только на изменение внутренней энергии газа и на совершение работы при перемещении поршня;
– теплофизические характеристики газа принимаются постоянными.
При этих допущения процессы в газоотводном двигателе автоматики оружия описываются следующей системой дифференциальных
уравнений.
Уравнение сохранения энергии. Изменение тепловой энергии газа
в двигателе автоматики идет на изменение внутренней энергии газа и
на совершение работы
dQ  dU  p  dW ,
(2.15)
где dQ – изменение тепла газа;
dU – изменение внутренней энергии газа;
dW – изменение объема цилиндра двигателя.
Изменение тепла газа в период течения его из ствола в цилиндр
(увеличение) будет равно подводимому теплу, за вычетом потерь на
утечку и потерь на нагрев цилиндра двигателя автоматики
dQ  с pTсG f dt  с pT G dt   T  Tст F  dt ,
(2.16)


где с p – теплоемкость газа при постоянном давлении;
Tc – температура газа в стволе;
Т – температура газа в цилиндре двигателя;
Tст – температура стенок цилиндра;
Gf – весовой расход газа из ствола через отверстие сечением f;
G – весовой расход газа из цилиндра через зазор площадью 
 – коэффициент теплоотдачи;
F – площадь, поверхности охлаждения цилиндра.
119
При обратном течении газа из цилиндра двигателя в ствол изменение тепла газа (уменьшение) можно определить по формуле
(2.17)
dQ  c pT (G /f  G )dt   (T  Tñò ) Fdt ,
где G f – массовый расход газа из цилиндра в ствол через отверстие сечением f.
Внутренняя энергия газа, находящегося в цилиндре, определяется
уравнением его состояния
cw
pW .
R
(2.18)
cw
d  pW  .
R
(2.19)
U
Тогда изменение внутренней энергии этого газа можем записать в
виде
dU 
Второе слагаемое в уравнении (2.15) определяющее совершаемую пороховыми газами работу, найдем из уравнения
(2.20)
p  dW  p  Fп  dx ,
где FП – площадь поршня; dx – элементарное перемещение
поршня.
Подставляя в уравнение (2.15) выражения (2.16), (2.19) и (2.20),
после преобразования получим
d
 p W   k  R  TсG  TG  
dt
(2.21)
 R

F T  Tст   1  k  p  Fпv
cw
где k  c p / cw – отношение теплоемкостей;
v
– скорость поршня.
Для периода обратного течения газа с учетом выражения (2.17)
получим уравнение вида


d
 p  W   k  R  T G /f  G 
dt
 R

F T  Tст   1  k  p  Fп v
cw
120
(2.22)
Уравнение изменения массы газа в цилиндре двигателя за время
dt можно записать в виде
d W 
   G f  G ,
dt  w 
(2.23)
где w – удельный массовый объем газа в цилиндре.
Для периода обратного течения газа уравнение соответственно
запишем в виде
d W 
/
   G f  G .
dt  w 
(2.24)
Уравнение движения поршня составим в предположении, что сила сопротивления равна П, а масса поршня постоянна и равна М, в виде
M
dv
 pFп  П .
dt
(2.25)
Для решения полученных выше уравнений введем следующие
очевидные уравнения:
изменения рабочего объема газового цилиндра двигателя
(2.26)
W  Wo  Fц  x ,
скорость перемещения поршня выразим через его перемещение
v  dx ,
dt
-
-
(2.27)
изменение площади, поверхности охлаждения цилиндра двигателя автоматики
F  Fo    D  x ,
(2.28)
состояния газа
pw  R  T .
(2.29)
В данных уравнениях:
W0 – начальный объем цилиндра;
F0 – начальная площадь поверхности охлаждения цилиндра
двигателя;
D – диаметр цилиндра;
Fц – площадь поперечного сечения газового цилиндра.
В результате решения полученной системы уравнений (2.21-2.29)
определяются характеристики двигателя автоматики оружия в функции
времени, а именно: давление газов, скорость поршня, площадь поверх9. Изд. №9872
121
ности охлаждения его стенок, удельный объем газа, температура газа и
рабочий объем цилиндра ( p, T , w, W , , F ).
При решении системы уравнений следует иметь в виду, что ее
нужно интегрировать по участкам, соответствующим различным режимам истечения газа. Переход от одного участка к другому определяется как изменением направления истечения газа в газоотводном отверстии ствола, так и соотношением давлений в стволе и цилиндре двигателя.
Система уравнений (2.21-2.29) замкнутая. Ее интегрирование с
помощью ЭВМ не вызывает трудностей. Вместе с тем существует более простой приближенный метод определения давления пороховых газов на поршень двигателя автоматики оружия, разработанный И.Е. Цибулевским [1,2].
v
2.14. Анализ работы газоотводного двигателя автоматики
артиллерийского оружия
В результате решения системы уравнений (2.21-2.29) была определена зависимость давления в цилиндре при изменении в широком
диапазоне указанных параметров (п. 2.13).
Влияние начального объема цилиндра показано на рисунке 2.20.
С увеличением начального объема максимальное значение силы давления существенно снижается, а ее полный импульс за счет растягивания
процесса во времени уменьшается весьма слабо. Следовательно, увеличением начального объема можно снизить максимальные нагрузки, пеPц, МПа
W01
15
10
W02
W01< W02< W03
W03
5
0
0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
0.012
t, c
Рисунок 2.20. Влияние начального объема на давление газа в газовом цилиндре
122
редаваемые через поршень и другие части оружия, и сделать их более
легкими. Вместе с тем возможности регулировки полного импульса
давления пороховых газов на поршень с помощью начального объема
весьма ограничены. Пределы регулирования существенно расширяются
лишь тогда, когда в двигателе используется часть импульса силы давления за счет какого-либо конструктивного ограничения времени действия газов на поршень.
Таким образом, начальный объем, оказывая существенное влияние на вид кривой, практически не оказывает влияние на величину
полного импульса давления. Увеличение начального объема способствует повышению плавности работы механизмов оружия, однако при
этом увеличивается вес и габариты артиллерийского оружия.
Влияние площади поперечного сечения газоотводного отверстия
на работу газа двигателя автоматики оружия показано на рисунке 2.21.
Изменением сечения газоотводного отверстия автоматики оружия
можно в широких пределах регулировать максимальное значение силы
давления пороховых газов на поршень и ее полный импульс, что довольно широко используется на практике.
Pц, МПа
S1
16
S2
S1 > S2 > S3
8
S3
t, c
0.002
0
0.004
0.006
Рисунок 2.21. Влияние площади поперечного сечения газоотводного отверстия на давление в цилиндре
Вместе с тем, большая чувствительность полного импульса давления пороховых газов на поршень от площади поперечного сечения
газоотводного отверстия и коэффициента снижения расхода через него
требуют точного изготовления газоотводного канала, постоянного кон9*
123
троля за его состоянием и систематической его чистки, причем чистка
без применения абразивных материалов.
Таким образом, путем изменения площади сечения газоотводного
отверстия можно достаточно эффективно изменять импульс давления,
действующий на подвижные части, а, следовательно, и скорость движения подвижных частей оружия.
Влияние площади зазора между поршнем и цилиндром (рисунок
2.22) также оказывается весьма существенным. При увеличении площади зазора давление в цилиндре и величина полного импульса существенно уменьшается. Увеличение относительной площади зазора от
нуля до 0,01 вызывает уменьшение полного импульса силы давления
примерно на 25%. Только вследствие колебания размеров цилиндра и
поршня в пределах допусков при их изготовлении полный импульс
может измениться на 10%.
Pц, МПа
φ1
20
φ2
φ1 < φ 2 < φ 3
10
φ3
0
0.002
0.004
0.006
t, c
Рисунок 2.22. Влияние площади зазора на давление в
цилиндре
Поэтому нецелесообразно применять большие допуски на диаметры поршня и цилиндра и в процессе эксплуатации не допускать их
чистки с абразивных материалов.
С целью уменьшения зазора и сохранения величины зазора в конструкцию поршня включены компрессионные (поршневые) кольца.
Следует также отметить, что с увеличением массы поршня увеличивается давление в цилиндре и незначительно возрастает импульс давления поровых газов.
124
2.15. Функционирование двигателя автоматики
артиллерийского оружия откатного типа
Во время выстрела на дно канала ствола оружия действует сила
давления пороховых газов, определяемая по формуле
(2.30)
P  SpСН (1  ) ,
где  =0,03…0,05 – эмпирический коэффициент, учитывающий продольную составляющую силы реакции между ведущим пояском снаряда и нарезами.
Формула (2.30) справедлива в течение времени движения снаряда
по каналу ствола.
С точностью вполне достаточной для практических расчетов,
давление можно принять равным баллистическому давлению pСН=p,
т.е. давлению, осредненному по всему заснарядному пространству. При
этом следует иметь в виду, что значения этого давления согласовываются с опытными значениями давления только по начальной скорости
снаряда и по максимальному давлению. В результате этого, в тех точках кривой давления, где величина давления отличается от максимального значения, могут иметь место значительные расхождения между
баллистическим и истинным давлением. Однако это на расчет элементов движения ствола почти не влияет ввиду того, что если согласованы
значения начальных скоростей снаряда, следовательно, согласованы и
значения импульсов сил, действующих на ствол. Тем не менее следует
признать более надежным расчет по экспериментальной кривой давления пороховых газов в стволе.
В оружие с газооткатным пороховым двигателям, работа автоматики которого основана на использовании энергии отдачи ствола, сила
давления пороховых газов на дно канала ствола приводит в движение
ствол и связанные с ним механизмы (подвижные части), т.е. является
движущей силой автоматики оружия. Эта сила действует как в период
движения снаряда по каналу ствола, так и после его вылета в период
последействия газов, до момента расцепления затвора со стволом.
Для определения силы P используются значения давления p, получаемые в результате решения основной задачи внутренней баллистики или задачи баллистического расчета ствола.
При определении давления p в период последействия газов обычно используют формулу проф. Е.Л.Бравина
125

t
p  pД e b ,
(2.31)
где pД – давление у дна канала ствола в момент пролета снарядом дульного среза ствола;
t – время, отсчитываемое от начала периода последействия;
b – коэффициент, зависящий от характеристик оружия;
p – давление у дна канала ствола в некоторый текущий момент
времени периода последействия.
Коэффициент b выбирается таким образом, чтобы полный импульс, сообщаемый стволу расчетным давлением газов за весь период
последействия, был равен действительному импульсу.
2.16. Функционирование двигателя автоматики оружия
при свободном и торможенном откате
Рассмотрим простейший случай движения подвижных частей,
когда силы сопротивления движению можно принять равными нулю.
Этот случай движения подвижных частей называют свободным откатам.
В период движения снаряда по каналу ствола скорость отката подвижных частей может быть определена из закона о количестве движения для системы «подвижные части - заряд -снаряд». Так как эта система в рассматриваемый период времени является замкнутой, то общее количество движения системы в любой момент времени будет равно нулю.
X
 MV  mСН v   udm  0 ,
(2.32)
0
где V – скорость свободного отката подвижных частей;
M – масса подвижных частей; v – скорость снаряда;
m – масса снаряда; u – скорость элемента заряда;
dm – масса элемента заряда; X – длина заснарядного пространства.
Приняв допущение, что скорость частиц заряда в заснарядном
пространстве распределяются по линейному закону от V у дна канала
ствола до v у дна снаряда (рисунок 2.23), получаем
u V v  V

,
x
X
126
откуда
u  v  V 
x
V ,
X
(2.33)
где x – расстояние от дна канала ствола до элемента заряда dm.
ν
u
V
dm
x
dx
X
Рисунок 2.23. Система «Ствол-заряд-снаряд»
Считая, что пороховые газы и несгоревшие еще частицы порохового заряда распределяются равномерно по длине заснарядного пространства, запишем
dm 

X
dx ,
(2.34)
где  – масса заряда.
Используя зависимости (2.33) и (2.34), получаем количество движения
X

 udm  2 v  V  .
(2.35)
о
Подставляя выражение (2.35) в формулу (2.32) и пренебрегая величиной 0 ,5   по сравнению с массой подвижных частей M, получаем формулу для скорости свободного отката подвижных частей
V
mсн  0,5
v ,
М
(2.36)
В момент вылета снаряда из ствола скорость свободного отката
будет равна
127
Vд 
mсн  0,5
vд ,
M
(2.37)
где v Д – дульная скорость снаряда, т.е. скорость в момент пролета снарядом дульного среза ствола.
В конце периода последействия скорость свободного отката подвижных частей достигает наибольшего значения, которое можно
определить по формуле
Vmax 
где

mсн    
 vд ,
M
(2.38)
1300 – коэффициент последействия газов.
vд
В период последействия пороховых газов происходит увеличение
количества движения откатывающихся частей оружия на величину
M Vmax  Vд   vд   0,5 .
(2.39)
Импульс силы давления порохового газа на дно канала ствола за
этот же период можно определить по формуле


t
b
Sp Д  e dt  S  p Д b .
(2.40)
o
Из условия равенства импульса давления на дно канала ствола
приращению количества движения откатных частей за время последействия, т.е. приравнивая выражения (2.39) и (2.40), получаем формулу
для определения коэффициента
b
  vД
S  pД
    0,5  .
(2.41)
Продолжительность периода последействия обычно принимают
равной
(2.42)
t П  4b .
Величину перемещения подвижных частей при свободном откате
до вылета снаряда из ствола определим из выражения
t
X   Vdt 
0
mСН  0,5
M
lX

dx 
0
где l – путь снаряда относительно ствола.
128
mСН  0,5
(l  X ) ,
M
Отсюда, пренебрегая величиной mСН  0,5 по сравнению с
массой подвижных частей М, получаем
X
mСН  0,5
l.
M
(2.43)
Перемещение подвижных частей в момент вылета снаряда из
ствола будет равно
XД 
mСН  0,5
lД ,
M
(2.44)
где lД – полный путь снаряда относительно ствола.
Текущее значение скорости свободного отката в период последействия газов находим из соотношения
t
- 

b 

M V  V Д    S  p Д e dt  p Д  S  b  1 - e  ,
0


t

t
b
откуда
V  VД 
t
 
pД  S b 
1  e b  .


M


(2.45)
Для определения величины перемещения подвижных частей в
период последействия газов с учетом уравнения (2.45) можно получить
следующее уравнение:
X  X Д  VД  t 
pД  S  b 
 - bt  
t

b

1-e   ,
M


 
(2.46)
где время t отсчитывается от начала периода последействия.
Полученные формулы для свободного отката используются для
предварительных расчетов при проектировании оружия с отдачей ствола, когда механизмы еще не сконструированы и их влияние на движение ведущего звена еще не может быть уточнено.
Откат подвижных частей в оружии в реальных условиях происходит при наличии сил сопротивления движению. К этим силам относятся усилия возвратных пружин, силы сопротивления патронной ленты, силы сопротивления газовых устройств и т.п. В общем случае сила
сопротивления является переменной по длине отката. При анализе
торможенного отката обычно эту силу принимают постоянной, равную ее среднему значению на выбранной максимальной длине отката.
Скорость торможенного отката в любой момент времени будет равна
129
1
x 
M
t
1
0 p  dt  M
t
 Rdt ,
(2.47)
0
где p – сила давления газов на дно канала ствола;
t – время от начала отката;
R – сила сопротивления откату.
Из уравнения (2.47) получим
x  V 
где V 
1
M
1
Rt ,
M
(2.48)
t
 pdt
– скорость свободного отката в данный момент вре-
0
мени.
Аналогично получим формулу для определения перемещений
при торможенном откате
xX 
1
R t 2 .
2M
(2.49)
Из уравнений (2.48) и (2.49) можно получить формулы для определения скорости и перемещения подвижных частей оружия при торможенном откате в момент вылета снаряда из ствола и в период последействия.
130
ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА РАБОТЫ
ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ АВТОМАТИКИ
АВИАЦИОННОГО АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ОРУЖИЯ
3.1. Основные положения динамического анализа работы
механизмов авиационного артиллерийского оружия
Анализ движения механизмов автоматики оружия прежде всего
позволяет определить темп стрельбы оружия, а также оценить силы,
действующие при стрельбе на детали механизмов автоматики оружия,
на корпус оружия и на узлы крепления оружия к авиационной артиллерийской установке.
Исследование динамики механизмов оружия позволяет оценить
возможности различных схем оружия по повышению темпа стрельбы.
В основе динамического исследования автоматического оружия
лежат общие методы исследования механизмов и машин. В тоже время,
применяя эти общие методы, необходимо учитывать ряд особенностей
механизмов оружия, главные из которых следующие:
- механизмы оружия работают в резко неустановившемся режиме;
- в процессе цикла стрельбы изменяется сама структура механизмов, отключаются одни звенья и подключаются другие;
- подключение звеньев происходит, как правило, с ударом, а
передаточные числа между звеньями являются переменными;
- многие механизмы находятся в подвижном корпусе, который
перемещается на амортизаторах силы отдачи или вместе с ведущим звеном автоматики оружия.
Перечисленные особенности значительно усложняют исследование механизмов оружия. Поэтому при создании инженерных методов
расчета движения механизмов оружия принимают ряд допущений и
прибегают к решению задачи последовательными приближениями.
Например, сначала исследуют движение механизмов при неподвижном
корпусе, а затем определяются поправки, учитывающие движение корпуса. При этом не учитывают силу трения, возникающую в направляющих корпуса вследствие движения остальных звеньев механизмов, а
также силы трения, возникающие в связях деталей механизмов в результате движения корпуса. Принимают и другие упрощения. Там, где
это возможно, усредняют передаточные числа и действующие силы или
заменяют кратковременные силы импульсами этих сил и т.п. Исследо-
131
вания движения проводят по участкам. Границами участков являются
точки, где подключаются или отключаются звенья, а также вступают в
действие новые силы.
Общий путь динамического исследования состоит в составлении
дифференциальных уравнений движения механизмов оружия и их решения. Дифференциальные уравнения отдельных механизмов составляются относительно основного звена, которое, в общем случае, может
быть выбрано произвольно. Удобней всего в качестве основного звена
назначить такое, которое участвует в движении в течение всего времени цикла, и на которое действуют основные силы. Основное звено –
звено определяющее работу автоматики оружия в течение всего цикла
работы. Так, например, в качестве основного звена в системах с газоотводным двигателем удобно принимать ползун жестко связанный с
поршнем газового двигателя, а в системах с газооткатным двигателем –
ствол. В многоствольных системах в качестве основного звена обычно
принимают вращающийся блок стволов.
Элементы движения (перемещение, скорость, ускорение) звеньев
механизмов оружия связаны между собой кинематическими зависимостями, которые подробно рассматриваются в теоретической механике и
в теории механизмов и машин. Здесь приводятся основные соотношения, необходимые для дальнейшего изложения материала.
Для механизмов оружия, обладающих одной степенью свободы,
перемещение любого из звеньев функционально определяется перемещением какого-либо другого из звеньев
x  f  ( x  ) ,
(3.1)
где x и x  – перемещение звеньев, которым присвоены номера 
и  соответственно, а вид функции f  зависит от конструкции механизмов.
Связь между скоростями двух звеньев определяется зависимостью
x  i  x  ,
(3.2)
где x , x  – скорости соответственно  -того и  -того звеньев;
i  – передаточное число от  -того звена к  -тому.
Из сопоставления (3.1) и (3.2) очевидно, что
132
 ( x ) 
i  f 
dx
dx
(3.3)
Передаточное число является в общем случае функцией от положения механизмов, т.е. от координаты основного звена.
Взяв производную от выражения (3.2), найдем связь между ускорениями двух звеньев
x  i x  x
di
di dx
 x2 ,
 i x  x    i x  i
dt
dx dt
 – представляет собой производную от передаточного чисгде i 
ла по перемещению  -того звена.
При нумерации звеньев принято основному звену присваивать
номер ноль и при написании этот номер опускать. Так, например, i
означает передаточное число от основного звена к  -тому. В таких
обозначениях скорость и ускорение  -того звена запишутся в виде
(3.4)
x  i x ,
x  i x  i x 2 .
(3.5)
3.2. Уравнение движения основного звена автоматики
авиационного артиллерийского оружия
Рассмотрим методику составления уравнение движения механизмов оружия на примере простейшего двухзвенного механизма, изображенного на рисунке 3.1. По такой схеме выполняются, например, подающие и запирающие механизмы в ряде пушек.
Горизонтально скользящий ползун примем в качестве основного
звена и соответственно присвоим ему номер ноль. Поперечно перемещающийся движок обозначим номером один. Для определенности
пусть основное звено будет ведущим звеном механизма. Это означает,
что при движении механизма энергия передается от ползуна к движку.
При движении ползуна вправо шип движка прижат к нижней стенке
фигурного паза и, следовательно, поверхностью трения между звеньями является участок, показанный на рисунке 3.1 жирной линией. Поверхности трения звеньев о направляющие (нижняя для ползуна, правая
для движка) также показаны жирными линиями. Возможные перекосы
133
звеньев в направляющих при инженерных расчетах обычно не учитывают.
F1
x1, x1
1
x, x
F
α
0
Рисунок 3.1. Схема двухзвенного механизма
Масса основного звена – m; масса звена 1– m1. На основное звено
действует внешняя сила F по направлению его движения, на звено 1 –
внешняя сила F1 по направлению движения этого звена.
Со стороны движка на ползун будут действовать направленная по
нормали к точке соприкосновения звеньев реакция R10 и вызываемая ею
F1
R1
1
fR1
fR10
F
α
fR
0
fR10
R01
fR01
α
R
Рисунок 3.2. Схема сил, действующих на механизм оружия
134
сила трения fR10, направленная по касательной (f – коэффициент трения). Соответственно к движку со стороны ползуна будет приложена
реакция R01 и сила трения fR01. Кроме того, к ползуну и к движку соответственно будут приложены реакции направляющих R, R1 и вызываемые ими силы трения fR, fR1. Направление сил изображено на рисунке
3.2.
Напишем дифференциальное уравнение движения для каждого из
рассматриваемых звеньев, считая, что оси координат x и x1 направлены
в сторону движения соответствующих звеньев:
(3.6)
mx  F  R10 (sin   f cos )  fR ,
m1 x1  F1  R01 (cos   f sin  )  fR1 .
(3.7)
Реакции корпуса R и R1 найдем из уравнений статики, спроектировав для каждого из звеньев все силы на ось, перпендикулярную к
направлению движения, и приравняв сумму проекций нулю
(3.8)
R  R10 (cos   f sin  ) ,
R1  R01 (sin   f cos  ) .
(3.9)
Подставляя (3.8) и (3.9) в уравнения (3.6) и (3.7), получим


mx  F  R10 (1  f 2 ) sin   2 f cos  ,


m1 x1  F1  R01 (1  f 2 ) cos   2 f sin  .
Введем обозначения:

 R (1  f

) cos   2 f sin  
Q  R10 (1  f 2 ) sin   2 f cos  ,
Q1
01
2
(3.10)
(3.11)
и запишем уравнение движения в виде
mx  F  Q ,
m1 x1  F1  Q1 .
(3.12)
(3.13)
По физическому смыслу силы Q и Q1 являются внутренними силами, действующими на основное звено со стороны первого и на первое – со стороны основного соответственно.
Для связи внутренних сил Q и Q1 между собой в теории автоматического оружия вводится понятие – коэффициента передачи энергии
(к.п.э.). Коэффициентом передачи энергии 1 от основного звена к
первому называют отношение элементарной работы Q1 dx1 к элементарной работе Qdx.
135
1 
Q1dx1
.
Qdx
(3.14)
В случае, когда основное звено является ведущим, произведение
Q1dx1 представляет собой энергию, получаемую первым звеном от ведущего на элементарном перемещении dx1, а Qdx – энергию, потерянную ведущим звеном за счет сопротивления ведомого звена на элементарном перемещении dx. Тогда за счет потерь на трение при передаче
энергии Q1 dx1<Qdx и, следовательно, 1  1 .
Если ведущим звеном станет первое, формула (3.14), определяющая к.п.э., не изменится. Он по-прежнему останется равным отношению энергии, отданной первым звеном, к энергии, полученной основным звеном. Однако, поскольку в этом случае Q1 dx1>Qdx, то числовое
значение к.п.э. изменится за счет изменения направления сил трения.
То есть, когда основное звено становится ведомым, к.п.э. будет больше
единицы.
Понятие – коэффициента передачи энергии – является более широким, чем понятие – коэффициента полезного действия (к.п.д.), применяемое в теории механизмов и машин. Понятия к.п.э. и к.п.д. совпадают в частном случае, когда основное звено является ведущим. Методика определения к.п.э. будет рассмотрена позднее после получения
дифференциального уравнения.
Поскольку отношение элементарных перемещений звеньев есть
передаточное число, выражение (3.14) можно переписать в виде
1 
Q1
i1 .
Q
(3.15)
Используя выражение (3.15), связывающее между собой внутренние силы Q и Q1, для исключения этих сил из уравнений движения
(3.12) и (3.13). Заменяя силу Q в уравнении (3.12) ее выражением через
Q1 из (3.15), запишем
mx  F 
i1
1
Q1 .
Подставляя сюда Q1 из уравнения (3.13), получим
mx  F 
i1
1
(m1x1  F1 ) .
(3.16)
С учетом кинематической зависимости x1  i1 x  i1 x 2 , вытекающей из формулы (3.5), уравнение (3.16) примет вид
136

i12 
i i
i
 m  m1  x  1 1 m1 x 2  F  1 F1 .
1  1
1

(3.17)
Выражение (3.17) является искомым дифференциальным уравнением движения простейшего двухзвенного механизма.
Из уравнения следует, что влияние первого звена на движение
основного звена проявляется следующим образом:
1.
Масса основного звена увеличивается на величину
i12
1
2.
m1 , называемую приведенной массой первого звена;
Увеличивается внешняя сила, действующая на основное
звено, на величину
3.
i1
1
F1 , называемую приведенной
силой первого звена;
Появляется
дополнительная
i1i1
1
инерционная
сила
m1 x 2 , возникающая из-за переменности передаточ-
ного числа.
Полученное уравнение справедливо для любого двухзвенного
механизма независимо от того, какое из звеньев является ведущим. В
общем случае роль ведущего звена может в процессе движения перейти
от одного звена к другому. При этом изменится величина входящего в
уравнение к.п.э., но вид уравнения сохранится.
Коэффициент передачи энергии характеризует способность механизма передавать энергию от одного звена к другому. Он зависит от
конструкции механизма, от того, какое звено является ведущим, от положения механизма, т.е. от перемещения основного звена, а также от
коэффициента трения между звеньями и звеньев о направляющие. Величина к.п.э. изменяется при изменении поверхностей трения в механизме. В тоже время к.п.э. не зависит от величины внешних сил, действующих на звенья, если не изменяются поверхности трения и роль
ведущего не переходит от одного звена к другому. Это объясняется
тем, что внутренние силы (реакции звеньев) линейно зависят от внешних сил. В этом случае работа внутренних сил будет изменяться линейно в зависимости от внешних сил, а отношение работ внутренних сил,
выражаемое зависимостью (3.14), остается постоянным.
10. Изд. №9872
137
Найдем к.п.э. для рассматриваемого механизма. Для чего подставим в (3.15) выражения (3.10) и (3.11), определяющие силы Q и Q1, и
учтем при этом, что силы R10 и R01 по модулю равны.
Получим
1 
(1  f 2 ) cos   2 f sin 
i1 .
(1  f 2 ) sin   2 f cos 
(3.18)
Из рисунка 3.1 непосредственно следует, что передаточное число
i1  tg . Подставляя это выражение в (3.18) и выполнив тригонометрические преобразования, получим
(1  f 2 )  2 ftg
1 
tg .
(1  f 2 )tg  2 f
(3.19)
В теории механизмов и машин часто оперируют понятием угол
трения  , величина которого определяется соотношением tg  f .
Для рассматриваемого механизма выражение 1 через угол 
запишется в виде
1 
tg
,
tg (  2  )
в чем можно убедиться, если выполнить несложные тригонометрические преобразования в формуле (3.19).
Отношением Q1/Q можно воспользоваться для нахождения передаточного числа. При отсутствии трения к.п.э. обращается в единицу
и, следовательно, на основании (3.15) можно написать
 Q1 
  i1  1 .
 Q  f 0
Q
 .
Отсюда передаточное число i1  
 Q1  f 0
В данной задаче соответственно получим i1  tg .
Аналогичным образом можно получить выражение 1 и i1 для
любого другого механизма. Как видно из рассмотренного примера, для
этого необходимо найти отношение внутренних сил Q1 и Q, действующих на звенья механизма. Это можно сделать с помощью уравнений
статики, описывающих состояние равновесия при известных поверхностях трения.
138
Суть методики получения 1 и i1 заключается в следующем:
1. Приложим к основному звену механизма с заданными поверхностями трения силу (или момент) P в направлении его движения,
а к первому звену в направлении, обратном его движению, - силу (или
момент) P1, уравновешивающую механизм. Из условия равновесия механизма следует, что внешняя сила P уравновешивается внутренней
силой Q, а внутренняя сила Q1 уравновешивается внешней силой P1.
Следовательно,
P  Q.
(3.20)
P1  Q1 .
(3.21)
2. Составим уравнения равновесия каждого звена, заменив
связи их реакциями.
3. Исключим из полученных уравнений статического равновесия реакции и, пользуясь соотношением (3.15), с учетом равенств (3.20)
и (3.21), получим выражение для 1
1 
P1
i1 .
P
(3.22)
4. Положив в этом выражении f=0 и 1  1 , найдем
P
i1    .
 P1  f 0
5. Подставляя полученное значение i1 в (3.22), найдем оконча-
тельно выражение для 1 .
Указанные операции могут быть выполнены не только аналитически, но и графически. В книге [11] приведены формулы, определяющие i и  для ряда типовых механизмов автоматического оружия.
Методика получения дифференциального уравнения движения
многозвенного механизма аналогична методике получения этого уравнения для двухзвенного механизма. Не приводя всех выкладок, по аналогии с (3.17), можно написать уравнение движения произвольного механизма, содержащего основное звено и n присоединенных к нему звеньев
n
n
n


i2
i i
i
 m    m  x     m x 2  F +   F .
 1 
 =1 

  1 
10*
(3.23)
139
В этом уравнении коэффициенты при x называют приведенной
массой всего механизма, а сумму сил, стоящих в правой части, – приведенной силой механизма.
Заметим, что m и F являются обобщенными массами и обобщенными силами, т.е. этими символами обозначают массы или моменты инерции и соответственно силы или моменты сил. Умножение этих
величин на соответствующие множители, содержащие передаточное
число, которое для звеньев с различными видами перемещений (поступательное или вращательное) имеет размерность, обеспечивает приведение их к размерности этих величин для основного звена.
В сложных многозвенных механизмах непосредственное определение передаточных чисел и к.п.э. от  -того звена к основному в ряде
случаев представляет значительные трудности. Этого можно избежать,
если воспользоваться соотношениями между этими величинами для
звеньев, расположенных в определенной последовательности, через передаточные числа и к.п.э. между промежуточными звеньями. Так,
например, передаточное число и к.п.э. от основного звена к  -тому
звену в механизме, состоящем из основного звена и трех последовательно присоединенных к нему звеньев q,p и  , можно представить в
виде произведений i  iq iqp i p ;   q qp p .
Уравнение (3.23) представляет собой нелинейное дифференциальное уравнение с переменными коэффициентами. Коэффициенты
уравнения являются функциями перемещения основного звена, а стоящие в правой части силы в общем случае могут зависеть от времени
(сила давления пороховых газов), перемещения основного звена (усилия пружин) и скорости основного звена (сила сопротивления патронной ленты).
Уравнение в общем случае может быть проинтегрировано только
численным методом. Лишь в частных случаях возможно аналитическое
решение уравнения. Например, в случае, когда к.п.э. и передаточные
числа постоянны, а на детали оружия действуют только усилия пружин. Интегрирование уравнения движения усложняется тем, что по мере движения основного звена происходит подключение к нему одних
звеньев и отключение других. Подключение звеньев происходит с ударом и вызывает разрывное изменение скорости основного звена. Отключение вызывает разрывное изменение коэффициентов уравнения.
Вследствие этого интегрирование приходится вести по участкам. Границами участков будут точки разрывов скорости или коэффициентов.
140
В процессе интегрирования необходимо следить за изменением
динамических реакций между звеньями. Перемена знака реакции при
удерживающих связях влечет за собой изменение поверхности трения и
необходимость нового определения к.п.э. Более подробно методика,
интегрирования дифференциального уравнения движения механизмов
оружия и способы, учета влияния перемещения корпуса оружия на
движение механизмов рассматриваются в специальной литературе [8],
[11].
3.3. Анализ мощности, потребляемой механизмом досылания
авиационного артиллерийского оружия
Принципиальной особенностью многоствольного оружия с вращающимся блоком стволов является непрерывное (безостановочное)
движение блока в течение очереди выстрелов. Изменение сил сопротивления и силы, развиваемой двигателем, за время цикла из-за большой массы (момента инерции) вращающегося блока стволов не вызывают заметного колебания скорости вращения блока в установившемся
режиме и поэтому скорость принимают практически постоянной. В
связи с этим основная часть энергии двигателя в установившемся режиме затрачивается на преодоление сил трения и силы сопротивления
патронной ленты. Работа сил инерции деталей автоматики, совершающих возвратно-поступательное движение и движущихся безударно (затворы – досылатели), а также работа силы инерции вращающегося блока стволов за время цикла в установившемся движении равны нулю.
Потери энергии, связанные с ударами (главным образом в период запирания и отпирания), незначительны и не превышают 10% от общей затраты энергии.
В этом проявляется принципиальное отличие между динамическими процессами, происходящими в многоствольном оружии с вращающимся блоком стволов и в оружии с автоматикой обычного, а
также барабанного типов. (Для двух последних типов автоматик оружия характерно резко выраженное неустановившееся движение деталей в течение цикла, а энергия двигателя в них в основном расходуется
на преодоление сил инерций деталей, в основном, при разгоне, а также
при торможении).
Мощность, потребляемая механизмом досылания NД, обусловлена действием сил трения в этом механизме. Расчетную формулу для
определения NД получим из зависимости
141
NД 
AД
tц
,
где АД – энергия, потребляемая механизмом досылания за один цикл,
равная работе сил трения в механизме.
Величину АД можно определить как интеграл сил инерции досылателей, приведенных к блоку стволов, в течение цикла. Это объясняется тем, что операция приведения сил учитывает потери на трение при
передаче энергии от одного звена к другому. В период разгона энергия
передается от блока стволов к досылателям, а в период торможения –
наоборот, от досылателей к блоку стволов. Если бы трение отсутствовало, то энергия, передаваемая от блока стволов к досылателям, и энергия, принимаемая блоком стволов от досылателей, за время цикла были
бы равны между собой и, следовательно, величина АД в этом случае
была бы равна нулю. При действии трения величина АД будет учитывать потери на трение в процессе перераспределения энергии от блока
стволов к досылателям и от досылателей к блоку стволов.
Выражение для АД запишется в виде
Z
Z k
 1
 1  0
AД   AД    M Д d ,
где МД – приведенный момент сил инерции  -того досылателя.
Z k
Величину суммы

M

1  0
Д
d , которая учитывает потери энер-
гии на трение при перемещении всех Z досылателей в течение одного
2
цикла, можно заменить интегралом
М
Д1
d , учитывающим потери
0
на трение при движении одного досылателя в течение полного оборота
блока стволов. Тогда
2
АД   М Д 1d .
(3.24)
0
Приведенный момент сил инерции одного досылателя определяется формулой (учитывая, что угловая скорость блока стволов
  const )
142
М Д 1  m1 x1
i1
1
 m1 (i1 
di1 2 i1
i di
 )  m1 1 1  2 .
d
1
1 d
Подставляя полученное выражение МД1 в формулу (3.24) и учи-
2Т
, получим
60 Z
di12
тывая, что угловая скорость блока стволов  
AД 
2 2Т 2
60 2 Z 2
2
m
1
0
1
.
Тогда выражение для мощности, потребляемой механизмом досылания, запишется в виде
NД 
2 2 T 3
60 3 Z 2
2
 m1
0
di12
1
.
Вычисление интеграла практически производят по участкам, в
пределах которых масса досылателя (с учетом патрона или гильзы) не
изменяется, а затем результаты суммируются для полного оборота блока стволов с учетом знака (положительного для периода разгона и отрицательного для торможения).
3.4. Анализ мощности, потребляемой механизмом подачи
артиллерийского оружия
Механизм подачи (МП) ААО является мощным потребителем
энергии. И при расчете мощности двигателя автоматики ААО необходимо знать, какую мощность будет потреблять МП.
Расчет мощности, потребляемой МП, проведем для ленточной
системы питания ААО патронами.
Патронная лента состоит из патронов и звеньев. Звено обладает
упругостью, т.е. способностью деформироваться под действием прикладываемой к нему определенного растягивающего усилия и принимать исходное состояние после прекращения действия усилия. Сжимающие усилия лентой практически не воспринимаются. Сжатие звена
приведет к деформированию патрона. Кроме того, патронная лента (см.
главу 5) обладает телескопичностью за счет наличия зазоров в зацеплениях звеньев. Эти два фактора определяют динамику движения патронной ленты.
143
Обычно МП подачи патронной ленты проектируются таким образом, чтобы усилия, возникающие в ленте при стрельбе, не превосходили предела упругости звена (Р) ЗВ..
В связи со сказанным патронная лента может быть представлена
(рисунок 3.3) как последовательность патронов, соединенных между
собой упругими связями, в каждой из которых имеется люфт  . Расстояние между осями соседних патронов называют шагом ленты в
(например, для пушек ГШ-301, ГШ-30 в=52 мм, для пушки ГШ-6-23
в=39 мм).
Линия центров
масс патронов
ц.м.
Ось жесткости звеньев
ц.м.
в
ц.м.
ц.м.
δ - Зазор между звеньями
Рисунок 3.3. Схематизация патронной ленты
С началом работы механизма подачи, одноствольного и двуствольного оружия, практически без деформации звена начинает двигаться первый (условно) патрон. После того как будет выбран зазор
между первым и вторым патроном в движение включается второй патрон. При этом, поскольку первый патрон уже имеет некоторую скорость, а второй неподвижен, включение второго патрона в движение
происходит с ударом. После этого с ударом включается в движение
третий, четвертый и последующие патроны.
Каждый из последовательно вступающих в движение патронов не
сразу приобретает ту же скорость, что и первый патрон. Вследствие такого отставания скорости движения патронов друг от друга звенья патронной ленты деформируются. Деформация эта, как указывалось ранее, носит упругий характер.
Движение патронной ленты сопровождается трением и ударами о
внутренние стенки рукавов питания. Удары вызваны несовпадением
144
линии жесткости с линией центров масс. После перемещения первого
патрона на один шаг, он останавливается, ударяясь об ограничители,
фиксирующие его положение относительно приемного окна пушки.
Все остальные патроны продолжают движение по инерции. Звено второго патрона ударяется об остановившийся первый патрон (образовался зазор  ). Затем останавливаются поочередно третий, четвертый и
последующие патроны. Идет как бы набегание задних патронов на передние, приводящее к снятию растягивающих усилий в звеньях ленты.
Таким образом, патронная лента перемещается при стрельбе
толчками. Патроны включаются в движение один за другим последовательно с ударами, движение патронов сопровождается растяжением
звеньев и возникновением в них сил упругости.
Из рассмотренной картины движение ленты следует, что математическое описание перемещения ленты является весьма сложным. Для
упрощения математического описания движения патронной ленты
принимают ряд допущений, которые практически не искажают закон
движения ленты при стрельбе:
- потери энергии на трение между звеньями равны нулю;
- потери энергии на удары патронов о рукав питания, друг о
друге равны нулю;
- зазорами  пренебрегают.
В связи со сказанным патронная лента может быть условно схематизирована (рисунок 3.4) как упругая, гибкая, несжимаемая нить с
равномерно распределенной по ее длине массой, равной массе всей
ленты, и упругими свойствами, соответствующими упругими свойствам звеньев самой ленты.
в
в
Рисунок 3.4. Упрощенная схематизация патронной ленты
Такая схематизация патронной ленты, т.е. учет только ее упругих
свойств, дает хорошее совпадение с результатами, полученными в ходе
экспериментов.
При такой схематизации динамическое усилие Pдин, возникающие в сечениях ленты при ее движении, определяется на основании
145
волнового характера распространения упругих деформаций зависимостью:
Pдин  mпз v ,
где  – жесткость участка ленты длиной в;
mпз – суммарная масса одного патрона и одного звена;
v – скорость рассматриваемого участка патронной ленты.
Динамическая сила Pдин сопротивления патронной ленты не зависит от количества патронов в ленте, ее положения в рукаве, а определяется только упругими свойствами ленты и скоростью ее движения.
Этот факт говорит об исключительно волновом характере распространения деформаций в ленте.
Fтр θ
θ
mnз P
Рисунок 3.5. Статическая составляющая силы сопротивления патронной ленты
Кроме динамической составляющей есть еще статическая составляющая Q (рисунок 3.5) также определяющая силу сопротивления патронной ленты. Эта составляющая определяется весом свисающей части ленты, а при наклонном рукаве и силой трения ленты.
Из рисунка 3.5 следует, что статическая составляющая определяется выражением
Q = mпз gN (sin +  cos),
где N – количество патронов в наклонном рукаве;
 – угол наклона патронного рукава;
f – коэффициент трения.
146
Таким образом, полное усилие, возникающее в патронной ленте и
определяющее силу ее сопротивления движению, определится как
сумма динамической и статической составляющих:
P  mпз v  mпз gN (sin   f cos  ) .
Эта формула используется при расчетах механизмов подачи ленты в оружие, а также при определении мощности двигателей подтяга
патронной ленты в артиллерийских установках.
Мощность, расходуемая на движение ленты, с учетом к.п.э. при
работе механизма подачи (П ) определяется по формуле:
NÏ 
1
Ï
Pv 
1
Ï


mïç  v  Q v ,
(3.25)
где П – коэффициент передачи энергии механизма подачи.
Выразим скорость подачи ленты через темп стрельбы (Т) и шаг
ленты (в) с учетом ее растяжения в
v
где в 
P


m пз

v
Q

в  в
,
tц
.
Следовательно
в
v
Q

.
m пз
60

T

Подставляя это выражение в формулу (3.25), получим

Q

в
1 

NП 
mпз 
Q

П
60
mпз



T



 в Q


.
 60
mпз

 T  

(3.26)
147
Таким образом, мощность, потребляемая механизмом подачи патронной ленты, зависит от шага ленты (в), упруго-инерционных характеристик ленты (, mпз), дополнительных сопротивлений (Q) и времени
между выстрелами (60/Т). Величину (П) определяют с учетом увеличения шага ленты вследствие растяжения.
Следует иметь в виду, что учет растяжения ленты приводит к
увеличению расчетного значения мощности на 20…50%, и поэтому деформация ленты должна учитываться при расчетах и проектировании
оружия.
3.5. Анализ мощности силы давления ведущего пояска
снаряда на боевую грань нареза ствола
Особенностью многоствольного оружия с вращающимся блоком
стволов является непрерывное движения блока стволов в течение очереди выстрелов. На рисунке 3.6 представлены силы и моменты действующие на снаряд при его движении по нарезной части канала ствола.
Вследствие вращательного
движения снаряда по каналу
ствола на вращающийся блок
стволов действует момент
N
M I
Nв
р
ω
ω0
M
Рисунок 3.6. Движение снаряда по
НЧКС
где I – момент инерции
снаряда;
 – угловая скорость
вращения снаряда.
Мощность силы давления
со стороны снаряда на боевую
грань нареза ствола NВР зависит
от момента, действующего на
блок стволов и угловой скорости
вращения блока стволов  0 :
N ВР  M  0  I  0 
148
d
,
dt
d
.
dt
Работу силы давления, возникающей при движении снаряда по
НЧКС можно определить по формуле:
AВР  I  0   ,
где  
2v0
– скорость вращения снаряда вокруг своей оси;
H  d
0 – угловая скорость блока стволов.
Мощность реакции вращательного движения снаряда определяется по формуле
N ВР  I 
4 2T 2 v0

.
602  tц  H  d
(3.27)
Расчеты для пушки М61А1 «ВУЛКАН» показали, что в случае
вращения блока стволов в противоположном направлении для получения того же темпа стрельбы потребуется увеличение мощности двигателя автоматики оружия на 11 … 12 %. В отечественных образцах ААО
принята правая нарезка стволов, при которой снаряд вращается по часовой стрелке. И для уменьшения мощности двигателей автоматики
многоствольного оружия вращение блока стволов происходит против
часовой стрелки.
3.6. Анализ мощности, потребляемой механизмами
автоматики артиллерийского оружия
с вращающимся блоком стволов
Аналогичным образом (см. п.п. 3.3…3.5) можно получить зависимости для определения потребляемых мощностей и для остальных
механизмов автоматики и как сумму мощности NАВТ, потребляемую автоматикой оружия.
Анализ этих зависимостей показывает, что составляющие мощности NАВТ определяются баллистическими и конструктивными параметрами оружия и для одного и того же образца существенно изменяются с изменением темпа стрельбы.
Зависимость мощности NАВТ от темпа стрельбы и числа стволов в
оружии можно представить в виде
149
N АВТ
T3
T2
 A 2 B
 CТ 2 ,
Z
Z
(3.28)
где величины А,В и С зависят в основном от баллистических и конструктивных параметров оружия.
Заметим также, что поскольку многие составляющие мощности
обратно пропорциональны числу стволов, оружие с меньшим числом
стволов для достижения одного и того же темпа стрельбы при прочих
равных условиях потребует более мощного двигателя. Это объясняется
тем, что при меньшем числе стволов для получения того же темпа
стрельбы необходимо вращать блок соответственно с большей скоростью, а это связано с увеличением мощности.
Следует учитывать, что в многоствольном оружии действуют силы, которые можно использовать для создания дополнительной мощности, помогающей двигателю пушки вращать блок стволов. Например, как уже отмечалось момент силы реакции от вращательного движения снаряда в стволе, возникающий при взаимодействии медного ведущего пояска снаряда с нарезами ствола, стремится повернуть ствол в
сторону, противоположную вращению снаряда.
Небольшую дополнительную мощность создает сила остаточного
давления газов в стволе, воспринимаемая затвором после отпирания.
Дополнительную мощность для вращения блока можно также
получить путем установки стволов под некоторым углом к оси их вращения. Возникающая при этом боковая составляющая от силы давления газов на дно ствола будет создавать крутящий момент, приложенный к блоку. Этого же результата можно добиться за счет установки на
стволы специальных несимметричных надульников.
Возможности рассматриваемой схемы оружия по повышению
темпа стрельбы могут быть реализованы только в том случае, если двигатель оружия обладает необходимой для этого мощностью. Величина
мощности, потребляемой для работы механизмов многоствольного
оружия, достаточна велика. Например, в американской 20-мм шестиствольной пушке «Вулкан» при темпе стрельбы 6000 в/мин эта мощность
составляет 20…25 кВт. Потребляемая механизмами автоматики мощность сильно возрастает с увеличением темпа стрельбы и калибра оружия. В частности, в 23-мм шестиствольной авиационной пушке ГШ-623 при темпе стрельбы 9000 в/мин она достигает 50…60 кВт.
В период разгона блока стволов двигатель должен иметь избыток
мощности над мощностью сил сопротивления, а при установившемся
150
режиме эти мощности должны быть равны. Кроме того, характеристика
мощности двигателя NДВ(Т) должна обеспечивать устойчивость темпа
стрельбы в установившемся режиме.
Характер зависимости мощности, потребляемой механизмами
оружия, от темпа стрельбы NАВТ(Т) показан на рисунке 3.7.
N
Nд
в
0
Nавт
Туст
Т, в/м
Рисунок 3.7. Мощность, потребляемая механизмами
автоматики
Для быстрого разгона блока стволов и устойчивой работы оружия
желательно, чтобы характер изменения кривой NДВ(Т) и ее взаимное
положение с кривой NАВТ(Т) были примерно такими, как это показано
на рисунке 3.7. То есть необходимо, чтобы кривая NДВ(Т) пересекала
кривую NАВТ(Т) за максимальным значением на начальном участке нисходящей ветви.
Как видно из рисунка 3.7 уменьшение или увеличение темпа
стрельбы от расчетной величины вызывает такие изменения мощностей
NДВ и NАВТ, при которых темп стрельбы будет изменяться в сторону
своего устойчивого значения.
Условие устойчивости работы оружия в установившемся режиме
запишется в виде
Таблица 3.1. Мощности, потребляемые механизмами автоматики
пушки ГШ-6-30
151
Механизмы
автоматики
Механизм
подачи
Механизм
снижения
Механизм
досылания
Механизм
запирания
Механизм
стрельбы
Механизм
отпирания
Механизм
экстракции
Механизм
удаления
152
Причины, обусловливающие
затраты энергии
Мощность,
кВТ
Наличие динамической и статической 46,4
составляющих силы сопротивления патронной ленты (с учетом растяжения).
Наличие сил трения, возникающих при 2,6
съеме звена с патрона.
Преодоление сил инерции снаряда. 38,0
Наличие сил трения при движении затворов по направляющим центральной
звезды и пазом копира.
10,7
Наличие центробежной силы, связанной
с вращением блока стволов и приложен- 6,0
ной к затворам.
Наличие трения между патроном и
направляющими кожуха с учетом центробежных сил.
Наличие сил трения при запирании 4,0
а нала ствола
Наличие момента от сил трения, возни- 8,5
кающих между шаровой опорой и роликами вилок.
3,8
Реакция вращательного движения снаряда в стволе.
Наличие сил трения при отпирании 4,13
анала ствола
Наличие сил трения при экстракции 6,9
гильзы.
Наличие остаточного давления поровых 8,6
газов в канале ствола.
Наличие сил трения при перемещении 3,9
гильзы по прямолинейному участку
ускорителя.
Преодоление сил инерции, вызванных 2,0
ускорением гильзы на ускорителя.
 N авт 
 N 

   дв   0 ,
 Т c Т уст  Т с Т уст
чем больше эта разность, тем более устойчивее будет работать оружия,
т.е. меньше будут колебания темпа стрельбы при изменении условий
эксплуатации.
Необходимую величину мощности двигателя и желательный характер ее изменения обеспечивают соответствующим подбором типа
двигателя и его конструктивных характеристик. В частности, эта задача
успешно решается при использовании газопорохового двигателя с отводом газов из стволов, обеспечивающего надежную и устойчивую работу оружия при малой массе и компактных габаритах.
Для анализа движения механизмов многоствольного оружия,
расчета и проектирования его автоматики нужно знать, от чего и как
зависит мощность, потребляемая механизмами. Для примера в таблице
3.1 приведены мощности, потребляемые отдельными механизмами автоматики 30-мм авиационной пушки ГШ-6-30, суммарная мощность
данного оружия составляет 120,73 кВт.
3.7. Мощность, развиваемая
газоотводным пороховым двигателем
Рассмотрим для примера наиболее распространенный газоотводный двигатель с возвратно-поступательным движением двух поршней
(рисунок 3.8). Поршни 1 и 6 насажены на шток 5 и перемещаются в цилиндре 2, который крепится между стволами (показаны только два
ствола 3 и 8, попавшие в сечение). В средней части цилиндра имеются
газоотводные каналы 4 и 9, связывающие каналы стволов с рабочими
камерами цилиндра.
Стволы, подающие газ в переднюю и заднюю камеры, чередуются. Поочередной подачей газа от выстрела к выстрелу в переднюю и
заднюю камеры обеспечивается возвратно-поступательное движение
штока.
11. Изд. №9872
153
Это движение штока с помощью кривошипно-шатунного механизма и конических зубчатых колес преобразуется во вращательное
движение блока стволов.
1
2
10
3
4
5
6
9
7
8
Рисунок 3.8. Схема газоотводного порохового двигателя
Когда шток с поршнями приходит в одно из крайних положений,
газ из цилиндра выбрасывается за пределы оружия через выхлопные
отверстия 7. Две винтовые выемки 10 на штоке обеспечивают подачу
газа из стволов в камеры при одновременном поступательном движении штока и вращательном движении цилиндра двигателя автоматики с
блоком стволов.
Для повышения эффективности двигателя автоматики в нем
предусмотрена отсечка газа, т.е. перекрытие штоком газоотводного канала, когда в стволе упадет давление, что исключает возможность обратного течения газа из цилиндра в ствол. Момент отсечки газа регулируется соответствующим подбором длин винтовых выемок 10 на штоке.
Развиваемая газоотводным пороховым двигателем мощность может быть определена с помощью зависимости
А
(3.29)
N ДВ  ДВ ,
tЦ
где АДВ – приведенная к блоку стволов работа двигателя за один
цикл.
Работа двигателя в течение цикла определяется выражением
154
К
АДВ   М ДВ d  FП
Н
К
i ДВ

 
Н
pd ,
(3.30)
ДВ
где р – давление газов в цилиндре двигателя;
FП – площадь поршня;
iдв – передаточное число от блока стволов к поршню;
ηдв – коэффициент передачи энергии от блока стволов к
поршню;
φН – угол поворота блока стволов к началу заполнения газом
цилиндра двигателя;
φК – угол поворота блока стволов к концу рабочего хода
поршня.
Величину давления р можно получить из уравнения сохранения
энергии для газоотводных устройств оружия, рассматриваемого в гл. 2.
Если пренебречь утечкой газа через зазоры (поршни имеют
уплотнительные кольца), а тепловые потери учесть уменьшением коэффициента μ в формуле расхода газа из ствола в цилиндр двигателя,
то уравнение сохранения энергии (2.28) запишется в виде
d
dW
,
( pW )  kRTC G f  (k  1) p
dt
dt
(3.31)
где W – текущий объем рабочей камеры цилиндра;
ТС – температура газа в стволе;
Gf – массовый расход газа из ствола в цилиндр;
k – показатель адиабаты порохового газа;
R – газовая постоянная.
Дифференцируя левую часть уравнения (3.31) и преобразуя его,
получим
dp k 
dW 
  RTC G f  p
.
dt W 
dt 
(3.32)
При этом учтено, что в многоствольном оружии с вращающимся
блоком стволов при установившемся режиме текущий объем цилиндра
W является функцией времени, которая определяется скоростью вращения блока ω и передаточным числом iдв, т.е. практически не зависит
от закона изменения давления р.
Так как в двигателях автоматики обычно применяется отсечка газа, то с достаточной для практики точностью можно принять допущение о критическом течении газа из ствола в цилиндр для всего периода
истечения. В этом случае формула расхода газа будет иметь вид
11*
155
k 1
G f  k0 f
 2  k 1
где k0  k 
 .
 k 1
pC
,
wC
В приведенной формуле обозначены:
f – площадь сечения газоотводного канала;
μ – коэффициент, учитывающий потери при истечении;
рс – давление газа в стволе;
wс – удельный массовый объем газа в стволе.
Подставив в уравнение (3.32) выражение Gf и используя уравнение состояния газа в стволе pcwc = RTc, получим
pC3 / 2 wC1/ 2
dp
k dW
 kO fk
p
.
dt
W
W dt
(3.33)
Уравнение (3.33) является линейным дифференциальным уравнением первого порядка вида
dp
 f 2 t  p  f1 t  ,
dt
k dW
pC3 / 2 wC1 / 2
где f1 t   kO fk
и f 2 t  
.
W dt
W
Решение этого уравнения имеет вид:
t
pe

 f 2  t  dt
0
t

f 2  t  dt
 f  t  e 0
dt  C  .
  1

0


t
При t = 0 давление р0 =0. Следовательно, c = 0. Поскольку интеграл
t
w
k dW
dW
0 W dt dt  k w W  k ln W  ln W0  ,
0
k
а также, учитывая, что e
k lnW  lnW0 
W 
   ,
 W0 
получим следующее решение уравнения (3.33):
156
W 
p  k0 fk  0 
W 
k t

0
k
pC3 / 2 wC1/ 2  W 
  dt .
W  W0 
(3.34)
С достаточной для практики точностью удельный объем газа в
стволе можно выразить адиабатической зависимостью
p
wC  wCO  CO
 pC
1
k
 ,

(3.35)
где рсо и wсо – давление и удельный объем газа в стволе в момент
прохождения снарядом газового отверстия.
Преобразуя уравнение (3.34) с учетом зависимости (3.35), получим следующее выражение, определяющее давление в двигателе автоматики р
p
1/ 2 k 1/ 2
k0 fkpCO
wCO
k
W
3k 1
t
k 1
 pC2k W dt .
(3.36)
0
Перейдем к переменной интегрирования φ – поворота блока
стволов, связанной со временем зависимостью φ=ωt, и введем коэффициент А, объединяющий величины, независящие от времени. Тогда из
(3.36) следует
Af
p k
W
где A 
1/ 2 k 1/ 2
k0 kpCO
wCO

K
3 k 1
2k
C
p

W k 1d ,
(3.37)
H
.
Формула (3.37) определяет давление газа в двигателе автоматики
для периода течения газа из ствола в цилиндр, т. е. до отсечки.
После того, как произошла отсечка, газ, продолжая расширяться,
совершает полезную работу до момента выхлопа.
Для этого периода можно воспользоваться адиабатической зависимостью
k
W 
(3.38)
p  pОТС  ОТС  ,
 W 
где WОТС – объем камеры цилиндра в момент отсечки газа;
157
pОТС – давление газа в этот момент, определяемое выражением

3 k 1
Af ОТС
pОТС  k  pC2 k .
WОТС  H
Адиабатическое расширение газа совершается до момента выхлопа, который происходит в конце рабочего хода поршня и определяется углом φвыхл = φк
Подставляя полученные выражения (3.37) и (3.38) в формулы
60
(3.29) и (3.30), определяющие NДВ и АДВ, и имея в виду, что tц 
,
Т
получим


3 k 1
AfFП Т ОТС i ДВ d
N ДВ 
pC2 k W k 1d 
60 H  ДВ W k H
p F
 ОТС П
60
 выхл
k
i ДВ  WОТС 
 d . (3.39)
 
 отс  ДВ  W 
За начало отсчета углов φ удобно принять положение блока стволов, соответствующее крайнему положению поршней (мертвой точке).
Тогда H  В  t1 ,
где φВ – угол воспламенения, т. е. угол поворота блока к моменту
воспламенения капсюля патрона;
t1 – время от воспламенения капсюля до прохода снарядом
газоотводного отверстия в стволе;
ω – угловая скорость вращения блока.
Угол воспламенения оказывает существенное влияние на характер кривой NДВ(Т) и является важной характеристикой, которая выбирается в зависимости от темпа стрельбы оружия.
Двигатель проектируется так, чтобы при установившемся режиме
поступление газа в цилиндр начиналось бы после прохождения поршнем мертвой точки в малый начальный объем каморы, т. е. при небольшом положительном значении угла φН. На кривой NДВ(Т) это будет
соответствовать начальному участку нисходящей ветви. Чтобы это
обеспечить, необходимо соответствующим образом выбрать значение
угла φВ. Как видно из выражения φН и очевидно из физического смысла,
для оружия с большим темном стрельбы угол φВ следует уменьшать, а
для оружия с меньшим темпом – увеличивать. В общем случае угол φВ
158
может быть положительным или отрицательным в зависимости от того
с запаздыванием или с опережением относительно крайнего положения
поршней происходит воспламенение капсюля. Величина этого угла в
2
реальных образцах оружия находится в диапазоне  B  0,2
.
Z
Если в оружии с правильно выбранным углом φВ произойдет увеличение темпа стрельбы, то газ из ствола начнет поступать в камору
при большем смещении поршня относительно мертвой точки, т. е. в
больший начальный объем, что приведет к уменьшению давления газа
в двигателе. Кроме того, в этом случае сила давления газа будет совершать работу на меньшем пути поршня. По этой причине, несмотря на
увеличение темпа стрельбы, мощность двигателя автоматики будет падать.
При уменьшении темпа стрельбы вначале мощность двигателя
автоматики будет возрастать, что очевидно из вышеприведенных рассуждений. А затем, при дальнейшем уменьшении темпа, мощность станет падать за счет уменьшения множителя Т в формуле (3.39) при замедляющемся росте других величин (давления газа и рабочего хода
поршня) в связи с нелинейным законом изменения передаточного числа
iдв.
3.8. Стартерные устройства и особенности их расчета
В многоствольном оружии с высоким темпом стрельбы, где угол
воспламенения отрицательный, поступление газа из стволов в цилиндр
двигателя автоматики вначале разгона блока стволов будет происходить при недоходе поршнем мертвой точки. По этой причине в этих
образцах оружия один газопороховой двигатель не в состоянии раскрутить блок стволов. Эта задача решается стартером. В то же время выбор
отрицательного значения угла φВ в таком оружии обеспечивает устойчивую его работу при установившемся темпе стрельбы и в сочетании
со стартером гарантирует быстрый выход на установившийся режим.
В оружии с положительным углом воспламенения раскрутка блока стволов может быть осуществлена непосредственно газопороховым
двигателем. Однако время выхода оружия на установившийся режим
будет в этом случае слишком большим, что приведет к существенному
уменьшению действительного (среднего в очереди) темпа стрельбы.
Кроме того, при разгоне блока стволов только газопороховым двигателем потребуется введение в оружие специального механизма для фик-
159
сации блока стволов в положении, при котором может быть осуществлено воспламенение капсюля патрона, что усложняет конструкцию
оружия. В связи с этим в многоствольных пушках и пулеметах с внутренним газопороховым двигателем применяются специальные стартеры для разгона блока стволов.
Предварительный разгон блока стволов стартером позволяет:
– сократить время выхода оружия на режим расчетного темпа
стрельбы и, следовательно, увеличить общее число снарядов,
выпущенных за время стрельбы;
– лучше согласовать мощностную характеристику двигателя
NДВ(Т) с характеристикой мощности сил сопротивления
NАВТ(Т) в целях получения устойчивого расчетного темпа
стрельбы;
– исключить специальный механизм останова и фиксации блока стволов в положении, когда очередной патрон дослан в
канал ствола, ствол закрыт и можно производить воспламенение капсюля.
В настоящее время в многоствольном оружии нашли применение
пневматические, пиротехнические, электрические и пружинные (торсионные) стартеры.
Пневматические стартеры просты по устройству, удобны в эксплуатации, обладают достаточной мощностью при небольшой массе и
габаритах и обеспечивают многократность срабатывания, не загрязняют оружия. Однако они требуют источника сжатого воздуха, который
на съемных установках иметь нежелательно по соображениям экономии массы и габаритов.
Пиротехнические стартеры также развивают достаточную мощность при малой массе и небольших габаритах, но они допускают ограниченное количество запусков оружия и, следовательно, ограниченное
число очередей в полете, определяемое количеством пиропатронов в
стартере. Использование пиростартеров вызывает дополнительное загрязнение деталей оружия пороховым нагаром и затрудняет его эксплуатацию.
Электрические и пружинные стартеры, как менее мощные, получили применение в оружии малого калибра (пулеметах). Иногда используются стартеры комбинированного действия. Например, первый
запуск может осуществляться с помощью пиропатрона, а последующие
– за счет энергии пружины, которая взводится блоком стволов при его
останове.
160
В американской шестиствольной 20-мм пушке GAU-4A, являющейся модернизацией известной пушки «Вулкан» М-61, разгон блока
стволов осуществляется за счет кинетической энергии маховика, предварительно раскручиваемого небольшим электродвигателем.
Стартер должен обеспечивать разгон блока стволов до определенной угловой скорости ωО на заданном угле поворота блока φО. Угол
φО выбирается из условия досылания первых (одного-двух) патронов в
положение готовности для стрельбы. Следовательно, угол φО должен
быть больше угла поворота блока на участке досылания и запирания
(φО + φЗ). Из условия обеспечения оптимального режима и приемлемого времени разгона блока угловую скорость, до которой блок разгоняется стартером, принимают равной
O  0,5  0,6ÓÑÒ ,
где ωуст – угловая скорость установившегося вращения блока при
заданном темпе стрельбы Туст.
В дальнейшем на участке от ωО до ωуст разгон блока будет производиться двигателем пушки.
Для повышения надежности разгона стартер обычно отключают
через некоторое время после начала работы двигателя, т. е. вводят участок совместной работы стартера и двигателя.
Анализ движения блока стволов при разгоне можно выполнить
общими методами исследования механизмов оружия, используя для
этого дифференциальное уравнение (3.23). Однако точное решение с
учетом переменности масс, передаточных чисел, к.п.э., а также действующих сил и моментов, получается достаточно сложным и трудоемким.
Далее будет рассмотрен приближенный метод анализа движения
блока при разгоне, дающий приемлемую для многих практических задач точность результата.
Движение блока стволов на участке разгона можно приближенно
описать дифференциальным уравнением
J
d
 M ÑÒ  M ÀÂÒ ,
dt
где J – приведенный момент инерции блока стволов с учетом
всех механизмов оружия (с достаточной для практики точностью его можно принять постоянным);
МСТ – приведенный к блоку стволов движущий момент, развиваемый стартером;
161
МАВТ – момент сил сопротивления автоматики.
Для каждого значения скорости ω момент сопротивления может
быть получен из зависимости
M АВТ 
N АВТ

.
Для приближенных расчетов зависимость мощности сил сопротивления автоматики NАВТ от угловой скорости ω можно принять квадратичной зависимостью, т. е.
NАВТ = аω2.
В этом случае момент Мавт будет линейной функцией ω
MАВТ = аω.
Величину момента, развиваемого стартером Мст. примем постоянной. Ошибка от такого приближения приведет к некоторому увеличению расчетного времени разгона.
При этих допущениях дифференциальное уравнение разгона блока стволов запишется в виде
J
d
 M СТ  a .
dt
Получим линейное уравнение первого порядка с постоянными
коэффициентами. Интегрирование его до момента получения угловой
скорости ω0 дает
tO  
J  O 
,
ln 1 
a  m 
(3.40)
где ωm – максимальная угловая скорость, которую может развить
стартер, определяемая выражением
m 
M СТ
.
a
Коэффициент пропорциональности а получают путем обработки
расчетной кривой NАВТ(Т), имея в виду, что
Т
60tц
2
.
Формула (3.40), определяющая время разгона блока стволов
стартером, может быть использована для расчета основных конструктивных параметров стартера. Практические приемы расчета изложены
в пособиях [8], [11].
162
Для определения времени выхода оружия на режим установившегося темпа стрельбы необходимо решить уравнение движения блока
стволов на участке от окончания работы стартера, когда угловая скорость блока стволов достигает ωО до установившейся скорости ωУСТ,
соответствующей расчетному темпу стрельбы.
Приближенно эта задача легко решается, если момент сил сопротивления на этом участке линеаризировать зависимостью МАВТ= аω, а
момент, развиваемый пороховыми газами, осреднить постоянным значением МДВ = const. При этих допущениях решение уравнения движения блока стволов на этом участке (по аналогии с решением уравнения
движения под действием стартера) дает
t  J
УСТ  
M ДВ
 
ln 1 
  УСТ


  ln 1  O

 УСТ

 ,

где t – время движения на участке от ωО до текущего значения ω.
Время разгона от ωО до ωУСТ определяется до достижения ω =
0,95ωУСТ (так как при ω → ωУСТ, t → ∞).
Тогда получим

 
 
t0,95   J УСТ ln 0,05  ln 1  O  ,
M ДВ 
 УСТ 
а полное время разгона блока стволов будет
tРАЗ = t0 + t0,95.
На рисунке 3.9 приведен примерный график выхода блока стволов на режим расчетного (установившегося) темпа стрельбы, имеющий
три участка. На первом участке происходит разгон блока только стартером. При этом первый патрон досылается в патронник ствола. После
первого выстрела стартер не отключается, а продолжает разгон блока
совместно с двигателем автоматики на участке, где происходит еще
один-два выстрела, что повышает надежность разгона блока стволов.
Затем стартер отключается и блок стволов, разгоняемый двигателем автоматики, набирает скорость, соответствующую установившемуся темпу стрельбы.
Общее время разгона в существующих образцах оружия не превышает 0,1 – 0,2 с. При таком времени разгона потеря темпа стрельбы
за секундную очередь не превышает 5—10%.
163
Туст
0
Работа
стартера
Работа
стартера и
двигателя
Работа
двигателя
t
tраз
Рисунок 3.9. Схема выхода оружия на расчетный темп стрельбы
Рассмотренный выше случай разгона блока стволов характерен
для авиационных пушек ГШ-6-23 и ГШ-6-30 [5]. Разгон блока стволов
в авиационном пулемете ЯкБ-12,7 может осуществляться пиростартером или торсионом. Раскрутка блока стволов от торсиона является
штатной работой пулемета ЯкБ-12,7. При подготовке пулемета ЯкБ12,7 к боевому применению каждый раз производится взведение торсиона от ручки. После отпускания кнопки стрельбы торсион взводится
вновь от энергии двух последних патронов в очереди. Если по какой-то
причине торсион не взводится, то раскрутка блока стволов производится [7] от пиростартера.
В авиационном пулемете ГШГ-7,62 раскрутка блока стволов
осуществляется с помощью электрического двигателя.
164
ГЛАВА 4. ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛОВОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ ОРУЖИЯ НА АРТИЛЛЕРИЙСКУЮ
УСТАНОВКУ И ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
4.1. Особенности воздействия артиллерийского оружия на
установку и летательный аппарат
Одним из важных и трудоемких этапов в процессе создания новых систем артиллерийского вооружения в авиации является этап отработки в процессе стрельбы совместимости ААО с летательным аппаратом.
Совместимость определяется совокупностью многих факторов,
важнейшими из которых являются следующие:
1. Силовое воздействие ААО в процессе стрельбы на конструкцию артиллерийской установки или непосредственно на конструкцию летательного аппарата.
2. Вибрационное воздействие в процессе стрельбы дульной волны и силы отдачи на бортовое оборудование летательного аппарата.
3. Нарушение при стрельбе однородности воздушного потока (по
давлению, температуре и т.д.), попадающего в двигатель летательного аппарата.
4. Взрывоопасное скопление пороховых газов в отсеках артиллерийской установки или летательного аппарата.
5. Размещение ААО, артиллерийской установки и боекомплекта
на борту летательного аппарата, приводящее к серьезному
нарушению его центровки и изменению траектории полета при
стрельбе.
4.1.1. Силовое воздействие
В процессе стрельбы при каждом выстреле на дно запертой в патроннике гильзы действует вдоль оси канала ствола сила давления пороховых газов. Обозначим ее Pдн (рисунок 4.1). Эта сила, например, в
оружии 23 калибра может достигать величины 130 кН, а в оружии 30
калибра – 300 кН. Через детали, жестко связанные со стволом, она передается на корпус оружия. Кроме того, в процессе стрельбы, корпус
испытывает силовое воздействие со стороны работающих механизмов
автоматики оружия. Равнодействующую указанного силового воздей-
165
ствия обозначим Fk . На рисунке 4.1 условно показана точка ее приложения и направление действия.
Сумма сил
(4.1)
Pдн  Fk  R0 – есть сила отдачи ААО.
Через корпус эта сила передается на узлы крепления оружия к
установке, на силовые элементы конструкции установки и летательного аппарата, вызывая значительную их деформацию и, затем, разрушение.
R0
Fk
O
Pдн
Артиллерийская
установка
Летательный
аппарат
Рисунок 4.1. Силы действующие на корпус оружия при стрельбе
На практике при разработке ААО стремятся так организовать,
сбалансировать работу автоматики оружия, чтобы величина Fk была
минимальной. Например, в пушке ГШ-30 величина Fk составляет менее
1% от величины Рдн.
В связи с тем, что Fk<<Рдн при проведении расчетов силу отдачи
отождествляют только с силой давления пороховых газов на дно гильзы, то есть принимает
R0≈Pдн
(4.2)
О том, как технически решается вопрос снижения величины силы
отдачи, будет сказано ниже, в параграфе 4.3.
4.1.2. Вибрационное воздействие
При стрельбе вибрационное воздействие ААО на артиллерийскую установку и летательный аппарат обусловлено двумя основными
факторами: дульной ударной волной и силой отдачи.
Физика образования дульной ударной волны заключается в следующем. В процессе выстрела при выходе снаряда из канала ствола, то
есть при проходе снарядом дульного среза, наружу вырываются пороховые газы. Из-за высокого давления в канале ствола газы имеют ско-
166
рость истечения, превышающую в несколько раз скорость звука. Поэтому вблизи дульного среза возникает ударное уплотнение воздуха,
которое также распространяется со сверхзвуковой скоростью. Иными
словами, образуется дульная ударная волна (ДУВ), которая аналогична
ударной волне, образующейся при взрыве заряда взрывчатого вещества. В процессе стрельбы после каждого выстрела ДУВ действует на
обшивку летательного аппарата, что вызывает вибрацию его конструкции и приводит к нарушению функционирования приборов бортового
оборудования. Очевидно, что особенно сильно действие ДУВ проявляется вблизи дульного среза ствола оружия.
Для оценки вибрационного воздействия обычно используется
уровень виброускорений, то есть виброперегрузка, измеряемая числом
кратным величине ускорения свободного падения – g.
Кривые распределения виброперегрузок по длине конструкции самолета
Nmax,g
от действия дульной
ударной волны
150
120
от действия
силы отдачи
90
суммарные
виброперегрузки
(дув + со)
60
30
0
4
2
0
Дульный срез
ствола
2
4
6
8
10
12
Основной узел
крепления пушки
Рисунок 4.2. Распределение виброперегрузок по длине фюзеляжа при стрельбе
из пушки ГШ-30
167
Величина минимального значения виброперегрузки от действия
ДУВ в зоне дульного среза ствола определяется по эмпирической формуле:
max
(4.3)
N ДУВ
 6,7  p ,
где р – давление от ДУВ в зоне дульного среза ствола.
По результатам многочисленных опытов установлено соотношеmax
ние между N ДУВ
и максимальным значением виброперегрузки N amax от
действия силы отдачи
max
.
Namax  0, 4 N ДУВ
(4.4)
N amax наблюдается в зоне силового узла крепления оружия на артиллерийской установке и, как следует из (4.4), составляет 40% от знаmax
чения N ДУВ
.
Таким образом, ДУВ оказывает наибольшее вибрационное воздействие на конструкцию летательного аппарата.
На рисунке 4.2 показано распределение виброперегрузки по
длине фюзеляжа самолета Су-25 при стрельбе из пушки ГШ-30.
Локализатор
пушки
Лист коррозионнотермостойкой
стали
Рисунок 4.3. Локализатор пушки ГШ-30 (самолет Су-25)
168
Для уменьшения отрицательного воздействия ДУВ н конструкцию ЛА используют специальное надульное устройство – локализатор
(рисунок 4.3).
Локализаторы направляют часть пороховых газов в сторону от
обшивки.
Кардинальным способом снижения отрицательного воздействия
ДУВ является размещение ААО в носовой части фюзеляжа с выводом
дульного среза ствола за контуры летательного аппарата. Так, например, сделано на американском штурмовике А-10А, на котором в носовой части фюзеляжа расположена семиствольная пушка GAU-8/A.
4.2. Действие дульных газов
Наиболее опасным последствием действия дульных газов, как
было указано выше, являются:
1. Нарушение однородности воздушного потока, попадающего в
двигатель летательного аппарата.
2. Взрывоопасное скопление пороховых газов в отсеках артиллерийской установки или летательного аппарата.
Кроме сказанного, следует отметить, что при стрельбе обшивка
летательного аппарата, находящаяся вблизи дульного среза оружия,
сильно нагревается. Это приводит к эрозии материала и образованию
шероховатости обшивки. В результате ухудшаются условия обтекания
воздушным потоком и снижается скорость полета летательного аппарата. Для предотвращения этого нежелательного явления элементы
конструкции летательного аппарата в местах, подверженных действию
дульных газов, экранируются листами корозионно-термостойкой стали
(рисунок 4.3).
4.2.1. Нарушение однородности воздушного потока
Если дульный срез оружия находится вблизи воздухозаборника,
то в процессе стрельбы часть воздушного потока, поступающего в воздухозаборники, вибрирует с частотой стрельбы. Это, в свою очередь,
может привести к низкочастотному продольному автоколебанию всего
воздушного потока попадающего в двигатель летательного аппарата, то
есть помпажу двигателя. Помпаж сопровождается большими динамическими нагрузками на лопатки турбины двигателя, что может привести к их поломке.
12. Изд. №9872
169
Кроме того, попадание горячих пороховых газов в воздухозаборник ведет к повышению температуры газовой смеси в компрессорах
двигателя. В совокупности, помпаж и повышение температуры, являются главными факторами, ведущими к заглоханию (остановке) двигателя. Особенно это опасно, если стрельба ведется с пикирования.
Очевидно, что для исключения заглохания двигателя необходимо
располагать оружие, по возможности, дальше от воздухозаборника. Если, по условиям сохранения центровки летательного аппарата, это сделать затруднительно, то используется система противопомпажа двигателя. С началом стрельбы эта система на несколько секунд подает
напряжение на запальные свечи двигателя летательного аппарата, чем
блокируется возможность его заглохания.
4.2.2. Взрывобезопасность артиллерийской установки
В процессе стрельбы при экстракции гильз значительная часть
пороховых газов выходит из патронника и, смешиваясь с воздухом, заполняет отсеки артиллерийской установки, на которой закреплено оружие. Если концентрация пороховых газов достигает 10…20% от общей
массы воздуха в отсеках установки, то эта порохо-воздушная смесь уже
становится взрывоопасной. Взрыв может произойти с поступлением
очередной порции пороховых газов, которые имеют температуру порядка 1000…1500 С. Последствия взрыва могут быть очень тяжелыми,
вплоть до катастрофы летательного аппарата.
К настоящему времени установлено, что минимальная взрывоопасная концентрация пороховых газов в отсеках артиллерийской
установки не должна превышать 8%.
Для обеспечения этого условия с помощью жалюзей (рисунок
4.4) или специальных диффузоров организуется вентиляция или продувка отсеков артиллерийской установки набегающим воздушным потоком.
Другой способ обеспечения взрывобезопасности – нагнетание с
началом стрельбы в отсеки артиллерийской установки инертного газа
(СО2), с которым пороховые газы не образуют взрывоопасной смеси.
170
Рисунок 4.4. Вентиляция отсека артиллерийской установки самолета Су-27К
4.3. Конструкция и работа амортизатора силы отдачи
Как было отмечено выше, одним из самых значительных воздействий, которые испытывает артиллерийская установка и летательный
аппарат в процессе стрельбы из оружия, является сила отдачи – R0.
Для снижения силы отдачи между корпусом артиллерийского
оружия и установкой помещается упругий элемент (рисунок 4.5). В
процессе стрельбы корпус оружия, откатываясь под действием силы
отдачи, деформирует упругий элемент. В результате, к артиллерийской
установке (к летательному аппарату) будет приложена не сила отдачи
R0, а реакция (Па) упругого элемента, пропорциональная его деформации.
Упругий элемент
R0=Pдн
Па
Артиллерийская установка
Летательный аппарат
Рисунок 4.5. Схема силового воздействия системы «оружие-установка»
12*
171
Величина реакции упругого элемента значительно меньше величины силы отдачи, Па< R0 или Па< Рдн.
Устройство, содержащее в себе упругий элемент и обеспечивающее снижение силового воздействия оружия на артиллерийскую установку (летательный аппарат), называется амортизатором силы отдачи
(АСО). В качестве упругого элемента обычно используется пружина.
В процессе стрельбы АСО должен не только снизить силовое
воздействие, но и не влиять на надежность работы автоматики и эффективность стрельбы из оружия.
АСО в процессе очереди выстрелов преобразует кратковременное, но значительное по величине, действие сил Рдн в более продолжительную по времени действия, но менее значительную по величине реакцию пружины, которая воспринимается артиллерийской установкой
(летательным аппаратом).
Следует отметить, что АСО является составной частью конструкции оружия с газоотводным двигателем автоматики. В этом оружии при каждом выстреле затвор, через ствол, жестко скреплен с корпусом и поэтому сила Рдн непосредственно передается на корпус оружия. В оружии с откатным двигателем автоматики сила Рдн действует
только на подвижный ствол и жестко связанные с ним детали. Корпус в
таком оружии воспринимает силы, тормозящие откат ствола. Эти силы
значительно меньше по величине, чем Рдн, но более продолжительны по
времени. Поэтому в оружии с двигателем автоматики откатного типа
вопрос о силовом воздействии на артиллерийскую установку является
менее важным и АСО в состав конструкции не включается.
Пружина в АСО может быть различной конструкции. Чаще используется витая (рисунок 1.37) пружина (пушки ГШ-23, ГШ-6-23М,
ГШ-6-30А, пулемет ЯкБ-12,7). В амортизаторах пушек ГШ-30, ГШ-30К
применяются кольцевые пружины (рисунок1.38).
Возникающая в процессе стрельбы из оружия и приложенная к
артиллерийской установке, реакция (Па) пружины АСО – называется
силой отдачи амортизатора. Ее значение определяется главным образом
упругими свойствами пружины. В соответствии с законом Гука, сила
упругости (Fy), возникающая в пружине при сжатии, определяется выражением
Fy  c  x ,
где
172
с – коэффициент жесткости пружины,
x – величина сжатия пружины.
(4.5)
При выстреле, под действием силы Рдн, корпус оружия из исходного положения перемещается относительно артиллерийской установки назад (рисунок 4.6). Это движение называется откатом. Оно продолжается до момента выравнивания по величине силы Рдн и силы
упругости пружины. После того, как последняя станет больше, чем Рдн,
начнется движение корпуса оружия вперед. Оно называется накатом.
Придя в исходное положение, оружие не останавливается, а под
действием силы инерции продолжает движение вперед, которое называется выкатом. Выкат заканчивается, когда сила инерции сравнивается
по величине с силой упругости пружины. Под действием последней
оружие начинает движение назад, которое называется возвратом.
На практике жесткость пружины АСО подбирается такой, что в
процессе очереди выстрелов выкат и возврат не происходят. Они имеют место только по окончании стрельбы.
Работа амортизатора при откате и накате корпуса оружия называется циклом АСО. Время цикла АСО обозначим ta.
Следует подчеркнуть, что при тех значениях технических характеристик, которые имеют современные патронные ленты, величина отката пружины ограничена и не должна превышать 30…40 мм. При
большей величине не будет обеспечена надежная подача патронной
ленты из-за значительного смещения приемного окна корпуса оружия.
Откат
Pдн
Накат
Исходное положение
пушки
Выкат
Возврат
Рисунок 4.6. Движение оружия при стрельбе
173
Пружины во всех АСО имеют предварительное поджатие. Это
делается для надежного удержания оружия на артиллерийской установке (летательном аппарате) в исходном, до стрельбы, положении.
4.3.1. АСО с витой пружиной
На рисунок 4.7 представлен АСО с витой пружиной.
Все детали амортизатора объединены в корпусе 4. Корпус амортизатора соединяется с корпусом оружия через зуб 5. На артиллерийской установке амортизатор крепится проточкой штока 6. Между регулировочной шайбой 7 и гайкой 1 помещается витая пружина 3. Гайка
навертывается на шток до совмещения отверстий в штоке и гайки под
штифт 2. Предварительное поджатие (П0) пружины, среднее значение
которого П0 = 5400 Н, обеспечивается подбором толщины шайбы 7.
Это осуществляется на заводе-изготовителе.
В процессе стрельбы сжатие пружины амортизатора происходит
между шайбой и гайкой. При окончании стрельбы, в процессе выката,
сжатие пружины происходит между буртиком корпуса амортизатора и
шайбой.
Направление
отката пушки
Корпус пушки
5
3
Буртик корпуса
2
1
7
Лафет
артеллерийской
установки
6
4
Проточка
Рисунок 4.7. Амортизатор пушки ГШ-23
1 – гайка; 2 – штифт; 3 – пружина; 4 – корпус;
5 – зуб корпуса; 6 – шток; 7 – шайба
регулировочная.
На рисунке 4.8 приведена зависимость силы отдачи (Па) амортизатора от величины сжатия витой пружины.
174
Рассматриваемый амортизатор обеспечивает максимальный откат
корпуса пушки ГШ-23 (без локализаторов) на величину 18 мм, а максимальный выкат составляет 13 мм.
Па,Н
30000
Откат
- 5400 Н
20000
Накат
мм
0
-15
-13 -10
Возврат
-5
5
-20000
10
15
18
П0= 5400 Н
Выкат
-30000
Рисунок 4.8. Изменение силы отдачи амортизатора при стрельбе из пушки
ГШ-23
Следует отметить, что при сжатии в витой пружине АСО, кроме
силы упругости Fy, действует еще, вторая по значимости, сила вязкого
(линейного) сопротивления. Ее значение пропорционально скорости
сжатия пружины:
(4.6)
Fв  в  x ,
где
в – коэффициент вязкости,
x – скорость сжатия пружины.
Наличие силы Fв является характерной особенностью витых
пружин.
На рисунке 4.9 дано схематичное представление витой пружины, отражающее ее упруго-вязкие свойства.
Таким образом, значение силы отдачи АСО с витой пружиной
определяется как сумма сил
Па  По  сx  вx
(4.7).
175
cx
Pдн
Цилиндр с
жидкостью
Подвижная
площадка
Неподвижное
основание
Поршень
bx
Рисунок 4.9. Упруго-вязкая модель витой пружины
4.3.2. АСО с кольцевой пружиной
На рисунке 4.10 представлен АСО с кольцевой пружиной.
Кольцевая пружина 7 одета на шток 1. Через упор 6, который
опирается на ось 5 и стакан 3, пружина закреплена на штоке гайкой 4.
От самоотвинчивания гайка удерживается подпружиненным фиксатором. Величина предварительного поджатия, среднее значение которого
П0 =11800 Н, обеспечивается подбором толщины компенсирующего
кольца 2. Это осуществляется на заводе-изготовителе оружия.
Амортизатор соединяется с корпусом оружия через ось 5. На артиллерийской установке амортизатор крепится специальным штифтом,
который вставляется в отверстие стакана 3 и лафета.
В процессе стрельбы сжатие пружины амортизатора происходит
между закраиной головки штока и упором амортизатора. При окончании стрельбы, в процессе выката, сжатие пружины происходит между
упором и закраиной головки штока.
Как указывалось выше, кольцевая пружина, представляет собой
набор внешних и внутренних колец (рисунок 1.38). Взаимодействие колец пружины при сжатии происходит следующим образом
(рисунок 4.11).
176
Н
от
Рисунок 4.10. Амортизатор пушки ГШ-30
1 – шток; 2 кольцо компенсирующее; 3 – стакан;
4 - гайка; 5 – ось; 6 – упор; 7 – кольцевая пружина
Рисунок 4.11. Кольцевая пружина
177
В результате действия силы отдачи R0 ≈Рдн на конусных поверхностях соприкасающихся колец создаются большие силы давления Nk.
Под воздействием этих сил наружные кольца растягиваются, а внутренние сжимаются. В результате внутренние кольца вдвигаются во
внешние, что приводит к сокращению, в целом, длины пружины. В
процессе сжатия наступает момент, когда сила Рдн уравновешивается
силами упругости колец и силами трения на их конусных поверхностях. Обозначим через Fy и Fтр равнодействующие сил упругости и
трения соответственно.
Конусные поверхности колец спроектированы так, что их угол
конусности αk в несколько раз больше угла трения ρтр. Поэтому при
снятии нагрузки на пружину (при окончании стрельбы) силы упругости
колец преодолевают силы трения на конусных поверхностях и восстанавливают начальную длину пружины.
На рисунке 4.12 приведен качественный график, показывающий
зависимость силы отдачи (Па) амортизатора от величины сжатия (x)
кольцевой пружины.
Па
B
Откат
C
Накат
A
П0
x
0
П0
Возврат
A1
C1
Выкат
B1
Рисунок 4.12. Изменение силы отдачи амортизатора с кольцевой пружиной
На участках АВ и А1В1 происходит сжатие, а на участках АС и
А1С1 – разжатие кольцевой пружины АСО. На участках ВС и В1С1
часть силы упругости, аккумулированной в кольцах при сжатии, расходуется на преодоление сил трения на конусных поверхностях колец. В
АСО пушки ГШ-30 на преодоление сил трения расходуется 45…47% от
178
максимального значения силы упругости. При стрельбе максимальный
откат пушки ГШ-30 не превышает 30 мм.
Следует подчеркнуть, что при сжатии в кольцевой пружине АСО,
кроме силы упругости Fy колец, действует, вторая по значимости, сила
трения Fтр на конусных поверхностях. Ее часто называют силой кулоновского (сухого) сопротивления. Как известно, она определяется выражением
Fтр=fтр*Nk(Pдн),
(4.8)
где
fтр = arctgρтр – коэффициент трения;
Nk(Pдн) – нормальная сила, действующая на конусных поверхностях колец; ее значение зависит от величины силы Pдн.
Наличие силы Fтр является характерной особенностью кольцевых
пружин.
На рисунке 4.13 дано схематическое представление кольцевой
пружины, отражающее ее упруго-фрикционные свойства.
cx
Конусные
поверхности
Pдн
Подвижная
площадка
Неподвижное
основание
Fò ð
Рисунок 4.13. Упруго-фрикционная модель кольцевой пружины
Таким образом, значение силы отдачи АСО с кольцевой пружиной определяется как сумма
П а  П о  сx  Fтр
(4.9)
В заключение следует отметить, что при условии сохранения неизвестной величины По, АСО с кольцевой пружиной имеют гораздо
меньшие габариты и массу, чем АСО с витой пружиной.
179
4.4. Уравнение движения артиллерийского оружия при стрельбе
4.4.1. Вывод уравнения движения оружия на амортизаторе
при стрельбе
С целью упрощения вывода уравнения движения оружия вводятся следующие условия:
y
x
Центр
масс
bx
x
По
cx
Pдн
О
Витая пружина
Лафет
Рисунок 4.14. Силы, действующие на корпус оружия, имеющего АСО с витой
пружиной
1. Центр масс оружия находится на линии оси канала ствола.
2. Все силы, действующие при стрельбе на корпус оружия приложены в центре масс.
На рисунках 4.14 и 4.15 показаны силы, действующие на корпус
оружия при стрельбе.
Начало системы координат OXY расположены в центре масс, которое он занимает до начала стрельбы из оружия.
Центр
масс
y
x
Fтр
По
cx
Pдн
x
О
Кольцевая
пружина
Лафет
Рисунок 4.15. Силы, действующего на корпус оружия, имеющего АСО с
кольцевой пружиной
180
В соответствии с принципом Даламбера, условие равновесия сил,
действующих на корпус оружия, запишется в виде:
Pдн  вx  По  сx  M ор x  0 ,
(АСО с витой пружиной);
Pдн  Fтр  По  сx  М ор x  0 , (АСО с кольцевой пружиной);
где
Мор – масса оружия;
x, x , x – перемещение, скорость и ускорение перемещения оружия при стрельбе, соответственно;
Мор x – сила инерции, действующая на корпус оружия.
После перегруппировки членов получим
M ор x  вx  сx  По  Pдн ,
(4.10)
М ор x  сx  По  Fтр  Pдн .
(4.11)
Выражения (4.10), (4.11) являются линейными неоднородными
дифференциальными уравнениями второго порядка.
4.4.2. Решение уравнения движения оружия на амортизаторе
при стрельбе
Воспользовавшись выражением (4.10), приведем решение уравнения движения оружия при стрельбе.
С целью исключения громоздких выражений и, следовательно,
повышения наглядности решения, приведем уравнение (4.10) к безразмерному виду.
Как известно из теории внутренней баллистики импульс силы
давления пороховых газов Рдн определяется из выражения
tц
I   Pдн dt , причем Pдн= Pдн(t).
(4.12)
0
Умножим каждый член уравнения (4.10) на отношение
tц
:
I
M ор tц
I
x
вtц
I
x
ctц
I
x  ( Pдн  По )
tц
I
.
(4.13)
Введем следующие безразмерные величины:
-
безразмерное время
 
t
;
tц
(4.14)
181
безразмерное линейное перемещение оружия  
-
x
откуда
-
I  tц
М ор
М ор
I  tц
;
x ; (4.15)
(4.16)
безразмерную силу давления пороховых газов с учетом усилия
предварительного поджатия пружины амортизатора
P( )  ( Pдн  П о )
Учитывая, что d 
tц
I
.
(4.17)
dt
, продифференцируем по τ выражение (4.15)
tц

d  M ор dx M ор



x,
d I  tц d
I
x
откуда
I
.
M ор
(4.18)
Находим вторую производную по τ:
d ( ) d  M ор  M ор tц

 x 
x,

d
d  I  tц 
I

откуда x 
I
M орtц
.
(4.19)
Подставляя (4.16), (4.17), (4.18), (4.19) в (4.13) получим

вtц
M ор

ctц2
M ор
  p( ) .
(4.20)
Введем обозначение
ctц2
– это приведенная собственная частота колеба а2
М ор
ний оружия при стрельбе;
Из этого выражения получим
182
tц
М ор

а
.
с  М ор
С учетом последнего равенства, второй член в (4.20) можно записать
вtц
М ор
Обозначим

ва
.
с  М ор
в
 2n , где n – коэффициент затухания.
с  М ор
С учетом введенных обозначений перепишем выражение (4.20)
(4.21)
  2an  a 2  p( )
Выражение (4.21) – это неоднородное линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами.
В соответствии с понятиями теории механических колебаний
уравнение (4.21) описывает вынужденные колебания материальной
точки (то есть центра масс оружия), находящейся под воздействием
возмущающей силы Р(τ), восстанавливающей силы а2λ и силы сопротивления 2an .
Если закон изменения возмущающей силы Р(τ) известен, то решение уравнения (4.21) традиционно и складывается из общего решения соответствующего однородного линейного уравнения
  2an  a 2  0
(4.22)
и частного решения, которое выбирается по виду правой части уравнения (4.21), либо определяется несложным и нетрудоемким подбором.
Общее решение (4.22), как известно, имеет вид
(4.23)
  c1e z1  c2e z2 ,
где
С1, С2 – произвольные постоянные;
Z1, Z2 – корни характеристического уравнения;
τ – безразмерное время.
Характеристическое уравнение имеет вид z 2  2anz 2  a 2  0 .
Выражения для Z1, Z2 зависят от значения n. Из трех возможных
случаев: (n<1, n=1, n>1), для авиационного артиллерийского оружия,
закрепленного на лафете, как показывает практика, имеет место неравенство n<1. В этом случае корни характеристического уравнения комплексные числа
z1  an  ian1 ;
z2  an  ian2 ,
(4.24)
183
где n1  1  n 2 .
В реальности при стрельбе из авиационного артиллерийского
оружия закон изменения возмущающей силы (Р(τ)) не известен, поэтому отыскание частного решения представляет значительные трудности.
В этом случае применяется метод предложенный Лагранжем и называемый методом вариации постоянных.
В соответствии с этим методом общее решение однородного линейного уравнения (4.22) записывается в виде аналогичном (4.2.3), но
С1, С2 считаются уже не произвольными постоянными, а функциями
независимого переменного τ.
Для их определения необходимо иметь два дополнительных
уравнения. Эти уравнения можно задать произвольно, но чаще они задаются таким образом, чтобы выражения для производных от λ имели
наиболее простой вид.
Дифференцируем (4.2.3) по τ
(4.25)
  c1 z1e z1  c2 z2e z2  c1 z1e z1  c2 z2e z2
где

d
dC2
dC1
, C1 
, C2 
.
d
d
d
В качестве первого из упомянутых выше дополнительных уравнений возьмем уравнение, которое получится, если два последних члена правой части выражения (4.25) приравнять к нулю
(4.26)
c1 z1e z1  c2 z2e z2  0 .
С учетом (4.26) выражение для  примет вид
  c1 z1e z1  c2 z2e z2 .
Дифференцируем (4.27) по τ
(4.27)
  c1 z12e z   c2 z2 2e z   c1 z1e z   c2 z2e z 
(4.28)
Подставим выражение (4.23), (4.27), (4.28) в уравнение (4.21) и,
после преобразований, получим
1

2

1

2

c1e z1 z1  2anz1  a 2  c2e z2 z2  2anz2  a 2 
2
2
 c1 z1e z1  c2 z2e z2  P( ) .
Заметим, что выражения
z1  2anz1  a 2  0 ;
2
z2  2anz2  a 2  0 ,
2
184
(4.29)
так как это результат подстановки в левую часть уравнения (4.22) его
решений.
В результате получаем второе дополнительное уравнение для
определения С1, С2,
(4.30)
c1 z1e z1  c2 z2e z2  P( ) .
Разрешая систему из двух неоднородных линейных уравнений
(4.26) и (4.30) с двумя неизвестными c1 , c2 , получим
e z1
c1  
P( ) ;
z1  z2
c2  
(4.31)
e z2
P( ) .
z2  z1
Интегрируя выражение (4.31), находим

C1  
1
e  z1u P (u )du  A ;

z2  z1 0

1
C2  
e  z2u P(u )du  B ,

z2  z1 0
где А, В – комплексные постоянные.
После подстановки найденных значений С1, С2 в (4.23) найдем
общее решение исходного уравнения (4.21)



1  z1  z1u
z2
  Ae z1  Be z2 
e
e
P
(
u
)
du

e
e z2u P(u )du  . (4.32)
 

z2  z1 
0
0

Как видно, выражение (4.32), являясь решением уравнения (4.21),
фактически содержит общее решение уравнения (4.22) – первые два
слагаемые и частное решение неоднородного уравнения (4.21) – вторые
два слагаемые.
Подставим выражения (4.24) и, проведя необходимые преобразования, окончательно получим выражение для, интересующего нас, действительного решения уравнения (4.21)
  e an  ACos(an1 )  BCos (an1 )  

1
e  an ( u ) P(u ) Sin  an1 (  u )  du . (4.33)
an1 0
Полученное выражение позволяет исследовать движение авиационного артиллерийского оружия на амортизаторе при стрельбе очередью и дать рекомендации по выбору конструкции и параметров пружи13. Изд. №9872
185
ны амортизатора с целью обеспечения высокой надежности работы автоматики оружия, повышению эффективности его боевого применения
и снижению силового воздействия на лафет установки.
В качестве примера, на рисунке 4.16 представлен график перемещения корпуса пушки ГШ-30 при стрельбе очередью.
x, cм
xmax
Накат
Откат
Откат
2
Накат
Откат
Накат
Откат
Накат
1
0
0,8 cм
20
40
60
80
100
120
t, мc
Рисунок 4.16. Перемещение пушки ГШ-30 при стрельбе
Как видно из графика, наибольшее перемещение оружие имеет
после первых двух выстрелов. Далее колебания стабилизируются и
происходят относительно точки, отстоящей от исходного положения в
сторону отката на расстоянии приблизительно равное 0,8 см.
Примерно такой же характер колебаний при стрельбе имеют и
другие образцы ААО.
4.5. Схемы амортизации и их анализ
Как известно, стрельба очередью сопровождается колебаниями
ААО на амортизаторе силы отдачи. Так как в современных образцах
оружия сила Fk<<Pдн (рисунок 4.1), то на характер колебаний существенное влияние оказывает только импульс силы Pдн. Обозначим его
Iдн.
Значительные по амплитуде колебания ААО на амортизаторе силы отдачи негативно сказываются на точность стрельбы, ухудшают
условия подачи патронной ленты в автоматику и, кроме того, могут вызвать преждевременную поломку основного узла крепления оружия на
лафете.
С целью уменьшения колебаний оружия при стрельбе необходимо согласовать движение оружия на амортизаторе с очередными вы-
186
стрелами в очереди, то есть согласовать цикл автоматики и цикл АСО.
Указанное согласование выполняется подбором жесткости пружины
амортизатора.
Понятие "схема амортизации" связывает цикл автоматики оружия
и цикл АСО. Схема амортизации (λ) оценивается отношением времени
цикла АСО (ta) и временем цикла автоматики оружия (tц), то есть

ta
.
tö
(4.34)
Амортизатор, на котором колебания оружия практически полностью затухают в течение времени, приблизительно равного половине
продолжительности цикла автоматики (λ=0,5), называют полуцикловым
(рисунок 4.17а). Указанная схема амортизации применима только к таким образцам оружия, у которых импульс удара подвижных частей автоматики по корпусу соизмерима с импульсом Iдн. С ростом темпа
стрельбы для обеспечения полуцикловой схемы амортизации необходимо увеличивать жесткость пружины амортизатора, чтобы за небольшое время обеспечить откат и накат оружия. Увеличение жесткости
пружины, в свою очередь, приводит к росту силы отдачи амортизатора Па.
С целью недопущения высоких значений силы отдачи амортизатора в оружии с высоким темпом стрельбы нашли применение, так
называемые, "мягкие" амортизаторы со сравнительно небольшой жесткостью пружины. При этом подбором жесткости можно добиться возвращения оружия в исходное положение к концу первого цикла автоматики, второго, третьего и т.д. Соответственно схема амортизации
называется одноцикловой (рисунок 4.17в), двуцикловой (рисунок
4.17с), трехцикловой и т.д. Амортизаторы, которые обеспечивают откат
и накат оружия за время, равное трем цикла автоматики и более, называют, в общем случае, многоцикловыми. На рисунок 4.17d представлен
график колебания оружия на многоцикловом амортизаторе (точнее –
пятицикловом).
Из анализа графика на рисунке 4.17 величина отката оружия для
различных схем амортизации может быть представлен в виде неравенства
x0,5< x1< x2< …< x5<…< xλ .
187
13*
x
x0,5
Рисунок 4.17. Графики колебаний оружия на АСО с различной схемой
амортизации
188
Выстрел
№1
Таким образом, чем выше схема амортизации, тем "мягче" пружины амортизатора, что увеличивает величину отката оружия и снижает силу отдачи амортизатора.
На рисунке 4.18 представлены графики, отражающие зависимость силы отдачи амортизатора от темпа стрельбы 30-мм пушек и
схем амортизации.
Па, кН
70
60
0,5
=
1,0
=
=2
,0
=3
,0
45
40
35
20
1000
2000
3000
4000
5000
Т, в/м
Рисунок 4.18. Зависимость силы отдачи амортизатора от темпа стрельбы и
схемы амортизации
Анализ графика явно показывает, что при росте темпа стрельбы
оружия, для исключения роста силы отдачи амортизатора, неизбежен
переход к одно-, двух-, многоцикловым схемам амортизации.
Так, например, допустим, что оружие имеет темп стрельбы
2000 выстр/мин и полуцикловый амортизатор. Он обеспечивает приемлимое усилие отдачи ≈ 45 кН. При повышении темпа стрельбы до 3000
выстр/мин с полуцикловым амортизатором силу отдачи возрастет более, чем на 55% и составляет 70 кН. Это почти предельная величина.
Поэтому, если поставить одноцикловый амортизатор, сила отдачи
останется на прежнем уровне (≈ 45 кН), а при постановке двухциклового амортизатора сила отдачи может быть снижена до ≈ 35 кН (более
чем на 20%).
189
4.6. Методика определения средней силы отдачи амортизатора
При разработке методики определения средней силы отдачи (Пср)
амортизатора учитывается условия, которые были приняты в § 4.3 при
выводе уравнения движения оружия при стрельбе. Дополнительно принимается условие, что сумма сил вх  сх  По из выражения (4.10) или
сумма сил сх  По  Fтр из (4.11) равны некоторому среднему значению Пср, то есть
вх  сх  По  Пср
или
сх  По  Fтр  Пср .
Причем считается, что Пср=const .
С учетом сказанного, уравнение движения оружия на АСО при
стрельбе принимает вид
М ор х  Пср  Рдн .
(4.35)
Дважды проинтегрируем выражение (4.35). С учетом начальных
условий t=0, x=0, х  0 , получаем выражение, позволяющее определить перемещение оружия в конце очереди из q выстрелов.
1
х
М ор
q tц
Р
дн
dtdt 
0
Пср
М ор
q tц
  dtdt .
(4.36)
0
Первый интеграл в (4.36) выражает перемещение (откат) оружия
только под действием силы давления (Pдн) пороховых газов на дно запертой в патроннике гильзы. Второй интеграл выражает перемещение
(накат) оружия только под действием средней силы отдачи (Пср) амортизатора. Остальные силы принимаются равными нулю.
1
Вычисление интеграла
М ор
q tц
Р
дн
dtdt вызывает большие труд-
0
ности, поскольку точно не определена зависимость Pдн= Pдн(t). По этой
причине указанный интеграл будем вычислять приближенно, как сумму перемещений после каждого выстрела при отсутствии сил сопротивления.
Отметим, что при относительно большом значении времени tц (то
есть низком темпе стрельбы) оружие после выстрела успевает достичь
максимальной скорости (Vm) отката. Следующий выстрел увеличивает
скорость отката на Vm. Значение Vm можно определить, воспользовав-
190
шись известными законами внутренней баллистики. Таким образом,
при низком темпе стрельбы перемещение оружия определяется выражением
1
М ор
q tц
Р
дн
dtdt  Vmtц  2Vmtц  3Vmtц  ...  qVmtц . (4.37)
0
Однако, при высоком темпе стрельбы, следовательно, малом значении tц, оружие не успевает к следующему выстрелу достичь максимальной скорости отката. Считается, что оружие до следующего выстрела перемещается со скоростью Vср, которая меньше Vm. Чтобы связать скорость Vср со скоростью Vm, которую можно теоретически вычислит, вводится коэффициент α<1. Значение этого коэффициента зависит от отношения времени действия силы Pдн к времени tц.
Например, для пушек калибра 23 мм: α=0,97…0,985, при Т=1000
в/м;
α=0,84…0,85, при Т=6000 в/м.
Учитывая сказанное выше, перепишем выражение (4.37)
1
М ор
q tц
Р
дн
dtdt  Vmtц  2Vmtц  3Vmtц  ...  qVmtц 
0
 (1  2  3...  q )Vmtц 
q(q  1)
Vmtц .
2
(4.38)
Второй интеграл в выражении (4.36) можно записать в виде
Пср
М ор
q tц
  dtdt 
0
Пср q 2tц2
2М ор
.
(4.39)
С учетом (4.38), (4.39) перемещение оружия в конце очереди из q
выстрелов определяется выражением
Пср q 2tц2
q(q  1)
.
x
Vmtц 
2
2М ор
(4.40)
Предположим, что к концу q-го цикла автоматики оружие возвращается в исходное положение, то есть x=0. В этом случае схема
амортизации определяется как

ta qtц

 q.
tц
tц
191
Учитывая сказанное, получаем равенство
 (  1)
2
Vmtц 
Пср  2tц2
2М ор
 0.
(4.41)
Из (4.41) находим выражение для Пср
Пср 
М орVm
 1
 
.

tц
(4.42)
В соответствии с обозначениями и терминологией, принятыми в
М орVm  I – это полный имтеории внутренней баллистики,
пульс силы давления пороховых газов с учетом периода последействия.
Окончательно выражение для определения средней силы отдачи амортизатора имеет вид
Пср 
 1
1
   I T  ,

60
(4.43)
где Т – темп стрельбы в выстр/мин.
В качестве примера, рассчитаем среднюю силу отдачи амортизатора пушки ГШ-30 при следующих исходных данных: λ=1; α=0,91;
Iδ=496,4 Нс; Т=3000 выстр/мин.
Пср 
11
3000
 0,91 496, 4 
 45172 Н.
1
60
Анализ выражения (4.43) показывает, что переход от полуцикловой схемы амортизации к одноцикловой дает возможность уменьшить
силу отдачи амортизатора в 1,5 раза (при λ =0,5,
 1
=2, следовательно, 3:2=1,5).

 1
=3, а при λ =1,

Переход от одноцикловой схемы к двухцикловой обеспечивает
снижение силы отдачи амортизатора в 1,33 раза (при λ =2,
 1
=1,5,

следовательно, 2:1,5≈1,33).
Применение более "мягких" схем амортизации на практике нецелесообразно, поскольку существенно возрастает величина отката оружия и, если оставить неизменными характеристики патронной ленты,
растет вероятность ее заклинивания при подаче в автоматику оружия.
192
4.7. Сила отдачи в лафете установки
В процессе стрельбы из оружия действие силы отдачи (Па) амортизатора вызывает перемещение лафета установки и деформацию его
упругих элементов. Упрощенная схема силового воздействия на лафет
установки показана на рисунке 4.19.
Па
Пл
Лафет
Установка
Мл
Рисунок 4.19. Схема силового воздействия на лафет
Упругая сила (Пл), действующая в лафете за узлами крепления
оружия называется силой отдачи в лафете.
На рисунке 4.19 Мл – это приведенная масса лафета, в которую
входят масса узлов крепления оружия и распределенная по конструкции масса упругих элементов лафета, приведенная к узлам крепления.
Обычно величина Мл составляет 10..15% от общей массы лафета.
Определение значения Пл на практике связано со значительными
трудностями, которые обусловлены необходимостью предварительного
определения зависимости Па= Па(t).
На этапе проектирования часто возникает необходимость ориентировочной оценки максимального значения силы отдачи (Пл max) в лафете.
Для этих целей, с достаточной для практики точностью, можно
использовать форму А.Г. Шипунова
П л max   
 1
1
 I  T 
,

60
(4.44)
где
φ – коэффициент, характеризующий соотношения между максимальной силой отдачи в лафете и средней силой отдачи амортизатора. Значение этого коэффициента определяются экспериментально и лежат в пределах
φ = 1,5…1,7.
Используя данные, приведенные в параграфе 4.5, определим значение Пл max при стрельбе из пушки ГШ-30. Принимаем φ =1,6
193
П л max  1, 6 
11
3000
 496.4 
≈ 79425 Н.
1
60
Согласно техническим характеристикам пушки ГШ-30 имеет
максимальное значение усилие отдачи в лафете ≈ 72000 Н.
Таким образом, выражение (4.44) позволяет иметь на ранних стадиях проектирования ААО достоверные значения максимального значения усилия отдачи в лафете.
194
РАЗДЕЛ 2. АВИАЦИОННЫЕ АРТИЛЛЕРИЙСКИЕ УСТАНОВКИ
ГЛАВА 5. СТРУКТУРА, ПРИНЦИПЫ
УСТРОЙСТВА И ДЕЙСТВИЯ АВИАЦИОННЫХ
АРТИЛЛЕРИЙСКИХ УСТАНОВОК
5.1. Назначение, состав и классификация авиационных
артиллерийских установок
Авиационная артиллерийская установка (ААУ) является частью
комплекса авиационного вооружения, обеспечивающая боевое применение авиационного артиллерийского оружия на данном летательном
аппарате.
В общем случае на авиационную артиллерийскую установку возлагаются следующие функции: крепление авиационного артиллерийского оружия на летательном аппарате; наводка оружия на цель; питание оружия боеприпасами и стрельба из оружия.
Все многообразие авиационных артиллерийских установок принято классифицировать по следующим основным признакам: по способу крепления установки на ЛА, по степени подвижности оружия,
применяемого на установке, и по месту размещения установки на
ЛА.
По способу крепления на ЛА артиллерийские установки подразделяются на несъемные и съемные.
Несъемной называют артиллерийскую установку, которая входит в состав бортового вооружения ЛА постоянно, независимо от характера решаемой в боевом полете задачи. Такая установка представляет часть конструкции ЛА и при смене варианта его вооружения не
демонтируется.
Съемная артиллерийская установка в состав бортового вооружения ЛА включается лишь в том случае, когда данная боевая задача
может быть решена более эффективно с помощью артиллерийского
оружия. Во всех других случаях, если специально не оговорено, съемная артиллерийская установка с ЛА демонтируется, и вместо нее могут
устанавливаться агрегаты подвески с другими средствами поражения.
По степени подвижности оружия, применяемого на установке,
принято различать неподвижные и подвижные артиллерийские установки.
На неподвижной артиллерийской установке оружие закреплено
195
в определенном фиксированном положении относительно ЛА. Прицеливание при стрельбе из такой установки осуществляется путем маневрирования летательного аппарата. Поэтому неподвижные установки применяются, как правило, на маневренных самолетах и вертолетах.
На подвижной артиллерийской установке предусматривается
возможность изменения положения оружия относительно ЛА. Благодаря этому прицеливание при стрельбе из подвижной установки достигается не только маневрированием летательного аппарата, но и
главным образом наводкой оружия на цель.
Между маневренностью ЛА и величиной зоны разрешенной
стрельбы (зона обстрела) из оружия на подвижной установке существует обратная зависимость. Чем меньшую маневренность имеет ЛА,
тем большей должна быть зона разрешенной стрельбы. Например, маломаневренные самолеты бомбардировочной и военно-транспортной
авиации вооружаются только подвижными артиллерийскими установками с большими зонами обстрела.
Существуют подвижные установки с одной и двумя степенями
свободы оружия. При двух степенях свободы оружия оно поворачиваться по двум координатным осям в выбранной системе координат.
Наиболее часто оружие на авиационных артиллерийских установках перемещается в прямоугольной системе координат. Но в конкретных условиях определенные преимущества могут давать конструкции авиационных артиллерийских установок с применением других координатных осей поворота оружия. Так применение полярной
системы координат в подвесных авиационных артиллерийских установках (конструкция установки с такой системой координат поворота
оружия получила специфическое название «с осью сваливания оружия») позволяет упростить систему питания оружия патронами.
В зависимости от размеров зоны обстрела подвижные установки
подразделяются на установки ограниченного обстрела и установки
турельного типа (турели). Диапазон углов поворота оружия на подвижных установках ограниченного типа не превышает  90 0 по каждой координате. Подвижные установки турельного типа обеспечивают
возможность вращения оружия относительно вертикальной оси вкруговую.
По месту расположения на летательном аппарате артиллерийские установки подразделяются на фюзеляжные и крыльевые. В свою
очередь, и фюзеляжные, и крыльевые установки могут размещаться
196
как внутри ЛА в отсеках–встроенные установки, так и снаружи на агрегатах подвески–подвесные установки. Фюзеляжные установки внутреннего размещения в зависимости от места расположения на фюзеляже называются носовой, верхней, нижней и кормовой установками.
5.2. Структура авиационной артиллерийской установки
Структура ААУ определяется основными техническими функциями, возлагаемыми на нее (крепление ААО на ЛА, наводка ААО на
цель, питание ААО патронами и обеспечение стрельбы из ААО) и
ААУ
Силовая конструкция установки
Лафет
Система управления
наводкой оружия и
стрельбой (СУНОС)
Вспомогательные
устройства
Основание
Узел поворота оружия
Узлы крепления оружия
СУНО
Следящий
привод
ЭСП
СУС
Цепи упр.
установкой
Система питания оружия патронами
Патронный
ящик
Рукава питания
Звеньеотводы
Гильзоотводы
Звеньесборники
Гильзосборники
ГСП
ПСП
Рисунок 5.1. Состав авиационной артиллерийской установки
включает в свой состав (рисунок 5.1) силовую конструкцию, систему
управления наводкой оружия (на цель) и стрельбой (СУНОС) и систему
питания оружия патронами СПОП.
197
Силовая конструкция артиллерийской ААУ состоит из лафета и ряда вспомогательных силовых устройств (обтекатели, упоры и т.д.).
Лафет ААУ предназначен для крепления ААО на ЛА, передачи
на конструкцию ЛА нагрузок, действующих на ААО и на саму ААУ, и
обеспечения поворота ААО на ААУ.
Лафет состоит из основания, узла поворота ААО и узлов крепления ААО.
Система управления наводкой оружия и стрельбой состоит из
системы управления наводкой оружия (СУНО) и системы управления
стрельбой (СУС).
СУНО включает в свой состав следящий привод и цепей управления ААУ.
Следящий привод (СлПр) обеспечивает движение ААО или в
соответствии с законом движения визирного устройства (ВУ) прицельной системы, или по определенной программе, или устанавливает
ААО в определенное фиксированное положение (боевое или походное).
В зависимости от типа исполнительного двигателя следящие
приводы подразделяются на электрические, гидравлические и пневматические. Отметим, что опыт применения различных типов СлПр в
ААУ выявил их преимущества и недостатки. В настоящее время
наибольшее применение находят электрические СлПр, а пневматические СлПр вообще не применяются.
Цепи управления ААУ обеспечивают нормальное функционирование следящего привода: подключение СлПр к источникам питания,
безопасный останов ААО на границе зоны разрешенной стрельбы, исключают повторные удары ААО о силовые упоры ААУ, устанавливают ААО в походное положение при отключении управления ААУ.
СУС призвана обеспечить наиболее эффективные режимы
стрельбы из ААО при соблюдении мер безопасности, как при боевом
применении ААВ, так и в процессе подготовки ААВ к боевому применению, а так же выдавать информацию о состоянии ААО и величине
боекомплекта патронов. С этой точки зрения СУС является наиболее
важной составной частью ААУ. СУС является подсистемой системы
управления оружием (СУО).
Система питания оружия патронами представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих размещение и транспортировку артиллерийских боеприпасов на ЛА, подвод их к приемной части
198
ААО, отвод и сбор гильз и в общем случае отвод и сбор звеньев. В ее
состав входят патронные ящики, рукава питания, гильзо- и звеньеотводы , гильзо- и звеньесборники.
Из сказанного следует, что авиационные артиллерийские установки являются сложными устройствами, состоящими в общем случае
из разнообразных механических, электрических, гидравлических и
пневматических систем и агрегатов. Структура и степень развития составных частей конкретной ААУ зависят от предназначения ЛА, на
котором она применяется, типа и предназначения самой ААУ и места
размещения установки на ЛА, типа системы питания оружия патронами.
Кроме того, системы и агрегаты ААУ связаны с ААО: каждая
система и агрегат проектируются и разрабатываются для конкретного
образца ААО. В связи с этим тип, особенности конструкции и основные характеристики ААО также влияют на структуру, конструкцию и
характеристики ААУ.
5.3. Характеристики авиационных артиллерийских
установок
Качество ААУ и ее приспособленность для решения боевых задач оцениваются совокупностью характеристик. Каждая из характеристик отражает определенные свойства ААУ в целом или ее систем и
агрегатов, являясь, таким образом, одним из частных показателей качества ААУ. Всю совокупность характеристик ААУ условно принято
подразделять на три группы: тактико-технические, эксплуатационные и экономические характеристики.
В группу тактико-технических характеристик объединены те,
которые оказывают непосредственное влияние на боевую эффективность КАВ ЛА. К ним относятся характеристики маневренности
ААУ, количество образцов и характеристики применяемого ААО,
боекомплект патронов на ААУ, характеристики технического
рассеивания снарядов при стрельбе из ААО, размещенного на ААУ,
характеристики боевой живучести ААУ и характеристики совместимости ААУ с ЛА.
Характеристики маневренности ААУ оцениваются зоной разрешенной стрельбы (ЗРС), диапазонами скоростей и ускорений вращения ААО на ААУ.
ЗРС или, иначе, зона обстрела, определяется максимальными
199
значениями углов отклонения ААО на ААУ. В общем случае эти углы
задаются в двух плоскостях и отсчитываются от продольной оси ЛА.
Отметим, что ЗРС в наибольшей степени сказывается на особенностях
конструкции подвижной ААУ.
Диапазоны скоростей и ускорений движения ААО характеризуют быстродействие и динамические свойства следящего привода ААУ.
Эти характеристики, прежде всего, должны обеспечивать приведение
ААУ в боевое положение (к началу прицельной стрельбы) за возможно короткое время.
Количество образцов и тактико-технические характеристики ААО являются исходными данными при оценке эффективности
боевого применения ААУ. В связи с этим они назначаются в соответствии с предназначением ЛА, перечнем атакуемых целей и условиями
их атаки так, чтобы обеспечить максимальное значение боевой эффективности при решении конкретной боевой задачи.
Боекомплект патронов на ААУ определяется количеством патронов на каждую единицу ААО. Боекомплект патронов позволяет
оценивать возможное количество атак с применением ААО и непосредственно определяет эффективностью решения боевой задачи. В
общем случае при определении боекомплекта должна быть указана
также комплектация патронами различных типов.
Характеристики технического рассеивания при стрельбе из
ААО, размещенного на ААУ определяются математическим ожиданием и среднеквадратическим (вероятным) отклонениями координат попадания снарядов. Эти характеристики зависят от жесткости ААУ,
точности работы СлПр, характеристик ААО, места размещения ААУ
на ЛА и динамических свойств самого ЛА и определяются как индивидуальные ошибки рассеивания ААО на ААУ. Значения индивидуального рассеивания должны быть согласованы с характеристиками
рассеивания, обусловленными ошибками прицеливания данного ЛА
(групповые ошибки), так, чтобы обеспечить максимум боевой эффективности применения ААВ.
Боевая живучесть ААУ определяется стойкостью ее систем к
поражающему действию средств поражения противника. Показателем
боевой живучести служит, обычно, вероятность нормального функционирования ААУ при огневом воздействии противника. Средствами
повышения боевой живучести являются уменьшение площадей агрегатов, систем и электрических жгутов ААУ, броневая защита уязвимых
узлов, дублирование некоторых агрегатов и блоков.
200
Характеристики совместимости установки с ЛА оцениваются, прежде всего, влиянием ААУ на безопасность ЛА, а также влиянием на летно-тактические характеристики (ЛТХ) ЛА, силовым воздействием ААУ на конструкцию ЛА, влиянием ААУ на функционирование бортовых систем ЛА и согласованностью электропотребителей
ААУ с источниками электроэнергии ЛА по напряжению, частоте и
мощности электрического тока.
Влияние ААУ на безопасность полета ЛА в процессе стрельбы
зависит от силы воздействия установки на ЛА, организации выброса
или сбора стреляных гильз и звеньев, от степени загазованности отсеков ААУ и самого ЛА, а также от степени воздействия пороховых газов на силовую установку ЛА. Конструкция и размещение ААУ на ЛА
должны быть такими, чтобы, прежде всего, обеспечивать безопасность
ЛА во всем диапазоне условий его боевого применения.
Влияние установки на ЛТХ ЛА зависит от таких ее технических
характеристик, как масса, габаритные размеры, аэродинамическая
форма и максимальные значения перегрузок и вибраций, при которых
ААУ способна функционировать нормально. Все эти характеристики
должны быть такими, чтобы размещенная на ЛА установка в процессе
боевого применения не вызывала существенного уменьшения скорости, высоты и дальности полета ЛА, ухудшения маневренных возможностей ЛА и не приводила к дополнительным ограничениям при решении боевых задач.
Среди эксплуатационных характеристик ААУ важное место
занимают время подготовки ААУ к боевому полету ЛА, потребные
трудозатраты для подготовки ААУ к боевому применению, безопасность и удобство работы на ААУ, эксплуатационная надежность ААУ,
технический ресурс и эксплуатационная живучесть ААУ, ремонтопригодность и контролеспособность ААУ.
Время подготовки ААУ к боевому полету ЛА и потребные
трудозатраты зависят от простоты технического обслуживания и
удобства работы на ААУ, потребности в специальном оборудовании и
инструмента, необходимого для оборудования ААУ, а также от квалификации специалистов. Эти характеристики тесно взаимосвязаны и
измеряются временем, затрачиваемым на выполнение определенного
вида подготовки ААУ, и количеством специалистов, участвующих в
этой подготовке.
Безопасность и удобство работы на ААУ должны исключать
непроизвольные выстрелы, поражение обслуживающего персонала
201
электрическим током и ударами движущих частей ААУ, а также повреждение конструкции самой ААУ и ЛА.
Эксплуатационная надежность ААУ характеризует способность ее успешно функционировать в процессе боевого применения и
технической эксплуатации и определяется вероятностью безотказной
работы в течение заданного времени и временем наработки на один
отказ.
Эксплуатационная надежность является одной из важнейших составляющих боевой эффективности ААУ. К эксплуатационной надежности ААУ предъявляются высокие требования. Так, например, для
подвижных ААУ самолетов бомбардировочной и военнотранспортной авиации допускается всего лишь одна задержка в
стрельбе на каждые пятьдесят процентов ее живучести по настрелу.
Обычно гарантийный настрел на установку, в пределах которого сохраняются все основные характеристики ААУ в заданных пределах,
составляет два гарантированных настрела на ААО, применяемое на
данной ААУ.
Технический ресурс ААУ определяется временем ее боевого и
эксплуатационного применения без ухудшения ее ТТХ.
Эксплуатационная живучесть представляет ресурс ААУ по
настрелу и определяется количеством выстрелов, производимых из
ААУ без ухудшения ее ТТХ. В количественном выражении это удвоенный гарантийный настрел ААО, применяемого на данной ААУ.
Ремонтопригодность и контролеспособность ААУ оцениваются ее приспособленностью к войсковому ремонту и контролю ее основных систем и агрегатов в процессе эксплуатации.
К экономическим характеристикам ААУ относятся стоимость
и технологичность изготовления и сборки ААУ, степень стандартизации и унификации, входящих в нее состав систем и агрегатов.
Требования к этим характеристикам направлены главным образом на снижение затрат в серийном производстве ААУ, доступности
исходных материалов при изготовлении ее систем и агрегатов.
Рассмотренные выше основные характеристики ААУ тесно связаны друг с другом, с количеством типов и образцов ААО, применяемого на ААУ, их основными характеристиками, а также с предназначением, основными задачами и ЛТХ ЛА.
5.4. Лафет авиационной артиллерийской установки
202
Лафет является основной составной частью силовой конструкции ААУ и предназначен для крепления ААО на ЛА и передачи на силовую конструкцию ЛА нагрузок, действующих на ААО и со стороны
ААО и на агрегаты самойААУ.
Лафет состоит из (рисунок 5.1) основания лафета, узла поворота ААО и узлов крепления ААО. Очевидно, что в неподвижных
ААУ узел поворота ААО отсутствует.
Основание лафета в общем случае предназначено для крепления ААУ на ЛА и размещения на нем части или всех остальных конструктивных составных элементов АУУ. В ряде случаев основание
лафета или его часть для уменьшения суммарной массы и габаритов
комплекса «ААУ-ЛА» может быть интегрированы в силовую конструкцию ЛА.
Узел поворота является принадлежностью лафета подвижной
ААУ и обеспечивает поворот ААО в любом направлении внутри ЗРС.
Связь деталей узла поворота между собой и с основанием лафета осуществляется посредством различного рода подшипников и элементов
редукторов исполнительных двигателей СлПр установки.
Узлы крепления ААО обеспечивают, во-1-х, закрепление ААО
на лафете ААУ и восприятия всех сил со стороны ААО и, во-2-х, регулировку в общем случае положения ААО относительно ЛА (на неподвижных ААУ) или других образцов ААО (на подвижных ААУ).
Конструктивное выполнение составных частей лафета определяется типом и конструктивными особенностями ЛА, типом ААУ, степенью подвижности ААО на ААУ, типом и количеством образцов
ААО на ААУ и другими факторами и характеризуется большим разнообразием.
Наиболее простыми являются лафеты неподвижных ААУ. Часто
основанием лафета в них являются усиленные элементы конструкции
ЛА. Для удобства эксплуатации лафеты неподвижных ААУ могут
быть опускающимися.
Более сложными являются лафеты подвижных ААУ с вращением ААО в одной плоскости. В этом случае узел поворота лафета выполняется, как правило, в виде качалки, которая с помощью полуосей
и подшипников крепится к основанию лафета.
203
Наиболее сложными и разнообразными по конструкции являются подвижные ААУ с вращением ААУ в двух плоскостях. Однако
опыт проектирования и эксплуатации выявил наиболее рациональные
3
а)
2
1
4
5
6
1
2
3
б)
5
2
1
6
Рисунок 5.2. Лафеты артиллерийских установок
кругового вращения
кинематические схемы ААУ.
Типовая конструкция лафета ААУ кругового вращения представлена на рисунке 5.2.а. В основании лафета 1 на подшипнике 3
вращается узел поворота ААО, состоящий их поворотного кольца 2 и
качалки 6. Полуоси качалки 5 крепятся в приливах 4, имеющихся на
кольце. Поворотное кольцо обеспечивает поворот ААО по горизонту.
Качалка обеспечивает поворот ААО в вертикальной плоскости.
По схеме рисунка 5.2.а выполнятся лафеты ААУ как некругового вращения, так и лафеты с осью сваливания. На рисунке 5.2.б показана конструкция подвесной ААУ с осью сваливания. Здесь для обеспечения большей жесткости в составе основания ААУ имеется два
неподвижных кольца 1, внутри которых на подшипниках 3 вращается
узел подвижных колец 2. Качалка 6 закреплена в узле подвижных колец на полуосях 5.
Лафеты подвижных ААУ некругового вращения могут выполнятся и по другим кинематическим схемам. Наиболее характерной
схемой ААУ некругового вращения является стоечная. Особенность
узла поворота в ней определяется наличием вертикальной стойки 1
(рисунок 5.3), закрепленной в основании лафета 4. Стойка обеспечивает поворот оружия 3 по горизонту. Для поворота ААО по вертикали
204
внутри стойки с помощью подшипника 5 закреплено кольцо 2 (первая
схема) или качалка 2 (вторая схема), закрепляемая на своих полуосях.
Основания лафетов съемных ААУ имеют узлы крепления, приспособленные для быстрой подвески ААУ на балочные держатели и
обеспечивающие возможность их сбрасывания с ЛА при возникновении аварийной ситуации.
1
1
2
2
3
5
3
4
4
Рисунок 5.3. Стоечные схемы лафетов
Конструкция узлов крепления ААО на лафете, которые стыкуются с узлами крепления на ААО, должна обеспечивать, во-1-х, быструю постановку и снятие ААО с ААУ и ЛА, во-2-х, обеспечивать работу амортизатора силы отдачи ААО и, в-3-х, при необходимости регулировку положения ААО относительно ЛА или других образцов
ААО.
Для удержания ААО на лафете и обеспечения нормального
функционирования ААО при стрельбе достаточно иметь два типа узлов крепления – основной и поддерживающий.
Основной узел крепления удерживает ААО на лафете через
амортизатор или непосредственно по трем направлениям: продольному и двум поперечным.
Поддерживающий узел крепления удерживает ААО от перемещения по двум поперечным направлениям, обеспечивая возможность
перемещения ААО при стрельбе в продольном направлении.
В расчетных схемах основной узел крепления принимается за
шарнирно-неподвижную опору, а поддерживающий – в виде шарнирно-подвижной опоры.
Необходимость в регулировке положения ААО возникает на неподвижных и подвижных ААУ при наличии нескольких образцов
ААО. Для осуществления такой регулировки достаточно обеспечить
возможность поворота ААО относительно одного из узлов крепления.
205
Второй узел при этом является регулировочным. В качестве регулировочного узла крепления, как правило, используется поддерживающий
узел.
Основной узел крепления
3
ААО обычно выполняется в ви2
де хомута, удерживающего шаровую опору основного узла
крепления ААО. Возможная
конструкция основного узла
крепления ААО состоит (рисунок 5.4) из основания 1, являю1
щегося одной половиной хомута,
и откидывающегося полухомута
Рисунок 5.4. Основной узел
2, удерживающие шаровую опокрепления
ру 3 основного узла крепления
ААО. Основание 1 крепится на лафете ААУ.
Такая конструкция основного узла крепления обеспечивает, во1-х, большую поверхность контакта, а, следовательно, малые нагрузки
на смятие, во-2-х, легкий поворот ААО в заданных пределах при регулировке, и, в-3-х, легкое снятие и постановку ААО на ААУ.
Поддерживающий узел крепления ААО выполняется, как правило, в виде салазок и обеспечивает продольное перемещение ААО
или некоторых его частей при стрельбе. При необходимости поддерживающий узел крепления должен обеспечивать регулировку положения ААО в общем случае в двух плоскостях.
Пример конструкции регулируемого поддерживающего узла
крепления представлен на рисунке 5.5. Для простоты показана возможная конструкция узла регулировки положения ААО только в одной плоскости.
А-А
1
2
А
А
3
4
5
206
ε
Рисунок 5.5. Регулируемый поддерживающий
узел крепления оружия
Салазки 1 поддерживающего узла крепления закреплены на
шкворне 2. Шкворень крепится в эксцентричной втулке 3. При повороте втулки происходит перемещение ААО в поперечном направлении. После регулировки положения ААО на ААУ втулка фиксируется
гайкой 4, а шкворень–гайкой 5.
В ряде случаев, главным образом для обеспечения заданных характеристик рассеивания снарядов при стрельбе, используется третий,
дополнительный узел крепления, исключающий чрезмерные колебания стволов ААО. Конструкция такого узла крепления должна, с одной стороны, обеспечивать надежное выполнение функционального
предназначения, с другой стороны, обеспечивать легкость снятия ААО
с ААУ и хорошую адаптивность к возможному изменению положения
ААО при регулировке его положения на ААУ.
5.5. Силы и моменты, действующие на
авиационную артиллерийскую установку
В процессе боевого применения на ААУ действуют три вида
нагрузок – от силы отдачи оружия, аэродинамические и инерционные.
Напомним, что силы и моменты являются векторными величинами. При определении сил и моментов будем предполагать, что
направления действий этих сил и моментов известны
Сила отдачи оружия является основной нагрузкой, действующей на лафет при стрельбе из оружия. Она направлена вдоль оси канала ствола оружия. Величина силы отдачи определяется давлением газов на дно канала ствола, ударными нагрузками, возникающими за
счет продольных перемещений оружия, и существенно зависит от
упруго-инерционных свойств самого оружия и установки.
Графики силы отдачи (см. гл.4) характеризуются максимальным
значением силы отдачи Пmax и некоторым средним значением Пср, к
которому стремится сила отдачи в установившемся процессе колебания оружия на установке.
Значение максимальной силы отдачи оружия Пmax определяется
по закону изменения давления в канале ствола оружия во время выстрела. Например, при максимальном давлении в канале ствола
рm=300…400мПа у пушек калибра 23 мм максимальное значение силы
отдачи Пmax=130…170кН, а у пушек калибра 30 мм Пmax=220…270кН.
Значение максимальной силы отдачи оружия Пmax в значитель-
207
ной мере зависит от упруго-инерционных свойств установки и замеряется на специальном стенде, на котором имеется возможность моделировать упруго-инерционные свойства установок.
Величина средней силы отдачи оружия Пср не зависит от упругоинерционных свойств установки, а определяется только параметрами
оружия и амортизатора (см. гл. 4).
Величина средней силы отдачи оружия Пср рассчитывается по
формуле
 1 Iб
Пср  
,
 tц
где  – коэффициент, учитывающий темп стрельбы оружия,  коэффициент, учитывающий схему амортизатора, и по сути определяется как среднее значение баллистического импульса оружия Iб за
время цикла оружия tц с учетом поправок на характеристики оружия и
амортизатора.
Отношение максимального значения силы отдачи к среднему в
низкотемпных образцах оружия лежит в пределах 5…10 и с увеличением темпа стрельбы уменьшается до 1,25…1,8.
Значения максимальной и средней силы отдачи используются
при расчетах артиллерийской установки на прочность. При этом силовая конструкция установки рассчитывается на действие максимальной
силы отдачи, а при определении нагрузок на привод при отсутствии
эксцентриситета оружия относительно оси его вращения можно учитывать только среднее значение силы отдачи.
Аэродинамические нагрузки зависят от условий боевого применения ЛА (высоты и скорости полета, маневра), типа установки и месте ее расположения на ЛА, а также и от положения оружия на установке.
Обычно эти нагрузки представляются в виде силы лобового сопротивления X, подъемной Y и боковой Z силы. Каждая из них слагается из нагрузки, действующей на корпус ААУ, и нагрузки, действующей на выступающие в поток части оружия:
X = Xk + Xop ; Y = Yk + Yop ; Z = Zk + Zop .
Нагрузки, действующие на выступающие в поток части оружия,
определяются выражениями:
 vор2
Xop = cx k yox
nop Sop ;
ор
2
208
Yop = c y k yoy
ор
z
Zop = cz k yo
 vор2
nop Sop ;
2
2
 vop
nop S op ,
2
– коэффициенты лобового сопротивления,
ор

где сi , i= xор ; yор ; zор

подъемной и боковой сил оружия; kiop , где i= x; y; z – коэффициенты
интерференции установки на оружие; ρ – плотность воздуха; vор–
скорость обтекания оружия воздушным потоком; nop – коэффициент,
учитывающий наличие нескольких образцов оружия на установке; Sор–
характерная площадь оружия. Перечисленные коэффициенты и характерная площадь оружия Sop на подвижных установках в общем случае
зависят от положения оружия на ней в данный момент времени.
Нагрузки, действующие на корпус установки, определяются выражениями:
x
X К  cxk koy
YК  c yk koyy
z
Z К  czk kоу
 v y2
2
 v y2
2
 v y2
SK ;
SK ;
SK ,
2
где приведены обозначения, аналогичные обозначениям в предшествующих формулах.
Коэффициенты сил, действующих на оружие, как правило, определяются экспериментально, так как выступающие части оружия имеют сложную конфигурацию. Во многих случаях выступающие части
оружия могут быть идентифицированы цилиндром или другим телом
определенной формы. В этом случае можно использовать теоретические расчеты и экспериментальные данные для предварительного
определения сил, действующих на оружие.
Если на установке размещается несколько образцов однотипного оружия, то возможно аэродинамическое затенение одних образцов оружия другими. Так при размещении двух образцов однотипного
оружия, идентифицированными цилиндрами, и полного затенения одного образца оружия другим, что наблюдается при расстоянии между
209
стволами b менее суммы трех диаметров ствола d, коэффициент nop,
учитывающий наличие в данном случае двух образцов оружия на
установке, принимается равным nop =1. Рассмотренная ситуация характерна и для двуствольного оружия.
Если расстояние между двумя образцами оружия более 3d,
значение коэффициента nop возрастает, но по физике явления не может
быть больше двух. Коэффициент nop в этом случае может быть вычислен по приближенной зависимости
b

т
c xop
 0,1  3 c xop ,
d

где
т
с хор
– коэффициент лобового сопротивления оружия, находяще-
гося в «тени».
В случае действия потока перпендикулярно плоскости осей каналов стволов оружия при
b
 6 аэродинамическое взаимодействие
d
образцов оружия полностью исключается.
При уменьшении расстояния между осями образцов оружия
b
 суммарное лобового сопротивление возрастает. Возрастание
  6
d



суммарного лобового сопротивления расположенных рядом двух образцов оружия можно учитывать «возрастанием» коэффициентов лобового сопротивления каждого ствола оружия по эмпирической формуле

1 b 
b

схор
 схор   1  1,4  8,4 .
5 d 
d

Таким образом, при определении, например, силы Хор (см. выше)

необходимо принимать схор  схор
.
Инерционные силы вызываются силами тяжести, криволинейным движением ЛА и вращением подвижных частей установки. К ним
относятся и ударные нагрузки, возникающие при посадке ЛА.
Нагрузка, действующая на i-тый элемент установки, определяются по формуле
Pинi  mi gn э ,
где
210
mi
– масса i–того элемента установки; g – ускорение свободного
падения; nэ – эксплуатационная перегрузка ЛА.
При условии задания скорости v и кривизны R полета ЛА эксплуатационную перегрузку можно получить из выражения
nэ 
v2
.
gR
При расчете конкретного силового элемента установки на прочность учитываются все силы, действующие на данный элемент. При
этом необходимо руководствоваться нормами прочности, в которых
указаны расчетные случаи для конкретных типов установок и коэффициенты безопасности (запас прочности).
При расчете узлов крепления установки к ЛА берется суммарная
сила, определяемая массой всех п элементов установки:
n
n
i 1
i 1
Pин   Pинi  gn э  mi  n эG уст ,
где Gуст – вес установки.
Инерционные нагрузки, вызываемые вращением подвижных частей самой установки, являются внутренними. Инерционные нагрузки,
действующие на отдельные элементы установки, расположенные на
вращающихся частях, определяются по вышеприведенным формулам.
При неравномерном вращении подвижных частей установки
инерционные силы определяются через моменты инерции относительно осей вращения:
М ин  J пр ,
где  – угловое ускорение подвижных частей установки вокруг данной оси вращения; J пр – момент инерции подвижных частей установки (включая элементы привода), приведенные к оси вращения.
Теперь инерционная сила Ринi , действующая на i -тый элемент
конструкции установки массой mi и находящийся на расстоянии ri от
оси вращения, определяется по формуле
Ринi 
M ин
.
ri
При расчете силовых упоров, ограничивающих движение оружия на подвижных установках, момент инерции при торможении
определяется как
2
,
М ин торм   тормmax J дв i ред
211
где  тормmax  max
T
;
тормmin
max – максимальная скорость вращения подвижных частей
установки; Т тормmin – время углового перемещения установки при деформации концевого силового упора (порядка сотых долей секунды);
В последней формуле для исполнительного электрического двигателя с моментом инерции Jдв принято (см. гл. 6) J пр  J дв .
5.6. Системы питания оружия патронами
Современные системы авиационного артиллерийского оружия
используют только унитарные патроны. В этом случае система питания оружия патронами предназначена для размещения боекомплекта
патронов на борту ЛА, подвода патронов к оружию, отвода гильз и
звеньев за пределы ЛА и при вынужденной необходимости и сбора
гильз и звеньев на борту ЛА.
Состав системы питания, ее сложность и конструктивные особенности зависят от типа системы питания оружия патронами, величины боекомплекта патронов, типа установки, типа оружия, количества образцов оружия на установке и степени подвижности оружия на
установке.
Основная классификация систем питания оружия патронами
производится по способу снаряжения боекомплекта патронов. По этому признаку системы питания оружия патронами и подразделяются на
ленточные и магазинные.
Кроме того системы питания могут классифицироваться по типу
подводимых к оружию патронов: обычные и селективные.
В селективных системах питания в зависимости от решаемой в
данный момент боевой задачи к оружию могут подводиться патроны с
разными снарядами или с различной комплектацией снарядов.
Селективные системы питания предполагают подвод патронов
по нескольким рукавам питания от нескольких патронных ящиков.
Приемное устройство оружия в этом случае должно обеспечивать переключение питания от одного патронного ящика к другому. Конструктивная сложность такого премного устройства резко ограничивает применение селективных систем питания.
В настоящее время применяются лишь обычные системы питания двух типов: ленточные и магазинные.
212
Ленточная система питания оружия патронами обеспечивает
работу с боекомплектом, снаряженным в патронную ленту. Патронные
ленты для авиационного артиллерийского оружия собираются из отдельных звеньев. Звенья соединяются друг с другом и при снаряжении
их патронами образуют единое целое. После извлечения патрона из
звена в процессе стрельбы звено может быть отделено от остальной
части ленты. Такая «рассыпающаяся» патронная лента обеспечивает
большую безопасность летательного аппарата при удалении патронной ленты за пределы ЛА и требует меньших объемов, если при
стрельбе из оружия по условия безопасности необходимо оставлять
звенья на борту ЛА.
Конструкция звена определяется в основном конструктивными
особенностями оружия и принципиально бывают двух типов: В первом случае патрон из звена может извлекаться как по продольной оси
звена, так и в одном из поперечных направлений (т.е. выдавливаться
из звена; такие звенья называются открытого типа). Во втором случае
патрон из звена может извлекаться только по продольной оси звена
(характерно для звеньев «наземного» оружия).
В авиационном оружии применяются звенья только открытого
типа.
Упруго-инерционные и прочностные свойства звена должны отвечать следующим основным требованиям.
Во-первых, упругие деформации звеньев не должны нарушать
работу автоматики оружия, то есть шаг патронной ленты должен оставаться в определенных пределах при всех возможных нагрузках, действующих на патронную ленту.
Во-вторых, патрон в звене должен удерживаться в строго определенном положении при любых условиях эксплуатации, особенно
при стрельбе, когда лента в ряде образцов оружия испытывает ударные нагрузки.
Отметим, что для упрощения эксплуатации авиационного артиллерийского вооружения заданное положение патрона в звене должно
легко контролироваться или звено может иметь специальный фиксатор.
В-третьих, упруго-инерционные свойства звена должны обеспечивать многократное его использование для снаряжения патронной
ленты.
Чем меньше шаг патронной ленты (расстояние между двумя па-
213
тронами свободно растянутой патронной ленты), тем меньше путь
ленты за один цикл подачи и, следовательно, меньше скорость и усилие в ней. Однако слишком близкое расположение патронов друг к
другу ухудшает гибкость патронной ленты.
Для удовлетворения перечисленных и других требований звенья
изготовляются из специальной стали штамповкой с образованием ребер жесткости и с последующей термической обработкой.
Рисунок 5.6. Характеристики гибкости патронной ленты:
а) веерность; б)скручиваемость; в) шарнирность
Основными характеристиками гибкости патронной ленты являются веерность, скручиваемость, шарнирность и телескопичность.
Верность – деформация ленты в ее плоскости (рисунок 5.6, а).
Количественно веерность характеризуется радиусом внутреннего или
внешнего кольца, в пределах которого может быть уложен один виток
ленты, и определяется для двух случаев: когда снаряды направлены к
центру и когда снаряды направлены от центра описывающей окружности.
Скручиваемость – деформация свободно висящей ленты относительно ее продольной оси (рисунок 5.6, б). Определяется длинной
ленты (количеством патронов), необходимой для скручивания на 900
или 1800.
Шарнирность – деформация ленты относительно осей патронов
(рисунок 5.6, в). Характеризуется радиусом внутренней окружности,
образуемой при сворачивании ленты для двух положений: звенья
находятся внутри или снаружи скрученной ленты.
Телескопичность – перемещение последующего патрона относительно предыдущего при переходе от растянутого положения ленты
к сжатому. Характеризуется линейным перемещением.
214
В состав ленточной системы питания оружия патронами (рисунок 5.7) в общем случае входят патронные ящики 1, подводящие рукава 3, механизмы подтяга патронной ленты 2, гильзоотвод 12, гильзосборник 11, звеньеотвод 8, и звеньесборник 10.
7
9
6
4
5
8
2
3
12
10
11
1
Рисунок 5.7. Ленточная система питания оружия
патронами
Патронные ящики служат для размещения и хранения боекомплекта на ЛА. Патронные ящики должны иметь минимальные габариты и массу при заданной величине боекомплекта, исключать нарушение порядка укладки патронной ленты, обеспечивать бесперебойную
подачу патронной ленты к оружию.
Для обеспечения бесперебойной подачи патронной ленты к оружию патронные ящики могут иметь механизацию, например, пневматический механизм поджатия боекомплекта патронов к выходной горловине патронного ящика и др.
Особо следует подчеркнуть, что патронные ящики должны обеспечивать простоту, легкость и удобство эксплуатации (укладку патронной ленты, при съемном патронном ящике простое снятие и постановку его на ЛА и т.д.).
Размеры и конфигурация патронных ящиков определяются типом патронов, величиной боекомплекта, способом укладки патронной
ленты, типом установки и местом ее расположения на ЛА. Требования,
предъявляемые к патронным ящикам, могут обеспечиваться разными
конструктивными решениями: подвижными и неподвижными переборками и створками, различного вида фиксаторами патронов, ложеменами для патронов, роликами и т.д. При изготовлении патронных
ящиков используется алюминий, нержавеющая сталь, текстолит и другие материалы.
215
Подводящие рукава обеспечивают подвод патронной ленты от
патронного ящика к оружию 6. В зависимости от степени подвижности
оружия на установке подводящие рукава могут быть жесткими, гибкими и комбинированными.
Жесткие рукава, как более простые по конструкции и более
надежные в работе, применяются, как правило, когда оружие на установке закреплено неподвижно.
Наиболее сложным в этом случае является вопрос сопряжения
подводящего рукава с трактом питания самого оружия, приемная горловина 5 которого перемещается во время стрельбы. В этом случае
необходимо обеспечить плавный переход из фиксированного на установке неподвижного рукава питания в подвижный приемник патронов
оружия. В простейшем случае это может быть раструб, обеспечивающий необходимые продольные смещения патронной ленты, вызываемые перемещением оружия при стрельбе.
Однако перемещение оружия во время стрельбы может приводить к смещению патронов относительно звеньев и, как следствие, к
возникновению неустранимых задержек в стрельбе. Для устранения
этого недостатка применяют различной конструкции подвижные или
гибкие направляющие.
Жесткие рукава могут использоваться для подвода патронной
ленты и к подвижному оружию. Конструкция такой системы состоит
(рисунок 5.8) из жесткого подводящего рукава 1, жесткого кольцевого
рукава 5, закрепленного на основании лафета установки, жесткого
кольцевого рукава 7, закрепленного на подвижном кольце узла поворота и подвижной каретки 6 с роликом 4. Каретка перемещается планетарной передачей, подвижные шестерни-сателлиты которой закреплены на каретке и, вращаясь от взаимного перемещения подвижного
3
4
5
2
1
6
7
Рисунок 5.8. Система питания с жесткими
рукавами
216
для подвижной установки
кольца и основания, сообщают вращательное движение самой каретке.
Патронная лента (пунктир на рисунке 5.8) находится в вертикальном положении и обкатывается вокруг каретки таким образом, что
между приемной горловиной установки и приемной горловиной 2
оружия 3 обеспечивается постоянная ее длина при любом положении
оружия на установке.
Параметры планетарной передачи должны быть подобраны таким образом, чтобы линейные скорости патронной ленты на обеих
сторонах каретки были одинаковыми (рисунок 5.9).
Условие равенства линейных скоростей патронной ленты
ωβ
на обеих сторонах каретки определится из условия
    k R   k R  2r  ,


где    ор и k – угловые
скорости вращения оружия и каретки; R и r – радиусы началь-
Рисунок 5.9. Кинематика каретки
15. Изд. №9872
ных окружностей зубчатых колес на подвижном кольце лафета, и сателлитов.
Линейные скорости патронной ленты на обеих сторонах каретки
будут одинаковыми, если передаточное число от оружия к каретке будет равно
i

1
.

r
k

21  
 R
Гибкие рукава за счет способности патронной ленты к веерности, изгибу, кручению и телескопичности широко используются в системах питания оружия патронами на подвижных установках. Основными требованиями к гибким рукавам являются их гибкость, которая
должна приближаться к гибкости патронной ленты, малое сопротивление движению ленты и обеспечение возможности подхода к ленте при
заряжании (разряжании) оружия.
217
Типовой гибкий рукав представляет собой цепь (рисунок 5.10),
состоящую из отдельных звеньев. Звенья имеют коническую конструкцию, частично входят друг в друга, и соединены таким образом,
что допускают определенное линейное и угловое перемещение относительно друг друга. Таким образом, внутри гибкого рукава питания
формируется дискретно гибкий канал с заданным проходным окном.
Рисунок 5.10. Гибкий рукав
питания
Требование минимального сопротивления движению ленты по
рукаву питания обеспечивается как выбором формы звеньев, конфигурации рабочего окна рукава питания и конфигурации изгиба рукава
питания (рисунок 5.11), так и применением конструктивных материалов для рукавов питания с твердой и гладкой поверхностью. Лучшим
материалом для рукавов является нержавеющая сталь. Она обладает
высокими механическими свойствами, гладкой поверхностью и не
требует антикоррозийных покрытий. Нержавеющую сталь применяют
в рукавах питания сложной конфигурации, в которых трение ленты по
рукаву особенно велико.
Для обеспечения подхода к ленте, что необходимо при заряжании и разряжании оружия, часть звеньев может иметь разомкнутую в
поперечном сечении конструкцию.
Комбинированные рукава питания представляют различные
сочетания жестких и гибких рукавов и сопрягающих устройств (позиция 4 на рисунке 5.7, нижняя часть рисунка 5.11) различной конструкции, как правило, с использованием обкатных роликов.
При всей простоте конструкции подводящих рукавов питания
определению их параметров (общей длины, радиусов изгибов, мест
сочленений и др.) при конструировании артиллерийских установок
218
уделяется большое внимание, так как надежность работы подводящих
рукавов питания во многом определяет надежность работы всей артиллерийской установки.
На рисунке 5.11 показаны отдельные фрагменты определения
кинематических параметров гибкого рукава питания, которые должны
обеспечить подвод патронной ленты к оружию при любом его поло-
Рисунок 5.11. Определение параметров гибкого рукава питания
15*
жении в зоне разрешенной стрельбы.
К этому следует добавить, что практически при любом положении гибкого рукава питания динамические параметры движения патронной ленты должны быть такими, чтобы исключить ее повреждение, захлестывание, заклинивание, деформации патронной ленты более допустимых, и не допускать снижения темпа стрельбы оружия.
Механизмы подтяга патронной ленты призваны частично
разгрузить механизмы подачи оружия при значительных нагрузках на
них со стороны патронной ленты. Такая ситуация возникает, когда патронные ящики находятся на значительном расстоянии от оружия.
Применение механизмов подтяга уменьшает снижение темпа
стрельбы оружия, исключает недопустимые деформации звеньев патронной, снижает возможность нарушения правильности набивки патронной ленты.
219
Конструкция механизма подтяга должна удовлетворять следующим основным требованиям. Механизм подтяга должен включаться в
работу за минимальное время, должен без существенного сопротивления пропускать патронную ленту к оружию при заряжании, должен
отключаться или пробуксовывать при плотно заполненном рукаве питания. Механизм подтяга должен допускать движение патронной ленты в сторону патронного ящика при разряжании оружия.
В соответствии с такими требованиями механизм подтяга – это
обычно электромеханическое устройство, состоящее из электродвигателя удлиненной формы для обеспечения минимального момента
инерции (обеспечивается быстрый разгон), силового редуктора, храпового механизма и ведущей звездочки с фрикционом.
Механизм подтяга обычно устанавливается на выходе патронного ящика. При длинном тракте питания могут устанавливаться два механизма подтяга: один на выходе патронного ящика, второй вблизи
установки.
Механизм подтяга включается в работу одновременно с нажатием кнопки стрельбы и выключается через время 0,5...0,7 с после ее
отпускания. Задержка в отключении обеспечивает «наплыв» патронной ленты к приемнику оружия для облегчения начала работы механизма подачи при следующей стрельбе.
Параметры двигателя и силового редуктора механизма подтяга
выбираются из условия
vм  (1,1...1,2) vл ,
где
vл
– средняя скорость движения патронной ленты, создаваемая
механизмом подтяга оружия;
vм
– скорость движения патронной лен-
ты, сообщаемая ей механизмом подтяга на номинальном режиме работы его двигателя.
Гильзоотвод обеспечивает отвод отработанных («стреляных»)
гильз за пределы установки или в гильзосборник. Отметим, что во всех
случаях целесообразно отводить стреляные гильзы (также как и использованные звенья) за пределы летательного аппарата. Но не всегда
это может быть выполнено без причинения вреда собственному летательному аппарату. В последнем случае необходимо обеспечить сбор
стреляных гильз (также как и звеньев).
Основное требование к гильзоотводу: гильзоотвод должен обеспечивать надежное перемещение стреляной гильзы и «осечного» па-
220
трона (при системе перезаряжания оружия с выбросом осечного патрона) в гильзосборник или безопасный выброс за пределы ЛА.
Конструкция гильзоотвода определяется направлением выброса
гильзы из оружия, типом установки и местом ее размещения оружия
на ЛА. Гильзы из оружия могут выбрасываться в продольном направлении вперед и назад и в боковом направлении. Как правило, энергия
выброса гильзы из оружия такая, что не требуется какого-либо устройства для сообщения стреляной гильзе дополнительной скорости.
Наиболее простыми по конструкции являются гильзоотводы с выбросом гильзы в продольном направлении вперед относительно оружия на
неподвижных установках. Наиболее сложными являются гильзоотводы на подвижных установках с отводом гильз в продольном направлении назад относительно оружия. Рисунок 5.12 наглядно показывает, с
какими трудностями приходится сталкиваться при разработки конструкции гильзоотводов на подвижных ААУ. В этой связи еще раз
подчеркнем необходимость рационального выбора образца ААО и
конструкции ААУ для обеспечения прежде всего минимальных габаритов и массы ААУ.
Звеньеотвод обеспечивает отвод звеньев от ААО. Во всех современных образцах оружия звенья отводятся в поперечном направлении относительно оружия с относительно маленькой скоростью. По
этой причине практически безопасно выбрасывать их за пределы ЛА
можно только с кормовых установок.
Основное требование к звеньеотводу такое же, как и к гильзоотводу: обеспечить надежное перемещение звеньев до выхода за пределы ЛА или в звеньесборник.
221
По конструкции звеньеотводы аналогичны подводящим рукавам
питания и в общем случае делятся на жесткие и гибкие. При сочленении жестких и гибких рукавов питания применяются различные
устройства сопряжения (позиция 9 на рисунке 5.7). Приемная горловина звеньеотвода (позиция 7 на рисунке 5.7) стыкуется с оружием и в
Рисунок 5.12. Определение параметров
гильзоотводов
общем случае должна отвечать тем же требованиям, что и приемная
горловина подводящего рукава питания.
Звенья открытого типа, патроны из которых могут выдавливаться в поперечном направлении, имеют малую базу для стабилизации
его положения в звеньеотводе. И для упорядоченного движения таких
звеньев по звеньеотводу, они до выхода из звеньотвода не расцепляются. Кроме того, конструкция звеньеотвода должна исключать закли-
222
нивание звеньев в звеньеотводе как за счет их продольного перемещения, так и за счет поперечного вращения. Для этих целей используются специальные направляющие, стабилизирующие положение звеньев
в звеньеотводе.
Отвод звеньев на подвижных установках является более сложной задачей, чем на неподвижных. На подвижных установках приходится решать задачу перемещения звеньев по звеньеотводу, меняющую свою конфигурацию. При этом задача осложняется еще и тем,
что лента пустых звеньев выталкивается из звеньеотвода со стороны
оружия, что в значительно большей степени способствует ее деформации, а, следовательно, заклиниванию в звеньеотводе.
Для обеспечения большей безопасности собственного летательного аппарата при выбросе звеньев за пределы ЛА производят их разъединение с лентой пустых звеньев путем закрутки звеньев относительно их продольных осей. Разъединяются звенья и при их сборе в звеньесборник для уменьшения габаритов звеньесборника.
Требования к конструкционным материалам звеньеотводов такие же, как и к конструктивным материалам подводящих рукавов питания.
Гильзо- и звеньесборники предназначены для сбора гильз (осечных патронов) и звеньев. Гильзо- и звеньесборники должны обеспечивать сбор полного комплекта стреляных гильз (при максимально возможного количестве осечных патронов) и звеньев и исключать задержки в работе установки при всех допустимых эволюциях летательного аппарата.
В зависимости от конструктивных особенностей артиллерийской
установки и ее размещения на ЛА в качестве звеньесборников могут
использоваться места в патронных ящиках, освобождающиеся при
стрельбе от патронов. А применение мягких материалов, например,
плотной материи, позволяют с высоким коэффициентом использовать
различные свободные объемы под звеньесборники.
Отметим, что конструкция звеньесборников должна выдерживать многократные удары со стороны гильз.
Магазинная система питания оружия патронами (рисунок 5.13)
обеспечивает работу с боекомплектом, патроны которого не связаны
друг с другом в единую ленту.
В общем случае магазинная система питания имеет такой же состав, как и ленточная, но с рядом специфических особенностей.
Патронный ящик обеспечивает, как правило, фиксацию патро-
223
нов в определенном положении и подвод их к подводящему рукаву
питания с помощью специальных устройств (например, шнеков различной конструкции в сочетании, при необходимости, со съемником
патронов).
Рисунок 5.13. Магазинная система питания оружия
патронами
В качестве подводящих рукавов питания используются подводящие транспортеры патронов.
Гильзы при стрельбе из оружия выбрасываться за пределы ЛА
(если это безопасно) или собираться в гильзосборники. При применении многоствольного оружия патронный ящик может служить и для
сбора стреляных гильз. В этом случае система питания состоит из патронного ящика с приводом и непрерывного транспортира и для патронов и для стреляных гильз (осечных патронов).
Транспортир, фрагмент возможной конструкции которого показан на правой части рисунка 5.13, обеспечивает подвод патронов к
оружию, отвод гильз (осечных патронов) от оружия и подвод гильз к
патронному ящику. В патронном ящике гильзы укладываются на освободившиеся после вывода патронов места.
Магазинная система питания оружия патронами отличается от
ленточной системы значительно большей сложностью, большими габаритами и массой. Кроме того, патронный ящик магазинной системы
питания не может быть удален на значительное расстояние от оружия,
так как система питания приводится в действие от оружия.
Однако магазинная система питания обладает более высокой
надежностью работы, особенно при совершении ЛА различных эволюций, большей простотой эксплуатации (отсутствует трудоемкая
224
набивка патронной ленты, сбор и сортировка звеньев). Преимущества
магазинной системы питания по массе и габаритам проявляются при
относительно больших (1200…1500шт.) боекомплектах патронов.
5.7. Обеспечение взрывобезопасности
авиационных артиллерийских установок
При стрельбе из артиллерийского оружия часть пороховых газов
проникает во внутренние отсеки установки и сообщающиеся с ними
отсеки ЛА. Наибольшее количество пороховых газов попадает в установку от оружия с газоотводными двигателями. Количество порохового газа, скапливающегося в установке, возрастает при увеличении калибра и темпа стрельбы оружия.
Смесь пороховых газов и воздуха при определенных условиях
(концентрация, давление и температура) становится взрывоопасной.
Взрыв воздушно-газовой смеси может привести к нарушениям нормального функционирования систем и агрегатов установки, ослабить
ее силовую конструкцию и вызвать пожар. Пороховые газы ускоряют
коррозию металлов.
В соответствии с общетехническими требованиями авиационные
артиллерийские установки должны обеспечивать взрывобезопасность
для всех режимов стрельбы оружия. Максимальная взрывоопасная
концентрация пороховых газов в отсеках установки и сообщающихся с
ними отсеках летательного аппарата не должна превышать 8 % по
объему.
Наиболее простым и наиболее распространенным способом
обеспечения взрывобезопасности является продувка отсеков артиллерийской установки и ЛА встречным потоком воздуха. Воздушный поток попадает внутрь установки через щели между стволами оружия и
обтекателем или через специальные воздухозаборники, смешивается с
пороховыми газами и вместе с ними выходят через отверстия (жалюзи)
в корпусе и лючках установки и ЛА.
При таком способе снижения взрывоопасной концентрации пороховых газов при выполнении стрельб на земле, например, при горячей пристрелке установки необходимо выполнить ряд дополнительных
мер безопасности: демонтировать с установки и ЛА все съемные элементы защитной обшивки (экраны, обтекатели, створки и др.) и открыть все лючки и крышки, стрельбу производить короткими очередями и делать перерывы в стрельбе для полного проветривания отсе-
225
ков установки и ЛА, при необходимости использовать наземные системы вентиляции.
На кормовых артиллерийских установках, находящихся в зонах
аэродинамического затенения, используются специальные воздухозаборники, обеспечивающие продувку отсеков установки или вытяжку
пороховых газов из ее отсеков.
В случае невозможности использовать набегающий поток воздуха для продувки отсеков установки и ЛА, используется принудительное введение в отсеки установки и ЛА инертного газа. Во время
стрельбы инертный газ под определенным давлением поступает в отсеки, вытесняя из них воздух вместе с пороховыми газами. Очевидно,
что такой способ обеспечения взрывобезопасности конструктивно более сложен, требует дополнительного оборудования и дополнительных
затрат на эксплуатацию.
Наряду со снижением концентрации пороховых газов для обеспечения взрыво- и пожаробезопасности установок могут применяться
и другие меры, в том числе: применение в составе порохов специальных химических веществ–ингибиторов, замедляющих протекание нежелательных реакций; защита агрегатов и жгутов от воздействия повышенных температур; использование в конструкции установок
пламяпреградителей и пламягасителей.
226
ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НАВОДКОЙ ОРУЖИЯ
6.1. Назначение и состав следящего привода
Задача прицеливания при применении ААО подвижной ААУ к
приведению оси оружия в положение, необходимого для попадания
снарядов в цель при стрельбе. При рассмотрении следящего привода
процесс прицеливания будем называть наводкой оружия на цель.
Для осуществления наводки ААО на цель с учетом специфики
его размещения на ЛА необходим следящий привод (СлПр). По определению СлПр включает (рисунок 6.1) задающее устройство, измеритель рассогласования (ИР), систему управления и исполнительны двигатель (ИД).

ВУ

Д
П
УПУ
ИД
Рисунок 6.1. Структура следящего привода
Роль задающего устройства в СлПр ААУ выполняет или визирное устройство (ВУ), входящее в состав прицельной системы, или программное устройство.
ВУ определяет положение цели (целей) относительно ЛА и параметры ее движения. ВУ могут быть различных типов: оптические, радиолокационные, тепловые, лазерные и др.
Программное устройство СУНО обеспечивает движение ААО по
определенной траектории с целью реализации определенного режима
его боевого применения (например, сосредоточенная стрельба, разнесенная стрельба, обстрел нескольких целей и так далее).
Рассматривая далее работу СлПр, для краткости будем упоминать
в качестве задающего устройства только ВУ, кроме случаев, специально оговоренных.
ИР определяет рассогласование между положением ВУ и положением ААО. Он состоит из двух частей, одна из которых с помощью
механической передачи связана с ВУ и называется датчиком (Д), а вто-
227
рая часть механически связана с ААО и называется приемником (П).
Механическая передача от ААО к приемнику называется жесткой отрицательной обратной связью (ООС). При движении ААО к согласованному положению с ВУ ООС возвращает приемник ИР в согласованное положение с его датчиком.
По принципу действия ИР могут быть потенциометрические, тензометрические, фотоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные
и других типов.
Конструктивная реализация ИР также может быть различной.
Например, индукционные датчики могут выполняться в виде сельсинов, различных вращающихся трансформаторов, в том числе и синусно-косинусных, в виде различных так называемых индукционных измерителей.
В следящих приводах ААУ в качестве ИР используются сельсины и синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы.
Широкое применение сельсинов определяется тем, что с помощью дифференциальных сельсинов (ДС), включаемых между сельсином-датчиком (СД), установленном на ВУ, и сельсином-приемником
(СП), установленном на ААО, можно легко вводить угловые поправки
стрельбы. ДС входят в состав вычислителей прицельных систем.
Выходная величина ИР предназначена для управления ИД. Как
правило, выходная мощность ИР недостаточна для непосредственного
управления ИД. Кроме того, характер физической величины, вырабатываемой ИР, может не соответствовать характеру управляющего воздействия, необходимого для ИД. Поэтому между ИР и ИД включается
УПУ. Состав УПУ определяется типом СлПр.
ИД обеспечивает поворот ААО на ААУ в сторону уменьшения
рассогласования с ВУ.
Если свойства СлПр описать передаточной функцией, то его математическая модель имеет вид, представленный на рисунке 6.2.


W  p

Рисунок 6.2. Математическая модель
следящего привода ААУ
228
Для СлПр наводки ААО на цель передаточная функция
W  p 
  p
, где   p  и   p  – соответственно изображения вход  p
ной и выходной величин.
В общем случае входной величиной СлПр ААУ является угол
  :       , где  – угол характеризует положение цели относительно, например, продольной строительной оси ЛА (далее просто относительно ЛА),  – суммарная угловая поправка стрельбы. Ввод угловой поправки никак не сказывается на работе СлПр, и в качестве
входной величины в дальнейшем будем рассматривать угол  , а способы ввода поправок стрельбы определим ниже.
Выходной величиной является угловое положение ААО  относительно базовой прямой, от которой отсчитывается угол  .
Ошибка наводки ААО на цель определяется углом  как
   .
Нетрудно видеть, что идеальный следящий привод W  p  1
может быть реализован только в том случае, если визирное устройство
жестко закреплено на самом оружии и оружие следует за визирным
устройством с ошибкой, тождественно равной нулю. Точность наводки
оружия на цель в этом случае определяется точностью наводки на цель
визирного устройства.
Для наводки оружия на цель в пространстве необходимо перемещение ААО, в общем случае, в двух плоскостях. Следовательно, и
СлПр должен иметь два (как правило, они идентичны) канала управления. Ниже, рассматривая один канал управления СлПр, всегда будем
иметь в виду это обстоятельство.
На подвижных ААУ современных ЛА реализация идеального
СлПр практически невозможна. Это определяется, прежде всего, компоновкой ЛА и размещением стрелка-оператора на ЛА и физическими
возможностями стрелка-оператора, а также способностью многих ВУ
нормально функционировать совместно с ААО при его стрельбе. Кроме
того, на ВУ возлагаются и другие функции (наиболее важная из которых обзор определенного пространства), в силу которых их размещение на ААО не рационально.
Для общности отметим, что при наличии на ЛА нескольких ВУ и
нескольких подвижных ААУ на СУНО возлагается задача их рационального использования. Речь идет о возможности управления всеми
229
ААУ от одного ВУ, и возможности управления конкретной ААУ от
всех ВУ, имеющихся на ЛА.
Условия боевого применения подвижных ААУ предъявляют к их
следящим приводам следующие основные требования по точности работы, динамическим и другим свойствам.
Статическая ошибка  ст работы СлПр определяет точность отработки постоянного угла, задаваемого ВУ, и не должна превышать 1,5
угловых минут.
Кинематическая ошибка  кин работы СлПр, т.е. слежение ААО за
ВУ при движении ВУ с постоянной скоростью   20
0
с
, должно
проходить с ошибкой, не превышающей 8 угловых минут.
Динамическая ошибка работы СлПр  дин - точность слежения
ААО за ВУ при его равноускоренном движении с ускорением
  20
0
с
2
. При достижении ВУ скорости   20
0
с
динамическая
ошибка не должна быть больше 10 угловых минут.
СлПр должен допускать плавное регулирование скорости движения ААО   в широком диапазоне. Минимально устойчивая скорость
движения ААО
 min
должна быть порядка 0,25
скорость движения ААО
30...60
0
с
  max
0
с
. Максимальная
должна лежать в диапазоне
. Время разгона СлПр t p , т.е. время, за которое ААО из со-
стояния покоя набирает скорость, равную
  0,9 max ,
должно
быть t p  0,3...0, 4c .
СлПр должен нормально функционировать при температуре
окружающей среды от  60 0 С до  60 0 С .
Как всякий авиационный агрегат, СлПр должен иметь малую
массу и габариты.
Отметим, что потребная мощность ИД следящего привода, в зависимости от скорости полета ЛА, длины и диаметра стволов ААО, выступающих в воздушный поток, места расположения ААУ на ЛА и
других условий, лежит в пределах 0,5...5кВт .
230
В настоящее время в СУНО применяются два типа СлПр: электрический и гидравлический.
При реализации гидравлического СлПр используются электрические элементы и устройства и его иногда называют электрогидравлическим.
Структура каждого из СлПр определяется особенностями их исполнительных двигателей.
В состав типового электрического следящего привода (ЭСлП,
рисунок 6.3) входят сельсин-датчик (СД), сельсин приемник (СП), фазочуствительный усилитель (ФЧУ), электромашинный усилитель
(ЭМУ) как усилитель мощности, и исполнительный электрический
двигатель (ИЭД). Сравнивая структуру ЭСП с общей структурой следящего привода (см. рисунок 6.1), видно, что в ЭСлПр усилительнопреобразующее устройство состоит из ФЧУ и ЭМУ.
ФЧУ преобразует управляющий сигнал на основе переменного
питающего напряжения, снимаемый с СП, в управляющий сигнал на
основе постоянного напряжения и усиливает управляющий сигнал до
величины, достаточной для управления работой ЭМУ.
ВУ

СД
СП
ФЧУ
ЭМУ
ЭИД
Рисунок 6.3. Состав электрического следящего привода
Усиленный по мощности в ЭМУ сигнал управления подается на
высокооборотный ЭИД, который в совокупности с силовым редуктором обеспечивает поворот ААО на ААУ в сторону уменьшения рассогласования с ВУ.
В идеальном ЭСлПр индикатор рассогласования, ФЧУ и ЭМУ
должны иметь передаточные функции соответственно kc , k y , ka , а
k дв
. Передаточная функция прямой цепи идеального
р
k
СлПр будет определяться как W  p   , где k  k c k y k a k дв .
p
ЭИД иметь -
Передаточная функция сигнала рассогласования будет иметь вид
231
S  p 
  p
1
p


.
  p 1W  p p  k
На основании передаточной функции сигнала рассогласования
запишем дифференциальное уравнение для определения величины сигнала рассогласования в функции времени
с1 р  с0   а1 р  а0  ,
а1  с1  1 , с0  k , а0  0 .
Закон изменения входного сигнала определят выражения для
различных типов ошибок рассматриваемого привода, который (см. главу 7), является устойчивым.
Так как а0  0 , то данный СлПр обладает астатизмом первого
порядка и теоретически не дает ошибки на постоянный сигнал, т.е.
теор
 ст
 0.
При  0  в t получим (после завершения переходного процесса) уравнение для определения кинематической ошибки
с0 кин  а1 .
Формула для определения кинематической ошибки будет иметь
вид
 кин 

k
.
Зная требования к величине кинематической ошибки СлПр, легко
определить
величину
общего
коэффициента
усиления
20  60
1
k max 
 200 и распределить ее по отдельным элементам.
6
с
Динамическую ошибку СлПр найдем при  0 
2t
2
.
Используя методику определения динамической ошибки СлПр
 дин , изложенную в главе 7, получим
 дин 
в
k
.
Формула для определения динамической ошибки идеального ЭСлПр совпадает с формулой для определения кинематической ошибки
 кин этого привода. С учетом того, что динамическая ошибка в своем
232
составе всегда содержит кинематическую ошибку, видно, что в таком
идеальном приводе нет прироста ошибки за счет равноускоренного
движения ВУ.
Этот результат можно было предвидеть, так как а2  0 и рассматриваемый привод обладает астатизмом второго порядка.
Если СлПр имеет реальный ЭИД, то его передаточная функция
будет иметь вид W  p  
kдв
.
Tдв p  1 p
Дифференциальное уравнение для определения ошибок СлПр с
идеальными усилителями и реальным исполнительным электрическим
двигателем, будет иметь вид
с2 р 2  с1 р  с0   а2 р 2  а1 р  ,

 

где а2  с2  Т дв ; а1  с1  1 ; с0  k ; а0  0 .
Тип ошибки определиться законами изменения входной величины при решении данного уравнения, которое является устойчивым при
положительных коэффициентах с2 , с1 , с0 .
Так как а0  0 , то, как и для идеального ЭСлПр, теоретическая
теор
 0.
статическая ошибка привода с реальным ЭИД  ст
Кинематическая ошибка для данного СлПр определятся по такой
же формуле, как и для идеального СлПр:  кин 
в
k
.
Динамическая ошибка рассматриваемого ЭСлПр будет определяться по формуле
 дин 
в
При k  200 1 ,   20 1
c
1
1
  Tдв    .
k k
k
с2
динамическая ошибка СлПр с ре-
альным ЭИД, имеющим постоянную времени Т дв  0,1с будет равна
 дин  6,57 ' , т.е. динамическая ошибка не выходит за верхний предел
требований. При тех же условиях и Т дв  0,04 с динамическая ошибка
будет равна  дин  6,21' .
233
Забегая вперед (см. главу 7) отметим, что рассмотренные примеры показывают к каким конструктивным элементам электрического
следящего привода ААУ необходимо стремиться.
Постоянные времени сельсинной связи и ФЧУ не велики и мало
сказываются на параметрах следящего привода.
Реальный ЭМУ как усилитель мощности увеличивает на порядок
дифференциальное уравнение, описывающее поведение СлПр, а его
постоянная времени в значительной мере влияет на параметры СлПр.
Следовательно в ЭСлПр необходимо стремиться использовать безинерционный усилитель мощности. Создание безинерционного усилителя мощности представляет собой хотя и сложную, но всего лишь техническую задачу.
Постоянная времени ЭИД мало сказывается на величине динамической ошибке СлПр, а на кинематической ошибке вообще не сказывается. Значит и нет необходимости стремиться к созданию идеального
ЭИД.
Таким образом, одним из условий совершенствования ЭСлПр
является применение безинерционного усилитель мощности.
В состав гидравлического следящего привода (ГСП, рисунок 6.4)
ВУ
СД
СП
ФЧУ
СУ
СДв
ГН
ГД
Рисунок 6.4. Состав гидравлического следящего привода
в общем случае входят СД, СП, ФЧУ, сервоусилитель (СУ), серводвигатель (СДв), гидронасос (ГН) переменной производительности и гидродвигатель (ГД).
В гидравлическом следящем приводе СД, СП и ФЧУ выполняют
те же функции, что и в электрическом.
Сервоусилитель обеспечивает усиление сигнала ФЧУ до величины, необходимой для работы СД.
Серводвигатель обеспечивает поворот регулятора производительности гидронасоса.
В ГСлПр подвижных ААУ получили применение ГН объемного
регулирования производительности в двух противоположных направлениях подачи жидкости с наклонным диском или блоком цилиндров и
234
с автономным приводом, а в качестве исполнительных двигателей используются ГД с наклонным блоком.
Применение ГД обеспечивает малый объем рабочей жидкости в
системе ГН-ГД, что в сочетании с силовым редуктором повышает
быстродействие и жесткость механической характеристики привода.
Рабочая жидкость оказывает существенное влияние на технические и эксплуатационные характеристики ГСлПр. Она должна иметь
хорошие смазывающие свойства, небольшую гигроскопичность и вязкость, мало зависящую от изменения температуры, не вызывать коррозии и разрушения конструкционных материалов ГСлПр, не растворять
и не выделять воздух и другие газы, не должна вспениваться.
В наибольшей степени указанным требованиям удовлетворяют
минеральные масла. Основной маркой такого масла, применяемого в
авиации, в том числе и ГСП, является минеральное масло АМГ-10.
6.2. Применение сельсинной связи в следящем приводе
Сельсины по определению являются электромеханическими
устройствами, предназначенными для передачи механического движения на расстояние по электрическим проводам. Этот режим работы
сельсинов называется индикаторным. В СлПр ААУ сельсины работают
в трансформаторном режиме, определяя в форме электрического
напряжения величину и знак рассогласования между положением ААО
и положением ВУ.
В ААУ в качестве сельсинов-датчиков и сельсинов-приемников
находят применение сельсины с однофазными роторными и трехфазными статорными обмотками (рисунок 6.5; для простоты обмотки показаны толстыми линиями). Начала статорных обмоток обозначены
С1, С2, С3, роторных - Р1, а концы - Р2.
Статорные обмотки соединены звездой, расположены по окружности статора таким образом, что их магнитные оси сдвинуты между
собой на угол   120 0 . Питание сельсинов осуществляется переменным напряжением u0  U 0 sin t с амплитудой U 0  115В и частотой
f  400 Гц (угловая частота   2f ), подаваемым на ротор СД.
Мгновенное значение тока в цепи ротора СД, имеющей, делаем
допущение, только активное сопротивление Rд, будет равно
235
iд 
u0
sin  t , или iд  I д sin  t , где Iд – амплитуда тока в роторной
Rд
обмотке СД.
Далее, как это принято в электротехнике, будем оперировать амплитудными значениями соответствующих величин, понимая их «физические» свойств.
Напомним здесь еще раз, что ротор СД механически связан с ВУ,
положение которого определяется углом  . Ротор СП механически
связан с ААО, положение которого определяется углом  . Угол рассогласования между положением ВУ и ААО  определяется как
     . С ротора СП снимается напряжение u п , из которого в ФЧУ
формируется сигнальное напряжение uc ( ) .
Переменный ток I д , проходящий по обмотке ротора СД, создает
в ней пульсирующий магнитный поток Фд . Этот магнитный поток Фд
наводит в трех обмотках статора СД три электродвижущие силы
(э.д.с.) uд1 , u д 2 , u д 3 частоты f , амплитуды которых Ед1 , Ед 2 , Ед3 зависят от положения оси обмотки ротора СД относительно каждой из
обмоток статора. Для принятого на рисунке 6.5 взаимного расположения обмоток СД будем иметь
Ед1  kдU 0 cos   ,
Ед 2  kдU 0 cos  ,
Ед3  kдU 0 cos   ,
где kд – коэффициент трансформации между статорными и роторной
обмотками СД.
Если условно соединить точки трехфазных обмоток сельсинов
«нулевым» проводом (на рисунке 6.5 он обозначен пунктиром) и определить токи, протекающие по проводам 0, 1, 2 и 3, то их амплитуды будут равны
I1 
Eд1
,
R  XL
I2 
I 0  I1  I 2  I 3 
236
Eд 2
,
R  XL
I3 
Eд 3
,
R  XL
kдU 0
cos     cos   cos   ,
R  XL
где R , X L – соответственно активное и индуктивное сопротивление
одной статорной обмотки СД (емкостным сопротивлением пренебрегаем).
Производя тригонометрические (или геометрические) преобразования в последнем выражении, убеждаемся, что I 0  0 . Поэтому нулевой провод в сельсинах отсутствует.
СД

СП
2
С2
Р1
u0
0
0
Р2
С3
С1
3

С2
Р2
0
С3
Р1
С1
uп
1
Рисунок 6.5. Схема включения сельсинов
(первая базовая схема)
Благодаря протеканию тока каждая статорная обмотка СП создает свой магнитный поток, индуцирующий в роторной обмотке СП переменное напряжение частоты f . Для принятого на рисунке 6.5 расположения обмоток СП амплитуды этих напряжений будут равны
U п1  k n Eд1 sin      k n kдU 0 cos   sin    ,
U n 2  k n Eд 2 sin   k n kдU cos  sin  ,
U n 3  k n Eд3 sin      k n kдU 0 cos   sin    ,
где kn – коэффициент трансформации от статорной обмотки СП к его
роторной обмотке.
Отметим, что в применяемых на ААУ сельсинах k д  0,5 , а
k n  1 . Общий коэффициент трансформации от роторной обмотки СД к
роторной обмотки СП kT  kд k п и равен kT  0,5 . Тогда амплитуда
суммарного напряжения U n на роторной обмотке СП без учета потерь
будет равна
237
Un 
U0
cos   sin      cos sin   cos   sin     .
2
После преобразований получим закон изменения амплитуды
напряжения, снимаемого с роторной обмотки СП:
Uп 
U0
U
sin      0 sin  .
2
2
С учетом того, что питающее напряжение изменяется с частотой
f , напряжение, снимаемое с роторной обмотки СП, изменяется по закону
un 
U0
sin t sin  .
2
Функция sin является нечетной. Это обстоятельство используется в ФЧУ для формирования управляющего сигнала uc ( ) , в котором
амплитуда напряжения определяет величину рассогласования между
положением ААО и ВУ, а знак напряжения – направление рассогласования ААО и ВУ:
uс   
U0
sin  .
2
Техническая реализация этого закона изменения uc ( ) определяется изменением фазы напряжения
uп
на роторе СП на 1800 при изме-
нении знака угла рассогласования  и с фильтрацией несущей частоты
400 Гц питающего напряжения.
При круговом вращении ВУ относительно ААО (или наоборот)
сигнальное напряжение дважды достигает максимума при углах рассо0
гласования  90 и дважды становится равным нулю. Это происходит
при углах рассогласования, равных 0 0 и 180 0 . Положение, когда сигнальное напряжение равно нулю при   0 , называется истинным нулем.
Положение, когда сигнальное напряжение равно нулю при
  1800 , называется ложным нулем. В идеале рассогласование между
положением ВУ и ААО, равное 180 0 , может продолжаться как угодно
долго. Однако, если вывести систему «ААО – ВУ» из состояния ложного нуля, ААО вернется в положение истинного нуля.
238
Основными характеристиками сельсинной связи, с точки зрения
ее работы в СлПр, являются крутизна сигнального напряжения по
углу рассогласования и статическая точность ее действия.
Под крутизной сигнального напряжения от угла рассогласования
 с понимается тангенс угла наклона касательной к кривой uc  uc  
при угле рассогласования, равном нулю
с 
duc
d
.
 0
Вычисляя числовое значение крутизны сигнального напряжения
при отсутствии потерь, получим  с  57,5 В
рад
 1В
град
. С учетом
потерь в сельсинах числовые значения крутизны сигнального напряжения уменьшаются и реальные значения крутизны сигнального напряжения  с  0,7...0,8 В
град
.
Статическая точность действия сельсинной связи определяет погрешность ее работы в статическом режиме. Передача заданных углов
поворота ротора СД к ротору СП в индикаторном режиме или измерение угла рассогласования между роторами СД и СП в трансформаторном режиме связано с некоторыми ошибками. Эти ошибки возникают
из-за наличия в реальном сельсине геометрической, магнитной и электрической асимметрии. Используемые в настоящее время в следящих
приводах ААУ установок сельсины имеют статическую точность
  30...60 угловых минут. Статическая ошибка сельсинной пары, как
одно из слагаемых, входит в суммарную ошибку работы СлПр.
Для использования полных возможностей ААО с точки зрения
его эффективности от следящих приводов ААУ требуется значительно
более высокая точность работы. Так статическая точность работы СлПр
 ст не должна выходить за пределы 1,5 угловых минут, а максимальный угол рассогласования между положением ААО и ВУ (при заданных параметрах движения ВУ, см. п.6.1) не должен превышать 10 угловых минут.
Очевидно, что в системе, в которой передаточные числа от ВУ к
ротору СД и от ААО к ротору СП равны единице, общая ошибка в положении ААО относительно ВУ не может быть сделана меньше, чем
ошибка, вносимая сельсинной связью, т.е. меньше 30…60 угловых минут.
239
Повышение точности действия следящих приводов ААУ обеспечивается использованием повышающих (ускоряющих) передач для поворотов роторов сельсинов по сравнению с поворотами ААО и ВУ. Передаточное число редуктора iТ в этом случае должно выбираться, исходя из обеспечения требуемой точности работы СлПр.
При повороте ВУ на угол  ротор СД повернется на угол iТ   .
При повороте ААО на угол  ротор СП повернется на угол iТ   . Теперь ошибка работы СлПр будет определятся статической ошибкой работы сельсинной связи как   iТ  iТ  . Зная требуемую статическую
точность работы СлПр привода, находим
iТ 

.
 ст
Передаточные числа редукторов сельсинов, обеспечивающих потребную точность работы следящих приводов, выбираются из диапазона 29…35. В этом случае при точности работы сельсинной пары  ,
статическая точность работы следящего привода не будет превышать
(  ст 

iT
) порядка 2-х угловых минут в худшем случае.
Сельсины, обеспечивающие заданную точность работы следящего привода, называются точными.
Сверху значения передаточных чисел точных сельсинов ограничивается максимально допустимой частотой вращения роторов сельсинов, лежащей в диапазоне 30…100 Гц. Кроме того, надо учитывать, что
сами редукторы работают также с погрешностями. При больших передаточных числах редукторов их ошибки будут приводить к снижению
суммарной точности работы следящих приводов.
Применение повышающих передач в сельсинных парах обеспечивает заданную точность работы следящих приводов артиллерийских
установок. Однако такие следящие приводы приобретают совершенно
недопустимый недостаток. Теперь за один оборот визирного устройства относительно оружия или наоборот система имеет iТ электрических нулей, которые она воспринимает как истинные нулевые положения оружия и визирного устройства. Это обстоятельство при включении системы в работу при несогласованном положении оружия и визирного устройства или в процессе работы системы при резких перемещения визирного устройства может приводить к неоднозначному
240
положению оружия и визирного устройства. Неоднозначность положе0
ния визирного устройства и оружия будет кратна 360
iТ
, так как сле-
дящий привод приводит оружие к ближайшему электрическому нулю.
Таким образом, рассмотренная выше и называемая точной сельсинная связь не обеспечивает однозначного положения оружия и визирного устройства. Наряду с точной необходимо иметь другую, называемую грубой сельсинную связь, предназначенную обеспечить однозначное положение оружия и визирного устройства. Для этой цели используются такие же сельсины, как и для точной сельсинной связи, но
передаточные числа редукторов от визирного устройства к сельсинудатчику и от оружия к сельсину-приемнику равны iГ  1 .
Обеспечение высокоточной работы следящего привода при однозначном положении оружия и визирного устройства обеспечивается
путем своевременного автоматического переключения сельсинных связей при достижении определенной величины угла рассогласования
(угол переключения). Если угол рассогласования меньше угла переключения, система работает по так называемому точному каналу, обеспечивая заданные точности слежения оружия за визирным устройством. Если угол рассогласования становится больше угла переключения, система работает по так называемому грубому каналу, задача которого состоит в том, чтобы наискорейшим образом перевести систему
на точный режим работы. Переключение каналов управления возлагается на фазочуствительный усилитель.
0
Угол переключения должен быть меньше 180
iT
. В том случае,
если угол переключения будет больше этой величины, то при достижении угла рассогласования   180
0
iT
, точные сельсины «поведут»
ААО к следующему согласованному положению точных сельсинов:
ААО и ВУ не будут находиться в однозначном положении.
При выборе передаточного числа редукторов точных сельсинов
решается также задача исключения ложного нуля ААУ кругового вращения. При четном значении iT происходит совпадение и ложных нулей грубых и точных сельсинов, и знаков их производных. Это обстоятельство, если возник ложный нуль, приводит при некоторых условиях
к достаточно устойчивому его существованию. При нечетном значении
241
iT этого не происходит. По этим причинам выбираются нечетные значения iT из диапазона их возможных значений (29…35). В типовом
следящем приводе принято, что iT  31 .
Дифференциальные сельсины (ДС), как уже отмечалось, используются для ввода поправок стрельбы. Они должны быть включены в
грубый и точный каналы сельсинных связей. Величина передаточного
числа редуктора от грубого ДСГ к точному ДСТ должна быть ровна iT .
Конструктивно дифференциальный сельсин от СД и СП отличается в
основном только конструкцией якоря, который выполнен трехполюсным. Такая конструкция якоря ДС позволяет легко включать дифференциальный сельсин в цепь сельсинной связи между СД и СП.
Дифференциальные сельсины входят в состав вычислителей прицельных систем. Привод дифференциальных сельсинов вычислителя
поворачивает их роторы относительно статоров на угол суммарной поправки стрельбы  в грубом канале управления и, соответственно, на
угол iT  в точном канале управления.
Повороты роторов ДС относительно их статоров приводят к повороту векторов суммарного потока на углы  и iT  соответственно в
грубом и точном каналах управления. Таким образом, выходной сигнал
сельсинной пары зависит не только от угла рассогласования  , но и от
суммарной угловой поправки стрельбы  . Повторяя вывод выражения
для сигнального напряжения сельсинной пары с учетом включения ДС,
легко показать, что теперь выражение для сигнального напряжения будет иметь вид
uс   
U0
sin     .
2
Следящий привод, отрабатывая теперь сигнал рассогласования,
остановит ААО в определенном, упрежденном положении относительно ВУ (цели).
Сельсины как электромеханические устройства обладают определенными инерционными свойствами. Однако по динамическим свойствам сельсинный измеритель угла рассогласования в следящих приводах ААУ принимается усилительным звеном. Это определяется тем,
что его инерционные свойства малы по сравнению с инерционными
свойствами других электромеханических устройств СлПр (см. п.п. 6.4,
6.5).
242
При более точном рассмотрении динамических свойств сельсинного измерителя угла рассогласования он может рассматриваться усилительным звеном с запаздыванием на 1 4 периода питающего напряжения. При частоте питающего напряжения 400 Гц запаздывание составляет приблизительно 0,0006с. Запаздывание определяется путем
линейной аппроксимации статической характеристики сельсинной связи.
Таким образом, передаточная функция сельсинной связи в математических моделях СлПр ААУ рассматривается как усилительное
звено с коэффициентом усиления kc :
Wc ( p) 
uc ( p )
 kc ,
 ( p)
где uc ( ð) ,  ( ð ) - изображения Лапласа сигнального напряжения сельсинной пары и угла рассогласования между ВУ  и ААО  .
Рассматриваемый коэффициент усиления относится к точному
каналу сельсинной связи и определяется выражением
kc  iT  с .
Размерность коэффициента усиления сельсинной пары точного
канала управления показывает прирост напряжения в вольтах на единицу углового рассогласования между положеним ААО и ВУ. Числовое значение коэффициента усиления сельсинной пары точного канала
управления
с
учетом
потерь
равно
kc  21,7...24,8 В
град
 0,39 В
угл. мин
(при iT  31 и   0 ).
Отметим здесь следующее. Характеристики точности работы
СлПр определяются в угловых величинах. Однако измерение углового
рассогласования между положением ВУ и положением ААО является
относительно простой задачей только в статике. В динамике при движении ВУ и ААО определение углового рассогласования между ними,
т.е. определения кинематической и динамической ошибок работы
СлПр, является технически сложной задачей.
По этой причине, наряду с геометрическим углом рассогласования, вводят понятие электрического угла рассогласования: электрическое напряжение, пропорциональное единице углового рассогласования. Связь между геометрическим и электрическим углами рассогласования носит вероятностный характер. Поэтому электрический угол рассогласования является косвенной характеристикой точности работы
243
СлПр. Однако измерение электрического угла рассогласования не
представляет трудностей при любых режимах работы СлПр и эта характеристика точности работы СлПр широко применяется на практике.
Отметим также, что с точки зрения нормального функционирования сельсинной пары для отдельно взятого ВУ и ААУ роторы СД и СП
должны располагаться только лишь взаимно перпендикулярно. Однако
для обеспечения однозначности управления несколькими ААУ от нескольких ВУ необходимо обеспечить для всех сельсинов некоторое
стандартное расположение роторов относительно их статоров. По этим
причинам приняты две базовые схемы включения сельсинных пар.
Схема включения сельсинов, представленная на рисунке 6.5 (при
  0 и   0 ), является первой базовой схемой. Она применяется для
горизонтальных каналов ВУ и ААУВУ, направленных вперед по полету ЛА, и для вертикальных каналов всех ВУ и всех ААУ.
Вторая базовая схема включения сельсинов (рисунок 6.6) используется для горизонтальных каналов ВУ и ААУ, направленных назад относительно ЛА.
Р2
СД
С2
С2
Р1
С3
Р1
0
0
u0
СП
С1
С3
С1
Р2
uï
Рисунок 6.6. Схема включения сельсинов
(вторая базовая схема)
Сопоставляя приведенные базовые схемы включения сельсинов,
можно легко видеть, что они обеспечивают однозначное управление
любой одной или несколькими ААУ от одного ВУ.
Очевидно, что для каждой ААУ вычисляются свои поправки
стрельбы, которые и вводятся соответствующими дифференциальными
сельсинами.
Конструктивно сельсины, использующиеся в настоящее время в
качестве измерителей рассогласования в следящих приводах СУНО,
состоят из неподвижных статоров и подвижных роторов. Для подачи
(снятия) электрических сигналов с роторов используются токосъемники, состоящие из контактных колец и щеток. Такие токосъемники под-
244
вержены истиранию, коррозии, загрязнению и, как следствие, могут
приводить к нестабильной работе СлПр и появлению характерных неисправностей в них. Кроме того, из-за возможных пробоев между соседними контактными кольцами и щетками в разряженном воздухе
применение таких сельсинов ограничивается высотами в 6000…8000 м.
Для применения ААУ на больших высотах необходимо использовать так называемые бесконтактные сельсины. Принцип действия
бесконтактных сельсинов тот же, что и однофазных контактных сельсинов. Отличие состоит главным образом в конструкции ротора бесконтактного сельсина, обмотка которого неподвижна. При этом отпадает необходимость в щетках и кольцах для подвода и съема напряжений. Поворотная часть таких бесконтактных сельсинов представляет
собой магнитопровод переменного сечения, изменяющего напряженность магнитного потока на полюсах статора сельсина. Однако технология изготовления бесконтактных сельсинов сложнее и исторически
они появились позже. А так как большая часть ААУ используются на
относительно небольших высотах и с учетом вопросов стандартизации
и унификации, продолжается широкое использование контактных сельсинов.
Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы обладают
более высокими характеристиками точности работы, и находят применение на ААУ, разработанных в последнее время.
Переход на новые типы индикаторов рассогласования следует
ожидать с более широким применением вычислительной техники в
следящих приводах ААУ. В этом случае будет оправданным применение цифровых датчиков углового рассогласования (цифровые сельсины).
6.3. Фазочуствительные усилители
При рассмотрении сельсинов уже отмечались некоторые задачи,
возлагаемые на ФЧУ. В общем случае ФЧУ обеспечивает: преобразование сигналов управления, снимаемых с индикаторов рассогласования; усиление сигналов управления по мощности; переключение каналов управления с точного на грубый и наоборот; блокировку стрельбы
из ААО при переходе с точного канала управления на грубый.
Преобразование сигнала управления обусловлено следующим.
Сельсинные пары (см. п. 6.2) формируют сигнал управления на несущей частоте питающего напряжения f
245
U

un   0 sin   sin  t .
 2

Здесь в круглых скобках выделены амплитуда и фаза («знак» амплитуды) сигнала, снимаемого с сельсина-приемника.
В качестве же ИД в ЭСлПр используются электродвигатели постоянного тока. Это обстоятельство требует преобразования сигналов
управления, снимаемых с сельсинов, к форме, удобной для управления
электродвигателями постоянного тока.
Такое преобразование легко осуществить с помощью ключевых
схем, источника опорного напряжения и выпрямителя. Эпюры напряжений на рисунке 6.7 поясняют производимые преобразования.
ип
Θ=0
Θ>0
Θ<0
t
иоп
t
ис
t
Рисунок 6.7. Принцип формирования сигнального
напряжения
На ключевые схемы подаются: на первый вход сигнал u n ; на
второй вход опорное напряжение uоп  U оп sin t на той же несущей
частоте, что и сигнал u n . На выходах ключевых схем появляются «импульсы» только в том случае, если есть «импульсы» (полуволны синусоид) на обоих входах. Причем, если фазы полуволн синусоид совпадают, импульсы имеют одну полярность, если фазы полуволн синусоид
не совпадают, то импульсы имеют противоположную полярность.
С выходов ключевых схем «импульсы» поступают на выпрямитель, где преобразуются в «постоянное» сигнальное напряжение uc .
246
Если рассогласование между ВУ и ААО равно нулю (   0 ), то
сигнал на выходе СП равен нулю ( un  0 ). Соответственно и на выходе
выпрямителя сигнальное напряжение будет равно нулю ( uc  0 ).
Если имеется некоторое рассогласование между ВУ и ААО и его
условно принимать положительным (   0 ), то на выходе выпрямителя будет положительное постоянное сигнальное напряжение, про-
U0
sin  . При рассогласовании ВУ и ААО в
2
другую сторону, которое условно принимаем отрицательным (   0 ),
порциональное  : uc 
на выходе выпрямителя будет отрицательное «постоянное» сигнальное
напряжение, пропорциональное  : uc 
U0
U
sin      0 sin  .
2
2
При большем рассогласовании между ВУ и ААО будет большее
по амплитуде сигнальное напряжение.
Усиление сигнала по мощности является основной функцией
ФЧУ. Особенностью здесь является то, что необходимо обеспечить
стабильную работу усилителя в широком температурном диапазоне
(  60 0 С  60 0 С ). Полупроводниковые же устройства, с использованием которых изготовляются современные ФЧУ, обладают большой
температурной нестабильностью. Это обстоятельство требует применение специальных решений для обеспечения заданной стабильности
(постоянства коэффициента усиления) работы ФЧУ.
Работа СУНО на точном канале управления обеспечивает точную
наводку ААО на цель и его эффективное применение. Однако максимальные скорости движения ААО при работе СУНО на точном канале
ограничены необходимостью обеспечения заданной точности работы
СлПр. Это приводит к таким нежелательным явлением, как принципиальной невозможности слежения за интенсивно перемещающейся целью и затягиванию времени переброса ААО для обстрела другой цели.
По этим причинам, даже если бы не требовалось введения грубого канала по причине особенностей работы сельсинов, второй канал
(названный, например, ускоренным, быстрым, грубым) в СУНО необходим для решения всей совокупности тактических задач, возлагаемых
на ААУ. В силу же особенностей работы сельсинов в следящих приводах ААУ в них есть точный и грубый каналы. В этом случае на грубый
канал возлагается, как уже отмечалось, и функция обеспечения движения ААО с максимально возможной скоростью.
247
Блокировка стрельбы при переходе работы СУНО с точного канала на грубый канал вполне очевидна. При больших рассогласованиях
между положением ААО и положением ВУ (естественно предполагается, что ВУ направлено на обстреливаемую цель) стрельба будет неэффективной и с целью сохранения боекомплекта патронов ее необходимо прекратить. Задача решается автоматически за счет прерывания цепи стрельбы при переходе работы СУНО на грубый канал. Для этой цели в составе ФЧУ имеется специальное устройство, часто называемое
автоматом защиты.
Отметим, что при наводке ААО на цель в двух плоскостях (наличии СУНО с двумя каналами управления), цепь стрельбы прерывается
при переходе на грубый канал работы хотя бы одного канала СлПр.
При рассмотрении математической модели точного канала СлПр
передаточная функция ФЧУ представляется идеальным усилительным
звеном с коэффициентом усиления k y
Wy ( p) 
u y ( p)
uc ( p )
 ky ,
где u y  p  – изображение Лапласа выходного сигнала ФЧУ.
Коэффициент усиления k y есть коэффициент усиления точного
канала ФЧУ по напряжению. Числовые значения коэффициента усиления ФЧУ в типовом ЭСлПр лежат в диапазоне 25…105.
При этом коэффициент усиления типового ФЧУ по мощности составляет порядка пяти. При максимальной мощности в 5 Вт, снимаемой
с сельсинов, выходная мощность типового ФЧУ по точному каналу составляет порядка 25 Вт.
248
6.4. Усилители мощности
Усилитель мощности (УМ) должен обеспечить усиление управляющего сигнала, снимаемого с ФЧУ, до мощности, необходимой для
нормального функционирования ЭИД.
Как отмечалось, ИД следящих приводов ААУ должны развивать
мощность в диапазоне 0,5...5кВт . Следовательно, УМ на номинальных режимах работы с учетом потерь должны развивать еще большую
мощность. Техническая реализация УМ таких мощностей для существующих типов электрических ИД постоянного тока наиболее просто
осуществляется применением электромашинных усилителей.
Электромашинным усилителем (ЭМУ), используемые в ААУ,
называют устройство, состоящее из генератора или двух генераторов
постоянного тока в общем случае с несколькими обмотками возбуждения, и электродвигателя, обеспечивающего вращение генератора(ов).
Электродвигатель, приводящий генератор(ы) во вращение, может быть
переменного или постоянного тока. Основное требование к двигателю
ЭМУ – обеспечить постоянную скорость вращения генератора(ов) при
изменении нагрузки генератора(ов) в широком диапазоне, т.е. двигатель должен иметь жесткую нагрузочную характеристику.
Другое название ЭМУ – амплидин – произошло от латинского
amplifico – усиливать и динамо-машина – устаревшего названия электрического генератора постоянного тока.
По числу ступеней усиления ЭМУ делят на одно-, двух- и трехступенчатые. По ориентации управляющего магнитного потока второй
ступени двух- и трехступенчатые ЭМУ подразделяются на ЭМУ с поперечным, ЭМУ с продольным и ЭМУ с продольно-поперечным полем.
Как сложное техническое устройство ЭМУ характеризуется рядом ТТХ. Однако, рассматривая ЭМУ как элемент ЭСлПр, необходимо
знать только характеристики его динамических свойств.
Наиболее совершенным типом электромашинного усилителя является ЭМУ с поперечным полем (рисунок 6.8). Такое название этот
ЭМУ получил потому, что магнитное поле, вызывающее возникновение э.д.с. на его рабочих щетках, направлено не по оси обмотки управления (продольной оси; на рисунке 6.8 это вертикальная ось), как у
обычных генераторов постоянного тока, а магнитным полем, направленным перпендикулярно оси обмотки управления (поперечной оси; на
рисунке 6.8 – горизонтальная ось).
249
17*
ОУ1
ОС
Фк
еа  ua
Фос
Фя
Rн
Фу
ОУ2
Рисунок 6.8. Схема двухступенчатого электромашинного усилителя
Генератор ЭМУ с поперечным полем конструктивно представляет собой генератор постоянного тока с обмоткой управления (ОУ), сериесной (компенсационной) обмоткой (ОС) и двумя парами щеток,
расположенными взаимно перпендикулярно: одна пара щеток расположена на продольной (вертикальной) оси; вторая – на поперечной (горизонтальной) оси.
Щетки на поперечной оси генератора соединены накоротко и
вместе с частью обмотки якоря (те витки, которые находятся под полюсами, на которые намотаны обмотки управления и которые пересекают
магнитный поток ОУ с максимальной скоростью) образуют короткозамкнутый контур.
Щетки на продольной оси генератора соединены с нагрузкой.
Витки якоря, соединенные с продольными щетками, расположены перпендикулярно продольной оси генератора и пересекают магнитный поток короткозамкнутых витков якоря с максимальной скоростью.
ОУ состоит из двух одинаковых секций ОУ1 и ОУ2, геометрические оси которых совпадают. Концы (или начала) секций ОУ соединены и эта средняя точка заземлена. Это обстоятельство, при приложении
управляющего напряжения u y ( ) , снимаемого с ФЧУ, обеспечивает
протекание по секциям обмоток токов, направленных навстречу друг
другу. Встречное включение секций ОУ призвано исключить влияние
гистерезиса магнитопроводов и обеспечить линейную характеристику
генератора. Отметим, что линейность характеристики генератора ЭМУ
обеспечивается также и тем, что магнитопроводы генератора работают
не при полном насыщении.
250
Разность токов i y в ОУ создает магнитный поток Ф у , направленный по оси ОУ, т.е. по продольному направлению генератора. В
витках якоря генератора, пересекающего магнитный поток, наводится
э.д.с., обеспечивая протекание тока ik по короткозамкнутым виткам
якоря генератора.
Ток ik создает магнитный поток якоря Фk , направленный по поперечной оси генератора. Величина магнитного потока Фk зависит от
величины магнитного потока Ф у , скорости вращения якоря генератора
и сопротивления короткозамкнутого контура.
В витках якоря генератора, пересекающего магнитный поток
Фk ,также наводится электродвижущая сила, которая снимается со щеток якоря, расположенных на продольной оси генератора.
При наличии нагрузки генератора Rн через якорь протекает ток
i я . Ток нагрузки вызывает магнитный поток реакции якоря генератора
электромашинного усилителя Ф я (определяется противо-э.д.с. якоря),
который направлен по продольной оси генератора навстречу магнитному потоку управляющей обмотки. Для устранения влияния реакции
якоря служит сериесная обмотка (ОС), создающая магнитный поток
Фсо , призванный компенсировать магнитный поток реакции якоря (т.е.
магнитный поток Ф я , рисунок 6.8).
При полной компенсации реакции якоря магнитный поток Ф у ,
создаваемый обмоткой управления, может быть весьма незначительным. Его значение определяется лишь тем, чтобы в короткозамкнутой
цепи наводилась электродвижущая сила, достаточная для поддержания
тока ik .
Динамические характеристики ЭМУ (его передаточную функцию), будем определять, предполагая, что генератор ЭМУ работает в
режиме полной компенсации. Так как магнитная система генератора не
насыщена, то индуктивность цепей можно считать постоянными, а
магнитные потоки – пропорциональными токам; рассеиванием магнитных потоков пренебрегаем.
Рассмотрим сначала первую ступень усиления генератора
(«управляющая обмотка – короткозамкнутые витки якоря») и опреде-
251
лим ее передаточную функцию. Входным сигналом для первой ступени
усиления является управляющее напряжение u y , выходным сигналом –
электродвижущаяся сила, наводимая в короткозамкнутых витках якоря
генератора ЭМУ ek .
Секции обмотки управления ОУ1 и ОУ2 выполнены одинаковыми с активными сопротивлениями R y и индуктивностями L y . Токи,
протекающие по секциям, обозначены через i1 и i2 .
Уравнение напряжений на каждой секции определяется падением
напряжений на активном сопротивлении, противо-э.д.с., вызываемой
током в данной секции, и э.д.с., наводимой соседней секцией. Уравнения напряжений соответственно для ОУ1 и ОУ2 будут
di1
di
 Ly 2 ;
dt
dt
di 2
di
 i2 R y  Ly
 Ly 1 .
dt
dt
uУ 1  i1 R y  Ly
uУ 2
Суммарное напряжение управления на входе первой ступени
усиления ЭМУ определится как
u y  R y i1  i2   2 Ly
d i1  i2 
.
dt
(6.1)
Токи i1 , i2 , протекающие по ОУ1, ОУ2, создают магнитные потоки
Ф у1 ,
Фу 2 ,
пропорциональные
токам
и
числу
витков
( wy1  wy 2  wy ):
Фу1  kфi1wy ;
Фу 2  kфi2 wy ,
где k ф – коэффициент пропорциональности, определяемый размерностью параметров.
Суммарный магнитный поток управления Ф у будет равен
Ô ó  Ô ó1  Ô ó 2  kô i1  i2 wy .
(6.2)
Магнитный поток Ф у пересекается витками якоря ЭМУ и в них
наводится э.д.с. индукции. Величина этой э.д.с. индукции зависит от
скорости вращения якоря ЭМУ  и от ориентации плоскости витков к
252
направлению магнитного потока Ф у . Если пренебречь рассеиванием
магнитного потока, то в короткозамкнутых витках якоря генератора
ЭМУ, плоскость которых перпендикулярна потоку Ф у , наводится э.д.с.
индукции ek , определяемая выражением
ek  ke Фу ,
(6.3)
где ke – коэффициент пропорциональности, определяемый размерностью параметров.
Электродвижущая сила ek в короткозамкнутых витках якоря генератора ЭМУ с активным сопротивлением Rk вызывает ток ik , а индуктивность короткозамкнутых витков Lk препятствует изменению тока в них. Уравнение напряжений в короткозамкнутых витках ротора
генератора ЭМУ будет иметь вид
ek  ik Rk  Lk
dik
.
dt
(6.4)
Передаточную функцию Wa1  p  первой ступени усиления ЭМУ
как отношение изображений Лапласа выходной и входной величин,
определим следующим образом. Из уравнения (6.3) найдем выражение
для Ф у , подставим его в уравнение (6.2), а из уравнения (6.2), в свою
очередь, получим выражение для i1  i2 , которое подставим в уравнение (6.1):
Ry
uy 
ek 
2 Ly
dek
.
ke kфwy dt
(6.4)
ke kфwy
ke kфwy
Вводя обозначения ka1 
– коэффициент усиления перRy
вой ступени ЭМУ и Ta1 
2 Ly
Ry
– постоянная времени первой ступени
ЭМУ, и применяя преобразование Лапласа к левой и правой частям
уравнения (6.4), будем иметь
k a1u y  p   ek  p Ta1 p  1 ,
253

где
u y  ð    å pt u y  t  dt ,
0

ek  ð    å pt ek  t  dt – преобразования
0
Лапласа соответственно, входной и выходной величин первой ступени
усиления ЭМУ.
Выражение для передаточной функции первой ступени усиления
ЭМУ будет иметь вид
Wa1  p  
ek  p 
ka1
.

u y  p  Ta1 p  1
Ток ik в короткозамкнутых витках якоря генератора ЭМУ с числом витков wk создает магнитный поток Фk
Фk  kф wk ik .
(6.5)
Конструкция якоря генератора ЭМУ выполнена таким образом,
что магнитный поток Фk направлен поперек геометрической (на рисунке 6.7 вертикальной) оси генератора ЭМУ.
Магнитный поток Фk также пересекается витками якоря генератора ЭМУ и в них также наводится э.д.с. индукции. Максимальное значение этой э.д.с. индукции еa будет в витках якоря, соединенных с вертикальными (продольными) щетками
еa  ke Фk .
(6.6)
Здесь предполагаем, что при одинаковых параметрах вертикальных и горизонтальных щеток якоря генератора ЭМУ коэффициент пропорциональности ke такой же, как в выражении (6.3).
Электродвижущая сила еa при замыкании внешней цепи на
нагрузку Rн вызывает в ней ток якоря i я генератора ЭМУ. Уравнение
напряжений во внешней цепи якоря генератора ЭМУ определится выражением
ea  iя  Rя  RОС  Rн   L
diя
,
dt
(6.7)
где Rя – сопротивление витков якоря генератора ЭМУ, связанных с
вертикальными щетками (очевидно, что если все щетки одинаковы, то
254
Rя  Rk ); RОС – сопротивление сериесной (компенсационной) обмотки
ОС; L – суммарная индуктивность внешней цепи.
Обычно Rя  RОС  Rн , а суммарной индуктивностью L , состоящей из малых индуктивностей витков якоря генератора ЭМУ, связанных с вертикальными щетками, и сериесной обмотки, также витками якоря исполнительного электродвигателя можно пренебречь. Тогда
уравнение (6.7) можно упростить:
(6.8)
ea  iя Rн  uдв ,
где u дв – выходное напряжение, снимаемое с генератора электромашинного усилителя и подаваемое на якорь исполнительного электродвигателя.
Отметим еще раз, что ток i я вызывает магнитный поток Ф я ,
направленный в том же направлении, как магнитный поток Ф у , и искажающий линейность характеристики генератора ЭМУ. Для обеспечения линейности характеристики генератора ЭМУ используется сериесная обмотка ОС, создающая магнитный поток ФОС . Магнитные потоки Ф я и ФОС создаются одним и тем же током i я . Параметры сериесной обмотки и ее включение в цепь подбираются таким образом, чтобы выполнялось условие Фя  ФОС . Уравнение (6.2) как раз и записано с условием, что Фя  ФОС . Иначе говоря, работа генератора электромашинного усилителя происходит в режиме полной магнитной
компенсации.
Определим передаточную функцию второй ступени усиления
ЭМУ. Входной и выходной величинами второй ступени усиления ЭМУ
являются ek и u дв , соответственно.
Используя равенство (6.8), из уравнения (6.6) определим выраже-
Фk , которое затем подставим в уравнение (6.5). Далее, из
уравнения (6.5) определим выражение для тока ik , которое, в свою
ние для
очередь, подставим в уравнение (6.4):
ek 
Rk
Lk
du дв
u дв 
.
k e k фwk
k e k фwk dt
255
Вводя обозначения ka 2 
рой ступени ЭМУ и Ta 2 
ke kфwk
Rk
– коэффициент усиления вто-
Lk
– постоянная времени второй ступени
Rk
усиления ЭМУ, и применяя преобразование Лапласа к левой и правой
частям уравнения (6.10), получим
ka 2ek  p   uдв  p Ta 2 p  1 .
Выражение для передаточной функции второй ступени усиления
ЭМУ будет иметь вид
Wa 2  p  
uдв  p 
ka 2

.
ek  p  Ta 2 p  1
Передаточная функция ЭМУ определится выражением
Wa  p  
uдв  p 
ka
,
 Wa1  p Wa 2  p  
Ta1 p  1Ta 2 p  1
u y  p
где k a  k a1k a 2 – коэффициент усиления ЭМУ по напряжению.
Как видно, динамические свойства ЭМУ описываются колебательным звеном второго порядка
Wa  p  
где T  Ta1Ta 2
ka
,
Tp  2Tp  1
T  Ta 2
– период колебаний;   a1
– коэффициент зату2Ta1Ta 2
2
хания колебаний.
При значительных по величине коэффициентах затухания колебаний колебательное звено по своим свойствам приближается к свойствам апериодического звена. Действительно, так как обмотки ЭМУ
обладают активным сопротивлением, а их индуктивности относительно
невелики, затухание колебаний в ЭМУ носит апериодический характер,
и его динамические свойства могут быть аппроксимированы апериодическим звеном
Wa  p  
uдв  p 
ka
,

u y  p  Ta p  1
где Ta  Ta1  Ta 2 – постоянная времени ЭМУ.
256
Отметим, что ЭМУ, используемый в типовом ЭСлПр, имеет следующие характеристики: ka  1...2 ; Ta  0,03...0,1c .
Коэффициент усиления ka представляет собой коэффициент
усиления по напряжению, и используются при рассмотрении точностных характеристик следящего привода.
Обеспечение работы СлПр с точки зрения энергетики требует
также знания коэффициента усиления ЭМУ по мощности.
Коэффициент усиления ЭМУ по мощности k р равен отношению
мощности на его выходе Pвых к мощности на его входе Рвх , т.е.
k p  Pв ых Pв х . Общий коэффициент усиления электромашинного усилителя с поперечным полем по мощности может достигать 10000. И это
его большое достоинство.
Номинальная мощность генератора ЭМУ, применяемого в типовом электрическом следящем приводе, составляет 675 Вт.
6.5. Исполнительные двигатели
ИД через редуктор обеспечивает поворот ААО на подвижной
ААУ по одному каналу управления наводкой ААО. Он должен обеспечивать непрерывное отслеживание ААО за ВУ в условиях переменной
угловой скорости движения ВУ, которая в процессе атаки цели может
изменяться в широких пределах. При этом необходимо обеспечивать
заданную точность наводки ААО на цель, т.е. весь СлПр должен быть
быстродействующим. Таким образом, ИД работает преимущественно в
условиях переходного неустановившегося режима, который для него
является основным.
Кроме того, ИД должен обеспечивать достаточно быструю переброску ААО из одного положения в другое.
Другой особенностью работы ИД подвижной ААУ является непостоянство внешних усилий, преодолеваемые им. При этом во всех
случаях необходимо, чтобы скорость движения ААО мало зависела от
величины и направления внешних усилий. Для обеспечения этого требования ИД должен обладать достаточно жесткой механической характеристикой.
Упругая деформация силовых элементов СлПр (зубчатого сектора, шестерен редуктора, валов и др.), люфты и не абсолютно жесткая
257
механическая характеристика ИД увеличивают техническое рассеивание снарядов ААО на подвижных ААУ. При этом техническое рассеивание снарядов должно оставаться в допустимых пределах.
Отметим здесь, что в СУНО применяются высокооборотные ИД,
которые в совокупности с силовыми редукторами позволяют получать
устройства с минимальными совокупной массой и габаритами.
ИД вместе с силовым редуктором подвергаются воздействию
сильных вибраций, связанных со стрельбой из ААО. Однако и в таких
тяжелых условиях ИД должны обеспечивать надежное действие и сохранение основных характеристик, т.е. должны обладать достаточной
вибропрочностью и виброустойчивостью.
Как отмечалось (см. гл.5) в следящих приводах СУНО подвижных ААУ в качестве ИД используются: в электрических СлПр - электродвигатели постоянного тока, в электрогидравлических СлПр - гидродвигатели. Как элементы систем автоматического регулирования ИД
являются интеграторами, но не идеальными. Им в разной степени присущи инерционные свойства, которые оказывают влияние прежде всего
на динамические и точностные характеристики СлПр. При составлении
математических моделей СлПр необходимо знание передаточных
функций ИД, отражающие их динамические свойства.
Электрические исполнительные двигатели. В электрических
СлПр в качестве ИД применяются электродвигатели постоянного тока с
независимым возбуждением (рисунок 6.9). Такие двигатели имеют хорошие регулировочные свойства, относительно малые значения постоянных времени, несложную систему управления и просты конструкивно.
На рисунке 6.9 показана схема ИЭД постоянного тока со щеточным коллектором, через который управляющее напряжение
uдв
под-
водится к обмоткам якоря, Магнитный поток создается обмоткой возбуждения (ОВ), расположенной на полюсах статора.
ИЭД имеет в своей конструкции электромагнитную муфту торможения (ЭММТ). ЭММТ призвана блокировать вращение якоря ИЭД
через фрикционную муфту и тем самым удерживать ААО в заданном
положении. При включении СУНО под ток электромагнит ЭММТ
разъединяет диск фрикционной муфты с диском на якоре и тем самым
разблокирует вращение якоря ИЭД. При отключенном электропитании
для поворота ААО на земле ЭММТ имеет механический отключатель
фрикционной муфты.
258
+27В
ОВ
uäâ
Я
ЭММТ
Рисунок 6.9. Электродвигатель постоянного тока
Щеточный коллекторный узел обеспечивает нормальную работу
ИЭД до высот 6000…8000 м. На больших высотах он «искрит». Для
«высотных» ААУ применяются ЭИД с другими типами коммутирующих устройств, например, тиристорными. При этом конструкция ЭИД
усложняется, но принцип действия не изменяется.
Определим передаточную функцию ЭИД в совокупности с силовым редуктором. Для этого составим уравнение движения его якоря

n 2  d
n
 J я  J y  я  M я  M вн ,
  dt


(6.11)
где J я , J у – моменты инерции соответственно якоря ИЭД и подвижных частей ААУ; п ,  – передаточное число и к.п.д. силового редуктора; М я , М вн – момент, развиваемый ИЭД, и момент внешних сил,
действующих на ААУ.
Передаточное число редуктора определяется как отношение угловой скорости вращения ААО   к угловой скорости вращения якоря
ЭИД  я : п 

 я . В существующих ААУ он лежит в пределах
0,002  0,001 . Поэтому приведенный к валу якоря момент инерции подвижных частей ААУ составляет только 10 15% от момента инерции
якоря ЭИД. Пренебрегая величиной приведенного к якорю момента
инерции подвижных частей самой ААУ (
п2

J у ) и учитывая, что мо-
мент якоря ЭИД на участке разгона существенно больше приведенного
момента сил сопротивления, уравнение (6.11) перепишем в виде
259
Jя
d я
 Mя.
dt
(6.12)
Вращающий момент якоря ИЭД с независимым возбуждением
пропорционален току якоря i я :
М я  ki i я ,
где ki – коэффициент пропорциональности.
В переходном режиме работы ИЭД для определения тока якоря
можно воспользоваться уравнением напряжений на щетках якоря
uäâ  iÿ Rÿ  eÿ ,
в котором Rя – омическое сопротивление обмотки якоря, а eÿ – противо-э.д.с якоря ЭИД.
Формула (6.6) для eÿ будет иметь вид
åÿ  ke ÔÎ Â ,
где ÔÎ Â - магнитный поток обмотки возбуждения ЭИД.
Так как ÔÎ Â величина постоянная, то введем k  keÔÎ Â . Тогда
uäâ  iÿ Rÿ  k ,
k - коэффициент пропорциональности, связывающий величину eÿ со
скоростью вращения якоря.
Определяя из последнего уравнения ток якоря, найдем выражение для момента якоря ИЭД в виде
Мя 
ki
kk
uдв  i e  я .
Rя
Rя
Подставляя выражение для Ì
ÿ
в уравнение (6.12), получим
d я ki ke
k

 я  i uдв .
dt
Rя
Rя
Переходя от переменной  я к переменной   , получим
Jя
J я d ki ke
k

  i uдв .
n dt
nRя
Rя
260
Учитывая, что угловая скорость ААО   есть производная по
времени от угла поворота оружия  , получим
J я d 2  ki ke d ki


uдв .
п dt 2 nRя dt Rя
Разделив последнее уравнение почленно на коэффициент при
d
, перепишем его в форме
dt
J я Rя d 2  d n

 uдв .
ki ke dt 2
dt ke
J R
Выражение я я определяется как постоянная времени ЭИД (с
ki ke
присоединенными подвижными частями ААУ) и обозначается через
Т дв . Отношение
п
определяется как коэффициент усиления ИЭД kдв .
ke
Используя введенные обозначения, найдем передаточную функцию ЭИД как отношение изображений Лапласа выходного входного
сигналов
Wдв ( p ) 
ЭИД
в
kдв  0,25...0,5
типовом
 ( p)
uдв ( p)
ЭСлПр

kдв
.
(Tдв p  1) p
имеют
коэффициент
усиления
град
и постоянную времени Tдв  0,04...0,1 с .
св
Физически коэффициент усиления ЭИД показывает прирост скорости вращения ААО на вольт напряжения.
ЭИД постоянного тока подключается непосредственно к якорю
генератора ЭМУ (рисунок 6.10). Систему «ЭМУ–ИЭД–силовой редуктор» часто называемую электрическим силовым приводом, в котором
показывают только основные элементы.
261
Двигатель
ЭМУ
uдв
Г
ОУ1
ОУ2
uy
Я
Ред
ААУ
ОВ
27В
Рисунок 6.10. Система ЭМУ-ИЭД
Генератор ЭМУ получает механическую энергию от электродвигателя ЭМУ. Короткозамкнутые витки якоря генератора ЭМУ, как правило, не показывают. Якорь ИЭД через силовой редуктор приводит во
вращение ААО на ААУ.
Гидравлические исполнительные двигатели. В качестве гидравлических ИД могут использоваться гидравлические силовые
устройства (ГСУ) и гидродвигатели (ГД).
Выходное звено ГСУ (шток) имеет ограниченный ход. В качестве
ГСУ используются гидроцилиндры и гидросекторы. Они обладают
простотой конструкции, большой мощностью, не требующей применения при их использовании на ААУ силовых редукторов.
Основной их недостаток - относительно больших объем жидкости в приводе, влияющий на его быстродействие и жесткость.
Управление работой ГСУ осуществляется путем дросселирования жидкости.
Выходное звено ГД (вал) имеет принципиально бесконечный
угол поворота. Конструктивно ГД могут выполняться в виде плоских
или объемных конструкций.
Опыт применения ГД в следящих приводах ААУ выявил преимущества гидродвигателей объемной конструкции с наклонным диском и с наклонным блоком цилиндров. Поэтому в последних разработках ГСлПр ААУ применялись ГД и гидронасосы (ГН) только объемного регулирования.
Гидравлические машины, как и электрические, обратимы. Поэтому конструкция ГН объемного регулирования аналогична ГД объемного регулирования и наоборот.
262
В ААУ используются реверсивные ГН переменной производительности. По этой причине ГН объемного регулирования от аналогичных ГД отличаются наличием наклонного диска или наклонного блока
цилиндров, положение которых меняются и тем самым обеспечивается
переменная производительность ГН в двух противоположных направлениях.
В ГД и наклонный диск, и наклонный блок имеют постоянный
угол наклона порядка 300 .
ГН и ГД в каждом канале управления наводкой ААО объединены
в одну замкнутую систему (рисунок 6.11) «ГН – ГД», часто называемую гидравлическим силовым приводом.
Гидронасосы обоих каналов двухканальных имеют, как правило,
общий автономный привод. Основное требование к приводу – обеспечить постоянную скорость вращения гидронасосов для обеспечения
стабильных характеристик ГСлПр.
На ААУ в качестве привода гидронасосов применяются электродвигатели. Для повышения надежности работы ГСлПр привод ГН может состоять из двух электродвигателей, работающих параллельно.
При выходе из строя одного из электродвигателей работа ГСлПр продолжается, но с худшими динамическими характеристиками.

ГН
Привод
ГН
ГД
Редуктор
ААУ
Рисунок 6.11. Система гидронасос - гидродвигатель
Реверсивный ГН переменной производительности трубопроводами соединен с ГД. Герметичная внутренняя полость ГН, ГД и трубопроводов заполнена жидкостью. Скорость вращения ГД определяется
секундной производительностью жидкости Q ГН, которая, в свою очередь, зависит от величины угла наклона блока его цилиндров  . ГД через редуктор поворачивает ААО на ААУ.
263
Основные элементы ГН объемной конструкции (рисунок 6.12):
блок цилиндров 1; поршни 2; шайба 3; шатуны 4; распределительная
пята 5.

2
3
1
h
5
4
Рисунок 6.12. Гидронасос с наклонным блоком
Шайба получает вращение от двигателя ГН и через шатуны и цилиндры передает его блоку цилиндров. Распределительная пята ГН относительно оси блока цилиндров неподвижна и при вращении блока
цилиндров обеспечивает попеременное подключение цилиндров к трубопроводам всасывания и нагнетания жидкости. При нулевом наклоне
блока цилиндров поршни не перемещаются относительно цилиндров и
производительность ГН равна нулю. При наклоне блока цилиндров
поршни начинают перемещаться относительно цилиндров и перекачивают жидкость.
Так как скорость перемещения поршней относительно цилиндров
неравномерна, появляются пульсации потока жидкости. Для обеспечения меньшей пульсации потока жидкости выбирают нечетное число
цилиндров. Технология изготовления цилиндров и поршней к ним трудоемка. Поэтому выбирают минимально приемлемое с точки зрения
допустимых пульсаций потока жидкости нечетное число цилиндров
(обычно 7 или 9).
Основными характеристиками ГН являются удельная (за один
оборот) Q уд и секундная Q производительности.
264
Для рассматриваемой конструкции ГН с количеством цилиндров
z радиуса r и ходом h удельная производительность определится выражением
Qуд  r 2 zh .
Рабочий ход поршня h  2R sin  , где  – угол наклона блока
цилиндров ГН. Поскольку в существующих конструкциях ГН
 max  200 , то, принимая sin    , получим
Qуд  2r 2 Rz  .
Секундная производительность ГН при скорости вращения блока
цилиндров
 определится выражением
Q  Qуд  2r 2 Rz  kн
где
,
k н  2r 2 Rz  – коэффициент усиления ГН.
При получении данных зависимостей предполагалось, что жидкость несжимаема, а утечки в ГН отсутствуют. Входной величиной ГН
является угол наклона блока цилиндров  , выходной – секундная производительность Q , а его передаточная функция есть идеальное усилительное звено
WГН ( p) 
Q( p )
 kн .
 ( p)
Отличие конструкции ГД с наклонным блоком от ГН с наклонным блоком состоит только в том, что ГД имеет постоянный наклон
блока цилиндров (около 300).
При принятых допущениях (нет утечек жидкости и она несжимаема) ГД является идеальным интегратором. Его входной величиной является секундный расход жидкости Q , а выходной – угол поворота
ААО  . Передаточная функция ГД
WГД  p  
  p
Q p 

k гд
,
p
 1 
где k гд  3  – коэффициент усиления ГД, представляющий собой отм 
ношение угловой скорости вращения ААО к соответствующему секундному расходу жидкости через ГД.
265
Сравнительная оценка электрического и гидравлического следящих приводов. Основное достоинство ГСлПр состоит в том, что ГД
обладают большей (примерно в 2-3 раза) удельной мощностью, чем
ЭИД. Это создает более благоприятные условия при компоновке ААУ
и позволяет создавать силовую конструкцию ААУ меньших габаритов
и массы. По другим основным характеристикам рассматриваемые следящие приводы имеют близкие характеристики.
В то же время ГСлПр имеет более сложную структуру и более
сложную конструкцию. Для обеспечения заданной жесткости следящего привода ГН должен располагаться вблизи ГД. Требуется применение
специальных способов обеспечения его динамических и эксплуатационных характеристик (введение дополнительных ООС, дополнительных ГН подкачки жидкости для обеспечения хорошей наполняемости
ГН, фильтров для очистки рабочей жидкости, заправочных горловин,
игольчатых клапанов для стравливания газов, сложных гидравлических
переключателей, гибких шлангов, подогрева рабочей жидкости и т.д.) и
значительно худшими эксплуатационными характеристиками. Любая
замена гидроагрегата ГСлПр, как правило, связана со сливом рабочей
жидкости, повторной заправкой рабочей жидкости по определенной
методике, а после заправки системы рабочей жидкости обеспечения
выпуска из нее газов, требующего также определенной методики и
времени. Основные устройства ГСлПр из-за высокой точности и чистоты обработки имеют более высокую стоимость по сравнению с основными устройствами ЭСлПр.
ЭСлПр более просты по конструкции, просты и в эксплуатации.
По этим причинам в настоящее время наибольшее применение в ААУ
находят ЭСлПр с ИЭД постоянного тока.
Следует, однако, отметить еще раз, что ЭИД постоянного тока с
коллекторными щеточными узлами имеют ограничение по высоте боевого применения. При работе в разряженной атмосфере (на высотах более 8 км) происходит поверхностный разряд коллекторных щеточных
узлов электродвигателей постоянного тока. Однако на специализированных ААУ, предназначенных для действия на больших высотах
(например, для поражения воздушных шаров) в ИЭД вместо коллекторного щеточного узла использоваться другие типы коммутаторов тока, например, тиристорные.
6.6. Определение потребной мощности
266
исполнительного электродвигателя
Номинальная мощность ЭИД определяется из допустимого его
нагрева при типовом режиме работы с учетом того, что ЭИД допускает
кратковременные перегрузки.
Преобразование электрической энергии в механическую работу в
ЭИД сопровождается потерями, в результате которых и происходит его
нагрев конструкции ЭИД.
В общем случае температура тела


массой
m относительно
температуры окружающей среды 0 , в которой производится нагрев
данного тела, определяется по количеству тепла в этом теле
Q  cm   0  ,
где
c
- удельная теплоемкость тела, êàë
ã ãðàä
.
В каждый момент времени t количество тепла в теле зависит от
разности подводимого Qï î äâ и отводимого Qî ò â тепла. Естественно,
когда Qï î äâ  Qî ò â происходит повышение температуры тела по определенному закону. Когда Qï î äâ  Qî ò â устанавливается некоторая постоянная температура.
Так как конструкция ЭИД имеет сложную геометрию, конструктивные материалы ЭИД имеют разные физические свойства и имеется
несколько неоднородных источников тепла, то тепловые процессы в
ЭИД весьма сложны.
Основными источниками тепла являются электрические обмотки
ЭИД, его трущиеся детали (в том числе и о воздух – вентиляционные
потери) и магнитопроводы.
По физическим принципам разделяют потери в меди, механические потери и потери в стали. По степени изменения потери делятся на
постоянные и переменные. Общие потери в ЭИД оценивают коэффициентом полезного действия.
Механические потери обусловлены трением в подшипниках, трением щеток о коллектор и трением вращающихся частей ЭИД о воздух
(вентиляционные потери). Потери в стали обусловлены гистерезисом
магнитопроводов и вихревыми токами в стали якоря ЭИД при его вращении в магнитном поле. Потери в меди обусловлены тепловыми поте-
267
рями в различных обмотках ЭИД из-за наличия активного сопротивления в них.
Механические потери, потери в стали и потери в обмотках возбуждения ЭИД мало зависят от тока нагрузки якоря. По этой причине
их называют постоянными потерями. Потери в обмотках якоря ЭИД
непосредственно зависят от нагрузки на ЭИД и называются переменными.
Для нормальной работы ЭИД температура его конструктивных
элементов, соприкасающихся в первую очередь с изоляционными материалами, не должна превышать некоторого допустимого значения.
Для изоляционных материалов обмоток электрических машин,
применяемых в авиации, максимальная рабочая температура составляет
+160…1800С. Для коллекторов и контактных колец при пайке подводящих проводов мягкими припоями температура не должна превышать
+1750С.
Тепловые процессы в ЭИД весьма сложны. Отметим только, что
при работе ЭИД под нагрузкой основным источником тепла являются
переменные потери, а при работе ЭИД на холостом ходу – постоянные.
Поэтому приток тепла Q в ЭИД может быть постоянным или переменным.
По времени работы ЭИД под нагрузкой различают три основных
режима их работы: продолжительный, кратковременный и повторнократковременный.
 max


Т
0
0
0
t
Рисунок 6.13. Изменение температуры двигателя при продолжительном режиме работы
0
Ò
t
Рисунок 6.14. Изменение температуры двигателя при кратковременном режиме работы
Нагрузка при продолжительном режиме работы ЭИД в данных
климатических условиях, определяемых начальной температурой  0 ,
268
подбирается таким образом, что его температура  достигает некоторого максимально допустимого значения  max (рисунок 6.13), при котором наступает равновесное состояние между притоком тепла в ЭИД
и теплопередачей тепла в окружающую среду.
При кратковременном режиме работы ЭИД под некоторой постоянной нагрузкой в течении времени Т его температура достигает значения  T   max (рисунок 6.14), после чего начинается охлаждение ЭИД
до исходной температуры.
При повторно-кратковременном режиме кратковременные рабочие режимы чередуются с периодами, когда ЭИД не работает и охлаждается. При этом в период охлаждения температура ЭИД может и не
достигать исходного значения.
Способность ЭИД работать при больших перегрузках характеризуется коэффициентом перегрузки по моменту, который определяется
как отношение максимального момента M max к номинальному моменту M ном на валу ЭИД

M max
.
M ном
Для ЭИД ААУ   3...4 , хотя они способны переносить и большие кратковременные перегрузки.
Уже отмечалось, что ЭИД приходится работать в условиях, когда
внешние нагрузки и скорости движения ААО изменяются в широких
пределах. Следовательно, и приток тепла Q в ЭИД в каждый момент
времени также будет изменяться. Он состоит из тепла от постоянных
Qc и переменных Qv потерь: Q  Qc  Qv .
Заменим переменный приток тепла, подводимого за некоторое
время t ц к ЭИД, эквивалентным постоянным притоком тепла Qэ за то
же время и состоящим также из двух составляющих: Qэ  Qcэ  Qvэ ,
где Qcэ и Qvэ – эквивалентные притоки тепла, вызываемые соответственно постоянными и переменными потерями.
Учитывая принятое допущение о том, что постоянные потери не
зависят от режима работы ЭИД, можно принять Qc  Qcэ . Тогда эквивалентный приток тепла от переменных потерь можно определить как
269
tц
1
Qvэ   Qv d t .
tц 0
(6.13)
Для ЭИД постоянного тока с независимым возбуждением текущее значение тепловых потерь в обмотке якоря, как известно, определяется по формуле Qv  i я2 R я , где i я – ток в якоре, Rя – сопротивление
обмотки якоря.
Аналогично Qvэ  I э2 R я , где I э – ток в обмотке якоря при эквивалентной нагрузке электродвигателя.
Вращающий момент ЭИД с независимым возбуждением пропорционален току якоря М я  ki i я , где ki – коэффициент пропорциональности.
Аналогично эквивалентный вращающий момент якоря будет равен М э  ki I э .
Если связать тепловые потери с моментами на валу якоря ЭИД,
Rя 2
R
М я , Qvэ  2я М э2 .
2
ki
ki
Подставив выражения для Qv и Qvэ в (6.13), получим
будем иметь Qv 
tц
1
М   М я2 d t .
tц 0
2
э
(6.14)
Формула (6.14) является исходной для расчета мощности ЭИД.
ЭИД нагружается моментами от аэродинамических сил, инерционных сил и сил отдачи ААО при стрельбе. Однако время действия
инерционных сил и сил отдачи очень мало и моменты от этих сил практически не оказывают влияние на нагрев ЭИД. Поэтому при определении потребной мощности ЭИД учитываются лишь моменты от аэродинамических сил. Но в то же время при определении потребной мощности ЭИД силы, действующие кратковременно, используются для проверки ЭИД на перегрузку.
Исходной информацией для определения потребной мощности
ЭИД является его нагрузочная диаграмма – кривая зависимости нагрузочного момента на валу ЭИД от времени.
Для следящего привода ААУ, в силу особенностей боевого применения, не существует вполне определенной или типовой нагрузочной
диаграммы. Однако некоторые достаточно тяжелые режимы известны,
270
например, режим переброса ААО из одного положения в другое или
режим слежения ААО за ВУ при максимальной скорости его перемещения.
Поэтому для определения потребной мощности ЭИД задаются
некоторые расчетные режимы движения ААО. При этом исходят из того, чтобы расчетный режим был одним из возможно тяжелых для ЭИД
режимов. В то же время нет необходимости отыскивать наиболее тяжелый режим, так как ЭИД допускает кратковременные перегрузки.
В качестве расчетного режима для горизонтального привода турели принимается режим непрерывного вращения ААО с постоянной
скоростью при нулевом угле возвышения ААО по горизонту. Для вертикального привода турели, а также для обоих приводов ограниченно
подвижных ААУ расчетным режимом считается режим, при котором
ААО непрерывно движется от одного крайнего положения до другого.
Дополнительной нагрузкой, связанной с изменением направления движения ААО, можно пренебречь. Аэродинамические моменты определяются при скоростном напоре, равном 0,8 от максимального скоростного напора для данного ЛА.
Найдем значение эквивалентного момента на валу ЭИД горизонтального привода турели, вращающего ААО со скоростью   в одну
сторону. При этом аэродинамический момент на одной половине круга
способствует повороту ААО, а на другой половине круга препятствует
повороту ААО. ЭИД, обеспечивая постоянную скорость вращения
ААО, в обоих случаях будет находиться под нагрузкой. Однако значения нагрузок, которые будет преодолевать ЭИД, будут различными.
Когда аэродинамический момент способствует вращению ААО, к
ЭИД будет приложен момент М 1  М а n ; когда аэродинамический
момент препятствует вращению ААО, к ЭИД будет приложен момент
М2  Ма
n

, где М а – аэродинамический момент, n – передаточное
число силового редуктора, который уменьшает значение момента на
валу двигателя,  – к.п.д. силового редуктора, который в первом случае уменьшает, а во втором случае увеличивает момент на валу двигателя за счет потерь в редукторе.
Выражение для определения эквивалентного момента для рассматриваемого случая в соответствии с формулой (6.14) примет вид
271
 t2ц

tц


1
М э2    М 12 d t   М 22 d t  .
tц  0
tw

2


Переходя от переменной интегрирования t к переменной интегрирования    t – бортовой угол ААО и подставляя выражения
для моментов М 1 , М 2 , получим
Ì
2
ý

n2  2

 Ì
2  0
2
a
d 
2

2
M
d

.
a
 2 

1
Кривая изменения аэродинамического момента в функции q обладает симметрией относительно точки q   и поэтому будет справедливо равенство

Ì
2
à
0
d 
2
M

2
a
d .
С учетом последнего равенства будем иметь
Ì
2
ý

ï2
2
 2 1 
  2 
 


Ì
d .
2
à
0
Закон изменения аэродинамического момента с достаточной точностью можно аппроксимировать зависимостью Ì à  Ì à max sin  , где
M a max – максимальная величина аэродинамического момента.
После интегрирования получим выражение для определения эквивалентного момента, действующего на валу ЭИД горизонтального
привода турели
М э  0,5М а max n  2 
1
2
.
Данное выражение справедливо и для определения эквивалентного момента на валу ЭИД вертикального канала турели, если угол возвышения ААО составляет 900.
Если углы поворота ААУ по горизонту или по вертикали меньше
или примерно равны 600, то аэродинамический момент можно считать
изменяющимся по линейному закону. При таком допущении, пользуясь
рассмотренной методикой, значение эквивалентного момента на валу
исполнительного двигателя будет определяться выражением
272
М э2 
п М а2max  max  M a2min  min
6
 max   min
 2 1 
  2  ,
 

где  max – максимальный угол поворота ААО вверх или вправо,  min –
максимальный угол поворота ААО вниз или влево, М а max , M a min –
значения аэродинамических моментов при соответствующих углах поворота ААО.
В частности, при  max   min или при  min  0 выражение для
эквивалентный момента упрощается
М э  0,4 М а max n  2 
1
2
.
После определения эквивалентного момента мощность ЭИД N
из условия его нагрева при выбранной скорости вращения якоря
 я определяется по формуле
N  M э я .
Для проверки ЭИД на перегрузку необходимо определить максимальный момент M max , действующий на валу якоря. Он будет складываться из максимального аэродинамического момента М а max , момента
от средней по времени силы отдачи ААО М Пср и момента от инерционных нагрузок М ин :
М max 
n

M
a max
 M Пср  М ин  .
Номинальная мощность, развиваемая ЭИД, принимается равной
мощности, развиваемой ЭИД при эквивалентном моменте на его валу:
М ном  М э .
Тогда, если условие   3...4 , где  
М max
не выполняется, то
M ном
необходимо увеличить мощность ЭИД таким образом, чтобы данное
условие было выполнено.
6.7. Способы наводки оптических визирных
устройств на цель оператором
273
Наводка оружия на цель очень часто осуществляется человекомоператором. При этом в общем случае рукоятку управления (РУ), визирное устройство (ВУ) прицельной системы и исполнительный двигатель (ИД) могут быть связаны тремя способами (рисунок 6.15).
В
У
ИД
РУ
В
У
ИД
ИД
РУ
РУ
I
В
У
II
III
Рисунок 6.15. Схемы управления наводкой оружия
Схема I соответствует случаю, когда визирное устройство
управляется от рукоятки управления, а управление установкой (ИД)
осуществляется от визирного устройства через следящий привод. По
схеме II от рукоятки управления осуществляется управление установкой (дистанционно с использованием следящего привода), а поворот
визирного устройства осуществляется по командам от установки (также дистанционно с использованием второго следящего привода небольшой мощности). По схеме III визирное устройство и установка
(через следящий привод) управляются от рукоятки управления одновременно.
Анализ приведенных схем управления наводкой оружия по критериям простоты конструкции, точности наводки оружия на цель и
возможности управления от одной рукоятки управления несколькими
установками одновременно показывает преимущества применения I -й
схемы.
В рассматриваемых схемах наводка оружия осуществляется оператором, который наблюдает за целью визуально или с помощью технических средств. Ошибка наводки в этом случае характеризует точность действия системы «оператор – система управления наводкой визирного устройства на цель». Исследования показали, что ошибки, допускаемые оператором при слежении за целью, зависят как от эргономических характеристик рукоятки управления, так и от способа связи
рукоятки управления с визирным устройством.
274
Установлено, что оператор, осуществляя наводку визирного
устройства двумя руками, совершает наименьшие ошибки, если размеры плеч рукоятки управления лежат в пределах 0,1...0,2 м . Линейное
перемещение концов рукоятки будем обозначать через s .
Связь между рукояткой управления с визирным устройством может быть различной. В соответствии с типом этой связи различают систему управления наводкой визирного устройства на цель по положению, систему управления наводкой визирного устройства на цель по
скорости, и комбинированную систему управления наводкой визирного устройства на цель.
Система управления наводкой визирного устройства на цель по
положению характеризуется тем, что визирное устройство поворачивается на угол, пропорциональный углу поворота рукоятки управления.
В системе управления наводкой визирного устройства на цель по
скорости от величины и направления поворота рукоятки управления
зависят скорость и направление движения визирного устройства. Если
рукоятка управления находится в некотором среднем положении, то
визирное устройство неподвижно.
Комбинированная система управления наводкой визирного
устройства на цель представляет собой такое сочетание управления
наводкой визирного устройства на цель по положению и по скорости,
при котором поворотом рукоятки управления одновременно изменяется
угловое положение визирного устройства и задается определенная скорость его перемещения.
При сравнительной оценке различных систем управления наводкой визирного устройства на цель наиболее важным критерием является точность слежения за подвижной целью, которую способна обеспечить система. Однако следует учитывать также простоту конструкции
системы и другие свойства.
В качестве характеристики точности слежения за целью обычно
принимается среднее квадратичное отклонение ошибки слежения за
подвижной целью, или, как ее называют, ошибка наводки. Ошибки
наводки, допускаемые оператором при слежении за подвижной целью,
зависят как от типа системы наводки визирного устройства на цель, так
и от ее параметров.
В системе управления наводкой визирного устройства на цель
по положению между рукояткой управления и визирным устройством
275
включено усилительное звено с коэффициентом усиления k p . Таким
образом, угол поворота визирного устройства равен
  kps .
Коэффициент усиления системы управления наводкой визирного
устройства на цель по положению является единственным параметром,
характеризующим свойства этой системы с точки зрения точности слежения за целью. Минимальные ошибки наводки визирного устройства
на цель обеспечиваются при оптимальном коэффициенте усиления
k p opt  4...6 мрад мм  0,3 град мм .
Если перейти от линейного перемещения рукоятки управления к
угловому перемещению, то оптимальные значения передаточного числа i p opt , представляющее собой отношение угла поворота визирного
 
устройства  к углу поворота рукоятки управления  s , будет лежать в
 
пределах i p
opt
 0,8...0,6. Если закрепить ручку управления непо-
движно на визирном устройстве, т.е. реализовать передаточное число
i p  1 (получить более простую по конструкции систему), то это будет
приводить к ухудшению точности наводки визирного устройства на
цель. Однако в большинстве случаев идут на некоторое ухудшение
точности наводки визирного устройства на цель для достижения более
простой, а значит и более надежной системы. Это оправдывается еще и
тем, что сам редуктор вносит ошибку в точность наводки визирного
устройства на цель.
В системе управления наводкой визирного устройства на цель
по скорости между рукояткой управления и визирным устройством
имеется привод визирного устройства (ПВУ). Связь между линейным
перемещением рукоятки управления s и скоростью поворота визирного устройства в определяется регулировочной характеристикой. При
линейной регулировочной характеристике угловая скорость перемещения визирного устройства будет пропорциональна линейному смещению рукоятки управления от нейтрального положения
в  kv s .
где kv -коэффициент усиления ПВУ.
276
Учитывая, что в 
d
и переходя к операторной форме, полуdt
чим передаточную функцию системы управления наводкой визирного
устройства на цель по скорости
Wv  p  
  p
s p 

kv
.
p
Следовательно, в системе управления наводкой визирного
устройства на цель по скорости между рукояткой управления и визирным устройством включено интегрирующее звено с коэффициентом
усиления kv , определяющим скорость перемещения визирного устройства от величины линейного перемещения рукоятки управления. Коэффициент усиления kv является единственной характеристикой рассматриваемой системы, определяющей точность слежения за целью.
Исследованиями установлено, что оптимальное значение коэффициента усиления kv opt  2...3 мрад
(при указанных выше
 0,14 град
с  мм
с  мм
размерах рукоятки управления).
Однако при оптимальной величине kv для достижения максимальной скорости вращения оружия от оператора потребуется перемещение рук на большое расстояние. Это создает неудобства в работе
оператора и увеличивает время, затрачиваемое на переброс оружия из
одного положения в другое. Такой
недостаток устраняется применеâ
нием регулировочной характеристики ПВУ, имеющей излом (рисуs
нок 6.16). При небольших отклоне0
ниях рукоятки управления ПВУ
работает с оптимальным коэффициентом усиления (участок регулиРисунок 6.16. Регулировочная харовочной характеристики с нерактеристика
большой крутизной), обеспечивая
максимально точное слежение за
целью. При большом отклонении рукоятки управления ПВУ работает с
большим коэффициентом усиления (участок регулировочной характеристики с большой крутизной), обеспечивая быстрый поворот визирного устройства, и, следовательно, быстрый переброс оружия.
277
Сопоставляя системы управления наводкой визирного устройства
на цель по положению и по скорости, можно сделать следующие выводы. При оптимальных значениях своих параметров обе системы обеспечивают приблизительно одинаковую точность слежения за целью.
Система управления наводкой визирного устройства на цель по
скорости облегчает работу оператора – ему не надо выполнять функции
интегрирующего звена.
Однако хорошо обученный оператор и с помощью системы
управления наводкой визирного устройства на цель по положению
обеспечивает слежение за подвижной целью с такой же точностью, как
и с использованием системы управления наводкой визирного устройства на цель по скорости.
Из-за наличия ПВУ система управления наводкой визирного
устройства на цель по скорости является конструктивно более сложной.
По этим причинам, когда речь идет о применении одной из этих
двух систем, предпочтение отдают системе управления наводкой визирного устройства на цель по положению.
Комбинированная система управления наводкой визирного
устройства на цель представляет сочетание системы управления
наводкой визирного устройства на цель по положению и системы
управления наводкой визирного устройства на цель по скорости. В такой комбинированной системе одним поворотом рукоятки управления
визирному устройству задается определенное новое положение и определенная скорость его движения.
Структура комбинированной системы управления наводкой визирного устройства на цель представлена на рисунке 6.17. Рукоятка
управления связана с визирным устройством двумя параллельными цепями.
Верхняя цепь служит для управления наводкой визирного
устройства на цель по положению, содержит усилительное звено с коэффициентом усиления k p и через суммирующее устройство обеспечивает поворот визирного устройства на угол  р  k p s.
Нижняя цепь служит для управления наводкой визирного устройства на цель по скорости, содержит интегрирующее звено с коэффици19. Изд. №9872
ентом усиления kv и через суммирующее устройство обеспечивает по-
278
ворот визирного устройства со скоростью в 
d
 kv s , а поворот
dt
визирного устройства, определяемый действием только нижней цепи
управления  v ,определится как  v 
kv
s.
p
kp
s
ВУ
РУ

kv
p
Рисунок 6.17. Комбинированная система управления
наводкой визирного устройства на цель
Одновременное действие обеих цепей обеспечивает поворот визирного устройства на угол    p   v . Передаточная функция комбинированной системы управления наводкой визирного устройства на
цель имеет вид
W  p 
  p
s  p
 kp 
kv
.
p
В частных случаях, при равенстве нулю одного из коэффициентов, комбинированная система управления визирного устройства на
цель превращается либо в систему управления наводкой визирного
устройства на цель по положению (при k v  0 ), либо в систему управления наводкой визирного устройства на цель по скорости (при
k p  0 ).
Комбинированная система управления наводкой визирного
устройства на цель характеризуется двумя параметрами: k p и kv .
Экспериментальным путем установлено, что наиболее точное
слежение за целью с использованием комбинированной систему управления наводкой визирного устройства на цель достигается при ее оптиk p opt  3...5 мрад мм
мальных
параметрах,
равных
и
 
279
kv opt  4...6 мрад
с  мм . При переводе в градусную меру числовые
значения этих коэффициентов будут соответственно приблизительно
равны  0,23 и  0,29 .
Комбинированная система управления наводкой визирного
устройства на цель при оптимальных параметрах ее коэффициентов
усиления дает выигрыш в точности слежения за целью в 2…3 раза по
сравнению с системами управления наводкой визирного устройства на
цель по положению и по скорости.
Повышение точности объясняется тем, что при работе с комбинированной системой управления наводкой визирного устройства на
цель оператор, обнаружив ошибку в положении визирного устройства
относительно цели, одним движением рукоятки управления вносит изменение и в положение визирного устройства и в скорость движения
визирного устройства (уточняет синхронность движения ВУ с целью).
В промежутках между внесением поправок оператор удерживает рукоятку управления неподвижно, т.е. он освобожден от необходимости
выполнять функцию интегрирующего звена. Эта работа осуществляется приводом визирного устройства, который поворачивает визирное
устройство со скоростью, близкой к угловой скорости линии цели. После того, как накопится заметная ошибка, оператор, вновь поворачивая
рукоятку управления, устраняет ошибку слежения визирного устройства за целью и приближает скорость поворота визирного устройства к
угловой скорости линии цели.
Отметим еще раз роль следящего привода СУНО. Следящий привод обеспечивает связь визирного устройства с оружием и через точность работы определяет эффективность боевого применения подвижных артиллерийских установок.
6.8. Цепи управления установкой
Движение оружия на подвижных артиллерийских установках
осуществляется только внутри зоны разрешенной стрельбы, размеры
которой определяются предназначением ЛА, эффективностью боевого
применения артиллерийского оружия и вопросами безопасности.
Зоны разрешенные стрельбы имеют сложную форму для верхних
и нижних фюзеляжных установок. Это обусловлено стремлением расширить зону разрешенной стрельбы с одновременным обеспечением
безопасности собственного ЛА.
19*
280
Формирование границ зоны разрешенной стрельбы сложной
конфигурации осуществляются механизмами контурного обвода. Прямоугольные разрешенные зоны обстрела формируются с использованием концевых выключателей.
Цепи управления установкой обеспечивают работу СУНО и
предполагают выполнение следующих функций: подключение установок к источникам питания; управление переключением сельсинных
связей; управление оружием на границе зоны обстрела и перевод оружия в походное положение.
В соответствии с выполняемыми функциями выделяют цепи питания установок электроэнергией, цепи сельсинных связей, цепи
управления оружием на границе зоны обстрела (включают в свой состав цепи статического торможения, цепи электродинамического торможения исполнительного двигателя, цепи коммутации управляющих
обмоток ЭМУ и цепи прижима), а так же цепи походного положения.
Перечисленные цепи входят в состав СУНО с любыми типами
следящих приводов и работают в тесном взаимодействии друг с другом. Выделение перечисленных цепей определяется, прежде всего, их
функциональным предназначением Тип привода вносит свои особенности в конструкцию некоторых из перечисленных цепей.
Ниже будут рассмотрены перечисленные цепи применительно к
СУНО с электрическими следящими приводами.
Цепи питания установок электроэнергией. Работа СУНО
обеспечивается бортовыми источниками напряжения постоянного и
переменного тока. При этом многие устройства СУНО являются мощными потребителями электроэнергии. Для обеспечения нормального
функционирования других устройств летательного аппарата включение
нескольких подвижных артиллерийских установок под ток должно
происходить по определенной программе, обеспечивающей плавное
нарастание нагрузки на источники электроэнергии ЛА.
Цепи сельсинных связей. Использование сельсинов в СУНО
обеспечивает также и большую гибкость управления артиллерийским
вооружением ЛА. Так, путем переключения цепей сельсинов передается управление установкой от одного визирного устройства к другому,
обеспечивается одновременное управление несколькими установками
от одного визирного устройства и обеспечиваются различные режимы
работы СУНО (например, слежение оружия одной или нескольких
установок за данным визирным устройством, задание оружию определенных положений относительно ЛА или движение оружия по опреде-
281
ленной программе). Это, как следствие, обеспечивает различные режимы применения авиационного артиллерийского оружия (сосредоточенная стрельба, разнесенная стрельба, обстрел нескольких целей в одной
атаке и т.д.).
Цепи управления оружием на границе зоны обстрела. Как правило, зоны обзора визирных устройств шире зон разрешенных стрельб.
Это обстоятельство требует решения таких задач, как смягчение ударов
подвижных частей установки о неподвижные при приходе оружия к
границе зоны разрешенной стрельбы и исключения повторных таких
ударов. Эти задачи решаются цепями статического торможения, цепями электродинамического торможения, цепями коммутации управляющих обмоток ЭМУ и цепями прижима.
Цепи статического торможения обеспечивают удержание оружия
на установке в заданном положении. Они блокируют движение якоря
исполнительного электродвигателя за счет отключения от источника
электропитания электромагнитной муфты торможения (ЭММТ), обмоток возбуждения, а также за счет отключения обмоток управления
ЭМУ от ФЧУ и от других источников электропитания при отключении
выключателя действия и последующего автоматического прихода оружия в походное положение.
Цепи электродинамического торможения смягчают удары движущихся частей установок о неподвижные. Как уже отмечалось, электрические машины обратимы: если к электрической машине подводится механическая энергия, она превращается в генератор; если к электрической машине подводится электроэнергия, она превращается в
двигатель.
Это свойство электрических машин используется для смягчения
ударов движущихся частей установки о неподвижные и при приходе
оружия в походное положение.
При подходе оружия к границе зоны разрешенной стрельбы исполнительный электродвигатель следящего привода на некоторое время переводится в режим сильно нагруженного (практически короткозамкнутого) генератора. Сильно нагруженный генератор требует большой механической энергии для его вращения. Механическая энергия в
данном случае запасена в движущихся частях установки, связанных с
электродвигателем, ставшим на некоторое время генератором. Учитывая, что на долю якоря электродвигателя приходится 85...90% момента инерции подвижных частей установки, происходит интенсивное
торможение подвижных частей артиллерийской установки.
282
Цепи коммутации управляющих обмоток ЭМУ обеспечивают
подключение (отключение) обмоток управления электромашинного
усилителя к фазочуствительному усилителю, к цепям прижима или к
цепям походного положения.
Цепи прижима исключают повторные удары движущихся частей
установки о неподвижные. Такие удары возможны на тех установках,
где оружие за счет набегающего потока воздуха может отбрасываться
внутрь зоны разрешенной стрельбы.
Такая ситуация возникает после того как оружие приведено к
границе зоны разрешенной стрельбы следящим приводом (визирное
устройство находится вне зоны разрешенной стрельбы) и выполнено
электродинамическое торможение, во время которого исполнительный
электродвигатель отключается от цепей управления следящего привода
для исключения перегрузок исполнительного электродвигателя.
Цепи походного положения обеспечивают автоматическую
установку оружия в определенное положение (походное положение),
при котором оружие и установка в целом оказывает минимальное влияние на аэродинамические характеристики ЛА и обеспечивает максимальную безопасность при взлете и посадке ЛА.
Рассмотрим устройство и функционирование перечисленных цепей применительно к одному из каналов управления.
Цепи сельсинных связей. Рассмотрим, как с помощью сельсинных связей обеспечивается заданное фиксированное положение оружия
на установке и программное движение оружия.
Для задания фиксированного положения оружия на установке в
состав СУНО дополнительно вводится еще один сельсин-датчик СДф в
грубый канал управления следящего привода (рисунок 6.18). Ротор
сельсина датчика СДф поворачивается относительно ротора сельсинадатчика СДг грубого канала управления на угол требуемого фиксированного положение оружия относительно ЛА. Если данный фиксированный угол отсчитывается от нулевого положения визирного устройства, визирное устройство предварительно должно быть установлено в
нулевое положение.
При переходе на режим фиксированного положения оружия относительно ЛА контакты реле К переключают управление от сельсинадатчика СДг к сельсину-датчику СДф . Следящий привод, получив информацию о значительном рассогласовании между положением визирного устройства и оружия, существующем в грубом канале управления,
приведет сначала к грубому, но однозначному положению оружия с его
283
заданным фиксированным положением, а после перехода следящего
привода на точный канал работы (СДт), обеспечит окончательную
установку оружия в фиксированное положение.
СД
u0
ф
СД
СПГ
uc Ã
Г
К
СДТ
СПТ
uc T
Рисунок 6.18. Цепи сельсинных связей, реализующие
фиксированное положение оружия
Учитывая, что передаточное число редуктора точных сельсинов
равно iТ  31 , фиксированный угол в таком случае будет кратен
3600
 11,60 .
31
Отметим, что в монтажных схемах в качестве третьего провода,
связывающего трехполюсные статоры сельсинов, используется общая
электрическая масса СУНО (см. рисунок 6.18).
Для задания программного движения оружия используются дифференциальные сельсины (рисунок 6.19; для простоты показан лишь
один из каналов сельсинной связи).
284
В вычислительном устройстве прицельной системы имеется дополнительные два дифференциальных сельсина программного движения оружия ДСпр . При переходе на программное движение оружия
происходит переключение каналов управления на дифференциальные
сельсины ДСпр . С этого момента блокируется перемещение визирного
устройства, запускается привод дифференциальных сельсинов ДСпр и
оружие начинает перемещаться по заданной программе.
Информация о
ЛА и цели
СД
Вычислитель
поправок стрельбы
СП
ДС
uc
u0
ДСпр
Информация о
ЛА и цели
Команды управления
К
Вычислитель и механизм
программного движения
оружия
Рисунок 6.19. Цепи сельсинов,
обеспечивающих программное движения оружия на
установке
Цепи статического торможения включают в свой состав реле
К16 и К17 (рисунок 6.20).
В исходном состоянии (включено электропитание СУНО, ЛА в
воздухе и его шасси убрано (ШУ), реле К2 находится под током, выключатель действия не нажат) реле К16 и К17 обесточены, их нормально разомкнутые контакты разомкнуты, электромагнитная муфта торможения ЭММТ, обмотка возбуждения исполнительного электродвигателя ОВ(ИЭД) и реле К4, К5 отключены от источника электропитания.
285
В обесточенном состоянии ЭММТ находится в действии – ее
фрикционная муфта блокирует вращение якоря исполнительного электродвигателя.
+27В
ВД
К16,
К17
К2
(ШУ)
К20
К4
К17
КВ-Л
КВ-Пр
К5
К10
ОВ
(ИЭД)
К20
0
К4
К5
К4
К16
К4
К5
К10
ЭММТ
К2
Ф
Ч
У
К8
.
.
Г
К8
ИЭД
К5
Рисунок 6.20. Цепи статического и электродинамического торможения
Отключение обмотки возбуждения ОВ (ИЭД) исключает вращение якоря исполнительного электродвигателя даже при наличии на
щетках его якоря какого-либо напряжения.
Реле К4. К5, в свою очередь, отключают обмотки управления
ОУ1, ОУ2 электромашинного усилителя мощности от ФЧУ, исключая
движение исполнительного электродвигателя по каналу наводки оружия на цель.
Отметим, если не отключать обмотки управления ЭМУ и обмотку возбуждения исполнительного электродвигателя, то при большом
угле рассогласования между положением ВУ и положением оружия
значительное напряжение, подаваемое на якорь исполнительного электродвигателя, может приводить к повороту якоря даже механически за-
286
блокированного фрикционной муфтой ЭММТ и к перегрузке электрических цепей якоря.
Таким образом, принятые меры механического и электрического
блокирования вращения якоря исполнительного двигателя обеспечивают надежное удержание оружия на ААУ в заданном (походном) положении.
Цепи электродинамического торможения включают в свой состав реле К8, К10 и К20 (рисунок 6.20) и обеспечивают электродинамическое торможение исполнительного двигателя при приходе оружия к
границе зоны разрешенной стрельбы и при приходе оружия в походное
положение.
В первом случае цепи электродинамического торможения функционируют следующим образом. После включения СУНО под ток следящий привод включается в действие нажатием включателя действия
ВД, который через реле К17 обеспечивает подключение обмотки возбуждения исполнительного двигателя (ОВ(ИЭД)) к сети питания и
включает под ток электромагнитную муфту торможения ЭММТ.
Если оружие находится внутри зоны разрешенной стрельбы, концевые выключатели формирования зоны разрешенной стрельбы КВ-Пр
и КВ-Л находятся в исходном положении (как показано на рисунке
6.20; для примера рассматривается цепи электродинамического торможения горизонтального привода, в котором задействованы концевые
выключатели соответственно крайних правого и левого положений
оружия на установке).
Через нормально замкнутые контакты концевых выключателей
срабатывают реле К4, К5 цепей коммутации управляющих обмоток
ЭМУ. Управляющие обмотки ОУ1 и ОУ2 оказываются подключенными к ФЧУ (начинается слежение оружия за ВУ) и срабатывает реле К10
с задержкой на отпускание, нормально разомкнутые контакты которого
подготавливают срабатывание реле К8.
При подходе оружия к границе (например, правой) зоны разрешенной стрельбы (до границы ЗРС остается 2…30) срабатывает КВ-Пр,
нормально замкнутые контакты которого отключают реле К4, а нормально разомкнутые контакты обеспечивают срабатывание реле К8.
Реле К4, во-первых, отключает обмотку управления ОУ1 электромашинного усилителя мощности, через которую протекал больший
ток управления, обеспечивающий движение оружия к правой границе
зоны разрешенной стрельбы, и, во-вторых, разрывает цепь срабатывания реле К10. Отметим, что вторая обмотка управления ОУ2 не от-
287
ключается, т.к. ток, протекающий через нее, обеспечивает дополнительное торможение движущихся частей установки.
Реле К8 отключает якорь исполнительного электродвигателя от
якоря генератора ЭМУ и переводит его в режим короткозамкнутого
электрогенератора: начинается интенсивное торможение подвижных
частей установки. Такое торможение продолжается до тех пор, пока реле К10 с задержкой на отпускание (  отп  0,04...0,08 с) не разомкнет
цепь срабатывания реле К8. Ограниченное время торможения исключает выход из строя обмотки якоря электродвигателя.
Во втором случае цепи электродинамического торможения функционируют следующим образом. При отключении выключателя действия ВД, если оружие не находится в походном положении (см. рисунок 6.21) реле К20, также как и ЭММТ, и ОВ(ИЭД), продолжает находиться под током, получая питание через контакты реле К3. При этом
нормально замкнутые контакты реле К20 отключают питание реле К8.
После прихода оружия а походное положение питание с реле
К20, ЭММТ и ОВ(ИЭД) снимается. Нормально замкнутые контакты
реле К20 при этом включают под ток реле К8, которое переводит исполнительный электродвигатель в режим короткозамкнутого генератора: происходит электродинамическое торможение подвижных частей
артиллерийской установки.
Продолжительность режима электродинамического торможения
в этом случае определяется временем спада напряжения в обмотке возбуждения исполнительного электродвигателя после ее отключения.
Цепи прижима (рисунки 6.20, 6.21) функционируют следующим
образом. После подхода оружия к границе зоны разрешенной стрельбы(например, правой), срабатывания концевого выключателя КВ-Пр и
отключения реле К4, через нормально замкнутые контакты реле К4 обмотка управления ОУ1 подключается к источнику питания +27В через
регулировочный резистор Rпр Через управляющую обмотку ОУ1 начинает протекать ток, обеспечивающий прижим оружия к правой границе
зоны разрешенной стрельбы. Регулировочный резистор позволяет подобрать ток такой силы, чтобы, с одной стороны, обеспечить надежный
прижим оружия к границе зоны разрешенной стрельбы, а, с другой стороны, не вывести исполнительный электродвигатель из строя.
288
Цепи походного положения в своем составе имеют датчики походного положения, выполненные в виде концевых выключателей. На
рисунке 6.21 для примера представлена схема, обеспечивающая установку оружия в походное положение по горизонту. В ней задействованы КВП-Пр и КВП-Л - концевые выключатели походного положения,
сигнализирующие о положении оружия, соответственно, справа или
слева относительно заданного походного положения.
Rпр
Rл
+27В
КВП-Л
К16
К4
К16
КВП-Пр
К5
К3
ОУ1
К3
ОВ(ИЭД)
ЭММТ
ОУ2
К20
К4
К5
Рисунок 6.21. Цепи прижима и походного положения
Цепи походного положения включаются в работу при отпускании
выключателя действия ВД (см. рисунок 6.20). После отпускания выключателя действия обесточиваются реле К16, К4 и К5. Через нормально замкнутые контакты реле К4, К5 обмотки управления ОУ1,
ОУ2 электромашинного усилителя подключаются к концевым выключателям походного положения.
Если, например, оружие находится справа от походного положения, замыкаются контакты концевого переключателя КВП-Пр. При
этом срабатывает реле К3, через нормально разомкнутые контакты которого включается ЭММТ и подается питание на обмотку возбуждения
исполнительного двигателя и обеспечивается подача напряжения +27В
на управляющую обмотку ОУ2. При этом исполнительный электродви-
289
гатель поворачивает оружие влево, приближая его к походному положению.
Когда оружие придет в походное положение контакты концевого
выключателя КВП-Пр разомкнутся, с обмотки управления ОУ2, обмотки возбуждения исполнительного электродвигателя ОВ (ИЭД) и ЭММТ
будет снято питание. Произойдет кратковременное электродинамическое торможение (см. описание цепей электродинамического торможения) и механическое торможение якоря исполнительного двигателя.
Исполнительный электродвигатель остановится, а оружие займет походное положение.
6.9. Система управления стрельбой
Система управления стрельбой предназначена для обеспечения
стрельбы из авиационного артиллерийского оружия. При этом система
управления стрельбой должна обеспечить безопасность личного состава, сохранность конструкции артиллерийской установки и самого летательного аппарата при работе на земле, безопасность боевого применения артиллерийского оружия в воздухе, сигнализацию готовности артиллерийского оружия к стрельбе и наличия боекомплекта патронов на
ЛА, формирование режимов огня, открытие и прекращение стрельбы,
подготовку оружия к стрельбе и перезаряжание оружия при возникновении задержек в стрельбе, прекращение неприцельной стрельбы, фото- и киноконтроль результатов стрельб. Как правило, большинство из
перечисленных функций должно выполняться автоматически.
Безопасность личного состава, сохранность конструкции артиллерийской установки и самого ЛА обеспечивается, кроме контроля состояния самого оружия (заряжено, разряжено, положение подвижных частей) и артиллерийской установки, системой блокировок и
ограничений перемещения оружия на земле.
Безопасность боевого применения артиллерийского оружия
обеспечивается целенаправленным включением Главного включателя,
а также мероприятиями, исключающими при стрельбе из артиллерийского оружия повреждение конструкции и оборудования собственного
ЛА.
Кроме вопросов воздействия оружия на ЛА и его оборудование,
рассмотренных в главе 4, здесь речь идет о возможности повреждения
конструкции собственного летательного аппарата в двух случаях.
290
Во-первых, повреждение конструкции летательного аппарата
снарядами артиллерийского оружия, установленного на данном ЛА.
Во-вторых, повреждение конструкции летательного аппарата движущимися стволами артиллерийского оружия. И этих случаях для исключения повреждений используются механизмы контурного обвода и
прерыватели стрельбы.
Механизмы контурного обвода используются для принудительного обвода оружия вокруг элементов конструкции летательного аппарата, контуры которых имеют относительно плавное обтекание, если
смотреть на них со стороны продольной оси оружия. При движении
оружия по контурному обводу стрельба из оружия блокируется, так
как, как правило, является неприцельной.
Прерыватели стрельбы призваны исключить повреждение тонких
и протяженных элементов конструкции, например хвостовых горизонтальных и вертикальных оперений ЛА.
Сигнализация готовности артиллерийского оружия к стрельбе и наличия боекомплекта на ЛА обеспечивает рациональный выбор
авиационного оружия, имеющегося на борту ЛА в данной тактической
обстановке, а при выборе артиллерийского оружия по информации о
наличии боекомплекта патронов назначить рациональный режим огня
из артиллерийского оружия.
Формирование режимов огня артиллерийского оружия является одной из основных функций системы управления стрельбой, как
обеспечивающей эффективное и рациональное использование имеющегося боекомплекта патронов.
Открытие стрельбы из артиллерийского оружия в современных системах управления стрельбой возлагается на оператора (летчик,
штурман, стрелок). Открытие стрельбы осуществляется нажатием на
кнопку стрельбы (боевую кнопку). Для обеспечения рационального
расходования боекомплекта патронов прекращение стрельбы, как правило, осуществляется автоматически. Однако во всех случаях, если
оператор отпустил боевую кнопку, стрельба прекращается.
Подготовка оружия к стрельбе предполагает окончательное заряжание оружия. Наличие и необходимость окончательного заряжания
оружия предопределяется в основном типом воспламенителя пороха
патрона, применяемого в артиллерийском оружии.
Оружие, в котором применяются патроны с капсюлем ударного
действия, заряжается, как правило, не окончательно, а под одну перезарядку. Это определяется необходимостью обеспечить заданную без-
291
опасность при меньшей надежности работы (безопасности) стреляющего механизма ударного типа, а также исключить возможность случайного выстрела при взлете из-за вибраций и тряски ЛА, неисправности ААУ, оружия или СУС. Окончательное заряжание (когда эта операция предусмотрена), т.е. дозаряжание оружия производится уже после взлета ЛА при первом нажатии на кнопку стрельбы, после чего
начинается автоматическая стрельба из оружия. Выполнение окончательного заряжания оружия возлагается на систему перезаряжания
оружия.
Артиллерийское оружие, в котором применяются патроны с
электрокапсюлем-воспламенителем, заряжается под выстрел. С нажатием на боевую кнопку сразу начинается автоматическая стрельба из
оружия.
Перезаряжание оружия (при автоматической стрельбе) призвано автоматически устранить задержеку в стрельбе. Очевидно, что не
всякая задержка в стрельбе может быть устранена на борту ЛА в автономном полете. В современных образцах артиллерийского оружия
предусмотрено устранение задержек в стрельбе типа «осечка», т.е.
несрабатывание патрона по причине несрабатывания (не полного срабатывания) капсюля.
Прекращение неприцельной стрельбы призвано обеспечить рациональный расход боекомплекта патронов за счет блокирования
стрельбы, когда она малоэффективна. Эта функция системы управления стрельбой в настоящее время реализована только на подвижных
артиллерийских установках.
В соответствии с возлагаемыми на систему управления стрельбой
задачами в ее составе имеются системы и цепи, выполняющие отдельные функции. Общий алгоритм функционирования системы управления стрельбой представлен на рисунке 6.22.
Первым условием начала функционирования системы управления стрельбой является выполнение мер безопасности. Выполнение
мер безопасности отражается формированием команды МБ, принимающая значение из множества 0,1 . Если меры безопасности выполнены, команда МБ=1, в противном случае – МБ=0.
Типовыми исполнительными элементами мер безопасности являются: автоматы защиты сети, включатели питания системы управления оружием, концевые выключатели убранного положения шасси ЛА
и штанги (рукава) дозаправки топливом, механизмы контурного обво-
292
да, прерыватели стрельбы, блокираторы оружия и Главный выключатель.
Все системы управления стрельбой оснащаются автоматической
блокировкой по убранному положению шасси ЛА. Цепи блокировки,
выполняющие эту функцию, формируют команду ШУ (шасси убрано),
принимающую два фиксированных положения нуль и единицу:
ШУ  0;1. Когда команда ШУ принимает значение ШУ  0 , шасси
ЛА находится в выпущенном положении. Летательный аппарат в этом
случае находится на земле, совершает взлет или посадку, или находится вблизи аэродрома, совершив взлет или готовясь к посадке. В этих
условиях стрельба должна быть исключена. Когда команда ШУ принимает значение ШУ  1 , снимается блокировка стрельбы по убранному
положению шасси ЛА.
Для проверки исправности системы управления стрельбой на
земле после выполнения всех мер безопасности при работе с артиллерийским оружием и артиллерийской установкой и другим авиационным вооружением на земле принудительно обеспечивают значение команды ШУ, равное ШУ  1.
Все летательные аппараты, оснащенные штангами дозаправки,
имеют блокировку работы системы управления оружием, составной частью которой является система управления стрельбой из артиллерийского оружия, для того, чтобы исключить поражение своего дозаправщика топливом. В свою очередь, при выпуске шланга дозаправщика
блокируется стрельба из его артиллерийских установок.
Все системы управления стрельбой имеют блокировку стрельбы
по выключенному положению так называемого Главного включателя.
Сам Главный включатель имеет механическую блокировку рычажка
включения, исключающую его случайное включение. Включение Главного выключателя обеспечивает снятие последней ступени предохранения в цепи стрельбы.
При нахождении ЛА в воздухе Главный включатель включается
при нахождении над территорией противника (занятой противником), а
над своей территорией – непосредственно перед выполнением учебнобоевой или боевой задачи.
293
А0
МБ
0
1
ААО
0
АСП
1
СУО
исправно
1
Основные
режимы огня
0
Аварийные
режимы огня
БК-О
0
Дополнительные
1
МБ
0
Патроны
есть
1
1
Режим огня
реализован
0
ПР
0
1
Огонь
Ак
Рисунок 6.22. Общий алгоритм функционирования
системы управления стрельбой
20. Изд. №9872
294
Кроме блокировки стрельбы по положению шасси ЛА и положению Главного выключателя, на некоторых типах ЛА применяются
наземные предохранительные выключатели (блокираторы оружия).
На многоцелевых самолетах и вертолетах стоит задача выбора
вида авиационного оружия, делящегося на две группы: авиационное
артиллерийское оружие (ААО) и авиационные средства поражения
(АСП). Система управления оружием имеет в этом случае две боевые
кнопки: БК-О – для управления стрельбой из артиллерийского оружия
и БК-П – для управления отделением АСП, которые, как правило, располагаются на агрегатах подвески. Выбор артиллерийского оружия
осуществляется переводом в рабочее положение БК-О.
Если система управлением исправна, то она формирует основные
режимы стрельбы из артиллерийского оружия, которые, в сою очередь,
делятся на боевые и учебно-боевые. При этом обычно все патроны боекомплекта делятся на две неравные части, большая из которых называется «Комплектом», а меньшая – «Неприкосновенным запасом» («НЗ»).
Основные боевые режимы стрельбы многоцелевых истребителей
могут, например, быть: короткая очередь, отсечка, комплект. Каждый
режим стрельбы начинается нажатием на боевую кнопку, а заканчивается автоматически. Короткая очередь предусматривает отстрел до десятка патронов, отсечка – четверти боекомплекта патронов, комплект –
отстрел всего боекомплекта патронов.
При отпускании боевой кнопки стрельба сразу прекращается.
При повторном нажатии боевой кнопки стрельба реализуется в выбранном режиме и при удержании кнопки до автоматического прекращения стрельбы, будет отстреляно предусмотренное данным режимом огня количество патронов. При выборе другого режима
стрельбы будет отстреляно количество патронов, предусмотренное
вновь выбранным режимом огня, если, естественно, еще на борту ЛА
есть патроны в составе «комплекта».
Во всех случаях при отстреле всех патронов «Комплекта»
стрельба автоматически прекращается и при следующем нажатии
начинается отстрел «НЗ». Как правило, «НЗ» отстреливается короткими очередями.
Учебно-боевые режимы стрельбы имитируют боевые режимы
стрельбы меньшим количеством патронов.
При отказе системы управления оружием реализуется, как правило, только лишь один режим стрельбы – отсечка.
Команда «Пуск разрешен» (ПР; когда она предусмотрена) пред-
295
полагает информирование летчика (стрелка) о разрешенных условиях
стрельбы прежде всего по дальности боевого применения оружия и по
другим параметрам полета цели и собственного ЛА.
Алгоритм функционирования оператора ОГОНЬ представлен на
рисунке 6.23.
А0
Исходное
положение
оружия
0
1
Электроспуск
(Электробоек)
ДИ (СОП)
Индикация б/к
0
tö   ï
1
Все
патроны
Перезарядка
1
0
0
Все
перезарядки
1
Ак
Рисунок 6.23. Алгоритм функционирования
оператора ОГОНЬ
Если подвижные части оружия находятся в исходном положении
для обеспечения выстрела из оружия, управляющая стрельбой команда поступает на электроспуск (электробоек) оружия и при исправном
патроне в патроннике происходит выстрел.
20*
296
Датчик импульсов (ДИ) (или СОП-счетчик остатка патронов)
одно- и двуствольного оружиявыдает в систему управления стрельбой
импульс. Длительность по времени этого импульса существенно зависит того, происходит ли стрельба из оружия или нет.
Если происходит нормальная стрельба, длительность импульса
составляет вполне определенную часть времени цикла автоматики
данного образца оружия. Длительность импульса датчика импульсов
сравнивается с временным параметром перезаряжания  п , который
учитывает возможность появления «затяжного» выстрела. Пока сохраняется условие tц   п , схема сравнения системы управления перезарядкой оружия будет выдавать логический «0» и, как видно из алгоритма (рисунок 6.23), стрельба будет продолжаться.
Если стрельба из оружия прекратилась, то длительность импульса датчика импульсов будет намного больше времени цикла автоматики оружия при нормальной стрельбе и при достижении условия tц   п
логическое устройство системы управления перезарядкой оружия
сформирует логическую «1».
Стрельба из оружия может прекратиться по нескольким причинам. Назовем основные: очередной патрон оказался неисправным, израсходованы все патроны, заклинило подвижные части автоматики
оружия.
Если закончились патроны, то, очевидно, перезарядку производить бесполезно. Логический оператор ВСЕ ПАТРОНЫ (израсходованы) выдает «1», по которой функционирование алгоритма ОГОНЬ
прекращается.
Если патроны есть, то система управления перезаряжанием оружия СУПО дает команду на перезарядку оружия, при условии, что такая перезарядка может быть произведена по количеству еще неиспользованных перезарядок. Если перезарядка возможна, СУПО приведет в
действие источник энергии системы перезаряжания оружия (рисунок
6.25). Источник энергии, в свою очередь, приведет в действие механизм устранения задержки стрельбы. Произойдет перезарядка оружия
и стрельба возобновится. Одновременно СУПО запомнит, что произведена перезарядка.
При использовании всех перезарядок алгоритм ОГОНЬ также
прекращает функционирование.
При заклинивании подвижных частей возможны в общем случае
два исхода. Если конструкция автоматики оружия предусматривает
297
устранение задержек типа «заклинивание оружия», то система перезаряжания пытается устранить такую задержку. Если конструкция оружия не предусматривает устранение таких задержек, то работа системы перезаряжания оружия будет блокирована логическим устройством, контролирующим положение подвижных частей оружия в исходном состоянии.
Важной функцией алгоритма ОГОНЬ является индикация боекомплекта патронов к артиллерийскому оружию. Информация о боекомплекте патронов позволяет в конкретных условиях боевого применения авиационного артиллерийского оружия выбрать рациональные
режимы огня, обеспечивающие, с одной стороны, достижение максимальной эффективности, а с другой стороны, рационально расходовать
патроны.
Основу функциональной схемы индикации боекомплекта патронов (рисунок 6.24) составляет запоминающее устройство, выполненное на триггерах (линейка триггеров). Количество триггеров в линейке
должно соответствовать максимальному количеству патронов в боекомплекте.
В исходное состояние триггеры устанавливаются с помощью
схемы обнуления по информации о количестве патронов, загружаемых
на ЛА в данном полете (например, «Комплект», «Учебно-боевой комплект»).
Информация о расходовании патронов поступает от оружия в
виде импульсов от счетчика остатка патронов (СОП) или датчика импульсов (ДИ). Первоначальная информация от СОП поступает на преобразователь сигналов, где преобразуется к виду, пригодному для
управления работой триггеров.
Информация с линейки триггеров поступает на дешифратор. В
общем случае дешифратор преобразует информацию с линейки триггеров о количестве патронов в боекомплекте к виду, эргономически
удобному для восприятия летчиком или оператором.
Так на многоцелевых истребителях принято боекомплект патронов обозначать в четвертях от количества патронов, выделенных в
«Комплект» и отражать ее на индикаторе на лобовом стекле (ИЛС).
Наличие полного «Комплекта» обозначается цифрой «4». Этот символ
будет сохраняться до тех пор, пока количество патронов в «Комплекте» не уменьшится на одну четверть. Далее на ИЛС будет индицироваться цифра «3» до тех пор, пока количество патронов в «Комплекте»
не уменьшится до половины, и так далее. При расходе патронов, вхо-
298
дящих в «Комплект» на ИЛС начинает индицироваться символ «НЗ»
(неприкосновенный запас). При израсходовании всех патронов на ИЛС
будет индицироваться символ «0» (нуль).
Схема
обнуления
«Комплект»
«Уч-боев. Компл.»
СОП
Преобразователь
сигналов СОП
ИЛС
Линейка
триггеров
Дешифратор
Устройство
сопряжения
с ЦВМ СУО
ЦВМ
СУО
Рисунок 6.24. Функциональная схема индикации боекомплекта
Информация с дешефратора может поступать непосредственно
на вычислитель ИЛС или передаваться через вычислитель системы
управления оружием. В любом случае необходимо в составе схемы
индикации иметь устройство сопряжения с цифровой вычислительной
машиной. На рисунке 6.24 представлен случай согласования схемы
индикации боекомплекта с вычислителем системы управления оружием. Устройство сопряжения обеспечивает преобразование информации
схемы индикации боекомплекта к виду, удобному для дальнейшей ее
обработки в вычислителях соответствующих систем (СУО или ИЛС).
Отметим, что потребное число триггеров п линейки триггеров в
системе индикации боекомплекта из N патронов ( N  3 ) можно легко
определить с помощью алгоритма
i
i 1
0
0
 i :  2i  N   2i 1  n  i  2 ,
299
i  0,  – текущий номер триггера в линейке триггеров.
Таблица 6.1 облегчает использование приведенного алгоритма.
Таблица 6.1. Суммы чисел 2i , i  0,8
i
0
1
2
3
4
5
6
7
8
2i
1
2
4
8
16
32
64
128
256
1
3
7
15
31
63
127
255
511
i
2
i
0
Так, например, при боекомплекте N  150 патронов по третьей
строчки таблицы видно, что алгоритм выполняется при i  7 :
127  150  225 , а линейка триггеров должна иметь п  8 триггеров.
При необходимости таблицу 6.1 легко продолжить.
6.10. Системы устранения задержек стрельбы
Система устранения задержек стрельбы в общем случае предназначена для подготовки оружия к стрельбе путем дозаряжания и
устранения возможных задержек в стрельбе.
Окончательное заряжание (когда эта операция предусмотрена),
т.е. дозаряжание оружия производится уже после взлета ЛА при первом нажатии на кнопку стрельбы, чем исключается возможность случайного выстрела при взлете из-за вибраций и тряски ЛА, неисправностей ААУ, оружия или СУВ.
Устранение задержки стрельбы (перезаряжание) сводится к выполнению цикла работы автоматики оружия или принудительного
срабатывания патрона за счет специального внешнего источника энергии.
Функциональная схема системы перезаряжания оружия (рисунок
6.25) включает в свой состав источник энергии, механизм устранения
задержки стрельбы (МУЗС), датчик оружия (ДО) или датчика импульсов и систему управления перезаряжанием оружия (СУПО). Механизм
устранения задержки стрельбы и датчик оружия (датчик импульсов)
конструктивно входят в состав оружия.
300
Работа системы устранения задержек стрельбы начинается по
командам управления, которые задают системе определенный режим
работы. В каждом режиме работы в зависимости от команд датчика
оружия, преобразующего пространственно-временное положение частей оружия в электрические сигналы, СУПО формирует исполнительную команду, обеспечивающую поступление энергии к механизму
устранения задержки стрельбы. Механизм устранения задержки
стрельбы, в свою очередь, обеспечивает выполнение определенного
цикла работы автоматики оружия, в результате чего происходит дозаряжание, устраняется задержка в стрельбе или срабатывание патрона.
Системы устранения задержек стрельбы классифицируются в
основном по типу используемой энергии. Практическое применение
находят пневматическая и пиротехническая систем устранения задержек стрельбы.
Команды
управления
Оружие
СУПО
Источникэнергии
МУЗС
ДО
Рисунок 6.25. Функциональная схема системы
устранения задержки стрельбы
Выбор типа системы устранения задержки стрельбы определяется, прежде всего, особенностями автоматики оружия. В одних системах автоматики оружия операция устранения задержки стрельбы (дозаряжания) протекает вполне нормально, независимо от величины
скорости движения ее ведущего звена. В других системах автоматики
оружия правильное выполнение операций перезаряжания возможно
только при вполне определенной скорости ведущего звена оружия.
Кроме того, система перезаряжания оружия должна обеспечивать заданное количество перезаряжаний, которое определяется исходя из математического ожидания количества неисправных (осечных)
патронов в полном боекомплекте патронов, приходящихся на один образец оружия.
301
Поток неисправных патронов, находящихся в патронной ленте и
поступающих к оружию, обладает двумя характерными свойствами
потока Пуассона: свойством ординарности и свойством отсутствия последействия.
Свойство ординарности состоит в том, что в потоке патронов,
поступающих к оружию, неисправные патроны появляются только по
одному. Оно очевидно.
Свойство отсутствия последействия состоит в том, что вероятность появления неисправных патронов на данном участке патронной
ленты (потока патронов) не зависит от вероятности появления неисправных патронов на другом участке патронной ленты.
Кроме того, в соответствии с руководящими документами по
технической эксплуатации патронная лента должна составляется из
патронов одной партии, что позволяет предположить, что поток неисправных патронов, подводимых к оружию, является стационарным.
Таким образом, появление неисправных патронов в боекомплекте можно рассматривать как простейший пуассоновский поток. В этом
случае вероятность появления m неисправных патронов в боекомплекте, состоящим из N патронов, определяется формулой
Pm, N 
 N m e  N ,
m!
где  – средняя плотность потока неисправных патронов; N – боекомплект патронов.
Отметим, что произведение  N есть параметр закона Пуассона, численно равный для нашего случая математическому ожиданию
числа неисправных патронов в боекомплекте из N патронов.
Несмотря на относительно малые плотности потоков неисправных патронов, вероятности появления отказов в стрельбе из-за возможных больших величин боекомплектов могут быть значительными.
Действительно, вероятность появления в боекомплекте хотя бы
одного неисправного патрона определится по формуле
R1, N    1  P0, N  1  e N .
Тогда, например, при   0,0005 (1 неисправный патрон на
2000 патронов) и боекомплекте N  1000 патронов (при отсутствии
системы перезаряжания оружия) вероятность отказа в стрельбе по
вине только патронов, будет равна R1,1000 0,0005  0,3935 , т.е. веро-
302
ятность отстрела всего боекомплекта равна 0,6065.
Вероятность появления в выбранном боекомплекте из N не менее k неисправных патронов определяется по формуле повторения
опытов
N
Rk , N   Pm , N .
mk
При вычислении вероятности появления боекомплекте не менее
k неисправных патронов удобней перейти к противоположному событию и вычислять Rk , N по формуле
k 1
Rk , N  1   Pm , N .
m 0
Эта формула может лечь в основу для определения функциональной надежности системы управления стрельбой Wф , которая
определяется как вероятность отстреле всего боекомплекта из N патронов при идеальной ее работе
Если система устранения задержек стрельбы обеспечивает k
перезарядок, то в этом случае вероятность отказа в стрельбе будет
равна разности вероятностей между появлением в боекомплекте не
менее k  1 неисправных патронов и вероятности появления в боекомплекте не менее k неисправных патронов
Wф  Rk 1, N  Rk , N .
Производя преобразования, получим формулу для определения
потребного количества перезарядок для обеспечения заданной функциональной надежности системы управления стрельбой.
Wф  Pk , N

 N k  N

e
.
k!
Как видно, функциональная надежность системы управления
стрельбой равна вероятности появления k неисправных патронов в
полном боекомплекте, состоящим из N патронов, где k , с другой
стороны, количество перезарядок, которое обеспечивает система
устранения задержек стрельбы в данной системе управления стрельбой.
Числовое значение функциональной надежности системы управления стрельбой определяется тактико-техническими требованиями к
303
системе управления стрельбой данного типа ЛА. А количество потребных перезарядок для обеспечения заданной функциональной
надежности системы управления стрельбой определяется по последней
формуле.
Так, если для вышеприведенного примера потребовать отстрелять весь боекомплект с вероятностью, равной Wф  0,9998 , то от системы устранения задержек стрельбы потребуется обеспечить 5 перезарядок оружия.
Если одна перезарядка используется для окончательного заряжания оружия (заряжание под выстрел), то система устранения задержек стрельбы должна обеспечивать k  1 перезарядок.
В настоящее время наибольшее применение находят пиротехнические системы устранения задержек стрельбы, использующие энергию порохов. Они обладают простотой конструкции, имеют малые
массу и габариты, обладают высокой удельной мощностью.
В то же время пиротехнические системы устранения задержек
стрельбы имеют серьезный эксплуатационный недостаток: после их
применения требуется разборка и тщательная чистка, как механизм
устранения задержки стрельбы, так и самого оружие из-за сильного загрязнения пороховыми газами.
Основу системы управления перезаряжанием оружия, когда от
нее требуется осуществить несколько перезарядок, составляет автомат
перезарядки. Функции автомата перезарядки ясны из описания функционирования алгоритма ОГОНЬ (см. п. 6.9). К ним следует добавить
еще функцию распределения команд управления по отдельным каналам (например, пиропатронам) управления.
В заключение отметим, что принцип работы автоматики многоствольного оружия не требует применения системы устранения задержек стрельбы в том понимании, которое было дано выше. Первоначальная раскрутка блоков стволов в многоствольном оружии с газопороховым двигателем автоматики осуществляется с помощью стартеров, обеспечивающих только окончательное заряжание оружия и первый выстрел. Далее вращение блока стволов обеспечивается с помощью газопорохового двигателя автоматики оружия, а задержки
стрельбы типа осечка устраняются за счет запасенной энергии вращения подвижных частей оружия.
304
ГЛАВА 7. АНАЛИЗ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА АВИАЦИОННОЙ
АРТИЛЛЕРИЙСКОЙ УСТАНОВКИ
7.1. Анализ устойчивости и точности работы
электрического следящего привода
при отсутствии корректирующих цепей
Исследование систем управления наводкой оружия артиллерийских установок имеет большое практическое значение не только на
этапе проектирования.
Известно, что в процессе эксплуатации происходит изменение
параметров отдельных элементов системы управления наводкой оружия вследствие их износа и старения. К этому необходимо добавить
еще и то, что параметры однотипных элементов имеют случайный разброс вследствие технологических допусков на их изготовление. В совокупности все это ведет к изменению параметров систем и потере качества процессов наводки оружия на цель.
Изучение процессов, происходящих в СУНО при эксплуатации,
дает возможность обоснованно подходить к выбору системы контролируемых параметров, к определению показателей надежности ААУ и
периодичности проверки системы. Такой подход позволяет автоматизировать контроль исправности действия системы и сократить время на
его выполнение.
В системе управления наводкой оружия артиллерийских установок используются два канала сельсинной связи, один из которых (точный) работает при малых углах рассогласования (   2...30 ). Прицельная стрельба ведется при работе СУНО на точном канале.
Практически все элементы СУНО в этом диапазоне углов имеют
линейные или близкие к ним характеристики, связывающие входные и
выходные переменные. Поэтому, поведение системы управления
наводкой оружия артиллерийской установки можно описывать линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами.
Таким образом, системы управления наводкой оружия авиационной артиллерийской установки являются стационарными линейными
305
системами, исследование которых удобно проводить с использованием
передаточных функций.



uy
uc
k
c
uc
ky
uc
ka
Ta p  1
ua
uc
k
(T
äâ
äâ
p  1) p

Рисунок 7.1. Структурная схема нестабилизированного
электрического следящего привода
Математическую модель точного канала электрического следящего привода при отсутствии корректирующих цепей (т.н. нестабилизированный электрический следящий привод) получим, если конструктивные элементы привода (см. гл.6) заменим их передаточными функциями. Математическая модель электрического следящего привода
(рисунок 7.1) содержит: сельсинную связь с коэффициентом усиления
kс ; фазочувствительный усилитель с коэффициентом усиления k у ;
электромашинный усилитель, передаточная функция которого обычно
представляется инерционным звеном с коэффициентом усиления kа и
постоянной времени Т а ; исполнительный электродвигатель передаточная функция которого представляет совокупность идеального интегрирующего и инерционного звена с коэффициентом усиления kдв и постоянной времени Т дв . Входные и выходные величины для каждого
звена представлены на схеме, а именно:  – угловая координата оружия, т.е. регулируемый (управляемый) сигнал;  – угловая координата
визирной линии прицельной станции, т.е. управляющий сигнал;
     сигнал рассогласования; uс, uу, uа – напряжения сельсинной
связи, ФЧУ, ЭМУ соответственно.
Основными характеристиками систем управления наводкой
оружия являются устойчивость и точность работы, время переходного
процесса и др. Для анализа этих характеристик необходимо получить
уравнение рассогласования системы.
Передаточная функция разомкнутой системы имеет следующий
вид
306
W ( p) 
kс k у kа kдв
(Tа p  1)(Tдв p  1) p

k
,
(Tа p  1)(Tдв p  1) p
(7.1)
где k  kс k у kа kдв – общий коэффициент усиления или добротность
системы.
Для исследования устойчивости и точности СУНО необходимо
записать поведение сигнала рассогласования и его значение при различных параметрах движения визирного устройства. Поведение сигнала рассогласования описывается дифференциальным уравнением
наиболее просто с использованием передаточной функции.
Передаточная функция замкнутого следящего привода определяется выражением
Ô ( p) 
W ( p)
1  W ( p)Woc ( p)

W ( p)
1  W ( p)
,
где Woc ( p)  1 – передаточная функция ООС.
Используя уравнение (7.1), получим
Ф( p ) 
k
(Ta p  1)(Tдв p  1) p  k
.
(7.2)
Передаточная функция для сигнала рассогласования S ( p ) для
такого привода определяется выражением
S ( p) 
( р )
1

.
 ( р) 1  W ( p)
Тогда с учетом уравнения (7.1) будем иметь следующее выражение
S ( p) 
1
k
1
(Tа p  1)(Tдв p  1) p

(Tа p  1)(Tдв  1) p
.
(Tа p  1)(Tдв p  1) p  k
Отсюда уравнение рассогласования имеет вид
(TаTдв p3  Tа p 2  Tдв p 2  p  k )(t ) 
 (TаTдв p3  Tа p 2  Tдв p 2  p) (t )
(7.3)
где введем следующие обозначения:
307
a3  TaTдв  c3 ;
a2  (Ta  Tдв )  c2 ;
a1  c1  1;
a0  0;
c0  k .
С учетом обозначений, введенных в уравнении (7.3), получим
(c3 p 3  c2 p 2  c1 p  c0 )(t )  (a3 p 3  a2 p 2  a1 p) (t ) . (7.4)
Тип ошибки (статическая, кинематическая, динамическая) будет
определяться по начальным условиям. При    0  const будет определяться статическая ошибка  ст . При   t будет определяться кинематическая ошибка  кин . При   t 2 / 2 будет определяться динамическая ошибка  дин .
Правая часть уравнения (7.4) содержит только члены, пропорциональные производной от угла  , и не содержит самого угла, т.е. коэффициент à0  0 , потому что рассматриваемая система содержит одно интегрирующее звено, и, следовательно, является астатической системой первого порядка или рассматриваемый ЭСП обладает астатизтеор
 0.
мом первого порядка, т.е  ст
Решение уравнения (7.4) состоит из общего решения однородного линейного уравнения –  n (t ) и частного решения уравнения с правой частью –  у (t ) .
Общее решение однородного линейного уравнения характеризует
работу системы под действием возмущений и не нулевых начальных
условий. Это решение, другими словами, является характеристикой переходного процесса и определяет устойчивость системы.
Аналитически критерий устойчивости работы автоматической
системы записывается в виде:
lim (t )   ,
t 
где

– некоторое заранее заданное значение.
Из уравнения (7.4) однородное линейное уравнение для рассматриваемого случая запишется в следующем виде
308
(c3 p 3  c2 p 2  c1 p  c0 ) п (t )  0;
c3
d 3 п
d 2 п
d п

c
 c1
 c0  0.
2
3
2
dt
dt
dt
(7.5)
В автоматике это уравнение получило специальное название –
характеристическое уравнение.
В общем случае решение уравнения имеет вид
 пi (t )  Ai e zit ,
(7.6)
где Ai – постоянные интегрирования, определяемые начальными условиями;
Zi – корни, характеристического уравнения.
Решение (7.5) уравнения будет удовлетворять критерию устойчивости только в том случае, если все корни Z i характеристического
уравнения являются отрицательными. Значения Zi зависят только от
параметров рассматриваемой системы, а именно коэффициентов усиления и постоянных времени. Следовательно, меняя значения этих параметров, можно изменять значение корней характеристического уравнения.
Заметим, что с точки зрения устойчивости автоматические системы (АС) подразделяются: на структурно-устойчивые (СУАС) и
структурно-неустойчивые системы (СНАС).
Устойчивость СУАС зависит только от значений параметров автоматической системы, а именно коэффициентов усиления и постоянных времени. Изменением этих параметров можно добиться устойчивости систем, не изменяя при этом структуры самой системы.
Устойчивость СНАС может быть достигнута только изменением
структуры самой системы. Изменением же одних значений параметров
устойчивости системы добиться невозможно.
Признаком структурно-неустойчивой АС является равенство нулю одного из коэффициентов характеристического уравнения.
Как видно, рассматриваемая на рисунке 7.1 система управления
наводкой оружия является структурно-устойчивой.
Судить об устойчивости автоматической системы можно и без
вычисления корней Zi уравнения (7.5). Для этих целей существуют т.н.
алгебраические критерии устойчивости, одним из которых является
критерий устойчивости Раусса-Гурвица, который с успехом может
309
применяться к линейным дифференциальным уравнениям до пятого
порядка включительно.
Исследуем устойчивость нестабилизированного привода с помощью критерия Раусса-Гурвица. Для уравнения третьего порядка (7.5)
таблица коэффициентов Гурвица записывается в виде матрицы следующим образом
c0 0 0
c2 c1 с0 .
(7.7)
0 c3 c2
Для структурно-устойчивой АС необходимым условием устойчивости является положительность всех коэффициентов характеристического уравнения т.е. ci  0 , а достаточным условием устойчивости –
положительность всех определителей, полученных из матрицы (7.7).
Раскрывая определители Гурвица, получаем следующие неравенства
 3  с0 (с1с2  с0с3 )  0;
 2  с1с2  с0с3  0;
1  с2  0.
Отсюда следует, что условие устойчивости Раусса-Гурвица для
системы третьего порядка сводится к тому, что при положительных коэффициентах характеристического уравнения должно выполняться неравенство
(7.8)
c1c2  c0 c3  0,
или Ta  Tдв  КTaTдв  0 .
Граничные условия определяются равенством
Ta  Tдв  КTaTдв  0 .
(7.9)
Коэффициент k соответствующий граничным условиям (7.9)
называется критическим коэффициентом устойчивости или критической добротностью ( К кр ) .
Тогда
К кр 
1
1
 .
Tдв Ta
(7.10)
Вследствие того, что на практике постоянные времени ЭМУ, исполнительного двигателя изменять в широком диапазоне не удается
21.
310Изд. №9872
(Та=0,03…0,1 с; Тдв=0,04…0,1 с), удовлетворить неравенство (7.8)
проще всего путем изменения коэффициента усиления k. Для этого достаточно, например, увеличить коэффициент усиления сервоусилителя
путем введения нескольких каскадов усиления.
Решая частное уравнение (7.4) с правой частью в виде с  t ,
найдем выражение для кинематической ошибки
 кин 

К
.
Тогда в лучшем случае Ккр=78 1/с. При этом кинематическая
ошибка достигает величины
 кин 
20  60
 20 .
78
Рассматриваемый электрический следящий привод авиационной
артиллерийской установки, структурная схема которого представлена
на рисунке 7.1, представляет собой астатическую систему первого порядка, имеющую уравнение рассогласования третьего порядка
(c3 p 3  c2 p 2  c1 p  c0 )  (a3 p 3  a2 p 2  a1 p) ,
где (a3 p 3  a2 p 2  a1 p) =А(t) входной сигнал.
Согласно этому уравнению в правой части имеются члены пропорциональные производимым от угла  начиная с первой производной и нет, пропорциональных самому углу  . Порядок высших производных в левой и правой частях уравнения совпадает.
С учетом сказанного
A(t )  a2  a1  a0  a2  a1 t  a0
t2
2
.
Для получения решения в общем случае полагаем a0  0.
Тогда полученное выше уравнение запишется в виде:
(с3 p  c2 p  c1 p  c0 ) y (t )  a2  a1 t  a0
3
2
 t2
2
. (7.11)
Исходя из вида правой части уравнения рассогласования, частное решение его будем искать в таком же виде, что и возмущающие
воздействие, т.е. в виде квадратичной функции времени
(7.12)
 у (t )  в2  в1t  в0t 2 ,
311
где
в0 , в1 , в2 – неизвестные пока коэффициенты.
Частное решение должно удовлетворять уравнению рассогласо-
вания. Для получения этого решения значение у (t ) и его производных необходимо подставить в уравнение рассогласования. Запишем выражения производных от ошибки системы (7.12):
p у (t )  в1  2в0t ;
p 2  у (t )  2в0 ;
(7.13)
p 3 у (t )  0.
Подставляем (7.13) в левую часть (7.11), получим
c0 (в2  в1t  в0t )  c1 (в1  2в0t )  c2 2в0  a2  a1 t  a0
2
 t2
2
.
Приравнивая коэффициенты при равных степенях t в левой и
правой частях этого равенства получим:
c0 в2  c1в1  2c2 в0  a2 ;
с0 в1  2с1в0  a1 ;

c0 в0  a0 .
2
Из этих условий определим неизвестные коэффициенты:
в0 
a0
;
2c0
в1 
1
c0

c1a0 
 a1 
;
c0 

в2 
1
с0

c1a0  c2 a0 
c1 
 a2   a1 
.

c
c
c
0
0
0




Подставляем полученные значения коэффициентов в 0 , в1 , в 2 в
уравнение (7.12), получаем выражение для ошибки, справедливое для
следящего привода, обладающего астатизмом первого и более высокого порядка:
21*
312
(t ) 
1
c0

c1a0  c2 a0 
c1 
1
 
a2   a1 
 
c0 
c0  c0 
c0


ca 
a
 a1  1 0 t  0 t 2
c0 
2c0

или

c1a0 
c1a 0  c2 a0 
c1 
1 

 . (7.14)
a1 
  a2   a1 
c0 
c0 
c0 
c0  2c 0 

Это уравнение определяет ошибку привода после окончания переходного процесса при внешнем возмущении в виде угловой скорости  визирного устройства и углового ускорения
визирного
устройства.
 ó (t ) 
a0
1

c0
c0

С учетом того, что a0  0 , т.е. рассогласование в каждый момент времени складывается из величины, пропорциональной значению
угловой скорости, и величины пропорциональной угловому ускорению, этого уравнение перепишется в виде
 ó (t ) 
Подставим
в
a1
ca 
1
   a2  1 1  .
c0
c0 
c0 
(7.15)
уравнение
(7.15) значение коэффициентов
a1  c1  1; c0  k ; a2  c2  (Ta  Tдв ), окончательно получим выражение для рассогласования при равноускоренном движении нестабилизированного следящего привода
 у (t ) 

К

1
1
 Ta  Tдв    .
К
К
(7.16)
Эта формула показывает, что при заданных значениях угловой
скорости и углового ускорения ошибка данной системы определяется
величиной коэффициента усиления.
Рассматриваемый следящий привод устойчив, пока его добротность меньше, чем критическое значение. Так, например, если взять:
Т а  0,05с и Т дв  0,1с , то критическая добротность будет ровна:
К кр  78 1с . Такой привод будет обладать, если даже допустить, что его
добротность доведена до критической величины, недопустимо большим для артиллерийских установок рассогласованием в установившемся движении, т.е. кинематическая ошибка. Действительно, уже при
вращении прицельной станции со скоростью, равной   20 о , ошибка
с
313
достигает величины
кин 

Kкр

20  60
 20/ ,
78
при нулевой угловой скорости вращения оружия.
Фактически критическая добротность реального привода будет
ниже, чем вычисленная по выражению (7.10), из-за влияния ряда факторов, неучтенных при выводе уравнения системы. Кроме того, привод
должен обладать определенным запасом устойчивости. Следовательно, ошибка нестабилизированного следящего привода больше вычисленной и может достигать значения в несколько градусов.
Возможности повышения критической добротности за счет
уменьшения постоянных времени ЭМУ и двигателя весьма ограничены.
Теперь определим динамическую точность наведения следящего
привода
при
реальных
значениях
о
о
1 , получим
  30 ,   20 , Т а  0, 05с, Т дв  0,1с, к  30
с
с2
с
дин
30 1
1

 (0, 05  0,1  )20  1, 07 о .
30 30
30
Таким образом, с учетом запаса устойчивости системы динамическая ошибка будет еще больше. Такие ошибки нестабилизированного следящего привода для системы управления наводкой оружия ААУ
неприемлемы, с точки зрения эффективности боевого применения.
Уменьшение  y (t ) можно добиться лишь путем увеличения коэффициента усиления свыше его критического значения. Но при этом будет
нарушено условие устойчивости системы, система будет неустойчивой. По этим причинам следящий привод артиллерийской установки
обязательно должен содержать стабилизирующие (корректирующие)
цепи.
В качестве стабилизирующих цепей используются отрицательные обратные связи по производной от напряжения на якоре исполнительного двигателя (изодромная обратная связь от напряжения на якоре двигателя), по производной от скорости оружия (изодромная обратная связь от скорости оружия), корректирующая цепь по производной
от угла рассогласования и различные сочетания перечисленных цепей.
314
7.2. Анализ работы
электрического следящего привода
с обратной связью по производной от напряжения
на якоре исполнительного двигателя
Корректирующая цепь этого типа получила наиболее широкое
применение в ЭСП. Она осуществляется с помощью электрического
контура, построенного на базе пассивных линейных элементов: – резистора R и потенциометра C. Схема такого контура представлена на рисунке 7.2.
C
uдв
R uR
Рисунок 7.2. Схема контура RC
Передаточная функция контура RC определяется выражением
WRC ( p) 
u R ( p)
Tp

,
u äâ ( p) Tp  1
где T  RC – постоянная времени стабилизирующей цепи.
Из выражения для передаточной функции цепи RC следует, что
дифференцирование контуром RC связано с искажениями, которые тем
больше, чем больше Т. Эта цепь является отрицательной обратной связью. Звенья, поведение которых описывается передаточной функцией
такого вида, иногда называют изодромными.
Структурная схема следящего привода с обратной связью по
производной от напряжения на якоре исполнительного двигателя представлена на рисунке 7.3.
315
Tp
Tp  1

uc u R

kc
ky
uy
ka
Ta p  1
ua
k
дв
(T p  1) p
дв


Рисунок 7.3. Структурная схема ЭСП с обратной связью по производной от напряжения на якоре исполнительного двигателя
Сначала найдем передаточную функцию W ( p ) внутреннего контура, охваченного изодромной или гибкой обратной связью. Как
известно, передаточная функция участка системы, охваченного отрицательной обратной связью (ООС), выражается формулой
W ( p) 
где W1 ( p) 
k у ka
Ta p  1
W1 ( p)
,
1  W1 ( p)WRC ( p)
(7.17)
– передаточная функция участка системы, охва-
ченного обратной связью.
Произведя преобразования, получаем
W ( p ) 
k у ka (Tp  1)
(Ta p  1)(Tp  1)  k у k aTp
.
(7.18)
Передаточная функция разомкнутого следящего привода равна
kдв
.
(Tдв p  1)
Подставляя сюда значения W ( p) , находим
k (Tp  1)
W ( p) 
.
(Ta p  1)(Tp  1)  k у kaTp  (Tдв p  1) p
W ( p )  kcW ( p )
(7.19)
где k  kc k у ka kдв – общий коэффициент усиления или добротность системы.
316
Передаточная функция рассогласования имеет вид
S ( p) 
1
.
1  W ( p)
Тогда, подставляя сюда значение передаточной функции (7.19),
найдем
S ( p) 
(Ta p  1)(Tp  1)  k у kaTp  (Tдв p  1) p
. (7.20)
(Ta p  1)(Tp  1)  k у kaTp  (Tдв p  1) p  k (Tдв p  1)
Вводим следующие обозначения для коэффициентов уравнения:
a4  c4  TaTдвT ;
a3  c3  TaTдв  TaT  (1  k у ka )TдвT ;
a2  c2  Ta  Tдв  (1  k у ka )T ;
а1  1;
(7.21)
с1  1  kT ;
а0  0;
с0  k .
С учетом передаточной функции для сигнала рассогласования
ЭСП (7.20) можно записать дифференциальное уравнение, описывающее сигнал рассогласования
(c4 p 4  c3 p3  c2 p 2  c1 p  с0 )(t )  (a4 p 4  a3 p 3  a2 p 2  a1 p ) (t ). (7.22)
Исследуем устойчивость работы стабилизированного привода с
помощью критерия Раусса-Гурвица. Для уравнения четвертого порядка таблица коэффициентов Гурвица записывается следующим образом
c0 0 0 0
c2 c1 c0 0
с4 c3 c2 с1
.
0 0 c4 c3
Раскрывая определители Гурвица, получаем условие устойчивости
317
1  с3  0;
 2  с2 с3  с1с4  0;
 3  с1 2  с32 с0  0;
 4  с0  3  0.
По необходимому условию устойчивости сi>0, i=1,2,3,4. Из данных выражений видно, что для выполнения условия  4  0, необходимо, чтобы 3  0, с4  0 , а условия  3  0 требует, чтобы с1>0,
c3>o,  2  0 .
Таким образом, условие устойчивости по Гурвицу для системы
четвертого порядка можно сформулировать следующим образом: система устойчива, если все коэффициенты характеристического
уравнения положительны и выполняется неравенства:
с1 (c2 c3  c1c4 )  c0 c32  0,
(7.23)
то есть только 3  0.
Для выяснения роли стабилизирующей цепи найдем зависимость
критического коэффициента усиления системы от постоянной времени
Т. С этой целью подставим в неравенство (7.23) значения тех из коэффициентов (7.21) которые содержат k и произведем предельный переход, т.е. неравенство (7.23) заменим на равенство, а k заменим на Ккр в
результате будем иметь:
K êð
2
 2 c2 c3
c32 
cc
1

 K  2 32  2  0.
 

2  êð
c4T
T
 T c4T c4T 
(7.24)
Решая это квадратное уравнение, получим
2
c32 
c32 
cc
1  c2 c3 2
1  2 c2 c3
1


K êð  
 


 2 32  2 . (7.25)
 
2 
2
2  c4T T c4T 
4  T c4T c4T  c4T
T
Перед радикалом необходимо ставить только знак «+» на том
основании, что физический смысл для реальной системы имеет лишь
положительное значение коэффициента усиления.
Зависимость (7.25) максимально возможного коэффициента усиления (добротности) устойчивого привода от постоянной времени стабилизирующей цепи довольно сложна, так как каждый из входящих
сюда коэффициентов с2, с3, с4, в свою очередь зависит от Т. По этой
318
причине характер зависимости К кр (Т ) обычно просматривается для
конкретного числового примера.
Зададимся следующими величинами параметров следящего привода: Tа  0, 05 c, Tдв  0,1 c, k у ka  4 – это совместный коэффициент усиления звеньев, охваченных стабилизирующей цепью. Вычисленная при этих значениях зависимость Ккр(Т) изображена на рисунке
7.4.
Ккр,
1
c
550
400
Область
устойчивости привода
Кп
р
200
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Т, с
Рисунок 7.4. Зависимость добротности электрического
следящего привода
Заштрихованная область является областью устойчивости привода в плоскости параметров (К, Т). Из анализа зависимости можно
сделать следующие выводы относительно свойств изодромной обратной связи от напряжения на якоре исполнительного двигателя:
1. Обратная связь при малых значениях ее постоянной времени
несколько понижает устойчивость привода в сравнении с устойчивостью нестабилизированного привода. В рассматриваемом выше примере критическая добротность привода без гибкой обратной связи
K êð  30 1 . Введение обратной связи, например, с постоянной вреñ
мени стабилизирующей цепи Т=0,03с понижает добротность привода
до значения Ккр=20 1/с. Это объясняется тем, что при малом Т переда-
319
точная функция контура RC
W ( p) 
Tp
Tp  1
приближается к передаточной функции идеального дифференцирующего звена W(p)=Tp.
2. Увеличение постоянной времени Т дает быстрый рост критический добротности привод. Так при Т=0,15с критическая добротность
привода уже достигает значения K êð  250 1 .
ñ
При дальнейшем увеличении постоянной времени Т добротность увеличивается, асимптотически приближаясь к некоторому предельному значению Кпр. Найдем это значение. Для этого подставим
значения
с 2 , с3 , с 4
и найдем lim K кр приT   . После проведе-
ния указанных операций, получим
 1 1 kуk a 
K пр  

 (1  ka k у ) .
T
T
a
 дв

(7.26)
Увеличение постоянной времени Т приближает гибкую обратную связь к жесткой. В пределе, при Т   , изодромная обратная
связь превращается в жесткую отрицательную обратную связь, так как
lim
T 
Tp
 1.
Tp  1
На этом основании можно получить выражение для предельной
добротности более коротким путем, как критическую добротность
следящего привода, в котором усилитель и ЭМУ охвачены жесткой
отрицательной обратной связью.
Из сопоставления (7.26) и (7.10) видно, что рассматриваемая обратная связь дает большие возможности повышения добротности привода при условии, что добротность увеличивается за счет коэффициентов усиления звеньев, охваченных стабилизирующей целью. Так, при
принятом в настоящем примере значении kуkа=4 предельная добротность равна Кпр=550 1/с.
При анализе устойчивости ЭСП использовался критерий РауссаГурвица. Недостатком данного критерия является то, что он определяет лишь граничные условия устойчивости автоматической системы,
т.е. определяет лишь качественную сторону, не давая ответа на вопрос
о запасе устойчивости. Более наглядное представление о количественном изменении запаса устойчивости системы при изменении ее пара-
320
метров дают частные методы исследования, которые являются графоаналитическими и удобны для инженерных расчетов. Далее, используя
частные передаточные функции, рассмотрим критерий Найквиста, который позволяет судить о запасе устойчивости автоматической системы по частным характеристикам разомкнутой системы.
Критерий устойчивости Найквиста формируется следующим образом: если разомкнутая система устойчива (или нейтральна), то для
устойчивости замкнутой системы необходимо и достаточно, чтобы
амплитудно-фазовая характеристика (АФХ) разомкнутой системы
не охватывала точку на комплексной плоскости с координатами (-1;
j0).
На практике иногда бывает удобным воспользоваться так называемой обратной АФХ, которая представляет собой годограф вектора
изображающего на комплексной плоскости обратную частотную передаточную функцию при изменении частоты f от 0 до  E ( jf )  1 .
W ( jf )
В этом случае для устойчивости замкнутой системы необходимо
и достаточно, чтобы обратная АФХ разомкнутой системы охватывала
точку на комплексной плоскости с координатами (-1;j0).
Рассмотрим изменение обратной АФХ при переходе от нестабилизированного ЭСП к стабилизированному приводу. На основании
формул (7.1) и (7.19) запишем обратные частотные передаточные
функции разомкнутых систем.
Для нестабилизированного привода имеем
E* ( jf )  
Ta  Tдв 2 TaTдв f 2  1
f 
fj .
k
k
(7.27)
Для стабилизированного привода аналогичным путем получаем
E ( jf )  E* ( jf ) 
k у kaT ( jf )2 1  Tдв jf
k
1  Tjf
.
(7.28)
Умножив числитель и знаменатель дроби 1  Tдв j f на разность
1  Tj f
1-Tjf и затем приводя полученную комплексную величину к нормальному виду и учитывая что первое слагаемое, представляет собой обратную АФХ привода без гибкой ООС, окончательно получим АФХ
для стабилизированного привода
321
k у kaTf 2 1  TдвTf 2 k у kaTf 3 (T  Tдв )
E ( jf )  E* ( jf ) 

j .(7.29)
k
1 T 2 f 2
k (1  T 2 f 2 )
Полученное выражение показывает, что введение в схему следящего привода стабилизирующей обратной связи деформирует обратную АФХ системы. Каждая точка характеристики (рисунок 7.5)
смещается влево вдоль действительной оси и вверх или вниз вдоль
мнимой оси в зависимости от знака разности Т-Тдв. При достаточно
большом Т характеристика охватывает точку – 1 на действительной
оси и следящий привод при этом превращается из неустойчивого в
устойчивый.
jV
-1
0
U
E*(jf)
E*(jf)
Рисунок 7.5. Амплитудно-фазовые характеристики
систем
Качественную картину влияния стабилизирующей цепи на
устойчивость привода можно проследить также с помощью логарифмической амплитудной и фазовой частотной характеристик.
Существенной характеристикой действия стабилизирующей цепи является ее влияние на точность следящего привода. В первую очередь представляет интерес вопрос о влияние угла рассогласования на
типовых режимах работы привода, а именно, при установившемся
движении с постоянной скоростью и при движении с постоянным
ускорением.
Как указывалась ранее, типовой электрический следящий привод
артиллерийской установки представляет собой астатическую систему
первого порядка. Введение в такую схему изодромной обратной связи
322
не изменяет порядка астатизма. Это видно из выражения передаточной
функции (7.19), которая содержит в знаменателе множитель p в первой
степени. Соответственно этому, уравнение рассогласования (7.22)
имеет в правой части члены, пропорциональные производным от угла
 , начиная с первой производной, и не имеет члена пропорционального самому углу.
При вращении визирного устройства с постоянной угловой скоростью, равной  , процесс слежения оружия за визирным устройством приобретает установившийся характер, что дает основание в
уравнении (7.22) положить равным нулю все производные от угла рассогласования. Уравнение приобретает вид с0  а1 .
Подставляя сюда значения коэффициентов, получаем формулу
для определения величины угла рассогласования    / К , совпадающей с формулой для нестабилизированного следящего привода, обладающего равной добротностью.
Следовательно, изодромная обратная связь от напряжения на
якоре исполнительного двигателя не оказывает никакого влияния на
точность следящего привода в установившемся движении с постоянной скоростью. Такой вывод может быть сделан непосредственно из
рассмотрения физической картины работы привода. При вращении
оружия с постоянной угловой скоростью напряжение на щетках двигателя остается постоянным и в стабилизирующей цепи, содержащей
конденсатор, ток не протекает. Стабилизирующая цепь не участвует в
работе привода, но она резко увеличивает К.
Теперь проведем анализ равноускоренного режима работы, т.е.
при вращении визирного устройства с постоянным ускорением. После
подстановки в равенство (7.15) значений коэффициентов (7.21) получим выражение для рассогласования при равноускоренном движении в
приводе с изодромной обратной связью от напряжения на якоре исполнительного двигателя
дин (t ) 

K

1
1

 Ta  Tдв   k у kaT   .
K
K

(7.30)
Аналогично выражение было получено для нестабилизированного ЭСП
нест
дин
(t ) 

K

1
1
 Ta  Tдв    ,
K
K
где второе слагаемое возникает из-за инерционности системы, обу-
323
словливающей запаздывание оружия при ускоренном движении визирного устройства.
Сопоставляя выражения (7.30) и (7.16), находим, что стабилизирующая цепь создает для стабилизированного привода дополнительную ошибку, равную (k ó k àT ) / Ê .
Объясняется это тем, что возрастающее напряжение на якоре
исполнительного двигателя вызывает ток зарядки конденсатора стабилизирующей цепи. Напряжение, создаваемое изодромной обратной
связью, вычитается из напряжения сельсинной связи. Однако, ошибка
стабилизированного привода будет всегда меньше, чем у нестабилизированного, так как введение стабилизирующей цепи дает возможность
во много раз увеличить добротность системы.
7.3. Анализ работы электрического следящего
привода с обратной связью по производной
от скорости оружия
Изодромная отрицательная связь по производной от скорости
оружия конструктивно реализуется с помощью тахогенератора (ТГ),
вырабатывающего напряжение, пропорциональное скорости поворота
оружия и дифференцирующего звена RC (рисунок 7.6). В связи с искажением, вносимым контуром RC при дифференцировании, такая обратная связь иногда называется отрицательной обратной связью по искаженной производной от скорости оружия.
Т
Г
С
R1
umг
u1
R
pβ
Рисунок 7.6. Электрическая схема тахогенератора
324
uR
Тахогенератор это электромагнитный генератор тока, предназначенный для измерения частоты вращения валов машин и механизмов
(жестко связанных с ротором тахогенератора) по значению его э.д.с.
или частоты ЭДС.
Выходное напряжение тахогенератора uтг питает потенциометр
R1 служащий делителем напряжения. Часть этого напряжения, величину которого можно регулировать потенциометром R1 , дифференцируется контуром RC. Напряжение ur включается на вход ФЧУ навстречу
напряжению uc .
Напряжение u1 определяется выражением
u1  kтг  kтг p ,
где k тг – коэффициент пропорциональности, имеющий размерность
(Вс\град), зависящий от крутизны рабочей характеристикой ТГ, передаточного числа от оружия к ТГ и положения движка потенциометра R1 ;
 – угловая скорость движения оружия, равная производной от
угла поворота оружия   p .
Полагая запаздывание ТГ пренебрежимо малым, передаточная
функция его может быть записана в виде
Wтг ( p) 
u1 ( p)
 kтг p.
 ( p)
Структурная схема ЭСП с изодромной отрицательной связью по
производной от скорости оружия показана на рисунке 7.7. Следует обратить внимание на то положение, что между изодромной обратной
связью по напряжению на якоре двигателя и изодромной обратной связью от скорости оружия нет принципиальной разницы. Различие заключается только в числе инерционных звеньев, охваченных изодромной связью. В первом случае охвачено одно инерционное звено, во втором случае – два звена.
Найдем передаточную функцию участка прямой цепи разомкнутого следящего привода, охваченного обратной связью. Она выражается формулой
325


kc

uc
uc
k mã p
uy
uR
ky
uc

u1
Tp
Tp  1
ua
ka
Ta p  1
kдв
(Tдв p  1) p

Рисунок 7.7. Структурная схема ЭСП с изодромной обратной связью от скорости оружия
W1 ( p) 
k у ka kдв
(T a p  1)(Tдв p  1) p
.
Аналогично находим передаточную функцию гибкой обратной
связи
W2 ( p) 
kтгTp 2
.
Tp  1
Тогда, передаточная функция внутреннего контура, охваченного
гибкой обратной связью, может быть записана в виде
W ( p) 
k у ka kдв (Tp  1)
W1 ( p)
.

1  W1 ( p)W2 ( p) (Ta p  1)(Tдв p  1)(Tp  1)  k у kтг ka kдвTp  p
Передаточная функция разомкнутой системы (ЭСП) равна
W ( p)  kcW ( p) 
kc k у ka kдв (Tp  1)
(Ta p  1)(Tдв p  1)(Tp  1)  k у kтг ka kдвTp  p
k
.
Обозначим: k  kc k у ka kдв откуда k у ka kдв 
kc
.
На основании передаточной функции разомкнутого привода
находим передаточную функцию для сигнала рассогласования
S ( p) 
(Ta p  1)(Tдв p  1)(Tp  1)  k у kтг ka kдвTp  p
( p)
1


 ( p) 1  W ( p) (Ta p  1)(Tдв p  1)(Tp  1)  k у kтг ka kдвTp  p  k (Tp  1)
22. Изд. №9872
326
Которая дает возможность записать уравнение
(TTaTдв p4  TaTдв p3  TaTp3  Ta p2  TдвTp3  Tдв p 2  Tp 2  p  k у kтг kakдвTp 2 ) (t ) 
 (TTaTдв p4  TaTдв p3  TaTp3  Ta p2  TдвTp3  Tдв p 2  Tp 2  p  k уkтгkakдвTp 2  kTp  k )(t ).
Вводим следующие обозначения:
c4  a4  TTaTдв ;
c3  a3  TaTдв  TaT  TдвT ;
c2  a2  Ta  Tдв  (1  k у kтг ka kдв )T ;
с1  1  kT ;
(7.31)
c0  k ;
a1  1;
a0  0.
Таким образом, дифференциальное уравнение рассогласования
может быть записано в виде
с p
4
4
 c3 p 3  c2 p 2  c1 p  c0  (t )   a4 p 4  a3 p 3  a2 p 2  a1 p   (t )
Сопоставляя данное уравнение с уравнением (7.4) для нестабилизированного привода, можно сделать вывод, что включение в следящий
привод изодромной обратной связи по производной от угловой скорости оружия приводит к повышению на единицу порядка дифференциального уравнения системы и к появлению в правой части уравнения
слагаемого, пропорционального производной от входной величины.
Отметим следующий факт, что принципиального различия между
изодромными отрицательными связями по напряжению на якоре исполнительного двигателя и по производной от скорости оружия нет.
Действительно, разбив приводной двигатель на два последовательно
соединенных звена: инерционное и интегрирующее, как показано на
рисунке 7.8, и взяв обратную связь от промежутка между этими звеньями, получим систему, совершенно равноценную системе, изображенной на рисунке 7.7. В этом можно убедиться, найдя передаточную
функцию системы, в которой изодромной связью с передаточной функk тг Tp
цией
охвачены два инерционных звена.
Tp  1
327
kmãTp
Tp  1

uc u R

kc
uc
uy
ky
ka
Ta p  1
ua
uc
kдв
(Tдв p  1) p
1
p


Рисунок 7.8 – Структурная схема ЭСП с изодромной обратной
связью от скорости оружия
Физически эквивалентность схем вытекает из факта, что выходная величина второго инерционного звена (рисунок 7.7) пропускается
через интегрирующее звено 1/p, а затем – через дифференцирующее
звено kтг p. Следовательно, действие этих звеньев взаимно компенсируется и можно непосредственно пропустить выходную величину второго
инерционного звена через изодромную связь kтг Tp .
Tp  1
Имея передаточные функции всех звеньев, можно по известной
методике получить в конечном счете выражение для критического коэффициента усиления и убедиться в том, что полученное выше выражение (7.25) также справедливо для рассматриваемой системы, т.е.
2
c2 
c2 
cc
1c c 2
1  2 c2 c3
1
 
K êð   2 3   23  
 23   22 3  2 .
2  Tc4 T T c4 
4  T Tc4 T c4  T c4 T
Для определения предельной добротности Kпр необходимо поставить в выражение значение коэффициентов с2 , c3 , c4 и затем найти
предел при Т   .
Более короткий путь для отыскания Kпр состоит в том, что в схеме, изображенной на рисунке 7.7, оператор
Tp заменяется единиTp  1
цей и затем находится критическая добротность для такой схемы. Проделав указанные операции, получим
22*
328
 1
1
K пр  
  (1  ka kдв k у kтг ) .
 Tдв Ta 
(7.32)
Рассмотрим особенности работы данного ЭСП в переходный период при следующих условиях:
Ta  0,05c, Tдв  0,1c, k у kа kдв  4 град.
сВ .
Вычисленная при этих значениях зависимость Ккр=f(Т) изображена на рисунке 7.9, при различных значениях коэффициент тахогенератора kтг.
Ккр, 1/с
1
300
Кmг=2,0 Вс/гр
2
200
100
Т1
0,2
0,1
Т2
Т3
Кmг=1,5 Вс/гр
3
КПР
4
1
0,3
КПР2
Кmг=1,0 Вс/гр
Кmг=0,5 Вс/гр
0,4
0,5
Т, с
Т
4
Рисунок 7.9. Зависимость добротности Ккр от постоянной времени Т
Из вида кривых можно сделать вывод, что при фиксированном
значении k тг критическая добротность следящего привода с увеличением Т быстро растет, достигая максимального величины, и затем мед-
329
ленно подает асимптотически стремясь к постоянному предельному
значению К пр . Каждому значению k тг соответствует определенное
значение Т (на рисунке это точки Тi), обеспечивающее наибольшую
устойчивость привода.
Из выражения для Кпр (7.32) следует, что изодромная связь по
производной от скорости оружия даст возможность получить сколь
угодно большую добротность привода либо за счет увеличения коэффициентов усиления звеньев, охваченных этой связью (kу,ka,kдв), либо за
счет увеличения коэффициента усиления неохваченного этой связью kc,
при одновременном увеличении коэффициента kтг. Предельное значение Кпр соответствует схеме, в которой два инерционных звена охвачены жесткой отрицательной обратной связью.
Для большей наглядности влияния рассматриваемой изодромной
связи на устойчивость ЭСП обратимся, как и ранее к методу Найквиста.
Обратная АФХ на основании передаточной функции разомкнутой системы запишется в виде
E ( jf )  
Ta  Tдв 2 kтг
(TaTдв f 2  1)
kтг
f2
f3
f 
T

fj

T
j.
k
k c 1 T 2 f 2
k
k c 1 T 2 f 2
Из анализа этой формулы следует, что введение изодромной связи по производной от скорости оружия перемещает каждую точку обратной АФХ на плоскости влево вдоль действительной оси и только
вверх вдоль мнимой оси. Рассмотрим числовой пример при тех же исходных данных, что и в примере рассмотренном выше, с добовлением
значения К=120 1/с. Результаты расчета представлены в виде графиков
на рисунке 7.10.
Из графика видно как происходит превращение привода из неустойчивой в устойчивую и как происходит уменьшение устойчивости
привода после перехода постоянной времени Т за некоторую оптимальную величину (Т=0,1с), соответствующую наибольшей устойчивости. Характеристика при Т=0,2с пересекает действительную ось правее,
чем характеристика Т=0,1с.
330
jV
30
1
30
-1
0
30
30
U
-1
(значение частоты f)
Т=0,2
Т=0,01
Т=0,1
Т=0
Рисунок 7.10. Амплитудно-фазовая
характеристика ЭСП
Рассматриваемая обратная связь не оказывает никакого влияния
на величину рассогласования в установившемся режиме вращения визирного устройства с постоянной скоростью. Напряжение ТГ остается
постоянным и в силу этого в стабилизирующей цепи, содержащей конденсатор, ток отсутствует.
При вращении визирного устройства с постоянным ускорением
обратная связь создает дополнительное рассогласование.
Действительно, если подставить в выражение рассогласования
 ó (t ) 
a1
ca 
1
   a2  1 1  ,
c0
c0 
c0 
которое справедливо и для данной схемы, остающейся при наличии
рассматриваемой связи системой с астатизмом первого порядка, значения соответствующих коэффициентов a1 , a 2 , c0 , c1 из уравнения
рассогласования для рассматриваемого следящего привода, то получим
дин (t ) 

K

kтг
1
1
T .
 Ta  Tдв    
K
K
kc
Отсюда следует, что при равноускоренном движении визирного
устройства за счет действия обратной связи образуется дополнительная
331
составляющая ошибки  , пропорциональная коэффициенту усиления ТГ и постоянной времени дифференцирующего звена, т.е. при
вращении визирного устройства с постоянным ускорением обратная
связь создает дополнительное рассогласование
 
ka kдв k у kтг
K
T 
kтг
T .
kc
Однако величина этого дополнительного рассогласования мала, из-за большого значения К. Недостатки такой цепи стабилизации
отмечены в пункте 7.5.
7.4. Анализ работы электрического следящего
привода с обратной связью от напряжения
на якоре двигателя и от скорости оружия
Изодромная обратная связь по производной от напряжения на
якоре исполнительного двигателя и по производной от скорости оружия является реализацией стабилизирующей цепи смешанного типа, в
которой на вход сервоусилителя через звено RC подается сумма двух
umг
Tp
Tp  1


kc
uc
uR
uy
ky
ka
Ta p  1
ua
kmã p
kдв
(Tдв p  1) p


Рисунок 7.11. Структурная схема ЭСП с изодромной обратной связью
от напряжения на якоре двигателя и от скорости оружия
напряжений: напряжение на якоре исполнительного двигателя и
напряжение, пропорциональное скорости оружия (рисунок 7.11).
Напряжение, пропорциональное скорости оружия, создается ТГ с коэффициентом усилия k тг . Cуммирование напряжений может быть выполнено путем последовательного включения напряжений, снятых с
332
якоря исполнительного двигателя и с регулировочного потенциометра
ТГ.
Очевидно, что такая схема является соединением двух рассмотренных выше схем.
Для получения передаточной функции следящего привода удобно
перестроить структурную схему в форме, изображенной на рисунке
7.12.
Tp
Tp  1
umг
uc
k mã p
Tp
Tp  1



kc
uc
uR1
uR 2
uc uc
uy
ky
uc
ka
Ta p  1
ua
uc
kдв
(Tдв p  1) p

Рисунок 7.12. Структурная схема ЭСП с изодромной обратной
связью от напряжения
на якоре двигателя и скорости оружия
Предельная критическая добротность K пр для рассматриваемой
системы стабилизации имеет вид
 1 1  k у ka 
Kпр  

 (1  k у ka  k у kтг ka kдв ).
T
T
a
 дв

Применение двойной обратной связи имеет смысл в тех случаях,
когда желательно получить высокую добротность следящего привода
за счет увеличения
коэффициента усиления сельсинной связи k c . Так как возможности
увеличения коэффициента усиления ТГ ограничены его номинальными
оборотами, которые должны достигаться при максимальной скорости
оружия, и номинальным напряжением ТГ, то может оказаться, что ни
одна из рассмотренных выше систем в отдельности не способна обеспечить устойчивость привода. Двойная обратная связь не вызывает
333
усложнения конструкции следящего привода в сравнении со схемой
изодромной обратной связи от скорости оружия.
Точность следящего привода с изодромной обратной связью от
напряжения на якоре исполнительного двигателя и от скорости оружия
определяется выражением для величины рассогласования при равномерно-ускоренном движении оружия

1
1

 Ta  Tдв   k у kaT  k у kтг ka kдвT   ,
K K
K

из которого следует, что дополнительная ошибка , вносимая обратдин (t ) 

ной связью, равна сумме дополнительных ошибок, вносимых каждой
из этих связей в отдельности
 
1
(k у kaT  k у kтг ka kдвT ) .
K
Однако, как и ранее, числовое значение ошибки не велико. Очевидно, что при установившемся движении с постоянной скоростью дополнительная ошибка от действия обратной связи не возникает. Недостатки данной цепи стабилизации отмечены в пункте 7.5.
7.5. Анализ работы электрического следящего
привода с обратной связью по производной
от угла рассогласования
Стабилизирующая цепь по производной от рассогласования содержит два ТГ. Первый из них устанавливается на визирном устройстве
и создает напряжение uтг1 пропорциональное скорости вращения последней,
uтг1  kтг p .
Второй ТГ монтируется на установке и его напряжение пропорционально угловой скорости оружия
uтг 2  kтг p .
При регулировании системы уравниваются коэффициенты усиления обоих тахогенераторов. ТГ включены последовательно таким образом, что напряжение второго ТГ вычиталось из напряжения первого
ТГ. Разность напряжений, пропорциональная производной от угла рассогласования,
uтг  uтг1  uтг 2  kтг ( p  p )  kтг p
334
подается на вход сервоусилителя, где суммируется с напряжением рассогласования
uc .
umг 2
umг1
kmг p


uc
uc u R
uc
kc
kmг p
uy
ky

ka
Ta p  1
ua
kдв
(Tдв p  1) p

Рисунок 7.13. Структурная схема ЭСП со стабилизирующей цепью по
производной от рассогласования
Структурная схема следящего привода, снабженного стабилизирующей цепью рассматриваемого типа, изображена на рисунке 7.13.
Для отыскания передаточной функции системы можно воспользоваться очевидным соотношением, что выходная величина  равна
произведению сигнала на входе в сервоусилитель на оператор промежуточного звена. Сигнал на входе в сервоусилитель равен
kc   kòã p.
Таким образом,
(kc   k тг p)
k у ka kдв
(Ta p  1)(Tдв p  1) p
.
Выражение для критической добротности привода со стабилизирующей цепью по производной от рассогласования имеет вид
 1
1
K кр  
  (1  k у ka kдв kтг ) ,
 Tдв Ta 
из анализа, которого можно сделать вывод, что данная стабилизирующая цепь дает возможность получить устойчивый следящий привод со
сколь угодно большой добротностью. С этой целью необходимо либо
увеличивать коэффициент усиления звеньев, охваченных обратной связью, являющейся частью стабилизирующей цепи, либо увеличивать k c
335
и одновременно повышать коэффициент усиления стабилизирующей
цепи kтг .
Представляет интерес вопрос о влиянии данной системы стабилизации на точность следящего привода при типовых режимах движения визирного устройства. При движении визирного устройства с постоянной скоростью стабилизирующая цепь не оказывает никакого
влияния на работу привода. Действительно, ТГ визирного устройства и
ТГ установки создают при этом равные напряжения, направленные
навстречу друг другу. Суммарное напряжение равно нулю и, следовательно, ошибка в установившемся режиме не связана с наличием стабилизации по производной от рассогласования.
При равноускоренном движении данная система не увеличивает
ошибки, а уменьшает ее на величину
 
K1
.
K2
Это видно из выражения для динамической ошибки
дин (t ) 

K

1
1 K1 
 Ta  Tдв     ,
K
K K 
где K  kc k у ka kдв , K1  kT k у ka kдв .
В этом проявляется форсирующий эффект такой системы, физическая картина которого объясняется просто. Рассогласование, возрастающее с течением времени при ускоренном движении, вызывает дополнительный сигнал, складывающийся с сигналом сельсинной связи.
Привод установки разгоняется под действием суммы этих напряжений
и соответственно его разгон протекает быстрее, чем это было бы при
наличии только напряжения сельсинной связи. Ускоренный разгон
оружия ведет к тому, что оно в меньшей степени отстает от движения
визирного устройства, т.е. следует за визирным устройством с меньшим рассогласованием.
Однако такого эффекта достигаем при идеальной работе тахогенераторов. Но тахогенераторы, как электромеханические устройства
подвержены износу, окислению, изменению значений коэффициентов
усиления и др. То есть рассмотренная цепь стабилизации, как и другие,
использующие тахогенераторы, обладает нестабильностью в работе.
По этим причинам в настоящее время практически применяется
электрический следящий привод с цепью стабилизации, выполненной
на статических элементах – резисторах и конденсаторах.
336
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Успехи в развитии военной авиации и ее средств поражения, в
том числе авиационного артиллерийского вооружения, определяются
прежде всего материально-технической базой обеспечивающей все необходимые условии для плодотворной работы наших ученых и конструкторов.
Наряду с разработкой более совершенных авиационных прицельных систем, систем управления стрельбой из артиллерийских установок, авиационное артиллерийское оружие непрерывно развивается и
совершенствуется. В послевоенный период развития, и особенно в
восьмидесятые годы, в нашей стране разработана стройная научно
обоснованная система артиллерийского оружия, предназначенная для
решения возрастающих объемов задач самолетов и вертолетов различных типов.
Современное состояние авиационного артиллерийского оружия
определяется большим количеством образцов оружия различных типов,
схем и калибров (пушки, пулеметы и гранатометы; обычная, барабанная, двуствольная и многоствольная схемы оружия; калибры 7,62, 12,7,
23 и 30 мм). В широких диапазонах изменяются темп стрельбы, баллистические, массовые и габаритные характеристики этих образцов.
Прежде всего это связано с большим объемом решаемых задач по эффективному поражению различных целей в широком диапазоне условий боевого применения авиации и выполнением особых требований к
оружию, предназначенному для размещения на неподвижных и подвижных, встроенных и съемных установках летательных аппаратов
различных типов.
При разработке современных образцов авиационного артиллерийского оружия большое внимание уделяется вопросам унификации и
стандартизации. С этой целью все авиационные образцы оружия разрабатываются на основе системы единых типов боеприпасов. Так, на основе патронов типа АМ-ГШ разработаны пушки ГШ-23 и ГШ-6-23, на
основе патронов типа АО-18А пушки ГШ-6-ЗОА, ГШ-30, ГШ-301.
Отдельные базовые типы патронов и образцы авиационного оружия унифицированы по элементам с соответствующими наземными и
корабельными образцами. Например, авиационная пушка ГШ-6-ЗОА
разработана на основе корабельной пушки. Патроны к этим пушкам
имеют унифицированные гильзу, корпус снаряда и электрокапсюльную
втулку и взаимозаменяемы по условию нормального функционирова-
337
ния в автоматике этих пушек. Для стрельбы из пулемета ГШГ-7,62 используются те же винтовочные патроны, что и для пулеметов сухопутных войск ПК, ИКС, ПКБ и ПКТ (пулеметы Калашникова; ручной,
станковый, бронетранспортерный и танковый).
В последние годы в развитии авиационного артиллерийского
оружия определились направления, основными из которых являются:
разработка и широкое применение многоствольного и двуствольного
оружия, т. е. новых схем оружия; разработка и широкое использование
пулеметов и пушек для вооружения вертолетов; применение в авиации
гранатометов, т. е. новых типов артиллерийского оружия; разработка
(или модернизация) образцов, имеющих механизмы селективного питания патронами из двух натронных ящиков (2А42 и 2А72), и образцов,
приспособленных для работы с без звеньевой системой питания; разработка образцов для решения специальных задач, например, активнореактивных пушек и патронов к ним; расширение номенклатуры типов
применяемых снарядов, например, приняты на вооружения многоэлементные снаряды калибра 23 мм и 30 мм.
В настоящее время в ряде стран продолжаются исследования по
изысканию новых схем оружия (многоствольных пушек с неподвижными стволами, оружия с открытыми патронниками др.), а также более
мощных метательных и взрывчатых веществ для применения в патронах. Разрабатываются возможности сообщения больших скоростей
снарядам с использованием новых физических принципов, например,
за счет использования взрывчатых веществ или электромагнитной
энергии.
Таким образом, в настоящее время дальнейшее развитие и совершенствование авиационного артиллерийского оружия интенсивно
продолжается. Вместе с тем с внедрением двуствольных и многоствольных образцов оружия существенно расширился круг теоретических вопросов и объем необходимых знаний по основам расчета и проектирования этих образцов. Большая номенклатура, разнообразие типов и схем оружия усложняют вопросы детального изучения их конструкции и принципов действия. Кроме того, современные образцы,
достаточно сложные по конструкции, требуют более высокого уровня
организации их эксплуатации, выполнения дополнительных, характерных только для этих образцов, правил техники безопасности.
Все отмеченные факторы обязывают каждого специалиста по
авиационному вооружению в совершенстве знать современные образцы
оружия, особенности их эксплуатации и боевого применения, правиль-
338
но эксплуатировать и неукоснительно выполнять правила техники безопасности при работе с оружием и патронами. Только в этом случае
могут быть выполнены требования Министра обороны и Главнокомандующего ВВС по безаварийной работе в частях без чрезвычайных и
летных происшествий и предпосылок к ним.
Изложенные в настоящем учебнике теоретические основы построения, многообразие функций и современное состояние артиллерийских установок авиационного вооружения показывают, что данная
часть комплекса авиационного вооружения в значительной мере определяет боевую готовность и эффективность летательного аппарата в
целом.
Перспективным направлением дальнейшего повышения боевой
эффективности самолетов штурмовиков при применении артиллерийского оружия является внедрение на них встроенных подвижных артиллерийских установок, в том числе установок, обеспечивающих возможность стрельбы по наземным целям назад. При этом важное значение имеет одновременное увеличение точности работы их следящих
приводов, переход к приводам с цифровым управлением.
Надежность и эксплуатационная технологичность артиллерийских установок могут быть повышены за счет внедрения на них без
звеньевой системы питания оружия патронами и применения более современных образцов оружия.
Не утратили своей актуальности и традиционные направления
развития установок авиационного вооружения, связанные с увеличением боекомплекта установок, ослаблением их влияния на летнотактические характеристики ЛА и повышением безопасности боевого
применения авиационного артиллерийского оружия.
Для реализации перечисленных направлений требуется всестороннее и глубокое исследование условий взаимного аэродинамического влияния установки и ЛА, безопасных режимов боевого применения,
изыскание рациональных конструктивных схем установок. Проведение таких исследований, в свою очередь, сопряжено с необходимостью создания соответствующих математических и физических моделей, эффективных расчетных методик и постановки широких экспериментов.
339