Warunki pracy luf i związane z tym zagadnienia wytrzymałości i żywotności. / Марек Радомски. Условия работы артиллерийских стволов и связанные с ними вопросы прочности и живучести

57 Pages·0.391 MB·Polish

by  Marek Radomski.

WARUNKI PRACY LUF I ZWI(cid:1)ZANE Z TYM ZAGADNIENIA
WYTRZYMAŁO(cid:2)CI I (cid:3)YWOTNO(cid:2)CI
Marek Radomski
Instytut Mechaniki i Konstrukcji, Politechnika Warszawska
Opublikowano w materiałach Konferencji Naukowej "Problemy badawcze technologii wytwarzania luf
artyleryjskich", Warszawa 1997, s. 90-170, Informator WITPiS, Nr 47
W pracy omówiono zjawiska zachodz(cid:1)ce w lufie podczas strzału i zwi(cid:1)zany z nimi mechanizm zu(cid:2)ycia
lufy. Przedstawiono sposoby zabezpieczania materiału lufy przed niekorzystnym oddziaływaniem gazów
powybuchowych i pier(cid:3)cienia wiod(cid:1)cego. Praca zawiera tak(cid:2)e przegl(cid:1)d rozwi(cid:1)za(cid:4) konstrukcyjnych luf, dla
ka(cid:2)dego rozwi(cid:1)zania opisano stosowane kryteria wytrzymało(cid:3)ciowe i algorytm oblicze(cid:4). W konkluzji
przedstawiono wymagania stawiane materiałom stosowanym do produkcji luf.
1. WARUNKI PRACY STALI LUFOWYCH
1.1. PRZEGL(cid:1)D ISTNIEJ(cid:1)CYCH ROZWI(cid:1)ZA(cid:4) SPRZ(cid:5)TU UZBROJENIA
ARTYLERYJSKIEGO
Bro(cid:4) palna jest i jak si(cid:5) wydaje b(cid:5)dzie jednym z podstawowych (cid:3)rodków walki.
Spo(cid:3)ród rodzajów broni palnej poczesne miejsce zajmuje lufowa bro(cid:4) artyleryjska, która jest
przeznaczona do niszczenia pociskami siły (cid:2)ywej, sprz(cid:5)tu bojowego i budowli obronnych
nieprzyjaciela. Współczesna artyleria posiada du(cid:2)(cid:1) ilo(cid:3)(cid:6) ró(cid:2)nego rodzaju broni artyleryjskiej,
co wynika z ró(cid:2)norodno(cid:3)ci zada(cid:4) bojowych. Klasyfikacji broni artyleryjskiej dokonuje si(cid:5) wg
ró(cid:2)nych cech. Wg konstrukcji przewodu lufy - na gwintowan(cid:1) i gładkolufow(cid:1); wg miejsca
działania i charakteru celi - na l(cid:1)dow(cid:1), przeciwlotnicz(cid:1), czołgow(cid:1), lotnicz(cid:1), nadbrze(cid:2)n(cid:1) i
morsk(cid:1); wg sposobu transportu - na wo(cid:2)on(cid:1) lub holowan(cid:1) i samobie(cid:2)n(cid:1); wg organizacyjnej
przynale(cid:2)no(cid:3)ci - na batalionow(cid:1), pułkow(cid:1), dywizyjn(cid:1) itd. Wszystkie działa artyleryjskie
dzieli si(cid:5) wg kalibru na działa małego kalibru (20 do 85mm), (cid:3)redniego kalibru (85 do
155mm) i du(cid:2)ego kalibru (powy(cid:2)ej 155mm).
Artyleria lufowa posiada nast(cid:5)puj(cid:1)ce podstawowe działa :
a) armaty - długo(cid:3)(cid:6) lufy 40 do ok. 90 kalibrów;
b) haubice - długo(cid:3)(cid:6) lufy 20 do 30 kalibrów;
c) haubicoarmaty - długo(cid:3)(cid:6) lufy 30 do 50 kalibrów (strzelaj(cid:1)c ładunkiem miotaj(cid:1)cym pełnym
spełniaj(cid:1) rol(cid:5) armaty, za(cid:3) ładunkiem miotaj(cid:1)cym zmniejszonym rol(cid:5) haubicy);
d) mo(cid:7)dzierze - długo(cid:3)(cid:6) lufy poni(cid:2)ej 15 kalibrów;
e)działa bezodrzutowe.
Armaty, haubice i haubicoarmaty posiadaj(cid:1) przewód lufy gwintowany. Wyj(cid:1)tkiem od
tej reguły s(cid:1) nowsze konstrukcje armat czołgowych. Natomiast mo(cid:7)dzierze i działa
bezodrzutowe maj(cid:1)zazwyczaj gładki przewód lufy.
W odró(cid:2)nieniu od innych dział armaty charakteryzuj(cid:1) si(cid:5) najwi(cid:5)kszymi pr(cid:5)dko(cid:3)ciami
pocz(cid:1)tkowymi pocisku, które dochodz(cid:1) do 1500m/s, a dla pocisków podkalibrowych nawet
do 1900m/s. Przoduj(cid:1) pod tym wzgl(cid:5)dem armaty czołgowe oraz automatyczne armaty o
kalibrach od 20 do 40mm, które charakteryzuj(cid:1) si(cid:5) ponadto du(cid:2)(cid:1) szybkostrzelno(cid:3)ci(cid:1)
dochodz(cid:1)c(cid:1) do 1000 strzałów na minut(cid:5).
1
Marek Radomski
Pr(cid:1)dko(cid:2)ci pocz(cid:3)tkowe pocisku wystrzelonego z haubicy wahaj(cid:3) si(cid:1) w granicach 500
do 900 m/s, przy strzelaniu ładunkiem pełnym i mog(cid:3) by(cid:4) zmniejszane poprzez zmniejszenie
masy ładunku miotaj(cid:3)cego.
Mo(cid:5)dzierze przeznaczone s(cid:3) do strzelania do celów naziemnych znajduj(cid:3)cych si(cid:1) w
odległo(cid:2)ci do ok. 8000m od stanowiska ogniowego. Z tego te(cid:6) wzgl(cid:1)du strzelaj(cid:3) torami
bardzo stromymi (k(cid:3)t rzutu 45o do 80o), a pr(cid:1)dko(cid:2)(cid:4) pocz(cid:3)tkowa pocisku nie przekracza
zazwyczaj 400m/s.
Działo artyleryjskie mo(cid:6)na traktowa(cid:4) jako maszyn(cid:1) ciepln(cid:3) słu(cid:6)(cid:3)c(cid:3) do miotania
pocisków z okre(cid:2)lon(cid:3) pr(cid:1)dko(cid:2)ci(cid:3) pocz(cid:3)tkow(cid:3) i w okre(cid:2)lonym kierunku. Sprawno(cid:2)(cid:4)
energetyczna dział waha si(cid:1) od 15 do 40%, przy czasie trwania wystrzału wynosz(cid:3)cym od
kilku do kilkudziesi(cid:1)ciu milisekund. Zatem działo artyleryjskie jest maszyn(cid:3) ciepln(cid:3) o bardzo
du(cid:6)ej mocy. Np. armata przeciwlotnicza kal. 35mm ma moc ok. 63MW, armata czołgowa
kal. 125mm - 1175MW, za(cid:2) najwi(cid:1)ksza armata, jak(cid:3) kiedykolwiek zbudowano i u(cid:6)ywano na
polu walki, tj. armata Gustav kal. 800mm, posiadała moc 20164MW.
W tablicy 1 zestawiono charakterystyki energetyczne, które s(cid:3) reprezentatywne dla
poszczególnych typów dział. Szczegółowe zestawienie b(cid:1)d(cid:3)cej aktualnie na uzbrojeniu
lufowej broni artyleryjskiej zawiera praca [4].
1.2. PRZEWIDYWANE KIERUNKI ROZWOJU ARTYLERII
Przegl(cid:3)d literatury, a szczególnie referatów prezentowanych na kilku ostatnich
Mi(cid:1)dzynarodowych Sympozjach Balistyki (lata 1992 do 1996) wskazuje, (cid:6)e dalszy rozwój
artylerii b(cid:1)dzie post(cid:1)pował w kierunku maj(cid:3)cym na celu zwi(cid:1)kszenie pr(cid:1)dko(cid:2)ci pocz(cid:3)tkowej
pocisku, a co za tym idzie i jego energii kinetycznej. Jak si(cid:1) wydaje, trend ten jest
podyktowany d(cid:3)(cid:6)eniem do zwi(cid:1)kszenia efektywno(cid:2)ci sprz(cid:1)tu uzbrojenia. W przypadku armat
czołgowych i armat instalowanych w bojowych wozach piechoty wynika to bezpo(cid:2)rednio z
d(cid:3)(cid:6)enia do zapewnienia przebijalno(cid:2)ci pancerzy o zło(cid:6)onej konstrukcji, jak jedno- i
wielowarstwowe, kompozytowe, reaktywne, pasywne, nakładane itp. Obserwowan(cid:3) tendencj(cid:3)
jest osi(cid:3)gni(cid:1)cie przez opuszczaj(cid:3)cy przewód lufy pocisk pr(cid:1)dko(cid:2)ci równej ok. 2,5 do 3,0km/s.
Natomiast w przypadku pozostałych dział zwi(cid:1)kszenie pr(cid:1)dko(cid:2)ci pocz(cid:3)tkowej pocisku ma
zazwyczaj na celu zwi(cid:1)kszenie dono(cid:2)no(cid:2)ci, jak równie(cid:6) zmniejszenie czasu lotu pocisku na
okre(cid:2)lon(cid:3) dono(cid:2)no(cid:2)(cid:4), co ma szczególne znaczenie podczas strzelania do celów powietrznych.
Wydaje si(cid:1), (cid:6)e spo(cid:2)ród wymienionych przyczyn d(cid:3)(cid:6)enia do zwi(cid:1)kszenia pr(cid:1)dko(cid:2)ci
pocz(cid:3)tkowej pocisku na plan pierwszy wysuwa si(cid:1) konieczno(cid:2)(cid:4) zapewnienia przebijalno(cid:2)ci
pancerzy o zło(cid:6)onej konstrukcji, gdy(cid:6) zadania bojowe polegaj(cid:3)ce na obezwładnianiu celów
powierzchniowych rozlokowanych na du(cid:6)ych odległo(cid:2)ciach od wojsk własnych i celów
powietrznych poło(cid:6)onych w odległo(cid:2)ci ponad 4km od stanowiska ogniowego przejmie
artyleria rakietowa, która coraz cz(cid:1)(cid:2)ciej jest wyposa(cid:6)ana w inteligentne pociski rakietowe.
Tez(cid:1) t(cid:1) mo(cid:6)na uzasadni(cid:4) porównuj(cid:3)c warto(cid:2)ci prawdopodobie(cid:7)stwa wykonania zadania
bojowego z u(cid:6)yciem lufowej i rakietowej broni artyleryjskiej (patrz np. praca [5]).
Praktycznym wyrazem tej tendencji jest obserwowany rozwój systemów obrony
przeciwlotniczej (ADATS, TUNGUZKA).
Rozwój lufowej broni artyleryjskiej nale(cid:6)y analizowa(cid:4) w dwóch horyzontach
czasowych. Wydaje si(cid:1), (cid:6)e w najbli(cid:6)szej przyszło(cid:2)ci, tj. 10 do 15 lat, prace b(cid:1)d(cid:3)
koncentrowały si(cid:1) głównie na modernizacji istniej(cid:3)cego sprz(cid:1)tu uzbrojenia, ze wzgl(cid:1)du na
zwolnienie tempa wy(cid:2)cigu zbroje(cid:7). Rozpad ZSRR i rozwi(cid:3)zanie Układu Warszawskiego
wpłyn(cid:1)ło bowiem na obni(cid:6)enie nakładów na zbrojenia [6].
2
Marek Radomski
Tablica 1. Charakterystyki energetyczne dla wybranych typów dział1)
Typ i masa Pr(cid:1)dko(cid:2)(cid:4) Pocz(cid:3)tkowa Współczynnik Sprawno(cid:2)(cid:4) Moc
Działo pocisku/masa pocz(cid:3)tkowa energia C =E/d3 energetycz działa
E k
rdzenia m [kg] v [m/s] kinetyczna [J/mm3] na η [MW]
0
długo(cid:2)(cid:4) lufy pocisku E [-]
k
w kal,l [MJ]
w
M1966 FRAG-HE v=550
0
76mm m=6,2 l =21 0,94 2,136 0,236 0,156
w
mo(cid:5)dzierz
Haubica FRAG-HE v=686
0
2S1 m=21,8 l =40 5,13 2,825 0,45 517
w
122mm
Haubica FRAG-HE v=655
0
2S3 m=43,9 l =34 9,42 2,682 0,357 890
w
152mm
Armata HEIm=0,550 v=1175 0,38 8,856 0,379 63
0
OerlikonKDA APDS l =90
w
35mm x 228 m=0,380/0,298 v=1440 0,31 7,206 0,308 66
0
Armata HEI-Tm=0,942 v=1000 0,47 7,359 0,334 78
0
BoforsL/70 APFSDS-T l =70
w
40mm x 365R m=0,500/0,327 v=1480 0,36 5,606 0,239 82
0
Armata
czołgowa APFSDS v=1525 4,42 3,817 0,232 843
0
GIAT105F1 m=5,8/3,8 l =51
w
105mm
Armata
czołgowa APFSDS v=1650 6,26 3,62 0,196 1242
0
KpzBK m=7,3/4,6 l =45
w
120mm Rh
Armata FRAG-HE v=850 8,31 4,25 0,443 1039
0
czołgowa m=23 l =44
w
2A46
125mm APFSDS v=1785 6,13 3,14 0,191 1175
0
m=5,9/3,845
Armata
kolejowa HE v=710 1815 3,54 0,307 20164
0
Gustav(Dora) m=7200 l =41
w
800mm
1) Opracowano na podstawie danych zaczerpni(cid:1)tych z prac [1, 2, 3].
Analizuj(cid:3)c kierunki modernizacji istniej(cid:3)cego sprz(cid:1)tu mo(cid:6)na posłu(cid:6)y(cid:4) si(cid:1) mi(cid:1)dzy
innymi równaniem bilansu energii podczas strzału (równanie Resala - patrz np. praca [7]) dla
chwili, gdy pocisk opuszcza przewód lufy :
mvw2 = 1Q (cid:2)(cid:1)1− Tw (cid:3), (1)
2 (cid:1) 1 (cid:2) T1 (cid:4)
gdzie :
m - masa pocisku;
v - pr(cid:1)dko(cid:2)(cid:4) pocisku opuszczaj(cid:3)cego przewód lufy;
w
3
Marek Radomski
Q - ciepło wybuchu w warunkach izochoryczno-izotermicznych ładunku miotaj(cid:3)cego;
1
ω - masa ładunku miotaj(cid:3)cego;
T - temperatura mieszaniny gazów w przestrzeni zapociskowej w chwili, gdy pocisk
w
opuszcza przewód lufy;
T - temperatura mieszaniny gazów b(cid:1)d(cid:3)cych produktami rozkładu wybuchowego
1
ładunku miotaj(cid:3)cego w warunkach izochoryczno-izotermicznych (temperatura
wybuchu);
ϕ - współczynnik prac drugorz(cid:1)dnych, który wg Sieriebriakowa wyra(cid:6)a si(cid:1) wzorem :
(cid:1)=K+ 1 (cid:2), (2)
3 m
gdzie K jest stałym współczynnikiem, którego warto(cid:2)(cid:4) waha si(cid:1) od 1,03 do 1,6 w
zale(cid:6)no(cid:2)ci od typu działa.
Posta(cid:4) równania (1) wskazuje, (cid:6)e wzrost pr(cid:1)dko(cid:2)ci wylotowej pocisku mo(cid:6)na
osi(cid:3)gn(cid:3)(cid:4) poprzez :
1. Zmniejszenie masy pocisku m - w praktyce oznacza to zastosowanie pocisku
podkalibrowego.
2. Zmniejszenie współczynnika prac drugorz(cid:1)dnych ϕ. Współczynnik ten uwzgl(cid:1)dnia
wyst(cid:1)powanie podczas strzału szeregu zjawisk, które zwi(cid:3)zane s(cid:3) z wykonywaniem przez
układ poza nap(cid:1)dzaniem pocisku dodatkowej pracy zewn(cid:1)trznej. Zjawiskiem maj(cid:3)cym
relatywnie najwi(cid:1)kszy wpływ na warto(cid:2)(cid:4) współczynnika ϕ jest ruch cz(cid:3)steczek gazu i
niespalonej cz(cid:1)(cid:2)ci ładunku miotaj(cid:3)cego w przestrzeni zapociskowej (drugi składnik we
wzorze (2)). W wyniku tego w tych samych chwilach ci(cid:2)nienie działaj(cid:3)ce na dno pocisku
jest mniejsze, ni(cid:6) ci(cid:2)nienie panuj(cid:3)ce w obszarze komory ładunkowej - ró(cid:6)nice w
przypadku nabojów z pociskiem podkalibrowym typu APFSDS mog(cid:3) dochodzi(cid:4) nawet do
50%. Odwrócenie tej niekorzystnej proporcji wpływa na wzrost siły nap(cid:1)dzaj(cid:3)cej pocisk, a
co za tym idzie i na wzrost jego pr(cid:1)dko(cid:2)ci wylotowej. Drog(cid:3) pozwalaj(cid:3)c(cid:3) osi(cid:3)gn(cid:3)(cid:4) ten cel
jest zwi(cid:3)zanie niespalonej cz(cid:1)(cid:2)ci ładunku miotaj(cid:3)cego z pociskiem [8].
3. Zwi(cid:1)kszenie warto(cid:2)ci ciepła wybuchu Q materiału miotaj(cid:3)cego stosuj(cid:3)c prochy
1
zawieraj(cid:3)ce wysokoenergetyczne zwi(cid:3)zki np. RDX.
4. Zwi(cid:1)kszenie masy ładunku miotaj(cid:3)cego stosuj(cid:3)c wi(cid:1)ksze g(cid:1)sto(cid:2)ci ładowania.
5. Zmniejszenie stosunku temperatur T /T , zwi(cid:1)kszaj(cid:3)c stopie(cid:7) rozpr(cid:1)(cid:6)ania gazów na
w 1
drodze wydłu(cid:6)enia przewodu lufy.
Poza wymienionymi sposobami wzrost pr(cid:1)dko(cid:2)ci wylotowej pocisku próbowano
osi(cid:3)gn(cid:3)(cid:4) poprzez zastosowanie tzw. techniki kompensacji temperatury [9]. Powszechnie
znany jest wpływ temperatury pocz(cid:3)tkowej ładunku miotaj(cid:3)cego na warto(cid:2)(cid:4) ci(cid:2)nienia
maksymalnego wytwarzanego podczas strzału, a co za tym idzie i na warto(cid:2)(cid:4) pr(cid:1)dko(cid:2)ci
wylotowej pocisku. Z tego te(cid:6) wzgl(cid:1)du wytrzymało(cid:2)(cid:4) ka(cid:6)dej lufy działa i jego mechanizmów
oporopowrotnych jest obliczana dla warunków panuj(cid:3)cych podczas strzału, gdy ładunek
miotaj(cid:3)cy jest wst(cid:1)pnie nagrzany do temperatury +50oC. Strzelaj(cid:3)c w tych warunkach
obserwuje si(cid:1) wzrost pr(cid:1)dko(cid:2)ci pocz(cid:3)tkowej pocisku o 3 do 7% w stosunku do przypadku
4
Marek Radomski
strzelania, gdy temperatura pocz(cid:3)tkowa ładunku miotaj(cid:3)cego wynosi +15oC. Technika
kompensacji temperatury polega na wykorzystaniu w ka(cid:6)dych warunkach strzelania pełnej
wytrzymało(cid:2)ci lufy działa, obliczonej dla przypadku strzelania ładunkiem miotaj(cid:3)cym
nagrzanym do temperatury +50oC. W literaturze nie znaleziono jednak informacji o
przykładach wdro(cid:6)enia tej techniki.
Wymienione sposoby zwi(cid:1)kszania pr(cid:1)dko(cid:2)ci wylotowej pocisku zazwyczaj ł(cid:3)cz(cid:3) si(cid:1)
ze wzrostem ci(cid:2)nienia maksymalnego wytwarzanego podczas strzału. Zatem cz(cid:1)sto
modernizacja obejmuje tak(cid:6)e konstrukcj(cid:1) lufy i urz(cid:3)dzenia oporopowrotnego działa oraz
zastosowanie materiałów o wy(cid:6)szych wła(cid:2)ciwo(cid:2)ciach wytrzymało(cid:2)ciowych w stosunku do
materiałów dotychczas stosowanych.
Ponadto, aby nie dopu(cid:2)ci(cid:4) do nadmiernego wzrostu ci(cid:2)nienia maksymalnego
wytwarzanego podczas strzału, modyfikuje si(cid:1) wła(cid:2)ciwo(cid:2)ci balistyczne ładunku miotaj(cid:3)cego
tak, aby pr(cid:1)dko(cid:2)(cid:4) kreacji energii była skorelowana z pr(cid:1)dko(cid:2)ci(cid:3) pocisku przemieszczaj(cid:3)cego
si(cid:1) wzdłu(cid:6) przewodu lufy. W tym celu stosuje si(cid:1) :
1. Prochy o progresywnym kształcie ziarna. Przykładem takiego prochu jest francuski proch
B19T o ziarnach z 19 kanalikami [10]. Porównanie teoretycznych warto(cid:2)ci charakterystyk
kształtu ziarna prochowego dla prochu B19T i prochu z 7 kanalikami 12/7 zawiera tablica
2. Zastosowanie tego prochu w poł(cid:3)czeniu z wydłu(cid:6)eniem lufy do 52 kalibrów w armacie
GIAT 120mm, która jest instalowana w czołgu AMX Leclerc, spowodowało zwi(cid:1)kszenie
pr(cid:1)dko(cid:2)ci wylotowej pocisku APFDSF do 1750m/s, czyli o ok. 6%, w stosunku do
pr(cid:1)dko(cid:2)ci wylotowej pocisku wystrzeliwanego z armat Kpz BK 120mm Rh lub M256.
Niestety omawiana modernizacja poci(cid:3)gn(cid:1)ła za sob(cid:3) wzrost ci(cid:2)nienia maksymalnego do
710MPa. Główn(cid:3) przyczyn(cid:3) tego jest fakt, i(cid:6) prochy nie spalaj(cid:3) si(cid:1) zgodnie z zało(cid:6)eniami
geometrycznego prawa spalania i rzeczywiste charakterystyki kształtu ziarna dla prochu
B19T ró(cid:6)ni(cid:3) si(cid:1) od teoretycznych. Zatem przebieg intensywno(cid:2)ci powstawania gazów w
funkcji wzgl(cid:1)dnej masy spalonego ładunku ma charakter mniej progresywny ni(cid:6)by to
wynikało z zale(cid:6)no(cid:2)ci teoretycznej.
Tablica 2. Porównanie teoretycznych warto(cid:2)ci charakterystyk kształtu ziarna
prochowego dla prochu B19T i prochu z 7 kanalikami 12/7
Wielko(cid:2)(cid:4) Proch B19T Proch 12/7
Charakterystyki kształtu κ 0,5581 0,6685
ziarna prochowego λ 0,5271 0,2404
µ -0,0438 -0,0270
Wzgl(cid:1)dna masa spalonego ziarna 0,8767 0,8112
w chwili jego rozpadu ψ
R
2. Ziarniste prochy flegmatyzowane, które charakteryzuj(cid:3) si(cid:1) wzrostem pr(cid:1)dko(cid:2)ci spalania w
funkcji grubo(cid:2)ci spalonej warstwy ziarna prochowego. Flegmatyzacja prochu poci(cid:3)ga
jednak za sob(cid:3) obni(cid:6)enie jego ciepła wybuch Q . Z reguły rekompensuje si(cid:1) to zjawisko
1
zwi(cid:1)kszeniem masy ładunku miotaj(cid:3)cego (g(cid:1)sto(cid:2)ci ładowania). Ubocznym bardzo
korzystnym skutkiem takiego działania jest zwi(cid:1)kszenie (cid:6)ywotno(cid:2)ci lufy działa dzi(cid:1)ki
obni(cid:6)eniu temperatury gazów b(cid:1)d(cid:3)cych produktami rozkładu wybuchowego prochu.
Przykładem takiego działania jest armata Oerlikona KDA kal. 35mm x 228, w której
zastosowanie flegmatyzowanego prochu 7/1 fl pozwoliło zwi(cid:1)kszy(cid:4) mas(cid:1) pocisku o 2,5%.
5
Marek Radomski
Pewn(cid:3) odmian(cid:3) prochów flegmatyzowanych s(cid:3) prochy warstwowe (laminowane).
Zewn(cid:1)trzna warstwa takiego prochu charakteryzuj(cid:3) si(cid:1) małymi warto(cid:2)ciami pr(cid:1)dko(cid:2)ci
spalania i ciepła wybuchu, natomiast wewn(cid:1)trzna - du(cid:6)ymi warto(cid:2)ciami wymienionych
wielko(cid:2)ci, co w poł(cid:3)czeniu z odpowiednio dobranym kształtem ziarna pozwala sterowa(cid:4)
pr(cid:1)dko(cid:2)ci(cid:3) kreacji energii podczas strzału.
3. Ziarniste prochy o wymuszonej fragmentacji [11]. Istot(cid:3) tego sposobu sterowania
pr(cid:1)dko(cid:2)ci(cid:3) kreacji energii podczas strzału jest prawie skokowa zmiana powierzchni
spalaj(cid:3)cego si(cid:1) ładunku miotaj(cid:3)cego w wyniku rozpadu ziaren prochowych. Zazwyczaj
d(cid:3)(cid:6)y si(cid:1) do tego, aby rozpad ziaren nast(cid:1)pował tu(cid:6) po przekroczeniu ci(cid:2)nienia
maksymalnego w przestrzeni zapociskowej, a wi(cid:1)c gdy uległo spaleniu ok. 30 do 50%
ładunku miotaj(cid:3)cego. W literaturze nie znaleziono informacji o przykładach wdro(cid:6)enia
tego typu prochów.
4. Monolityczne wielkogabarytowe ziarna wykonane z flegmatyzowanego prochu
drobnoziarnistego technologi(cid:3) zag(cid:1)szczania. Ziarna te s(cid:3) tak(cid:6)e inhibitowane na wybranych
powierzchniach. Dzi(cid:1)ki temu sterowanie pr(cid:1)dko(cid:2)ci(cid:3) kreacji energii podczas strzału
realizuje si(cid:1) zarówno poprzez kontrolowany dopływ samych ziaren do przestrzeni
zapociskowej, w której zachodzi proces spalania, jak równie(cid:6) odpowiednio dobranym
wzrostem pr(cid:1)dko(cid:2)ci spalania w funkcji grubo(cid:2)ci spalonej warstwy samego ziarna
prochowego. Podobnie, jak w poprzednio omawianym przypadku, nie znaleziono w
literaturze informacji o przykładach wdro(cid:6)enia tego typu prochów.
W dalszej perspektywie, tj. po 2010 roku nale(cid:6)y oczekiwa(cid:4) wprowadzenia na
uzbrojenie sprz(cid:1)tu nowych generacji, który mo(cid:6)e wykorzystywa(cid:4) nowe technologie do
nap(cid:1)dzania pocisku, jak np. :
1. Działa z zastosowaniem ciekłych materiałów miotaj(cid:3)cych (patrz np. prace [12, 13, 14]).
Pierwsze badania w tym kierunku były prowadzone w USA tu(cid:6) po zako(cid:7)czeniu II Wojny
(cid:8)wiatowej. Główn(cid:3) przesłank(cid:3) do podj(cid:1)cia tych bada(cid:7) była ch(cid:1)(cid:4) wykorzystania do
miotania pocisku wysokoenergetycznego materiału. Wiadomo bowiem, (cid:6)e ciekłe materiały
miotaj(cid:3)ce charakteryzuj(cid:3) si(cid:1) zazwyczaj wi(cid:1)kszymi warto(cid:2)ciami ciepła wybuchu Q ni(cid:6)
1
stałe materiały miotaj(cid:3)ce (prochy). Mo(cid:6)na wyró(cid:6)ni(cid:4) trzy podstawowe rodzaje tego typu
układów miotaj(cid:3)cych, tj. :
- układ klasyczny, w którym ciekły jednoskładnikowy materiał miotaj(cid:3)cy (np. XM46),
rozkładaj(cid:3)cy si(cid:1) egzotermicznie pod wpływem zewn(cid:1)trznego bod(cid:5)ca, jest
wprowadzany przed strzałem do komory ładunkowej działa(BLPG);
- układ z regulowanym wtryskiem ciekłego jedno- lub dwuskładnikowego materiału
miotaj(cid:3)cego do komory ładunkowej działa(RLPG);
- układ z poruszaj(cid:3)cym si(cid:1) wraz z pociskiem ciekłym materiałem miotaj(cid:3)cym (LTPC).
O mo(cid:6)liwo(cid:2)ciach tego typu technologii nap(cid:1)dzania pocisku mog(cid:3) (cid:2)wiadczy(cid:4) np. wyniki
uzyskane przez Mc Bratney'a, cytowane w pracy [12]. Otó(cid:6) w armacie kal. 120mm
miotano pocisk o masie 3,58kg z pr(cid:1)dko(cid:2)ci(cid:3) pocz(cid:3)tkow(cid:3) 1960m/s, przy (cid:2)redniej warto(cid:2)ci
ci(cid:2)nienia maksymalnego w przestrzeni zapociskowej równej 274MPa.
2. Działa wykorzystuj(cid:3)ce zjawisko wyst(cid:1)powania gradientu ci(cid:2)nienia na przemieszczaj(cid:3)cym
si(cid:1) z pr(cid:1)dko(cid:2)ci(cid:3) nadd(cid:5)wi(cid:1)kow(cid:3) froncie spalania gazowego materiału miotaj(cid:3)cego (RA).
Technologia ta polega na zainicjowaniu w lufie dynamicznego spalania gazowego
materiału miotaj(cid:3)cego, wypełniaj(cid:3)cego całe jej wn(cid:1)trze. Wytworzony na
6
Marek Radomski
przemieszczaj(cid:3)cym si(cid:1) z pr(cid:1)dko(cid:2)ci(cid:3) nadd(cid:5)wi(cid:1)kow(cid:3) froncie spalania gradient ci(cid:2)nienia
nap(cid:1)dza pocisk. Działaj(cid:3)ce na opisanej zasadzie działo laboratoryjne z luf(cid:3) kal. 38mm,
które zostało zbudowane na Uniwersytecie Waszyngto(cid:7)skim, pozwoliło nada(cid:4) pociskowi o
masie70g pr(cid:1)dko(cid:2)(cid:4) wylotow(cid:3) równ(cid:3)2,6km/s [15, 16].
3. Działa elektrotermiczne. W działach tego typu wykorzystuje si(cid:1) energi(cid:1) elektryczn(cid:3) do
zwi(cid:1)kszenia energii wewn(cid:1)trznej gazowego czynnika roboczego, który wykonuj(cid:3)c prac(cid:1)
zewn(cid:1)trzn(cid:3) nadaje pociskowi energi(cid:1) kinetyczn(cid:3), przy czym czynnik roboczy mo(cid:6)e by(cid:4)
gazem oboj(cid:1)tnym - tzw. "czyste" działo elektrotermiczne ET lub wg nowszej koncepcji
układu hybrydowego, reaguj(cid:3)c(cid:3) chemicznie mieszanin(cid:3) gazów - tzw. działo
elektrotermiczno-chemiczne ETC. Znane s(cid:3) tak(cid:6)e przykłady układów, w których we
wst(cid:1)pnej fazie gazowy czynnik roboczy jest wytwarzany z substancji w stanie ciekłym
LPETC lub stałym SPETC. Klasycznym przykładem działa ET jest układ Goldsteina i
Tidmanna, w którym energia elektryczna była wykorzystywana do wytworzenia plazmy
wysokotemperaturowej, która powoduj(cid:3)c parowanie cieczy inercyjnej tworzyła wraz z
powstał(cid:3) par(cid:3) wysokoenergetyczny czynnik roboczy nap(cid:1)dzaj(cid:3)cy pocisk. Działa ETC
pozwalaj(cid:3) nada(cid:4) pociskowi pr(cid:1)dko(cid:2)(cid:4) do 4,5km/s. Przegl(cid:3)d tego typu rozwi(cid:3)za(cid:7) znajduje
si(cid:1) mi(cid:1)dzy innymi w pracy [17].
4. Działa elektromagnetyczne. Znane s(cid:3) dwa typy dział elektromagnetycznych, tj. szynowe
EMR i indukcyjne EMC. W układach szynowych pocisk pokryty warstw(cid:3) materiału
izolacyjnego umieszcza si(cid:1) na przewodz(cid:3)cych prowadnicach (szynach). Obwód
elektryczny zamyka metalowa folia zamocowana do dna pocisku. Po doprowadzeniu do
prowadnic wysokiego napi(cid:1)cia folia wybucha i tworzy obłok przewodz(cid:3)cej plazmy, który
jest nap(cid:1)dzany przez indukowane pole magnetyczne. Pocisk unoszony jest przez
poruszaj(cid:3)cy si(cid:1) obłok plazmy. Przeci(cid:1)tnie napi(cid:1)cie doprowadzane do prowadnic wynosi 1
do 5kV, za(cid:2) impuls pr(cid:3)du płyn(cid:3)cego w obwodzie dochodzi do 5MA. Pr(cid:1)dko(cid:2)(cid:4) pocisku w
tego typu układach jest ograniczona do zakresu 6 do 8km/s, co jest zwi(cid:3)zane mi(cid:1)dzy
innymi z procesem erozji prowadnic i wyst(cid:1)powaniem wyładowa(cid:7) wtórnych.
Budowa i zasada działania dział indukcyjnych jest podobna do budowy elektrycznego
silnika liniowego. Lufa umieszczona jest wewn(cid:3)trz zespołu cewek nap(cid:1)dzaj(cid:3)cych, za(cid:2) z
pociskiem zwi(cid:3)zany jest drugi zespół cewek indukcyjnych. Przeci(cid:1)tnie impuls elektryczny
doprowadzony do zespołu cewek nap(cid:1)dzaj(cid:3)cych charakteryzuje si(cid:1) napi(cid:1)ciem 100kV i
nat(cid:1)(cid:6)eniem 100kA. Pr(cid:1)dko(cid:2)(cid:4) pocisku w tego typu układach dochodzi do 6km/s. Przegl(cid:3)d
tego typu rozwi(cid:3)za(cid:7) znajduje si(cid:1) mi(cid:1)dzy innymi w pracach [17 i 18].
Poza wymienionymi głównymi typami dział, wykorzystuj(cid:3)cych do nap(cid:1)dzania
pocisku nowe technologie, mo(cid:6)na oczekiwa(cid:4) pojawienia si(cid:1) układów mieszanych, jak np.
indukcyjne działo elektromagnetyczne z klasycznym ładunkiem miotaj(cid:3)cym, itp. W tablicy 3
zestawiono podstawowe charakterystyki energetyczne wybranych dział do(cid:2)wiadczalnych,
wykorzystuj(cid:3)cych do miotania pocisku nowe technologie.
7
Marek Radomski
Tablica 3. Charakterystyki energetyczne wybranych dział do(cid:2)wiadczalnych,
wykorzystuj(cid:3)cych do miotania pocisku nowe technologie
Typ działa Masa pocisku [kg] Pr(cid:1)dko(cid:2)(cid:4) pocz(cid:3)tkowa Energia kinetyczna
[m/s] pocisku [MJ]
BLPG kal. 120mm 3,58 1960 6,877
RA kal. 37mm 0,07 2600 0,237
EMR 2,40 2600 8,100
EMC 0,15 4200 1,323
Poza omówionymi kierunkami rozwoju artylerii nale(cid:6)y jeszcze wspomnie(cid:4) o
mo(cid:6)liwo(cid:2)ci wprowadzenia na uzbrojenie "artylerii laserowej". W artylerii tego typu promie(cid:7)
lasera przejmie rol(cid:1) pocisku, dzi(cid:1)ki czemu działo laserowe nie b(cid:1)dzie posiadało lufy, a co za
tym idzie definitywnie zostanie rozwi(cid:3)zany problem (cid:6)ywotno(cid:2)ci lufy działa laserowego.
Artyleria laserowa nie wyprze jednak całkowicie artylerii lufowej, gdy(cid:6) bro(cid:7) ta nie b(cid:1)dzie w
stanie podoła(cid:4) wszystkim zadaniom bojowym stawianym artylerii.
1.3. CHARAKTERYSTYKA ZJAWISK ZACHODZ(cid:1)CYCH PODCZAS STRZAŁU Z
BRONI PALNEJ I ZWI(cid:1)ZANY Z TYM MECHANIZM ZU(cid:2)YCIA LUFY
Jak ju(cid:6) wspomniano w punkcie 1.1 bro(cid:7) palna jest maszyn(cid:3) ciepln(cid:3) słu(cid:6)(cid:3)c(cid:3) do
miotania pocisków z okre(cid:2)lon(cid:3) pr(cid:1)dko(cid:2)ci(cid:3) pocz(cid:3)tkow(cid:3) i w okre(cid:2)lonym kierunku. (cid:9)ródłem
energii w broni palnej jest energia chemiczna zawarta w materiale wybuchowym miotaj(cid:3)cym,
który jest umieszczony zazwyczaj w komorze ładunkowej. Pod wpływem zewn(cid:1)trznego
bod(cid:5)ca energia ta jest zamieniana w sposób kontrolowany na energi(cid:1) wewn(cid:1)trzn(cid:3) mieszaniny
gazów, b(cid:1)d(cid:3)cych produktami egzotermicznej reakcji rozkładu wybuchowego materiału
miotaj(cid:3)cego. Mieszanina gazów powybuchowych rozpr(cid:1)(cid:6)aj(cid:3)c si(cid:1) wykonuje prac(cid:1)
zewn(cid:1)trzn(cid:3), której u(cid:6)yteczn(cid:3) cz(cid:1)(cid:2)ci(cid:3) jest energia kinetyczna pocisku. Przykładowe przebiegi
ci(cid:2)nienia p(t) i temperatury T(t) mieszaniny gazów powybuchowych w funkcji czasu w
obszarze komory ładunkowej dla armaty Oerlikona KDA 35mm x 228 przedstawiaj(cid:3) rys. 1 i
2 [19].
400
300
a]
P
M
nie [ 200
e
ni
(cid:1)
ci
100
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
czas [ms]
Rys.1. Przykładowy przebieg ci(cid:2)nienia w funkcji czasu p(t)w obszarze
komory ładunkowej dla armaty KDA 35mm x 228 [19]
8
Marek Radomski
2500
2000
K]
a [ 1500
ur
at
er
p
m 1000
e
t
500
0
0 2 4 6 8 10
czas [ms]
Rys.2. Przykładowy przebieg temperatury gazów powybuchowych w funkcji
czasu T(t) w obszarze komory ładunkowej dla armaty KDA 35mm x 228 [19]
W zale(cid:6)no(cid:2)ci od kalibru działa i pr(cid:1)dko(cid:2)ci pocz(cid:3)tkowej pocisku, czas trwania
wystrzału zmienia si(cid:1) od kilku do kilkudziesi(cid:1)ciu milisekund, przy tym jako(cid:2)ciowy charakter
przebiegów p(t) i T(t) nie ulega wi(cid:1)kszym zmianom. Oczywi(cid:2)cie ilo(cid:2)ciowo omawiane
przebiegi mog(cid:3) ró(cid:6)ni(cid:4) si(cid:1) od siebie znacznie, szczególnie dotyczy to warto(cid:2)ci ci(cid:2)nienia
maksymalnego p i temperatury maksymalnej T . Głównymi czynnikami decyduj(cid:3)cymi o
m m
przebiegu zjawiska strzału s(cid:3) :
1. Wła(cid:2)ciwo(cid:2)ci fizyko-chemiczne i balistyczne materiału wybuchowego miotaj(cid:3)cego lub
zestawu takich materiałów tworz(cid:3)cych ładunek miotaj(cid:3)cy, tj. :
- skład stechiometryczny materiału wybuchowego miotaj(cid:3)cego;
- g(cid:1)sto(cid:2)(cid:4) materiału wybuchowego miotaj(cid:3)cego;
- ciepło wybuchu w warunkach izochoryczno-izotermicznychQ ;
1
- temperatura wybuchu w warunkach izochoryczno-izotermicznychT ;
1
- skład gazów powybuchowych;
- siła prochu f i kowolumenα;
- wykładnik adiabaty gazów powybuchowych;
- prawo spalania si(cid:1)materiału wybuchowego miotaj(cid:3)cego.
2. Warunki ładowania, tj. :
- masa ładunku miotaj(cid:3)cego ω;
- kształt i wymiary ziarna prochowego, w tym grubo(cid:2)(cid:4) warstwy palnej 2e .
1
3. Charakterystyki konstrukcyjne działa, tj. :
- kaliber d;
- obj(cid:1)to(cid:2)(cid:4) komory ładunkowej W ;
0
- masa pocisku m;
- długo(cid:2)(cid:4) drogi, jak(cid:3) przebywa pocisk wzdłu(cid:6) przewodu lufy l .
w
9
Marek Radomski
Ka(cid:6)demu strzałowi z broni palnej towarzyszy szkodliwe działanie gazów
powybuchowych na materiał lufy, które powoduje jego niszczenie. Proces ten okre(cid:2)lany jest
mianem erozji. Zjawisko to ujawniono w pocz(cid:3)tkach okresu szerokiego zastosowania w
artylerii prochów bezdymnych. Po raz pierwszy z problemem tym w praktyce spotkali si(cid:1)
Anglicy w okresie wojny angielsko-burskiej w latach 1899 - 1901, gdy na skutek
zastosowania kordytu o zawarto(cid:2)ci 58% nitrogliceryny w krótkim czasie musieli wycofa(cid:4) z
eksploatacji du(cid:6)(cid:3) liczb(cid:1) dział [20]. Do chwili obecnej zjawisko erozji luf i walka z nim jest
jednym z powa(cid:6)niejszych problemów towarzysz(cid:3)cych rozwojowi i eksploatacji artylerii
lufowej.
Niszczenie materiału lufy polega na tym, (cid:6)e powierzchnia przewodu lufy uprzednio
gładka i wypolerowana staje si(cid:1) najpierw matowa, a nast(cid:1)pnie szorstka i przy dalszej
eksploatacji pokrywa si(cid:1) drobnymi p(cid:1)kni(cid:1)ciami i rysami, które tworz(cid:3) co(cid:2) w rodzaju siatki
p(cid:1)kni(cid:1)(cid:4). Nast(cid:1)pnie w miar(cid:1) wzrostu liczby strzałów p(cid:1)kni(cid:1)cia pogł(cid:1)biaj(cid:3) i rozszerzaj(cid:3) si(cid:1). To
pogł(cid:1)bianie i rozszerzanie p(cid:1)kni(cid:1)(cid:4) w du(cid:6)ym stopniu jest ukierunkowane wzdłu(cid:6) osi lufy, tj.
zgodnie z kierunkiem ruchu gazów powybuchowych i pocisku. Szczególnie du(cid:6)(cid:3)
koncentracj(cid:1) siatki p(cid:1)kni(cid:1)(cid:4) obserwuje si(cid:1) w obszarze sto(cid:6)ka przej(cid:2)ciowego oraz nieco
mniejsz(cid:3) w cz(cid:1)(cid:2)ci wylotowej lufy. Typowy efekt erozji ilustruje rys. 3, który przedstawia
wzrost (cid:2)rednicy przewodu lufy w funkcji odległo(cid:2)ci od powierzchni czołowej zamka, po
oddaniu 1805 strzałów z lufy haubicy XM199 kal. 155mm [21].
3
m]
m
[
y
uf
u l
d 2
o
w
e
z
r
p

y
c
ni
d
e 1
r
(cid:1)
t
s
o
r
y
z
r
p
0
1 2 3 4 5 6
odległo(cid:1)(cid:2) od czoła zamka [m]
Rys. 3. Wzrost (cid:2)rednicy przewodu lufy w funkcji odległo(cid:2)ci od powierzchni czołowej
zamka, po oddaniu 1805 strzałów z lufy haubicy XM199 kal. 155mm [21]
Wyst(cid:1)puj(cid:3)cy na skutek erozji wzrost (cid:2)rednicy przewodu lufy w obszarze sto(cid:6)ka
przej(cid:2)ciowego powoduje wzrost obj(cid:1)to(cid:2)ci komory nabojowej, za(cid:2) wzdłu(cid:6) całego przewodu
lufy pogorszenie współpracy cz(cid:1)(cid:2)ci wiod(cid:3)cej pocisku z powierzchni(cid:3) przewodu lufy.
Konsekwencj(cid:3) tego jest obni(cid:6)enie g(cid:1)sto(cid:2)ci ładowania i pogorszenie szczelno(cid:2)ci układu lufa -
pocisk, co w rezultacie prowadzi do obni(cid:6)enia ci(cid:2)nienia maksymalnego i pr(cid:1)dko(cid:2)ci
pocz(cid:3)tkowej pocisku. W lufach gwintowanych nieprawidłowe prowadzenie pocisku mo(cid:6)e
10