Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Потапенко Вячеслав Викторович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ баллистических процессов ствольных систем метания контейнеров с огнетушащими веществами

05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

СанктЦПетербург - 2012

Работа  выполнена  в  Санкт-Петербургском  университете  Государственной противопожарной службы МЧС России.

Научный руководитель	Сметанин Юрий Владимирович доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский университет  Государственной противопожарной службы МЧС России профессор кафедры Высшей математики и системного моделирования сложных процессов.
Официальные оппоненты	Таранцев Александр Алексеевич доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский университет  Государственной противопожарной службы МЧС России профессор кафедры Организации пожаротушения и проведения аварийно-спасательных работ. Веригин Александр Николаевич доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский Государственный технологический институт (технический университет) заведующий кафедрой Машины и аппараты.
Ведущая организация	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет ВОЕНМЕХ им. Д.Ф. Устинова

Защита состоится л30 мая 2012 г. в 12 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 205.003.04 при Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149).

Автореферат разослан л___ апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 205.003.04

доктор технических наук, профессор                                С.В. Шарапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. В подразделениях пожарной охраны России пожарная техника эксплуатируется не всегда эффективно. Используемая в настоящее время наземная техника не решает вопросы доставки огнетушащих веществ (ОТВ) на расстояние более 100 м. Использование специальной авиации не всегда возможно ввиду больших финансовых затрат и зависимости от метеоусловий.

Существующие наземные технические средства предназначены только для доставки воды, водных растворов и пен на расстояние до 100 м, порошковых составов - до 70 м. Они имеют высокую стоимость и требуют больших материальных затрат на техническое обслуживание. Разработаны новые вещества и составы, огнетушащая способность, которых, по многим параметрам превосходит водные растворы и пены.

Часть исследований в настоящей работе выполнялись в соответствии с техническим заданием в рамках выполненных научно-исследовательских работ (НИР) Ствол, Выстрел. Результаты исследований позволяют сделать выводы, что создание принципиально новых технических средств и методов доставки на удаленное расстояние ОТВ при ликвидации сложных пожаров является актуальной задачей. Актуальность применения стволовых систем метания контейнеров особенно очевидна при тушении пожаров газовых и нефтяных фонтанов в заболоченной тундре, когда необходимо расчищать устья скважин и сбивать пламя ударной волной.

Цель работы - повышение эффективности тушения сложных пожаров на основе разработки метода пожаротушения с применением стволовых установок доставки контейнеров с огнетушащими веществами на удаленное расстояние.

Объект исследования - метод доставки контейнеров с ОТВ для целей пожаротушения с применением стволовых установок по схеме с присоединенной камерой.

Предмет исследования - метод метания и доставки контейнеров с ОТВ на удаленные расстояния с применением стволовых установок по схеме с присоединенной камерой.

Научная задача - разработать надежные методы моделирования процессов, протекающих при работе стволовых установок контейнерной доставки ОТВ по схеме с присоединенной камерой.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи диссертационного исследования:

1. Исследовать механику полета контейнеров доставки ОТВ на удаленные расстояния. Разработать основные положения внешней баллистики полета технологического контейнера. Разработать прикладную программу для ПЭВМ по расчету траектории полета контейнера в воздушном пространстве.
2. Разработать метод доставки ОТВ в контейнерах с применением установок, работающих по схеме с присоединенной камерой подгона.
3. Исследовать двухфазную двухскоростную математическую модель эстафетной схемы выстрела стволовой установки контейнерами с присоединенной камерой подгона.
4. Выполнить анализ баллистической эффективности установки для метания контейнеров с камерами подгона калибров 30, 100, 125 мм при различных условиях заряжания.

Научная новизна работы.

1. Разработаны основные положения внешней баллистики и прикладная программа для ПЭВМ по расчету траектории полета технологического контейнера в воздушном пространстве.
2. Разработан метод доставки ОТВ в контейнерах с применением установок, работающих по схеме с присоединенной камерой подгона
3. Разработаны основные принципы двухфазной двухскоростной математической модели эстафетной схемы выстрела и механизма задержки зажигания дополнительного заряда.
4. Выполнен анализ баллистической эффективности стволовых установок для метания контейнеров с камерами подгона калибров 30, 100, 125 мм.

Все результаты диссертационной работы были получены автором лично или при его участии.

На защиту выносятся:

• математическая модель внешней баллистики технологического контейнера; прикладная программа для ПЭВМ по расчету траектории полета контейнера в воздушном пространстве;
• математические модели: эстафетной схемы выстрела (внутренняя баллистика) стволовой установки контейнерами с присоединенной камерой подгона; газодинамического устройства воспламенения, с помощью которого обеспечивается необходимая задержка зажигания дополнительного заряда;
• результаты анализа баллистической эффективности стволовых установок для метания контейнеров с камерами подгона калибров 30, 100, 125 мм при различных условиях заряжания.

Методы исследований. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены с использованием:  методов анализа и синтеза технических систем; математического моделирования физических процессов c использованием пакетов MathCad, Excel, Turbo-Pascal;  методов расчета полета тел; методов газодинамического моделирования; экспериментальных модельных исследований механики полета контейнеров. Работа включает в себя теоретические исследования на основе теорий внешней баллистики, движения частиц в газах, внутренней баллистики и планирования эксперимента.

Достоверность результатов работы. Исследования полета контейнеров подтверждаются теоретическими и экспериментальными исследованиями внешней баллистики при метании контейнеров на удаленные расстояния. Достоверность результатов исследований эффективности метания контейнера с камерой подгона подтверждается проведением экспериментальных исследований. При сопоставлении аналитических расчетных данных и результатов экспериментов погрешность составила 2 - 3%.

Практическая ценность работы состоит в том, что основные положения, изложенные в диссертации, могут быть использованы подразделениями пожарной охраны для локализации и ликвидации сложных пожаров с применением стволовых установок по схеме с присоединенной камерой, в условиях, когда применение другой техники не представляется возможным. Разработана математическая модель внешней баллистики полета контейнера и программа для ПЭВМ, которые позволяют проводить расчеты для определения траектории и дальности полета контейнеров с ОТВ.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработаны и предложены рекомендации по применению стволовых установок пожаротушения по схеме с присоединенной камерой на объектах промышленного и гражданского назначения.

Материалы диссертации использованы в учебном процессе кафедры Пожарная безопасность Санкт-Петербургского филиала Военной академии тыла и транспорта имени генерала армии А.В. Хрулева  (лекционные курсы по дисциплинам Производственная и пожарная автоматика, Пожарная тактика, Пожарная безопасность объектов и населенных пунктов, дипломное проектирование).

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования обсуждались на международных и всероссийских научно-практических конференциях:  на 3-й научно-практической конференции Развитие ВУЗА через развитие науки - ТфВИТУ, 2005 г.; на 2-ой международной научно-практической конференции Развитие ВУЗА через развитие науки - ТфВИТУ, 2005 г.; на Всероссийской научной конференции Современная баллистика и смежные вопросы механики - Томский ГУ, 2009 г.; на международной научно-технической конференции Проблемы и перспективы развития двигателестроения - СГАУ, 2009, 2011 гг.; на XXIII международной научно-практической конференции Актуальные проблемы пожарной безопасности - Москва, ВВЦ, 2011 г.; на межрегиональной выставке Охрана труда. Пожарная безопасность - 2011 - СПб, РВК Стачек 47, 2011 г.; на 15-й Всероссийской научно-практической конференции Технические средства противодействия терроризму - РАРАН, 2012 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 9 печатных статей, в том числе 6 - в журналах, рекомендуемых ВАК; подготовлены 2 отчета по НИР.

Объем и структура диссертации. Материал диссертации изложен на 187 страницах машинописного текста и содержит 7 таблиц, 51 рисунок, список литературы из 140 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 10-ти приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, отражена научная новизна и практическая значимость проводимых исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен сравнительный анализ процессов, присущих известным методам доставки ОТВ к месту пожаротушения, выявлены положительные характеристики данных технических средств и определены недостатки, влияющие на эффективность их работы.

Определено, что по технико-эксплуатационным параметрам стволовые установки по схеме с присоединенной камерой значительно превосходят существующие технические средства доставки ОТВ, которые реализуют различные способы пожаротушения.

Подход к практическому применению предлагаемого метода потребовал постановки ряда конкретных задач в области внешней и внутренней баллистики  метания контейнеров.

Во второй главе исследованы и определены основные тактико-технические параметры к конструкции контейнера, обеспечивающих его стабилизированное движение при полете. Определено, что для обеспечения устойчивого движения контейнера, ему необходимо придать вращательное движение относительно продольной оси.

Для быстровращающегося контейнера можно принять, что его кинетический момент совпадает с продольной осью и направлен в сторону её вершины при правом вращении (по часовой стрелке, если смотреть с донной части) и в сторону донной части - при левом вращении. Этот кинетический момент держит контейнер на траектории, не давая ему принимать хаотические формы движения (например, лопрокидываться).

Учитывая сопротивление воздуха при движении контейнера, берем во внимание возникающие силы давления Р и трения , противодействующие его движению (рис.1). Суммируя действующие силы, получаем результирующую аэродинамическую силу сопротивления воздуха .

Расчеты траектории полета контейнеров основаны на теории полета твердых тел в однородном поле тяжести при наличии силы сопротивления воздуха. В результате формулировки задачи о движении контейнера в воздушном пространстве были определены силы, действующие на контейнер при полете в воздушном пространстве (рис. 2).

Рисунок 2 - Силы, действующие на контейнер при полете в воздушной среде:

R- равнодействующая сила лобового сопротивления; Rx - горизонтальная составляющая R; Ry - вертикальная составляющая R; Rz - боковая составляющая R; М - опрокидывающий момент, создаваемый R; аxS - ускорение (замедление), создаваемое силой лобового сопротивления, x Цвектор скорости, - угол метания; ОК - ось контейнера; ЦМ - центр масс; ЦД - центр давлений.

В процессе полета положение продольной оси Ок - Ок контейнера меняется и не имеет постоянного совпадения с направлением вектора скорости полета контейнера, периодически отклоняясь от направления .

Вследствие этого результирующая сила R не совпадает ни с осью контейнера, ни с направлением скорости его полета. Поэтому силу R принимаем как сумму трех составляющих сил: силы лобового сопротивления Rx, подъемной силы Ry, перпендикулярной Rx и лежащей в вертикальной плоскости; боковой силы RZ, перпендикулярной первым двум. Уравнение, описывающее зависимость изменения координаты х от времени с учетом силы лобового сопротивления имеет вид:

,                                         (1)

где: х  - расстояние, пройденное контейнером относительно оси х, м; - начальная скорость метания контейнера, мс-1; С - коэффициент силы лобового сопротивления; 0 - угол метания, град; - время полета контейнера, с; - масса контейнера, кг.

Решая (1), получим функцию дальности полета контейнера от времени с учетом силы лобового сопротивления:

, (2)

где: х0  - начальное положение контейнера относительно оси х.

В вертикальной плоскости на контейнер действует сила лобового сопротивления и сила тяжести. При начальном условии получим следующее дифференциальное уравнение, описывающее зависимость изменения координаты y от времени с учетом силы лобового сопротивления и силы тяжести:

, (3)

где: у - высота полета контейнера относительно оси у, м; g=9,81 мс-2 - ускорение свободного падения.

Решая (3) получим функцию зависимости координаты y от времени с учетом силы лобового сопротивления и силы тяжести:

, (4)

где y0 - начальное положение контейнера относительно оси у, м.

Для эффективного использования математической модели необходимо знать точные параметры метаемого контейнера. Учитывая то, что контейнеры должны иметь цилиндрическую форму, но могут значительно отличаться внутренней конструкцией, толщиной оболочки контейнера, предложим математическую модель формы контейнера и конфигурацию (форму)  его оболочки.

Форма капсулы контейнера (рис. 3) конструктивно определяется телом вращения вокруг оси l, ограниченным функцией f1(l), где l - ось абсцисс. Внутренняя поверхность капсулы выражается уравнением f2(l)= f1(l)- (l), где f2(l) - функция, характеризующая форму внутренней образующей капсулы; (l)Цфункция, характеризу-ющая изменение толщины оболочки капсулы.

При условии одинаковой толщины стенок капсулы по всей длине, граничными условиями lN  (линия, ограничивающая коническую часть) и lK (линия, ограничивающая цилиндрическую часть) форма контейнера может быть выражена системой уравнений:

(5)

где:  D - наружный диаметр контейнера, м;

  - угол наклона конической части контейнера относительно оси l, град;

  - толщина оболочки капсулы, м;

  lPB, lPM - соответственно координаты ординат точек пересечения внешней и внутренней образующей контейнера.

Произведя необходимые вычисления, получим выражение, позволяющее рассчитать объем оболочки контейнера:

  (6)

Масса оболочки контейнера равна МОВ = VOB ОВ, где: ОВ - плотность материала, из которого изготовлена оболочка капсулы, кг /м-3.

На основании механики действия сил произведены расчеты наиболее оптимальных параметров контейнеров, необходимых для устойчивого движения: при диаметре 30 мм  длина должна быть от 110 до 125 мм, масса контейнера - m=0,100-0,110 кг; при диаметре 100 мм длина должна быть от 300 до 350 мм, масса контейнера - m=4,700 кг; при диаметре 125 мм длина должна быть от 450 до 500 мм, масса контейнера - m=8,100-15,00 кг

На основе расчетной формулы (4) разработаны алгоритм программы расчета траектории полета контейнера и прикладные программы в средах программного  обеспечения  MathCAD,  Excel,  Turbo-Pascal,  позволяющие  производить с помощью ПЭВМ моделирование траектории полета контейнера в воздушной среде (рис. 4). Выявлено, что наиболее широкими возможностями обладает программа, разработанная в системе MathCAD. Она позволяет моделировать метод метания и наглядно отображать процесс программирования и результаты расчетов.

Рисунок 4 - Алгоритм  программы по расчету траектории полета контейнера в воздухе.

В третьей главе разработаны математические модели эстафетной схемы выстрела (внутренняя баллистика) и приведены результаты баллистической эффективности стволовых установок при различных условиях заряжания.

Схема метания с присоединённой камерой подгона (ПКП), представлена на рис. 5. В работе рассматривается возможность увеличения начальной скорости метаемого элемента для установки с использованием присоединённой камеры подгона при неизменном максимальном давлении на дно закрытого торца цилиндрического канала (по сравнению с классической схемой метания).

Pис. 5. Схема метания с присоединённой камерой подгона:

1 - поршень контейнера; 2 - метаемый элемент

I - область основного заряда; II - область присоединенной камеры подгона.

В этом случае движение метаемого элемента по цилиндрическому каналу происходит под действием газов, образующихся при последовательном сгорании порохового заряда в двух областях.

По схеме с присоединенной камерой подгона между последовательными частями зарядов помещается поршень. Поршень совершает движение по цилиндрическому каналу под действием давления газов, образующихся в результате сгорания основного заряда. В начальный момент времени в движение приходит вся сборка, состоящая из присоединенной камеры подгона (поршень + заряд в соответствующей  области) и метаемого элемента.

Через время задержки зажигания tЗ воспламеняется заряд в присоединённой камере подгона, в результате давление повышается и в момент, когда сила сопротивления становится больше силы, ускоряющей сборку, последняя разделяется: метаемый элемент отделяется и далее движется вперед самостоятельно, а поршень притормаживается. За счет работы присоединенного заряда происходит перераспределение энергии: часть энергии идет на дополнительное ускорение, вследствие, которого, достигается увеличение скорости метаемого элемента (по сравнению с системами классического метания).

Для синхронизации времени воспламенения дополнительного заряда, предложено снабдить поршень перфорированной трубкой (рис.6). Пороховые газы основного заряда, перетекая через отверстие в поршне контейнера, попадают в перфорированную трубку, истекая затем в область дополнительного заряда, они обеспечивают прогрев и инициирование заряда с некоторой задержкой.

Рисунок 6 - Схема расчёта перетока воспламеняющих газов в контейнер.

При истечении газа из камеры в отверстие, скорость потока газов на скачке сечения увеличивается. На участке 1-1 и 2-2 происходит резкое увеличение площади проходного сечения, при этом статическое давление увеличивается, а движение газа у стенки уступа будет вихревым. Было проведено исследование влияния разбросов площадей отверстий, как в поршне, так и перфорированной трубке на время задержки зажигания. При номинальном значении параметров узла воспламенения,  а  также  при  увеличении и уменьшении площади отверстий перфорированной трубки на 5 %. Отклонение времени задержки зажигания в этом случае от номинального не превышает 2,2%.

Математическое моделирование схемы с присоединённой камерой подгона основано на подходе с позиций механики гетерогенных сред, модифицированном для внутренней баллистики ствольных систем, и проводится при следующих основных допущениях:

• движение камеры подгона (поршень + присоединённый заряд) и метаемого элемента начинается при достижении давления форсирования;
• горение частиц пороха происходит со скоростью, увеличивающейся в  геометрической прогрессии;
• вязкость и теплопроводность учитываются при взаимодействии фаз;
• до момента разделения сборки частицы присоединённого заряда неподвижны относительно сборки;
• при движении элементов схемы метания (сборок, поршней и метаемого элемента) не учитываются трение и сопротивление воздуха в стволе;
• присоединённый заряд воспламеняется мгновенно по истечении времени задержки зажигания;
• после воспламенения присоединённого заряда перетоки газов между областями I и II отсутствуют.

Система уравнений для I области, записывается в инерциальной системе координат (0, x), области II - в неинерциальной системе координат (0′, x′), связанной с поршнем (рис. 5). Далее приводится система уравнений, которая при N=0 описывает процессы в области I, а при N=1 и замене переменных и параметров на переменные и параметры со штрихом л′ (u≡u′) описывает процессы в области присоединенного заряда (области II) после воспламенения всего присоединенного заряда.

Уравнение неразрывности для газа

  (7)

Уравнение движения газа

  (8)

Уравнение изменения энергии газа

  (9)

Уравнение неразрывности для пороховых частиц

; (10)

Уравнение движения пороховых частиц

  (11)

Уравнение горения

;  (12)

;  (13)

Принятые обозначения

  ; ;

;; (14)

; 

где: t - время; x - координата; P - давление; ρ - плотность газа; ρ2 - плотность вещества заряда; T - температура; T0 - температура продуктов горения заряда, u - скорость газа; ω - скорость частиц; φ - пористость; E,ε - полная и внутренняя энергия единицы объёма газа; S - площадь поперечного сечения канала; z - относительная толщина сгоревшего свода; M - скорость массоприхода от горения заряда; τТР - сила взаимодействия между фазами; N - признак системы координат; duП/dt  - ускорение поршня; Q - тепловой эффект горения заряда; R - универсальная газовая постоянная; α - коволюм; a1 - коэффициент в законе скорости горения; eb - толщина горящего свода зерна заряда; n - концентрация; Λ0 - начальный объём частиц заряда; Ψ(z) - относительный сгоревший объём частиц заряда; κ1, λ1 - коэффициенты формы частиц заряда; S02 - начальная площадь частиц заряда; σ(z) - относительная горящая поверхность частицы заряда; Cx - коэффициент сопротивления; d0P - диаметр шара эквивалентного по объёму частице заряда; Re - число Рейнольдса; μ - вязкость газа.

Начальные условия в области I:

T(x,0)=TG; P(x,0)=PФ; u(x,0)=ω(x,0)=0; φ(x,0)=φH;

(15)

Начальные условия в области II:

T′ (x′,tЗ)=TG′; P′ (x′, tЗ)=PФ′; u′ (x′, tЗ)=ω ′ (x′, tЗ)=0; φ′ (x′, tЗ)=φH;

  (16)

где: Δ - плотность заряжания; f - сила заряда; РФ - давление форсирования. Индексы: н - означает начальные значения переменных и параметров;  G Цотносится к газу.

Граничные условия:

u(0,t) = ω(0,t) = 0; u(xП,t) =  uП; u′(0,t) = ω′(0,t) = 0; u′(x′S,t) =  u′S. (17)

где:  xП  - координата положения левой границы поршня;  xS  - координата положения дна метаемого элемента; uП - скорость поршня; uS - скорость метаемого элемента. Индексы: П - означает, что параметры относятся к поршню; S - к метаемому элементу.

Значения переменных xП, x′S, uП, u′S  определяются интегрированием уравнения движения сборки, а после её разделения - уравнений движения поршня и метаемого элемента.

; (18)

.  (19)

где: Р1 - давление на поршень слева; Р2 - давление на поршень справа; Р3 - давление на дно метаемого элемента; mСБ - масса сборки; mП - масса поршня и осевших на него частиц; qS - масса метаемого элемента; tR - момент разделения сборки.

Момент разделения сборки tR определяется из условия разделения:

.  (20)

Начальные условия во второй области для системы уравнений (7) - (13) с замыкающими соотношениями (14) определяются в момент достижения времени задержки зажигания присоединённого заряда tЗ  для параметров этого заряда и давления форсирования РФ2.

Система уравнений (7) - (19) решается численно методом С.К. Годунова, где потоки массы, импульса и энергии в уравнениях (7) - (9) определяются из решения задачи распада произвольного разрыва параметров газа на скачке площади сечения. В уравнениях (10) - (11) потоки массы и импульса находятся из решения задачи распада произвольного разрыва для среды, не имеющей собственного давления. Уравнение (12) решается методом, аппроксимирующим конвективный член разностями против потока. Уравнения (18) - (19) решаются методом Эйлера, где давления Р1, Р2, Р3 определяются из решения задачи распада произвольного разрыва параметров газа на неподвижной непроницаемой поверхности. Области I и II покрываются разностной сеткой с шагами h и h′ соответственно.

На рис. 7 представлена баллистика системы калибра 30 мм, при ω1 = 140 г, ω2 = 30 г,  qП = 29 г для трех вариантов условий заряжания в области II.

Рисунок 7 - Динамика изменения характерных параметров при ВЭС:

1 - давление на дно канала ствола, 2 - давление на поршень слева, 3 - давление на дно снаряда, 4 - давление на поршень справа, 5 - скорость снаряда, 6 - скорость поршня.

- = 1,10 кГ/дм3, XIGN = 0,95 м.

- = 0,72 кГ/дм3, XIGN = 0,5 м;  - = 0,96 кГ/дм3, XIGN = 0,9 м.

После воспламенения основного заряда и достижения давления форсирования, сборка поршень дополнительный заряд метаемый  элемент ускоряется. После прохождения сборкой некоторого расстояния воспламеняется дополнительный заряд. В процессе движения сборки по каналу ствола давление в области II растет и при выполнении условия (20) происходит разделение сборки. Рост давления в области II продолжается, поршень немного тормозится, а снаряд ускоряется; достигнув максимума, давление в области II начинает падать, при этом, давление на поршень справа становится ниже давления на поршень слева и поршень снова начинает ускоряться (функция 6).

Во время торможения поршня, после разделения сборки, происходит возрастание давления на поршень слева, которое препятствует дальнейшему падению его скорости. В зависимости от координаты воспламенения дополнительного заряда разделение сборки происходит при различных давлениях и, как следствие, при одинаковых условиях заряжания в области II в ней достигается различный уровень максимального давления. Однако для данной установки с выбранными условиями заряжания давление на дно сборки в районе его максимума меняется достаточно плавно (рис. 7, функция 3), поэтому в достаточно большом интервале по Хign условия разделения незначительно отличаются по давлению.

На рис. 8 представлена зависимость дульной скорости от координаты воспламенения дополнительного заряда. В начале при увеличении Хign Vд растет, что обусловлено тем, что метаемый элемент в составе сборки получает большую скорость, а затем происходит дополнительное ускорение метаемого элемента за счет горения дополнительного заряда. Установлено, что дульная скорость зависит от условий заряжания в области II, массы поршня и метаемого элемента.

Рисунок 8 - Зависимость конечной скорости от параметра Δ′:

1 - Δ′= 0,72 кГ/дм3, 2 Ц  Δ′= 0,96 кГ/дм3.

Исследование баллистической эффективности СПК проводилось для установок калибра 30, 100, 125 мм с различными условиями заряжания и ограничениями на максимальное давление в стволе и камере.

В таблице 1, приведены результаты исследований для систем калибра 30мм. При фиксированной массе всего заряда для системы калибра 30 мм использование ВЭС дает прирост  дульной скорости снаряда на 15,6% (строки 17 и 2 табл. 1). При увеличении массы поршня до 50 г Vд увеличивается (строка 18), а при дальнейшем ее увеличении начинает падать. При увеличении массы  ω2  за счет уменьшения  qП  при  ω2  + qП =const скорость сначала возрастает, а затем начинает падать (строки 19, 20 в табл. 1).

Таблица 1 - Баллистика системы калибра 30 мм ВЭС при различных условиях

заряжания, qS =100 г.

№ п/п	ω1, г	ω2, г	qП, г	Δ', кг/дм3	Хign, м	PImax, МПа	PIImax, МПа	Vд, м/с
	170	-	-	-	-	288,2	-	1666
	170	-	-	-	-	274	-	1608
	140	30	29	0.72	0.5	272.5	143	1714
	140	30	29	0.96	0.9	272.5	185	1695
	140	30	29	1.1	0.95	272.5	269	1727
	140	30	50	0.72	0.5	309.7	150.9	1759
	140	30	50	0.96	0.65	309.7	235	1779
	150	20	15	0.74	0.3	272.5	11З	1618
	135	35	30	0.84	0.7	241	173	1697
	135	35	35	0.84	0.65	253.7	185.7	1734
	135	35	40	0.84	0.65	267	192	1759
	135	35	45	0.84	0.65	281.2	194.5	1766
	135	35	55	0.84	0.65	285.9	201.8	1764
	140	50	30	0.96	0.65	309.7	266.8	1921
	140	70	10	0.96	0.65	309.7	2473	1949
	140	79	10	0.96	0.65	309.7	210.6	1931
	140	30(ВТ)	30	0.72	0.65	276	224	1859
	140	З0(ВТ)	50	0.8	0.7	309.7	312	2006
	140	40(ВТ)	40	0.7	0.7	309.7	394.7	2I08
	140	45(ВТ)	35	0.75	0.9	309.7	310.8	2042

В таблице 2, приведены результаты исследований для систем калибра 100 мм, здесь максимальные безразмерные давления на дно закрытого торца цилиндрического канала PImax; в области II - PIImax; на дно метаемого элемента - PЭmax; конечные  импульсы  зарядов  в  области  I - IK и в области II - I′K; время задержки зажигания - tЗ для нескольких расчётных вариантов схемы с присоединённой камерой подгона, при различных значениях масс основного заряда ω1 и масс присоединённого заряда ω2.

Таблица 2 - Баллистика системы калибра 100 мм ВЭС при различных условиях

заряжания, qS =4,700 кг.

№ п/п	1, кг	2, кг	tЗ, мс	PIMAX б/р	PIIMAX б/р	PЭmax б/р	Iк, МПа⋅с	I′к, МПа⋅с	VД б/р
1	6,5	0,8	6,552	0,5934	0,5904	0,5813	1,02113	0,19426	1,657
2	6,5	0,9	6,553	0,5946	0,5910	0,5788	1,02546	0,23000	1,677
3	6,5	1,0	6,554	0,5936	0,5896	0,5851	1,03129	0,26888	1,690
4	6,5	1,1	6,578	0,5933	0,6009	0,5904	1,03645	0,30927	1,698
5	6,5	1,2	6,579	0,5929	0,5831	0,5754	1,04167	0,36019	1,691
6	7,0	1,1	6,504	0,5944	0,5924	0,5836	1,14897	0,32842	1,718
7	6,5	-	-	0,5916	-	0,3076	0,95030	-	1,610
8	7,0	-	-	0,5939	-	0,3004	0,99044	-	1,631

Примечание: б/р - означает, что параметры приведены в безразмерном виде.

Используя СПК системы калибра 100 мм, можно повысить дульную скорость снаряда на 6,63 % по сравнению с ω1=7 кг (строки 6,8, табл.2), а по сравнению с ω1=6.5 кг - на 5,46 % (строки 4,7, табл.2) классического выстрела при одинаковом максимальном давлении на дно канала ствола (415 МПа) и максимальном давлении в области II не выше максимального давления на дно канала ствола.

Наибольший интерес представляют исследования с применением СПК калибра 125мм и массой контейнера qS=8,1÷15,00 кг. Результаты исследований представлены в таблице 3. Возможность применения СПК для метания тяжелых контейнеров с массой до 15 кг оценивалась расчетами для установки калибра 125 мм с объёмом камеры 18,96 дм3, LД = 7,5 м, Δ = 851,8 кг/ м3, Δ′ = 823,0 кг/ м3, РФ=30 МПа. Из результатов расчета (см табл.3.) видно, что при ограничении давления в стволе и на дне канала значением 700 МПа, расчетная скорость метания снаряда qS=15 кг составляет 1795 м/с (строка 4, табл.3).

Таблица 3 - Баллистика системы калибра 125 мм ВЭС при различных условиях

заряжания, qS =8,100 ÷15,00 кг.

№ п/п	ω1, кг	ω2, кг	qП, кг	qS, кг	РImax, МПа	РIImax, МПа	РSmax, МПа	xign,  м tЗ, мс	VД, м/с
1	11,76	3,0	2,0	8,1	644,0	711,0	684,0	2,800 5,148	2009
2	11,76	3,0	2,0	8,1	644,0	679,0	658,0	2,800 5,148	1991
3	11,76	Ц	Ц	8,1	647,0	Ц	Ц	Ц	1878
4	16,15	7,4	4,0	15,0	700,0	700,0	644,0	1,500 4,49	1795
5	16,15	7,4	4,0	15,0	700,0	762,0	700,0	1,500 4,49	1881
6	16,15	Ц	Ц	15,0	698,0	Ц	Ц	Ц	1721

При ограничении максимального давления на снаряде значением 700 МПа расчетная скорость достигает значения 1881 м/с, а максимальное давление во II области равняется 762 МПа (строка 5, табл.3).

Реализация схемы с присоединённой камерой подгона на модельных установках калибра 30, 100, 125 мм позволит повысить начальные скорости метаемых контейнеров примерно на 7% при неизменных максимальных давлениях на дно закрытого торца цилиндрического канала по сравнению с классической схемой метания элементов.

В четвертой главе разработан и создан опытно-экспериментальный стенд, а также представлены результаты проведения стендовых испытаний.

Опытно-экспериментальный стенд - стволовая установка, с условным диаметром ствола 30 мм, позволяющий экспериментальным путем исследовать метание огнетушащих веществ в контейнерах. Разработана методика проведения экспериментальных исследований, испытаний СУДТК и обработки результатов испытаний.

Результаты экспериментальных исследований метания контейнеров с условным диаметром ствола 30 мм на полигоне подтвердили разработанные положения внешней баллистики движения и полета контейнеров с ОТВ. Полученные показатели позволяют рассматривать метод пожаротушения, реализуемый СУДТК, как метод доставки огнетушащих веществ на удаленное расстояние. При сопоставлении аналитических расчетных данных и результатов экспериментов погрешность составила 2 - 3%.

В заключении сформулированы основные выводы и предложения по результатам исследования с указанием возможных областей их применения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Представлен метод доставки ОТВ контейнерами с присоединенной камерой подгона с применением стволовых установок.
2. Разработана модель и программа для ПЭВМ моделирования внешней баллистики движения контейнеров.
3. Разработаны математические модели внутрикамерных процессов (внутренняя баллистика) нетрадиционной схемы для высокоскоростного метания.
4. Получены численные результаты исследований баллистики систем калибра 30, 100, 125 мм.

РАБОТы, ОПУБЛИКОВАННЫе ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК  Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Сафронов А.И., Потапенко В.В. Анализ и баллистическое проектирование системы с присоединенной камерой подгона. Вестник СГАУ,  ISSN 1998-6629. Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Материалы международной научно-технической конференции (24-26 июня 2009 год). - Самара: Изд-во СГАУ, №3 (19) Часть 1; 2009 г. - с. 212-216
2. Сафронов А.И., Зоркин В.А., Потапенко В.В. Анализ и баллистическое проектирование лабораторной установки малого  калибра с присоединенными камерами подгона. Вестник СГАУ,  ISSN 1998-6629. Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Материалы международной научно-технической конференции (28-30 июня 2011 г). - Самара: Изд-во СГАУ, №3 (27) Часть 2; 2009г. - с. 266-270
3. Сафронов А.И., Потапенко В.В. Решение частной задачи внутренней баллистики для систем с двумя областями. Вопросы оборонной техники. (ISBN 978-5-86983-359-4) Технические средства противодействия терроризму. ЦМ.: НТ - Информтехника -СПб.: Любавич, 2012 - вып. 1-2; с. 39-42.
4. Сафронов А.И., Потапенко В.В., Зоркин В.А. Внутренняя баллистика систем нетрадиционной схемы метания с двумя камерами подгона. Актуальные проблемы защиты и безопасности (Приложение к журналу Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук). Материалы 15-й Всероссийской научно-практической конференции Технические средства противодействия терроризму СПб., НПО Специальных материалов, 2012 - том 2, с.41-46.
5. Потапенко В.В., Сметанин Ю.В. Математическая модель газодинамического устройства воспламенения дополнительного заряда, присоединенной камеры подгона. Научно-аналитический журнал Проблемы управления рисками в техносфере. СПб.: СПбУГПС МЧС России, 2012 - №2.
6. Потапенко В.В., Сметанин Ю.В. Математическое моделирование артиллерийских систем метания с присоединенной камерой подгона. Научно-аналитический журнал Природные и техногенные риски. СПб.: СПбУГПС МЧС России, 2012 - №2.

В иных изданиях:

7. Старков Н.Н, Потапенко В.В., Харитонов Д.В. О механизме перемешивания при тушении пожаров нефтепродуктов и полярных жидкостей твердой двуокисью углерода. Тезисы докладов на 3-й научно-практической конференции. Развитие ВУЗА через развитие науки. Сборник статей. Тольятти 2005 год. - с.56-60.
8. Царев А.М., Жуйков Д.А., Потапенко В.В. Математическая модель контейнеров в виде капсул, используемых в установках пожаротушения контейнерной доставки огнетушащих веществ. Тезисы докладов 2-ой международной научно-практической конференции. Тольятти 2005 год. - с.84-88.
9. Комаровский Л.В., Сафронов А.И., Потапенко В.В. Анализ и баллистическое проектирование систем с присоединенной к метаемому телу камеры. Современная баллистика и смежные вопросы механики. Материалы Всероссийской научной конференции 17-19 ноября 2009 г. - Томск: Изд-во НИИПММ ТГУ, 2010. - С. 59-65.

Подписано в печать  27.04.2012 г.  Формат 60*84а1/16

Печать цифровая Объем 1,5ап.л.  Тираж 100аэкз.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете

Государственной противопожарной службы МЧС России

196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям