Моделирование внутренней баллистики охотничьих систем эстафетной схемы
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 Теоретическое рассмотрение внутренней баллистики и
различных схем метания 8
1.1 Предмет и задачи внутренней баллистики 8
1.2 Описание традиционной схемы выстрела 10
1.3 Исследование некоторых нетрадиционных схем выстрела 12
1.4 Развитие теории движения многофазных гетерогенных сред и
моделирование внутрикамерных процессов 15
1.5 Анализ возможностей эстафетной схемы 17
ГЛАВА 2 Математическая модель для схемы с разделением заряда 20
2.1 Процесс работы системы с разделением заряда 20
2.2 Вывод уравнений равновесия гетерогенной двухфазной реагирующей
смеси в канале переменного сечения 22
2.3 Конкретизация функций массового и силового взаимодействия гетерогенной системы: пороховые газы - несгоревшие пороховые элементы
2.4 Расчет шага 30
ГЛАВА 3 Математические модели стрелковых метательных систем для схемы с разделением заряда 33
3.1 Баллистическая система ВПО-208 с разделением заряда 33
3.2 Двухскоростная среда 36
3.3 Баллистическая система МР - 153 с разделением заряда 37
3.4 Использование Метода Годунова для математического моделирования
производительности баллистических систем 41
ГЛАВА 4 Компьютерное моделирование схемы с разделением заряда 49
4.1 Анализ программных средств для реализации 49
4.2 Разработка компьютерной модели схемы с разделением заряда 52
4.3 Результаты работы компьютерной модели 57
ГЛАВА 5 Итоговый анализ результатов и способов дальнейшего
улучшения системы 61
5.1 Анализ результатов выполненного исследования 61
5.2 Способы дальнейшего улучшение системы с разделением заряда ... 67
5.3 Рекомендации практического характера 68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 73
ГЛАВА 1 Теоретическое рассмотрение внутренней баллистики и
различных схем метания 8
1.1 Предмет и задачи внутренней баллистики 8
1.2 Описание традиционной схемы выстрела 10
1.3 Исследование некоторых нетрадиционных схем выстрела 12
1.4 Развитие теории движения многофазных гетерогенных сред и
моделирование внутрикамерных процессов 15
1.5 Анализ возможностей эстафетной схемы 17
ГЛАВА 2 Математическая модель для схемы с разделением заряда 20
2.1 Процесс работы системы с разделением заряда 20
2.2 Вывод уравнений равновесия гетерогенной двухфазной реагирующей
смеси в канале переменного сечения 22
2.3 Конкретизация функций массового и силового взаимодействия гетерогенной системы: пороховые газы - несгоревшие пороховые элементы
2.4 Расчет шага 30
ГЛАВА 3 Математические модели стрелковых метательных систем для схемы с разделением заряда 33
3.1 Баллистическая система ВПО-208 с разделением заряда 33
3.2 Двухскоростная среда 36
3.3 Баллистическая система МР - 153 с разделением заряда 37
3.4 Использование Метода Годунова для математического моделирования
производительности баллистических систем 41
ГЛАВА 4 Компьютерное моделирование схемы с разделением заряда 49
4.1 Анализ программных средств для реализации 49
4.2 Разработка компьютерной модели схемы с разделением заряда 52
4.3 Результаты работы компьютерной модели 57
ГЛАВА 5 Итоговый анализ результатов и способов дальнейшего
улучшения системы 61
5.1 Анализ результатов выполненного исследования 61
5.2 Способы дальнейшего улучшение системы с разделением заряда ... 67
5.3 Рекомендации практического характера 68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 70
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 73
С помощью математического моделирования можно изменить представление о всевозможных наблюдаемых процессах, в том числе это может быть выстрел баллистической системы, например, артиллерийский выстрел. При моделировании выстрела могут учитываться такие параметры, как:
• скорострельность
• максимальная дальность поражения
• начальная скорость
• и т.д.
Для того, чтобы получить наилучший прирост параметров, указанных выше, необходимо построить математическую модель выстрела, которая поможет проводить вычислительные эксперименты с целью подбора оптимального состава, общего объема заряда, длины области и т.п.
Существенно повысить скорость получения необходимых результатов можно при помощи использования современных рабочих станций, которые в свою очередь обладают высокими вычислительными мощностями и допускают меньше погрешностей что позволяет получить более высокую точность вычислений, чем при вычислениях вручную.
Развитие и совершенствование артиллерийского вооружения и боеприпасов идет по пути увеличения их эффективности. Все эти задачи связаны с управлением протекания внутренних процессов при выстреле. Пути повышения дульной скорости снарядов, базирующиеся на неклассических схемах, основаны как на вводе энергии в заснарядное пространство, так и на перераспределении энергии порохового заряда на ускорение снаряда. Экспериментальная отработка схем требует больших временных и материальных ресурсов. Математическое моделирование этих процессов помогает вскрывать основные закономерности функционирования новых схем ограничивать область рассматриваемых решений.
Вопрос повышения скоростей метания снарядов для увеличения бронепробиваемости и дальности стрельбы, для проведения экспериментальных исследований по аэробаллистике и высокоскоростному взаимодействию тел с преградами является актуальным. Этот вопрос решается как путём совершенствования классического выстрела, так и в направлении создания принципиально новых схем, наибольшее распространение среди которых получили двухступенчатые пушки, электродинамические системы и взрывные ускорители.
Одной из схем, удачно сочетающей классическое орудие и новый принцип дополнительного подгона, является эстафетная схема выстрела (ВЭС).
Эстафетная схема выстрела (ВЭС) может быть реализована на обычных типах порохов и обеспечить прирост дульной скорости для установок среднего калибра при одинаковом максимальном давлении на дно канала ствола и массе заряда. Прирост дульной скорости здесь, помимо условий заряжания и величин co/q и С q, зависит от величины задержки воспламенения дополнительного заряда.
Такие оценки и прогнозирование могут быть проведены на основе математических моделей, адекватно описывающих рассматриваемые процессы, а также при экспериментальных исследованиях систем использующих перспективную схему .
Актуальность исследования обусловлена проблемой повышения начальных скоростей метания снарядов при выстреле из артиллерийских орудий и пороховых баллистических установок.
Особую остроту указанная проблема приобрела в настоящее время ввиду совершенствования защиты боевой техники от поражения.
Таким образом, актуальность магистерской работы обусловлена необходимостью исследования применения новой схемы выстрела с разделением заряда для повышения скоростей метания.
Новизна исследования заключается в разработке математической модели схемы метания, газодинамических методов моделирования функционирования рассматриваемых систем новой схемы выстрела.
Методы исследования: физико-математическое моделирование процессов, происходящих в баллистических системах новой схемы. Экспериментальное исследование функционирования систем с использованием новой схемы выстрела.
Степень разработанности темы исследования. Впервые классическая ПЗВБ в газодинамической постановке методом характеристик была решена С.А.Бетехтиным (1947) и А.П.Гришиным (1948). В дальнейшем эта тема развивалась в работах В.М.Ушакова (1971). В 80 -х годах моделирование ПЗВБ систем с разделением заряда было проведено А.И.Сафроновым.
Целью работы является обеспечение повышения скоростей метания элементов по сравнению с достигнутыми в настоящее время значениями.
Объект исследования - математические модели пороховых баллистических систем, обеспечивающие метание элементов.
Предмет исследования - новая математическая модель схемы метания, обеспечивающая повышение скоростей метания по сравнению с классической схемой.
Исходя из цели исследования и для проверки выдвинутой гипотезы необходимо решить следующие задачи:
• изучение возможностей повышения начальных скоростей метания элементов из ствольных систем при использовании схем выстрела ВЭС.
• разработка и реализация математической модели схемы с разделением заряда на существующих пороховых баллистических установках.
Определив цель, объект и предмет исследования перейдем к анализу научных работ, по математическому моделированию внутрикамерного процесса с позиции механики гетерогенных сред.
Для продвижения исследования опубликовались две научные статьи на IV международной научно-практической конференции (школе-семинаре) молодых ученых «Прикладная математика и информатика: современные исследования естественных и технических наук» который проходил в период с 23 по 25 апреля 2018 года и на Всероссийской студенческой научно-практической междисциплинарной конференции «Молодежь. Наука. Общество» которая проходила 5 декабря 2018 года.
Объем и структура диссертации: диссертационное исследование состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии (40 наименований). Работа изложена на 74 страницах, содержит 19 рисунков и 3 таблицы.
• скорострельность
• максимальная дальность поражения
• начальная скорость
• и т.д.
Для того, чтобы получить наилучший прирост параметров, указанных выше, необходимо построить математическую модель выстрела, которая поможет проводить вычислительные эксперименты с целью подбора оптимального состава, общего объема заряда, длины области и т.п.
Существенно повысить скорость получения необходимых результатов можно при помощи использования современных рабочих станций, которые в свою очередь обладают высокими вычислительными мощностями и допускают меньше погрешностей что позволяет получить более высокую точность вычислений, чем при вычислениях вручную.
Развитие и совершенствование артиллерийского вооружения и боеприпасов идет по пути увеличения их эффективности. Все эти задачи связаны с управлением протекания внутренних процессов при выстреле. Пути повышения дульной скорости снарядов, базирующиеся на неклассических схемах, основаны как на вводе энергии в заснарядное пространство, так и на перераспределении энергии порохового заряда на ускорение снаряда. Экспериментальная отработка схем требует больших временных и материальных ресурсов. Математическое моделирование этих процессов помогает вскрывать основные закономерности функционирования новых схем ограничивать область рассматриваемых решений.
Вопрос повышения скоростей метания снарядов для увеличения бронепробиваемости и дальности стрельбы, для проведения экспериментальных исследований по аэробаллистике и высокоскоростному взаимодействию тел с преградами является актуальным. Этот вопрос решается как путём совершенствования классического выстрела, так и в направлении создания принципиально новых схем, наибольшее распространение среди которых получили двухступенчатые пушки, электродинамические системы и взрывные ускорители.
Одной из схем, удачно сочетающей классическое орудие и новый принцип дополнительного подгона, является эстафетная схема выстрела (ВЭС).
Эстафетная схема выстрела (ВЭС) может быть реализована на обычных типах порохов и обеспечить прирост дульной скорости для установок среднего калибра при одинаковом максимальном давлении на дно канала ствола и массе заряда. Прирост дульной скорости здесь, помимо условий заряжания и величин co/q и С q, зависит от величины задержки воспламенения дополнительного заряда.
Такие оценки и прогнозирование могут быть проведены на основе математических моделей, адекватно описывающих рассматриваемые процессы, а также при экспериментальных исследованиях систем использующих перспективную схему .
Актуальность исследования обусловлена проблемой повышения начальных скоростей метания снарядов при выстреле из артиллерийских орудий и пороховых баллистических установок.
Особую остроту указанная проблема приобрела в настоящее время ввиду совершенствования защиты боевой техники от поражения.
Таким образом, актуальность магистерской работы обусловлена необходимостью исследования применения новой схемы выстрела с разделением заряда для повышения скоростей метания.
Новизна исследования заключается в разработке математической модели схемы метания, газодинамических методов моделирования функционирования рассматриваемых систем новой схемы выстрела.
Методы исследования: физико-математическое моделирование процессов, происходящих в баллистических системах новой схемы. Экспериментальное исследование функционирования систем с использованием новой схемы выстрела.
Степень разработанности темы исследования. Впервые классическая ПЗВБ в газодинамической постановке методом характеристик была решена С.А.Бетехтиным (1947) и А.П.Гришиным (1948). В дальнейшем эта тема развивалась в работах В.М.Ушакова (1971). В 80 -х годах моделирование ПЗВБ систем с разделением заряда было проведено А.И.Сафроновым.
Целью работы является обеспечение повышения скоростей метания элементов по сравнению с достигнутыми в настоящее время значениями.
Объект исследования - математические модели пороховых баллистических систем, обеспечивающие метание элементов.
Предмет исследования - новая математическая модель схемы метания, обеспечивающая повышение скоростей метания по сравнению с классической схемой.
Исходя из цели исследования и для проверки выдвинутой гипотезы необходимо решить следующие задачи:
• изучение возможностей повышения начальных скоростей метания элементов из ствольных систем при использовании схем выстрела ВЭС.
• разработка и реализация математической модели схемы с разделением заряда на существующих пороховых баллистических установках.
Определив цель, объект и предмет исследования перейдем к анализу научных работ, по математическому моделированию внутрикамерного процесса с позиции механики гетерогенных сред.
Для продвижения исследования опубликовались две научные статьи на IV международной научно-практической конференции (школе-семинаре) молодых ученых «Прикладная математика и информатика: современные исследования естественных и технических наук» который проходил в период с 23 по 25 апреля 2018 года и на Всероссийской студенческой научно-практической междисциплинарной конференции «Молодежь. Наука. Общество» которая проходила 5 декабря 2018 года.
Объем и структура диссертации: диссертационное исследование состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии (40 наименований). Работа изложена на 74 страницах, содержит 19 рисунков и 3 таблицы.
В результате данного исследования можно сказать что были описаны газодинамические и энергетические процессы внутренней баллистики, а данные сведения были использованы на новой схеме метания - схема с разделением заряда, чей принцип основывается на эстафетной схеме. В ходе выполнения научно-исследовательской работы были сформулированы цели и задачи, определены объект и предмет, выдвинута гипотеза, обозначена актуальность темы исследования.
В математической модели для описания процессов внутренней баллистики было использовано описание газодинамических процессов, так как они являются более точными и полными, чем описание термодинамических процессов во время выстрела.
Были проанализирована: существующие на данный момент классические и нетрадиционные схемы метания. Из данного анализа был сделан вывод, что для получения прироста скорости метаемого элемента необходимо вносить модификации в конструкцию снаряда. Исходя из этого вывода для дальнейшего исследования и построения математической модели было решено использовать нетрадиционные схемы метания.
На основании проанализированной литературы по теме диссертации, было описано развитие теории движения многофазных гетерогенных сред. Упомянутые авторы научных работ в разные периоды времени исследовали вопросы представления различных фаз гетерогенного потока в виде отдельных взаимопроникающих сплошных сред.
Основываясь на существующих исследованиях в области внутренней баллистики для достижения цели повышения начальных скоростей метания была выбрана эстафетная схема метания. В процессе описания данной схемы была построена её математическая модель, на основе газодинамических процессов, протекающих во период выстрела, от инициации первого слоя заряда, до покидания метаемым элементом дульного среза. Процессы, протекающие в дальнейшем не были описаны, так как имеют отношение к внешней баллистики которая не рассматривается в данном исследовании.
Используемая схема метания была переработана в результате чего была разработана принципиально новая схема с разделением заряда. Она сохраняет принцип эстафетной схемы, который требует разделение заряда с обязательной задержкой инициации второго заряда.
В дальнейшем был описан вывод уравнений равновесия гетерогенной двухфазной реагирующей смеси в канале переменного сечения и функций массового и силового взаимодействия гетерогенной системы. В большинстве работ, посвященных теории движения гетерогенных сред, рассматривается движение нереагирующей смеси, а первые попытки учета двухфазного характера течения в канале ствола были предприняты еще в 1950-х годах.
Из разработанной математической модели была реализована её компьютерная модель в виде программы. Для разработки компьютерной модели был выбран язык C++. В дальнейшем компьютерная модель может быть усовершенствована путем добавления в неё графического интерфейса пользователя, что понизит порог входа для использования модели и упростит взаимодействие с ней.
С помощью данной компьютерной модели были проведены вычислительные эксперименты для баллистических систем ВПО-208 и МР-153 с использованием схемы разделения заряда на бинар и тринар соответственно. По полученным результатом было проведено сравнение относительно классической схемы метания. Для баллистической системы ВПО-208 с использованием схемы разделения заряда на бинар прирост начальной скорости метания составил 12% относительно классической схемы метания. Для баллистической системы МР-153 с использованием схемы разделения заряда на тринар прирост начальной скорости метания составил 20% относительно классической схемы метания.
Из данного анализа можно сделать вывод, что использование нетрадиционных схем метания, а именно схемы с разделением заряда, для баллистических систем ВПО-208 и МР-153 повышает начальную скорость метания. Данная схема метания может быть применена и на других баллистических системах с разделением заряда на 2 (бинар), 3(тринар) и 4(кварта) части. Можно сказать, что компьютерное моделирование газодинамических процессов внутренней баллистики упрощает задачу для исследователя по увеличению начальных скоростей метания и позволяет совершенствовать параметры баллистических систем.
В математической модели для описания процессов внутренней баллистики было использовано описание газодинамических процессов, так как они являются более точными и полными, чем описание термодинамических процессов во время выстрела.
Были проанализирована: существующие на данный момент классические и нетрадиционные схемы метания. Из данного анализа был сделан вывод, что для получения прироста скорости метаемого элемента необходимо вносить модификации в конструкцию снаряда. Исходя из этого вывода для дальнейшего исследования и построения математической модели было решено использовать нетрадиционные схемы метания.
На основании проанализированной литературы по теме диссертации, было описано развитие теории движения многофазных гетерогенных сред. Упомянутые авторы научных работ в разные периоды времени исследовали вопросы представления различных фаз гетерогенного потока в виде отдельных взаимопроникающих сплошных сред.
Основываясь на существующих исследованиях в области внутренней баллистики для достижения цели повышения начальных скоростей метания была выбрана эстафетная схема метания. В процессе описания данной схемы была построена её математическая модель, на основе газодинамических процессов, протекающих во период выстрела, от инициации первого слоя заряда, до покидания метаемым элементом дульного среза. Процессы, протекающие в дальнейшем не были описаны, так как имеют отношение к внешней баллистики которая не рассматривается в данном исследовании.
Используемая схема метания была переработана в результате чего была разработана принципиально новая схема с разделением заряда. Она сохраняет принцип эстафетной схемы, который требует разделение заряда с обязательной задержкой инициации второго заряда.
В дальнейшем был описан вывод уравнений равновесия гетерогенной двухфазной реагирующей смеси в канале переменного сечения и функций массового и силового взаимодействия гетерогенной системы. В большинстве работ, посвященных теории движения гетерогенных сред, рассматривается движение нереагирующей смеси, а первые попытки учета двухфазного характера течения в канале ствола были предприняты еще в 1950-х годах.
Из разработанной математической модели была реализована её компьютерная модель в виде программы. Для разработки компьютерной модели был выбран язык C++. В дальнейшем компьютерная модель может быть усовершенствована путем добавления в неё графического интерфейса пользователя, что понизит порог входа для использования модели и упростит взаимодействие с ней.
С помощью данной компьютерной модели были проведены вычислительные эксперименты для баллистических систем ВПО-208 и МР-153 с использованием схемы разделения заряда на бинар и тринар соответственно. По полученным результатом было проведено сравнение относительно классической схемы метания. Для баллистической системы ВПО-208 с использованием схемы разделения заряда на бинар прирост начальной скорости метания составил 12% относительно классической схемы метания. Для баллистической системы МР-153 с использованием схемы разделения заряда на тринар прирост начальной скорости метания составил 20% относительно классической схемы метания.
Из данного анализа можно сделать вывод, что использование нетрадиционных схем метания, а именно схемы с разделением заряда, для баллистических систем ВПО-208 и МР-153 повышает начальную скорость метания. Данная схема метания может быть применена и на других баллистических системах с разделением заряда на 2 (бинар), 3(тринар) и 4(кварта) части. Можно сказать, что компьютерное моделирование газодинамических процессов внутренней баллистики упрощает задачу для исследователя по увеличению начальных скоростей метания и позволяет совершенствовать параметры баллистических систем.
Подобные работы
- Моделирование баллистики охотничьей системы ВПО-208 эстафетной схемы
метания
Бакалаврская работа, математика. Язык работы: Русский. Цена: 4760 р. Год сдачи: 2021