2.1.4. Нагрев и искусственное охлаждение стволов

Основным источником тепла в артиллерийских стволах являются пороховые газы, имеющие высокое давление, скорость и температуру. Количество тепла, поступающего в ствол от поро­ховых газов, определяется не только их природой и параметрами состояния, но и временем воздействия на тот или иной участок ство­ла (рис. 2.17). Специфические особенности малокалиберной артил­лерии (высокий темп стрельбы, высокоэнергетические пороха, ма­лый вес, отстрел большого боекомплекта) приводят к высокому нагреву стволов, в том числе и от трения (до 25 % от общего коли­чества тепла).

Применение длинных тонкостенных стволов для танковых и про­тивотанковых пушек заставляет учитывать при анализе теплового состояния ствола тепло от солнечной радиации. Хотя его количест­во невелико относительно тепла, поступающего от пороховых га­зов, однако нагрев от него носит существенно односторонний ха­рактер, вызывая так называемый тепловой изгиб ствола. Этот изгиб может усугубляться технологической разностенностью ствола и су­щественным образом сказываться на точности стрельбы.

Влияние нагрева ствола на работу артиллерийского орудия ска­зывается по следующим направлениям.

1. Интенсивный нагрев внутренней поверхности ствола вызы­вает повышенный износ поверхности канала ствола, снижение жи­вучести ствола.

2. Нагрев ствола существенно влияет на условия работы веду­щих устройств снаряда и ведение снаряда по каналу. Тепловое расширение канала приводит к увеличению зазора между стенкой ствола и ведущими частями снаряда. Например, при прогреве стен­ки ствола до 400 °С зазор между центрирующим утолщением сна­ряда и полями нарезов может увеличиться более чем в два раза. На­грев относительно тонкого дульного участка ствола приводит к так называемому дульному раструбу, особенно ухудшающему условия.

3. Возникающий вследствие нагрева перепад температуры по толщине стенки ствола приводит к появлению тепловых (термиче­ских, температурных) напряжений, которые необходимо учитывать при оценке прочности ствола. Также необходимо учитывать и су­щественное изменение механических характеристик орудийных сталей с ростом температуры.

4. Падение упругих свойств материала ствола при нагреве ведет к снижению его жесткости, что в значительной мере увеличивает статический прогиб и динамический изгиб ствола при выстреле и тем самым увеличивает рассеивание снарядов. Кроме того, не­равномерный лучистый нагрев сечений ствола по контуру, нерав­номерный нагрев по длине, неодинаковое охлаждение от осадков и ветра вызывают дополнительный тепловой изгиб ствола, также отрицательно влияющий на точность стрельбы.

5. Нагрев вызывает тепловые деформации деталей ствольной группы, величины которых необходимо знать для установления обоснованных зазоров в соединениях элементов ствола между со­бой и с деталями лафета.

6. Разогрев ствола в каморной части и нагрев гильзы могут су­щественно влиять на условия работы гильзы при выстреле и ее экс­тракцию, а также на термостойкость боеприпаса при эксплуатации орудия, так как возможно самосрабатывание элементов боеприпаса в канале ствола при прекращении стрельбы или при перерывах в стрельбе, связанных с подготовкой стрельбы, с осечками, с нахо­ждением ствола в опасных зонах наведения и т. п. Особенно это важно для систем картузного заряжания и таких систем гильзового заряжания, у которых в перерывах стрельбы патрон остается в па­троннике. Несмотря на удаленность элементов боеприпаса от на­гретых поверхностей, со временем тепло может достигнуть их и вы­звать самосрабатывание. Для снаряда это время может составлять несколько минут, для заряда - несколько секунд. Для исключения самосрабатывания боеприпаса необходимо все стрельбы выполнять с соблюдением допустимых режимов огня, а при отработке конст­рукций артсистем проводить тщательный анализ теплового состоя­ния всех элементов ствола и боеприпасов.

Характерной особенностью процесса нагрева ствола является то, что промежуток времени, в течение которого ствол получает тепло для каждого отдельного выстрела, составляет доли секунды, а само тепло воспринимается в течение выстрела лишь тонким сло­ем металла, прилегающим к поверхности канала ствола. Это хорошо видно по экспериментальным кривым температуры внутреннего слоя ствола 130-мм орудия для моментов времени от 5 до 25 мс (рис. 2.18). Практически на расстоянии 1,5 мм от поверхности ствола температура в момент выстрела не повышается, а на глубине 1 мм не превосходит 100 °С. В то же время в слое толщиной 50... 100 мкм,

непосредственно примыкающем к поверхности, температура со­ставляет несколько сотен градусов, а в орудиях особо высокой мощности и скорострельности на последних выстрелах достаточно длинной очереди (серии) может достигать точки плавлении ору­дийной стали.

После выстрела тепло распространяется в глубину стенки и к на­чалу следующего выстрела температура по толщине стенки не­сколько выравнивается, но градиент остается значительным. Вели­чина его определяется временем перерыва между выстрелами ин­тенсивностью охлаждения (естественного или искусственного), теплопроводностью материала ствола.

На рис. 2.19 приведены расчетные температурные кривые оди­ночного выстрела (а), для серии из трех выстрелов (б) и очереди из восьми выстрелов (в). Обратим внимание на сдвиг максимума тем­пературы во времени для средней (кривая 2) по толщине точки и осо­бенно для наружной поверхности (кривая 3) по отношению к по­верхности канала (кривая) вылета снаряда. Все это отрицательно сказывается на точности стрельбы.

3. Возникающий вследствие нагрева перепад температуры по толщине стенки ствола приводит к появлению тепловых (термиче­ских, температурных) напряжений, которые необходимо учитывать при оценке прочности ствола. Также необходимо учитывать и су­щественное изменение механических характеристик орудийных сталей с ростом температуры.

4. Падение упругих свойств материала ствола при нагреве ведет к снижению его жесткости, что в значительной мере увеличивает статический прогиб и динамический изгиб ствола при выстреле и тем самым увеличивает рассеивание снарядов. Кроме того, не­равномерный лучистый нагрев сечений ствола по контуру, нерав­номерный нагрев по длине, неодинаковое охлаждение от осадков и ветра вызывают дополнительный тепловой изгиб ствола, также отрицательно влияющий на точность стрельбы.

5. Нагрев вызывает тепловые деформации деталей ствольной группы, величины которых необходимо знать для установления обоснованных зазоров в соединениях элементов ствола между со­бой и с деталями лафета.

6. Разогрев ствола в каморной части и нагрев гильзы могут су­щественно влиять на условия работы гильзы при выстреле и ее экс­тракцию, а также на термостойкость боеприпаса при эксплуатации орудия, так как возможно самосрабатывание элементов боеприпаса в канале ствола при прекращении стрельбы или при перерывах в стрельбе, связанных с подготовкой стрельбы, с осечками, с нахо­ждением ствола в опасных зонах наведения и.т.п. Особенно это важно для систем картузного заряжания и таких систем гильзового заряжания, у которых в перерывах стрельбы патрон остается в па­троннике. Несмотря на удаленность элементов боеприпаса от на­гретых поверхностей, со временем тепло может достигнуть их и вы­звать самосрабатывание. Для снаряда это время может составлять несколько минут, для заряда - несколько секунд. Для исключения самосрабатывания боеприпаса необходимо все стрельбы выполнять с соблюдением допустимых режимов огня, а при отработке конст­рукций артсистем проводить тщательный анализ теплового состоя­ния всех элементов ствола и боеприпасов

Характерной особенностью процесса нагрева ствола является то, что промежуток времени, в течение которого ствол получает тепло для каждого отдельного выстрела, составляет доли секунды, а само тепло воспринимается в течение выстрела лишь тонким сло­ем металла, прилегающим к поверхности канала ствола. Это хорошо видно по экспериментальным кривым температуры внутренне­го слоя ствола 130-мм орудия для моментов времени от 5 до 25 мс (рис. 2.18). Практически на расстоянии 1,5 мм от поверхности ствола температура в момент выстрела не повышается, а на глубине 1 мм не превосходит 100 °С. В то же время в слое толщиной 50... 100 мкм, непосредственно примыкающем к поверхности, температура со­ставляет несколько сотен градусов, а в орудиях особо высокой мощности и скорострельности на последних выстрелах достаточно длинной очереди (серии) может достигать точки плавления ору­дийной стали.

После выстрела тепло распространяется в глубину стенки, и к на­чалу следующего выстрела температура по толщине стенки не­сколько выравнивается, но градиент остается значительным. Вели­чина его определяется временем перерыва между выстрелами, ин­тенсивностью охлаждения (естественного или искусственного), теплопроводностью материала ствола.

На рис. 2.19 приведены расчетные температурные кривые оди­ночного выстрела (а), для серии из трех выстрелов (б) и очереди из восьми выстрелов (в). Обратим внимание на сдвиг максимума тем­пературы во времени для средней (кривая 2) по толщине точки и, осо­бенно для наружной поверхности (кривая 3) по отношению к по­верхности канала (кривая 1).

Для ликвидации или уменьшения отрицательного влияния на­грева на работу ствола на практике часто приходится прибегать к ус­тановлению предельных режимов стрельбы и предусматривать пе­рерывы в стрельбе для охлаждения ствола. Это приводит к ухуд­шению боевых свойств орудий, так как при естественном охлаждении существенное снижение температуры ствола может быть достигнуто только при длительных перерывах в стрельбе, со­ставляющих десятки минут. Например, ствол среднего калибра, на­гретый до температуры 300...350 °С, охлаждается на воздухе до температуры 100 °С за 30...60 мин, а для охлаждения до температу­ры окружающего воздуха требуется 2...3 часа в зависимости от ка­либра орудия и внешних условий.

В целях уменьшения нагрева стволов, его отрицательного влияния на работу орудия и для обеспечения более высоких режи­мов огня в некоторых типах орудий (например, в корабельных) на­ходят применение так называемые холодные пороха (пороха с по­ниженной температурой горения), а для большинства орудий флегматизаторы, позволяющие уменьшить тепловое воздействие выстрела на ствол. Помимо этого, применяют и другие конструк­тивные мероприятия, такие, как увеличение толщины стенки (для пушек малого калибра), увеличение наружной поверхности с по­мощью ребер или радиаторов и т. п.

Более эффективной мерой борьбы с нагревом и его нежела­тельными последствиями является искусственное охлаждение стволов. Виды искусственного охлаждения стволов различны, од­нако в основе всех способов лежит одна и та же техническая мысль: тепло, поступающее в ствол при стрельбе, передается под­вижному охлаждающему агенту, который воспринимает его полно­стью или частично и уносит с собой.

Непрерывное охлаждение. Межслойное охлаждение наиболее эффективно из разновидностей непрерывного охлажде­ния. Оно сочетает в себе в полной мере достоинства непрерывного охлаждения и в определенной мере достоинства периодического охлаждения: непрерывность теплосъема и подвод охладителя близ­ко к поверхности канала ствола, чем обеспечивается интенсивное охлаждение. Стволы с межслойным охлаждением имеют свобод­ную или скрепленную трубу с продольными канавками для прохо­да жидкости по поверхности контакта внутренней и наружной труб Канавки для охладителя могут быть отдельно как на трубе (рис 2 20, б) или кожухе (рис. 2.20, а), так и на трубе и кожухе со­вместно (рис. 2.20, в). Форма поперечного сечения канавок может быть различна: полукруглые, прямоугольные, трапецеидальные и т. д.

Рис 2.20 Схемы поперечных сечений стволов с межслоиным охлаждением

Обычное количество их от 8 до 50. По длине кожух и труба могут иметь посадки с натягом или зазором, обусловленные требуемыми запасами прочности по стволу. С точки зрения эффективности межслойного охлаждения, целесообразно размещать канавки на трубе, как на наиболее нагретом слое. Но в силу экономических и технологических соображений канавки располагают иногда на ко­жухе, так как при этом отпадают операции получения канавок на лейнере, что выгодно, если предусматривается его замена. Конст­рукцию с канавками на трубе и кожухе одновременно следует счи­тать нетехнологичной.

Наружное охлаждение Ствол с наружным охлаждением пред­ставляет собой трубу-моноблок, воспринимающую всю нагрузку от выстрела. Поверх трубы одет кожух с кольцевым зазором, предна­значенным для циркуляции охлаждающей жидкости. Так, в много­ствольной пушке ГШ-6-30К в полость между стволами нагнетается жидкость и, проходя вдоль стволов, охлаждает их (рис. 2.21).

Рис 2.21 Система охлаждения пушки ГШ-6-30К

1 - ствол, 2 - трубка, 3 - кожух 4 - насос 5 - емкость, 6 - трубопровод

Рис. 2.22 Системы охлаждения ствола ГШ-301

Эта система охлаждения требует наличия емкости, насоса, системы подвода и отвода жидкости, достаточно сложной схемы уплотни­телей.

В авиационных пушках ГШ-301 и ПШ-ЗОК охлаждению под­вергается наиболее нагретая часть ствола (район начала нарезов) путем воздействия на наружную поверхность перегретым паром. Схема работы охлаждающего устройства показана на рис. 2.22, где на стволе 1 расположена емкость 4 с охлаждающей жидкостью 2, запираемая клапаном 3. При стрельбе ствол и кожух (емкость) ра­зогреваются, передавая тепло жидкости, которая начинает испа­ряться. При повышении давления пара клапан срабатывает, и пар устремляется по проточкам, нанесенным на наружной поверхности ствола, охлаждая последний. Отработанный пар выпускается в ат­мосферу, расход жидкости при этом невелик, что можно отнести к достоинствам схемы.

Возможно также наружное оребрение трубы для увеличения площади поверхности, соприкасающейся с воздухом.

Межслойно-наружное охлаждение. Очень часто, в особенности при длинных стволах, целесообразным оказывается сочетание на длине ствола межслойного и наружного охлаждения, то есть меж­слойно-наружное непрерывное охлаждение. При данном виде ох­лаждения казенная часть ствола, воспринимающая максимальное давление пороховых газов и подвергающаяся максимальному на­греву, выполняется по схеме межслойного охлаждения, а дульная часть ствола, где толщина стенки меньше, - по схеме наружного охлаждения.

Периодическое охлаждение. Внутреннее (форсуноч­ное) охлаждение является охлаждением в промежутках между вы­стрелами. Это наиболее эффективный тип периодического охлаж­дения. После каждого выстрела внутрь ствола через специальные форсунки под давлением впрыскивается определенное количество охлаждающей жидкости или газожидкостной смеси. При этом зна­чительная часть тепла, поступившего на поверхность канала при выстреле, сразу же отводится. Жидкость может впрыскиваться как от насоса с внешним приводом, так и от автоматического устройст­ва, использующего энергию выстрела (пушка НН-30). Данный тип охлаждения позволяет использовать штатные стволы с минималь­ными конструктивными доработками для осуществления охлажде­ния, обеспечить высокую эффективность охлаждения в наиболее теплонапряженной части ствола. Наряду с этим имеются сущест­венные недостатки: невозможность обеспечить равномерность ох­лаждения ствола по его длине и периметру из-за ограниченности числа форсунок и длины факела струи; трудности в обеспечении надежного функционирования и живучести форсунок, подвер­гающихся засорению и эрозии; необходимость автоматической до­зировки количества подаваемой жидкости.

Охлаждение ствола после очереди выстрелов является наибо­лее старым способом периодического охлаждения. Сущность ох­лаждения после очереди выстрелов заключается в том, что после стрельбы в предельно допустимом (из условия нагрева ствола) ре­жиме делается перерыв и в канал ствола подается жидкость. При­чем, охлаждение может производиться либо по замкнутому циклу, когда сквозь разогретый ствол прокачивается ограниченный объем жидкости, либо на выброс, когда жидкость испаряется или слива­ется через дульный срез. Главным недостатком этого способа ох­лаждения является необходимость перерыва стрельбы на сравни­тельно длительное время (свыше 5 мин) для установки и снятия приспособления и собственно охлаждения.

Комбинированное охлаждение. Требования современного боя по режимам ведения огня не всегда могут быть обеспечены одним из рассмотренных видов охлаждения стволов. Требуется примене­ние одновременно непрерывного охлаждения ствола в сочетании с периодическим (форсуночным), то есть комбинированного охла­ждения. Такое охлаждение, хотя и сложнее в конструктивном от­ношении, позволяет добиться наибольшей эффективности охлаж­дения.