О перспективах применения алюминиевых сплавов в стрелковом оружии

Сусляев В.С.; Чернов Ю.С.

Наука й Образование

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Сетевое научное издание

1ЭЗМ

Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2016. № 02. С. 15-25.

Б01: 10.7463/0216.0834111

Представлена в редакцию: 13.01.2016 Исправлена: 27.01.2016

УДК 623.442.47

О перспективах применения алюминиевых сплавов в стрелковом оружии

Сусляев В. С.1'*, Чернов Ю. С.1 '^уаеууБ@ gmail.com

:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

Целью работы является исследование возможности использование сплавов алюминия для изготовления командных деталей стрелкового оружия. В предлагаемой статье рассмотрено их применение в качестве материала кожуха в двухслойном стволе пулемета, подвергаемого при стрельбе интенсивному нагреву. Показано, что в этом случае вследствие улучшения теплофизических характеристик, при прочих равных условиях, появляется возможность повысить живучесть ствола и увеличить длину непрерывной очереди. При этом появляются предпосылки для улучшения характеристик стрельбы и исключения сменного ствола из комплекта пулемета.

Ключевые слова: живучесть ствола, длина непрерывной очереди, теплоемкость, пулемет, алюминиевый сплав

Введение

Одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками автоматического стрелкового оружия, является улучшение их боевых характеристик за счет повышения живучести ствола и увеличения боекомплекта, отстреливаемого непрерывной очередью в сочетании с короткими очередями. С этой целью стоящий на вооружении единый пулемет ПК/ПКМ имеет в своем комплекте сменный ствол, устанавливаемый при перегреве основного ствола [1]. Такое решение ухудшает массово-габаритные параметры и осложняет использование пулемета. По сообщениям печати лучшими характеристиками обладает недавно появившийся пулемет ПКП («Печенег»), у которого сменный ствол отсутствует ввиду усовершенствования основного ствола и увеличения его ресурса [2]. Этих качеств, по мнению разработчиков, удалось добиться благодаря изменению конструктивных и геометрических параметров ствола и «эжектору охлаждения», включенному в его конструкцию. Однако отсутствие опубликованных результатов испытаний и теоретических обоснований не позволяет в полной мере оценить полученный положительный эффект.

Известно достаточно большое число технических приемов, направленных на решение указанной проблемы. К ним относятся системы охлаждения стволов: размещение ствола в кожухе, заполненном охлаждающей жидкостью (пулемет Максима); установка

ствола в трубе, при которой реализуется инжекционное охлаждение окружающим воздухом, прокачиваемым вдоль ствола в направлении дульного среза (пулемет Льюиса); меж-слойное охлаждение [7], применяемое в стационарных ствольных системах малого и среднего калибров; другие системы охлаждения. Перечисленные устройства из-за их громоздкости в современном стрелковом оружии не применяются.

В современных пулеметах для решения проблемы снижения нагрева стволов проводят целый ряд конструктивных мероприятий, в их числе - увеличение массы ствола, увеличение поверхности теплообмена с окружающим воздухом путем выполнения продольных канавок на внешней поверхности ствола [1] и установка на стволах радиаторов [7], применение быстросменных стволов.

Вместе с тем, имеются работы, в которых намечены пути и даны конструкторские проработки и теоретические обоснования решения указанной проблемы путем создания многослойных композиций из материалов, обладающих необходимыми свойствами [3,11]. В статье [3] рассмотрены некоторые конструкции ствола пулемета, которые позволяют предположительно увеличить длину непрерывной очереди по сравнению со штатным пулеметом ПКМ при одинаковой массе рассмотренного и штатного стволов. Рассмотрены многослойные композиции, составленные из ствольной стали, жаропрочного титанового сплава ВТ9 и алюминиевого сплава АЦП1У [4]. Увеличение ресурса и ужесточение режимов стрельбы при этом имело простое физическое объяснение. Во-первых, ствол предлагалось выполнить из титанового сплава. При этом положительный эффект предполагалось достичь за счет малой по сравнению со штатным стволом теплопроводностью титана, что снижало бы поток теплоты, поступающей в ствол во время выстрела. Во-вторых, по условиям прочности часть материала наружного слоя ствола могла быть заменена сплавом алюминия, имеющим большую теплоемкость, что должно увеличить теплоакку-мулирующую способность ствола. И наконец, композиция из титанового и алюминиевого сплавов суммирует оба эффекта.

Однако, как показали проведенные исследования, титановые жаропрочные сплавы не могут быть использованы для изготовления стволов непосредственно из-за существенного снижения живучести вследствие механического износа канала. Для решения этой проблемы необходимы дополнительные меры, например, нанесение специальных покрытий канала.

1. Постановка задачи

Композиция ствольной стали и сплава алюминия может уже сейчас обеспечить преимущество перед стальным моноблоком, позволив значительно увеличить ресурс пулемета без замены ствола. Эффект, как уже отмечалось, достигается за счет выполнения ствола в двухслойном исполнении: со стальным лейнером и кожухом из алюминиевого сплава. Из современных алюминиевых сплавов представляются предпочтительными для решаемой задачи сплавы САП и САС [4,5]. Они обладают небольшой плотностью, высокими теплоемкостью, теплопроводностью и сопротивляемостью коррозии, низким коэффици-

ентом теплового расширения, термической стабильностью и высокой жаропрочностью (при нагреве до 500 °С прочность остается на уровне овр = 50...110 МПа, кратковременные нагрузки допускаются до 700.. ,900°С).

Ограничения по режиму стрельбы и отстреливаемому боекомплекту на один ствол обусловлены нагревом ствола. Это же обстоятельство оказывает решающее влияние на его живучесть. Поэтому в обоснование сравнительного анализа целесообразно положить именно тепловое состояние ствола сравниваемых конструктивных схем. Точный расчет динамики нагрева ствола при стрельбе весьма проблематичен. Вместе с тем, при сравнительном анализе различных конструктивных схем погрешности тепловых расчетов будут качественно и количественно близкими, что дает основание предположить их (погрешностей) несущественное влияние на результаты сопоставления.

В качестве отправной точки для сравнения конструктивных решений удобно взять результаты расчета изменения теплового состояния штатного ствола после отстрела боекомплекта в режиме, регламентированном ТУ [6]. Основное требование при этом состоит в том, чтобы температура t 1(г1 , т) на поверхности канала ствола во всех сравниваемых вариантах была одинакова и равна расчетной температуре канала штатного ствола.

Ствол пулемета имеет различную толщину по длине, интенсивность отвода тепла также меняется по длине ствола. Поэтому температура на поверхности канала также переменна по его длине. Возникает вопрос, для какого сечения ствола сопоставительные тепловые расчеты наилучшим образом отражают рассматриваемую проблему.

Известно, что наибольшее количество теплоты подводится в ствол в области начала нарезов, поскольку здесь возникают при выстреле максимальные баллистические давления и температуры. В этой области экспериментально регистрируется максимальный износ канала. Для нее имеются данные по температуре на внешней поверхности ствола, что равноценно средней температуре по сечению ствола. Поэтому для сопоставительного анализа расчеты должны выполняться для сечений, расположенных именно в этой области.

2. Решение задачи нагрева ствола

Для определения теплового состояния ствола при стрельбе решалась задача теплопроводности. Расчетная схема двухслойного ствола приведена на рис. 1, на которой слой 1 - лейнер; слой 2 - кожух; t 1 = t 1 ( г, т ), = £2 (г, т) - распределения температур в соответствующих слоях в функции времени т и координаты г; г , г2 , г3 - радиусы слоев. Результат решения задачи теплопроводности в существенной мере определяется выбором граничных условий. На наружной поверхности ствола ввиду малости времени процесса теплообмена и небольших тепловых потоков в условиях свободной конвекции вполне допустимо, с точки зрения физики процесса, принять тепловой поток нулевым. На границе раздела слоев температуры одинаковы. На поверхности канала ствола тепловые потоки в процессе выстрела изменяются в весьма широком диапазоне и определяются как разностью температур пороховых газов (ПГ) и канала ствола, так и параметрами теплообмена.

Рис. 1. Расчетная схема ствола

Система уравнений, описывающая нагрев ствола, имеет вид

1 д_ г дг

1 д

г дг

Я1г

Я г

д^ (г,т) дг

д^2(г,т) дг

= сРх

= С2Р2

д^ (г, т)

дт ' &2(г,т)

аг[Гг(т) - т)] = -Ях

дт

дt1(r1,т) дт

(1)

. д^Ог,т) . дс2(г2,т) А1 я, ~ Я2 '

дт

дс20-3,т) дг

дт

= 0 ,

* 1 (г2 ,т) = г2{ г2 ,т) ,

гд е Р1, с, ЛI - плотности, удельные теплоемкости и коэффициенты теплопроводности материалов слоев, / = 1, 2; с¿, Л £ - функции температуры; аг - коэффициент теплоотдачи; *г -температура газов в рассматриваемом сечении.

Задать физически обоснованный вид функции теплового потока с позиции структуры пограничного слоя не представляется возможным из-за наличия в нем горящих частиц пороха. В этой ситуации целесообразно использовать согласованную с опытом эмпирическую зависимость теплового потока от давления, температуры и массы пороховых частиц [7]в виде

^ р О >р ^ р,

где - плотность пороховых газов в сечении канала ствола, - коэффициент пропорциональности.

Задача настоящего исследования заключается в сравнительном анализе изменения теплового состояния предлагаемого двухслойного ствола. За исходное принималось тепловое состояние ствола пулемета ПКМ. В качестве объекта сравнения рассматривался ствол пулемета ПКП.

Предлагаемый двухслойный ствол содержит лейнер из ствольной стали 30ХН2ВФМА и кожух из алюминиевого сплава типа САП и САС. Теплофизические и прочностные характеристики лейнера (удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент линейного расширения, предел упругости, модуль упругости и пр.) назначались в соответствии с [8]. Теплофизические характеристики сплава САП брались из [4,5].

Размеры лейнера рассчитывались из условия прочности ствола моноблока. В расчетном сечении (150 мм от казенного среза ствола): внутренний радиус г = 3 , 9 6 м м, наружный радиус . Размеры кожуха назначались, исходя из равенства массы ствола ПКП и массы рассматриваемого ствола: г3 = 2 5 м м. Отсутствие проскальзывания кожуха относительно лейнера при нагреве ствола контролировалось путем сопоставления расчетных значений деформаций поверхностей их контакта, гарантирующих наличие натяга. Исходное значение относительного натяга между ними в слое принималось равным

Исходные данные для прочностных и тепловых расчетов формировались на основании решения задач внутренней и промежуточной баллистики в термодинамической постановке [7, 9, 10]. Осесимметричная задача теплопроводности решалась при граничном условии третьего рода с заданием коэффициента теплоотдачи . Постоянная теплообмена определялась по результатам экспериментальных исследований нагрева ствола пулемета ПКМ. В эксперименте регистрировались среднеинтегральные температуры

для регламентированных [6] условий стрельбы, согласно которым пулемет ПКМ должен допускать 400 выстрелов: 200 выстрелов короткими очередями и 200 выстрелов непрерывной очередью, после чего ствол должен быть заменен. Эти же температуры рассчитывались при различных значениях . За искомое принималось то значение , которое давало наилучшее соответствие расчетных и экспериментальных температур , где - число выстрелов. Результаты решения задачи удовлетворительны и приведены на рис. 2 в виде экспериментальных точек и расчетной кривой среднеинтегральной по сечению температуры в функции числа выстрелов . В соответствии с ними была определена постоянная .

?72 = 0,0 02 5.

Рис. 2. Тестирование задачи теплопроводности

Результаты численного решения нестационарной задачи теплопроводности (1) для рассматриваемого ствола приведены на рис. 3. Кривая 1 на рисунке представляет температуру t 1 ( т ,т) поверхности канала ствола-моноблока пулемета ПКМ. Его наружный радиус в рассматриваемом сечении г2 = 1 5 м м. Боекомплекту в 400 выстрелов соответствует расчетное значение температуры канала ствола ПКМ t 1 ( т , т) = 740° С, которую примем за предельно допустимую температуру для данного материала (стали 30ХН2МФА). После достижения предельно допустимой температуры в соответствии с ТУ [6] необходимо сменить ствол. С этой температурой будем сравнивать расчетные температуры других конструкций стволов.

Кривая 2 на рис. 3 соответствует нагреву ствола пулемета «Печенег», отличающегося от ствола пулемета ПКМ величиной наружного радиуса . Расчеты показывают, что ПКП имеет преимущество по боекомплекту в 25% при достижении допустимой температуры t 1(г1 , т). Это объясняется различиями в массе сравниваемых стволов.

Изменению температуры поверхности канала предлагаемого ствола соответствует на рис. 3 кривая 3. Значения радиусов т2 = 7 м м и г3 = 2 5 м м обусловлены ограничениями по массе (необходимостью обеспечения равенства его массы массе ствола ПКП). При этом выбранное значение радиуса является наименьшим из значений, обеспечивающих баллистическую прочность лейнера. Таким образом, кривая 3 характеризует динамику нагрева ствола с лучшими для данной схемы теплофизическими характеристиками. С учетом имеющихся ограничений (достижению допускаемой температуры на поверхности канала ствола) предлагаемый ствол обеспечивает отстрел непрерывной очередью почти двойного боекомплекта, что в два раза превосходит показатели ПКМ и в полтора раза - показатели ПКП.

Рис. 3. Расчетные значения температуры

Возникает вопрос о состоянии алюминиевого кожуха при таком большом нагреве ствола при интенсивной стрельбе. Для ответа на этот вопрос достаточно понаблюдать за изменением расчетной температуры ^ на границе раздела слоев. Ее график приведен на рис. 3 (кривая 4), откуда видно, что к моменту окончания отстрела предлагаемого ствола (достижения допустимой температуры на поверхности канала) температура не превосходит 640 С. Такую и большие температуры выдерживают современные алюминиевые сплавы на основе порошковой металлургии (САП, САС), сохраняя при этом достаточно высокие прочностные характеристики.

При практической реализации размеры лейнера и кожуха могут отличаться от рассмотренных, тем более, в связи с отличиями, например, связанными с введением в конструкцию ствола защитного стального кожуха и пр. Однако положительный эффект от использования в стволах пулеметов промежуточных слоев из алюминиевых сплавов представляется несомненным. Кривая 5 на рисунке рассчитана для трехслойного ствола композиции «сталь-алюминий-сталь», в которой наружный стальной слой предназначен для защиты алюминиевого кожуха от механических повреждений. Как видно из графика, такая конструкция имеет существенные преимущества по допустимому боекомплекту.

Заключение

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о перспективности применения алюминиевых сплавов в конструкции стволов автоматического оружия, функционирующего в условиях интенсивного нагружения. Одним из путей сохранения при этом

баллистических характеристик оружия и увеличения ресурса стволов является, помимо прочего, увеличение их теплоемкости при сохранении их прочностных параметров. Этому в достаточной мере могут соответствовать композиции из высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов, нашедших широкое применение в различных отраслях машиностроения. Алюминиевые сплавы, обладая лучшими, по сравнению со сталью, теплофизически-ми параметрами, обеспечивают решение задачи повышения теплоемкости. Проведенные численные исследования подтверждают это предположение. Как показывают расчеты, предложенный ствол имеет двукратное преимущество по величине отстреливаемого боекомплекта по сравнению со стволом ПКМ и полуторакратное - по сравнению со стволом пулемета ПКП.

Список литературы

1. Пулеметы Калашникова модернизированные - ПКМ, ПКМС, Портал «Стрелковое оружие России». Режим доступа: http://gunrf.ru/rg_pulemet_pkm.html (дата обращения 01.10.2015).

2. 7,62-мм пулемет Печенег, Портал «Современная армия», 2010-2015, Стрелковое ору-жие>>Пулеметы. Режим доступа: http://www.modernarmy.ru/article/164 (дата обращения 01.10.2015).

3. Землянигин Н.Н., Чернов Ю.В. Биметаллический ствол пулемета калибра 7,62 мм, -Оборонная техника,1986, №6

4. Конструкционные материалы: справочник/ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990. 687 с.

5. Цветные металлы и сплавы. Алюминиевые сплавы. Режим доступа: http://matved2010.narod.ru/glava52.html (дата обращения 04.10.2015).

6. ТУ МО №А8112-72. Технические условия на изготовление и приемку модернизированного пулемета Калашникова ПКМ.

7. Орлов Б.В., Ларман Э.К., Маликов В.Г. Устройство и проектирование стволов артиллерийских орудий/под ред. Б.В. Орлова. М.: Машиностроение,1976. 430 с.

8. РТМ 3-588-74. Металлы и сплавы. Справочные данные о физико-механических свойствах при различных температурах и условиях нагружения. 1975.

9. Алферов В.В., Бакулин А.И., Орлов Б.В.,Светлицкий В.А., Топчеев Ю.И., Устинов В.Ф., Хворостин А.Е. Проектирование ракетных и ствольных систем / под ред. Б.В. Орлов. М.: Машиностроение, 1974. 828 с.

10. Бурлов В.В., Грабин В.В., Козлов А.Ю., Лысенко Л.Н., Монченко Н.М., Сидоров А.И., Шмельков В.Б. Баллистика ствольных систем/под. ред. Л.Н.Лысенко и А.М. Липано-ва. М.: Машиностроение, 2006. 460 с.

11. Сарымов И.В. Ствол автоматического оружия. Патент РФ №2089813. Публикация 1997 г.

Science ¿Education

of the Baumail MSTU

Science and Education of the Bauman MSTU, 2016, no. 02, pp. 15-25.

DOI: 10.7463/0216.0834111

Received: 13.01.2016

Revised: 27.01.2016

The Prospects of Use of Aluminum Alloys in Small Arms

V.S. Souslyaev1*, Yu.S. Chernov1

&usly a e^T&ig gmail. com 1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: the lifespan of the barrel, machinegun, the length of the continuous phase of the gun, aluminum alloy

Перманентными задачами совершенствования автоматического стрелкового оружия являются:

1. Снижение износа канала ствола (увеличение живучести);

2. Ужесточение режимов огня (увеличение длин очередей и снижение пауз между ними);

3. Увеличение отстреливаемого боекомплекта в течение ограниченного промежутка времени.

Фактором, обусловливающим указанные проблемы, является нагрев поверхности канала ствола, что приводит к снижению механических характеристик ствольной стали.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Принципиально возможны три пути борьбы с нагревом:

1. Уменьшение тепловых потоков от пороховых газов к поверхности канала ствола;

2. Рассеивание подведенного тепла в окружающее пространство в процессе стрельбы;

3. Увеличение теплоаккумулирующей способности ствола.

Уменьшить тепловые потоки можно путем применения лейнера, изготовленного из материала с большим, чем у стали термическим сопротивлением. Это вариант дальней перспективы. Авторам не известны работы в этом направлении.

Принудительное рассеивание тепла реализовано в конструкции недавно принятого на вооружение отечественного единого пулемета ПКП («Печенег»). Оценки эффективности его системы охлаждения в информационных источниках отсутствуют; с точки зрения физики процесса в такой конструкции эффективный отвод тепла от поверхности канала ствола маловероятен.

В статье приведены расчетные оценки эффекта применения предложенного двухслойного ствола: 1) Лейнер (внутренний слой) - ствольная сталь; 2) кожух - высокопрочный сплав алюминия. Положительный эффект обусловлен повышением теплоемкости ствола при обеспечении его необходимой прочности. Стволы стоящих на вооружении пулеметов ПК, ПКМ и др., в том числе ствол пулемета ПКП, обладают избыточной прочностью. Это позволяет за счет некоторого ее снижения путем допускаемого уменьшения

толщины стенки ствола перераспределить массу между прочным стальным лейнером и легким, обладающим высокой теплоемкостью, кожухом.

Оценки проводились путем решений нестационарной задачи теплопроводности для стволов пулеметов ПКМ, ПКП и предложенного двухслойного ствола. Сравнительный анализ результатов показал, что предлагаемый ствол имеет существенные преимущества: допускает отстрел почти двойного боекомплекта пулемета ПКМ и полуторного боекомплекта пулемета ПКП при непрерывной стрельбе. Оценки проводились путем решения нестационарной задачи теплопроводности.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности применения современных высокопрочных и жаропрочных алюминиевых сплавов для применения в конструкции теплонагруженных деталей стрелкового оружия, и прежде всего при изготовлении стволов единых пулеметов и малокалиберных автоматических пушек.

References