Глава 12

ДЕЙСТВИЕ ВЫСТРЕЛА НА АРТИЛЛЕРИЙСКОЕ ОРУДИЕ §

12.1. УСТОЙЧИВОСТЬ И НЕПОДВИЖНОСТЬ ОРУДИЯ ПРИ ОТКАТЕ

До последней четверти XIX в. у артиллерийских орудий ствол жестко связывался с лафетом, вследствие чего при выстреле он не мог откатываться относительно лафета. Такие орудия получили название орудий сжестким лафетом. У орудий с жестким лафе­том сила отдачивозникающая в канале ствола при выстреле, передавалась через ствол на лафет.

Вследствие высоких давлений в канале ствола при выстреле силаможет достигать сотен тонн (например, у 122-мм гау­бицы М-30(250 т). Поэтому орудия с жест­ким лафетом для обеспечения прочности и устойчивости делались тяжелыми, при выстреле подпрыгивали и откатывались иногда на несколько метров назад. Орудия с жестким лафетом не могли обеспечить требуемой скорострельности и ограничивали возмож­ности по повышению давлений в канале ствола (дальности стрельбы).

Как отмечалось ранее, орудия, у которых ствол связан с лафе­том упругой связью, например с помощью противооткатных устройств, называются орудиями с упругим лафетом. У орудий с упругим лафетом при выстреле откатные части (ствол и связанные с ним детали противооткатных устройств) вначале откатываются вдоль оси канала ствола назад, а затем накатываются в исходное положение. У таких орудий при откате на лафет действует не сила а сила, равная и противоположная по направлению силе, с которой тормозится ствол, т. е. сила сопротивления откатуR. Сила R складывается из тормозящих сил тормоза отката и накат­ника, сил трения в подвижных соединениях и составляющей силы веса откатных частей вдоль оси канала ствола.

Из закона сохранения импульса сил, действующих на откат­ные части при откате, следует

где—время выстрела (действия силыI;

—время торможения откатных частей (действия силы R).

Так както для соблюдения равенства импульсов

При этом, чем больше длина отката, тем меньше сила сопротивления откату R.

Таким образом, противооткатные устройства позволяют значи­тельно уменьшить силы, действующие налафет. У современных орудий силав 30—40 раз меньше

Силы, действующие на орудие с упругим лафетом при откате

Для исключения влияния второстепенных и трудно учитывае­мых факторов, рассматривая действие выстрела на орудие, примем следующие допущения:

•— орудие установленона горизонтальное основание при угле горизонтальной наводкии любом угле возвышения ствола

• лафет и основание (грунт) являются абсолютно жесткими телами;

• все силы, действующие на орудие, лежат в вертикальной плоскости симметрии;

• орудие при выстреле остается в покое относительно осно­вания.

При указанных допущениях на орудие при откате будут дей­ствовать следующие внешние силы (рис. 12.1):

— сила отдачи;

— вес орудия в боевом положении, равный в данном слу­чае силе его тяжести;

—сумма вертикальных реакций грунта на колеса;

— суммарные составляющие реакций сошников станин, сосредоточенные в центре давления сошников (точка С);

—сила инерции откатных частей, приложенная к их цен­тру тяжести (точка О) на плече h относительно точки С. Заметим, что сила сопротивления откату R является для си­стемы тел откатные части —лафет силой внутренней, а введение силы инерциипозволяет свести динамическую задачу к задаче

статики, применив принцип Даламбера. Поместив начало коорди­нат в точке С, составим уравнения равновесия:

Подставив в систему уравнений (12.2) значение силы инерции и решив систему относительно реакций, получим;

Произведениев выражении (12.4) называется мо­

ментом динамической пары, а расстояние от центра тя­жести откатных частей до оси канала ствола е — плечом дина­мической пары.

Анализ показывает, что систему сил, действующую на орудие при выстреле (рис. 12.1), можно заменить эквивалентной систе­мой, действующей на лафет (рис. 12.2). При этом выражения

(12.3), (12.4) и (12.5) для реакций останутся прежними. Отсюда следует принципиальный вывод. Действие выстрела па орудие с. упругим лафетом при откате сводится к возникновению момента динамической парыи силы сопротивления откату R, ко­

торая приложена к лафету по прямой, проходящей через центр тяжести откатных частей параллельно оси канала ствола.

Возникновение момента динамической пары обусловлено сме­щением центра тяжести (точка О) откатных частей относительно оси канала ствола (рис. 12.3). Если приложить к центрутяжести две равные и противоположные по направлению силыполу­

чаем: силу (перечеркнута), приложенную к центру тяжести от- ' катных частей и вызывающую их откат; пару сил с моментом стремящихся повернуть ствол вместе с лафетом в вер­тикальной плоскости. При расположении центра тяжести откатных частей выше оси канала ствола момент динамической пары меняет свое направление. В этом случае

Покажем, что независимо от действительного расположения противооткатных устройств силу R можно считать приложенной к лафету по линии, проходящей через центр тяжести откатных ча­стей (рис. 12.4). При откате к лафету приложена сила сопротив-

ления откату R (точка Л), вызывающая момент (относительно точки С)

Равную и противоположную по направлению силу R (точка В), действующую на ствол, аналогично предыдущему, приложим дважды к центру тяжести откатных частей. В результате получаем силу (перечеркнута), вызывающую торможение ствола, и пару сил, действующих на ствол и лафет с моментом

Суммарный момент сил, действующих на лафет:

Это равнозначно действию на лафет одной силы R, проходящей через центр тяжести откатных частей. Аналогичный результат можно получить при любом другом расположении точек А и В, т. е. расположении цилиндров противооткатных устройств.

Необходимо отметить, что в плоскости, перпендикулярной оси канала ствола,на ствол и лафет при выстреле действует вращаю_г щий моментЭтот момент равен вращающему моменту, дей­ствующему со стороны нарезов на снаряд, и противоположен ему по направлению. Вращающий моментуравновешивается мо­ментом веса орудия относительно опорных точек колес.

Условие неподвижности орудия при откате

Под условием неподвижности орудия при откате ствола пони­мают отсутствие его перемещения в горизонтальной плоскости (вдоль оси X). Это условие выполняется (см. равенство (12.3) при

Орудие должнобыть неподвижно при наиболее неблагоприят­ных условиях:иТогдаДля орудий с жестким лафетом, когда на него вместо силыдействует сила Ркнmax, условие неподвижности имеет вид

Пример. Требуется определить площадь опорных сошниковстанин для 85-мм пушки, если

Допустимое удельное давление на грунт

Для орудия с упругим лафетом для выполнения условия непо­движности площадь сошников должна быть равна

Если бы пушка была выполнена на жестком лафете, то для обеспечения ее неподвижности

что практически неосуществимо.

Условие устойчивости орудия при откате

Под устойчивостью орудия понимают отсутствие его перемеще­ния в вертикальной плоскости при откате ствола, т. е. отсутствие вращения орудия относительно опоры сошников—точки С (отсут­ствие прыжка).

Вращение орудия будет отсутствовать до момента отрыва ко­лес от грунта.

Это условие выполняется (см. равенство (12.4) прит. е. когда числитель

или

Левая часть неравенства (12.6) представляет собой опрокиды­вающий момента правая часть — стабилизирующий моментСледовательно, орудие будет устойчиво при откате, если в процессе отката опрокидывающий момент будет меньше стабили­зирующего либо равен ему:

Величиныив процессе отката переменны, так как силыR, а также плечо D являются для каждого данного ору­дия величинами переменными.

Для удобства анализа условия устойчивости преобразуем вы­ражение для стабилизирующего момента. При откате центр тя­жести откатных частей перемещается назад, следовательно, пере­мещается назад и центр тяжести орудия, т. е. плечо D умень­шается. Найдем плечо D. Вес орудия в боевом положении равен сумме весов:

где—вес откатных частей;

—вес неподвижных частей лафета.

Рассмотрим схему расположения сил веса орудия и его частей до выстрела и в момент времени, когда центр тяжести откатных частей переместился на величину X (рис. 12.5).

Так как момент равнодействующей равен сумме моментов со­ставляющих сил, то уравнения моментов сил веса орудия относи­тельно точки С будут иметь вид:

Вычтя из первого уравнения второе, получим откуда

С учетом полученного выражения (12.8) условие устойчивости артиллерийского орудия при откате примет окончательный вид:

Проанализируем полученное условие устойчивости.

1. Для орудий с жестким лафетом, т. е. приусловие устойчивости (12.9) запишется в виде

При— высоте линии огня.

Пример. Примем округленно для 85-мм пушки Д-44

Найдем условия, при которых обеспечивалась бы устойчивость

такого орудия, если его лафет сделать жестким. В этом случае при указанном значениивес орудия должен быть равен

при указанном значениидлина станин

Отсюда совершенно очевидно, что создать артиллерийские орудия с современной баллистикой на жестком лафете невозможно.

2. В период действия пороховых газов устойчивость орудия тем выше, чем меньше силаи плечо е. Величина силыобусловлена заданными баллистическими характеристиками ору­дия.

Чтобы уменьшить или сделать отрицательным плечо е, необ­ходимо, чтобы центр тяжести откатных частей располагался воз­можно ближе к оси канала ствола либо выше оси (как отмечалось ранее,если центр тяжести расположен выше оси канала ствола, т. е.моментменяет направление и выполняет роль стаби­

лизирующего момента). С этой целью, например, противооткатные устройства размещают либо симметрично относительно ствола, либо над стволом. Верхнее расположение противооткатных устройств, кроме того, позволяет уменьшить высоту линии огня и зависящее от нее плечо h. Уменьшение плеча приводит к умень­шению опрокидывающего момента

Необходимо отметить, что моментвлияет не только на

устойчивость орудия. Его наличие повышает динамические на­грузки на подъемный механизм, вызывает колебания ствола, при­водящие к дополнительному рассеиванию снарядов.

У большинства орудий плечо динамической пары е не превы­шает 5—30 мм.

2. Устойчивость орудия повышается с уменьшением силы со­противления откату R и плеча h. Однако с уменьшением силы R увеличивается длина отката, что может привести при больших углах возвышения ствола к ударам казенника о грунт.

Уменьшение плеча h возможно только за счет понижения вы­соты линии огня(при неизменной длине лафета). При пониже­нии высоты линии огня опять же для исключения ударов казен­ника о грунт необходимо сокращать длину отката, т. е. увеличи­вать силу R. Кроме того, уменьшение высоты линии огня ограничивается условиями общей компоновки орудия. Поэтому у современных полевых орудий

2. Устойчивость орудия повышается с увеличением веса орудия в боевом положениии плечаОчевидно, что увеличение

ограничено условиями маневренности. Некоторого увели­чения плечаможно достичь применением складывающихся или телескопических станин (например, у горных орудий).

5. Устойчивость орудия повышаетсяс увеличением веса откат­ных частей(при неизменном весе). Из условия устойчиво­сти (12.9) непосредственно вытекает, что с увеличениеммомент устойчивости уменьшается. Однако при этом еще в большей сте­пени уменьшается опрокидывающий момент вследствие уменьше­ния силы R (при равной длине отката), что в итоге приводит к повышению устойчивости. Поясним это.

Исходя из принципа независимости действия сил применим к откатным частям теорему об изменении количества движения. Под

действием импульса силыравногооткатные

части получат максимальную скорость

*

Полученная кинетическая энергия откатных частей будет пога­шена силой R на длине отката

Подставив значение(12.10) в выражение (12.11) и разрешив

его относительнополучим

Следовательно, с увеличением веса откатных частей при прочих равных условиях пропорционально уменьшается сила сопротивле­ния откату R.

Так как доля членаменьше доли членав

то увеличениев конечном итоге приводит к увеличению устойчивости орудия.

Для увеличения веса откатных частей у многих орудий отка­тываются цилиндры противооткатных устройств.

Зависимость (12.2) показывает также,что для мощных орудий (с большим) требуется большая силаКроме того, величина силыобратно пропорциональна длине откатана что указы­валось ранее.

5. Устойчивс^ть орудия повышается с увеличением угла воз­вышения ствола. С ростомувеличиваетсяза счет уменьше-^нияи уменьшаетсяза счет уменьшения плеча /г • (рис. 12.2). При некоторомтраектория центра тяжести откатных частей может проходить через точку С. В этом случае момент

так какПри дальнейшем увеличениимомент

меняет свой знак и способствует увеличению устойчивости орудия.

оиство Увеличения устойчивости орудия с увеличением угла воз­вышения стволаиспользуют для обеспечения устойчивости мощ­ных орудий путем осуществления переменной длины отката.

Орудия с переменной длиной отката при малыхдля умень­шения силы R имеют откат длинный. Чтобы исключить удар ка­зенника о грунт при большихоткат делают коротким. Несмотря на увеличение при этом R, устойчивость орудия в силу указанных выше причин не нарушится.

Для исключения удара казенника о грунт по мере увеличения углов возвышения ствола можно не изменять длину отката (силу R), а без нарушения устойчивости увеличивать высоту ли­нии огняи соответственно плечо h. Орудия с переменной высо­той линии огня распространения не получили из-за сложности кон­струкции.

7. Условие устойчивости (12.9) позволяет получить теоретиче­скую зависимость предельного значения силы сопротивления откату, при которой данное орудие будет устойчивым.

При этом величину угла возвышения ствола принимаютПредельный угол устойчивости— это такой наименьший угол возвышения ствола, при котором устойчивость данного орудия еще обеспечивается. Чтобы иметь возможность вести стрельбу прямой наводкой, для всех полевых орудий целесообразно иметь

Для гаубиц и мощных дальнобойных орудий, устойчивость ко­торых приблизких к нулю, обеспечить трудно, допускается значениеи более.

Приняв в условии (12.9)соответствующее емуи

разрешив его относительнополучим

Первые два слагаемых уравнения (12.13) представляют собой прямую, из ординат которой до прекращения действия силы

вычитается члент. е.

На графике(рис. 12.6)—путь откатных частей

к моменту прекращения действия силыПри расчетах прини­мают

где—коэффициент запаса устойчивости.

При любом достаточно плавном законе изменения силы сопро­тивления откату, лежащем в пределах заштрихованной площади графика, устойчивость орудия при откате будет обеспечиваться.

В. заключение отметим, что вследствие влияния упругости шин, податливости и упругости грунта при выстреле имеют место прыж­ки орудия и отход назад, что приводит к сбиваемости наводки. Так, величина прыжка у 85-мм пушки Д-44 составляет около 40 мм, а у 122-мм гаубицы М-30 доходит до 350 мм. Чтобы не при-

чинять ушибов наводчику, отход не должен превышать величины,- равной удалению зрачка выхода прицела.

Вследствие прыжка, наличия зазоров и упругости деталей ла­фета после выстрела происходят колебания всего орудия и качаю­щейся части. Время затухания этих колебаний может ограничи­вать возможности увеличения скорострельности.

Для уменьшения влияния упругости шин некоторые орудия имеют устройства для установки их в боевом положении на более жесткие опоры (домкраты, поддоны).