Способы стабилизации полёта снаряда

Для того чтобы обеспечить правильный полет снаряда в воздухе — головной частью навстречу набегающему потоку воздуха, его надо стабилизировать.

Под стабилизацией полета снаряда понимается предотвращение опрокидывания снаряда и придание ему такого положения, чтобы он «следил» за траекторией.

Во время движения снаряда (рис. 3) на него действуют сила тяжести и аэродинамическая сила. Сила тяжести направлена к земной поверхности и сообщает снаряду ускорение, направленное вертикально вниз. Так как снаряд представляет собой тело сложной геометрической формы, то её точкой приложения является центр масс снаряда. Положение центра масс зависит от формы снаряда и распределения масс внутри него.

Аэродинамическая сила относительно вектора скорости снаряда традиционно разбивается на две составляющие — силу сопротивления среды, направленную точно против вектора скорости и подъёмную (или прижимающую) силу в поперечном направлении к вектору скорости. Последняя компонента не оказывает заметного влияния на полёт снаряда и на практике ею можно пренебречь (так как снаряд имеет симметричную форму, а угол атаки α снаряда весьма невелик). Точкой приложения этой силы к снаряду является так называемый центр давления, обычно не совпадающий с центром масс. Положение центра давления зависит только от формы снаряда. Как следствие возникает момент сил, стремящийся опрокинуть снаряд и заставить его кувыркаться в воздухе. Кувыркание снаряда на несколько порядков повышает силу сопротивления среды и резко уменьшает дальность стрельбы. Для борьбы с этим явлением применяются следующие методы: оснащение снаряда оперением, придание снаряду вращения вдоль оси симметрии или изготовление снаряда в форме шара. Последнее широко применялось в артиллерии XIV-XVIII веков — сферическая форма снаряда сама по себе исключает кувыркание, а сила сопротивления движению не зависит от ориентации снаряда в пространстве. Однако сферическая форма очень невыгодна с аэродинамической точки зрения — большая сила сопротивления движению сводит на нет преимущества от отсутствия кувыркания.

Рис.3. Силы, действующие на снаряд в полете

Итак, стабилизация снарядов в полете обеспечивается двумя способами:

§ хвостовым оперением снаряда и

§ путем приданием снаряду быстрого вращательного движения вокруг его оси.

Оперением стабилизируются снаряды гладкоствольных орудий, мины, противотанковые управляемые ракеты (ПТУР) и реактивные снаряды, а также снаряды, не получающие быстрого вращения при выстреле из нарезного оружия, стабилизируются на полете хвостовым оперением.

Стабилизация снарядов хвостовым оперением достигается (рис. 4) за счет того, что центр сопротивления (ЦС) у них находится сзади за центром тяжести (ЦТ). Вследствие этого сила сопротивления воздуха (R)создает стабилизирующий момент, который возвращает ось снаряда к направлению касательной к траектории при любом случайном ее отклонении.

Это происходит следующим образом: в тот момент, когда ось оперенного снаряда точно совпадает с направлением касательной к траектории, сила сопротивления воздуха имеет направление назад по оси снаряда. Снаряд испытывает только торможение. В случае отклонения оси снаряда и головной части вверх или вниз сила сопротивления (R) будет приложена в точке ЦС и направлена назад под некоторым углом к оси снаряда. Кроме этой силы на снаряд действует также сила тяжести, приложенная к центру тяжести.

Рис. 4. Стабилизация оперенного снаряда

Не нарушая действия этих сил, приложим к центру тяжести взаимно уравновешивающиеся силы R₁ и R_2. Теперь сразу видно, что сила R₁ тормозит движение снаряда, сила тяжести заставляет его непрерывно опускаться, а пара сил R и R₂ будет поворачивать снаряд до тех пор, пока его ось не совместится с касательной к траектории. Сила сопротивления воздуха совпадет с осью снаряда, и снаряд займет устойчивое положение.

То же самое будет происходить и при отклонении оси снаряда вправо или влево. Благодаря этому обеспечивается стабилизация оперенного снаряда на полете.

Вращением стабилизируются снаряды дальнобойных орудий и пули всех образцов стрелкового оружия.

Снаряд будет стабилизироваться на полете, если он быстро вращается вокруг своей оси. Для стабилизации полета снаряда скорость вращения должна быть тем больше, чем меньше его масса. Так, например, скорость вращения 152-мм снаряда равна 150 об/с, 122-мм снаряда равна 180 об/с, 100-мм снаряда—300 об/с, а 7,62-мм пули—3500 об/с.

Придание снаряду быстрого вращательного движения обеспечивается винтовой нарезкой канала ствола оружия. У современных образцов вооружения направление нарезки правое, и снаряд при виде сзади имеет вращение по ходу часовой стрелки.

Устойчивость вращающегося снаряда объясняется свойствами гироскопа — снаряд подобен волчку, который не падает, пока имеет достаточную скорость вращения.

Однако механизм взаимодействия снаряда с набегающим потоком воздуха более сложный, чем волчка с опорой.

При полете быстровращающегося снаряда (рис. 5) в воздухе в случае появления угла отклонения оси снаряда от касательной к траектории δ в вертикальной плоскости сила сопротивления воздуха стремится повернуть снаряд головной частью вверх и назад. Но головная часть и ось снаряда благодаря свойствам гироскопа стремятся сохранить прежнее положение в вертикальной плоскости и будут отклоняться не вверх, а на некоторый угол в правую сторону, если смотреть на снаряд сзади. Как только головная часть снаряда отклонится вправо, изменится направление действия силы сопротивления воздуха — она будет действовать слева и стремиться повернуть головную часть снаряда вправо, что приведет к повороту головной части вниз, и т. д.

Рис. 5. Медленное коническое движение снаряда

Так как действие силы сопротивления воздуха непрерывно, головная часть снаряда описывает круг, а ось снаряда — конус с вершиной в центре тяжести. Происходит так называемое медленное коническое (прецессионное) движение, благодаря чему случайный угол отклонения оси δ не увеличивается и снаряд как бы следит за изменением кривизны траектории, т. е. всегда летит головой вперед.

Ось медленного конического движения несколько отстает от касательной к траектории, находясь выше и правее ее. Следовательно, снаряд с набегающим потоком воздуха больше сталкивается нижней и левой частями, вследствие чего возникают некоторая подъемная сила и боковая составляющая сила, которая вызывает смещение центра тяжести и всего снаряда вправо. Смещение вращающегося снаряда при полете в воздухе в сторону вращения (боковой уход) называется деривацией.

Деривация искривляет траекторию (рис.6) в горизонтальной плоскости. Величина деривации зависит от скорости вращения снаряда. С увеличением скорости вращения увеличивается и деривация. Она увеличивается с дальностью стрельбы и для настильных траекторий пропорциональна квадрату времени полета снаряда. При навесной стрельбе с увеличением угла бросания до 70° деривация увеличивается, а при больших углах уменьшается. При угле бросания 90° деривация отсутствует.

Рис.6. Вид траектории артиллерийского снаряда сверху

Таким образом, деривация возникает как побочное явление при стабилизации снарядов вращением. Причинами ее являются вращательное движение снаряда, сопротивление воздуха и кривизна траектории. При отсутствии хотя бы одной из этих причин деривации не будет. Деривация — учитывается при стрельбе на большие дистанции путём внесения заранее затабулированных поправок в угол доворота орудия.

Оперённые снаряды гладкоствольных орудий свободны от этого недостатка, для них баллистическая кривая при спокойной атмосфере является плоской.

При стабилизации вращением можно изготавливать снаряды с наивыгоднейшей формой и существенно уменьшить силу сопротивления воздуха на полете. Это дает возможность получить выигрыш в дальности стрельбы и уменьшить рассеивание снарядов.