Nghiên cứu, xây dựng mô hình bài toán thuật phóng trong đạn chống tăng giảm thanh theo nguyên lý 2 pít tông

Bài viết xây dựng mô hình bài toán thuật phóng trong của đạn chống tăng giảm thanh theo nguyên lý 2 pít tông. Từ mô hình bài toán, thiết lập hệ phương trình thuật phóng trong của đạn nhằm phục vụ trực tiếp cho việc khảo sát ảnh hưởng các tham số kết cấu đến sơ tốc và áp suất của đạn chống tăng giảm thanh sau này

Cơ học – Cơ khí động lực NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MƠ HÌNH BÀI TỐN THUẬT PHĨNG TRONG ĐẠN CHỐNG TĂNG GIẢM THANH THEO NGUN LÝ PÍT TƠNG Ngơ Phi Hùng1*, Bùi Ngọc Hồi2, Nguyễn Phúc Linh1 Tóm tắt: Bài báo xây dựng mơ hình tốn thuật phóng đạn chống tăng giảm theo nguyên lý pít tơng Từ mơ hình tốn, thiết lập hệ phương trình thuật phóng đạn nhằm phục vụ trực tiếp cho việc khảo sát ảnh hưởng tham số kết cấu đến sơ tốc áp suất đạn chống tăng giảm sau Từ khóa: Giảm thanh; Đạn chống tăng; Pít tơng; Thuật phóng ĐẶT VẤN ĐỀ Đạn chống tăng giảm loại vũ khí có tính ưu việt giảm lớn tiếng nổ, khơng có khói, chớp lửa đầu nòng luồng phụt, phù hợp để trang bị cho lực lượng làm nhiệm vụ đặc biệt Trong thời gian qua, Viện Vũ khí nghiên cứu thiết kế, chế tạo nguyên lý đạn chống tăng giảm cỡ nòng 80mm theo nguyên lý pít tơng đạt số kết mặt nguyên lý kết cấu, xây dựng sở định mặt lý thuyết, đạt số tính sản phẩm Tuy nhiên, bên cạnh kết đạt nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu hồn thiện, số có vấn đề nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn thuật phóng chưa nghiên cứu cách đầy đủ, việc xây dựng tốn thuật phóng chưa kể đến khí qua khe hở pít tơng xi lanh (nịng súng), Do vậy, vấn đề đặt mà nghiên cứu sinh đưa để giải Từ đặc điểm thuật phóng đạn chống tăng giảm theo nguyên lý pít tơng khơng có thời kỳ tác dụng sau khí thuốc (khí thuốc giữ lại lòng xi lanh), báo tác giả vào việc xây dựng mơ hình tốn thuật phóng thành lập hệ phương trình toán ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ VŨ KHÍ CHỐNG TĂNG GIẢM THANH THEO NGUYÊN LÝ PÍT TƠNG 2.1 Đặc điểm kết cấu hệ vũ khí chống tăng giảm theo nguyên lý pít tơng Cấu tạo tổ hợp vũ khí chống tăng giảm theo ngun lý pít tơng (hình 1) gồm: Đạn; đối trọng; nòng súng trước, nòng súng sau; khâu nối; pít tơng trước, pít tơng sau; liều phóng; liều mồi; đệm bịt kín 1, đệm bịt kín 2, [2] Hình Kết cấu hệ vũ khí chống tăng giảm theo ngun lý pít tơng - Về đạn: Đầu đạn chống tăng xuyên lõm, bên nhồi thuốc nổ mạnh (A-IX-1 Ocfol); đạn sử dụng ngòi áp điện Đạn có động hành trình, có cụm cánh ổn định phía sau - Về súng: Gồm nịng súng trước (xilanh trước) nòng súng sau (xilanh sau), nòng súng chế tạo từ vật liệu thép, hai đầu miệng súng có gờ hãm để chặn pít tơng - Các pít tơng có dạng hình trụ, đường kính nhỏ đường kính nịng súng để đảm bảo di chuyển dễ dàng nòng giảm thiểu khí thuốc bị tổn hao bắn, 308 N P Hùng, B N Hồi, N P Linh, “Nghiên cứu, xây dựng mơ hình ngun lý pít tơng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ pít tơng chế tạo từ hợp kim nhôm, bề mặt trụ pít tơng có rãnh quẩn khí Pít tơng trước pít tơng sau liên kết ống mồi cụm ống mồi Pít tơng trước liên kết với ống mồi ren, pít tơng sau liên kết với ống mồi bạc cắt giữ tai ống mồi - Thân khâu nối để kết nối nòng súng trước sau ren, thân chế tạo từ vật liệu thép - Về liều phóng: chế tạo từ thuốc phóng hình NBL-14, buộc vào xung quanh ống mồi; có tác dụng cắt đứt tai ống mồi đẩy cụm pít tơng chuyển động nịng súng nhờ mà đẩy đạn cụm đối trọng chuyển động nòng súng - Về liều mồi: thuốc mồi thuốc đen hạt số 1, vỏ ống mồi chế tạo từ hợp kim nhơm, bên ống có lót ống giấy chế tạo từ tơng, liều mồi có lắp mồi lửa điện - Về đối trọng: sử dụng nhựa trịn có bề dày mỏng đặt nẹp, khối lượng đối trọng thiết kế phù hợp để đảm bảo tính không giật súng - Chốt định vị để cố định vị trí pít tơng cho qng đường chuyển động pít tơng đầu nòng súng 2.2 Nguyên lý hoạt động hệ vũ khí chống tăng giảm theo ngun lý pít tơng [2] Khi bắn, mồi lửa điện cháy mồi cháy thuốc đen ống mồi, áp suất ống mồi tăng lên đến khoảng 45 kG/cm2 ống giấy cụm ống mồi bị đột qua lỗ thân ống mồi, khí thuốc tràn ngoài, nhiệt lượng cháy thuốc mồi mồi cháy thuốc phóng liều phóng Khí thuốc phóng sinh thể tích khơng đổi buồng đốt làm áp suất tăng lên đến khoảng 75 kG/cm2 làm vành tai vỏ ống mồi bị cắt (phá vỡ liên kết cụm pít tơng trước sau), áp suất khí thuốc tiếp tục tăng giãn nở đẩy cụm pít tơng chuyển động phía (pít tơng trước với vỏ ống mồi đạn chuyển động phía trước; pít tơng sau với bạc cắt đối trọng chuyển động phía sau; thành phần chuyển động có khối lượng nhau) Khi pít tơng gặp gờ chặn nòng súng (trước sau), đệm bịt kín trước gờ chặn bị nén lại, biến dạng, giúp giảm phần xung va đập bịt kín hạn chế khí thuốc bay ngồi; sau đó, pít tơng bị dừng lại, đóng chặt đầu nịng súng, khí thuốc ngừng giãn nở, đạn đối trọng bay khỏi nịng súng nhờ lực qn tính với vận tốc xác định, kể từ thời điểm đạn bay viên đạn chống tăng thông thường XÂY DỰNG MƠ HÌNH BÀI TỐN THUẬT PHĨNG TRONG ĐẠN CHỐNG TĂNG GIẢM THANH THEO NGUYÊN LÝ PÍT TÔNG 3.1 Các giả thiết xây dựng hệ phương trình chuyển động [1, 3, 4] - Thuốc phóng cháy theo quy luật hình học; - Quy luật tốc độ cháy tuân theo quy luật hàm số mũ u=u1.p; - Tại thời điểm t=0, áp suất khí thuốc buồng đốt áp suất mồi (p moi); - Tại thời điểm t=t0 p=p0 vành tai ống mồi cắt tức thì; - Thành phần sản phẩm cháy khơng thay đổi, lực thuốc phóng f cộng tích  khơng thay đổi; - Chỉ số mũ đoạn nhiệt số giá trị trung bình khoảng nhiệt độ từ T1 đến Td; - Thuốc phóng cháy, đạn chuyển động tác dụng áp suất trung bình; - Cuối thời kỳ thứ hai, bỏ qua va chạm đàn hồi với đệm bịt kín; - Thời kỳ thứ ba xảy tức thì, bỏ qua q trình vật lý truyền nhiệt từ khí thuốc phóng vào tồn kết cấu súng cụm pít tơng sau thời kỳ thứ ba (khi đạn tách khỏi cụm pít tơng) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 309 Cơ học – Cơ khí động lực 3.2 Các phương trình vi phân thuật phóng đạn chống tăng giảm 3.2.1 Các ký hiệu quy ước - pmoi , p,  , z,  tương ứng áp suất mồi áp suất, nhiệt độ tương đối buồng pít tơng, bề dày cháy tương đối lượng sinh khí tương đối thuốc phóng thời điểm xét; - V , l , S , St ,  tương ứng vận tốc, hành trình chuyển động pít tơng nịng súng, diện tích tiết diện ngang xi lanh, diện tích khe hở pít tơng nịng súng, lượng khí từ buồng pít tơng qua khe hở thời điểm xét; - D, Dpt tương ứng đường kính nịng súng đường kính ngồi pít tơng; - T nhiệt độ khí thuốc buồng pít tơng; R số khí lý tưởng; -  , I k ,  ,  ,  tương ứng số mũ quy luật tốc độ cháy, xung lượng riêng thuốc phóng hệ số hình dạng thuốc phóng; - W0 thể tích ban đầu buồng pít tơng; - ,  ,  , f tương ứng khối lượng, khối lượng riêng, cộng tích lực thuốc phóng; - m pt , m, M tương ứng khối lượng cụm pít tơng trước; khối lượng đạn; khối lượng tổng cụm pít tơng trước đạn; - k1 , k2 hệ số điều khiển; k số mũ đoạn nhiệt khí thuốc; - 1 hệ số tăng nặng đạn cụm pít tơng trước;  hệ số tổn thất nhiệt buồng pít tơng khí qua khe hở pít tơng thành nịng súng 3.2.2 Các phương trình chuyển động - Phương trình sinh khí thuốc phóng [1, 3]:  p z  k  Ik      (1  2 z  3 z ) z (1) - Phương trình trạng thái [1, 2]: p(W   )  RT Trong đó: W  W0  (2)  (1  )  2Sl  D2  RT  f  , với S   (   ) (Do pít tơng chuyển động ngược phía nịng súng nên thể tích (S.l) nhân đơi) Nên ta có biểu thức xác định áp suất buồng đốt sau: f  (   ) p (3)  (1  )   (   )  2Sl  áp suất buồng đốt xác định công thức: W0  Khi kể đến áp suất mồi pmoi p  pmoi  f  (   )  W0  (1  )   (   )  2Sl  (4) 310 N P Hùng, B N Hồi, N P Linh, “Nghiên cứu, xây dựng mơ hình ngun lý pít tơng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ - Phương trình khí qua khe hở pít tơng xi lanh (nòng súng) [1, 3]:   K ( k ) St p  f (5) k 1  Dpt2   2 k 1 Trong đó: St  S  ; K0  k   f  k    gk ; k số mũ đoạn nhiệt   k 1 - Phương trình chuyển động đạn cụm pít tơng trước [1, 3]: Sp  V  k2 1M  l  V  (6) - Phương trình lượng [1, 3]: Giả sử sau thời gian vô bé dt có lượng thuốc phóng  d cháy tạo thành khí thuốc lượng khí  d khỏi buồng đốt qua khe hở pít tơng nịng súng Năng lượng khí  d trình cháy tạo ra: dU  RTch f d  d k 1 k 1 (7) Trong đó: Tch nhiệt độ cháy thuốc phóng RTch  f Năng lượng bị tiêu hao dạng: + Nội bổ sung vào lòng buồng đốt: dU1  RT  (   ) f  (   )  k 1 k 1 (8) + Sự thay đổi động khí thuốc thay đổi nhiệt độ khí: dU  R (   ) f  (   ) dT  d k 1 k 1 (9) + Năng lượng phần khí mang theo: dU  kRT  kf  d  d k 1 k 1 (10) + Sự thay đổi động đạn, cụm pít tơng trước cơng thứ yếu khác:   MV  dU  d    1MVdV   (11) Theo định luật bảo toàn lượng: dU  dU1  dU  dU3  dU (12) Biến đổi ta có: (1   )  (k  1)   (k  1)1MVV f (13)   Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 311 Cơ học – Cơ khí động lực 3.3 Hệ phương trình vi phân mơ tả q trình thuật phóng đạn chống tăng giảm theo ngun lý pít tơng  p  z  k1 Ik     (1  2 z  3 z ) z   f  (   )  p  pmoi    W0  (1   )   (   )  Sl    (k  1)1MVV  (1   )  (k  1)   f         K ( k ) St p     f  Sp  V  k2  M  l  V 0 z  k1   1 z  (14) 0 p  p0 k2   1 p  p0 Trong hệ phương trình V vận tốc đạn thời điểm xét, ký hiệu Vd vận tốc đạn thời điểm pít tơng đóng chặt vào xi lanh, sơ tốc thực tế đạn: V0 = Vd  m ptt  momcl (15) m Hệ phương trình vi phân (14) giải phương pháp khác phương pháp giải tích, phương pháp số, phương pháp tra bảng, phương pháp thực nghiệm Sơ đồ thuật tốn giải tốn thuật phóng phương pháp số máy tính (hình 2) sơ đồ thuật tốn Runge - Kuta (hình 3) Tính tốn minh họa cho đạn chống tăng giảm cỡ nịng 80mm: Tiến hành giải hệ phương trình vi phân (14) (15) phương pháp số máy tính với điều kiện ban đầu để tích phân hệ phương trình là: t=t0, z=z0, =0, =0, =0, V=0, l=0 Các tham số đầu vào: Cỡ nòng d = 0,80 dm; đường kính nịng súng D = 0,8 dm; Diện tích khe hở pít tơng xi lanh (nịng súng) St = 0,00176 dm2; Thể tích ban đầu buồng đốt W0 = 0,4 dm3; Hành trình chuyển động cụm pít tơng nịng súng Ld = 3,06 dm; Khối lượng đạn m = 2,2 kg; Khối lượng cụm pít tơng trước mptt = 0,37 kg; Khối lượng ống mồi lại momcl = 0,082 kg; Khối lượng đạn cụm pít tơng trước M = md+mptt+momcl; Áp suất tống đạn (áp suất cắt vành tai ống mồi) p0 = 7500 kG/dm2; Hệ số tăng nặng đạn pít tơng trước 1 = 1,01; Hệ số tổn thất nhiệt qua khe hở pít tơng xi lanh (nịng súng)  = 0,82; Áp suất mồi thuốc phóng pmoi = 4500 kG/dm2; Khối lượng thuốc phóng NBL-14  = 0,022kg; Mật độ thuốc phóng  = 1,6 kg/dm3; Lực thuốc phóng f = 1.120.000 kG.dm/kg; Xung lượng riêng thuốc phóng Ik = 55 kG.s/dm2; Cộng tích thuốc phóng  = 0,85 dm3/kg; Hệ số mũ quy luật tốc độ cháy  = 1; Các hệ số hình dạng thuốc phóng NBL-14:  = 1,03,  = -0,02,  = 0; Hệ số mũ đoạn nhiệt k = 1,25; Gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2 312 N P Hùng, B N Hồi, N P Linh, “Nghiên cứu, xây dựng mơ hình ngun lý pít tơng.” Nghiên cứu khoa hc cụng ngh Bắt đầu Nhập giá trị ban đầu i=1 Runge - Kuta i = i +1 HƯ PTVP tht phãng §óng l  1d Sai Ghi kÕt qu¶ KÕt thóc Hình Sơ đồ thuật toỏn gii bi toỏn thut phúng Bắt đầu Nhập giá trị ban đầu i=1 n=1 yyjn = y ij TÝnh fj(x,yy jn ) n=n+1 yyjn+1 =yyjn + k jn k jn = h.fj(x,yy jn ) i = i +1 n>4 Sai §óng y i+1 =y i + (kj1+2k j2 +2kj3 +k j4 ) j j Sai §iỊu kiƯn dõng §óng KÕt thóc Hình Sơ đồ thuật tốn Runge - Kuta Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 313 Cơ học – Cơ khí động lực Kết tính tốn: Vận tốc đạn pít tơng đóng chặt vào xi lanh Vd=103,46 m/s, sơ tốc đạn V0=113,59 m/s, áp suất lớn pmax=16165 kG/dm2 Đồ thị vận tốc áp suất đạn theo qng đường chuyển động pít tơng đạn xi lanh (nịng súng) hình hình Hình Đồ thị vận tốc đạn theo qng đường chuyển động pít tơng Hình Đồ thị áp suất đạn theo quãng đường chuyển động pít tơng Kết tính tốn cho thấy sơ tốc đạn tăng lên so với thời điểm pít tơng đóng chặt vào xi lanh, điều giải thích sau đạn tách khỏi pít tơng đạn truyền thêm lượng từ pít tông Các kết phù hợp với kết đo thực tế thuật phóng đạn là: V0 = 109,0 m/s; pmaxTB = 16000 kG/dm2, [2]; sai số V0 = 4,04% pmaxTB = 1,02% chấp nhận KẾT LUẬN Việc nghiên cứu đặc điểm thuật phóng trong, thời kỳ tượng bắn, xây dựng hệ phương trình vi phân mơ tả q trình thuật phóng đạn chống tăng giảm theo ngun lý pít tơng có ý nghĩa quan trọng Kết giải hệ phương trình vi phân (14) kết hợp với phương trình (15) cho ta kết tham số thuật phóng như: sơ tốc, áp suất đạn theo thời gian, theo quãng đường chuyển động đạn tham số khác, điều cho phép ta khảo sát ảnh hưởng tham số kết cấu đến sơ tốc, áp suất đạn chống tăng giảm thanh, tính tốn bền đạn chống tăng giảm toán sau 314 N P Hùng, B N Hồi, N P Linh, “Nghiên cứu, xây dựng mơ hình ngun lý pít tơng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ môn Cơ sở bắn (2003), “Giáo trình Thuật phóng - Dùng cho đào tạo đại học chuyên ngành Vũ khí - Đạn”, Học viện Kỹ thuật quân [2] Phùng Văn Cường, Báo cáo tổng kết đề tài: “Nghiên cứu thiết kế, chế thử nguyên lý hệ súng đạn chống tăng triệt âm, khơng giật, khơng luồng phụt” Viện Vũ khí - Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng, 2016 [3] Trần Đăng Điện - Nguyễn Quang Lượng, “Thuật phóng súng pháo”, Học viện Kỹ thuật quân sự, 2006 [4] Phạm Thế Phiệt, “Các sở vật lý tượng bắn”, Học viện Kỹ thuật quân sự, 1995 ABSTRACT RESEARCH, PROPOSING A MODEL OF LAUNCHING ALGORITHM OF SILENCED ANTI-TANK AMMUNITION ON MOTION PRINCIPLE OF TWO PISTONS In this paper, a model of the launching algorithm of two-piston silenced anti-tank ammunition is built From the model, equations of the interior algorithm of anti-tank ammunition on motion two pistons principle are established in order to survey the influence of structure parameters on muzzle velocity and pressure of silenced antitank ammunition afterwards Keywords: Silenced; Anti-tank ammunition; Piston; Interior algorithm Nhận ngày 29 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Vũ khí - Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phòng; Viện Tên lửa - Viện Khoa học Cơng nghệ qn *Email: hungnp1978@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 315 ... định, kể từ thời điểm đạn bay viên đạn chống tăng thông thường XÂY DỰNG MƠ HÌNH BÀI TỐN THUẬT PHĨNG TRONG ĐẠN CHỐNG TĂNG GIẢM THANH THEO NGUN LÝ PÍT TƠNG 3.1 Các giả thiết xây dựng hệ phương trình... Chốt định vị để cố định vị trí pít tơng cho qng đường chuyển động pít tơng đầu nòng súng 2. 2 Nguyên lý hoạt động hệ vũ khí chống tăng giảm theo nguyên lý pít tơng [2] Khi bắn, mồi lửa điện cháy... kG/dm2, [2] ; sai số V0 = 4,04% pmaxTB = 1, 02% chấp nhận KẾT LUẬN Việc nghiên cứu đặc điểm thuật phóng trong, thời kỳ tượng bắn, xây dựng hệ phương trình vi phân mơ tả q trình thuật phóng đạn chống