Mô hình thuật phóng của pháo trên xe có sử dụng thiết bị khí hút khói

Trên cơ sở phân tích hoạt động của bộ phân hút khói của pháo trên xe, bài báo đã trình bày một phương pháp xây dựng mô hình toán xác định các đặc trưng thuật phóng của các loại pháo trên xe có sử dụng thiết bị hút khói.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Mơ hình thuật phóng pháo xe có sử dụng thiết bị khí hút khói Interior ballistics model of mounted cannons on vehicles using bore evacuator device Trần Quốc Trình1,*, Võ Văn Biên1, Nguyễn Minh Phú1, Phùng Xuân Sơn2 Học viện Kỹ thuật Quân Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: tranquoctrinh9981@yahoo.com.vn Mobile: 0976298659 Tóm tắt Từ khóa: Pháo 100mm Д10-T2C; Thuật phóng trong; Thiết bị hút khói; Xe tăng T55 Trên sở phân tích hoạt động phân hút khói pháo xe, báo trình bày phương pháp xây dựng mơ hình tốn xác định đặc trưng thuật phóng loại pháo xe có sử dụng thiết bị hút khói Mơ hình thành lập áp dụng để giải cho pháo 100mm Д10-T2C xe tăng T55 Kết nghiên cứu báo phục vụ trực tiếp cho q trình tính tốn thiết kế phận hút khói pháo Abstract Keywords: 100mm Д10-T2C cannon, Interior ballistics, Bore evacuator, T55 tanks On the basis of analyzing the performance of the bore evacuator, the paper presented a method of building mathematical model to determine interior ballistics characteristics of cannonsmounted on vehicles using bore evacuators Newly established model were applied as solutions for 100mm Д10-T2C cannon on T55 tanks The research results of the paper served directly for the process of designing and calculating bore evacuators on cannons Ngày nhận bài: 31/7/2018 Ngày nhận sửa: 05/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU CHUNG Bộ phận hút khói pháo xe tăng hoạt động theo nguyên lý trích khí Khi đầu đạn qua lỗ trích - xả khí, khí thuốc nịng trao đổi với buồng khí Khi đầu đạn khỏi nòng, áp suất nòng áp suất khí quyển, áp suất buồng khí lớn Khí thuốc qua vịi phun trước với tốc độ lớn, tạo phía sau vùng áp suất thấp Do khí thuốc nịng buồng đạn ngồi với số lượng đáng kể, làm giảm nồng độ khí thuốc khoang chiến đấu xe, tránh ngộ độc cho pháo thủ giảm khả xuất luồng lửa ngược mở khóa nịng trường hợp khí thuốc chưa cháy hết HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Mơ hình vật lý pháo xe tăng có sử dụng phận hút khói Thuốc phóng; Đầu đạn; Nịng pháo; Viên bi; Buồng khí Việc xác định quy luật thay đổi đặc trưng thuật phóng pháo buồng khí có ý nghĩa quan trọng việc tính tốn thiết kế chi tiết thuộc phận hút khói loại pháo xe Mơ hình vật lý phận hút khói pháo xe biểu diễn hình NỘI DUNG BÀI TỐN 2.1 Xây dựng phương trình vi phân thuật phóng 2.1.1 Các giả thiết - Thuốc phóng cháy theo quy luật hình học quy luật tốc độ cháy tuyến tính số hạng: u = u1p; - Thuốc phóng cháy lịng nịng, thành phần sản phẩm cháy không thay đổi suốt thời gian xảy tượng bắn; - Các công thứ yếu khí thuốc tỷ lệ với cơng chủ yếu làm đạn chuyển động tịnh tiến tính đến hệ số tăng nặng φ; - Toàn liều thuốc cháy điều kiện mơi trường có áp suất áp suất thuật phóng; - Bỏ qua tổn thất nhiệt lòng nòng buồng khí; - Tại thời điểm áp suất khí thuốc đạt tới áp suất tống đạn p0, đai đạn cắt cách tức thời đạn bắt đầu chuyển động 2.1.2 Hệ phương trình vi phân thuật phóng Khảo sát trình xảy tượng bắn thời điểm t Khi ta xây dựng hệ phương trình vi phân mơ tả tính quy luật q trình sau: a Các phương trình biểu diễn quy luật cháy tạo khí  p dz    Ik dt  0 (0  t  tk ); (1) (t  tk );  dz (0  t  tk ); d   (1   z  3 z ) (2)  dt dt  (t  tk ); 0 Trong đó: I k - xung lượng áp suất khí thuốc thời gian thuốc phóng cháy;  - lượng thuốc phóng cháy tương đối;  ,  ,  - đặc trưng hình dạng thuốc phóng; z - bề dày cháy tương đối tính đến thời điểm xét; tk - thời điểm thuốc phóng cháy hết HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 b Các phương trình chuyển động đạn dl 0  dt v 0 dv  S p dt  n   md (0  t  to ) (3) (t  to ) (0  t  to ) (4) (t  to ) Ở đây:  - hệ số tính cơng thứ yếu, theo [2]:   k  1 ; v , md - vận tốc, khối lượng đạn; 3q p0 - áp suất tống đạn; t0 - thời điểm đạn tống hồn tồn vào lịng nịng, p = p0; Sn - diện tích tiết diện ngang lịng nịng c Phương trình biểu diễn quy luật thay đổi áp suất khí thuốc lịng nịng Phương trình biểu diễn quy luật thay đổi áp suất khí thuốc lịng nịng xác định dựa vào định luật bảo toàn khối lượng phương trình trạng thái khí thuốc lịng nịng có tính đến khối lượng khí thuốc trao đổi lịng nịng buồng khí Phương trình bảo tồn khối lượng khí lịng nịng có dạng: m  m  mbk (5) Trong đó: m - khối lượng khí thuốc sinh q trình cháy sau thời gian t; m - khối lượng khí thuốc cịn lưu lại lòng nòng thời điểm t; mbk - khối lượng khí từ lịng nịng sang buồng khí Phương trình trạng thái khí thuốc lịng nịng: (6) pW  mRT Trong đó: T - nhiệt độ khí thuốc lịng nịng; W - thể tích tự khí lịng nịng; R - số khí Tiến hành đạo hàm theo thời gian hai vế phương trình (5) kết hợp với phương trình (6) ta phương trình biểu diễn quy luật thay đổi áp suất khí thuốc lịng nịng: p  dp  pW     RT  m   m bk   pW  T dt W  T  (7) Biểu thức W có dạng:  W  S l   (1 )   n  W    W0  S n l   (1 )  (  mbk ) l  lbk ; l  lbk ; Trong đó: W0 - thể tích buồng đốt;  - khối lượng riêng thuốc phóng;  - hệ số cộng tích khí thuốc;  - khối lượng ban đầu liều thuốc phóng dm d  Biểu thức tính m  có dạng: m   dt dt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Biểu thức xác định m bk : - Khi l  lbk1 : mbk  0; m bk  0; - Khi lbk  l  lbk : m g + Trường hợp p  bi : m bk  0; F1 m g + Trường hợp p  bi : F1 Trong trường hợp này, khí thuốc chảy từ lịng nịng vào buồng khí Biểu thức xác định lưu lượng khí qua lỗ từ lịng nịng vào buồng khí có dạng [4]: k  k p p k    1  K (k ) F ;    pbk   RT dm  m bk  m bk1  bk1   k 1 k   dt k  p p  k   k 1 2k  pbk   pbk  k     2 F1      ; pbk   RT k 1  p   p       - Khi l  lbk : Phụ thuộc vào tương quan độ lớn áp suất khí thuốc lịng nịng (p) áp suất khí thuốc buồng khí (pbk) mà khí chảy từ lịng nịng vào buồng khí hay ngược lại [4] + Khi p  pbk : Trong trường hợp này, khí chảy từ lịng nịng vào buồng khí Biểu thức xác định lưu lượng chảy khí từ lịng nịng vào buồng khí có dạng: m bk  m bk1  m bk   K (k )  F  F  p  RT     p 2k  pbk  k  2  F1  F2    k 1  p  RT    k p  k   k 1   ; pbk   p    bk   p  k 1 k     k p  k   k 1    ; pbk   Với : k  k 1 p p k     K (k )F   ;  pbk   RT dm  m bk  bk   k 1 k   dt k      pbk k  p p  k 1  k 1 2k  pbk    2 F2      ; pbk   RT k 1  p   p       + Khi p  pbk : Trong trường hợp này, khí chảy từ buồng khí vào lịng nịng Biểu thức xác định lưu lượng chảy khí từ buồng khí vào lịng nịng có dạng: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018     K (k ) F pbk  RTbk dmbk   m bk  k 1   dt  2k  p  k  p  k  pbk   2 F2     RTbk k 1  pbk   pbk       k p  k   k 1 bk    ; p   k p  k   k 1  bk    ; p   + Khi p  pbk : m bk  0; Trong đó, φ2 - hệ số tổn thất lưu lượng khí; T, Tbk - nhiệt độ khí thuốc lịng nịng buồng khí; F1, F2 - diện tích tiết diện ngang lỗ khí trước sau; K0(k) - hàm số mũ đoạn nhiệt:   k 1 K (k )     k 1  2k k 1 d Phương trình biểu diễn quy luật thay đổi nhiệt độ khí thuốc lịng nịng Phương trình biểu diễn quy luật thay đổi nhiệt độ khí thuốc lịng nịng xác định từ phương trình định luật I nhiệt động học: n dQ  dU   dLi (8) i 1 Trong đó: Q - nhiệt lượng thuốc phóng cháy tạo sau thời gian t dQ   m  dt  cvT1  cvT1m  dt (9) Với cv - nhiệt dung đẳng tích khí; T1 - nhiệt độ cháy thuốc phóng; U - nội khí nịng,   dU  d  m  mbk  cvT   cv  m   m bk  Tdt   m  mbk  Tdt  (10) n  dLi - tổng cơng khí thuốc thực bắn Trong mơ hình khảo sát ta xét i 1 đến cơng để tạo lượng chuyển động tịnh tiến cho đầu đạn Edan entalpi khối lượng khí buồng khí I bk Do đó: n  dLi  dEdan  dIbk (11) i 1   m v2 dEdan  d  d  0  dIbk  Ibk dt  (m bk c pT )dt   (mbk c pTbk )dt   ;    md vvdt  (12) p  pbk hoac l  lbk1 ; p  pbk l  lbk 1; p  pbk l  lbk1; (13) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Thay (12) (13) vào phương trình (11) ta được: n   Ibk dt  dLi   md vvdt (14) i 1 Thay (9), (10) (13) vào (8) biến đổi ta phương trình biểu diễn quy luật thay đổi nhiệt độ lịng nịng có dạng:  dT 1    T  T1m    m   m bk  T   md vv  Ibk   dt  m  mbk   cv  (15) e Phương trình biểu diễn quy luật thay đổi áp suất khí thuốc buồng khí Phương trình biểu diễn quy luật thay đổi áp suất khí thuốc buồng khí xác định từ phương trình trạng thái khí thuốc buồng khí: pbkWbk  mbk RTbk (16) Trong đó: pbk : áp suất khí thuốc buồng khí; Tbk : nhiệt độ khí thuốc buồng khí; Wtrk : thể tích tự buồng khí: Wbk  Wbk   mbk ; Wbk : thể tích ban đầu buồng khí Tiến hành đạo hàm hai phương trình (16) theo thời gian thực phép biên đổi ta phương trình biểu diễn quy luật thay đổi áp suất khí thuốc buồng khí có dạng: p bk  dpbk R  dt Wbk   m bk mbk Tbk   m bk Tbk  mbk Tbk   Wbk   (17) f Phương trình biểu diễn quy luật thay đổi nhiệt độ khí thuốc buồng khí Phương trình biểu diễn quy luật thay đổi nhiệt độ buồng khí xác định dựa vào định luật bảo toàn lượng Sau vào buồng khí, lượng khí thuốc dạng nhiệt lưu trữ dạng nội khí thuốc Dựa vào định luật bảo tồn lượng ta có: dQ  dU bk (18) Trong đó: dQ : biến thiên nhiệt lượng khí thuốc buồng khí, lượng entalpi khối lượng khí trao đổi lịng nịng buồng khí, dQ  Ibk dt   m bk dt  c pT (19) U bk : Nội khí buồng khí dU bk  d (mbk cvTbk )  cv  m bk dtTbk  mbk Tbk dt   cv  m bk Tbk  mbk Tbk  dt dU bk  cv  m bk Tbk  mbk Tbk  dt Thay (19) (20) vào (18) ta được: Do đó, phương trình biểu diễn quy luật thay đổi nhiệt độ buồng khí có dạng: dTbk  Ibk  cv m bk Tbk   dt cv mbk  (20) (21) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Như vậy, hệ gồm phương trình: (1)(4), (7), (16), (17), (21) dùng để xác định đặc trưng thuật phóng pháo xe có sử dụng phận hút khói Các điều kiện ban đầu để giải hệ phương trình là: t = 0: z = z0 ; ψ = ψ0; v = 0; l = 0; p = pmoi; pbk = pbk.0; T = 2000K; Tbk = 293 K 1   1 2   1      ;        ; z0  (22) f           p0  2.2 Áp dụng mơ hình giải tốn thuật phóng cho pháo 100mm Д10-T2C xe tăng T55 Bộ phận hút khói pháo 100mm Д10-T2C thuộc kiểu van bi, bao gồm chi tiết: ống bọc, lỗ hút - xả, lỗ xả van bi, có cấu tạo hình [1] Các tham số đầu vào theo [3] [4] sau: W0 = 8,25 [dm3]; Sn = 0,79 [dm2]; ld = 47,43 [dm]; m = 15,6 [kg]; p0 = 300 [kG/cm2]; |ω = 5,5 [kg]; f = 1030000 [kG.dm/kg]; α = 0,969;  = 1,6 [kg/dm3]; Ik = 1726 [kG.s/dm3]; T1 = 2790K; lbk1 = 39,13[dm]; lbk2 = 41,16[dm]; k = 1,2;  = 1,16;   1,06 ;   0,056 ; F1 = 78,5.10-4 [dm2]; F2 = 76,93.10-4 [dm2]; Wbk.0 = 9,22 [dm3] Hình Thiết bị hút khói 100mm Д10-T2C xe tăng T55 Hình Quy luật thay đổi tham số thuật phóng pháo 100mm Д10-T2C theo chiều dài nòng pháo Quy luật thay đổi áp suất lòng nòng; Quy luật thay đổi vận tốc đầu đạn; Quy luật thay đổi nhiệt độ lòng lòng; Quy luật thay đổi nhiệt độ buồng khí; Quy luật thay đổi áp suất buồng khí HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Các tham số toán áp suất so sánh với số liệu nhà sản xuất cung cấp [5][6] STT Các đại lượng Đơn vị Áp suất lớn nòng Áp suất đạn tới miệng nịng Áp suất lớn buồng khí Sơ tốc đầu đạn kG/cm2 kG/cm2 kG/cm2 m/s Giá trị tính tốn 3046 965,67 1097,2 912 Giá trị nhà sản xuất cung cấp [4] 3000 950 Sai số 1,53% 1,65% 900 1,3% Trên hình thể kết tính tốn thơng số thuật phóng theo qng đường chuyển động đạn pháo 100mm Д10-T2C xe tăng T55 Căn vào kết giải hình bảng cho thấy mơ hình thuật phóng vừa thiết lập phù hợp, sai số nhỏ chấp nhận Qua cho thấy độ tin cậy mơ hình sử dụng mơ hình phục vụ cho tốn thiết kế thiết bị hút khói xe KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình tốn theo phương pháp mơ tả đầy đủ tính quy luật trình xảy bắn loại pháo xe có sử dụng thiết bị hút khói Mơ hình tốn thể chi tiết q trình trao đổi khí lịng nịng buồng khí theo chế độ tới hạn tới hạn nhằm đưa mơ hình tốn sát với mơ hình thật Bài báo áp dụng tính tốn cho pháo 100mm Д10-T2C xe tăng T55 kết thu phù hợp với công bố nhà sản xuất, có ý nghĩa quan trọng việc tính tốn thiết kế thiết bị hút khói loại pháo xe LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả cảm ơn hỗ trợ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tổng cục Kỹ thuật (1995); Hướng dẫn sử dụng pháo tăng 100mmД10-T2C [2] Nghiêm Xn Trình (2015); Thuật phóng trong; Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội [3] Nguyễn Quang Lượng, Trần Quốc Trình (2010); Số liệu Vũ khí–đạn; Học viện KTQS, Hà Nội [4] Khổng Đình Tuy (1977); Trang bị điển hình vũ khí tổng hợp; Học viện KTQS, Hà Nội [5] Р Е Соркин (1967); Газотермодинамика ракетных двитателей на твердом товливе Москва [6] Б В Орлов, Г Ю Мазинг (1968); Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твёрдом топливе Москва  ... hình sử dụng mơ hình phục vụ cho toán thiết kế thiết bị hút khói xe KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mơ hình tốn theo phương pháp mơ tả đầy đủ tính quy luật q trình xảy bắn loại pháo xe có sử dụng thiết. .. KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Mơ hình vật lý pháo xe tăng có sử dụng phận hút khói Thuốc phóng; Đầu đạn; Nòng pháo; Viên bi; Buồng khí Việc xác định quy luật thay đổi đặc trưng thuật phóng pháo. .. trưng thuật phóng pháo buồng khí có ý nghĩa quan trọng việc tính tốn thiết kế chi tiết thuộc phận hút khói loại pháo xe Mơ hình vật lý phận hút khói pháo xe biểu diễn hình NỘI DUNG BÀI TỐN 2.1 Xây