Снижение рассеивания пуль пневматического оружия на малых дистанциях при дозвуковых скоростях полета

Язык труда и переводы:
УДК:
623.546
Дата публикации:
21 сентября 2021, 15:30
Категория:
В7. Динамика движения и управление полетом космических и летательных аппаратов
Авторы
Моисеенко Даниил Сергеевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Илюхин Степан Николаевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Москаленко Валерий Осипович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Приведены результаты экспериментальных исследований по определению аэродинамических характеристик и параметров рассеивания пуль типа Match и предложенных авторами модификаций формы пуль данного типа. Представлены модификации формы пневматических пуль, заключающиеся в специальной организации сквозных каналов, обеспечивающие сужение трубки траекторий при настильной стрельбе с дозвуковыми начальными скоростями. Дано описание проведенной серии экспериментальных исследований на большой баллистической трассе кафедры СМ-3 МГТУ им. Н.Э. Баумана. Рассмотрены результаты исследования и проведен их анализ с упором на практическое применение.
Ключевые слова:
баллистическая трасса, пневматическое оружие, рассеивание, аэродинамическое сопротивление, пули типа Match
Основной текст труда

Введение

Пули для пневматического оружия обширно используются при проведении соревнований и спортивных стрельб. Поэтому основным параметром, по которому выбирают вид метаемого снаряда, является точность ствольной системы. Точность полёта малогабаритных летательных аппаратов (МЛА), к которым относятся в том числе и пули, предназначенные для стрелкового оружия, зависит от факторов двух семейств. К первому семейству относятся, например, асимметрия конкретного изделия, отклонение начального вектора скорости от номинального значения. Внешние факторы определяют как относящиеся ко второму семейству [1]. Поскольку парирование случайных возмущений окружающей среды в процессе полета пуль в реальных условиях не представляется возможным, то основной задачей в данной области является минимизация воздействия факторов первого семейства: повышение устойчивости пули в воздушном потоке, что значительно уменьшает влияние внешних возмущений на полет.

Все вышеописанное ставит во главу угла задачу изучения и совершенствования аэродинамических характеристик (АДХ), что и является целью настоящей статьи.

Эксперименты по определению вышеописанных параметров как правило проводят на баллистической трассе [2], поскольку эта установка позволяет производить измерения в натурных условиях и с использованием реальных объектов исследования.

Исследования производились на большой баллистической трассе кафедры СМ-3 МГТУ им. Н.Э. Баумана, имеющей длину 33,8 м и диаметр 0,8 м.

В проведенных ранее исследованиях [3] авторами установлено, что путем модификаций формы МЛА типа Match путем организации системы сквозных каналов в головной части пули можно получить модернизированные МЛА с меньшим коэффициентом лобового сопротивления. Данные каналы способствуют перераспределению давления по поверхности пули и, как следствие, изменению ее ОЛТХ. Задача настоящей статьи — провести аналогичный цикл экспериментов по определению коэффициента лобового C_{xa} сопротивления и характеристик рассеивания определенных модифицированных пуль, АДХ которых должны способствовать снижению рассеивания траекторий полета МЛА. В качестве МЛА для сравнительного анализа выбраны следующие варианты пуль:

  • исходный вариант пули типа Match (тип а);
  • модернизированная пуля типа Match  четырьмя прямыми периферийными отверстиями d = 0,6 мм и центральным отверстием d = 0,6 мм в головной части (тип б);
  • модернизированная пуля типа Match с четырьмя косыми периферийными отверстиями d = 0,6 мм, угол отклонения которых от оси вращения пули составляет 45°, и центральным отверстием d = 0,6 мм в головной части (тип в).
Рис. 1. Пули типов а (слева), б (в центре) и в (справа)

Определение параметров рассеивания

Для получения и оценки характеристик рассеивания пуль необходимо провести серию из выстрелов в мишень. В данном случае было проведено по 10 выстрелов для каждого типа МЛА, что является пригодным для получения объективных результатов. Алгоритм обработки выборки попаданий и получения данных о характеристиках рассеивания описан в [2].

Стоит отметить то, что координаты точек попаданий снимались только по горизонтальной оси Z, это связано с тем что оценка рассеивания по вертикальной оси Y не является объективной, поскольку рассеивание по вертикальной объясняется непостоянством значения дульной энергии от выстрела к выстрелу и, соответственно, разной силе отдачи.

Были построены столбиковые диаграммы для сравнения значений средних квадратичных отклонений \sigma _{x} (СКО), которые показаны на рис. 2.

Рис. 2. Значения средних квадратичных отклонений

Выявлено, что модификации обладают большей точностью в сравнении с исходным образцом.

В целях точной оценки был рассчитан выигрыш в процентах для каждого вида модифицированных пуль относительно исходного образца по формуле

\delta _{\sigma }={\frac {\sigma _{0}-\sigma _{i}}{\sigma _{i}}}\cdot 100\% ,

где \sigma _{0} — среднее квадратичное отклонение исходного образца пуль;  \sigma _{i} — среднее квадратичное отклонение модифицированного образца пуль.

По результатам расчета построена столбиковая диаграмма величин выигрышей модифицированных пуль по среднему квадратичному отклонению относительно исходного вида пуль (рис. 3).

Рис. 3. Значения δσ

Таким образом, было получено, что модифицированные варианты пуль, использованные в данном исследовании, обладают преимуществом в точности относительно исходного варианта. У пули типа б (с прямыми периферийными отверстиями) выигрыш составил 25 %, у пули в  (с косыми боковыми отверстиями) — 33 %.

Определение коэффициента лобового сопротивления

Для определения коэффициента лобового сопротивления при проведении стрельб на баллистической трассе необходимо зафиксировать значение скорости тела в двух точках траектории. Для измерения скорости были использованы электронные хронографы рамочного типа [4]. Методика проведения эксперимента по определению C_{x}  доступно описана в [2]. Было использовано несколько моделей пневматического оружия для получения значений коэффициента продольной силы на большом диапазоне скоростей и последующей аппроксимации результатов.

Результаты проведенного эксперимента отражены на рис. 4 и 5. 

Рис. 4. Зависимость Cx от числа Mаха

Исходя из полученных результатов можно прийти к выводу, что исследуемые варианты модификаций пуль не обладают преимуществом относительно исходного варианта пули, наоборот значение коэффициента продольной силы больше на всем диапазоне исследуемых скоростей.

Далее были рассчитаны погрешности модифицированных образцов пуль относительно пуль исходного вида по формуле

\delta _{xa}={\frac {C_{x_{0}}-C_{x_{i}}}{C_{x_{0}}}}\cdot 100\% ,

где \delta _{xa} — относительная погрешность в процентах.

По значениям погрешностей также провелась аппроксимация и были построены кривые зависимости значений погрешности от числа Маха М для исследуемых пуль (см. рис. 5).

Рис. 5. Зависимость δ от числа Mаха

Наибольшее значение относительной погрешности достигается у пули типа в при числе Маха М = 0,1 и равно 43 %. У пули типа б максимальная погрешность равна 28 % при том же числе Маха М и с увеличением скорости ее значение уменьшается.

Анализ картин течения и выводы

Рис. 6. Картины распределения скорости для пуль типов а (сверху) и б (снизу) при скорости набегающего потока 150 м/с

Как видно из представленных картин распределения скорости, построенных по результатам численного моделирования обтекания тела набегающим потоком в программно-вычислительном пакете SolidWorks Flow Simulation, для пуль типов б и в на повышение значения силы лобового сопротивления может оказывать струя газа, которая, проходя периферийные отверстия, попадает на юбку, в связи с чем и возникает дополнительное сопротивление, помимо этого создается трение в самом канале отверстия, что также увеличивает коэффициент продольной силы. Однако выдув газа через отверстия способствует дополнительной стабилизации снаряда в набегающем потоке, что и позволило получить лучшие характеристики рассеивания модифицированных пуль относительно стандартного образца.

Заключение

При анализе результатов проведенных исследований можно прийти к выводу, что предложенные варианты модифицированных пуль обладают бо́льшим сопротивлением относительно стандартного типа Match, однако они выигрывают по точностным характеристикам. Стоит также отметить, что стрельбы из пневматического оружия обычно проводят на малой дистанции, порядка 10 м, и, соответственно, величина коэффициента лобового сопротивления играет второстепенную роль, но пренебрегать ею нельзя. Таким образом, при проведении стрельб из пневматического оружия необходимо выбирать пули исходя из целевой задачи. Например, если основным целевым показателем стрельб является высокая точность, то модифицированные пули, представленные в этой статье, покажут лучшие результаты, если же цель — нанести максимальный урон или достичь максимальную дальность стрельбы, то стоит выбирать пули с меньшим лобовым сопротивлением.

Литература
  1. Дмитриевский А.А., Лысенко Л.Н. Внешняя баллистика. М.: Машиностроение, 2005. 608 с.
  2. Грабин В.В., Илюхин С.Н., Клишин А.Н., Хлупнов А.И. Проведение экспериментальных исследований на баллистической трассе. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. 40 с.
  3. Илюхин С.Н., Москаленко В.О., Булавина В.В. Исследование рассеивания и аэродинамического сопротивления модифицированных пуль при дозвуковых скоростях полета на баллистической трассе // Инженерный журнал: наука и инновации. 2020. Вып. 12. DOI: 10.18698/2308-6033-2020-12-2039
  4. Богомолова П.Д. Особенности измерений траекторной скорости малогабаритных летательных аппаратов хронографами оптического типа // Политехнический молодежный журнал. 2017. № 8. DOI: 10.18698/2541-8009-2017-8-149
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.