Гироскопический стабилизатор артиллерийского орудия

Реферат на тему:

«Гироскопический стабилизатор артиллерийского орудия»

Выполнил студент группы 334

Богатырев Д.В.

Проверил Пушкарев А.

Ижевск 2009

КАК ДОБИТЬСЯ УСТОЙЧИВОСТИ СНАРЯДА НА ПОЛЕТЕ

Каждый видел детскую игрушку «волчок». Пока «волчок» быстро вертится, он стоит на своей острой ножке.

Еще интереснее прибор, называемый гироскопом (рис. 154 и 155). Он знаком всем из физики.

Гироскоп состоит из маховика, который может вращаться вокруг трех осей: во-первых, вокруг своей основной оси, на которую он посажен; во-вторых, вместе с кольцом, поддерживающим основную ось,-- вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной к первой, и, в-третьих, вместе с внешним полукольцом -- вокруг вертикальной оси.

У гироскопа есть замечательное свойство: когда он быстро вращается, он не только сохраняет положение своей оси в пространстве, но и сопротивляется всяким попыткам изменить ее положение.

Этой замечательной способностью вращающегося тела сохранять свою устойчивость и воспользовались артиллеристы: они заставили снаряды быстро вращаться в полете. Достигается это, как мы уже знаем, благодаря нарезам в канале ствола.

Едва снаряд сдвинется с места, его медный поясок врезается в нарезы, а так как нарезы идут винтообразно, то снаряд, следуя по ходу нарезов, начинает быстро вращаться.

Вылетев из ствола, он сохраняет вращение и в воздухе. Вращается он в наших орудиях слева вверх направо, тоесть, если смотреть сзади, по направлению движения часовой стрелки.

Снаряды различных орудий делают от 200 до 500 оборотов в секунду.

Колесо автомобиля на полном ходу делает в секунду около 16 оборотов, винт самолета -- от 35 до 75. Снаряд вращается в 30 раз быстрее автомобильного колеса и в 5-7 раз быстрее, чем воздушный винт самолета.

Эта огромная скорость достаточна, чтобы обеспечить устойчивость современного продолговатого снаряда во время полета.

Но вернемся к вопросу о вращении летящего снаряда.

ЛЕТЯЩИЙ ГИРОСКОП

Если бы снаряд был в полете вполне устойчив, он летел бы, как изображено на рис. 156, и падал бы на землю не головой, а дном.

На самом же деле снаряд летит не так.

Еще один опыт с гироскопом поможет нам лучше понять особенности полета снаряда.

Навесим груз на один из концов оси вращения маховика, как изображено на рис. 154.

Вы думаете, вращающийся гироскоп наклонится вниз, в сторону груза? Ничуть не бывало: гироскоп повернется вокруг своей вертикальной оси слева направо, как показывает стрелка на рис. 154.

Попробуйте теперь толкнуть гироскоп, ударить по одному из концов горизонтальной оси (см. рис. 155). Казалось бы, гироскоп должен от такого толчка повернуться на своей вертикальной оси.

Не тут-то было: на самом деле гироскоп начнет поворачиваться вокруг горизонтальной оси так, как изображено на рис. 155.

В этом и заключается основное свойство гироскопа: он изменяет положение своей оси, двигаясь всегда под прямым углом к направлению действия внешней силы и в сторону своего вращения.

При этом он подчиняется такому правилу: если какая-то точка гироскопа получила толчок, направленный перпендикулярно (по нормали) к его оси, то от толчка гироскоп отклонится в ту сторону, куда должна прийти через три четверти оборота точка, получившая толчок (рис. 157)

Быстро вращающийся во время полета снаряд напоминает маховик гироскопа. Как и гироскоп, снаряд стремится сохранить положение своей оси в пространстве. Но при этом снаряд, конечно, опускается под линией бросания. Пока ось снаряда совпадала с касательной к траектории, сопротивление воздуха распределялось равномерно по всем точкам головной части снаряда и только замедляло его полет

Но едва лишь ось снаряда начала отходить от касательной к траектории (это произошло в самом начале движения), как снаряд подставил сопротивлению воздуха боковую поверхность корпуса). Невращающийся снаряд опрокинулся бы при этом. Но снаряд вращается. Как и маховик гироскопа, он стремится сохранить устойчивость; на действие внешней силы он отвечает поворотом в направлении, перпендикулярном к тому, по которому действует сила.

Сопротивление воздуха толкает головную часть снаряда снизу вверх; снаряд отвечает на это тем, что поворачивает головную часть вправо, под прямым углом к направлению действия внешней силы и в сторону своего вращения (рис. 158)

В этом новом положении воздух сильнее давит на снаряд слева, стремится отклонить его головную часть вправо. Упрямый снаряд-гироскоп повернет ее вниз. Тогда воздух, действуя на снаряд сверху, начнет отклонять его головную часть вниз. А снаряд-гироскоп сделает опять по-своему -- повернет ее влево. Как только воздух попробует отклонить головную часть снаряда влево, снаряд поднимет ее вверх. И такая борьба снаряда-гироскопа с силой сопротивления воздуха продолжается на протяжении всего полета. Головная часть снаряда перемещается то вправо, то вниз, то влево, то вверх, то-есть описывает около траектории окружность, а ось снаряда образует коническую поверхность (рис. 159).

В результате вращающийся снаряд летит все время головной частью вперед и в таком же положении падает на землю (рис. 160).

И получается, что та же самая сила сопротивления воздуха, которая мешала, опрокидывала невращающийся снаряд, начинает помогать артиллеристам, как только снаряд приобретает вращательное движение: сила сопротивления воздуха теперь уже «привязывает» головную часть снаряда к траектории.

Теперь, когда мы узнали о всех силах, действующих на снаряд во время полета, мы должны понять разницу в очертаниях траекторий, показанных на рис. 137.

При полете в воздухе траектория снаряда всегда несимметрична: нисходящая ветвь у нее круче и короче восходящей, и угол падения снаряда всегда больше угла бросания. На рис. 161 показаны основные элементы траектории -- линии и углы, связанные с нею.

ДЕРИВАЦИЯ

Уже в начале применения нарезных орудий артиллеристы столкнулись с непонятным на первых порах явлением: вращающийся снаряд падал не туда, куда наводили орудие, а в русской артиллерии -- всегда правее цели, во французской -- всегда левее цели.

У ненарезных орудий таких постоянных отклонений не наблюдалось, значит это явление связано с нарезами, -- сделали вывод артиллеристы.

Но почему же при стрельбе из русских орудий снаряд отклоняется всегда вправо от того направления, по которому наведено орудие, а при стрельбе из французских орудий -- влево? В чем тут дело? Отчего происходит такое различие в направлении отклонения снаряда?Объяснить это явление удалось русскому ученому-артиллеристу Н. А. Забудскому. Он доказал, что постоянное отклонение снаряда в сторону от направления, по которому наведено орудие, зависит от того, как идут нарезы в канале ствола орудия: когда нарезы идут, как в русских орудиях, слева вверх направо, так что снаряд, вылетев из орудия, вращается по направлению движения часовой стрелки,-- он отклоняется всегда вправо; если же нарезы идут, как во французских орудиях, справа вверх налево, так что направление вращения снаряда противоположно направлению движения часовой стрелки,-- снаряд отклоняется влево.

Деривация -- так стали называть это постоянное боковое отклонение снаряда, выпущенного из нарезного орудия.

В чем же заключается причина деривации?

Задайте себе такой вопрос: одинаковое ли сопротивление воздуха испытывают все части боковой поверхности летящего снаряда, или это сопротивление сильнее с какой-либо одной стороны? На первый взгляд может показаться, что -- одинаковое: ведь снаряд последовательно поворачивает на полете свою головную часть вправо, вниз, влево и вверх. Но такой ответ будет слишком поспешным. Давая такой ответ, мы допустили бы ошибку, так как не учли бы, что снаряд непрерывно понижается под линией бросания из-за действия силы тяжести.

Вот что надо вспомнить для правильного ответа на этот вопрос.

Снаряд испытывает более сильное сопротивление воздуха попеременно слева, справа и сверху исключительно оттого, что во время полета он поворачивает головную часть в ту или другую сторону; снизу он испытывает более сильное сопротивление, чем с других сторон, еще и из-за того, что под действием силы тяжести он опускается под линией бросания по закону свободного падения тел. Вы уже знаете, что понижение снаряда под линией бросания происходит в течение всего времени его полета, и притом с нарастающей скоростью; 4,9 метра в первую секунду полета и еще на 9,8 метра больше в каждую последующую секунду. Вот это-то непрерывное понижение снаряда под линией бросания и приводит к тому, что снизу снаряд испытывает более сильное сопротивление воздуха, чем с любой другой стороны -- слева, сверху или справа.

Теперь вам ясно, что действие силы сопротивления воздуха на боковую поверхность летящего снаряда значительно сильнее снизу, чем справа, слева или сверху.

Вспомните, что при «толчке» снизу гироскоп, вращающийся слева вверх направо (по ходу часовой стрелки), повернется вправо. Но ведь снаряд испытывает такие «толчки» непрерывно, один за другим в течение всего своего полета, так как понижение снаряда под линией бросания происходит непрерывно; значит так же непрерывно головная часть снаряда будет отклоняться вправо от первоначального направления -- дополнительно к круговому коническому вращению. Следовательно, в течение всего времени полета снаряд будет забирать вправо и притом чем дальше, тем больше.

Таким образом, при более подробном изучении вопроса о полете снаряда, вращающегося слева вверх направо, мы должны будем сказать, что под действием силы сопротивления воздуха и силы тяжести такой снаряд описывает головной частью окружность вокруг траектории и непрерывно

отклоняется вправо от направления, по которому был выпущен; поэтому он падает не в той точке, куда было наведено орудие, а правее.

В этом и заключается явление, называемое деривацией. Величина деривации тем больше, чем продолжительнее полет снаряда. Снаряд 76-миллиметровой пушки при стрельбе на 5 километров отклоняется вправо на 5 метров, а при стрельбе на 10 километров -- уже на 50 метров. При стрельбе на 10 километров из 122-миллиметровой гаубицы деривация получается еще больше -- 110 или даже 310 метров -- в зависимости от того, будем ли мы стрелять при углах возвышения меньше 45 или больше 45 градусов.

Таким образом, вследствие деривации траектория снаряда представляет собой кривую не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной (рис. 162).

Если снаряд вращается справа вверх налево, как у французских орудий, по тем же причинам он отклоняется влево от первоначального направления.

Невращающиеся снаряды (например мины современных минометов), понятно, не имеют деривации, так как деривация связана именно с вращением снаряда.

Часто задают такой вопрос: ну, а будет ли деривация у снаряда, выпущенного вертикально вверх? На этот вопрос надо ответить так: при стрельбе строго вверх деривация отсутствует, так как действие силы тяжести на снаряд, выпущенный вертикально, выразится только в том, что его поступательная скорость будет постепенно уменьшаться, давление же воздуха на корпус такого снаряда будет оставаться равномерным со всех сторон.

НАРЕЗНОЙ СНАРЯД

Вернемся теперь к вопросу -- почему же не сделать очень длинный снаряд, так сказать, снаряд-копье?

Оказывается, такой снаряд был бы все же недостаточно устойчив в полете.

Чтобы обеспечить ему устойчивость, надо было бы вращать его еще раза в 2-3 быстрее, чем вращается современный снаряд.

Для этого и нарезы в орудии надо было бы сделать раза в 2-3 круче, чем их делают теперь.

Но тогда мягкий медный ведущий поясок снаряда не выдержал бы громадного давления, какое пришлось бы на его долю при такой крутой нарезке и при большом весе длинного снаряда,-- он был бы сорван нарезами в канале ствола,

Нужны, значит, какие-то новые технические приемы, чтобы обеспечить такому длинному и тяжелому снаряду достаточно быстрое вращение.

Что можно сделать в этом направлении?

Еще в шестидесятых годах XIX века испытывался многоугольный (или, как говорят, полигональный) снаряд. Разумеется, и канал орудия, предназначенного для стрельбы этим снарядом, представлял собой в сечении многоугольную призму, несколько скрученную, чтобы придать вращение этому снаряду.

В свое время это предложение не нашло широкого применения, а вскоре и вовсе было забыто.

Были и другие предложения. Уже после первой мировой войны были изготовлены опытные снаряды с готовыми выступами, или, иначе, нарезные снаряды в 10 калибров длиной. Снаряд этот, казалось, имел большие преимущества перед старыми: поперечная нагрузка у нарезного снаряда была вдвое больше, чем у обычного, а поэтому и летел он заметно дальше. Объем внутренней каморы нарезного снаряда был примерно вдвое больше, чем у старого снаряда, а потому в нем помещалось значительно больше взрывчатого вещества, чем в старом.

Но изготовлять снаряды с готовыми нарезами трудно и дорого, а заряжать орудие таким снарядом долго и неудобно: уже во время заряжания снаряд должен двигаться своими выступами по нарезам орудия.

Поэтому нарезные снаряды не нашли широкого применения, и в течение всей второй мировой войны никто не стрелял такими снарядами.

В современных сражениях снаряды расходуются миллионами, промышленность должна изготовлять их в огромных количествах; поэтому снаряды должны быть просты в изготовлении и возможно более дешевы; а дорогие и сложные в производстве нарезные снаряды не удовлетворяют этим требованиям: вот почему они относятся к тем многочисленным остроумным предложениям, которые, однако, не находят применения на практике.

СНАРЯД С ОПЕРЕНИЕМ

Во второй мировой войне широкое применение получили снаряды с оперением -- мины.

Вспомните древние стрелы, которыми в те времена, когда еще не было огнестрельного оружия, воины и охотники стреляли из лука; вы, несомненно, видели такую стрелу, если не в музее, то хотя бы на рисунке. Ее устойчивости на полете добивались тем, что снабжали ее оперением. Оперение оказывало во время полета стрелы такое же действие, как руль у лодки во время ее движения: если руль поставлен прямо, то и лодка идет прямо. Так же летела и стрела,-- оперение играло роль руля, поставленного прямо.

Мысль изготовить снаряд с оперением появилась впервые у русских артиллеристов осажденной японцами крепости Порт-Артур в 1904 году. Изготовив мины, которые не помещались в ствол орудия, изобретатели С. Н. Власьев и Л. Н. Гобято должны были подумать и о том, как сделать эти мины устойчивыми на полете; они снабдили каждую мину стабилизатором из четырех железных перьев (рис. 165).

Эта идея русских артиллеристов была использована при создании минометов во время первой мировой войны, и с тех пор и до наших дней минометы стреляют оперенными снарядами-минами.

Но современная мина имеет уже не 2 пера, как древняя стрела, и не 4, как мина защитников Порт-Артура или времен первой мировой войны, а значительно больше: например, у мины 82-миллиметрового миномета 6 или чаще 10 перьев, а у мины 120-миллиметрового миномета -- 12 перьев. Такое количество перьев хорошо обеспечивает устойчивость мины на полете: 12 перьев -- это как бы 12 рулей, каждый из которых помогает мине быть устойчивой во время полета.

Оперенная мина так же «следит за траекторией», как и вращающийся снаряд: как только под действием силы тяжести мина начинает опускаться под линией бросания, давление воздуха на перья стабилизатора станет больше с одной стороны, чем с другой, а из-за этого хвост мины повернется, -- ось мины снова совместится с касательной к траектории (рис. 166).

Таким образом, в наши дни наряду со снарядами, быстро вращающимися на полете, получили широкое распространение не вращающиеся во время полета оперенные снаряды -- мины}

Использованная литература:

1.Бороздин В. Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления: Учеб. пособие для ВТУЗов., М., Машиностроение, 1990.

2.Павловский М. А. Теория гироскопов: Учебник для ВУЗов., Киев, Вища Школа, 1986.