Warunki Pracy Luf i Zwi Zane z Tym Zagadnienia Wytrzymało Ci i Ywotno Ci

8/17/2019 Warunki Pracy Luf i Zwi Zane z Tym Zagadnienia Wytrzymało Ci i Ywotno Ci

1/57

WARUNKI PRACY LUF I ZWIZANE Z TYM ZAGADNIENIAWYTRZYMAŁOCI I YWOTNOCI

Marek Radomski

Instytut Mechaniki i Konstrukcji, Politechnika Warszawska

Opublikowano w materiałach Konferencji Naukowej "Problemy badawcze technologii wytwarzania luf

artyleryjskich", Warszawa 1997, s. 90-170, Informator WITPiS, Nr 47

W pracy omówiono zjawiska zachodz ce w lufie podczas strzału i zwi zany z nimi mechanizm zuycia

lufy. Przedstawiono sposoby zabezpieczania materiału lufy przed niekorzystnym oddziaływaniem gazów

powybuchowych i piercienia wiod cego. Praca zawiera tak e przegl d rozwi za konstrukcyjnych luf, dla

kadego rozwi zania opisano stosowane kryteria wytrzymałociowe i algorytm oblicze. W konkluzji

przedstawiono wymagania stawiane materiałom stosowanym do produkcji luf.

1. WARUNKI PRACY STALI LUFOWYCH

1.1. PRZEGLD ISTNIEJCYCH ROZWIZA SPRZTU UZBROJENIAARTYLERYJSKIEGO

Bro palna jest i jak si wydaje b dzie jednym z podstawowych rodków walki.

Sporód rodzajów broni palnej poczesne miejsce zajmuje lufowa bro artyleryjska, która jest

przeznaczona do niszczenia pociskami siły ywej, sprz tu bojowego i budowli obronnych

nieprzyjaciela. Współczesna artyleria posiada du ilo rónego rodzaju broni artyleryjskiej,

co wynika z rónorodnoci zada bojowych. Klasyfikacji broni artyleryjskiej dokonuje si wg

rónych cech. Wg konstrukcji przewodu lufy - na gwintowan i gładkolufow ; wg miejsca

działania i charakteru celi - na l dow , przeciwlotnicz , czołgow , lotnicz , nadbrzen imorsk ; wg sposobu transportu - na woon lub holowan i samobien ; wg organizacyjnej

przynalenoci - na batalionow , pułkow , dywizyjn itd. Wszystkie działa artyleryjskie

dzieli si wg kalibru na działa małego kalibru (20 do 85mm), redniego kalibru (85 do

155mm) i duego kalibru (powyej 155mm).

Artyleria lufowa posiada nast puj ce podstawowe działa :

a) armaty - długo lufy 40 do ok. 90 kalibrów;

b) haubice - długo lufy 20 do 30 kalibrów;

c) haubicoarmaty - długo lufy 30 do 50 kalibrów (strzelaj c ładunkiem miotaj cym pełnym

spełniaj rol armaty, za ładunkiem miotaj cym zmniejszonym rol haubicy);

d) modzierze - długo lufy poniej 15 kalibrów;

e) działa bezodrzutowe.

Armaty, haubice i haubicoarmaty posiadaj przewód lufy gwintowany. Wyj tkiem od

tej reguły s nowsze konstrukcje armat czołgowych. Natomiast modzierze i działa

bezodrzutowe maj zazwyczaj gładki przewód lufy.

W odrónieniu od innych dział armaty charakteryzuj si najwi kszymi pr dkociami

pocz tkowymi pocisku, które dochodz do 1500m/s, a dla pocisków podkalibrowych nawet

do 1900m/s. Przoduj pod tym wzgl dem armaty czołgowe oraz automatyczne armaty o

kalibrach od 20 do 40mm, które charakteryzuj si ponadto du szybkostrzelnoci dochodz c do 1000 strzałów na minut .

1


2/57

Pr dkoci pocz tkowe pocisku wystrzelonego z haubicy wahaj si w granicach 500do 900 m/s, przy strzelaniu ładunkiem pełnym i mog by zmniejszane poprzez zmniejszeniemasy ładunku miotaj cego.

Modzierze przeznaczone s do strzelania do celów naziemnych znajduj cych si wodległoci do ok. 8000m od stanowiska ogniowego. Z tego te wzgl du strzelaj torami

bardzo stromymi (k t rzutu 45o do 80o), a pr dko pocz tkowa pocisku nie przekraczazazwyczaj 400m/s.

Działo artyleryjskie mona traktowa jako maszyn ciepln słu c do miotaniapocisków z okrelon pr dkoci pocz tkow i w okrelonym kierunku. Sprawnoenergetyczna dział waha si od 15 do 40%, przy czasie trwania wystrzału wynosz cym odkilku do kilkudziesi ciu milisekund. Zatem działo artyleryjskie jest maszyn ciepln o bardzoduej mocy. Np. armata przeciwlotnicza kal. 35mm ma moc ok. 63MW, armata czołgowakal. 125mm - 1175MW, za najwi ksza armata, jak kiedykolwiek zbudowano i uywano napolu walki, tj. armata Gustav kal. 800mm, posiadała moc 20164MW.

W tablicy 1 zestawiono charakterystyki energetyczne, które s reprezentatywne dla

poszczególnych typów dział. Szczegółowe zestawienie b d cej aktualnie na uzbrojeniulufowej broni artyleryjskiej zawiera praca [4].

1.2. PRZEWIDYWANE KIERUNKI ROZWOJU ARTYLERII

Przegl d literatury, a szczególnie referatów prezentowanych na kilku ostatnichMi dzynarodowych Sympozjach Balistyki (lata 1992 do 1996) wskazuje, e dalszy rozwójartylerii b dzie post pował w kierunku maj cym na celu zwi kszenie pr dkoci pocz tkowejpocisku, a co za tym idzie i jego energii kinetycznej. Jak si wydaje, trend ten jestpodyktowany deniem do zwi kszenia efektywnoci sprz tu uzbrojenia. W przypadku armatczołgowych i armat instalowanych w bojowych wozach piechoty wynika to bezporednio z

denia do zapewnienia przebijalnoci pancerzy o złoonej konstrukcji, jak jedno- iwielowarstwowe, kompozytowe, reaktywne, pasywne, nakładane itp. Obserwowan tendencj

jest osi gni cie przez opuszczaj cy przewód lufy pocisk pr dkoci równej ok. 2,5 do 3,0km/s.Natomiast w przypadku pozostałych dział zwi kszenie pr dkoci pocz tkowej pocisku mazazwyczaj na celu zwi kszenie dononoci, jak równie zmniejszenie czasu lotu pocisku naokrelon donono, co ma szczególne znaczenie podczas strzelania do celów powietrznych.

Wydaje si , e sporód wymienionych przyczyn denia do zwi kszenia pr dkocipocz tkowej pocisku na plan pierwszy wysuwa si konieczno zapewnienia przebijalnocipancerzy o złoonej konstrukcji, gdy zadania bojowe polegaj ce na obezwładnianiu celówpowierzchniowych rozlokowanych na duych odległociach od wojsk własnych i celów

powietrznych połoonych w odległoci ponad 4km od stanowiska ogniowego przejmieartyleria rakietowa, która coraz czciej jest wyposaana w inteligentne pociski rakietowe.Tez t mona uzasadni porównuj c wartoci prawdopodobiestwa wykonania zadaniabojowego z uyciem lufowej i rakietowej broni artyleryjskiej (patrz np. praca [5]).Praktycznym wyrazem tej tendencji jest obserwowany rozwój systemów obronyprzeciwlotniczej (ADATS, TUNGUZKA).

Rozwój lufowej broni artyleryjskiej naley analizowa w dwóch horyzontachczasowych. Wydaje si , e w najbliszej przyszłoci, tj. 10 do 15 lat, prace b d koncentrowały si głównie na modernizacji istniej cego sprz tu uzbrojenia, ze wzgl du nazwolnienie tempa wycigu zbroje. Rozpad ZSRR i rozwi zanie Układu Warszawskiego

wpłyn ło bowiem na obnienie nakładów na zbrojenia [6].

Marek Radomski

2


3/57

Tablica 1. Charakterystyki energetyczne dla wybranych typów dział1)

201640,3073,541815v0=710lw=41

HEm=7200

Armatakolejowa

Gustav (Dora)800mm

1039

1175

0,443

0,191

4,25

3,14

8,31

6,13

v0=850lw=44

v0=1785

FRAG-HEm=23

APFSDSm=5,9/3,845

Armataczołgowa

2A46125mm

12420,1963,626,26v0=1650lw=45APFSDSm=7,3/4,6

Armata

czołgowaKpz BK120mm Rh

8430,2323,8174,42v0=1525lw=51

APFSDSm=5,8/3,8

Armataczołgowa

GIAT 105F1105mm

78

82

0,334

0,239

7,359

5,606

0,47

0,36

v0=1000lw=70

v0=1480

HEI-T m=0,942APFSDS-T

m=0,500/0,327

ArmataBofors L/70

40mm x 365R

63

66

0,379

0,308

8,856

7,206

0,38

0,31

v0=1175lw=90

v0=1440

HEI m=0,550APDS

m=0,380/0,298

ArmataOerlikon KDA35mm x 228

8900,3572,6829,42v0=655lw=34

FRAG-HEm=43,9

Haubica2S3

152mm

5170,452,8255,13v0=686lw=40

FRAG-HEm=21,8

Haubica2S1

122mm

0,1560,2362,1360,94v0=550lw=21

FRAG-HEm=6,2

M196676mm

modzierz

Mocdziała[MW]

Sprawnoenergetycz

na η

[-]

WspółczynnikCE=Ek /d3

[J/mm3]

Pocz tkowaenergia

kinetycznapocisku Ek

[MJ]

Pr dkopocz tkowa

v0 [m/s]długo lufy

w kal, lw

Typ i masapocisku/masardzenia m [kg]

Działo

1) Opracowano na podstawie danych zaczerpni tych z prac [1, 2, 3].

Analizuj c kierunki modernizacji istniej cego sprz tu mona posłuy si mi dzyinnymi równaniem bilansu energii podczas strzału (równanie Resala - patrz np. praca [7]) dlachwili, gdy pocisk opuszcza przewód lufy :

(1)mvw

2

2 =1Q1 1 −

T wT 1

,

gdzie :

m - masa pocisku;vw - pr dko pocisku opuszczaj cego przewód lufy;

Marek Radomski

3


4/57

Q1 - ciepło wybuchu w warunkach izochoryczno-izotermicznych ładunku miotaj cego;ω - masa ładunku miotaj cego;Tw - temperatura mieszaniny gazów w przestrzeni zapociskowej w chwili, gdy pocisk

opuszcza przewód lufy;T1 - temperatura mieszaniny gazów b d cych produktami rozkładu wybuchowego

ładunku miotaj cego w warunkach izochoryczno-izotermicznych (temperaturawybuchu);

ϕ - współczynnik prac drugorz dnych, który wg Sieriebriakowa wyraa si wzorem :

(2) = K + 3m ,

gdzie K jest stałym współczynnikiem, którego warto waha si od 1,03 do 1,6 wzalenoci od typu działa.

Posta równania (1) wskazuje, e wzrost pr dkoci wylotowej pocisku mona

osi gn poprzez :

1. Zmniejszenie masy pocisku m - w praktyce oznacza to zastosowanie pociskupodkalibrowego.

2. Zmniejszenie współczynnika prac drugorz dnych ϕ. Współczynnik ten uwzgl dniawyst powanie podczas strzału szeregu zjawisk, które zwi zane s z wykonywaniem przezukład poza nap dzaniem pocisku dodatkowej pracy zewn trznej. Zjawiskiem maj cymrelatywnie najwi kszy wpływ na warto współczynnika ϕ jest ruch cz steczek gazu iniespalonej czci ładunku miotaj cego w przestrzeni zapociskowej (drugi składnik wewzorze (2)). W wyniku tego w tych samych chwilach cinienie działaj ce na dno pocisku

jest mniejsze, ni cinienie panuj ce w obszarze komory ładunkowej - rónice wprzypadku nabojów z pociskiem podkalibrowym typu APFSDS mog dochodzi nawet do50%. Odwrócenie tej niekorzystnej proporcji wpływa na wzrost siły nap dzaj cej pocisk, aco za tym idzie i na wzrost jego pr dkoci wylotowej. Drog pozwalaj c osi gn ten cel

jest zwi zanieniespalonej czci ładunku miotaj cego z pociskiem [8].

3. Zwi kszenie wartoci ciepła wybuchu Q1 materiału miotaj cego stosuj c prochyzawieraj ce wysokoenergetyczne zwi zki np. RDX.

4. Zwi kszenie masy ładunku miotaj cego stosuj c wi ksze g stoci ładowania.

5. Zmniejszenie stosunku temperatur Tw /T1, zwi kszaj c stopie rozprania gazów nadrodze wydłuenia przewodu lufy.

Poza wymienionymi sposobami wzrost pr dkoci wylotowej pocisku próbowanoosi gn poprzez zastosowanie tzw. techniki kompensacji temperatury [9]. Powszechnieznany jest wpływ temperatury pocz tkowej ładunku miotaj cego na warto cinieniamaksymalnego wytwarzanego podczas strzału, a co za tym idzie i na warto pr dkociwylotowej pocisku. Z tego te wzgl du wytrzymało kadej lufy działa i jego mechanizmówoporopowrotnych jest obliczana dla warunków panuj cych podczas strzału, gdy ładunekmiotaj cy jest wst pnie nagrzany do temperatury +50oC. Strzelaj c w tych warunkachobserwuje si wzrost pr dkoci pocz tkowej pocisku o 3 do 7% w stosunku do przypadku

Marek Radomski

4


5/57

strzelania, gdy temperatura pocz tkowa ładunku miotaj cego wynosi +15oC. Technikakompensacji temperatury polega na wykorzystaniu w kadych warunkach strzelania pełnejwytrzymałoci lufy działa, obliczonej dla przypadku strzelania ładunkiem miotaj cymnagrzanym do temperatury +50oC. W literaturze nie znaleziono jednak informacji oprzykładach wdroenia tej techniki.

Wymienione sposoby zwi kszania pr dkoci wylotowej pocisku zazwyczaj ł cz si ze wzrostem cinienia maksymalnego wytwarzanego podczas strzału. Zatem cz stomodernizacja obejmuje take konstrukcj lufy i urz dzenia oporopowrotnego działa orazzastosowanie materiałów o wyszych właciwociach wytrzymałociowych w stosunku domateriałów dotychczas stosowanych.

Ponadto, aby nie dopuci do nadmiernego wzrostu cinienia maksymalnegowytwarzanego podczas strzału, modyfikuje si właciwoci balistyczne ładunku miotaj cegotak, aby pr dko kreacji energii była skorelowana z pr dkoci pocisku przemieszczaj cegosi wzdłu przewodu lufy. W tym celu stosuje si :

1. Prochy o progresywnym kształcie ziarna. Przykładem takiego prochu jest francuski prochB19T o ziarnach z 19 kanalikami [10]. Porównanie teoretycznych wartoci charakterystykkształtu ziarna prochowego dla prochu B19T i prochu z 7 kanalikami 12/7 zawiera tablica2. Zastosowanie tego prochu w poł czeniu z wydłueniem lufy do 52 kalibrów w armacieGIAT 120mm, która jest instalowana w czołgu AMX Leclerc, spowodowało zwi kszeniepr dkoci wylotowej pocisku APFDSF do 1750m/s, czyli o ok. 6%, w stosunku dopr dkoci wylotowej pocisku wystrzeliwanego z armat Kpz BK 120mm Rh lub M256.Niestety omawiana modernizacja poci gn ła za sob wzrost cinienia maksymalnego do710MPa. Główn przyczyn tego jest fakt, i prochy nie spalaj si zgodnie z załoeniamigeometrycznego prawa spalania i rzeczywiste charakterystyki kształtu ziarna dla prochu

B19T róni si od teoretycznych. Zatem przebieg intensywnoci powstawania gazów wfunkcji wzgl dnej masy spalonego ładunku ma charakter mniej progresywny niby towynikało z zalenoci teoretycznej.

Tablica 2. Porównanie teoretycznych wartoci charakterystyk kształtu ziarnaprochowego dla prochu B19T i prochu z 7 kanalikami 12/7

0,81120,8767Wzgl dna masa spalonego ziarnaw chwili jego rozpadu ψ R

0,66850,2404-0,0270

0,55810,5271-0,0438

Charakterystyki kształtu κ ziarna prochowego λ

µ

Proch 12/7Proch B19TWielko

2. Ziarniste prochy flegmatyzowane, które charakteryzuj si wzrostem pr dkoci spalania wfunkcji gruboci spalonej warstwy ziarna prochowego. Flegmatyzacja prochu poci ga

jednak za sob obnienie jego ciepła wybuch Q1. Z reguły rekompensuje si to zjawiskozwi kszeniem masy ładunku miotaj cego (g stoci ładowania). Ubocznym bardzokorzystnym skutkiem takiego działania jest zwi kszenie ywotnoci lufy działa dzi kiobnieniu temperatury gazów b d cych produktami rozkładu wybuchowego prochu.

Przykładem takiego działania jest armata Oerlikona KDA kal. 35mm x 228, w którejzastosowanie flegmatyzowanego prochu 7/1 fl pozwoliło zwi kszy mas pocisku o 2,5%.

Marek Radomski

5


6/57

Pewn odmian prochów flegmatyzowanych s prochy warstwowe (laminowane).Zewn trzna warstwa takiego prochu charakteryzuj si małymi wartociami pr dkocispalania i ciepła wybuchu, natomiast wewn trzna - duymi wartociami wymienionychwielkoci, co w poł czeniu z odpowiednio dobranym kształtem ziarna pozwala sterowapr dkoci kreacji energii podczas strzału.

3. Ziarniste prochy o wymuszonej fragmentacji [11]. Istot tego sposobu sterowaniapr dkoci kreacji energii podczas strzału jest prawie skokowa zmiana powierzchnispalaj cego si ładunku miotaj cego w wyniku rozpadu ziaren prochowych. Zazwyczajdy si do tego, aby rozpad ziaren nast pował tu po przekroczeniu cinieniamaksymalnego w przestrzeni zapociskowej, a wi c gdy uległo spaleniu ok. 30 do 50%ładunku miotaj cego. W literaturze nie znaleziono informacji o przykładach wdroeniatego typu prochów.

4. Monolityczne wielkogabarytowe ziarna wykonane z flegmatyzowanego prochu

drobnoziarnistego technologi zag szczania. Ziarna te s take inhibitowane na wybranychpowierzchniach. Dzi ki temu sterowanie pr dkoci kreacji energii podczas strzałurealizuje si zarówno poprzez kontrolowany dopływ samych ziaren do przestrzenizapociskowej, w której zachodzi proces spalania, jak równie odpowiednio dobranymwzrostem pr dkoci spalania w funkcji gruboci spalonej warstwy samego ziarnaprochowego. Podobnie, jak w poprzednio omawianym przypadku, nie znaleziono wliteraturze informacji o przykładach wdroenia tego typu prochów.

W dalszej perspektywie, tj. po 2010 roku naley oczekiwa wprowadzenia nauzbrojenie sprz tu nowych generacji, który moe wykorzystywa nowe technologie donap dzania pocisku, jak np. :

1. Działa z zastosowaniem ciekłych materiałów miotaj cych (patrz np. prace [12, 13, 14]).Pierwsze badania w tym kierunku były prowadzone w USA tu po zakoczeniu II Wojnywiatowej. Główn przesłank do podj cia tych bada była ch wykorzystania domiotania pocisku wysokoenergetycznego materiału. Wiadomo bowiem, e ciekłe materiałymiotaj ce charakteryzuj si zazwyczaj wi kszymi wartociami ciepła wybuchu Q1 nistałe materiały miotaj ce (prochy). Mona wyróni trzy podstawowe rodzaje tego typuukładów miotaj cych, tj. :

- układ klasyczny, w którym ciekły jednoskładnikowy materiał miotaj cy (np. XM46),rozkładaj cy si egzotermicznie pod wpływem zewn trznego bodca, jest

wprowadzany przed strzałem do komory ładunkowej działa (BLPG);- układ z regulowanym wtryskiem ciekłego jedno- lub dwuskładnikowego materiałumiotaj cego do komory ładunkowej działa (RLPG);

- układ z poruszaj cym si wraz z pociskiem ciekłym materiałem miotaj cym (LTPC). O moliwociach tego typu technologii nap dzania pocisku mog wiadczy np. wyniki

uzyskane przez Mc Bratney'a, cytowane w pracy [12]. Otó w armacie kal. 120mmmiotano pocisk o masie 3,58kg z pr dkoci pocz tkow 1960m/s, przy redniej wartocicinienia maksymalnego w przestrzeni zapociskowej równej 274MPa.

2. Działa wykorzystuj ce zjawisko wyst powania gradientu cinienia na przemieszczaj cymsi z pr dkoci naddwi kow froncie spalania gazowego materiału miotaj cego (RA).

Technologia ta polega na zainicjowaniu w lufie dynamicznego spalania gazowegomateriału miotaj cego, wypełniaj cego całe jej wn trze. Wytworzony na

Marek Radomski

6


7/57

przemieszczaj cym si z pr dkoci naddwi kow froncie spalania gradient cinienianap dza pocisk. Działaj ce na opisanej zasadzie działo laboratoryjne z luf kal. 38mm,które zostało zbudowane na Uniwersytecie Waszyngtoskim, pozwoliło nada pociskowi omasie 70g pr dko wylotow równ 2,6km/s [15, 16].

3. Działa elektrotermiczne. W działach tego typu wykorzystuje si energi elektryczn dozwi kszenia energii wewn trznej gazowego czynnika roboczego, który wykonuj c prac zewn trzn nadaje pociskowi energi kinetyczn , przy czym czynnik roboczy moe bygazem oboj tnym - tzw. "czyste" działo elektrotermiczne ET lub wg nowszej koncepcjiukładu hybrydowego, reaguj c chemicznie mieszanin gazów - tzw. działoelektrotermiczno-chemiczne ETC. Znane s take przykłady układów, w których wewst pnej fazie gazowy czynnik roboczy jest wytwarzany z substancji w stanie ciekłymLPETC lub stałym SPETC. Klasycznym przykładem działa ET jest układ Goldsteina iTidmanna, w którym energia elektryczna była wykorzystywana do wytworzenia plazmywysokotemperaturowej, która powoduj c parowanie cieczy inercyjnej tworzyła wraz z

powstał par wysokoenergetyczny czynnik roboczy nap dzaj cy pocisk. Działa ETCpozwalaj nada pociskowi pr dko do 4,5km/s. Przegl d tego typu rozwi za znajdujesi mi dzy innymi w pracy [17].

4. Działa elektromagnetyczne. Znane s dwa typy dział elektromagnetycznych, tj. szynoweEMR i indukcyjne EMC. W układach szynowych pocisk pokryty warstw materiałuizolacyjnego umieszcza si na przewodz cych prowadnicach (szynach). Obwódelektryczny zamyka metalowa folia zamocowana do dna pocisku. Po doprowadzeniu doprowadnic wysokiego napi cia folia wybucha i tworzy obłok przewodz cej plazmy, który

jest nap dzany przez indukowane pole magnetyczne. Pocisk unoszony jest przezporuszaj cy si obłok plazmy. Przeci tnie napi cie doprowadzane do prowadnic wynosi 1

do 5kV, za impuls pr du płyn cego w obwodzie dochodzi do 5MA. Pr dko pocisku wtego typu układach jest ograniczona do zakresu 6 do 8km/s, co jest zwi zane mi dzyinnymi z procesem erozji prowadnic i wyst powaniem wyładowa wtórnych.

Budowa i zasada działania dział indukcyjnych jest podobna do budowy elektrycznegosilnika liniowego. Lufa umieszczona jest wewn trz zespołu cewek nap dzaj cych, za zpociskiem zwi zany jest drugi zespół cewek indukcyjnych. Przeci tnie impuls elektrycznydoprowadzony do zespołu cewek nap dzaj cych charakteryzuje si napi ciem 100kV inateniem 100kA. Pr dko pocisku w tego typu układach dochodzi do 6km/s. Przegl dtego typu rozwi za znajduje si mi dzy innymi w pracach [17 i 18].

Poza wymienionymi głównymi typami dział, wykorzystuj cych do nap dzaniapocisku nowe technologie, mona oczekiwa pojawienia si układów mieszanych, jak np.indukcyjne działo elektromagnetyczne z klasycznym ładunkiem miotaj cym, itp. W tablicy 3zestawiono podstawowe charakterystyki energetyczne wybranych dział dowiadczalnych,wykorzystuj cych do miotania pocisku nowe technologie.

Marek Radomski

7


8/57

Tablica 3. Charakterystyki energetyczne wybranych dział dowiadczalnych,wykorzystuj cych do miotania pocisku nowe technologie

1,32342000,15EMC

8,10026002,40EMR

0,23726000,07RA kal. 37mm

6,87719603,58BLPG kal. 120mm

Energia kinetycznapocisku [MJ]

Pr dko pocz tkowa[m/s]

Masa pocisku [kg]Typ działa

Poza omówionymi kierunkami rozwoju artylerii naley jeszcze wspomnie omoliwoci wprowadzenia na uzbrojenie "artylerii laserowej". W artylerii tego typu promielasera przejmie rol pocisku, dzi ki czemu działo laserowe nie b dzie posiadało lufy, a co zatym idzie definitywnie zostanie rozwi zany problem ywotnoci lufy działa laserowego.Artyleria laserowa nie wyprze jednak całkowicie artylerii lufowej, gdy bro ta nie b dzie wstanie podoła wszystkim zadaniom bojowym stawianym artylerii.

1.3. CHARAKTERYSTYKA ZJAWISK ZACHODZCYCH PODCZAS STRZAŁU ZBRONI PALNEJ I ZWIZANY Z TYM MECHANIZM ZUYCIA LUFY

Jak ju wspomniano w punkcie 1.1 bro palna jest maszyn ciepln słu c domiotania pocisków z okrelon pr dkoci pocz tkow i w okrelonym kierunku. ródłemenergii w broni palnej jest energia chemiczna zawarta w materiale wybuchowym miotaj cym,który jest umieszczony zazwyczaj w komorze ładunkowej. Pod wpływem zewn trznegobodca energia ta jest zamieniana w sposób kontrolowany na energi wewn trzn mieszaninygazów, b d cych produktami egzotermicznej reakcji rozkładu wybuchowego materiału

miotaj cego. Mieszanina gazów powybuchowych rozpraj c si wykonuje prac zewn trzn , której uyteczn czci jest energia kinetyczna pocisku. Przykładowe przebiegicinienia p(t) i temperatury T(t) mieszaniny gazów powybuchowych w funkcji czasu wobszarze komory ładunkowej dla armaty Oerlikona KDA 35mm x 228 przedstawiaj rys. 1 i2 [19].

Rys.1. Przykładowy przebieg cinienia w funkcji czasu p(t) w obszarzekomory ładunkowej dla armaty KDA 35mm x 228 [19]

Marek Radomski

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

100

200

300

400

czas [ms]

c i n i e n i e [ M

P a ]


9/57

Rys.2. Przykładowy przebieg temperatury gazów powybuchowych w funkcjiczasu T(t) w obszarzekomory ładunkowej dla armaty KDA 35mm x 228 [19]

W zalenoci od kalibru działa i pr dkoci pocz tkowej pocisku, czas trwaniawystrzału zmienia si od kilku do kilkudziesi ciu milisekund, przy tym jakociowy charakterprzebiegów p(t) i T(t) nie ulega wi kszym zmianom. Oczywicie ilociowo omawianeprzebiegi mog róni si od siebie znacznie, szczególnie dotyczy to wartoci cinieniamaksymalnego pm i temperatury maksymalnej Tm. Głównymi czynnikami decyduj cymi oprzebiegu zjawiska strzału s :

1. Właciwoci fizyko-chemiczne i balistyczne materiału wybuchowego miotaj cego lubzestawu takich materiałów tworz cych ładunek miotaj cy, tj. :

- skład stechiometryczny materiału wybuchowego miotaj cego;- g sto materiału wybuchowego miotaj cego;- ciepło wybuchu w warunkach izochoryczno-izotermicznych Q1;- temperatura wybuchu w warunkach izochoryczno-izotermicznych T1;- skład gazów powybuchowych;- siła prochu f i kowolumen α;- wykładnik adiabaty gazów powybuchowych;

- prawo spalania si materiału wybuchowego miotaj cego.

2. Warunki ładowania, tj. :- masa ładunku miotaj cego ω;- kształt i wymiary ziarna prochowego, w tym grubo warstwy palnej 2e1.

3. Charakterystyki konstrukcyjne działa, tj. :- kaliber d;- obj to komory ładunkowej W0;- masa pocisku m;- długo drogi, jak przebywa pocisk wzdłu przewodu lufy lw.

Marek Radomski

9

0 2 4 6 8 100

500

1000

1500

2000

2500

czas [ms]

t e m p e r a t u r a [ K ]


10/57

Kademu strzałowi z broni palnej towarzyszy szkodliwe działanie gazówpowybuchowych na materiał lufy, które powoduje jego niszczenie. Proces ten okrelany jestmianem erozji. Zjawisko to ujawniono w pocz tkach okresu szerokiego zastosowania wartylerii prochów bezdymnych. Po raz pierwszy z problemem tym w praktyce spotkali si Anglicy w okresie wojny angielsko-burskiej w latach 1899 - 1901, gdy na skutek

zastosowania kordytu o zawartoci 58% nitrogliceryny w krótkim czasie musieli wycofa zeksploatacji du liczb dział [20]. Do chwili obecnej zjawisko erozji luf i walka z nim jest

jednym z powaniejszych problemów towarzysz cych rozwojowi i eksploatacji artyleriilufowej.

Niszczenie materiału lufy polega na tym, e powierzchnia przewodu lufy uprzedniogładka i wypolerowana staje si najpierw matowa, a nast pnie szorstka i przy dalszejeksploatacji pokrywa si drobnymi p kni ciami i rysami, które tworz co w rodzaju siatkip kni. Nast pnie w miar wzrostu liczby strzałów p kni cia pogł biaj i rozszerzaj si . Topogł bianie i rozszerzanie p kni w duym stopniu jest ukierunkowane wzdłu osi lufy, tj.

zgodnie z kierunkiem ruchu gazów powybuchowych i pocisku. Szczególnie du koncentracj siatki p kni obserwuje si w obszarze stoka przejciowego oraz niecomniejsz w czci wylotowej lufy. Typowy efekt erozji ilustruje rys. 3, który przedstawiawzrost rednicy przewodu lufy w funkcji odległoci od powierzchni czołowej zamka, pooddaniu 1805 strzałów z lufy haubicy XM199 kal. 155mm [21].

Rys. 3. Wzrost rednicy przewodu lufy w funkcji odległoci od powierzchni czołowejzamka, po oddaniu 1805 strzałów z lufy haubicy XM199 kal. 155mm [21]

Wyst puj cy na skutek erozji wzrost rednicy przewodu lufy w obszarze stokaprzejciowego powoduje wzrost obj toci komory nabojowej, za wzdłu całego przewodulufy pogorszenie współpracy czci wiod cej pocisku z powierzchni przewodu lufy.Konsekwencj tego jest obnienie g stoci ładowania i pogorszenie szczelnoci układu lufa -

pocisk, co w rezultacie prowadzi do obnienia cinienia maksymalnego i pr dkocipocz tkowej pocisku. W lufach gwintowanych nieprawidłowe prowadzenie pocisku moe

Marek Radomski

10

1 2 3 4 5 6

0

1

2

3

odległo od czoła zamka [m]

p r z y r o s t r e d n i c y p r z e w o d u

l u f y [ m m ]


11/57

powodowa dodatkowo cinanie piercienia wiod cego. Pocisk nie otrzymuje wówczaswymaganej pr dkoci obrotowej i pogarszaj si warunki stabilizacji w pocz tkowej fazie

jego ruchu na torze, co prowadzi do zwi kszonego rozrzutu balistycznego.

Zazwyczaj uwaa si , e jeeli zuyta lufa powoduje obnienie si pr dkoci

pocz tkowej o 10% w stosunku do pr dkoci tabelarycznej lub omiokrotne zwi kszenieiloczynu odchyle prawdopodobnych w gł b i w szerz Ug x Us, to taka lufa powinna bywycofana z dalszej eksploatacji [20].

Wieloletnie badania pozwoliły pozna mechanizm procesu erozji oraz czynnikiwpływaj ce w istotny sposób na jego przebieg, o czym wiadczy bogata literaturaprzedmiotu. Na szczególn uwag zasługuje praca I. Ahmad'a [22], omawiaj ca szerokoobecne pogl dy na to zagadnienie. Wg I, Ahmad'a na przebieg i mechanizm erozji lufy maj wpływ nast puj ce czynniki :

1. Budowa naboju, a w szczególnoci budowa i właciwoci :- ładunku miotaj cego, w tym właciwoci fizyko-chemiczne i balistyczne materiałuwybuchowego miotaj cego;

- układu zapłonowego (spłonka zapalaj ca, wzmacniacz, rurka ogniowa itp.);- czci wiod cej i uszczelniaj cej pocisku, a szczególnie piercienia wiod cego.

2. Właciwoci materiału, z którego wykonana jest lufa i konstrukcja lufy.

Na wst pie zostan omówione właciwoci fizyko-chemiczne i balistycznemateriałów wybuchowych miotaj cych. W teorii nierównowagowej termodynamikichemicznej [23] przyjmuje si , e przy wysokich temperaturach i cinieniach pr dko reakcji

rozkładu wybuchowego jest tak dua, e pomimo krótkiego czasu trwania reakcji osi gana jest równowaga chemiczna. Dla materiałów wybuchowych miotaj cych, charakteryzuj cychsi ujemnym bilansem tlenowym (ilo tlenu zawarta w materiale nie wystarcza docałkowitego spalenia w gla i wodoru na dwutlenek w gla i wod ), stenia poszczególnychskładników mieszaniny gazów powybuchowych okrela si analizuj c równowag gazuwodnego :

(3)CO2 + H 2 f CO + H 2O.

Natomiast dla materiałów wybuchowych miotaj cych, charakteryzuj cych si dodatnim

bilansem tlenowym, przyjmuje si , e podczas reakcji nast puje całkowite utlenienie w gla iwodoru na dwutlenek w gla i wod , za nadmiar tlenu wyst puje w produktach jako tlencz steczkowy. W omawianym przypadku stenia poszczególnych składników mieszaninygazów powybuchowych okrela si analizuj c równowag reakcji dysocjacji dwutlenkuw gla i pary wodnej :

(4)2CO2 f 2CO + O2,

(5)2 H 2O f 2 H 2 + O2.

Głównymi składnikami mieszaniny gazów powybuchowych s nast puj ce gazy : CO,

CO2, H2O, H2 i N2. Poza wymienionymi gazami w skład mieszaniny wchodz takeniewielkie iloci NH3, CH4, NO oraz H2S, którego ródłem jest układ zapłonowy. Zatem

Marek Radomski

11


12/57

równanie reakcji rozkładu wybuchowego materiału miotaj cego mona zapisa wnast puj cej ogólnej postaci :

(6)C a H bOc N d = xCO + yCO2 + zH 2 + uH 2O + fO2 + d 2 N 2,

gdzie :a,b,c,d - liczby gramoatomów poszczególnych pierwiastków w 1kg materiału

miotaj cego;x,y,z,u,f - liczby moli poszczególnych gazów zawartych w 1kg mieszaniny gazów

powybuchowych (dla materiałów charakteryzuj cych si ujemnym bilansemtlenowym f=0).

Z uwagi na fakt, e stałe równowagi reakcji (3), (4) i (5) s zalene od temperatury,stenia poszczególnych składników mieszaniny gazów powybuchowych zmieniaj si wrazze zmian jej temperatury. Zatem w czasie trwania strzału naley liczy si z wyst powaniem

zmian składu mieszaniny gazów powybuchowych, a co za tym idzie i jej właciwocitermodynamicznych (stała gazowa R, ciepła właciwe Cv i Cp, wykładnik adiabaty k).Ciepło wybuchu w warunkach izochoryczno-izotermicznych Q1 oraz temperatura

mieszaniny gazów powybuchowych w warunkach izochoryczno-izotermicznych (temperaturawybuchu) T1 zale w głównej mierze od składu stechiometrycznego materiałuwybuchowego miotaj cego. Wymienione wielkoci maj istotny wpływ na przebieg zjawiskastrzału, a w szczególnoci na maksymalne wartoci cinienia pm i temperatury Tm mieszaninygazów powybuchowych w przestrzeni zapociskowej.

W tablicy 4 zestawiono charakterystyki wybranych typów stałych materiałówwybuchowych miotaj cych. Prochy M1 i M6 s prochami nitrocelulozowymi (z lotnymrozpuszczalnikiem), proch M2 jest kordytem, czyli prochem nitroglicerynowym z lotnym

rozpuszczalnikiem, natomiast proch M30 naley do tzw. grupy prochów wielobazowych,które s wykonywane zazwyczaj bez udziału lotnego rozpuszczalnika.

Podsumowuj c rozwaania dotycz ce właciwoci fizyko-chemicznych ibalistycznych materiałów wybuchowych miotaj cych mona stwierdzi, e :

1. Prochy nitrocelulozowe, okrelane take mianem jednobazowych, charakteryzuj si ujemnym bilansem tlenowym. Z tego wzgl du stosunek ste CO/CO2 w gazachpowybuchowych waha si w granicach od 2 do 3, za przeci tne wartoci ciepła wybuchu itemperatury wybuchu wynosz odpowiednio Q1=3000kJ/kg; T1=2500K.

2. Prochy nitroglicerynowe (dwubazowe) lub prochy oparte na wi kszej liczbie składnikówpodstawowych (wielobazowe) charakteryzuj si dodatnim bilansem tlenowym. Dla tychprochów stosunek ste CO/CO2 w gazach powybuchowych wynosi ok. 1, natomiastprzeci tne wartoci ciepła wybuchu i temperatury wybuchu s równe odpowiednioQ1=4250kJ/kg; T1=3200K.

Marek Radomski

12


13/57

Tablica 4. Charakterystyki wybranych typów materiałów wybuchowych miotaj cych wgdanych zawartych w pracy [24]

1,661,581,651,57G sto ρ [kg/m3]

1,23851,25431,22381,2593Wykładnik adiabaty k [-]

1,0571,0811,0081,104Kowolumen α [cm3 /g]

10889471076912Siła prochu f [kJ/kg]

4081317645252933Ciepło wybuchu Q1 [kJ/kg]

3040257033192417Temperatura wybuchuT1 [K]

28,0012,6022,50

---

47,70----

1,500,100,300,00

87,0013,15

-----

10,003,00

-1,00

--

0,900,50

77,4513,2519,501,400,75

------

0,600,302,300,70

85,013,15

-----

10,00 5,00

-1,00

--

0,750,50

SKŁAD w [%]Nitroceluloza (NC)Zawarto azotu w NC [%]NitroglicerynaAzotan barowyAzotan potasowySiarczan potasowyNitroguanidynaDwunitrotoluenDwubutyloftalanDwuetyloftalanDwufenyloaminaCentralit IGrafitC2H5OHH2O

M30MIL-P-46489(trójbazowy)

M6MIL-P309A

(nitrocelulozowy)

M2MIL-P323A

(kordyt)

M1MIL-P309A

(nitrocelulozowy)

Specyfikacja materiałumiotaj cego (prochu)

Zadaniem piercienia wiod cego jest uszczelnienie przestrzeni zapociskowej oraz wprzypadku broni gwintowanej nadanie pociskowi danej pr dkoci obrotowej. Pierciewiod cy pocisku wykonuje si z materiału plastycznego. Zazwyczaj stosuje si mied,rzadziej spieki metali na bazie miedzi lub mi kkie elazo oraz tworzywa sztuczne. W celuzapewnienia prawidłowej współpracy piercienia wiod cego z gwintem lufy, niektóre wzorypocisków posiadaj kilka piercieni wiod cych. Znane s take rozwi zania, w których dlapolepszenia współpracy piercienia wiod cego z gwintem lufy stosuje si gwint o zmiennymskoku. K t nachylenia linii rubowej takiego gwintu jest równy zeru w pobliu stokaprzejciowego, a nast pnie łagodnie ronie osi gaj c u wylotu lufy warto, wymagan przez

warunek stabilizacji pocz tkowej pocisku.

Lufy broni palnej wykonuje si z tzw. stali lufowych, które s obrabiane cieplnie wcelu zapewnienia wymaganych właciwoci wytrzymałociowych. W wyniku obróbkicieplnej stal lufowa zazwyczaj posiada struktur sorbitu odpuszczania. Przykładem takiejstali jest stal amerykaska o oznaczeniu 4330 [22]. Skład tej stali podano w tablicy 5, za jejwłaciwoci mechaniczne i fizyczne w tablicy 6.

Tablica 5. Skład chemiczny stali 4330 (% wag.) wg [22]

0,100,650,853,170,02-0,010,0060,470,37

VMoCrNiSiNSPMnC

Marek Radomski

13


14/57

Tablica 6. Właciwoci mechaniczne i fizyczne stali 4330 wg [22]

14501577

15x10-6

7,83

Właciwoci fizyczneTemperatura topnienia [oC]Ciepło topnienia [kJ/mol]Współczynnik przewodzenia ciepła [W/m/K]Współczynnik rozszerzalnoci liniowej [K-1]G sto [g/cm3]

ok, 1240965 - 1100

ok, 34ok, 38

Właciwoci mechaniczneWytrzymało na rozci ganie Rm [MPa]Granica plastycznoci R01 [MPa]

Udarno ISO-V w temp. -40o

C [J]Twardo [HRC]

WartoWielko

Jak ju wspomniano, podczas kadego strzału, w czasie od kilku do kilkudziesi ciu

milisekund, powierzchnia przewodu lufy jest naraona na oddziaływanie mieszaniny gazówpowybuchowych o wysokiej temperaturze (2000 - 3500K) i wysokim cinieniu (150 -700MPa), której g sto jest porównywalna z g stoci wody w warunkach pokojowych, apr dko przepływu lokalnie moe osi ga wartoci rz du setek, a nawet tysi cy metrów nasekund . Ponadto w skład mieszaniny gazów powybuchowych wchodz aktywne chemiczniecz steczki gazów.

Zatem erozja przewodu lufy jest wynikiem nast puj cych zjawisk :

a) nagrzewania si powierzchni przewodu lufy do wysokich temperatur i zwi zanych z tymzmian struktury (przemiany fazowe), a co za tym idzie i właciwoci mechanicznych ifizycznych materiału, z którego wykonana jest lufa;

b) wyst powania duych napre, w tym napre cieplnych i napre wynikaj cych zlokalnych zmian g stoci, b d cych wynikiem zmian struktury (przemiany fazowe)materiału lufy;

c) dyfuzji i reakcji chemicznych, którym sprzyja wysoka temperatura i aktywno chemicznaniektórych składników mieszaniny gazów powybuchowych, co prowadzi do lokalnychzmian składu chemicznego materiału lufy, a co za tym idzie i zmian właciwocimechanicznych i fizycznych, co lokalnie moe powodowa take topnienie materiału lufy;

d) wymywania materiału lufy przez rozgrzane gazy powybuchowe o duej g stoci, któreporuszaj si z du pr dkoci - zjawisko to nasila si szczególnie w przypadku

pojawienia si lokalnych nieszczelnoci układu lufa - pocisk;e) cierania powierzchni przewodu lufy przez piercie wiod cy i poruszaj ce si z duymipr dkociami niespalone ziarna ładunku miotaj cego, w tym take dyfuzji materiałupiercienia wiod cego w gł b cianki wzdłu mikrop kni.

Intensywno nagrzewania cianki lufy przez omywaj c j mieszanin gazówpowybuchowych charakteryzuje strumie ciepła q', czyli ilo ciepła przejmowanego przez

jednostk nagrzewanej powierzchni cianki w jednostce czasu, w wyniku konwekcji ipromieniowania cieplnego. Zgodnie z prawem Newtona, strumie ciepła q' jest równy :

(7)q = w(T − T s),

Marek Radomski

14


15/57

gdzie :αw - wypadkowy współczynnik przejmowania ciepła w wyniku konwekcji i

promieniowania cieplnego;T - temperatura płynu nagrzewaj cego ciank ;Ts - temperatura nagrzewanej powierzchni cianki.

Wypadkowy współczynnik przejmowania ciepła w wyniku konwekcji ipromieniowania cieplnego oblicza si zazwyczaj jako sum współczynników przejmowaniaciepła w wyniku konwekcji αc i promieniowania αr, analizuj c wymienione zjawiskaniezalenie.

W przypadku konwekcji wymuszonej do wyznaczenia współczynnika αcwykorzystuje si liczb Nuselta Nu i jej empiryczne zwi zki z liczbami Reynoldsa Re iPrandtla Pr [25] :

(8) Nu = cd

,

(9) Re = ud ,

(10)Pr = C

,

(11) Nu = cRem Prn,

gdzie :d - wymiar charakterystyczny obiektu (rednica przewodu lufy);λ - współczynnik przewodzenia ciepła czynnika nagrzewaj cego, który jest

funkcj temperatury czynnika;u - pr dko przepływu czynnika nagrzewaj cego wzgl dem nagrzewanejpowierzchni;

ν - współczynnik lepkoci kinematycznej czynnika nagrzewaj cego, który jest funkcj temperatury czynnika;

C - ciepło właciwe czynnika nagrzewaj cego;ρ - g sto czynnika nagrzewaj cego;c, m, n - stałe empiryczne.

Zatem współczynnik αc wyznacza nast puj ca ogólna zaleno :

(12)c = cd

ud

m C

n.

Współczynnik przejmowania ciepła w wyniku promieniowania αr, dla przyblionejmetody opracowanej przez Hottel'a, wyraa si wzorem [25] :

(13)r = e gT

4−agT s4

(T −T s),

gdzie :σ - stała Boltzmanna;

εe - efektywna emisyjno powierzchni zamkni tej;εg - emisyjno gazu;

Marek Radomski

15


16/57


17/57

gdzie :

(20)erfc( z) = 1 −2

z

0¶ e− z

2dz,

(21) Bi x = w x,

(22)Fo x = at

x2.

Dla powierzchni przewodu lufy (x=0) zaleno (19) przekształca si do postaci :

(23)T s(t )−T 0T −T 0

= 1 − expw

2 t

C erfc

w2 t

C .

Analiza jakociowa zalenoci (23), opisuj cej w przyblieniu nagrzewanie si powierzchni przewodu lufy, pozwala stwierdzi, e dla krótkich czasów charakterystycznychdla czasu trwania strzału, maksymalna temperatura do jakiej nagrzewa si powierzchniaprzewodu lufy zaley głównie od wielkoci strumienia ciepła wnikaj cego do cianki (7) i

jest tym wi ksza im wi ksza jest temperatura, g sto i pr dko mieszaniny gazówpowybuchowych (porównaj zalenoci (12) i (13), okrelaj ce αc i αr) oraz im mniejsze s współczynnik przewodzenia ciepła λ, g sto ρ i ciepło właciwe C materiału, z któregowykonana jest lufa. Poza strumieniem ciepła wnikaj cym do cianki take czas trwaniazjawiska strzału odgrywa du rol w procesie nagrzewania si cianki lufy. Im czas ten jestwi kszy, tym grubsza warstwa materiału le cego w pobliu powierzchni przewodu lufyb dzie nagrzewana do wysokiej temperatury i tym wi ksza b dzie temperatura maksymalnasamej powierzchni. Z tego te powodu lufy dział o wi kszych kalibrach s bardziej naraonena zuycie erozyjne ni lufy o mniejszych kalibrach.

Badania dowiadczalne, jak równie wyniki oblicze [patrz prace 27 do 34] ujawniły,e podczas strzału powierzchnia przewodu lufy nagrzewa si w bardzo krótkim czasie, rz dudziesi tych czci milisekundy, do wysokiej temperatury wynosz cej ok. 800 do 1200oC.Nast pnie w ci gu kilku dziesi tych czci sekundy powierzchnia przewodu lufy ochładza si do temperatury o kilkanacie stopni wyszej od temperatury pocz tkowej. Zatem cienkawewn trzna warstwa materiału lufy jest naraona na bardzo due i krótkotrwałe zmianytemperatury.

Rozkład napre wyst puj cy w ciance lufy jest wynikiem :

- obcienia powierzchni przewodu lufy cinieniem wytwarzanym przez mieszanin gazów powybuchowych;- wyst powania pola temperatury w ciance lufy (naprenia cieplne);- wyst powania sił tarcia pomi dzy czci wiod c pocisku, a powierzchni

przewodu lufy;- wyst powania lokalnych zmian g stoci, b d cych wynikiem zmian struktury

(przemiany fazowe) materiału lufy;- w przypadku broni gwintowanej, oddziaływaniem piercienia wiod cego na boczne

powierzchnie bruzd gwintu.

Ponadto rozkład napre w ciance lufy zaley od jej konstrukcji i wymiarów.

Szersze omówienie tego zagadnienia znajduje si w punkcie 3. Zazwyczaj konstrukcja lufy jest tak dobrana do wyst puj cych podczas strzału obcie, aby maksymalne wartoci

Marek Radomski

17


18/57

napre zredukowanych (wg hipotezy Hubera-Misesa-Hencky'ego) nie przekraczały 95%granicy plastycznoci lub umownej granicy plastycznoci materiału, z którego wykonana jestlufa. Zatem przeci tnie maksymalne wartoci napre zredukowanych wahaj si wgranicach 800 do 1100MPa. W tym miejscu naley doda, e maksymalne wartoci naprezredukowanych przewanie zlokalizowane s w pobliu powierzchni przewodu lufy, w

obszarze uszczelnienia układu lufa - pocisk, co jest spowodowane wyst powaniem tzw.zginania walcowego lufy. Zagadnienie to analizował szczegółowo po raz pierwszy M. Huberw pracy [35]. Dokładna analiza rozkładu napre wyst puj cego w ciance lufy wymagazastosowania metod numerycznych. Zazwyczaj wykorzystuje si w tym celu metod elementów skoczonych.

W broni gwintowanej dodatkowym czynnikiem wpływaj cym na rozkład napre wciance lufy jest oddziaływanie piercienia wiod cego na boczne powierzchnie bruzd gwintu,które moe powodowa wyst pienie nacisku powierzchniowego dochodz cego do 345MPa.Wielko tych nacisków przewysza granic plastycznoci miedzi hutniczej i jest

porównywalna z wartoci wytrzymałoci na rozci ganie dla tego materiału. Ciepłowydzielaj ce si podczas tarcia piercienia wiod cego o powierzchni przewodu lufy moepowodowa nawet topnienie wierzchniej warstwy piercienia. Stopiony materiał piercieniawiod cego pełni wówczas rol smaru zmniejszaj cego siły tarcia.

Rónorodno zjawisk wyst puj cych podczas strzału i ich wzajemne współdziałaniesprawia, e erozja przewodu lufy jest bardzo złoonym procesem. I tak temperatura, do którejnagrzewa si materiał lufy, przewysza temperatury odpuszczania stali lufowych, jak równietemperatury, w których zachodzi przemiana martenzytyczna (ok.650oC). Te zmianytemperatury s powodem wyst powania zmian struktury materiału, znajduj cego si wcienkiej warstwie w pobliu wewn trznej powierzchni lufy. Zachodz wówczas przemiany

fazowe Feα ↔ Feγ oraz martenzyt ↔ austenit, jak równie dyfuzja w gla i azotu. Zmi kczonaw ten sposób warstwa stali charakteryzuje si drobniejszym ziarnem w stosunku do materiałuwyjciowego i w przyblieniu takim samym składem. Przemianom fazowym towarzysz zmiany g stoci, powoduj c lokalny wzrost napre i tworzenie si mikrop kni.Obserwuje si wówczas tzw. zm czenie cieplne materiału.

Przebieg reakcji chemicznych, zachodz cych na powierzchni przewodu lufy, zaleygłównie od składu mieszaniny gazów powybuchowych i jej temperatury.

Jeeli materiał miotaj cy charakteryzuje si dodatnim bilansem tlenowym i wysok temperatur wybuchu, a co za tym idzie i stosunkiem CO/CO2 równym ok. 1, to napowierzchni przewodu lufy poza austenitem wytwarza si take FeO, który ze wzgl du na

nisk temperatur topnienia jest wymywany przez mieszanin gazów powybuchowych. Napowierzchni przewodu tworz si wówczas charakterystyczne b belkowate wery.Natomiast, gdy materiał miotaj cy charakteryzuje si ujemnym bilansem tlenowym i

nisk temperatur wybuchu, a co za tym idzie i stosunkiem CO/CO2 równym ok. 2 do 3, toprzy powierzchni przewodu lufy wytwarza si zazwyczaj tzw. zewn trzna biała warstwa,która składa si z : cementytu Fe3C, zwi zków azotu Fe2Nx (epsilon) i Fe4N (gamma prim),ladowych iloci Fe3O4, austenitu szcz tkowego i martenzytu tetragonalnego.Przemieszczaj c si w gł b materiału lufy, obserwuje si czasami wewn trzn biał warstw .Wewn trzn biał warstw tworzy ustabilizowany austenit, który powstaje dzi kirozpuszczonym C i N. Dopiero pod wewn trzn biał warstw wyst puje warstwacharakteryzuj ca si zm czeniem cieplnym materiału.

Zewn trzna biała warstwa moe by w pewnych obszarach stapiana, gdy jejtemperatura topnienia wynosi 1100-1150°C i jest nisza od temperatury topnienia stali o

Marek Radomski

18


19/57

250-300°C. Dlatego te przepływaj ca z du pr dkoci mieszanina gazów powybuchowychmoe wymywa z powierzchni tej warstwy materiał z obszarów znajduj cych si w stanieciekłym lub "ciastowatym", szczególnie w przypadku wyst pienia nieszczelnoci w układzielufa - pocisk. Przyczyn nieszczelnoci jest nieprawidłowa współpraca piercienia wiod cegoz czciowo zuyt powierzchni przewodu lufy (zwi kszona chropowato powierzchni,

wzrost rednicy).Poza wymienionymi reakcjami chemicznymi, zachodz cymi na powierzchni

przewodu lufy, wyniki nowszych bada ujawniły wyst powanie innych reakcji chemicznych.Np. badania F.D. Richardson'a [36] i G. Belton'a [37] wykazały obecno par Fe(OH)2 wmieszaninie gazów powybuchowych. Ujawniony został take niekorzystny wpływ H2S napowierzchni przewodu lufy, który pojawia si w mieszaninie gazów powybuchowych, gdy

jako wzmacniacz (podsypka) stosowany jest proch czarny. Powstaj cy wówczas siarczekelaza, który charakteryzuje si relatywnie nisk temperatur topnienia, jest łatwo wymywanyprzez przepływaj ce gazy powybuchowe, co przyczynia si do tworzenia werów napowierzchni przewodu lufy.

Ponadto zauwaono, e materiały miotaj ce charakteryzuj ce si zblionymiwłaciwociami balistycznymi (temperatura wybuchu, siła prochu itd.), lecz róni ce si składem mieszaniny gazów powybuchowych, wpływaj w róny sposób na przebieg ipr dko procesu erozji lufy. Ujawniono np., e obecno nitroguanidyny w prochuprzyspiesza proces erozji [38]. Równie prochy zawieraj ce nitroaminy wykazuj cz stobardziej erozyjne działanie na przewód lufy, ni prochy nitrocelulozowe o zblionychwłaciwociach balistycznych.

Interesuj c analiz procesu erozji stali wykonał Alkidas z zespołem [39, 40 i 41]. Wkonkluzji autorzy stwierdzili, e na przebieg procesu erozji najwi kszy wpływ maj reakcjechemiczne elaza z poszczególnymi składnikami mieszaniny gazów powybuchowych. Wgnich najwi ksze znaczenie ma reakcja Fe + H2O, natomiast reakcje CO + Fe i CO2 + Fe

odgrywaj rol drugoplanow .

Podsumowuj c dotychczasowe rozwaania, mona stwierdzi, e proces erozji jestzjawiskiem bardzo złoonym i powinien by analizowany dla kadego przypadkuindywidualnie (patrz np. praca [42]). Jednak jak si wydaje najwaniejszym czynnikiemdecyduj cym o przebiegu zjawisk powoduj cych erozj lufy jest bez w tpienia temperaturamieszaniny gazów powybuchowych, gdy ma ona najwi kszy wpływ na przebieg : reakcjichemicznych, przemian fazowych stali oraz przebieg procesu dyfuzji.

2. WYBRANE SPOSOBY ZMNIEJSZANIA PRDKOCI EROZYJNEGO ZUYCIALUFY

2.1. WSTP

Omówiony w poprzednim punkcie mechanizm erozji pozwala doj do wniosku, egłównymi przyczynami tego procesu s :

a) wysoka temperatura i wysokie cinienie mieszaniny gazów powybuchowych;b) reakcje chemiczne materiału lufy ze składnikami mieszaniny gazów powybuchowych,

które s produktami reakcji rozkładu wybuchowego materiału miotaj cego, wzmacniaczy

(podsypek) i spłonki zapalaj cej;

Marek Radomski

19


20/57

c) współpraca piercienia wiod cego pocisku z powierzchni przewodu lufy (w przypadkubroni gwintowanej piercienia wiod cego z gwintem), w tym due odkształceniaplastyczne piercienia wiod cego w obszarze stoka przejciowego (wcinanie si piercienia wiod cego), topnienie powierzchni piercienia wiod cego i zwi zana z tymdyfuzja materiału piercienia w gł b cianki lufy oraz przepływ gazów powybuchowych

przez nieszczelnoci układu lufa - pocisk.

Zatem oczywistymi sposobami zmniejszenia pr dkoci erozji b d działania wnast puj cych kierunkach :

a) obnienia temperatury powierzchni przewodu lufy poprzez zmniejszenie strumienia ciepławnikaj cego do cianki lufy drog :

- obnienia temperatury mieszaniny gazów powybuchowych stosuj c materiałmiotaj cy charakteryzuj cy si nisz temperatur wybuchu T1;

- wytworzenia sztucznej warstwy przyciennej o małej przewodnoci cieplnej, która

wydatnie zmniejszy wypadkowy współczynnik przejmowania ciepła w wynikukonwekcji i promieniowania cieplnego αw (pasywna izolacja termiczna);- wytworzenia sztucznej warstwy przyciennej (warstwa ablacyjna), w której b d

zachodziły endotermiczne reakcje chemiczne lub przemiany fazowe pochłaniaj ceciepło (aktywna izolacja termiczna);

b) modyfikacji składu mieszaniny gazów powybuchowych, tak aby w jak najwi kszymstopniu ograniczy udział w niej składników aktywnych chemicznie lub zneutralizowaich szkodliwe oddziaływanie na materiał lufy (np. zastosowanie prochów mniejerozyjnych, unikanie podsypek z prochu czarnego, dodawanie do ładunku miotaj cegoskładników hamuj cych erozj );

c) poprawy współpracy piercienia wiod cego pocisku z powierzchni przewodu lufy,

szczególnie w obszarze stoka przejciowego, poprzez :- odpowiednie ukształtowanie piercienia wiod cego;- wykonanie piercienia wiod cego z materiału oboj tnego chemicznie i nie

dyfunduj cego w gł b materiału lufy, który jednoczenie zapewni uszczelnienieukładu lufa - pocisk;

- odpowiednie ukształtowanie zarysu gwintu i stosowanie gwintu o zmiennym skoku,gdy bro jest gwintowana;

d) stosowania na luf materiałów charakteryzuj cych si wi ksz odpornoci na erozj , wtym pokrywanie powierzchni przewodu lufy cienk warstw ochronn (np. chromowanieelektrolityczne) lub zastosowanie wkładki ochronnej w postaci rury cienkociennej, która

cz sto jest umieszczana jedynie w czci lufy, najbardziej naraonej na erozj (komoranabojowa i obszar w okolicach stoka przejciowego).Naley przy tym zaznaczy, e chc c skutecznie zwi kszy ywotno erozyjn lufy

naley przedsi bra szeroko zakrojone działania we wszystkich wymienionych kierunkach.

2.2. PROCHY O OBNIONEJ TEMPERATURZE WYBUCHU

Jak ju wspomniano obnienie temperatury powierzchni przewodu lufy moe byzrealizowane poprzez zastosowanie materiału miotaj cego charakteryzuj cego si nisz temperatur wybuchu T1. Jednak obnieniu temperatury wybuchu zazwyczaj towarzyszyzmniejszenie wartoci ciepła wybuchu Q1. Zatem uycie prochu tego typu wymaga zwykle

zwi kszenia masy ładunku miotaj cego tak, aby została zachowana na niezmienionympoziomie ilo energii dostarczana podczas strzału do układu. Naley przy tym liczy si z

Marek Radomski

20


21/57


22/57

(24)qw = −gradT w l T −T s ,

gdzie :λ - współczynnik przewodzenia ciepła warstwy przyciennej;Tw- pole temperatury w warstwie przyciennej;T - temperatura powierzchni warstwy przyciennej przylegaj cej do mieszaniny

gazów powybuchowych, która jest w przyblieniu równa temperaturze tejmieszaniny;

Ts - temperatura powierzchni warstwy przyciennej przylegaj cej do cianki lufy,która jest w przyblieniu równa temperaturze cianki;

δ - grubo warstwy przyciennej.

Z drugiej strony strumie ciepła qw okrela prawo Newtona :

(25)qw = w(T − T s).

Porównanie zalenoci (24) i (25) prowadzi do :

(26)w = .

Tak wi c wypadkowy współczynnik przejmowania ciepła w wyniku konwekcji ipromieniowania cieplnego αw mona zmniejszy powi kszaj c grubo warstwy przyciennejδ lub pomniejszaj c współczynnik przewodzenia ciepła tej warstwy λ.

W przypadku izolacji aktywnej w warstwie przyciennej w pobliu powierzchnistykaj cej si z mieszanin gazów powybuchowych zachodz endotermiczne reakcjechemiczne lub przemiany fazowe pochłaniaj ce ciepło. Warstwy izolacyjne tego typunazywane s take warstwami ablacyjnymi, za całokształt zjawisk zachodz cych w warstwieokrelany jest mianem ablacji.

Strumie ciepła przekazywany do cianki lufy qs okrela wówczas zaleno :

(27)qs = qg − C aua,gdzie :

qg - strumie ciepła dopływaj cy do warstwy ablacyjnej od mieszaniny gazówpowybuchowych;

ρ - g sto warstwy ablacyjnej;Ca - ciepło właciwe ablacji;ua - liniowa pr dko ablacji w kierunku normalnym do cianki lufy.

Efektywno warstwy ablacyjnej zaley w głównej mierze od jej g stoci ρ orazciepła właciwego ablacji Ca, które cechuje przemiany fazowe i reakcje chemicznecharakterystyczne dla danego materiału warstwy.

Prace nad izolacj termiczn powierzchni cianki lufy były prowadzone mi dzyinnymi w Wielkiej Brytanii i USA. W pracy [38] opisano badania izolacji termicznej w dziale

Mark N kal. 3 cale. Do bada uywano specjalnie elaborowanej amunicji. W celuwytworzenia laminarnej warstwy izolacyjnej podczas strzału, naboje były wyposaane w

Marek Radomski

22


23/57

pojemniki wykonane z polichlorku winylu, które zawierały po 110g oleju silikonowego olepkoci 600St. Pojemniki te były umieszczane w łusce tu za dnem pocisku, spełniaj c rol swego rodzaju przybitki. Dzi ki temu uzyskano zmniejszenie strumienia ciepła wnikaj cegodo cianki lufy podczas strzału o 30%. Sygnalizowano jednak wyst powanie powanychtrudnoci podczas strzelania w przypadku, gdy w czasie transportu amunicji pojemnik ulegał

uszkodzeniu i olej zwilał ładunek miotaj cy. W literaturze nie znaleziono doniesie owdroeniu tego typu izolacji termicznej.

W połowie lat pidziesi tych Dickenson i McLennon [43] zaproponowali uyciepianki poliuretanowej w celu wytworzenia warstwy ablacyjnej. Istot ich propozycji byłoumieszczenie w przedniej czci łuski, na jej wewn trznej powierzchni, cienkiej warstwypianki poliuretanowej. Realizowany w kolejnych latach program bada obejmował armatyczołgowe kal. 90, 105 i 120mm oraz armaty morskie kal. 6/47 i 16/55cala. Otrzymanewówczas wyniki dla armat czołgowych zebrał Ahmad [22] (patrz tablica 8).

Tablica 8. Wpływ zastosowania pianki poliuretanowej jako warstwy ablacyjnej na ywotnoerozyjn luf armat czołgowych wg [22]

7003001067373APTM358120

4002001478379APDSM392105

1900700914359APTM31890

Amunicja z izolacj termiczn

Amunicjastandardowa

ywotno erozyjna lufy [liczba strzałów]Pr dkopocz tkowa

[m/s]

Cinieniemaksymalne

[MPa]

Typ pociskuOznaczenienaboju

Kaliberarmaty[mm]

Oczywicie w kadym przypadku korygowano warunki ładowania (gatunek prochu,

masa ładunku miotaj cego, kształt i wymiary ziarna prochowego, itp.) tak, abyzrekompensowa zmiany g stoci ładowania spowodowane umieszczeniem pianki wkomorze ładunkowej. We wszystkich przypadkach ujawniono bardzo duy wpływ naywotno erozyjn lufy pocz tkowego połoenia warstwy pianki we wn trzu łuski. Ponadtobadania prowadzone w Kanadzie w dowiadczalnej armacie duej mocy ujawniły, e przyduych wartociach cinienia maksymalnego i pr dkoci pocz tkowej, wynosz cychodpowiednio 520MPa i 2688m/s, zastosowanie pianki poliuretanowej nie miało praktycznieadnego wpływu na ywotno lufy. Naley przypuszcza, e było to spowodowaneszczególnie duymi pr dkociami przepływu mieszaniny gazów powybuchowych wzdłuprzewodu lufy.

Na szczególn uwag zasługuje opatentowana przez Ek'a i Jacobson'a [44] w latachszedziesi tych warstwa ablacyjna, która była zbudowana w postaci wkładki umieszczanejna powierzchni łuski w pobliu dna pocisku, która była wykonana ze sztucznego jedwabiunas czonego mieszanin dwutlenku tytanu TiO2 (46%), wosku (53,5%) i dacronu (5%) jakolepiszcza. Do rozpuszczenia podanej mieszaniny wynalazcy uywali alkoholu stearylowego,którego zawarto w tak sporz dzonej wkładce wynosiła ok.1%. Ek i Jacobson proponowalitake wzbogacenie swojej mieszaniny ablacyjnej o WO3.

Szeroko zakrojony program bada z zastosowaniem nabojów zaopatrzonych wwarstw ablacyjn TiO2 /wosk przyniósł nad wyraz dobre wyniki. Zebrane przez Ahmad'a[22] wyniki zawiera tablica 9.

Marek Radomski

23


24/57

Tablica 9. Wpływ zastosowania warstwy ablacyjnej TiO2 /wosk na ywotno erozyjn luf wg [22]

2100700369M30XM119155 (hb)

1200375914M65175

17503504821143283HEAT-TM469120

100001)1002271478379APDS-TM392105

10001251281173400HEAT-TM456105

2100700170914359TP-TM35390

21002401131204366HEAT-TM43190

Amunicja z

izolacj termiczn

Amunicja

standardowa

ywotno erozyjna lufy[liczba strzałów]Masa

wkładki

ablacyjnej[g]

Pr dkopocz tkowa

[m/s]

Cinieniemaksymalne

[MPa]

Typ pociskuOznaczenienaboju

Kaliberarmaty

[mm]

1) Warto ekstrapolowana na podstawie zwi kszenia rednicy przewodu lufy/strzał.

Niestety w wielu przypadkach zastosowanie warstwy ablacyjnej TiO2 /wosk nie dałooczekiwanych wyników. Przykładem tego s dalekonone haubice : XM204 kal. 105mm,XM185 kal. 155mm i XM201 kal. 8cali oraz armata czołgowa M68 kal. 105mm strzelaj capociskiem typu APDS. W wymienionych przypadkach osi ganemu wzrostowi ywotnocierozyjnej lufy towarzyszył zwi kszony rozrzut balistyczny, którego parametry nie spełniaływymaga taktyczno-technicznych. Wydaje si , e główn przyczyn tego mogło byniedostateczne poznanie charakteru przepływów mieszaniny gazów powybuchowych iniespalonej czci ładunku miotaj cego, wyst puj cych podczas strzału w tych działach.

Prace nad izolacj termiczn powierzchni przewodu lufy s nadal kontynuowane ikoncentruj si w dwóch kierunkach, tj. modyfikacji składu masy ablacyjnej i programowaniacharakteru przepływu mieszaniny gazów powybuchowych i niespalonej czci ładunkumiotaj cego w przestrzeni zapociskowej w taki sposób, aby wytwarzana była ci głaprzycienna warstwa ablacyjna. W wyniku tych bada ustalono np., e uwodniony krzemianmagnezu (3MgO· 4SiO2· H2O), o cieple właciwym ablacji równym ok. 1260J/g, jest bardziejefektywny ni dwutlenek tytanu TiO2, którego ciepło właciwe ablacji wynosi jedynie ok.810J/g. Naley zatem przewidywa, e ablacyjne warstwy izolacji termicznej znajd corazszersze zastosowanie praktyczne.

2.4. POPRAWA WSPÓŁPRACY PIERCIENIA WIODCEGO Z POWIERZCHNIPRZEWODU LUFY

Jak ju wspomniano we wst pie poprawa współpracy piercienia wiod cego pocisku zpowierzchni przewodu lufy przyczynia si do zwi kszenia ywotnoci erozyjnej lufy. W tymmiejscu naley przypomnie, e głównymi zadaniami piercienia wiod cego s uszczelnienieukładu lufa - pocisk oraz nadanie pociskowi ruchu obrotowego w przypadku bronigwintowanej. Wiadomo take, e najbardziej niekorzystne warunki współpracy piercieniawiod cego z powierzchni przewodu lufy wyst puj podczas przetłaczania go przez stoekprzejciowy.

Dotychczas prowadzone prace koncentrowały si głównie w kierunku zmniejszenia

napre powstaj cych na skutek przetłaczania pocisku przez stoek przejciowy poprzezodpowiednie ukształtowanie piercienia wiod cego i zarysu gwintu oraz dobór materiału na

Marek Radomski

24


25/57

piercie wiod cy, który charakteryzowałby si odpowiedni wytrzymałoci i plastycznoci oraz był oboj tny chemicznie w stosunku do materiału lufy. Wprowadzono take gwint ozmiennym skoku. Zauwaono bowiem, e naciski na boczne powierzchnie bruzd s wprostproporcjonalne do cinienia wywieranego przez gazy powybuchowe na dno pocisku iodwrotnie proporcjonalne do skoku gwintu. Zatem logika nakazywała, aby w pocz tkowej

fazie ruchu pocisku, gdy cinienie osi ga najwi ksze wartoci, skok gwintu był równie duyi malał do wymaganej warunkiem stabilizacji pocz tkowej wartoci u wylotu lufy.

Pierwsze godne uwagi wyniki uzyskano w latach 1940-1945 wprowadzaj c pociskiwst pnie gwintowane lub pociski z wst pnie gwintowanym piercieniem wiod cym. Istotn wad tego rozwi zania jest konieczno jednoznacznego zorientowania połoenia pociskuwzgl dem gwintu lufy podczas ładowania broni.

Kolejnym osi gni ciem było szerokie zastosowanie przez Niemców spieków elazana piercienie wiod ce w okresie II Wojny wiatowej, Wprawdzie było to podyktowanegłównie niedoborami miedzi, lecz niejako przy okazji, ujawniono korzystny wpływ tegorozwi zania na ywotno erozyjn luf. Piercie ze spieków elaza ograniczał zuycie lufy

w obszarze stoka przejciowego, natomiast powi kszał w dalszej czci lufy. W sumie jednak uznano, e korzyci płyn ce ze stosowania piercieni wiod cych ze spieków elazaprzewyszaj wady i prace wdroeniowe w tym kierunku prowadzono take w WielkiejBrytani, Kanadzie i USA.

Pierwsze propozycje zastosowania tworzyw sztucznych na piercienie wiod cepojawiły si ju w okresie I Wojny wiatowej. Jednak realizacja tej koncepcji nast piładopiero w połowie lat pidziesi tych, gdy Butler [45] na zlecenie Marynarki Wojennej USA,po raz pierwszy uył nylonu w amunicji do działka kal. 20mm, charakteryzuj cego si pr dkoci pocz tkow pocisku 1042m/s. Prace te były kontynuowane w DeBell andRichardson Inc. oraz Philco Ford. Piercienie wiod ce z nylonu wykonywane s zazwyczajtechnologi formowania wtryskowego, a nast pnie spajane ze skorup pocisku za pomoc

ogrzewania indukcyjnego. Przykładowe właciwoci nylonu stosowanego przez firm PhilcoFord podano w tablicy 10.

Tablica 10. Właciwoci nylonu 6/12 stosowanego na piercieniewiod ce przez firm Philco Ford wg [22]

od 208 do 2169 x 10-5

Właciwoci fizyczneTemperatura topnienia [oC]

Współczynnik rozszerzalnoci liniowej [K-1]

60,759,3

Właciwoci mechaniczneWytrzymało na rozci ganie Rm [MPa]Wytrzymało na cinanie Rt [MPa]

WartoWielko

Jak si przypuszcza na polepszenie warunków współpracy tworzyw sztucznych zpowierzchni przewodu lufy, w stosunku do miedzi, maj wpływ nast puj ce czynniki :

- zmniejszenie napre w ciance lufy, powstaj cych w wyniku przetłaczanapiercienia wiod cego przez stoek przejciowy;

- relatywnie niska temperatura mi knienia powoduje powstawanie cienkiej warstwysmaruj cej i polepsza uszczelnienie układu lufa - pocisk;

- zmi kczony materiał piercienia rozkładaj c si pod wpływem wysokiej temperaturyspełnia rol ablacyjnej warstwy izoluj cej termicznie powierzchni przewodu lufy;

Marek Radomski

25


26/57

- w przypadku luf chromowanych, zmi kczony materiał piercienia wnika wmikrop kni cia i tym samym zabezpiecza materiał lufy przed bezporednimkontaktem z chemicznie aktywnymi składnikami mieszaniny gazówpowybuchowych

Naley przy tym doda, e w przypadku luf gwintowanych, szczególnie dla duychkalibrów, pełne wykorzystanie zalet piercieni wiod cych wykonanych z tworzyw sztucznychwymaga optymalizacji kształtu zarysu gwintu pod k tem minimalizacji naprewyst puj cych w piercieniu. Prace teoretyczno-dowiadczalne nad tym zagadnieniemprowadzili mi dzy innymi Healy i Haas [46]. Wykonana przez nich analiza rozkładunapre w piercieniu wiod cym metod elementów skoczonych doprowadziła doopracowania nowego zarysu gwintu, który był zbliony do zarysu niesymetrycznego gwintutrapezowego. Wyszo tego rozwi zania nad rozwi zaniem klasycznym potwierdziły wynikibada dowiadczalnych, otrzymane podczas strzela z armaty kal. 20mm pociskami M-56HE1, które były zaopatrzone w plastykowe piercienie wiod ce.

2.5. MATERIAŁY O PODWYSZONEJ ODPORNOCI NA EROZYJNE ZUYCIE,WKŁADKI I POKRYCIA OCHRONNE

Jak dot d stal lufowa jest najbardziej rozpowszechnionym materiałem stosowanym dowyrobu luf broni palnej. Właciwoci obecnie uywanych stali lufowych omówiono naprzykładzie amerykaskiej stali 4340 w punkcie 1.3. Rozwój artylerii lufowej przyczynił si do dramatycznego obnienia ywotnoci erozyjnej luf. Problem ten wyst puje ze szczególn ostroci w armatach czołgowych, których ywotno erozyjna lufy obniyła si do ok. 100strzałów podczas strzelania pociskami podkalibrowymi. Drugim typem dział naraonych nabardzo intensywne zuycie erozyjne lufy s małokalibrowe automatyczne armaty

przeciwlotnicze, gdy jedna seria z takiej armaty obejmuje od kilku do kilkudziesi ciuwystrzałów i stosunkowo szybko ulega wyczerpaniu resurs eksploatacyjny lufy.

Problem erozji luf przyczynił si zatem do podj cia prac maj cych na celuopracowanie nowych materiałów i nowych technologii wytwarzania luf, w tym pokrywaniapowierzchni przewodu lufy warstwami ochronnymi (np. chromowanie) i wykonywania luf zaopatrzonych w cienkocienne wkładki ochronne. Badania te pozwoliły take okreliwymagania stawiane materiałom przeznaczonym na lufy, cienkocienne wkładki ochronne ipowłoki ochronne, które zestawiono w tablicy 11 wg danych zawartych w pracy [22]. Pozawymienionymi w tablicy 11 wymaganiami, istotnymi czynnikami decyduj cymi o moliwocizastosowania w praktyce danego materiału s : dost pno surowców, łatwa i ekologiczna

technologia oraz niska cena.Warto w tym miejscu doda, e w ramach tych prac opracowano szeregekwiwalentnych metod badania odpornoci materiału na erozj , dzi ki czemu obnionokoszty bada poprzez ograniczenie liczby strzela (patrz np. praca [10]).

Najwczeniej opracowanym materiałem (lata 1940-1945) o podwyszonej odpornocina erozyjne zuycie był Stellit 21, który jest stopem kobaltu, chromu i wolframu. Stop tencharakteryzuje si bardzo wysok twardoci , któr zachowuje nawet po podgrzaniu dotemperatury 9000C. Niestety jego krucho sprawia, e moe by uywany jedynie na wkładkiochronne, za niska temperatura topnienia (1280°C) dodatkowo ogranicza jego zastosowanietylko ł cznie z prochami o temperaturze wybuchu nie przekraczaj cej 2800°C. W chwili

obecnej Stellit 21 nie ma wi kszego znaczenia praktycznego z uwagi na pojawienie si materiałów, w tym take stellitów, o lepszych właciwociach.

Marek Radomski

26


27/57

Tablica 11. Wymagania stawiane materiałom przeznaczonym na lufy, cienkocienne wkładkiochronne i powłoki ochronne wg [22]

wysoka > 1500oC

wysoka

porównywalny z modułemmateriału uytego na luf lub płaszcz (preferowany jest mniejszy lub równy)

wysoka

wysoka

wysoka

porównywalny ze współ-czynnikiem materiału uy-

tego na luf lub płaszcz

mały

małe

wysoka

brak

wysoka > 1500oC

wysoka

porównywalny z modułemmateriału uytego na luf lub płaszcz (preferowany jest mniejszy lub równy)

wysoka

wysoka

wysoka

porównywalny ze współ-czynnikiem materiału uy-

tego na luf lub płaszcz

mały

małe

wysoka

brak

wysoka > 1500oC

wysoka

duy

wysoka

wysoka

wysoka

mały

duy

due

wysoka

brak

Temperatura topnienia

Granica plastycznoci wpodwyszonych temperaturach

Moduł sprystoci

Odporno na kruche p kanie

Twardo w podwyszonychtemperaturach

Oboj tno chemiczna naoddziaływanie mieszaninygazów powybuchowych

Współczynnik rozszerzalnociliniowej

Współczynnik przewodzenia

ciepła

Ciepło właciwe

Oboj tno chemiczna naoddziaływanie materiałupiercienia wiod cego

Wyst powanie przemianfazowych

Powłoka ochronnaWkładka ochronnaLufa lub płaszcz wprzypadku lufy

wielowarstwowej

Przeznaczenie materiałuWielko

Chrom jest kolejnym znakomitym erozjoodpornym materiałem, ze wzgl du nawysok temperatur topnienia wynosz c 1800oC. Niestety jest materiałem bardzo kruchymw podwyszonych temperaturach - z tego te wzgl du uywany jest powszechnie jakoochronna powłoka galwaniczna. Powłoka taka charakteryzuje si znaczn odpornoci naerozj , jednak powstaj ce w niej z upływem czasu mikrop kni cia i łuszczenie si prowadz do erozji materiału podłoa. Problem ten narasta w przypadku, gdy warstwa chromu jest zbytcienka lub materiał podłoa jest zbyt mi kki. Wówczas, wczenie pojawiaj ca si siatkap kni w okolicach stoka przejciowego moe doprowadzi do przyspieszonego zuyciaerozyjnego lufy. ywotno erozyjna takiej lufy moe by nawet mniejsza od ywotnoci lufyniechromowanej. Przeciwdziała si temu poprzez azotowanie stali przed chromowaniem i

nakładanie warstwy chromu o gruboci od 5 do 10 µm.

Marek Radomski

27


28/57

Wraz z zakoczeniem II Wojny wiatowej zakoczono wiele programów badawczychmaj cych na celu opracowanie nowych materiałów erozjoodpornych. Przyczynił si do tego z

jednej strony brak zapotrzebowania na sprz t uzbrojenia, za z drugiej strony wprowadzenieablacyjnej izolacji termicznej (TiO2 /wosk), która w istotny sposób ograniczyła problemerozyjnego zuycia luf. Dopiero w latach szedziesi tych i siedemdziesi tych obserwuje si

powrót do tej problematyki. W okresie tym opracowano wiele stali wysokowytrzymałych ierozjoodpornych na bazie kobaltu, niklu, wolframu, tantalu, molibdenu i niobu, jak np. :

a) H10, H11 - stale stopowe narz dziowe do pracy na gor co;b) HS21, TZM, Nimonic90 - stale arowytrzymałe;c) Ta-10W, Ta-12W-l.0Re-0.25 C (ASTAR 1211) - stale aroodporne;d) Vascomax 250, Pyromet X-15 - stale typu maraging.

Stale te znalazły take szerokie zastosowanie cywilne. Sporód wymienionych stopów naszczególn uwag zasługuj stale maraging, których niektóre gatunki jak np. Pyromet X-15 s

jednoczenie aroodporne i arowytrzymałe. W tablicach 12, 13 i 14 zestawiono skład orazwłaciwoci mechaniczne i fizyczne stali maraging wg [47 i 48].

Tablica 12. Skład chemiczny rónych grup stali maraging (% wag.) wg [47 i 48]

Al 0,2Nb 0,5

0,2141880,03Typ 500

0,21015,5130,01Typ 400

Al 0,151,7412,5180,01Typ 350

Al 0,20,5-0,84,6-188,5-158-190,03N18K12M5T2JTyp 300

Al 0,1-0,9Nb 0,4Cu do 2

0,3-0,54,6-5,27-8,59-190,03N18K8M5TTyp 250

Al 0,05-0,150,15-0,253-3,58-917-190,03N18K8M3TTyp 200

InneTiMoCoNiCmaxPrzykład gatunkustali

Grupa stali

Tablica 13. Właciwoci mechaniczne stali maraging po starzeniu wg [47 i 48]

200622552072,722,68Typ 400

120594081922,502,47Typ 3502405445101901,991,96Typ 300

3505046121861,761,73Typ 250

6604545151801,461,45Typ 200

KV [kJ/m2]HRCZ[%]A [%]E [GPa]Rm [GPa]R0,2 [GPa]Grupa stali

W tym miejscu naley doda, e prace rozwojowe nad nowymi materiałamierozjoodpornymi obejmowały nie tylko opracowanie ich składu chemicznego, lecz takeopracowanie technologii ich wytopu i obróbki cieplnej oraz technologii wytwarzania luf.Zapewnienie wysokich i jednorodnych właciwoci wymienionych stali wymaga zazwyczajutrzymania jednorodnego składu chemicznego, mieszcz cego si przy tym w bardzo w skichgranicach tolerancji, odgazowania oraz obnienia stenia zanieczyszcze do poziomu

ladowego. Zatem stosowanie wytopu próniowego i obróbki cieplnej w atmosferzeochronnej lub w próni nie naley do rzadkoci. Wysoka cena tych materiałów sprawia, e s

Marek Radomski

28


29/57

one przewanie stosowane na cienkocienne wkładki ochronne. Dlatego te cz sto stosowana jest w produkcji luf technologia jednoczesnego wyciskania płaszcza ze stali lufowej i wkładkiz materiału erozjoodpornego lub nanoszenia powłoki ochronnej metod napawaniaplazmowego, czy platerowania.

Tablica 14. Właciwoci fizyczne stali maraging typu 250 po starzeniu wg [47]

289 - 1415J/kg/KCiepło właciwe

25,3 - 30,8W/m/KWspółczynnik przewodzenia ciepła

W zakresie temperaturod 25 do 425oC

10,2 x 10-6K-1Współczynnik rozszerzalnociliniowej

71,4GPaModuł Coulomba

8000kg/m3G sto

UwagiWartoJednostkaWłaciwo

Prace nad materiałami erozjoodpornymi obejmowały take badania materiałów takich, jak : cermetale, materiały ceramiczne zawieraj ce głównie Al2O3 i/lub Si3N4 oraz materiałyceramiczno-w glikowe zawieraj ce obok Al2O3 i/lub Si3N4 take w gliki metaliprzejciowych (patrz np. prace [49, 50 i 51]). Wymienione materiały charakteryzuj si bardzo dobr erozjoodpornoci i nisk cen . S natomiast bardzo kruche, co ogranicza ichzastosowanie tylko na wkładki ochronne, które musz by przy tym tak zamontowane w lufie,aby wytwarzany w nich rozkład napre zawsze odpowiadał stanowi wszechstronnegociskania.

Niejako osobn grup stanowi materiały przeznaczone jedynie na powłoki ochronne.O przydatnoci tego typu materiału decyduj głównie dwa czynniki, a mianowicie jego

temperatura topnienia, która powinna by wysza od 1500oC oraz moduł sprystoci,którego warto powinna by zbliona lub mniejsza do modułu sprystoci podłoa, którym

jest zazwyczaj stal lufowa. W tablicy 15 zestawiono właciwoci wybranych materiałów,które s aktualnie stosowane lub badano ich moliwo zastosowania na powłoki ochronne.Dla porównania w tablicy 15 zamieszczono take przeci tne wartoci stosownych wielkocidla stali lufowej.

Tablica 15. Właciwoci wybranych materiałów, które charakteryzuj si wysok temperatur topnienia

1222468Niob

1863000Tantal

2001450Stal lufowa

248 - 2901800Chrom

3102600Molibden

3803380Wolframponad 380ponad 2000Ceramika i w gliki

Moduł sprystoci [GPa]Temperatura topnienia [oC]Materiał

W materiałach, charakteryzuj cych si wi kszymi wartociami modułu sprystoci,ni materiał podłoa, wyst puj podczas strzału duo wysze naprenia ni w stali lufowej,która zazwyczaj stanowi podłoe. Wielko tych napre zaley take od gruboci warstwy

Marek Radomski

29


30/57

pokrycia. Niestety w przypadku wolframu i molibdenu nie udało si dotychczas opracowapowłok odpornych na p kanie podczas strzału. W przypadku molibdenu dodatkowymitrudnociami s : zapewnienie izotropowych właciwoci powłoki, gdy jest ona nakładanatechnologi platerowania oraz dua rónica pomi dzy współczynnikami rozszerzalnociliniowej molibdenu i stali. Z tej grupy materiałów obecnie jedynie chrom ma znaczenie

praktyczne, dzi ki temu, e wyst puj ce w galwanicznej powłoce chromu mikrop kni cia iwtr cenia obniaj moduł sprystoci tak, e jego warto jest zbliona do modułusprystoci stali lufowej.

Materiały, charakteryzuj ce si mniejszymi wartociami modułu sprystoci, nimateriał podłoa takie, jak niob, tantal i stopy tantalu, s w mniejszym stopniu erozjoodporneni uprzednio omówione materiały, ze wzgl du na ich nisz temperatur topnienia. Jednakmniejsze wartoci modułów sprystoci tych materiałów wpływaj korzystnie na rozkładnapre w powłoce ochronnej, dzi ki czemu utrudnione jest powstawanie mikrop kni wpowłoce. Tym samym materiały te traktowane s jako perspektywiczny kierunek rozwojupowłok ochronnych.

2.6. PROGNOZOWANIE ZUYCIA EROZYJNEGO LUFY

ywotno lufy odgrywa bardzo istotn rol ze wzgl dów taktycznych, logistycznychi ekonomicznych. Mona powiedzie, e koszt wykonania lufy rozkłada si na ilo strzałów,która moe by oddana w czasie resursu eksploatacyjnego lufy. Zatem szybkie zuycie lufypowi ksza koszt kadego strzału. Ponadto w miar zuywania si lufy zwi ksza si rozrzutbalistyczny, a co za tym idzie zmniejsza celno broni. W konsekwencji tego wykonanieokrelonego zadania bojowego wymaga wystrzelenia wi kszej liczby pocisków. Zwi ksza si zatem zapotrzebowanie na amunicj , któr trzeba wyprodukowa i dostarczy na stanowiskoogniowe. Zuyt luf naley wymieni, co nie zawsze jest moliwe w warunkach polowych.

Tote szybkie zuywanie si luf zwi ksza zadania słub remontowych i zaopatrzenia.Nic wi c dziwnego, e zagadnieniu zuycia luf powi cali od dawna wiele uwagi

zarówno konstruktorzy broni, jak te wojskowi. Wieloletnie dowiadczenia dowiodły, e oywotnoci lufy decyduje w przewaaj cej liczbie przypadków praktycznych jej ywotnoerozyjna. Uznano zatem, e umiej tno prognozowania zuycia erozyjnego lufy, a co za tymidzie i jej ywotnoci erozyjnej, b dzie przydatna z jednej strony do oceny aktualnego stanuzuycia lufy i stosownego korygowania procesu wycelowania działa, za z drugiej strony dookrelania jej resursu eksploatacyjnego. Wobec tego, badania omawianego zagadnienia maj na celu głównie :

1. Ustalenie pewnych norm zuycia lufy, które na podstawie wyników pomiarów okrelonychwielkoci fizycznych pozwalaj okreli stan zuycia lufy i skorelowa te normy zerednimi wartociami pr dkoci pocz tkowej pocisku oraz odchyleniamiprawdopodobnymi charakteryzuj cymi rozrzut balistyczny. Pierwsza z wymienionychzalenoci pozwala wprowadza poprawki na zuycie lufy podczas procesu wycelowaniadziała, natomiast druga skorygowa zapotrzebowanie na amunicj niezb dn dowykonania poszczególnych zada bojowych.

2. Opracowanie ogólnej zalenoci pozwalaj cej z zadan dokładnoci obliczy ywotnoerozyjn lufy projektowanego działa, na podstawie charakterystyk technicznych działa inaboju.

Marek Radomski

30


31/57

Niestety do chwili obecnej nie opracowano ogólnego modelu matematycznego, któryopisywałby proces erozji z zadawalaj c zgodnoci pragmatyczn . Wydaje si , e głównympowodem tego jest rónorodno i złoono zjawisk fizycznych i chemicznych b d cychprzyczyn erozji oraz dua liczba czynników maj cych wpływ na jej przebieg. Z tego tewzgl du osi gni cie wymienionych celów w kadym przypadku wymaga wykonania

indywidualnej analizy teoretyczno-dowiadczalnej procesów zachodz cych podczas strzału.Na tej podstawie opracowuje si dopiero poszukiwane zalenoci, przy czym zazwyczaj s towzory empiryczne, które nie wynikaj z ogólnych praw fizyki i chemii.

Jako wskanik zuycia lufy przyjmuje si zazwyczaj zmiany wymiarów jej przewodu.W tym celu w fazie przedprodukcyjnej (badania partii modelowej), podczas badapoligonowych okrela si np. zwi zki pomi dzy wzrostem rednic przewodu lufy, które s mierzone w okrelonych odległociach od przekroju wlotowego lufy, a redni pr dkoci pocz tkow pocisku sprowadzon do warunków tabelarycznych i parametramicharakteryzuj cymi rozrzut balistyczny. Pomiary rednic prowadzi si w obszarachnajbardziej naraonych na zuycie erozyjne, tj. w okolicy stoka przejciowego i wylotu lufy.

W przypadku luf gwintowanych rednice mierzy si zarówno na polach, jak i na bruzdach.Obserwowany przyrost rednic grupuje si i kadej grupie przypisuje norm zuycia lufy orazstosown poprawk na pr dko pocz tkow . Podczas tych bada okrela si take resurseksploatacyjny lufy, któremu odpowiada pewien graniczny wzrost mierzonych rednic.Resurs eksploatacyjny najczciej jest limitowany spadkiem o 10% pr dkoci pocz tkowej,sprowadzonej do warunków tabelarycznych. W okresie poprodukcyjnym (eksploatacji)działa, tak opracowane poprawki, s wprowadzane do systemu kierowania ogniem podczasokresowego przegl du lub zapisywane w protokole, gdy działo nie posiada swojego systemukierowania ogniem. Natomiast w przypadku ujawnienia podczas przegl du, e wzrost rednicosi gn ł sw graniczn warto, lufa jest wycofywana z dalszej eksploatacji.

W tym miejscu warto wspomnie, e w literaturze mona znale empiryczne wzory

przeznaczone do obliczania ywotnoci erozyjnej luf. Wzory te w chwili obecnej nie maj jednak wi kszego znaczenia praktycznego i mog by wykorzystywane jedynie do obliczeszacunkowych. Wynika to z faktu, e wzory te opracowano na podstawie bada konkretnychtypów dział, wykonanych z dost pnych wówczas gatunków stali lufowych, strzelaj c przytym nabojami zaopatrzonymi zazwyczaj w ładunek miotaj cy wykonany z prochunitrocelulozowego oraz pocisk z miedzianym piercieniem wiod cym. Zatem bł dem jestuogólnianie tych wzorów dla współczesnych stali lufowych i współczesnych nabojów, którecz sto wyposaone s w ładunek miotaj cy wykonany na bazie innego prochu ninitrocelulozowy, ablacyjn izolacj termiczn oraz pociski z piercieniem wiod cym ztworzywa sztucznego. Kilka takich wzorów przytacza Stetkiewicz w pracy [52] (wzory

Justrowa, Delage'a, Limtess'a i Artyleryjskiego Instytutu Naukowo-Badawczego, który byłzalecany przez Łarmana). W pracach [53 i 54] mona znale wzór Słuchockiego, któryokrela liczb strzałów N oddawanych ogniem pojedynczym, ograniczaj c resurseksploatacyjny lufy :

(28) N = k 1k 2k 3 D0

2−d 2

exp 0,0022 p0 d 10−3+0,002t 1

w+1

vw2 w

v1vw

2+

v2vw

2

,

gdzie :k1, k2, k3 - współczynniki zalene odpowiednio od : kalibru działa, pochylenia liniirubowej gwintu i gł bokoci bruzd (k1 wg tablicy w pracy [53] str. 490, natomiast k2i k3 s równe zazwyczaj 1);ρ - udarno materiału lufy [kGs2 /m4];

D0 - najwi ksza rednica piercienia wiod cego [mm];d - kaliber działa [mm];

Marek Radomski

31


32/57


33/57


34/57

3. WYTRZYMAŁO I YWOTNO LUF

3.1. PRZEGLD KONSTRUKCJI LUF

Z punktu widzenia konstrukcji, przyj ło si dzieli lufy na nast puj ce główne typy

(patrz np. prace [52, 54, 55 i 56]) :

a) jednolite, nazywane take monolitycznymi lub monoblokowymi;b) złoone, w tym take wzmocnione nawojem tamy lub drutu;c) koszulkowane (z wymienn wkładk );d) jednolite samowzmocnione, nazywane take przepranymi.

Na rys. 4 przedstawiono typowe rozwi zania konstrukcyjne zespołów luf działowychwraz z mechanizmami rygluj cymi :

a) dla haubicy, który jest przeznaczony do strzelania nabojami składanymi;b) dla armaty czołgowej, który jest przeznaczony do strzelania nabojami scalonymi.

Documents

Warunki Pracy Luf i Zwi Zane z Tym Zagadnienia Wytrzymało Ci i Ywotno Ci