MODELOWANIE INśYNIERSKIE ISSN 1896-771X 34, s. 23-28, Gliwice 2007 MODELOWANIE I BADANIE CHARAKTERYSTYK BALISTYCZNYCH POCISKÓW O OGRANICZONEJ PODATNOŚCI NA RYKOSZETOWANIE WOJCIECH FURMANEK, JÓZEF GACEK, RYSZARD WOŹNIAK Instytut Elektromechaniki, Wojskowa Akademia Techniczna e-mail: Wojciech.Furmanek@wat.edu.pl, Jozef.Gacek@wat.edu.pl, Ryszard.Wozniak@wat.edu.pl Streszczenie. W referacie przedstawiono zagadnienia związane z opracowaniem ćwiczebnej amunicji strzeleckiej kalibru 7,62 mm. Modelowanie zjawisk z zakresu balistyki wewnętrznej i zewnętrznej pozwoliło wyznaczyć poŝądane charakterystyki amunicji ćwiczebnej i zawęzić liczbę rozwiązań konstrukcyjnych, które mogłyby spełnić wymagania Wojska Polskiego na 7,62 mm naboje ćwiczebne. Badania modeli fizycznych tak opracowanej amunicji umoŝliwiły wybranie amunicji spełniającej te wymagania i weryfikację uproszczeń zastosowanych w modelach matematycznych. 1. WSTĘP W procesie indywidualnego szkolenia Ŝołnierzy i taktycznego zgrywania pododdziałów istotną rolę odgrywa trening strzelecki i wytworzone w czasie jego trwania nawyki. W tradycyjnym systemie szkolenia amunicją bojową, oprócz pełnego realizmu szkolenia, pojawia się powaŝny problem duŝej zdolności raŝenia tego typu amunicji. Przyjęte rozwiązania legislacyjne [5] skutkują koniecznością wyznaczania stref bezpieczeństwa o duŝych wymiarach, co wiąŝe się z ponoszeniem znacznych wydatków finansowych lub przejawia się zamykaniem obiektów strzelniczych. O skali problemu świadczy fakt, Ŝe w 2006 roku na 197 strzelnic garnizonowych 56 % (czyli ponad 110 obiektów) wymagało kosztownej modernizacji, a 33 % z nich (65 obiektów) z uwagi na zbyt duŝy zakres koniecznych do wykonania prac przeznaczonych zostało do likwidacji. Wychodząc naprzeciw tym problemom szkoleniowym, w Instytucie Elektromechaniki WAT podjęto działania, których celem było opracowanie m.in. amunicji ćwiczebnej kalibru 7,62 mm w trzech odmianach. Bazując na charakterystykach amunicji bojowej, naleŝało stworzyć naboje ćwiczebne, które cechowałyby się ponadtrzykrotnie mniejszą energią kinetyczną na odległości równej długości strzelnicy i ponaddwukrotnie mniejszym zasięgiem maksymalnym, wszystko przy zachowaniu wymaganej celności i skupienia. Zgodnie z przyjętymi załoŝeniami [6] róŝnica połoŝenia średnich punktów trafień dla amunicji bojowej i ćwiczebnej na odległości 100 m nie mogła być większa niŝ 80 mm, zaś promień skupienia R 50 na dystansie 300 m powinien być mniejszy niŝ 90 mm (dla kbk) i 120 mm (dla kb).
24 W.FURMANEK, J.GACEK, R.WOŹNIAK 2. MODELOWANIE I BADANIA Z ZAKRESU BALISTYKI WEWNTRZNEJ Na wstępie prace skupiły się na doborze prochu. W przypadku broni działającej na zasadzie odprowadzenia części gazów prochowych przez boczny otwór w lufie, istotna, z punktu widzenie działania automatyki broni, jest wielkość całkowitego impulsu ciśnienia gazów prochowych w komorze gazowej. Wielkość impulsu ciśnienia gazów prochowych w komorze nabojowej takiej broni decyduje o prędkości uzyskiwanej przez pocisk. Dla lekkich pocisków ćwiczebnych naleŝało dobrać proch, który zapewniałby jak najmniejszą prędkość wylotową (ta decyduje o wielkości jego energii i spełnieniu, lub nie, kryterium energetycznego) i jednocześnie właściwe działanie automatyki broni. Rozwiązując numerycznie równania dopływu gazów prochowych i ruchu pocisku w przewodzie lufy [3,4] zamodelowano zjawisko strzału z wykorzystaniem określonego typu prochu. Przeprowadzone symulacje dla krajowych prochów wykluczyły moŝliwość ich zastosowania na potrzeby amunicji ćwiczebnej (rys. 1). 350 300 250 pocisk ćwiczebny (proch DO83N) pocisk bojowy (proch DO83N) pocisk ćwiczebny (proch P-125) ciśnienie [MPa] 200 150 100 50 0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 długość lufy [m] Rys. 1. Wyniki modelowania procesu strzału dla naboju kalibru 7,62x51 mm z wykorzystaniem prochów dostępnych w kraju Dalsze modelowanie procesu strzału pozwoliło wyznaczyć przedziały charakterystyk prochów, które rokowałyby uzyskanie wymaganych charakterystyk pocisków oraz właściwego działania broni zasilanej tą amunicją. Dla tak określonych wymagań dokonano zakupu prochów z importu, a następnie poddano je badaniom w komorze manometrycznej. Po wyznaczeniu niezbędnych charakterystyk pozyskanych prochów przeprowadzono kolejne symulacje procesów strzału, które pozwoliły zawęzić obszar poszukiwania do kilku marek. Tak wybrane prochy poddano badaniom z wykorzystaniem broni (tabela 1). Tabela 1. Wybrane wyniki badań balistyki wewnętrznej amunicji kalibru 7,62x51 mm Charakterystyka naboju Prędkość V 25 śr [m/s] P wylot. [MPa] P max. śr. na stoŝku [MPa] P max. śr. w kanale gazowym [MPa] Całkowity impuls ciśnienia w lufie [%] Całkowity impuls ciśnienia w kanale gazowym [%] bojowy (m=9,5 g; m ład =0,33 g N340) 803,5 80,0 359,5 80,9 100,0 (54,0*) 100,0 (36,6) ćwiczebny (m=5,8 g; m ład. =2,88 g N530) 924,2 77,4 263,1 76,5 66,5 (36,3) 86,3 (19,7) ćwiczebny (m=2,6 g; m ład. =2,85 g Wufl) 1206,4 63,4 250,8 58,7 54,6 (27,2) 71,9 (16,4) * - procentowy udział w impulsie całkowitym od początku narastania ciśnienia do czasu wylotu pocisku z lufy
MODELOWANIE I BADANIE CHARAKTERYSTYK BALISTYCZNYCH POCISKÓW 25 Przeprowadzone strzelania potwierdziły wyniki symulacji i pozwoliły dobrać dla poszczególnych wzorów amunicji odpowiednie, dla lekkich pocisków ćwiczebnych, nawaŝki wytypowanych prochów (rys. 2). ciśnienie [MPa] 350 300 250 200 150 100 pocisk bojowy (komora nabojowa) pocisk bojowy (komora gazowa) pocisk ćwiczebny (komora nabojowa) pocisk ćwiczebny (komora gazowa) 8 6 4 2 0 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 czas [s] Rys. 2. Wyniki pomiarów ciśnień balistycznych dla 7,62 mm karabinu maszynowego PKT (nabój 7,62x54R mm) 3. MODELOWANIE I BADANIA Z ZAKRESU BALISTYKI ZEWNĘTRZNEJ Dla kilku mas pocisków i dla zaproponowanych ich kształtów, na podstawie odpowiednich zaleŝności [1,2], wyznaczono podstawowe charakterystyki aerodynamiczne, niezbędne do zamodelowania ich ruchu w atmosferze. Z uwagi na zwartość konstrukcji wszystkie pociski były traktowane jako bryły sztywne i przy modelowaniu zastosowano pełny przestrzenny zmodyfikowany układ równań ruchu. Symulacja toru lotu takiego pocisku sprowadzała się do określenia takiego jego kształtu i rozłoŝenia w jego obrębie masy, by tor lotu był jak najbardziej zbliŝony do trajektorii pocisku bojowego (rys. 3). Rys. 3. Tory lotu pocisków karabinowych kalibru 7,62x51 mm Uzyskane wyniki pozwoliły opracować kilka konstrukcji pocisków, które mogły uzyskać wyniki spełniające odpowiednie wymagania [6]. Wykonane modele poddano szczegółowym badaniom balistycznym z wykorzystaniem radiolokacyjnego zestawu balistycznego, które w znacznej części potwierdziły rezultaty uzyskane podczas symulacji. Opracowane pociski charakteryzowały się duŝym oporem w zakresie prędkości naddźwiękowych (rys. 4), dzięki czemu moŝliwe było spełnienie wymagań w zakresie wielkości energii kinetycznej [6]. Natomiast duŝa wartość współczynnika oporu czołowego pocisku przy prędkościach poniŝej 1
26 W.FURMANEK, J.GACEK, R.WOŹNIAK Ma miała istotny wpływ na zmniejszenie, w stosunku do amunicji bojowej, zasięgu maksymalnego. 0,64 0,60 0,56 0,52 0,48 C d 0,44 0,40 0,36 ball wersja A 0,32 wersja B wersja C 0,28 wersja E wersja F 0,24 wersja D 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 Rys. 4. Przebieg zmienności współczynnika siły oporu czołowego w funkcji liczby Macha dla róŝnych wersji pocisków ćwiczebnych naboju 7,62x51 mm (ball pocisk bojowy) Niestety, dalsze badania pokazały, Ŝe dopracowane pod względem balistyki zewnętrznej pociski (kształt części wierzchołkowej i zastosowane materiały) w rzeczywistych układach broni nie funkcjonują prawidłowo. Często, podczas dosyłania naboju, dochodziło do kolizji z elementami broni, co skutkowało licznymi zacięciami. RównieŜ podczas strzelania ogniem ciągłym uzyskiwano bardzo słabe skupienie pocisków u celu, co było z kolei skutkiem odkształcania się wierzchołków pocisków w fazie dynamicznego dosyłania naboju do komory nabojowej. Zakłócenie osiowej symetrii obrysu aerodynamicznego w takim przypadku skutkowało u celu niemoŝliwym do zaakceptowania rozrzutem pocisków. Kolejne modelowania ruchu pocisku w powietrzu przeprowadzono dla innych materiałów konstrukcyjnych i takich kształtów wierzchołków pocisków, które zapewniały właściwe dosyłanie do komory nabojowej. Z uwagi na uzyskane w badaniach niewielkie róŝnice w odchyleniach torów lotu dla róŝnych przebadanych pocisków (rys. 3) zrezygnowano z modelowania ich ruchu jako bryły sztywnej na korzyść symulacji ruchu pocisku traktowanego jako punkt materialny. Związane to było z tym, Ŝe dla pocisków ćwiczebnych, które dobrze stabilizowały się na torze lotu, na odległości 300 m odchylenie ich trajektorii od toru pocisku bojowego zawierało się w granicach 50 120 mm. Największe rozbieŝności związane były przede wszystkim z róŝnymi wysokościami torów lotu (rys. 5c). Takie uproszczenie wpłynęło znacząco na zmniejszenie czasochłonności pozyskiwania danych i skrócenie trwania procesu obliczeń, jednocześnie bez istotnego pogorszenia wiarygodności wyników. PowyŜsze zostało potwierdzone pomiarami kilkuset wystrzelonych nabojów. Przeprowadzenie szeregu symulacji umoŝliwiło uzyskanie oczekiwanych konstrukcji pocisków, które spełniały odpowiednie wymagania (rys. rys. 5a i 5b). W przypadku amunicji kalibru 7,62 mm był to proces długotrwały, poniewaŝ zaistniała tu konieczność uzyskania równocześnie kilku precyzyjnie nakreślonych, wzajemnie od siebie zaleŝnych i często wykluczających się, parametrów uŝytkowych. Na przykład poprawa skupienia i uzyskanie korzystnego pod względem aerodynamicznym kształtu pocisku prowadziła do trudności w dosyłaniu. Dobór kształtu pocisku umoŝliwiający właściwe zasilanie, pozwalający uzyskać wymaganą energię oraz skupienie, lecz niekorzystne rozłoŝenie masy w jego obrębie, skutkował brakiem wymaganej celności itd. Przeprowadzone, z wykorzystaniem radiolokacyjnego zestawu balistycznego, bardziej szczegółowe badania opracowanej amunicji Ma
MODELOWANIE I BADANIE CHARAKTERYSTYK BALISTYCZNYCH POCISKÓW 27 pozwoliły określić na poszczególnych odcinkach toru lotu prędkość (energię kinetyczną) pocisku (rys. 6a) i jego zasięg maksymalny. amunicja ćwiczebna 0,2 amunicja bojowa a) b) wysokość toru lotu pocisku [m] 0,0-0,2-0,4-0,6 tor lotu pocisku bojowego tor lotu pocisku nr 16 tor lotu pocisku nr 17 tor lotu pocisku nr 20 c) -0,8 0 50 100 150 200 250 300 droga pocisku [m] Rys. 5. Wyniki badań strzelaniem amunicją kalibru 7,62x54R mm na odległości 100 m (a) i 300 m (b) oraz wyniki symulacji ruchu pocisków tego kalibru do odległości 300 m (c) Ciągły pomiar prędkości po rykoszecie pozwolił dla róŝnych typów przegród i róŝnych warunków początkowych określić wielkość energii traconej przez pocisk podczas kontaktu z przegrodą oraz umoŝliwił określenie zmienności aerodynamicznego współczynnika oporu czołowego w funkcji liczby Macha dla poszczególnych rykoszetujących elementów pocisku. Znajomość zmian jego wartości pozwoliła przeprowadzić szereg symulacji zachowania się pocisków po rykoszecie dla dowolnych warunków początkowych, co ma bardzo istotne znaczenie w procesie wyznaczania stref zagroŝenia wokół strzelnic garnizonowych (rys. 6b). 700 600 500 400 300 200 a) b) 100 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Rys. 6. Zmiana prędkości pocisków (kolor czerwony - bojowy, niebieski - ćwiczebny) naboju kalibru 7,62x54R mm w funkcji drogi (a) oraz symulacja torów lotu pocisku ćwiczebnego odbitego (bez odkształcenia i utraty energii) na kulochwycie głównym strzelnicy (b)
28 W.FURMANEK, J.GACEK, R.WOŹNIAK 4. WNIOSKI Modelowanie zjawisk z zakresu balistyki wewnętrznej i zewnętrznej pozwoliło wyznaczyć podstawowe cechy obiektów (prochu, pocisków), które rokują spełnienie wymagań przedstawionych przez zamawiającego [6]. Dzięki temu skrócono czas opracowania modeli amunicji, a ich szczegółowe badania pozwoliły zweryfikować niektóre obliczone \ wyznaczone empirycznie charakterystyki i zastosowane w modelach uproszczenia. Podsumowując najwaŝniejsze aplikacyjne korzyści płynące ze zrealizowanej pracy, moŝna stwierdzić, Ŝe opracowana w wyniku modelowania symulacji i badań amunicja ćwiczebna pozwala na: zmniejszenie wielkości promienia strefy potencjalnego upadku pocisków w stosunku do dotychczas stosowanej amunicji są one co najmniej dwukrotnie mniejsze (1650 m) od odpowiadających im wielkości dla amunicji bojowej (5100 m); zmniejszenie na końcu długości osi strzelnicy energii kinetycznej pocisku czynnika decydującego o działaniu raŝącym amunicji strzeleckiej; w stosunku do pocisków bojowych udało się zmniejszyć energię kinetyczną ponadtrzykrotnie; wznowienie szkolenia na znacznej części istniejących, a obecnie zamkniętych strzelnic garnizonowych, na części funkcjonujących obiektów nawet bez konieczności ich modernizacji. LITERATURA 1. Gacek J.: Balistyka zewnętrzna. Część I: Modelowanie zjawisk balistyki zewnętrznej i dynamiki lotu. Warszawa : WAT, 1999. 2. Gacek J.: Balistyka zewnętrzna. Część II: Analiza dynamicznych właściwości obiektów w locie. Warszawa : WAT, 1999. 3. Summerfield M.: Interior Ballistics of Guns. AIAA, New York 1980. 4. Torecki S.: Balistyka wewnętrzna. Warszawa : WAT, 1980. 5. Rozporządzenie Ministra Obrony Narodowej z dnia 4 października 2001 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać strzelnice garnizonowe oraz ich usytuowanie, Dz.U. nr 132 z dn. 19.11.2001 r., poz. 1479. 6. ZałoŜenia taktyczno-techniczne na naboje strzeleckie o ograniczonym rykoszetowaniu, DPZ MON, Warszawa 2003. MODELLING AND BALLISTIC RESEARCHES OF REDUCED RICOCHET RISK BULLETS Summary. Results of works on Polish 7,62 mm training ammunition were presented in this paper. Simulation of internal, external and terminal ballistics helped to get final construction of bullets. Solution of interior ballistics problem gets main gauge muzzle velocity to determine exterior ballistics of training bullet. Modelling of bullet movement in atmosphere let to receive fulfilment of requirements of Polish Army: reduce energy of bullet at distance more then 300 m, reduce maximum range of training ammunition and reduce danger zone after ricochet. Investigations with Doppler ballistic set DR5000 helped to get data to simulation and define behaviour training bullets after hit in different targets (various conditions of hit and various materials).