gr inż. Robert KASZEWSKI jr dr inż. Rafał BAZELA Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia WARUNKI BEZPIECZEŃSTWA I NIEZAWODNEGO UZBRAJANIA SIĘ NOWOPRACOWYWANYCH ZAPALNIKÓW DO AMUNICJI WY- STRZELIWANEJ ZE 10 MM MOŹDZIERZA SAMOBIEŻNEGO RAK Streszczenie: W artykule przedstawiono koncepcję nowego echanizu zabezpieczającouzbrajającego do zapalników przeznaczonych do uzbrajania aunicji wystrzeliwanej ze 10 oździerzy saobieżnych RAK. Ponadto podano kryteria bezpieczeństwa i niezawodnego uzbrajania się, które usi spełnić nowoopracowany zapalnik. W artykule przedstawiono również analizę uzbrajania się zapalnika w warunkach dynaicznych (wystrzał i lot pocisku). Słowa kluczowe: zapalnik, echaniz zabezpieczająco-uzbrajający, oździerz. SAFETY AND ARMING CONDITIONS OF THE NEWLY DEVELOPED FUSES FOR THE AMMUNITION FIRED FROM THE RAK 10 MM SELF-PROPELLED MORTAR Abstract: In the paper the conception of a new safety and aring device for fuses was presented. The fuses are designed for the aunition fired fro the RAK 10 self-propelled ortar. The basic criteria of safety and aring that the newly developed fuse has to fulfill were described. The paper also presents the dynaical analysis of fuse aring process. Keywords: fuse, safety and aring device, ortar. 1. Wstęp Zapalniki, jako urządzenia inicjujące zadziałanie pocisku uszą spełniać wysokie wyagania bezpieczeństwa. Powinny posiadać, co najniej dwa rozdzielne funkcjonalnie zabezpieczenia chroniące przed niezaierzony uzbrojenie i przynajniej jedno z nich usi zapewniać osiągnięcie bezpiecznej odległości uzbrojenia od stanowiska ogniowego [1]. W celu zapewnienia bezpieczeństwa w stanie nieuzbrojony oraz w celu uzbrajania zapalników stosuje się echaniz zabezpieczająco-uzbrajający. Urządzenia te ają na celu zapobieganie uzbrojeniu się zapalnika do chwili spełnienia szeregu warunków i następnie uożliwienie zadziałania pocisku. Urządzenia te wykorzystują zjawiska fizyczne występujące podczas strzału i na torze lotu. Zaliczay do nich []: - przyśpieszenie poosiowe (siła bezwładności) podczas ruchu pocisku w lufie, - przyśpieszenie poosiowe (siła bezwładności) na aktywny odcinku toru lotu, - prędkość obrotowa (siła odśrodkowa) podczas ruchu pocisku w lufie i na torze lotu, - ciśnienie atosferyczne, 33
- opóźnienie wywołane opore powietrza na torze lotu (siły nabiegania), - ciśnienie gazów prochowych w koorze nabojowej, - ciśnienie robocze w koorze silnika rakietowego, - stan nieważkości (przyśpieszenie wynoszące 0), - działania podjęte w celu użycia (iotania) aunicji.. Koncepcja echanizu zabezpieczająco-uzbrajającego (MZU) Budowa MZU oparta jest na konstrukcji zapalnika RGM-. Nowoopracowany zapalnik wyposażony jest w bezwładnikowy MZU z bezpiecznikie sprężynowy. Rysunek (Rys.1) przedstawia MZU zapalnika. Rys. 1. MZU zapalnika. 1-sprężyna, -bezwładnik, 3-kulka blokująca rygiel, 4-rygiel, 5-oś obrotu obsady spłonki, 6-obsada spłonki, 7-sprężyna rygla. Zasada działania echanizu jest następująca. Kulka stalowa (3) unieożliwia ruch rygla (4) przesunąć się w górę, a ty say nie pozwala na obrót obsady spłonki (6) do pozycji uzbrojony. Pod działanie siły bezwładności działającej w czasie strzału, bezwładnik (), pokonując opór sprężyny (1), przesuwa się w dół, co uożliwia stalowej kulce (3) przeieszczenie się z otworu, w który porusza się rygiel do przestrzeni ponad bezwładnikie. Po wylocie pocisku z lufy, gdy zienia się układ sił działających na zapalnik, bezwładnik oże powrócić do swojej pierwotnej pozycji. Brak blokującej kulki w koorze rygla pozwala na ruch rygla do góry pod działanie sprężyny rygla (7), co uożliwia obrót obsady spłonki do pozycji uzbrojony. Sztywność sprężyn jest tak dobrana, aby rygiel podniósł się szybciej niż bezwładnik. Zabezpiecza to przed ponowny zablokowanie rygla przez kulkę. Przyjęto, następujące kryteriu bezpieczeństwa i niezawodnego uzbrojenia [3]: R 1500 sp g k 3 1 F 3 aks g (1), gdzie: F aks aksyalna siła działająca na bezwładnik w czasie strzału, 34
g k 1 R sp asa, przyspieszenie zieskie, współczynnik przyśpieszenia liniowego, siła sprężyny w oencie, gdy bezwładnik znajduje się w pozycji uożliwiającej przeieszczenie się kulki zabezpieczającej. Powyższe warunki obowiązują dla bezwładnikowych echanizów zabezpieczającouzbrajających z bezpiecznikie sprężynowy. Aby spełnić kryteriu bezpieczeństwa i niezawodnego uzbrajania się, bezwładnik i sprężyna zabezpieczająca powinny być tak dobrane żeby powyższy układ nierówności był prawdziwy 3. Kryteriu uzbrajania się zapalnika Kryteriu uzbrajania (1) ożna zapisać w następującej forie: Rsp Faks paks d k1 g 3 3 g 3 poc g 4 () gdzie: p aks poc d aksyalne ciśnienie gazów prochowych (dla najniejszego przewidywanego do stosowania ładunku), całkowita asa pocisku, kaliber pocisku. Dla aunicji przeznaczonej do 10 saobieżnego oździerza RAK, w celu uzyskania wyaganych donośności, przewiduje się zastosowanie czterech lub pięciu ładunków iotających. Powinny one zapewnić uzyskanie prędkości początkowych pocisków od 180 /s do 450 /s. Krytyczne warunki uzbrajania się zapalnika występują przy strzelaniu ładunkie najniejszy (ładunkie pierwszy). Maksyalne ciśnienie gazów prochowych dla tego ładunku wynosi p aks = 8 MPa. Podstawiając do równania () następujące wartości: p aks = 8 MPa; poc = 15,5 kg; g = 9,81 /s ; d = 10 ; otrzyay: Rsp 8 [MPa] (0, 1 [] ) g 3 15,5 [kg] 9,81[/s ] 4 1388,9 (3) Sztywność sprężyny została dobrana tak, aby wypełnić kryteriu niezawodnego uzbrajania. Stosunek siły sprężyny do ciężaru wynosi: R sp g k luz g 53 (4) 35
Występujące we wzorze, a nie opisane wcześniej sybole oznaczają: k = 1,856 N/ sztywność sprężyny; l uz = 6,15 inialne ugięcie sprężyny konieczne do uzbrojenia się echanizu, odpowiadające przesunięciu się o wielkość równą średnicy kulki. 4. Analiza uzbrajania się zapalnika w warunkach dynaicznych W celu sprawdzenia czy MZU uzbroi się przy strzelaniu na najniejszy ładunku przeprowadzono obliczenia. Równania ruchu eleentów zapalnika zostały wyprowadzone dla odelu przedstawionego na Rys. 3 i Rys. 4. S R R Y k R X a(t) Rys.. Model dynaiczny układu bezwładnik-sprężyna-korpus. y A' x A'' z y A x A A a(t) Rys. 3. Przyjęty układ współrzędnych. 36
Przedstawione na rysunkach eleenty reprezentują odpowiednio: równia pochyła - korpus zapalnika, prostokąt bezwładnik. Kąt nachylenia równi pochyłej (α) odpowiada nachyleniu linii rowka w bezwładniku. Na korpus zapalnika działa zadane przyspieszenie a(t). Bezwładnik połączony jest z podstawą (korpus zapalnika) za poocą sprężyny. Ściskanie lub rozciąganie sprężyny jest zgodne z ruchai podstawy oraz. Równania ruchu zostały wyprowadzone bez uwzględnienia sił tarcia. Obliczenia przeprowadzono w systeie MathCAD. Funkcję a(t) wyznaczono na podstawie rzeczywistego przebiegu ciśnienia gazów prochowych w lufie zarejestrowanego w czasie badań poligonowych oździerza saobieżnego RAK, przy strzelaniu na najniejszy ładunku. Przebieg zarejestrowanego ciśnienia przedstawiono na rysunku Rys. 4. p(t) [MPa] 30 4 18 p1 gp ( tx) 1 6 0 5 0 5 10 15 0 Rys. 4. Przebieg ciśnienia w lufie zarejestrowany w czasie prób poligonowych saobieżnego oździerza RAK. Ładunek najniejszy. Układ równań opisujący ruch : tx t [s] y z x tg( ) y'' a( t) x'' tg( ) z'' a( t) x'' R sin( ) y'' R cos( ) k z y s 0 (5) gdzie: x, y współrzędne przeieszczenia, z współrzędna pionowa przeieszczenia korpusu zapalnika, a(t) wyuszone przyśpieszenie korpusu zapalnika, asa, R siła reakcji podstawy (korpusu zapalnika) na bezwładnik, k sztywność sprężyny, s 0 wstępne napięcie sprężyny, α kąt nachylenia rowka prowadzącego. Należy zaznaczyć, że powyższy układ równań odpowiada stanowi, gdy bezwładnik przeieści się względe korpusu i siła sprężyny, ani jej część, nie będzie równoważona przez siłę reakcji korpusu.. W chwili rozpoczęcia wystrzału, gdy wartość przyśpieszenia działającego na zapalnik jest ała bezwładnik porusza się raze z korpuse zapalnika. Przeieszczenia i korpusu są jednakowe. Bezwładnik doznaje przyśpieszenia pod wpływe 37
działania siły reakcji korpusu oraz siły działania sprężyny. Część siły sprężyny jest równoważona przez siłę reakcji korpusu, która działa na bezwładnik za pośrednictwe kulki blokującej rygiel. Układ sił działających na bezwładnik jest taki, że siła wypadkowa nadaje bezwładnikowi przyśpieszenie równe co do wartości przyśpieszeniu korpusu. Gdy ciśnienie gazów prochowych wzrośnie i siły bezwładności przewyższą siłę napięcia sprężyny, rozpoczyna się ruch względe korpusu zapalnika. Efekt ten został uwzględniony w czasie wykonywania obliczeń w systeie MathCAD. W czasie ruchu pocisku w lufie prędkość względe korpusu zapalnika rośnie. Dzieje się tak aż do chwili, gdy kołek prowadzący osiągnie położenie, w który zienia się kierunek rowka prowadzącego w bezwładniku. Następuje w tedy zatrzyanie względe korpusu zapalnika i wyrównanie ich prędkości liniowych. Na kolejny odcinku sytuacja się powtarza. Ostatecznie bezwładnik osiąga swoją dolną pozycję względe korpusu zapalnika. Całkowite uzbrojenie zapalnika następuje na torze lotu pocisku, ale oente krytyczny jest chwila, w której kulka zabezpieczająca zostanie wypchnięta z otworu rygla blokującego obrót obsady spłonki. Trudno dokładnie ocenić, w który oencie a to iejsce. Można natoiast jednoznacznie określić, w jaki położeniu względe korpusu zapalnika oże to wystąpić. Nastąpi to gdy przeieszczenie wyniesie,5 i będzie równe średnicy kulki, gdyż taki warunek uzbrojenia został przyjęty. W tabeli zostały przedstawione uzyskane wyniki obliczeń. Etap Czas Prze. zapalnika Prze. Prze. względne Prędkość zapalnika Prędkość t z y dy=z-y Vz Vy [s] [] [] [] [/s] [/s] 1 1.8 5.37 4.57 0.8 8.67 6.83.674 16.80 14.70.1 18.87 15.53 3 3.069 5.44.94.5 5.01.93 Uwagi I zatrzyanie II zatrzyanie ożliwość uzbrojenia się 4 y wz [] 3 1 I zatrzyanie II zatrzyanie ożliwość uzbrojenia 0 0 0.5 1 1.5.5 3 3.5 t [s] Rys. 5. Przeieszczenie względne (y WZ ), przeieszczenie względe korpusu zapalnika 38
5 4 II zatrzyanie V wz [/s] 3 I zatrzyanie 1 0 0 0.5 1 1.5.5 3 3.5 Rys. 6. Prędkość względna (V WZ ), prędkość względe korpusu zapalnika Obliczenia przeprowadzono dla odelu nie uwzględniającego sił tarcia. Wskazują one jednak na istnienie dużego zapasu niezawodności uzbrojenia się i pozwalają stwierdzić, że konstrukcja echanizu ZU zapewnia uzbrojenie się zapalnika w czasie strzału na najniejszy ładunku. Bezpieczeństwo zapalnika t [s] W poprzedni punkcie obliczono współczynnik bezpieczeństwa wyrażony jako stosunek siły reakcji sprężyny do ciężaru. Jego wartość wynosi 53, a po uwzględnieniu sił tarcia wzrasta do wartości około 680. Są one jednak znacznie niejsze od wyaganej wartości 1500, przyjętej na drodze doświadczeń za bezpieczną dla echanizów bezwładnikowych ze sprężyną jako bezpiecznikie. R sp g 53 1500 (6) Warunek nie został spełniony. Co więcej, jednoczesne spełnienie kryteriu niezawodności uzbrajania i bezpieczeństwa nie jest ożliwe. Dotyczy to jednak odelu uproszczonego, sprężyna-bezwładnik bez rowka prowadzącego i nie dyskwalifikuje konstrukcji. Uznano, że sztywność sprężyny jest za ała. W celu spełnienia warunku bezpieczeństwa zapalnika, został wprowadzony dodatkowy eleent ograniczający ruch. W zapalniku zastosowano echaniz zabezpieczająco-uzbrajający z prowadzony bezwładnikie. Połączony na stale z korpuse zapalnika kołek oże się poruszać wewnątrz zygzakowato wyciętego w bezwładniku rowka prowadzącego. Kołek wyusza określony ruch i gdy osiąga położenie, w który kierunek nacięcia rowka zienia się, wyhaowywuje bezwładnik. Wyiary eleentów są tak dobrane aby zapewnić dwukrotne zatrzyanie do oentu osiągnięcia przez bezwładnik położenia, w który kulka blokująca rygiel oże wypaść. 39
Rys. 7. Wzajene położenie i kołka prowadzącego po zontowaniu zapalnika Podsuowując, zastosowanie konstrukcji echanizu zabezpieczająco-uzbrajającego z bezwładnikie z ruche wyuszony zapewnia spełnienie wyaganego warunku bezpieczeństwa użytkowania zapalnika. 5. Podsuowanie Przedstawiona w artykule analiza procesu uzbrajania się MZU w warunkach dynaicznych (podczas wystrzału) pozwala stwierdzić, że wybrane rozwiązania konstrukcyjne zapewnią wyaganą niezawodność uzbrajania się i odpowiedni stopień bezpieczeństwa zapalnika przy strzelaniu na wszystkich ładunkach. Przed zastosowanie nowoopracowanych zapalników w aunicji do 10 saobieżnego oździerza RAK należy sforułowaną w ty artykule ocenę niezawodności i bezpieczeństwa zapalnika potwierdzić w praktyce poprzez przeprowadzenie badań na rzeczywistych zapalnikach. Literatura [1] NO-13-A001: 010, Aunicja i jej części składowe Zapalniki Terinologia [] NO-13-A33: 006, Systey zapalnikowe Zapewnienie bezpieczeństwa Wyagania konstrukcyjne [3] Wasiliewa M., Teoria projektowania zapalników, Wydawnictwo MON, Warszawa, 1955 40