Научно-производственная фирма "ИМКАС"

Глушитель звука выстрела стрелкового оружия с использованием эффекта сверхзвуковой резонансной трубы

Н.А. КОНОВАЛОВ, О.В. ПИЛИПЕНКО, А.Д. СКОРИК, В.И. КОВАЛЕНКО

В статье приведена информация о разработке авторами надульного глушителя звука выстрела стрелкового оружия расширительного типа с коническими перегородками и использованием эффекта преобразования энергии сверхзвукового потока газа в тепловую при втекании его в цилиндрическую, коническую или ступенчатую полости. Даны сведения об основных результатах исследований этого явления и предпосылках его использования в работе авторов. Выбраны основные геометрические соотношения элементов глушителя, образующих резонансную трубу. Приведена расчетная схема глушителя и дано описание его конструкции и работы. Приведены основные характеристики разработанного глушителя и показаны его преимущества по сравнению с ранее созданными. Даны сведения об изготовлении и испытаниях глушителя предложенной конструкции и заключение о том, что впервые разработан, изготовлен и прошел натурные испытания глушитель звука выстрела стрелкового оружия с использованием эффекта преобразования энергии потока пороховых газов в тепловую в сверхзвуковой резонансной трубе.

Введение

Наибольшее распространение получили надульные глушители звука выстрела стрелкового оружия расширительного типа с коническими перегородочными элементами [1, 2], как имеющие эффективную и простую конструктивную схему, обеспечивающую лучшее сочетание их основных характеристик.

Для повышения эффективности снижения уровня звука выстрела такими глушителями используется ряд физических явлений, сопровождающих импульсное сверхзвуковое течение высокотемпературных пороховых газов выстрела и улучшающих степень преобразования их энергии в тепловую.

Многообещающее, но ранее не используемое в конструкции глушителей для повышения эффективности снижения уровня звука выстрела (редуцирования) явление – преобразование энергии сверхзвукового потока газа в тепловую  при его втекании в цилиндрическую (коническую, ступенчатую) глухую или с отверстием в дне полости трубу Гартмана–Шпренгера (Hartmann–Sprenger), особенности и закономерности которого описаны, в частности, в работах [3 – 15].

Это явление использовано в ряде устройств для преобразования энергии сверхзвукового потока газа в тепловую (в основном предназначенных для зажигания горючих смесей) [9, 11, 16 – 20].

Целью настоящей работы было создание конструкции глушителя звука выстрела стрелкового оружия, имеющего лучшее по сравнению с существующими сочетание эффективности и габаритно-массовых характеристик путем использования упомянутого эффекта преобразования энергии потока пороховых газов.

В основу разработки были положены выводы об оптимальных геометрических соотношениях элементов трубы Гартмана–Шпренгера как преобразователя энергии сверхзвукового потока газа в тепловую, изложенные в [3 – 15, 18], и конструктивные особенности глушителей звука выстрела стрелкового оружия расширительного типа с коническими перегородочными элементами [1, 2].

Конструкция глушителя с коническими перегородочными элементами была дополнена изменением конструкции  проставочных тонкостенных оболочек – выполнением их не цилиндрическими, а коническими с геометрическими характеристиками, обеспечивающими образование в полости глушителя профиля конической резонансной трубы с оптимальными соотношениями геометрических параметров, которые выбраны по результатам теоретических и экспериментальных исследований [3 – 20].

Разработка конструкции прибора снижения звука выстрела

Руководствуясь этими соображениями и указанными результатами, авторы разработали конструкцию прибора снижения звука выстрела (ПСУЗВ), получившую индекс ПСУЗВ 16М.12-7,62. Схема устройства и конструктивная этого глушителя приведены на рис. 1 и рис. 2.

авторы разработали конструкцию прибора снижения звука выстрела (ПСУЗВ)
Рис. 1

На рис.1:
А – входная цилиндрическая часть глушителя (резонансной трубы);
Б – коническая часть глушителя;
В – цилиндрическая промежуточная часть глушителя;
Г – конечная цилиндрическая часть глушителя;
Д – коническо-цилиндрическая оболочка фокусирования газового потока;
l – длина внутренней полости корпуса глушителя;
d3 – внутренний диаметр корпуса глушителя – максимальный диаметр конусной тонкостенной осесимметричной оболочки во второй расширительной камере;
θ – угол наклона образующих конусных поверхностей тонкостенных осесимметричных оболочек во второй и третьей расширительных камерах к продольной оси глушителя;
l1 – длина тонкостенной осесимметричной цилиндрической оболочки в четвертой расширительной камере;
d1 – минимальный диаметр тонкостенной осесимметричной конической оболочки в третьей расширительной камере – внутренний диаметр тонкостенной осесимметричной цилиндрической оболочки в четвертой расширительной камере;
l2 – длина конечной расширительной камеры;
d2 – внутренний диаметр тонкостенной осесимметричной цилиндрической оболочки в конечной расширительной камере;
l0 – длина первой расширительной камеры, равная

длина первой расширительной камеры глушителя уровня звука выстрела стрелкового оружия

Относительное повышение температуры, которое дает представление о нагреве неподвижного газа при прохождении по нему ударной волны со скоростью М1, описывается выражением [9]:

повышение температуры, которое дает представление о нагреве неподвижного газа при прохождении по нему ударной волны со скоростью

где Т1 – температура неподвижного газа перед ударной волной,
Т– начальная температура газа за ударной волной,
Т102 – температура торможения газа после ударной волны,
М1 – скорость движения ударной волны относительно неподвижного газа,
k – показатель адиабаты.

Эксперименты показали, что размеры и конструкция резонансной трубы имеют решающее значение для  повышения температуры газа в ее концевой области.

Если резонатор выполнен в виде цилиндра постоянного радиуса, то температура нагрева будет выше 400°С, а при угле конусности θ = 3° – 4° температура нагрева достигает максимальных значений [9].

При прочих равных условиях наибольший нагрев реализуется в полости с углом θ = 3,5° и достигает ~ 1200°С [7].

Исходя из этого и особенностей конструкции глушителей звука выстрела для наиболее распространенных образцов стрелкового оружия, для конических осесимметрических тонкостенных проставочных оболочек во второй и третьей расширительных камерах выбран угол наклона образующих к продольной оси глушителя θ = 3,5° – 4°.

Для эффективного нагрева газа важное значение имеет соотношение диаметров входа и выхода в конической части резонансной трубы (d3/d1). Установлено, что чем больше это соотношение, тем выше температура нагрева газа в конечной части резонатора [7].

Для глушителей звука выстрела с учетом особенностей их конструкций это соотношение составляет d3/d= 2,5 ¸ 3,0, а отношение длины l1 к диаметру d1  l1/d= 1,8 ÷ 2,1.

Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований и параметрических расчетов течения газа, в которых варьировались размеры, состав и форма резонансной трубы [8], показал, что для интенсификации процесса преобразования энергии потока в тепловую и увеличения его температурного нагрева эффективно использование фокусирования ударных волн на вогнутой поверхности в торце канала.

В этом случае возможно в некоторой точке оси симметрии, которая будет газодинамическим фокусом нагревателя, получить температуру, существенно превышающую температуру торможения набегающего потока [12].

При дифракции ударной волны на вогнутой поверхности, за отошедшей ударной волной появляются продольно ориентированные волны, которые движутся к оси и сталкиваются в определенный момент времени, что приводит к повышению температуры на оси в несколько раз. Для реализации этого эффекта в конечной расширительной камере глушителя установлена коническо-цилиндрическая оболочка 16 (рис. 2).

в конечной расширительной камере глушителя установлена коническо-цилиндрическая оболочка
Рис. 2

Размеры конечной расширительной камеры (d2 и l2) выбраны из следующих соображений. Как показано в [8], для увеличения эффективного преобразования энергии набегающего газового потока в тепловую нужно увеличивать объем полости возле торцевой поверхности, что достигается присоединением к резонатору пустотелой цилиндрической емкости (конечной расширительной цилиндрической камеры глушителя).

Показано, что наиболее эффективным будет преобразование энергии при отношении 0,5 ≤ l2/d2 ≤ 2, и 3 ≤ d2/d1 ≤ 10 [9]. Для глушителей звука выстрела стрелкового оружия это соотношение составляет 0,4 ≤ l2/d2 ≤ 0,6; 2,5 ≤ d2/d1 ≤ 3.

Для обеспечения высокой эффективности глушителя такой конструктивной схемы нужно диаметр  выполнять наименьшим из возможных, что с учетом калибра оружия приводит к соотношениям 2,0d ≥ d1 ≥ 1,2d.

Так были определены основные геометрические соотношения для выбора оптимальной конструкции глушителя звука выстрела с использованием принципа преобразования энергии в сверхзвуковой резонансной трубе.

Глушитель (рис. 2) содержит передний фланец 1 с устройством крепления к стволу оружия, связанный с ним цилиндрический корпус 2, конечный фланец 3, а также расположенные в полости корпуса соосно с ним перфорированные конические перегородки 4, 5 и 6 и установленные между ними проставочные элементы, выполненные в виде перфорированных осесимметричных тонкостенных оболочек, образующих расширительные камеры I, II, III, IV и V, а во фланцах осесимметричных оболочек выполнены отверстия 7, которые соединяют смежные расширительные камеры I – II, II – III, III – IV, IV – V.

В передней расширительной камере I проставочный элемент 8 выполнен цилиндрическим, цилиндрические проставочные элементы 9 и 10 установлены также в четвертой и пятой расширительных камерах.

В конических перегородочных элементах выполнены отверстия (перфорация) 11, а в цилиндрических – перфорация 12 и 13.

Осесимметричные тонкостенные проставочные элементы в расширительной камере II – 14, и расширительной камере III – 15 выполнены в виде усеченных конусов с углом наклона образующих их конусных поверхностей к продольной оси глушителя θ (рис. 1). В конечной расширительной камере установлена коническо-цилиндрическая оболочка 16 с перфорациями 17.

Глушитель работает следующим образом

При прохождении пули по стволу оружия со сверхзвуковой скоростью впереди нее образуется слой сжатого воздуха (отошедшая ударная волна), которая через устройство крепления глушителя к стволу оружия 1 достигает внутренней полости корпуса 2 глушителя. За пулей со сверхзвуковой скоростью движутся пороховые газы, имеющие высокую температуру и давление.

Когда пуля входит в глушитель, газы заполняют первую расширительную камеру и через отверстия 12 в цилиндрическом проставочном элементе 8 заполняют объем, образованный внутренней поверхностью корпуса глушителя и внешней поверхностью цилиндрического проставочного элемента 8, а далее через отверстия 7 движутся в объемы расширительных камер, образованных внутренней поверхностью корпуса глушителя в расширительных камерах II и III и внешними поверхностями конических проставочных элементов расширительных камер II и III, а также в объемы, образованные внешними поверхностями цилиндрических проставочных элеменов 9 и 10 и внутренней поверхностью корпуса глушителя.

В пятой расширительной камере этот поток пороховых газов проходит через отверстия 13 и 17 в коническую часть коническо-цилиндрической оболочки 16 и движется навстречу основному центральному потоку газа.

Основная часть газа в первой расширительной камере через центральное отверстие конической перегородки 4 и ее перфорацию 11 начинает заполнять внутренний объем конической оболочки 14 расширительной камеры II, а далее – конической оболочки 15 расширительной камеры III и цилиндрической оболочки 9 расширительной камеры IV.

В основном центральном газовом потоке возникают прямые скачки уплотнения. В движущемся потоке газа в объемах, ограниченных оболочками 14 и 15, образуются ударные волны, что приводит к пульсациям давления. Ударные волны доходят к конечной части оболочки 9 и коническо-цилиндрической оболочки 16. Ударная волна отражается от конической поверхности оболочки 16, образуются продольно ориентированные волны, движущиеся к оси глушителя. Они сталкиваются, что приводит к повышению температуры на оси в несколько раз.

Ударные волны образуются с периодичностью, равной собственной частоте резонатора А – Б – В (рис. 1), поступают в конечную расширительную камеру, отражаются и фокусируются конической частью оболочки 16, в результате чего наблюдается повышение эффективности преобразования энергии потока порохового газа в тепловую энергию.  В зоне внутреннего объема конической части оболочки 16 накапливается тепло, температура газов повышается до > 1200°С, эффективность снижения уровня звука выстрела растет.

В следующий период работы газы, заполнившие полость конуса глушителя, истекают из него, имея значительное аэродинамическое сопротивление, что также ведет к увеличению эффективности снижения уровня звука выстрела.

По итогам описанной разработки авторы подали заявку на изобретение [21].

Глушитель был изготовлен цельносварным из стали 08Х18Н10Т и имел характеристики: длина 220,0 мм, диаметр 42,0 мм, масса 700 г, биение 0,15 мм.

Внешний вид конструктивных элементов глушителя до сварки приведен на рис. 3, перед сваркой корпуса глушителя с внутренней конструкцией – на рис. 4, готового изделия – на рис. 5.

Внешний вид конструктивных элементов глушителя до сварки фотоРис. 3

Для определения эффективности снижения уровня звука выстрела этим глушителем, кучности, точности стрельбы и живучести были проведены натурные испытания в составе автомата АКМ калибра 7,62 мм при стрельбе штатными патронами с дульной энергией пули 1991 – 2206 Дж.

перед сваркой корпуса глушителя с внутренней конструкцией фото
Рис. 4

Измеренная в процессе испытаний эффективность снижения уровня звука выстрела глушителя составила 32 – 34 дБ, для глушителей традиционной конструктивной схемы – 28 – 32 дБ. Масса глушителя на ~ 15% меньше массы глушителей традиционных конструкций. Точность и кучность стрельбы, живучесть и эксплуатационные характеристики были не хуже этих показателей у ранее разработанных глушителей.

Внешний вид конструктивных элементов глушителя (ПСУЗВ) после сварки фото
Рис. 5

Таким образом, создан и испытан глушитель звука выстрела стрелкового оружия, конструкция которого обеспечивает повышение эффективности и снижение массы по сравнению с глушителями традиционных конструктивных схем путем реализации эффекта преобразования энергии сверхзвукового потока пороховых газов в тепловую при их втекании в коническую резонансную трубу с оптимальными для целей преобразования характеристиками.

Литература

  1. Глушители звука выстрела стрелкового оружия с коническими перегородочными элементами / Н. А. Коновалов, О. В. Пилипенко, Г. А. Стрельников, Г. А. Поляков, А. Д. Скорик, А. Н. Авдеев / Техническая механика. – № 1. 2011. – С. 86 – 98.
  2. Патент 6575074В1 США, МПК7 F41А21/00. Omega Firearms Supperssor / Gaddini Joseph Daniel. – 10/202, 110, заявл. 23.07.2002 ; опубл. 10.06.2003.
  3. Томпсон Р. А. Резонансная труба с возбуждением от струи газа / Р. А. Томпсон // Ракетная техника и космонавтика. – 1964. – Т. 2, № 7. – С. 85 – 89.
  4. Brocher E. Etude des phenomenes thermiqus dans und tube de Hartmann–Sprenger / E. Brocher, C. Maresca // Int. J. Heat, Mass Transfer. – Vol. 16 : Pergamon Press, 1973. – Р. 529 – 548.
  5. Brocher E. Stude of Thermal Phenomena in a Hartmann–Sprenger Tube / E. Brocher, C. Mazhesca. – NASA Technical Translation, NASA TT F-14 796, 1974. – 37 p. – № 75-13195, NASA.
  6. Купцов В. М. Пульсации давления и нагрев газа при втекании сверхзвуковой струи в цилиндрическую полость / В. М. Купцов, С. И. Остроухова, К. Н. Филиппов // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. – 1997. – № 5. – С. 104 – 111.
  7. Купцов В. М. Пульсация давления и нагрев газа при втекании сверхзвуковой струи в коническую полость / В. М. Купцов, К. Н. Филиппов // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа. – 1981. – № 3. – С. 167 – 170.
  8. Иванов И. Э. Пульсационные режимы течения в газодинамическом воспламенителе / И. Э. Иванов, И. А. Крюков // Математическое моделирование. – 1999. – Т. 1, № 2. – С. 48 – 54.
  9. Сергиенко А. А. Газодинамический воспламенитель / А. А. Сергиенко, В. В. Семенов // Изв. ВУЗов. Авиационная техника. – 2000. – № 2. – С. 44 – 47.
  10. Кесаев Х. В. Термодинамика резонансной трубы / Х. В. Кесаев // Вестник МАИ, 2008. – Т. 15. – С. 15 – 24.
  11. Газодинамический блок зажигания для дизеля [Электронный ресурс] / В. В. Семенов, Ли Чжун Мин, И. Э. Иванов, Н. А. Крюков. – 6 с. – Режим доступа к статье http://www.chair36/msin.ru/articles/10-2/html/semenov.htm.
  12. Иванов И. Э. Численный метод для исследования фокусировки ударной волны / И. Э. Иванов, И. А. Крюков // Математическое моделирование. – 1992. – Т. 4, №12. – С. 47 – 55.
  13. Ли Чжун Мин. Исследование термо-акустического нагрева газа в газоструйных генераторах Гартмана : дис. на соискание ученой степени канд. тех. наук / Ли Чжун Мин. – Москва, 2004. – 160 с. – Код специальности ВАК 05.07.05.
  14. Соколов А. И. Расчетное исследование газодинамического течения в дисковом генераторе Гартмана : дис. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук/ А. И. Соколов. – 2006. – 119 с. – Код специальности ВАК 01.02.05.
  15. Ляхов В. Н. Воздействие ударных волн и струй на элемнты конструкций : Математическое моделирование в нестационарной газодинамике / В. Н. Ляхов, В. В. Подлубный, В. В. Титаренко. – М. : Машиностроение,  1989. – 392 с.
  16. А. с. 1067301 СССР, МПК F23Q 13/00, F24J 3/04. Воспламенитель / Н. А. Бувайло, Э. А. Батурин, А. И. Кравцов, В. А. Фисейский, В. А. Карелин. – 3484586/28-06 ; заявл. 09.08.1982 ; опубл. 15.01.1984, Бюл. № 2.
  17. А. с. 1657883А1 СССР, МПК F23Q 13/00. Газодинамический воспламенитель / Х. В. Кесаев, В. В. Демченко, В. Г. Зиновьев. – 470 4520/06 ; заявл. 14.06.89 ; опубл. 23.06.91, Бюл. № 23.
  18. Патент 2029 121 Российская Федерация, МПК F02С 7/264. Газодинамический способ воспламенения горючего газа в глухом канале / Головачев В. И. , Третьяков П. К.; заявитель и патентообладатель Институт технической и прикладной механики СО РАН. – 4891188/06 ; заявл. 17.12.1990 ; опубл. 20.02.1995.
  19. Патент 2225574 Российская Федерации, МПК F23Q 13/00. Газодинамический нагреватель / Семенов В. В., Ли Чжун Мин. – 2003109364/06 ; заявл. 03.04.2003 ; опубл. 10.03.2004.
  20. Патент 3994232 США. Pneumatic Match Through use of a Conical Nozzle Flare / Rakowsky Edward L., Marchese Vincent P., Page Robert H., Corrado Anthony P. – 606816 ; заявл. 22.08.1975 ; опубл. 30.11.1976.
  21. Заявка а 201207534 Украина, МПК7 F41А 21/30; F41А 21/34. Глушник звуку пострілу стрілецької зброї / Коновалов М. А., Пилипенко О. В., Поляков Г. А., Скорик О. Д., Коваленко В. І. ; заявник і патентоволодар Інститут технічної механіки НАНУ і ДКАУ. – заявл. 20.06.2012.