Математическая модель процесса функционирования штатного оружия в режиме нелетального действия

Международная публикация
Библиографическое описание статьи для цитирования:
Патрикова Е. Н. Математическая модель процесса функционирования штатного оружия в режиме нелетального действия // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2013. – Т. 3. – С. 1106–1110. – URL: http://e-koncept.ru/2013/53224.htm.
Аннотация. В настоящей работе представлены результаты математического моделирования процесса функционирования штатного оружия в дополнительном режиме нелетального действия с использованием специальных устройств, обеспечивающих надежность работы автоматики оружия и выполнение требований по травмобезопасности.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
ПатриковаЕлена Николаевнак.т.н., доцент, ФГБОУ ВПО Тульский государственный университет, г.Тулаelenapatrikova@yandex.ru

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССАФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ШТАТНОГО ОРУЖИЯ В РЕЖИМЕ НЕЛЕТАЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

В настоящей работе представлены результаты математического моделирования процесса функционирования штатногооружия в дополнительном режиме нелетального действия с использованием специальных устройств, обеспечивающих надежность работы автоматики оружия и выполнение требований по травмобезопасности.Ключевые слова: специальное устройство, нелетальное действие, травмобезопасность, легкодеформируемая пуля, штатное оружие.

Современная концепция применения огнестрельного оружия сотрудниками силовых структур состоит в нейтрализации (избегая термина уничтожение) атакующего или группы атакующих, в соответствии с текущим законодательством. Закон предусматривает нанесение наименьшего вреда, но никак не смерти нападающего. Данные положения требуют достаточно высокого уровня психологической подготовки и владения навыками производства выстрела. В настоящее время основной тенденцией в организации стрелковой подготовки личного состава правоохранительных органов является стремление максимально приблизить условия проведения учебнотренировочных боев к условиям реального огневого контакта. Непременным требованием при этом является возможность ведения стрельбы "на поражение". Технология моделирования ситуационных задач со стрельбой на поражение в процессе огневой подготовки сотрудников силовых структурповышает эффективность и надежность

применения оружия в их работе. А использование личного оружия, для учебнотренировочной стрельбы на поражение легкодеформируемыми пулями делает эту технологию обучения наиболее перспективной.Общий недостаток применяемых в настоящее время учебнотренировочных средств заключается в том, что используемое оружие не является тем самым оружием, с которым сотрудники силовых структур проводят боевые операции и искусству владения которым их необходимо обучать. Перспективным способом повышения эффективности огневой подготовки сотрудников силовых структур, является использование личного оружия, оснащенного специальными устройствами и боеприпасами, для учебнотренировочной стрельбы, а также для оказания психологического и физиологического воздействия на правонарушителей.Такие специальные устройства и боеприпасы[1]позволяют, в зависимости от ситуации, использовать оружие, находящееся на вооружении силовых структур в двух режимах: специального оружия травматического действия, стреляющего легкодеформируемыми пулями(ЛДП), обеспечивающими, с одной стороны, останавливающее действие на правонарушителей а, с другой стороны, проведение учебнотренировочных боев со стрельбой на поражение[2]и боевого оружия. Причем переход с одного режима стрельбы на другой мобилен, а сами специальные устройства просты по конструкции, технологичны и дёшевы в производстве.Сложность математического описания процесса выстрела легкодеформируемой пулей при использовании вкладного ствола с диаметром, меньшим калибра пули, является следствием необходимости совместного решения основной задачи внутренней баллистики и задачи по определению параметров напряженнодеформированного состояния материала легкодеформируемой пули. Для решения первой задачи необходимо знать силу сопротивления перемещению пули по каналу вкладного ствола, определяемую из решения второй задачи, а для решения второй задачи необходимо знать перемещение и скорость движения пули, которые являются результатом решения первой задачи.В основу расчета внутренней баллистики табельного оружия при стрельбе легкодеформируемыми пулями с использованием вкладного ствола была положена термодинамическая модель рабочего процесса[3].Однако, ввиду необходимости совместного решения двух задач, поставленных выше, модель пришлось видоизменить и создать новую модель взаимосвязанных процессов, протекающих в канале ствола табельного оружия при стрельбе легкодеформируемыми пулями. Вопервых, возможность определения силы сопротивления перемещению легкодеформируемой пули по каналу ствола, являющейся результатом решения второй задачи, позволила исключить коэффициент фиктивности, учитывающий действие второстепенных сил, поэтому уравнение движения пули в пиродинамическом периоде несколько изменилось; помимо силы, движущей пулю, в уравнение введена сила, тормозящая пулю. (1)где: mq масса пули; V(l) скорость пули; t время; p(l) давление у дна пули; Sп площадь сечения пули, на которую действует давление p(l); F сила сопротивления перемещению ЛДП, определяемая из решения второй задачи.Сила сопротивления перемещению пули при ее движении по каналу вкладного ствола Fи площадь поперечного сечения пули Sп, на которую действует давление p(l) являются результатом решения задачи по определению параметров напряженнодеформированного состояния материала легкодеформируемой пули и рассмотрения процесса высокоскоростного трения резины о сталь при больших нормальных напряжениях на поверхности контакта. В качестве материала легкодеформируемой пули рассматриваются резины на основе изопреновых каучуков.

Вовторых, исследование систем со свободным затвором привело к необходимости введения в модель уравнения движения затвора. (2) где: mз масса затвора; mг масса гильзы; mвп масса возвратной пружины; Vз скорость затвора; p(0) давление, действующее на затвор; Sз площадь затвора, на которую действует давление p(0); 1 коэффициент потерь механической энергии; П0 усилие предварительного поджатия возвратной пружины; с жесткость возвратной пружины; xз перемещение затвора; Pэ усилие экстракции; Fт сила трения в направляющих затвора; Fп прочие силы.

Втретьих, для исследуемого процесса характерно малое давление, при котором происходит выталкивание пули из дульца гильзы, вследствие чего введен учет постепенности воспламенения порохового заряда по объему гильзы и в качестве начального давления берется давление, создаваемое капсулемвоспламенителем в свободном объеме гильзы. (3) (4)где:  относительная часть сгоревшего порохового заряда; s характеристика момента распада порохового зерна;  показатель степени закона изменения поверхности горения; Jk импульс давления порохового газа к концу горения заряда; Фн функция неодновременности воспламенения заряда; tпл характерное время воспламенения всей поверхности горения порохового заряда.Вчетвертых, специфика исследуемого процесса потребовала учета в уравнении сохранения энергии работ по перемещению затвора и газопороховой смеси. (5) где: U внутренняя энергия газа; П потенциал пороха; m масса порохового заряда; Q количество энергии, теряемое пороховым газом на теплоотдачу; Uгпс

кинетическая энергия газопороховой смеси; k отношение теплоемкостей; p давление газа; m масса газа; b ковалюм порохового газа; Sд площадь дульного сечения канала вкладного ствола;  плотность газа.Кроме того, соответствующие изменения были сделаны в начальных условиях и дополнительных соотношениях.Математическая модель определения силы сопротивления перемещению ЛДП по каналу вкладного ствола построена в рамках линейной теории упругости и на предположении об абсолютной несжимаемости и упругости материала ЛДП.Очевидно, что при движении по каналу вкладного ствола (рис.1) область деформирования пули в радиальном направлении будет определяться соотношением исходного радиуса пули Rпи радиуса канала вкладного ствола r.

Рис.1. Схема вкладного ствола с легкодеформируемой пулей.

При численном решении задачи область деформирования ЛДП разбивается на четное число nплоских дисков толщиной H, которые в дальнейшем называются элементами (рис.2).

Рис.2. Схема разбиения области деформирования пули.

Зная геометрию вкладного ствола, перемещение ЛДП за шаг интегрирования по времени и используя допущение о несжимаемости материала ЛДП, можно по геометрическим соотношениям определить изменение радиусов выделенныхсечений пули, и, следовательно, деформацию материала пули(рис.3).

Рис.3. Расчетная схема определения параметров деформированного состояния материала пули.

Для всех элементов, подвергнутых деформации, определены значения радиусов и толщины для каждогоэлемента.

где

толщина i–го элемента;

объем i–го элемента.По значениям радиусов выделенных элементов определена радиальная деформация материала легкодеформируемой пули в рассматриваемых сечениях:

(6)где: i радиальнаядеформация материала ЛДП в i

том сечении; R0,i, Ri,m начальный и текущий радиус i

того сечения ЛДП.Для установления взаимосвязи между деформацией материала ЛДП и возникающим радиальным напряжением использовалась зависимость[4]

(7)где: ri радиальное напряжение в i

том сечении ЛДП; E модуль Юнга;  коэффициент Пуассона; zi осевое напряжение в i

том сечении ЛДП.Осевое напряжение в i

ом сечении ЛДП является следствием её ускоренного движения и действия сил трения, возникающих на поверхности контакта пули с каналом вкладного ствола (рис.4),определяется следующим образом.

Рис.4. Расчетная схема определения параметров напряженного состояния материала пули.

(8)При определении сил сопротивления, действующих на каждый элемент, необходимо учитывать, находится ли элемент во входном конусе вкладного ствола или в его канале, т.е. конический он или цилиндрический. Для конических элементов сила сопротивления будет включать в себя проекции на ось канала ствола нормальной силы и силы трения, действующих на поверхности контакта элемента с входным конусом вкладного ствола. Для цилиндрических элементов сила сопротивления будет определяться только силой трения.Среднее радиальное напряжение на поверхности контакта элемента с каналом вкладного ствола определяем по следующей зависимости: (9) Нормальное напряжение на поверхности конического элемента (10) где  половина угла конусности входного участка вкладного ствола.Тогда нормальная сила (11) где боковая поверхность конического элемента.Для цилиндрических элементов

а нормальная сила определяется по зависимости (11), только боковая поверхность цилиндрического элемента вычисляется по зависимости

Сила трения, действующая на поверхности контакта выделенных элементов легкодеформируемой пули с поверхностью канала вкладного ствола как для конических, так и для цилиндрических элементов определяется по следующей зависимости:

где коэффициент трения fi определялся по зависимости полученной обработкой экспериментальных данных.

(12)

Выражение для суммарной силы сопротивления, приложенной к i

тому элементу, в проекции на ось канала вкладного ствола, определяется следующей зависимостью

Как уже отмечалось, для цилиндрического элемента Fc,i= Fi.Результирующая сила сопротивления, действующая на всю пулю, определяется следующим образом: (13)Адекватность математической модели подтверждена экспериментальными исследованиями.На рис.5представлена теоретическая зависимость максимального давления в запульном пространстве pmaxот массы порохового заряда mдля разных диаметров внутреннего канала вкладного ствола dвс. Здесь же для сравнения представлены экспериментальные кривые. Характер полученных кривых не противоречит установленным ранее зависимостям.

Рис.5. Графики зависимости максимального давления в запульном пространстве от массы порохового заряда

для разных диаметров внутреннего канала вкладного ствола

На рис.6 представлена зависимость дульной скорости ЛДП от длины предварительного сужения lсканала вкладного ствола для различных масс порохового заряда. Как показали расчеты, характер полученных кривых объясняется соотношением между силой, движущей ЛДП, и силой сопротивления её перемещению. Рис.6 Графики зависимостидульной скорости ЛДП от длины предварительного сужения канала вкладного ствола для различных масс порохового заряда.Как показали расчеты, характер полученных кривых объясняется перераспределением энергии продуктов сгорания пороха между затвором и ЛДП.Разработанная математическая модель процесса выстрела ЛДП из штатногооружия при использовании вкладного ствола дает качественные результаты, не противоречащие физической картине рассматриваемых явлений, и количественные результаты, удовлетворительно совпадающие с результатами эксперимента. Отклонение теоретических результатов от экспериментальных не превышает 9,5%.

Таким образом, разработанная математическая модель позволяет исследовать процесс функционирования табельного оружия со свободным затвором в режиме нелетального действияи определятьгеометриювкладного ствола, обеспечивающего надежнуюработуавтоматики оружияи выполнение требованийпо травмобезопасности.

Список цитируемой литературы

1. Котюхов Ф.А., Патрикова Е.Н.. Способ перевода режима стрельбы штатного автоматического оружия и боеприпасы для его реализации.// Патент №21305731999, 1999.2. Патрикова Е.Н., Петряев Д.В. Огнестрельное оружие.//Патент РФ на изобретение № 2331995 от 27.07.2008 г.3. Платонов Ю.П. Термогазодинамикаавтоматического оружия.//М.Машиностроение, 2009,356с.4. Справочник машиностроителя. Под общ. Ред. С.В. Серенсена, т.3. //М.Государственное научнотехническое издательство машиностроительной литературы, 1956, 563 с.

E.N. Patrikovak.t.n., docent, FSBEE

HPE TULA TATE UNIVERITY, t.Tulelenapatrikova@yandex.ru

MATHEMATICAL MODEL of the PROCESS of the OPERATING the TIME WEAPON in MODE NELETALINOGO ACTIONS

In persisting work are presented results of mathematical modeling of the process of the operating the time weapon in additional mode neletalinogo actions with use special device, providing reliability of the functioning(working) the automation of the weapon and performing the requirements on safe action.The Keywords: special device, neletalinoe action, safe action, legkodeformiruemay bullet, staff weapon.