Гиперскоростные орудия. Предварительно нарезанные снаряды и хромированный ствол 2

[armyco]

31.5 ОПТИМАЛЬНАЯ ТОЛЩИНА ХРОМИРОВАНИЯ

Измененные слои, аналогичные тем, которые формируются в незащищенной стали (Раздел 12.1.2), наблюдаются в стали под тонким хромированием. Поскольку образование измененного слоя является термальным эффектом, толщина полученного измененного слоя является функцией толщины покрытия, а также температуры и теплоёмкости пороховых газов. Экспериментальные данные, полученные с орудиями калибра .50 и 37 мм, позволяют предположить, что для каждого орудия имеется определенная толщина хромирования, дающая максимальные характеристики ПН снарядов. Эта критическая толщина хромирования определяется тепловой нагрузкой на поверхность канала. Другими словами, для орудий с высокой тепловой нагрузкой на единицу площади требуется более толстое хромирование, чем для орудий с низкой тепловой нагрузкой.

Чтобы варьировать тепловую нагрузку на единицу площади в орудии калибра .50 для эрозийных испытаний, использовались пороха с различной температурой горения. Толщина хромирования варьировалась от 0,002 до 0,006 дюйма. Во всех испытаниях баллистические условия были одинаковыми; а именно, давление от 56000 до 58000 фунтов на квадратный дюйм (по меди) и скорость от 3600 до 3650 футов в секунду. Используемые пороха были (1) типа IMR, температура горения 2940 K; (2) FNH-M2, температура горения 3560 К; (3) двухосновный порох, содержащий 40% нитроглицерина, температура горения 3945 К.

В испытаниях использовались стандартные ПН снаряды со стальным поясом (Рис. 1). Стволы стреляли до тех пор, пока не наблюдалось падение скорости до 200 футов в секунду. Скоростной ресурс стволов, имеющих различные толщины хромирования и стрелявших различными порохами, сведен в Табл. 9.



Рис. 13. Влияние типа пороха и толщины хромирования на характеристики ПН снарядов, отстрелянных из орудия калибра .50 для эрозийных испытаний.

Табл. 9. Скоростной ресурс стволов калибра .50 при стрельбе ПН снарядами в зависимости от толщины хромирования и пороха.

Приведенные выше данные показаны графически на Рис. 13. Эти кривые демонстрируют, что, когда тепловая нагрузка превышает 19 кал/см2, для получения наилучших показателей скорости ПН снарядов необходима толщина хромирования больше 0,006 дюйма. Когда тепловая нагрузка составляет от 14 до 15 кал/см2, наилучшие показатели скорости наблюдаются при 0,006 дюймах толщины хромирования. Когда тепловая нагрузка составляет около 17 кал/см2, хорошие характеристики получаются с 0,005 дюймовым хромированием, но значительно лучшие характеристики наблюдались бы, если бы толщина покрытия была между 0,007 и 0,008 дюйма.

При испытаниях различных толщин хромирования было показано [76], что из-за хрупкой природы хрома существует предел толщины, которая будет действовать удовлетворительно. Хромирование толщиной выше 0,008 дюйма при стрельбе ПН пулями отрывается на полях и обнажает оружейную сталь или оставляет тонкий слой покрытия, оба которых весьма чувствительны к газовой эрозии.

Толстый слой кобальта (от 0,007 до 0,010 дюйма) поверх стали, за которым следует более тонкий слой хрома (0,003 дюйма), весьма удовлетворительно действовал в некоторых предварительных испытаниях отстрелом в условиях гиперскоростей с использованием ПН снарядов, как описано в Разделе 20.2.4.

Поэтому рекомендуется, чтобы в случаях, когда расчетные значения тепловой нагрузки в конкретном орудии были очень высоки и показывали необходимость использования хромирования толщиной более 0,008 дюйма, необходимо пытаться применять толстое кобальт-хромовое двойное покрытие.

31.6 УВЕЛИЧЕНИЕ РЕСУРСА ХРОМИРОВАННЫХ СТВОЛОВ

В начале стрельб хромированных стволов обычными нарезаемыми снарядами вскоре было признано, что напряжения нарезанияи трение являются основными факторами разрушения хромирования. Подробное описание хода разрушения хромирования в условиях гиперскоростей приведено в итоговом отчете о покрытии [76]. Процесс эрозии хромированных штатных орудий описан в Разделе 20.2.1.

Как правило, разрушение хромированной поверхности происходит из-за (1) напряжений нарезания, (2) трения пули и (3) тепловых изменений на границе сталь - хром. Первые два пункта эффективны в основном из-за недостаточной пластичности хрома.

Обычно наблюдаются следующие признаки разрушения хромового покрытия: (1) растрескивание покрытия на чешуйки или в виде шахматного рисунка; (2) скручивание краев чешуек, что придает поверхности морщинистый вид; (3) точечная коррозия или удаление небольших изолированных трещинами чешуек хрома; (4) отслоение или удаление больших площадей из-за подрезания; и (5) в случае покрытий, более тонких, чем критическая толщина - образование измененного стального слоя под покрытием.

Как упомянуто в Разделе 31.4.4, факторы износа и трения при эрозии оружейной стали значительно снижены за счет использования ПН снарядов. Поскольку хромирование из-за своей высокой температуры плавления (около 1950°С) обладает превосходной стойкостью к эрозии пороховых газов, комбинация хромированных каналов и стальных ПЭ снарядов, обработанных по технологии Parco-Lubrizing, дает превосходные характеристики.



Рис. 14. Ход эрозии полей простых стальных и хромированных стальных стволов орудия калибра .50 для эрозийных испытаний, стрелявших поясковыми артиллерийского типа, стальными ПН стальными ПН, обработанными по технологии Parco-Lubrizing, снарядами с дульной скоростью от 3675 до 3700 футов в секунду.

31.6.1 Влияние на эрозию полей

В следующих испытаниях для получения скорости от 3650 до 3700 футов в секунду при 45 дюймовом стволе использовался двухосновный порох. Наблюдаемое увеличение диаметра по полям в 0,5 дюймах за началом нарезки для орудийной стали и 0,005 дюймового хромирования при использовании поясковых артиллерийского типа и стальных ПН снарядов графически показано на Рис. 14. Результаты демонстрируют, что в течение определенного периода времени хромирование защищает стальную поверхность. Этот период защиты намного короче для поясковых пуль артиллерийского типа. Как только оружейная сталь подвергается эрозийному воздействию пороховых газов, скорость эрозии увеличивается очень быстро. ПН пули, обработанные по технологии Parco-Lubrizing, обеспечивают самый долгий период защиты и самую низкую скорость эрозии после воздействия на орудийную сталь.

31.6.2. Влияние на показатели скорости

Изменения скорости, наблюдаемые при стрельбе поясковыми и ПН снарядами из стволов из орудийной стали и хромированных, сведены на Рис. 15.

Основываясь на падении скорости в 200 футов в секунду как на критерии скоростного ресурса орудия, легко видеть, что ПН пули, обработанные по технологии Parco-Lubrizing, в сочетании с хромированием канала улучшают показатели скорости орудия. Показатели отражены в Табл. 10.



Рис. 15. Сравнение изменения скорости для пояскового артиллерийского типа, стального ПН и ПН, обработанного по технологии Parco-Lubrizing, снарядов, отстрелянных при стволах из обычной стали и хромированных стальных, из орудия калибра .50 для эрозийных испытаний с дульной скоростью 3675-3700 футов в секунду.

Табл. 10. Сравнение показателей скорости.

Снижение износа и трения пуль, обработанных по технологии Parco-Lubrizing, в хромированном канале проявляется в увеличении скоростного ресурса орудия. Эти результаты показывают, что для достижения максимальных характеристик ПН снарядов необходимо: (1) нанести покрытие Parco-Lubrizing на все части снаряда, трущиеся по поверхности канала, и (2) использовать хромированный канал, имеющий толщину хромового покрытия больше критической, необходимой для предотвращения образования измененного стального слоя на границе сталь-хром.

31.6.3 Влияние на характеристики точности

В одном испытании ПН пулями, обработанными по технологии Parco-Lubrizing, стреляли из хромированного канала (хромовое покрытие в 0,005 дюйма) в мишень, расположенную в 100 футах от дула, до тех пор, пока не начали наблюдаться пробития плашмя. Этого не происходило до тех пор, пока не было произведено 2775 выстрелов, тогда как с тремя стволами из орудийной стали и стальными ПН пулями, пробития плашмя начинались после 248-322 выстрелов. Таким образом, комбинация хромирования и стальных ПН пуль, обработанных по технологии Parco-Lubrizing, увеличила точностный ресурс в 8,5-10 раз.

31.7 РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЯ 37-ММ ОРУДИЯ Т47

31.7.1 Общий замысел

В предыдущих разделах показано, что значительное увеличение скоростного ресурса может быть получено в гиперскоростном орудии с использованием стальных ПН снарядов, обработанных по технологии Parco-Lubrizing, в сочетании с хромированным каналом ствола. Толщина хромирования должна быть такой, чтобы температура на границе хром-орудийная сталь была ниже температуры перехода стали для предотвращения образования измененного слоя.

В орудии калибра .50 для эрозийных испытаний наблюдалось двадцатикратное увеличение скоростного ресурса. Хотя увеличение скоростного ресурса не обязательно будет такого же порядка для орудий более крупного калибра, считалось, что оно будет существенным.

В качестве промежуточного образца в рамках разработки гиперскоростной 90-мм пушки (Раздел 31.8) было решено изготовить гиперскоростную 37-мм пушку и пронаблюдать за характеристиками комбинации ПН снаряда и хромирования в этой пушке. С этой целью были установлены следующие технические характеристики для орудия.

1. Поковка ствола 40-мм пушки «Бофорс» (спецификация Флота): 88,58 дюйма.

2. Область камеры под 40-мм дульце уменьшена до 37 мм. (Объем камеры 29,9 куб. дюйма).

3. Высверлен и рассверлен канал ствола под 37-мм снаряд.

4. Нарезано 6 нарезов по 0,0030 дюйма глубиной с полями и нарезами равной ширины.

5. Поля в начале нарезов заточены со скосом в 30 градусов для устранения упирания.

6. Выполнено покрытие в 0,006 дюйма обычным хромом.

При стрельбе предварительно нарезанным снарядом нормального веса при давлении 50000 фунтов на квадратный дюйм (по меди) ожидалось, что дульная скорость составит 3500 футов в секунду.

31.7.2 Ствол орудия

40-мм орудие было отковано, просверлено и нарезано в соответствии с размерами, показанными на Рис. 16.

Характеристики ствола 37-мм пушки T47 следующие:




Рис. 16. Камера и нарезка 40-мм поковки, используемой для 37-мм пушки Т47, стреляющей ПН снарядами.

Расчеты напряжений были сделаны для камеры, которая принятой критическим сечением ствола. Результаты показали, что давления, развиваемые при выстреле, были опасно близки к пределу текучести стали. Однако, поскольку использовались ПН снаряды, время максимального давления было уменьшено, и радиальная нагрузка из-за нарезания также была устранена; поэтому считалось, что ствол орудия был достаточно прочным, чтобы выдержать 50000 фунтов на квадратный дюйм (по меди). Позднее два орудийных ствола были испытаны отстрелом на 62000 фунтов на кв. дюйм (по меди) без серьёзных нарушений.

Хромирование поверхности канала должно было начаться в 11 9/16 дюйма от казенной части и продолжаться до дульного среза. Учет размеров полей был сделан таким образом, чтобы после механической обработки 0,002 дюйма на радиусе можно было удалить электрополировкой для получения окончательного диаметра поверхности до нанесения покрытия в 1,469 (+0,002) дюйма. Применение 0,006 дюймового хромирования будет давать заданный диаметр по полям готового ствола. Припуск нарезов был сделан для 25% уменьшения толщины покрытия относительно того, что предполагалось на полях.

Размер нарезов был сделан меньшим, потому что ожидалось, что на поверхности нарезов будет осаждаться меньше хрома, чем на поверхности полей. Это различие в распределении покрытия предполагалось из-за разницы в расстояниях от анода. Предыдущий опыт показал, что при 0,006 дюймах хром нанесенных на поверхность полей, на поверхность нареза будет нанесено около 0,0045 дюйма хрома. Наложение 0,0045 дюймов хромирования на нарезах даст диаметр по готовым нарезам 1,517 дюйма (+0,002 дюйма)

После нанесения покрытия обнаружено, что каналы стволов заужены по нарезам. Диаметр были доведены до 1,516 дюйма по нарезам таким образом, чтобы ПН снаряд, чей максимальный диаметр по выступам составлял 1,513 дюйма, легко проходил по каналу. Окончательная толщина покрытия была определена путем замеров в только от 0,0045 до 0,0055 дюйма на полях и от 0,0030 до 0,0035 дюйма на нарезах.

31.7.3 Боеприпасы

Также требовались специальные компоненты для боеприпасов. В качестве стандартного для получения скорости 3500 футов в секунду использовался ПН снаряд, весивший 1,62 фунта, и изготовленный в соответствии с Рис. 17. Также были изготовлены другие снаряды весом 1,34 и 1,92 фунта. Стандартный снаряд и выстрел в сборе показаны на Рис. 18.

Размер стандартной 40-мм гильзы M22A1 был изменен на дульце и скате так, чтобы соответствовать 37-мм ПН снаряду.

Отстрелы для установления грануляции пороха и заряда производились в Исследовательском Центре Артиллерии, Абердинский Испытательный Полигон [240]. Результаты этих отстрелов приведены в Табл. 11.

Табл. 11. Грануляция пороха и заряд для 37-мм пушки Т47 [240].
* Снаряд с обтюрирующим диском.

Результаты этих испытаний показали, что порох, имеющий состав M5 и зерно приблизительно в 0,0400 дюйма, пригоден в качестве метательного состава для получения дульной скорости в 3500 футов в секунду при предельном давлении 50000 фунтов на квадратный дюйм (по меди) при использовании 1,34 и 1,62ифунтовых снарядов с или без обтюрирующего диска.

31.1.4 Испытание на эрозию

Один из двух 37-мм стволов Т47 был установлен на модифицированном 57-мм лафете и отправлен на Абердинский Испытательный Полигон для проведения испытаний на эрозию. Другой, установленный аналогичным образом, был отправлен на баллистическое стрельбище Отдела 1 NDRC в Кардероке, Мэриленд, для баллистических испытаний, кратко подытоженных в Главе 4.



Рис. 17. ПН снаряд для 37-мм пушки Т47. Сплошной стальной корпус с алюминиевым баллистическим наконечником, необтюрированный, весом 1.62 фунта.



Рис. 18. 37-мм ПН снаряд и выстрел в сборе.

Для испытания на эрозию было установлено, что заряд пороха FNH-M5 в 12,85 унции дает скорость 3500 футов в секунду при давлении 43500 фунтов на квадратный дюйм (по меди) с использованием ПН снарядов весом 1,62 фунта. Отстрелы на эрозию проводились группами по 50 выстрелов со скоростью 5-6 выстрелов в минуту.

Разрушение покрытия происходило в нарезах, и последующее сдирание покрытия и эрозия незащищённой орудийной стали вызвали падение скорости на 200 футов в секунду после 541 выстрела. Это нарушение хромирования можно объяснить слишком тонким покрытием (менее 0,006 дюйма как на полях, так и в нарезах - см. Раздел 31.7.2), чтобы предотвратить изменение стали на границе раздела хром-сталь. В Разделе 31.5 показано, что толщина хромового покрытия является определяющим фактором для достижения длительного ресурса орудия при стрельбе ПН снарядами из хромированного канала.

Поэтому рекомендуется хромировать еще один 37-мм ствол орудия T47 с надлежащей толщиной (0,006 дюйма) хромового покрытия полей и нарезов для обеспечения тепловой защиты стали на границе раздела.

31.8 КОНСТРУКЦИЯ ХРОМИРОВАННОГО ГИПЕРСКОРОСТНОГО 90-ММ ОРУДИЯ ДЛЯ СТРЕЛЬБЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАРЕЗАННЫМИ СНАРЯДАМИ

[Этот раздел добавлен Редактором для завершения темы этой главы. Он основан на отчете NDRC [118].]

31.7.1 Общий замысел

К тому времени, как Отдел 1 добился значительных успехов в разработке устойчивых к эрозии материалов, стало понятно, что их возможное применение в гиперскоростных пушках среднего калибра потребует испытания их в экспериментальной гиперскоростной пушке. Такое орудие также дало бы возможность непосредственно исследовать некоторые из баллистических факторов, считавшихся важными в связи с разработкой гиперскоростного оружия, особенно благодаря использованию очень высокой плотности заряда.

Проект разработки этого орудия был назван проектом A-Z, поскольку ожидалось, что по мере его развития будут задействованы все этапы программы Отдела ("от А до Z"). Материалом, выбранным для первого испытания, было гальваническое хромовое покрытие, которое должно было использоваться в сочетании с предварительно нарезанными снарядами. Понятно, что по мере появления других материалов будут подготовлены другие стволы для испытаний их в оружии такого размера и той же общей конструкции.

В качестве руководства по выбору спецификаций для этого орудия была проведена обширная серия баллистических расчетов с использованием системы Отдела 1; результаты описаны в Разделе 3.5.5. В конечном итоге выбор был ограничен орудием, у которого дульная скорость несколько превышала 4000 футов в секунду, а общая длина не превышала 90 калибров.

31.8.2 Конструкция ствола орудия

Дальнейшие баллистические расчеты привели к принятию спецификаций, перечисленных в Табл. 12. На их основе обычным способом рассчитана кривая прочности (Раздел 26.4.4) с результатами, показанными на Рис. 19.

Табл. 12. Основные характеристики 90-мм пушки A-Z.


Одним из требований, определяющих выбор спецификаций для ствола, было то, что для экономии времени, необходимого для изготовления специальной установки при экспериментальной стрельбе использовалась 120-мм орудийная установка M1. Кроме того, была рассмотрена возможность использования с незначительными изменениями 120-мм казённика и клина.

Конструкция камеры предполагала несколько компромиссов. Её общий объем был определён основными спецификациями. Длинная тонкая гильза была предпочтительна с точки зрения прочности ствола, и, фактически, требование использовать 120-мм казенник накладывало верхний предел на диаметр камеры сзади. Что касается простоты изготовления и манипулирования автоматическим механизмом заряжания, предпочтение отдается короткой гильзе. Компромисс между этими двумя конкурирующими требованиями привел к созданию камеры длиной 34 дюйма и диаметром 6 дюймов сзади. Этот диаметр соответствует соотношению стенок 2,6.



Рис. 19. Кривая прочности и кривая давление-путь для ствола 90-мм пушки A-Z.

Было решено сделать гильзу патрона из латуни из-за неопределенности относительно вероятности изготовления гильз из стали с высокой прочностью, необходимой для предотвращения заклинивания. Особое внимание в конструкции было уделено предотвращению растрескивания вблизи внутреннего угла донца.

Принятая конструкция поковки была модификацией поковки для 120-мм орудия. Окончательные наружные размеры казённой части были сделаны идентичными размерам 120-мм ствола, чтобы ствол соответствовал установке. Весь ствол был несколько длиннее (315,0 дюйма вместо 283,5 дюйма), чем 120-мм, и передняя часть была выполнена с меньшим внешним диаметром. При такой конструкции максимальная деформация в стволе в начале нарезки была 0,0028 дюйма на дюйм, а в большом конусе камеры она была 0,0031 дюйма на дюйм. Эти значения напряжения близки к тому, которое отделяет критически напряженный ствол от нормально напряженного.

31.8.3 Стволы орудия

Проект A-Z был остановлен с прекращением деятельности Отдела 1. Однако подготовка поковок стволов зашла достаточно далеко, так что казалось целесообразным закончить их. Шесть ковочных заготовок были отлиты из легированной стали, содержащей почти 3% никеля, около 0,9% хрома, около 0,5% молибдена и около 0,1% ванадия. Указанный минимальный предел текучести был 130000 фунтов на квадратный дюйм.

Во время механической обработки поковок, подвергнутых термообработке, в четырех из них были обнаружены трещины в стали, и их пришлось отбраковать. В одном случае трещины не были раскрыты до последней операции хонингования. Изучение данных испытаний, включая исследование микроструктуры, позволило предположить, что причиной такого высокого процента брака был низкий опыт плавления, что привело к получению стали с количеством включений слишком высоким, чтобы обеспечить необходимую степень целостности готовой поверхности.

Обработка двух стволов была завершена в части внешней, камеры и гладкого канала. Эти стволы, готовые к нарезке, были отправлены в Арсенал Уотервли в апреле 1946, после того как было достигнуто соглашение с Департаментом Материальной Части Армии о том, что он завершит их изготовление и испытает их. Оружейная Фабрика Флота согласилась хромировать их в сотрудничестве с Секцией Электрохимии Национального Бюро Стандартов. Изначальная конструкция этих стволов требовала заостренных полей; но с учетом результатов работ с 37-мм пушкой T47, описанных в Разделе 31.7.4, это решение необходимо пересмотреть.