Giải pháp thiết kế thuật phóng ngoài đạn cối huấn luyện sử dụng nhiều lần theo nguyên lý đồng dạng đường đạn

Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực N.Đ.Hào,.., “Giải pháp thiết kế...đồng dạng đường đạn.” 148 Gi¶I ph¸p thiÕt kÕ thuËt phãng ngoµi ®¹n cèi huÊn luyÖn sö dông nhiÒu lÇn theo nguyªn lý ®ång d¹ng ®­êng ®¹n NGUYỄN ĐÌNH HÀO, BÙI NGỌC HƯNG, ĐẶNG HỒNG TRIỂN, NGUYỄN THANH TÙNG Tóm tắt: Bài viết xây dựng và giới thiệu về kết cấu, nguyên lý làm việc của đạn cối huấn luyện. Đưa ra giải pháp thiết kế thuật phóng ngoài cho đạn cối huấn luyện sử dụng nhiều lần theo nguyên lý đồng dạng đường đạn. Trình bày giải pháp xác định hệ số lực cản không khí lên đạn con Cx(v/a) và sơ tốc đạn con để đảm bảo tầm bắn đạn con bằng 1/10 đạn chiến đấu (đối với đạn cối 60 mm ta lấy tỷ lệ 1/5). Kết quả của giải pháp thiết kế này chính là thông số đầu vào cho thiết kế thuật phóng trong và giải pháp tối ưu hóa thông số thiết kế đạn cối huấn luyện. Từ khóa: Đạn cối huấn luyện, Đồng dạng đường đạn, Thuật phóng ngoài. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Phát triển các thiết bị huấn luyện quân sự là một yếu tố quan trọng giảm thiểu chi phí, tối đa hóa hiệu quả đào tạo và đảm bảo an toàn huấn luyện. Chính vì vậy đề tài cần nghiên cứu phát triển các loại đạn cối huấn luyện có thể sử dụng nhiều lần trong huấn luyện thao tác chiến đấu đảm bảo an toàn, tin cậy, đánh giá đúng chất lượng huấn luyện với chi phí thấp. Giải pháp thiết kế xuất phát từ yêu cầu chiến kỹ thuật kết hợp với việc giải quyết bài toán Thuật phóng ngoài sẽ xác định được các phần tử bắn ban đầu đó là sơ tốc, hệ số phóng và góc bắn của đạn con. Vấn đề đầu tiên trong bài toán thuật phóng ngoài là việc xác định hệ số lực cản của không khí lên đầu đạn con (hệ số hình dạng đạn i), vấn đề thứ hai là xác định sơ tốc của đạn con tương ứng với các liều phóng khác nhau của đạn cối chiến đấu. Kết quả của bài toán thiết kế thuật phóng ngoài là cơ sở để giải quyết bài toán thiết kế thuật phóng trong. 2. KẾT CẤU VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA ĐẠN CỐI HUẤN LUYỆN 2.1 Kết cấu Năm 2012, Viện Vũ khí – Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng đã được giao nhiệm vụ nghiên cứu tìm hiểu về hệ đạn cối huấn luyện sử dụng nhiều lần. Với mục tiêu tạo ra quỹ đạo đường đạn huấn luyện đồng dạng với quĩ đạo của đạn cối trong trang bị khi bắn, đề tài đã nghiên cứu và áp dụng kết cấu đạn huấn luyện gồm hai phần được mô tả trong hình 1, và gọi đó là nguyên lý kết cấu đạn trong đạn. Hình 1. Cấu tạo đạn huấn luyện chiến đấu bắn trên súng cối 60 mm VN 1 – đạn mẹ; 2 – đạn con. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 149 Trong đó: - Đạn mẹ (có thể tái sử dụng nhiều lần), có kích thước bao giống đạn cối chiến đấu trong trang bị, khối lượng được tính toán thiết kế cùng với đạn con tương đương với đạn chiến đấu. Sau khi bắn, đạn mẹ được đẩy ra khỏi nòng cối với khoảng cách dưới 20 m, có thể thu nhặt để sử dụng lại. - Đạn con: bao gồm liều phóng (a) và đầu đạn mô phỏng (b): + Liều phóng: được thiết kế với các liều tương đương như đạn chiến đấu thông qua bảng bắn quy đổi theo nguyên lý đồng dạng đường đạn (sau khi bắn nằm lại trong đạn mẹ do đó cũng có thể sử dụng nhiều lần). Ngoài ra, cũng bằng một liều phóng này phải đẩy được đồng thời cả đạn mẹ và đạn mô phỏng. Do đó năng lượng của liều thuốc phóng này phải được phân phối theo tỷ lệ thích hợp để tác động đẩy đạn mẹ và đầu đạn mô phỏng (như vậy phải giải quyết bài toán tối ưu phân bố năng lượng thuốc phóng). + Đầu đạn mô phỏng: bao gồm ngòi nổ và ống chỉ thị điểm nổ (phần này không sử dụng lại được). Tầm bắn của đầu đạn mô phỏng được tính toán thiết kế trên cơ sở nguyên lý đồng dạng đường đạn tương ứng với từng liều của đạn chiến đấu, đảm bảo chỉ huy huấn luyện dễ quan sát và đánh giá đúng chất lượng huấn luyện (thông thường khoảng 1/10 hoặc 1/5 lần so với đạn chiến đấu - dữ liệu tham chiếu từ các bảng bắn đạn chiến đấu). 2.2 Nguyên lý làm việc: Các bước của quá trình bắn của hệ thống mô phỏng huấn luyện súng cối được minh họa trong hình 2. Các đầu đạn con và đạn mẹ được lắp ráp lại với nhau và nạp vào nòng súng cối. Đạn huấn luyện (đạn mẹ lắp với đạn con) tương đương với đạn chiến đấu về kích thước hình học, khối lượng và tính năng hoạt động (chỉ thị mục tiêu) và được sử dụng bắn trên súng cối chiến đấu [1]. Hình 2. Mô tả quá trình bắn súng cối huấn luyện chiến đấu. Khi bắn, liều phóng của đạn con được mồi cháy sau khi đạn huấn luyện chạm đáy nòng súng cối. Năng lượng thuốc phóng được cung cấp để đẩy đầu đạn mô phỏng và đạn mẹ thông qua các lỗ trích khí trong vỏ liều được cố định bên trong lòng đạn mẹ. Dưới tác dụng của áp lực khí thuốc đầu đạn mô phỏng được đẩy bay ra khỏi vỏ liều, ra khỏi đạn mẹ và nòng súng cối; đồng thời đạn mẹ cũng được đẩy bay ra khỏi nòng súng cối với khoảng cách dưới 20 m. Chính vì vậy chúng tôi chỉ thiết kế thuật phóng ngoài cho đạn con. 3. BÀI TOÁN THIẾT KẾ THUẬT PHÓNG NGOÀI Hai vấn đề của bài toán thuật phóng ngoài đó là việc xác định hệ số lực cản không khí lên đạn con Cx(v/a) và xác định sơ tốc đạn con để đảm bảo tầm bắn đạn con bằng 1/10 đạn chiến đấu (đối với đạn cối 60 mm ta lấy tỷ lệ 1/5). Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực N.Đ.Hào,.., “Giải pháp thiết kế...đồng dạng đường đạn.” 150 3.1. Hệ số lực cản chính diện tác dụng lên đạn con Có nhiều phương pháp để xác định hệ số lực cản chính diện như phương pháp thồi khí trong ống khí động hay bắn thực nghiệm, tuy nhiên các phương pháp trên đều có những nhược điểm nhất định và tương đối tốn kém. Người ta đã chứng minh rằng hệ số lực cản chính diện phụ thuộc vào 3 thông số: số Mách, góc chương động  và hình dạng đạn. Thực nghiệm cho thấy đường cong Cx(v/a) của các loại đạn có đặc trưng khí động học gần giống nhau thì đồng dạng với nhau và tỷ lệ với nhau thông qua hệ số hình dạng đạn i. Vậy để xác định hệ số lực cản không khí lên một hệ đạn nào đó chỉ cần xác định đối với đạn mẫu rồi tính thông qua hệ số i [2], [4]. Để xác định hệ số hình dạng đạn con ta cần phải xác định lại hệ số hình dạng đạn chiến đấu (tính điển hình cho đạn cối 60 mm) với các thông số ban đầu là sơ tốc đạn ở các liều và tầm bắn ở liều tương ứng (xác định thông qua bảng bắn). Sau đó lấy hệ số hình dạng đạn con bằng với đạn mẹ, những sai số sẽ được điều chỉnh trong quá trình thực nghiệm. Bảng bắn sơ lược cho súng và đạn cối 60 mm thể hiện trong bảng 1. Bảng 1. Bảng bắn sơ lược cho súng và đạn cối 60 mm. STT Liều 0 Liều 1 Liều 2 Liều 3 Sơ tốc V0 (m/s) 65 93 115 134 Góc bắn 0 (độ) 45 o 80o 45o 80o 45o 80o 45o 80o Tầm bắn X (m) 400 137 777 266 1123 386 1446 500 Tầm bắn quy đổi (dung trong huấn luyện) – XHL = 1/5 X 80 27,4 155,4 53,2 224,6 77,2 289,2 100 Hệ số hình dạng đạn cối chiến đấu được xác định bằng việc tối ưu hóa sai lệch tầm bắn thực tế và tầm bắn tính toán theo công thức sai lệch cái nhiên [3]: i : là hệ số hình dạng đạn; X1, X2 : là tầm bắn của đạn chiến đấu bắn ở sơ tốc 65 m/s (liều 0) với các góc bắn 45° và 80°; X3, X4 : là tầm bắn của đạn chiến đấu bắn ở sơ tốc 134 m/s (liều 3) với các góc 45° và 80°; Xi được xác định bằng việc giải phương trình vi phân thuật phóng ngoài, sau đó ta sẽ xác định được giá trị i để R(i) min. Việc xác định i để R(i) min có thể hiểu là việc quy đạn chiến đấu thành đạn mẫu đối với đạn con, do đạn con và đạn chiến đấu đồng dạng với nhau nên ta chọn i là hệ số hình dạng cho đạn con. Theo tài liệu [5] ta có hệ phương trình thuật phóng ngoài: (2) 0. ( ). ( ) .sin( ) . os( ) .sin( ) . os( ) V C y F v g g c V y V x V c                       2 2 2 2 1 2 3 4( ( ) 137) ( ( ) 400) ( ( ) 500) ( ( ) 1446)( ) 4 X i X i X i X i R i         Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 151 trong đó, 3 o 2 o 10 Q id C  . Với đạn cối 60mm chiến đấu trong trang bị có khối lượng m=1,33 kg; đường kính đạn d=60 mm. Giải hệ phương trình (2) với các giá trị khác nhau của i sau đó tính toán R(i) ta sẽ xác định được R(i) min và xác định được i. Kết quả tính toán được thể hiện bằng đồ thị trong hình 3. Với i=1,1276  R(i)min = 3,64 m Vậy ta chọn hệ số hình dạng đạn con là i=1,1276. Hình 3. Đồ thị R(i) Hình 4. Đồ thị V0(1). 3.2. Xác định vận tốc đạn con Sau khi xác định được hệ số hình dạng đạn con ta cần xác định sơ tốc đạn con Vo để đạt tầm bắn bằng 1/5 tầm bắn của đạn chiến đấu theo bảng bắn (đạn cối 60 mm). Việc xác định Vo chính là việc tối ưu hóa sai lệch tầm bắn thực tế và tầm bắn tính toán đối với mỗi liều phóng tương ứng. Ở đây ta tính toán cho liều 1 Tính toán tương tự như trên ta sẽ xác định được Vo để R(Vo) min, với đạn con có khối lượng m=0,187 kg, đường kính đạn d=25 mm; sau khi tính toán ta có đồ thị V0(1) theo hình 4. Ta thấy với Vo = 39,7 m/s thì R(Vo) min = 0,4 m. Vậy yêu cầu đối với bài toán thuật phóng trong là đạt được sơ tốc 39,7 m/s đối với liều 1. Sau khi tính toán tương tự với các liều khác và tính lại bài toán thuật phóng ngoài đối với đạn con ta có bảng kết quả 2. 2 2 1 2( ( ) 53, 2) ( ( ) 155, 4)( ) 2 o o o X V X V R V     Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực N.Đ.Hào,.., “Giải pháp thiết kế...đồng dạng đường đạn.” 152 Bảng 2. Bảng bắn sơ lược cho đạn con. STT Liều 1 Liều 2 Liều 3 Sơ tốc Vo (m/s) 39,7 48,1 54,8 Góc bắn (độ) 45o 80o 45o 80o 45o 80o Tầm bắn X (m) 155 52,7 225,4 76,2 288,1 98,1 4. KẾT LUẬN Bằng việc tối ưu hóa các sai lệch tầm bắn thực tế và tầm bắn tính toán của đạn chiến đấu và đạn con ta đã xác định được hệ số hình dạng và sơ tốc cần thiết của đạn con làm cơ sở cho bài toán thiết kế thuật phóng trong và thiết kế kết cấu cụ thể của đạn cối huấn luyện. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. R.Bansevicius, A.Fedaravicius, V.Ostasevicius, M.Ragulskis, Development of laser rifle trainer with full shot imitation, Shock and Vibration, Vol.11, 2004, pp.81-88. [2]. A.Fedaravicius, V.Jonevicius, M.Ragulskis, Development of mortar training equipment with shell-in-shell system, Abstracts of the 75th Shock & Vibration Symposium, 2004, p.70-71. [3]. A.Fedaravicius, V.Jonevicius, M.Ragulskis, Development of mortar simulator with shell-inshell system – problem of external ballistics, Shock and Vibration, Vol.14, 2007, pp.371-376. [4]. A.Fedaravicius, M.Ragulskis, Z.Klimavicius, Computational support of the development of a mortar simulator with re-usable shells, 2nd International Conference on Computational Ballistics, 2005, Proceedings Vol. II, pp.381- 389. [5]. §ç V¨n Thä, Gi¸o tr×nh thuËt phóng ngoài, NXB QĐND (2003), tr. 140-174. ABSTRACT DESign solutions of external ballistics for Development of mortar training equipment with shell-in-shell system The articles building and introducing structure, working principle of mortar training. Provide design solutions external ballistics of training mortar reusable principle ballistic uniformity. Presenting solutions determination of air drag on the bullet Cx (v / a) and the muzzle velocity to ensure the firing range combat ammunition 1/10 (for 60 mm mortars we take the ratio 1/5). The result of this design solution is the input parameters for design and technology reporter for solutions to optimize design parameters mortar training. Nhận bài ngày 08 tháng 09 năm 2014 Hoàn thiện ngày 09 tháng 01 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 02 năm 2015 Địa chỉ: Viện Tên lửa – Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự.