О нагреве артиллерийских (и не только) стволов

Ффух... ну давай совсем на пальцах, с запредельным огрублением "Поперечное" движение никто не отменял, и пофиг, как там чего летит "вдоль". На сопло и КС РД посмотри: там всё тоже летит, и, кстати, куда быстрее, чем в стволе - а передавать какую-то долю тепла (те самые единицы процентов) вполне ухитряется.

На самом деле теплопередача всегда зависит от характеристик погранслоя. Тут уже и геометрия роялит, и состав, и скорость, и степень турбулентности...

Упд: вот и типа как в примере Варбана - такое управление погранслоем. Нечто схожее делает абляционная защита.

Fakir> На самом деле теплопередача всегда зависит от характеристик погранслоя. Тут уже и геометрия роялит, и состав, и скорость, и степень турбулентности...

Ты сообщение Варбана выше читал? Ничтожная бумажка орагнизует погранслой изменяющий теплопередачу вдвое-втрое...
В учебничке разумно написанно:

Образовавшиеся при горении метательного заряда пороховые газы с температурой порядка 3000° градусов Цельсия оказывают давление на донную часть снаряда, придавая ему ускорение. Это ускорение не является постоянным во времени, оно меняется из-за изменений силы давления газов на днище снаряда и силы трения о стенки канала ствола орудия. В нарезных орудиях последняя существенно больше, чем в гладкоствольных. Однако врезание снаряда в нарезы позволяет придать ему вращение вокруг продольной оси симметрии и стабилизировать его полет после вылета из орудия. Так как снаряд покидает ствол за очень короткий промежуток времени, то в процессе расширения пороховых газов до его вылета не успевает произойти сколь-нибудь значительный теплообмен с окружающей средой; процесс в первом приближении можно считать адиабатическим. Значительный нагрев канала ствола при выстреле обусловлен большими силами трения между снарядом и стенками канала, особенно у нарезных орудий. Подробно движение снаряда внутри орудия изучает внутренняя баллистика.

 

Ня И как это понимать?

Fakir> На самом деле теплопередача всегда зависит от характеристик погранслоя. Тут уже и геометрия роялит, и состав, и скорость, и степень турбулентности...

Для теплопередачи еще важна и длительность процесса. Теплопередача (или параметры термоизоляции) меряется как сколько ватт передается на единицу площади за определённое время. В сопле РД процесс идет секунды и дольше. Выстрел (один) длится на 3 порядка быстрее. А женщины температуру утюга вообще часто рукой щупают

Я думаю что трение играет большую роль в нагреве ствола, особенно в малых калибрах. Обжать пулю и прогнать через нарезы - нагрев должен быть существенным. Можно даже измерить это влияние - выстрелить гладкой строго калиберной пулей из гладкого ствола (строго цилиндр) и сравнить ее температуру на выходе с выстрелом нарезной пули при аналогичном же заряде.

varban> В артиллерии есть аналог завесного охлаждения. Берется кусок бумаги, пропитывается церезином ...

Скорее, это аналог абляционного

Fakir> Скорее, это аналог абляционного

... для гилзы?

Sheradenin> ...Теплопередача (или параметры термоизоляции) меряется как сколько ватт передается на единицу площади за определённое время.

Придиразм: джоулей Ватт сам себе время
Вот именно с временем процесса меня сомнения и берут...

Wyvern-2> Придиразм: джоулей Ватт сам себе время
Ага, спасибо - перебор вышел

Wyvern-2> Вот именно с временем процесса меня сомнения и берут...
Особенно если вспомнить как быстро при работе раскаляется рабочая часть металлорежущего инструмента- и без всякого порохового газа.

Wyvern-2>> Вот именно с временем процесса меня сомнения и берут...
Sheradenin> Особенно если вспомнить как быстро при работе раскаляется рабочая часть металлорежущего инструмента- и без всякого порохового газа.

А теперь представь себе, что резец касается детали всего на несколько миллисекунд с частотой 500-600 раз в минуту. Разогреется деталь?

Sheradenin> Для теплопередачи еще важна и длительность процесса.

Мотор-пушка [Fakir#04.11.11 22:53]

22% в стенку уходить не может однозначно - это совершенно чудовищная величина. Время контакта газов со стенкой крайне мало, процесс-то вполне справедливо рассматривается как почти адиабатический

 

Sheradenin> Я думаю что трение играет большую роль в нагреве ствола, особенно в малых калибрах. Обжать пулю и прогнать через нарезы - нагрев должен быть существенным.

Померить не могу, честно сосчитать тоже проблематично. Но на уровне спинного мозга - влияние трения не больше, чем тупо теплопередачи. Я бы сказал, от примерно такого же до в 10-30 раз меньшего.

Что до нарезов - там, ИМХО, нагрев за счёт деформации будет больше, чем собственно за счёт трения.

Sheradenin> Можно даже измерить это влияние - выстрелить гладкой строго калиберной пулей из гладкого ствола (строго цилиндр) и сравнить ее температуру на выходе с выстрелом нарезной пули при аналогичном же заряде.

Измерить можно, хотя и сложно; корректно замерить температуру пули - сильно нехалявная задача. Навскидку даже не очень представляю, как это лучше сделать, в голову приходит какой-нить сверхскоростной инфракрасной камерой-спектрометром.
Но тогда для сравнения лучше взять пулю, выбрасываемую не "горячими" пороховыми газами, а "холодной" пневматикой.
Да собственно, замечал ли кто-нибудь, чтобы у неё, у любой пневматики, вообще грелся ствол?
Что уже наводит на мысли.

Fakir>> На самом деле теплопередача всегда зависит от характеристик погранслоя. Тут уже и геометрия роялит, и состав, и скорость, и степень турбулентности...
Wyvern-2> Ты сообщение Варбана выше читал? Ничтожная бумажка орагнизует погранслой изменяющий теплопередачу вдвое-втрое...

Ну да. Именно потому, что влияет на все эти вещи.

http://www.ecomash.ru/account/259/274/

Wyvern-2> В учебничке разумно написанно:
Wyvern-2> Ня И как это понимать?

Именно так и понимать: на нагрев собственно ствола идёт порядка единиц процентов. "О чём неоднократно говорили большевики".
Процесс быстрый, контакт недолгий, теплообмен неинтенсивный. В результате стволу достаются в виде тепла лишь единицы процентов от всей энергии пороха.

Собственно, это общий случай для любого газообмена. Метеориту тоже достаётся в виде тепла лишь малая доля от его кинетической энергии - если б было иначе, то камни с неба действительно не падали бы никогда ("до батареи одни уши доехали").

Fakir>> Скорее, это аналог абляционного
varban> ... для гилзы?
varban>

А для всего. Эффективность абляционки, вопреки распространённому мнению, минимум наполовину обусловлена вовсе не поглощением тепла при пиролизе, а именно влиянием на погранслой выдуваемых газов - продуктов пиролиза. Еще в 50-е делались опыты - когда газ аналогичного состава и температуры (как и при разложении материала) просто прокачивали через пористую поверхность с соответствующим расходом, но безо всякого теплопоглощения разложением и фазовым переходом.

Sheradenin>> Я думаю что трение играет большую роль в нагреве ствола, особенно в малых калибрах. Обжать пулю и прогнать через нарезы - нагрев должен быть существенным.
Fakir> Померить не могу, честно сосчитать тоже проблематично. Но на уровне спинного мозга - влияние трения не больше, чем тупо теплопередачи. Я бы сказал, от примерно такого же до в 10-30 раз меньшего.

Там есть три пути,каким ствол нагревается:
- Теплопередача излучением от раскаленного содержимого канала ствола, которое весьма активно светит в диапазоне от ИК до видимого света. ИМХО - это посчитать проще всего остального.

- Теплопередача от непосредственного контакта с содержимым канала ствола. Как считать - ХЗ.

- Нагрев от трения и деформации проходящей по нарезам пули. Тут можно только эмпирически померять. Кстати, выстрел холостым(с мягким пыжом) должен заметно меньше нагревать ствол.

Кстати, именно первые два фактора нагревают гильзу (если выстрел первый и патронник холодный)
. Можно измерить сразу после выстрела температуру гильзы и температуру нарезов в канале ствола.

Fakir> Да собственно, замечал ли кто-нибудь, чтобы у неё, у любой пневматики, вообще грелся ствол?
Fakir> Что уже наводит на мысли.
Сравнил. У пневматики ствол относительно пули как "бревно", сама пулька легкая и мягкая, фактор деформации и нарезания там практически незаметен. И таки да, пулька очень неплохо греется - свежестрелянные как-то щупал в школьные времена, они были заметно теплые.

Wyvern-2>>> Вот именно с временем процесса меня сомнения и берут...
Sheradenin>> Особенно если вспомнить как быстро при работе раскаляется рабочая часть металлорежущего инструмента- и без всякого порохового газа.
Wyvern-2> А теперь представь себе, что резец касается детали всего на несколько миллисекунд с частотой 500-600 раз в минуту. Разогреется деталь?

Еще как нагреется. Все же зависит от силы,с которой происходит прижим. А для обжатия на десятую долю миллиметра и прохождение нарезов сила нужна немалая (руками пулю через канал ствола не протолкнуть).

Да и стоит вспомнить о температуре броневых осколков, которые получаются при ударе броню. За миллисекунду происходит деформация и откол - в результате очень горячий осколок.

varban> В ходе горения заряда церезин газифицируется и формирует более холодный пристеночный слой. Таким образом можно увеличить ресурс ствола очень сильно - в два-три раза.
Ничего не бывет бесплатно.
Если вы положите в гильзу чего-нибудь для охлаждения, тогда потери энергии пороха будут еще больше, дульная скорость снаряда уменьшится, а стало быть и дальность стрельбы. При проектировании артсистем всегда решают задачу оптимизации: скорость/дальность/живучесть/прочность/масса и т.д.
Если ствол теряет живучесть, значит надо уменьшить заряд, а не усложнять систему всякими прокладками.
varban> Такое решение почти что стандартно для калибров 85...152, стреляющих баллиститным порохом.
К сожалению не слыхал о таком повсеместном использовании. Тем более для систем с раздельным (картузным) заряжанием.

Sheradenin> Теплопередача излучением от раскаленного содержимого канала ствола, которое весьма активно светит в диапазоне от ИК до видимого света. ИМХО - это посчитать проще всего остального.

Это самый дохлый канал Совершенно пренебрежимый.

Sheradenin> Теплопередача от непосредственного контакта с содержимым канала ствола. Как считать - ХЗ.

Как считать - известно, непонятно, где вводные брать (рейнольдсы и пр.) Может, кто-то это давно насчитал при численном моделировании процессов в стволе или в каких-то других установках. Некое сходство должно быть и с цилиндрами поршневых двигателей.

Sheradenin> Нагрев от трения и деформации проходящей по нарезам пули. Тут можно только эмпирически померять.

Напрямую температуру пули мерить оч. трудно.
Проще уж иначе: из известных параметров теплоты и температуры сгорания пороха и параметров ствола и длительности выстрела сосчитать теоретическую скорость пули на срезе ствола (т.е. макс. доступную энергию), а скорость фактическую замерить не составляет труда. Разница и есть потери на трение т.е. нагрев трением.
Вот поделить этот нагрев между стволом и пулей - тоже неочевидно

В любом случае, главное, с чего речь зашла - что ствол греют единицы процентов энергии пороха; каким образом эти проценты распределяются между прямым нагревом и трением - вопрос номер следующий, и более академический.

Sheradenin> Кстати, выстрел холостым(с мягким пыжом) должен заметно меньше нагревать ствол.

1. Надо точно знать, так ли это на деле.
2. Даже если так - само по себе недостаточно доказательно, т.к. при лёгком заряде и время контакта газов со стволом меньше.

Sheradenin> Сравнил. У пневматики ствол относительно пули как "бревно", сама пулька легкая и мягкая, фактор деформации и нарезания там практически незаметен.

Я имел в виду не воздушку из тира , а что-нибудь посерьёзнее, по-настоящему убойное, с ощутимой дульной энергией.

Sheradenin> И таки да, пулька очень неплохо греется - свежестрелянные как-то щупал в школьные времена, они были заметно теплые.

Она греется больше при попадании во что-то. См. выше себя же - "пулька легкая и мягкая".

Garry_s> Если вы положите в гильзу чего-нибудь для охлаждения, тогда потери энергии пороха будут еще больше,

Да это не для охлаждения как такового. Точно так же, как и шуба - не для нагрева.
Поэтому на потери как раз не влияет, скорее уж уменьшает - поскольку чуть меньше уходит в стенку.

Sheradenin>> И таки да, пулька очень неплохо греется - свежестрелянные как-то щупал в школьные времена, они были заметно теплые.
Fakir> Она греется больше при попадании во что-то. См. выше себя же - "пулька легкая и мягкая".

О то ж! Рассуждаем так - деформируется тировая пулька при попадании по твердому весьма заметно, однако какое-то подобие формы сохраняется и объем продеформировавшего свинца тоже понятен.

А теперь представим что за миллисекунду сминается несколько большее количество, и не свинца а меди или чего похуже.

Кстати еще один простой эксперимент - прогнать шомполом и молотком нестреляную пулю через нарезной ствол за минимальное время. А потом - термометр И если меня интуиция не подводит, то этот же процесс проведенный с скоростью выстрела даст температуру много большую (причем большую как бы не пропорциональное отношению времен).

Fakir> Да это не для охлаждения как такового. Точно так же, как и шуба - не для нагрева.
Fakir> Поэтому на потери как раз не влияет, скорее уж уменьшает - поскольку чуть меньше уходит в стенку.
Еще раз повторяю: закон сохранения энергии прокладки отменяют, что-ли?
На возгонку пропитки откуда тепло возьмется? Из пороха.
А если это просто "шуба", то она уменьшает свободный ОБЪЕМ гильзы, а это важнейший параметр, кардинально влияющий на величину давления при сгорании пороха: оно возрастет до нерасчетной величины, следовательно придется уменьшить навеску пороха, значит упадет энергия, и поехали...

Sheradenin> О то ж! Рассуждаем так - деформируется тировая пулька при попадании по твердому весьма заметно, однако какое-то подобие формы сохраняется и объем продеформировавшего свинца тоже понятен.
Sheradenin> А теперь представим что за миллисекунду сминается несколько большее количество, и не свинца а меди или чего похуже.

Дык фишка в том, что раз сминается пуля - то и нагрев достаётся именно ей. "Напрямую". Причём не с поверхности вглубь "диффундируя", а по всему деформированному объёму, "изнутри", от самых потрохов.
А стволу - только то, что успеет от пули перейти.
Мы ж нагрев ствола обсуждали, не?

Sheradenin> Кстати еще один простой эксперимент - прогнать шомполом и молотком нестреляную пулю через нарезной ствол за минимальное время. А потом - термометр И если меня интуиция не подводит, то этот же процесс проведенный с скоростью выстрела даст температуру много большую (причем большую как бы не пропорциональное отношению времен).

Подводит. Если сила трения та же самая (это допущение, но вряд ли в жизни она очень уж сильно будет различаться - ну может в разы, однако не на порядки) - то и работа её на фиксированном пути (длина ствола) та же самая, от времени не зависит.

Garry_s> Еще раз повторяю: закон сохранения энергии прокладки отменяют, что-ли?
Garry_s> На возгонку пропитки откуда тепло возьмется? Из пороха.

Да, на возгонку или там реакции какие сопутствующие чего-то уйдёт.
Но зато за счёт уменьшения теплопередачи в ствол - туда уйдёт меньше тепла. Что окажется преобладающим чисто по энергобалансу - хз, может в ноль, может чуть отклонится в одну из сторон. Зато ресурс сберегается.

Garry_s> А если это просто "шуба", то она уменьшает свободный ОБЪЕМ гильзы, а это важнейший параметр, кардинально влияющий на величину давления при сгорании пороха: оно возрастет до нерасчетной величины, следовательно придется уменьшить навеску пороха, значит упадет энергия, и поехали...

Не думаю, что от таких малых величин изменения окажутся достаточно существенными. Наверняка же единицы процентов.
Впрочем, надеюсь, относительно таких деталей Варбан просветит

Garry_s> К сожалению не слыхал о таком повсеместном использовании. Тем более для систем с раздельным (картузным) заряжанием.

... живучесть 180-мм стволов возросла с 70–100 выстрелов до 360, 130-мм стволов с 120–130 выстрелов до 1000, 100-мм стволов с 90 до 799 выстрелов. С применением флегматизаторов она увеличилась еще в 2 раза.

 

// ВОЕННАЯ ЛИТЕРАТУРА --[ Военная история ]-- Перечнев Ю. Г. Советская береговая артиллерия


Специально поискал пример для систем с картузным заряжанием. Для раздельно-гильзовых и патронных систем с зарядом из баллистита это норма. Чем крупнее калибр и больше плотность заряжания, тем полезнее.

Флегматизатор изменяет начальную скорость снаряда на несколько метров в секунду. Интересно отметить, что в орудиях высокой баллистики без флегматизатора давление и начальная скорость падают из-за уменьшения плотности заряжания. Если камора полупустая, то флегматизатор не изменяет или даже слегка снижает давление и скорость.
Во всех случаях ресурс увеличивается.

Иногда в качестве флегматизатора используют части заряда. Пример - корпуса сгорающих гильз к танковым пушкам.

Sheradenin>> Теплопередача излучением от раскаленного содержимого канала ствола, которое весьма активно светит в диапазоне от ИК до видимого света. ИМХО - это посчитать проще всего остального.
Fakir> Это самый дохлый канал Совершенно пренебрежимый.

ИМХО при той температуре этот канал примерно того же порядка что и перенос от непосредственного контакта.

Fakir> Дык фишка в том, что раз сминается пуля - то и нагрев достаётся именно ей. "Напрямую". Причём не с поверхности вглубь "диффундируя", а по всему деформированному объёму, "изнутри", от самых потрохов.
Fakir> А стволу - только то, что успеет от пули перейти.
Fakir> Мы ж нагрев ствола обсуждали, не?
Эдак рассуждая можно договорится что в металлообработке охлаждать нужно в основном деталь, а инструмент т.к. сам не деформируется и почти не стачивается, то он и не греется.

Sheradenin> ИМХО при той температуре этот канал примерно того же порядка что и перенос от непосредственного контакта.

Это неправильное ИМХО.
При "химических" температурах и тех плотностях и размерах (газ оптически тонок ^*) светит он линейчато (а не как непрерывный спектр чёрного или серого тела), то есть интегральная излучаемая мощность весьма мала - по ср. с излучением твёрдого тела той же температуры.

Наглядный пример: пламя само по себе почти невидимо. Особенно спиртовое или тем более водородное. То есть и излучаемая мощность мала. Хотя температуры конские, и пальцы лучше не совать.

Наглядный пример №2: для космических кораблей, тормозящихся в атмосфере после схода с орбиты Земли, теплопоток на корпус от излучения составляет единицы процентов и часто воообще им пренебрегают. Это несмотря на температуры выше 6000, возникающие в процессе. Роль лучистого теплопереноса становится значимой (10% и более) лишь для возврата со скоростями выше 2-й космической (от 13 или 14 км/с, что ли), когда температуры за скачком становятся совсем дикими, 10 000 и еще выше, плюс плотность излучающего газа повышается.

^* В самый начальный момент, когда порох только сгорел, и газ еще не расширился, он может быть не совсем оптически тонок, но это в любом случае ненадолго. И в любом же случае он излучает меньше, чем чёрное тело той же Т.


Sheradenin> Эдак рассуждая можно договорится что в металлообработке охлаждать нужно в основном деталь, а инструмент т.к. сам не деформируется и почти не стачивается, то он и не греется.

Дык там и характер деформации всё же другой, и контакт более продолжительный.

Fakir> ^* В самый начальный момент, когда порох только сгорел, и газ еще не расширился, он может быть не совсем оптически тонок, но это в любом случае ненадолго. И в любом же случае он излучает меньше, чем чёрное тело той же Т.

Зато плотность газов совершенно дикая. И скорости недетские - сотни метров в секунду. В узких каналах скорость газов приближается к звуковой. Неудивительно что всеми средствами стараются уменьшить газоприход в начальных моментах. В том числе и резким ухудшением энергетики приповерхностных слоев пороховых элементов.
А некоторые несознательные товарищи подозревают вредительство из-за каких-то несчастных 300 грамм церезина на ведро пороха

varban> Зато плотность газов совершенно дикая. И скорости недетские - сотни метров в секунду.

Ты хочешь сказать, что лучистый теплоперенос значим? Ответственно заявляю, что уж скорости ему точно не помогают