Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2018, № 11

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
 
16+ 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 11 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2018 

РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ:                                                                                                     ISSN 2071-6168 

Председатель  
Грязев М.В., д-р техн. наук, проф., ректор Тульского государственного университета. 
Заместитель председателя  
Воротилин М.С., д-р техн. наук, проф., проректор по научной работе. 
Ответственный секретарь  
Фомичева О.А., канд. техн. наук, доц., начальник Управления научно-исследовательских работ. 
Главный редактор 
Прейс В.В., д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой. 

Члены редакционного совета: 
Батанина И.А., д-р полит. наук, проф., –
отв. редактор серии «Гуманитарные науки»; 
Берестнев М.А., канд. юрид. наук, доц., – 
отв. редактор серии «Экономические и юридические 
науки». Часть 2. «Юридические науки»; 
Борискин О.И., д-р техн. наук, проф., – 
отв. редактор серии «Технические науки»; 
Егоров В.Н., канд. пед. наук, доц., –  
отв. редактор серии «Физическая культура. Спорт»; 

Заславская О.В., д-р пед. наук, проф., –
отв. редактор серии «Педагогика»; 
Качурин Н.М., д-р техн. наук, проф., –                          
отв. редактор серии «Науки о Земле»; 
Понаморева О.Н., д-р хим. наук, доц., – 
отв. редактор серии «Естественные науки»; 
Сабинина А.Л., д-р экон. наук, доц., – 
отв. редактор серии «Экономические и юридические 
науки». Часть 1. «Экономические науки».  
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ: 

Ответственный редактор 
Борискин О.И., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула). 
Заместитель ответственного редактора 
Ларин С.Н., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула). 
Ответственный секретарь 
Яковлев Б.С., канд. техн. наук (ТулГУ, г. Тула). 

Члены редакционной коллегии: 
Александров А.Ю., д-р техн. наук (Ковровская
государственная технологическая академия  
им. В.А. Дегтярева, г. Ковров); 
Баласанян Б.С., д-р техн. наук (Государственный 
инженерный университет Армении, г. Ереван,  
Армения); 
Васин С.А., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Дмитриев А.М., д-р техн. наук (Московский  
государственный технический университет  
«СТАНКИН», г. Москва); 
Запомель Я., д-р техн. наук (Технический  
университет Остравы, г. Острава, Чехия); 
Ковалев Р.А., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Колтунович Т.Н., д-р техн. наук (Люблинский 
технологический университет, г. Люблин, Польша); 
Кристаль М.Г., д-р техн. наук (Волгоградский 
государственный технический университет,  
г. Волгоград); 
Ларкин Е.В., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Мельников В.Е., д-р техн. наук (Национальный 
исследовательский университет «МАИ», г. Москва); 
 

Мещеряков В.Н., д-р техн. наук (Липецкий 
государственный технический университет,  
г. Липецк); 
Мозжечков В.А., д-р техн. наук  
(АО «Тулаэлектропривод», г. Тула); 
Распопов В.Я., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Савин Л.А., д-р техн. наук (Орловский 
государственный технический университет, г. Орел); 
Семилет В.В., д-р техн. наук (АО «Конструкторское 
бюро приборостроения», г. Тула);  
Сорокин П.А., д-р техн. наук (Российский  
университет транспорта «МИИТ», г. Москва); 
Степанов В.М., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Сычугов А.А., канд. техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Трегубов В.И., д-р техн. наук (АО «НПО «СПЛАВ», 
г. Тула); 
Чуков А.Н., д-р техн. наук (ТулГУ, г. Тула); 
Яцун С.Ф., д-р техн. наук (Юго-Западный  
государственный университет, г. Курск). 

Сборник зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных 
технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). ПИ № ФС77-61104 от 19 марта 2015 г. 
Подписной индекс сборника 27851 по Объединённому каталогу «Пресса России». 
Сборник включен в «Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть  
опубликованы научные результаты диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание 
учёной степени доктора наук», утвержденный ВАК Минобрнауки РФ. 
 
© Авторы научных статей, 2018 
© Издательство ТулГУ, 2018 

БАЛЛИСТИКА (ВНЕШНЯЯ, ВНУТРЕННЯЯ) 
 
 
 
УДК 623.4 
 
МНОГОКАМЕРНОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО  
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ГАЗОПОРОХОВОЙ СМЕСИ  
В РАБОЧИХ ЗОНАХ РГЧ 
 
В.А. Дунаев, В.М. Казаков, В.И. Козлов, Е.П. Поляков,  
В.Ю. Сладков, В.М. Теплов  
 
Разработано многокамерное экспериментальное устройство, имитирующее 
течение газопороховой смеси в характерных полостях разделяющихся боевых частей, 
позволяющее производить измерение давления и температуры продуктов сгорания порохового заряда. Приведены результаты расчетов процессов, протекающих в экспериментальном устройстве, с целью определения условий проведения экспериментов. 
Ключевые слова: разделяющаяся боевая часть, дымный ружейный порох, термопара, внутрибаллистические характеристики.  
 
Анализ конструктивных схем разделяющихся головных частей 
(РГЧ) показывает, что с точки зрения внутренней баллистики газовой динамики и теории тепломассообмена они могут быть представлены как ряд 
последовательно расположенных сообщающихся между собой полостей. 
Источником массы и энергии в РГЧ, как правило, является думный ружейный порох (ДРП) различного фракционного состава, имеющий в продуктах 
сгорания большое количество конденсированной фазы. 
Для определения локальных параметров газа в таких системах используются математические модели различной сложности, в которых продукты сгорания ДРП рассматриваются как газообразная среда с внутренними источниками тепла и массы. Во всех этих моделях учитывается теплообмен продуктов сгорания с различными поверхностями РБЧ, определяющий тепловые нагрузки на элементы конструкции и исполнительные 
механизмы. При этом теплообмен описывается известными уравнениями 
теплопроводности, в которые входит коэффициент теплообмена, зависящий от множества различных факторов. Зависимости для определения ко

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 11 

 

4 
 

эффициента теплообмена обычно являются критериальными, строятся на 
основе обработки экспериментальных данных и, как правило, имеют весьма ограниченную область применения. В рассматриваемом случае использование известных зависимостей осложняется наличием большого количества к-фазы в продуктах горения ДРП, существенно влияющих на процессы теплообмена. 

Таким образом, получить корректные внутрибаллистические харак
теристики процессов в рабочих полостях РГЧ расчетными методами не всегда возможно. Поэтому единственным возможным способом получения 
достоверных данных по интенсивности тепломассопереноса и тепловых 
нагрузок в рабочих полостях РГЧ является эксперимент. При этом практически во всех конструкциях РГЧ можно выделить три характерных полости, в которых процесс теплообмена имеет свою специфику. Это рабочая 
полость основного источника теплоносителя, где располагается заряд 
взведения, проточный тракт по которому перемещаются продукты сгорания заряд взведения и межэлементные полости или отсеки. 
Для определения интенсивности теплообмена в РГЧ было разработано многокамерное экспериментальное устройство (МЭУ) имитирующее 
течение газопороховой смеси в указанных характерных полостях (рис. 1). 
Устройство изготовлено на базе кассетной головной части и включает передний отсек с пороховым зарядом; макет боевого элемента; промежуточный отсек (проточный тракт), образованный внутренней поверхностью 
оболочки и наружной поверхностью макета боевого элемента; донный отсек, снабженный имитатором узла форсирования и сбросовым окном.  
Экспериментальное устройство работает следующим образом. В 
переднем отсеке располагается пороховой заряд 7 из дымного пороха 
(КЗДП или ДРП), который задействуется электровоспламенителем. Требуемый уровень давления обеспечивается подбором массы навески пороха и 
открыванием шести расходных каналов 2 в крышке переднего отсека 1, заглушенных пробками 3. Продукты сгорания заполняют передний отсек и 
по проточному тракту 10, образованному внутренней поверхностью оболочки 6, наружной поверхностью имитатора боевого элемента 12 и полукольцами 24, поступают в донный отсек 16. Накапливающиеся в донном 
объеме продукты сгорания, через воспламенительные каналы 19 в поршне 
15 воспламеняют донный пороховой заряд 18. При достижении определенного давления срезается крышка 22 и продукты сгорания вытекают в 
атмосферу через сбросовое окно 21 дна 20.  
Для регистрации давления и температуры пяти сечениях к оболочке 
приварены патрубки в которые ввинчиваются датчики давления 28 и 
температуры 25, 29. При этом в патрубке 25 устанавливается датчик 
температуры, имеющий спаренную термопару (ТП), а в патрубке 29 датчик 
температуры с одной термопарой. Места установки датчиков расположены 
в переднем отсеке (1 датчик давления и 2 датчика температуры), в 

Баллистика (внешняя, внутренняя) 

 

5 
 

проточном тракте (3 датчика давления и 6 датчиков температуры) и в 
донном отсеке (1 датчик давления и 2 датчиков температуры). Такое 
расположение датчиков позволяет получить достоверную информацию о 
процессах протекающих в характерных объемах РБЧ, повысить точность 
определения тепловых нагрузок и температуры в рабочих полостях. 

 

   
 
 
Рис. 1. Многокамерное экспериментальное устройство: 
1 – крышка переднего отсека; 2 – канал резьбовой, 3 – пробка;  
4 – полость накопительная; 5 – отсек передний; 6 – оболочка;  
7 – заряд пороховой; 8 – орган исполнительный; 9 – отсек  
парашютный; 10 – канал периферийный; 11 – наполнитель;  
12 – элемент боевой; 13 -  отсек промежуточный;  
14 - орган исполнительный; 15 – поршень;  
16 – отсек донный; 17 – соединение резьбовое; 18 – заряд пороховой;  
19 – каналы воспламенительные; 20 – дно; 21 – окно сбросовое;  
22 – крышка; 23 – винты крепежные; 24 – полукольцо;  
25 – термопара спаренная; 26 – основание; 27 – компенсатор объема;  
28 – датчик давления; 29 – термопара одиночная 
 
Для того чтобы определить условия проведения экспериментов, 
прежде всего массу заряда, следует рассчитать внутрибаллистические 
характеристики (ВБХ) рабочих процессов, протекающих в полостях 
экспериментального устройства. Расчеты проводились в термодинамической и двумерной газодинамической постановке. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 11 

 

6 
 

При решении задачи в термодинамической постановке использовался разработанный и используемый на предприятии программнометодический комплекс «Wnball-RGCH». Расчетная схема экспериментального устройства представлена на рис. 2. 
 

 
 
Рис. 2. Расчетная схема экспериментального устройства 
 
В качестве заряда использовалась навеска ДРП с температурой 
вспышки 460 К. Расчеты проводились при отсутствии заряда в донном 
объеме и закрытом сбросовом окне. Результаты расчетов при S0 = S4 = 0 и 
начальной температуре Tн = 323 К с учетом теплоотдачи приведены  
на рис. 3. 
 

 
 

 
Рис. 3. Графики изменения давления и температуры в объеме W1 

Баллистика (внешняя, внутренняя) 

 

7 
 

Из рис. 3 следует, что максимальное давление в переднем отсеке 
составляет pmax = 8,65 МПа, а максимальная температура Tmax = 2331 К. Характер кривых давления и температуры для других объемов экспериментального устройства практически аналогичен. В табл. 1 приведены расчетные значения pmax и Tmax при различных начальных температурах. 
 
Таблица 1  
ВБХ МЭУ при различных начальных температурах 
 
Объем 
Tн=323 К 
Tн=223 К 
pmax

pmax 
Tmax 
pmax 
Tmax 
Tн=323 К 
Tн=223 К 

1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 

W1 
8,45 
2302 
6,76 
1829 
8,60 
6,12 

W2 
7,67 
2032 
6,11 
1617 
8,59 
6,12 

W3 
7,67 
1967 
6,11 
1566 
8,59 
6,12 

W4 
7,67 
1752 
6,11 
1396 
8,45 
6,12 

 
В колонках 6, 7 даны результаты расчетов, проведенных по программному комплексу «МАТМЕХ», используемому на предприятии. Совпадение результатов расчетов по двум программным комплексам, следует 
признать удовлетворительным. Некоторое завышение максимального давления, полученное при расчетах по комплексу «МАТМЕХ» объясняется не 
учетом теплоотдачи граничным телам. 
Для выбора условий проведения экспериментов, соответствующих 
условиям функционирования реальных РГЧ, были проведены расчеты 
процессов в экспериментальном устройстве при различных массах заряда 
w1, результаты которых представлены в табл. 2. При этом учитывалось, 
что в донном объеме размещен дополнительный пороховой заряд. 
 
Таблица 2 
ВБХ МЭУ при Tн = 323 К 
 
w1, кг 
 
 
Объем 

0,2 
0,175 
0,14 
0,1 

pmax 
Tmax 
pmax 
Tmax 
pmax 
Tmax 
pmax 
Tmax 

W1 
4,89 
1153 
4,23 
1150 
3,66 
1144 
2,92 
1130 

W2 
4,23 
1024 
4,04 
1007 
3,46 
963 
2,91 
921 

W3 
4,16 
985 
4,02 
955 
3,0 
940 
1,66 
933 

W4 
4,04 
1035 
3,58 
1037 
3,0 
1018 
2,1 
1018 

 
Еще одними способом регулирования ВБХМЭУ является наличие 6 
отверстий диаметром 10 мм в крышке переднего отсека, заглушенных болтами. Результаты расчетов внутрибаллистических характеристик МЭУ при 
открывании этих отверстий представлены в табл. 3. 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 11 

 

8 
 

Таблица 3 
ВБХ МЭУ при Tн = 223 К 
S0103, 
м2 
 
 
Объем

0,786 
1,572 
2,358 
3,144 
3,93 
4,716 

pmax
Tmax
pmax
Tmax
pmax
Tmax
pmax
Tmax
pmax
Tmax
pmax
Tmax

W1 
3,58 
1152 
2,86 
1154 
2,27 
1155 
2,10 
1156 
2,10 
1156 
1,86 
1156 

W2 
3,45 
972 
2,84 
957 
2,21 
942 
1,75 
927 
1,37 
909 
0,98 
323 

W3 
2,87 
943 
1,47 
933 
1,47 
933 
1,47 
933 
1,47 
933 
1,47 
933 

W4 
2,86 
1019 
2,10 
1019 
2,10 
1019 
2,10 
1019 
2,10 
1019 
2,10 
1019 

 
Из табл. 2, 3 следует, что путем подбора массы заряда в переднем 
объеме можно обеспечить требуемое значение давления во всех объемах 
МЭУ. Открытие сбросовых отверстий переднего объема в основном оказывает влияние на величину давления в первых двух полостях и практически не влияет на процессы в третьем и четвертом объемах.  
Расчеты внутрикамерных процессов в МЭУ в газодинамической постановке проводились по программно-вычислительному комплексу Gas2, 
разработанному на кафедре «Ракетное вооружение» ТулГУ [1]. В качестве 
исходных данных использовались геометрические характеристики МЭУ и 
массы зарядов. Давление прорыва мембраны в сбросовом окне – 2,0 МПа. 
Расчетная схема представлена на рис. 4.  

 

 
Рис. 4. Расчетная схема МЭУ 
 
На рис. 5 – 7 представлена картина течения продуктов сгорания в 
различные моменты времени. Точками 1, 2, 3, 4 отмечены места, где определялись параметры потока, представленные на рисунках. 
 

 
Рис. 5. Картина течения газа и к-фазы при t = 2,0 мс (см. также с. 9) 

Баллистика (внешняя, внутренняя) 

 

9 
 

 
 
 
 

 
 
 
 

 
 
 
 

 

Рис. 5. Окончание 
 
Приведенные результаты расчетов позволяют детально проанализировать процессы, протекающие в характерных объемах МЭУ. Приведем 
лишь некоторые выводы, в наибольшей степени, влияющие на процесс измерения температуры термопарным методом. 
1. Сразу после воспламенения заряда переднего объема возникает 
волна сжатия, в центре которой, скорость газа достигает значительной величины (700…800 м/с). Вблизи стенок переднего объема в месте установки 
ТП скорость газа не велика (20…50 м/с) и конденсированные частицы 
практически отсутствуют. Следовательно, вероятность обрыва ТП мала. 
Температура газа по поперечному сечению объема изменяется весьма существенно от начальной температуры до 1120 К в ядре потока.  

Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Вып. 11 

 

10 
 

 

 

 

Рис. 6. Эпюры распределения параметров потока в проточном  

(периферийном) канале при t = 2,0 мс 

 
2. При t = 2,0 мс передний объем заполняется продуктами сгорания 
заряда (рис. 5), давление и температура в нем выравниваются  
(1100 – 1200 К), ТП равномерно прогревается. Скорость течения по периферийному каналу изменяется от 500 до 300 м/с, а температура – от 1200 
до 450 К (рис. 6). Следовательно, на ТП, расположенные в проточном 
тракте, газовый поток начинает оказываться существенное силовое воздействие. В донном объеме продукты сгорания отсутствуют. 
 

 
 
 

 
Рис. 7. Картина течения газа и концентрации к-фазы при t = 20,0 мс  
(см. также с. 11)