источник: Carbon Fiber/Thermoplastic Overwrapped Gun Tube // J. Pressure Vessel Technol. May 2006; Volume 128; Issue 2, 257 (6 pages)
Использование композитов при создании ствола орудия позволяет значительно снизить вес последнего, улучшает балансировку пушки, а также позволяет использовать менее массивные механизмы стабилизации орудия и двигатель.
Кроме всего прочего, использование композитов высокой жёсткости в производстве стволов увеличивает точность наведения и смягчает феномен динамического напряжения, возникающего при движении высокоскоростных снарядов.
В работе, описанной выше, образующиеся при расширении зазоры обмазывали термостойкой смолой. Была изготовлена 120-мм пушка, при этом применялись волокна IM7 и полиэтерэтеркетонная матрица.
Традиционно существовало две проблемы с композитной обкладкой - это различия в коэффициентах теплового расширения стального основания и композитной обёртки, а также недостаток предварительного напряжения в обкладке.
Усилия по созданию композитного ствола были предприняты лабораторией Бенета в 1980-х и начале 1990-х годов. Были созданы несколько образцов 105-мм и 120-мм пушечных стволов. В результате работ выяснено, что необходимо устранить формирование зазоров 0,1+-0,004 мм между композитной обкладкой и стальным основанием орудия. Данный промежуток возникал из-за неоднородного теплового расширения материалов. Брешь уменьшалась, либо устранялась при переносе нагрузки на композитную составляющую. Решение данной проблемы заключалось в осуществлении процесса автофретирования ( процесс повышения сопротивляемости ствола пушки деформированию), когда создавали на автофретажной установке в заготовке трубы ствола-моноблока внутреннее гидравлическое давление, значительно превышающее давление, которое развивается при выстреле. После этого щели исчезали, и происходило самоскрепление ствола.
Однако существовало три проблемы при данном подходе:
1. Термическая обработка замачиванием, которая используется после автофретирования и стабилизирует остаточное напряжение не могла быть произведена. Там достигаются температуры 343-371°C, являющиеся сверхпредельными для композиционных материалов.
2. Невозможность хромирования ствола, потому что композитный ствол не мог быть погружен в ванну с хромовой кислотой.
3. Создание сверхвысоких радиальных напряжений композитного ствола привело бы к его взрыву.
Одним из первых образцов, который избежал озвученных проблем было орудие 105-мм MRAAS. В данном случае комбинация стекловолокна и графита с определенными углами сгиба изготавливались таким образом, что коэффициент теплового расширения стальной и композитной части примерно совпали. Однако функционирование соединения не было оптимальным, потому что применялись термореактивные композиты, и потребовался процесс сложного обёртывания.
Компания Advanced Technology Demonstration (ATD) отдала предпочтение термопластичным композитам потому, что при создании ствола нет необходимости дополнительно заделывать щели. Термопласт можно повторно расплавить и кристаллизовать в конкретном месте ствола. Данный процесс смягчает тепловые эффекты расширения и эффективно устраняет бреши. Кроме этого, термопласты могут быть нанесены на ствол уже после процесса автофретирования и хромирования.
Неизвестным оставалось поведение композитного ствола в условиях реальной стрельбы. Достоверно определено, что напряжение в стволе при стрельбе выше, чем напряжение, возникающее в эксперименте после создания статического баллистического давления. Это связано с появлением прямоугольной волны (!?) при прохождении снаряда через ствол. Обычно, напряжение при стрельбе на 8-10 % выше, чем в теории. В случае с тонким стволом, у которого была композитная облицовка, и использовался высокоскоростной снаряд, напряжение составляло 300-400% от нормы. Этот феномен известен как динамическое напряжение ствола и очень долго изучался в лаборатории Бенета.
Феномен динамического напряжение вызвал крайний интерес при проектировании лёгкой 120-мм пушки LW120, потому как она имела очень тонкий ствол по сравнению с 120-мм пушкой М256 и, в конечном счёте, данный феномен значительно превалировал.
Изначально легковесная стальная конструкция 120-мм ствола была изготовлена традиционным методом. Стальной образец весил 889 кг и имел длину 5460 мм. В стальном слое была сделана вырезка для композитной обмотки.
Целью применения композитной обмотки являлось выравнивание, либо увеличение толщины ствола, а также для распределения остаточного напряжения по всему стволу при снижении массы орудия. В изготовлении использовались термопластичные композиты, а не термореактивные потому, что это позволяло исправлять зазоры локально. Накладывание манжеты происходило под дополнительным напряжением. Тугое обматывание способствовало увеличению устойчивости к температурным флуктуациям при стрельбе. В качестве материала композитной обмотки применялись волокна IM7 и полиэтерэтеркетонная матрица. Данная смесь обладала высокой прочностью (2,07ГПа в направлении волокон), жёсткостью по сравнению с другими термореактивными и термопластичными полимерами. Кроме того, она имела относительно высокую температуру плавления (345°C). Заключительной причиной выбора смеси явился факт высокой химической устойчивости к нефтехимии, которая часто используется при эксплуатации машин.
Наматывание волокна происходило автоматизировано - роботом. Использовалась газовая горелка для расплавления волокна и его объединения с предыдущим слоем, а также прижимные ролики. По всей длине процесс наматывание происходил под напряжением и в последний момент обмотка охлаждалась для стабилизации остаточного напряжения.
Существовало три проблемы, которые необходимо было решить при обматывании: 1. оптимальная плотность между обмоткой и стальной частью; 2. гальваническая коррозия между обмоткой и стволом; 3. выдерживание стандарта диаметра ствола. Во время обмотки под напряжением стальной ствол охлаждали, заставляя его сжаться, а после возвращение к комнатной температуре ствол, расширяясь, дополнительно состыковывался с обмоткой. В целях защиты от гальванической коррозии между обмоткой и стальным стволом помещалась прослойка из S2 стекловолокна/ПИИК (полиэтерэтеркетон).
Собственная частота колебаний ствола оказывают существенное влияние на прицеливание и систему стабилизации. Поддержание общей частоты колебаний для всех версий стальных пушек ведёт к минимизации изменений в аппарате стабилизации. В сущности, если собственная частота колебаний становится маленькой, то она будет зависеть только от движений бронемашины. Увеличение собственной частоты иногда приводит к неспособности стабилизировать орудие. В целях снижения подобного рода колебаний и увеличения остаточного напряжения в стволах большого калибра использовалось автофретирование. В работе часть стали была заменена композитными материалами и было важно, чтобы они давали столько же остаточного напряжения, сколько даёт сталь. После автофретирования и плотной обмотки ствола достигалось оптимальное напряжение.
В целях проверки применялись статический способ и динамический анализ. Для динамического анализа от основания ствола создавалось сжимающее давление, имитирующее движение снаряда.
Эти анализы повторялись до тех пор, пока наслаивание не достигало такового для металла и не превышало исходные показатели. В конечном счёте, финальное наслоение представляло смесь материалов обруча и осевого изгиба. В итоге получилось так, что напряжение в обмотке обруча под давлением соответствовало остаточному напряжению для стали. Снаружи стального слоя были введены два слоя S2/ПИИК под углами ±45 градусов для защиты углеродных волокон от гальванической коррозии. Данное наслаивание является следствием удаления 113,3 кг стали и добавления 20,4 кг композиционных материалов.
Накиданно
отсюда