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 «Carbon Fiber/Thermoplastic Overwrapped Gun Tube // J. Pressure Vessel Technol. May 2006; Volume 128; Issue 2, 257» была изготовлена 120-мм пушка с использованием композитной обёртки.
Образующиеся при расширении зазоры обмазывали термостойкой смолой. Для обёртки применялись волокна IM7 и полиэтерэтеркетонная матрица. К сожалению, в свободном доступе только короткое эссе данной работы и испытания орудия остаются загадкой. Но идея то не плохая.
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 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.
——
pressurevesseltech.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=1484991