Легендарная боевая машина реактивной артиллерии БМ13 "Катюша" на базе конструктора Lego WeDo 1.0

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Легендарная боевая машина реактивной артиллерии БМ13 "Катюша" на базе конструктора Lego WeDo 1.0

Попова А.С. 1Георгиев А.О. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Попова Е.Е. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

 

Каждый год мы торжественно идем вместе со своими родителями, бабушками и дедушка на парад 9 мая, посвященный победе в Великой Отечественной Войне. Это радостное событие несет с собой всегда множество воспоминаний наших стариков про тяжелые военные годы, про доблесть советских солдат, про военную технику, которую изобрели великие советские инженеры-конструкторы за очень короткое время.

Особенно часто мы слушали рассказ про «Катюшу», вместе с бабушкой пели песню «Расцветали яблони и груши». Нам стало очень интересно, чем же знаменита эта боевая машина и за что её так боялись фашисты (Рисунок 1.0 Приложения) …

Актуальность темы:

Защита Родины – это главное для всех поколений! В годы Великой Отечественной войны решающую роль в переломном этапе сыграла боевая машина БМ13 «Катюша». На разгадку тайны «Катюши» были брошены лучшие немецкие ученые оружейники. Работавшие над захваченными русскими реактивными снарядами немецкие ученые не могли никак понять принципа ужасного огневого воздействия. Им так и не удалось решить «загадку «Катюши» до самого конца войны. Реактивный миномет "Катюша" является ярким символом Победы. [6] На вооружении Российской армии в настоящее время находятся современные реактивные установки. Они более мощные и вместе с тем, они очень похожи с БМ13. Таким образом, построив БМ13 и изучив её работу по запуску снарядов, мы сможем легко понять принцип работы любой современной реактивной установки.

Цель исследования: изучить материалы о боевой машине реактивной артиллерии «Катюша», создать модель БМ13 на базе конструктора LegoWedo 1.0 и сравнить характеристики реальной боевой машины и нашей модели.

Задачи исследования:

1.Найти информацию о легендарных боях БМ13

2. Изучить материалы о БМ13 «Катюша» – первой реактивной установке на земле.

3. Создать модель БМ13 на базе конструктора LegoWedo 1.0. Запрограммировать модель.

4. Провести 2 эксперимента: на дальность полета снарядов и точность попадания в цель.

Гипотеза 1. Если дальность полета реактивных снарядов 132 калибра напрямую зависит от высоты подъема направляющих в реальной БМ13, то эта зависимость должна наблюдаться для модели БМ13 на базе конструктора Lego WeDo1, которые отличаются от реальной модели как по длине направляющих, так и по форме и массе снарядов.

Гипотеза 2. Если проблема БМ13 заключалась в неточности попадания в цель по причине рассеивания снарядов, то и моя модель на базе конструктора Lego WeDo1 может столкнуться с такой же проблемой. Необходимо рассчитать процент точного попадания снарядов в цель.

В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: учебно-методические материалы для учителей (http:// weburok.com/); интернет журнал «История государства» (http://statehistory.ru); Википедия (https://ru.wikipedia.org). При оформлении проекта мы использовали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [2], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [1, 3], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [4]

Глава 1. Легендарные бои с участием «Катюши»

Первый бой «Катюши»

Впервые во время войны "Катюши" вступили в бой 14 июля 1941 года. Батарея капитана Ивана Андреевича Флерова одним залпом уничтожила несколько эшелонов с топливом, боеприпасами и бронетехникой на станции Орша (Рисунок 1.1 Приложения). [5] [6] Станция буквально перестала существовать. В дальнейшем капитан Флеров погиб после того как его часть попала в окружение. Бойцы реактивной батареи подорвали машины и стали прорываться из "котла". Капитан получил тяжелое ранение и скончался. Однако тогда в 1941 году он написал в рапорте: "Сплошное море огня". Этот первый бой показал высокую эффективность нового оружия. «Катюша» на все последующие годы войны стала грозой для врага.

Эффект для находившихся там немецких войск, только что захвативших станцию Орша, оказался просто ошеломительным - им показалось, что накрыл чудовищный смерч, оставлявший после себя смерть и огонь. Хваленные гитлеровские вояки, победным маршем двигавшиеся вглубь советской территории, срывали с себя знаки отличия, бросали оружие и бежали в тыл - подальше от ужасного русского чудо-оружия. В то утро под Оршей немцы потеряли до батальона пехоты.

Почти сразу же фашистское руководство начало охоту за русским чудо-оружием. Гитлер требовал, как можно скорее оснастить свою армию подобными «автоматическими многоствольными огнеметными пушками».

Какое новейшее оружие навело ужас на врага? Это была «Катюша».

«Катюши» на фронте

Легендарные "Катюши" во время Великой Отечественной войны участвовали во всех крупных операциях. Реактивная артиллерия использовалась для усиления стрелковых дивизий, что существенно увеличивало их огневую мощь и повышало устойчивость в бою.

В сентябре 1943 года в полосе целого фронта — 250 километров во время артподготовки было израсходовано 6000 реактивных снарядов. В конце июля у станицы Мечетинская боевые машины столкнулись с главными силами 1-й немецкой танковой армии генерал-полковника Эвальда Клейста. [8] [9] Разведка донесла, что движется колонна танков и мотопехоты. Когда появились мотоциклисты, за ними машины и танки, батарейными залпами колонна была накрыта на всю глубину, подбитые и дымящиеся машины останавливались, на них, как слепые, налетали танки и сами загорались. Продвижение противника по этой дороге приостановилось. Группа капитана Пузика за два дня боёв уничтожила 15 вражеских танков и 35 автомашин.

Залпы "Катюш" возвестили о начале контрнаступления советских войск под Сталинградом. В 1945 году во время наступления советское командование стягивало на один километр фронта в среднем, 15-20 боевых машин реактивной артиллерии. Традиционно "Катюши" завершали артналет: реактивные установки давали залп, когда пехота уже шла в атаку. Зачастую после нескольких залпов "Катюш" пехотинцы входили в опустевший населенный пункт или на вражеские позиции, не встречая никакого сопротивления.

«Катюши» успешно применялись до самого окончания Великой Отечественной войны, заслужив любовь и уважение советских солдат и офицеров и ненависть фашистов. Она стала одним из символов победы.

Глава 2. Первая реактивная установка на земле БМ-13 «Катюша»: история создания, главные характеристики.

2.1 Создание Катюши

Реактивные снаряды для «Катюш» разработал Владимир Андреевич Артемьев (Рисунок 2.1 Приложения). [9] В 1938-1941 годы А. С. Попов и др. создали многозарядную пусковую установку, смонтированную на грузовом автомобиле, это могли быть грузовики Зис-5 или ГазАА (Рисунок 2.2 Приложения). 25 декабря 1939 г. реактивный снаряд М 13 и пусковая установка, позднее получившая название "Боевая машина 13" (БМ-13) были одобрены Артиллерийским управлением Красной Армии. БМ-13 была принята на вооружение 21 июня 1941 года; именно этот тип боевых машин и получил впервые прозвище «Катюша». Первый вид БМ13 представлен на Рисунке 2.3 Приложения. Главные исторические даты создания боевой машины 13 и вид реактивного снаряда, используемого на установке, представлены на Рисуноке 2.3 Приложения.

После осмотра образцов ракетного оружия Верховный Главнокомандующий Иосиф Сталин принял решение о развертывании серийного производства реактивных снарядов М-13 и пусковой установки БМ-13 и о начале формирования ракетных войсковых частей. За три с лишним года произвели почти 30 тысяч «Катюш» и 12 миллионов реактивных снарядов.

2.2 Почему называется «Катюша»

Нет единой версии, почему БМ-13 стали именоваться «Катюшами». Существует несколько предположений. Вот одна из них - по названию ставшей популярной перед войной песни Блантера на слова Исаковского «Катюша». Докладывая в штаб о выполнении Флёровым боевого задания, связист Сапронов сказал: «Катюша спела на отлично». Значение только что придуманного кодового слова в штабе батальона поняли, и слово это пошло сначала в штаб дивизии, а потом и в штаб армии. Так после первого же боевого применения за установкой БМ-13-16 закрепилось название «Катюша».

Наиболее вероятное из них связано с заводской маркой "К" завода изготовителя первых боевых машин БМ-13 (Воронежский завод им. Коминтерна).

2.3 Главные характеристики БМ13 «Катюша»

БМ-13 заряжалась 16 реактивными снарядами калибра 132 мм. Залп выполнялся в течение 15-20 секунд. Дальность стрельбы – 8-8,5 км. Скорость БМ-13 по хорошей дороге достигала 50-60 км/ч. За час одна боевая машина могла сделать 10 залпов и выпустить 160 снарядов. Экипаж состоял из 5 - 7 человек: командир орудия - 1; наводчик - 1; водитель - 1; заряжающий - 2-4.

Боевая машина 13 наводила страх и ужас на наших врагов. Это действительно так, потому что не возможно было предугадать атаку «Катюш»: появлялись они внезапно, к запуску снарядов готовились за несколько минут, пуск снарядов осуществлялся мгновенно. а куда прилетит снаряд и взорвется, одному Богу было известно…

Основные характеристики БМ13 представлены в таблице 2.1

Таблица 2.1 Основные характеристики БМ13 «Катюша»

Состав экипажа

5 - 7 человек:

командир орудия - 1;

наводчик - 1;

водитель - 1;

заряжающий - 2-4

Максимальная скорость хода автомобиля

50-60 км/ч

Переход из походного положения в боевое

2-3 мин

Число направляющих

8

Длина направляющих

5 м

Число реактивных снарядов

16

Тип снаряда

Реактивный осколочно-фугасный

Калибр

132

Время на установку зарядов

5-8 мин

Продолжительность залпа

15-20 с

Максимальная скорость полета снаряда

355 м/с

Максимальная дальность полета снаряда

8 470м

Глава 3. Практическая часть.

3.1 Модель БМ13 «Катюша» на базе конструктора Lego WeDo1.0

Мы сконструировали нашу модель БМ13 из деталей набор Lego WeDo1.0, установив 3 мотора, 1 датчик наклона и 2 коммутатора.

Наша модель БМ13 состоит из 3 частей (Рисунок 3.1, Рисунок 3.2, Рисунок 3.3 Приложения):

1. машина, которая движется от мотора №1;

2. платформа для крепления пусковой установки. Платформа приводится в движение посредством мотора №2, она опускается до горизонтального положения и поднимается вверх. Управление платформой осуществляется с помощью датчика наклона.

3. направляющие с креплением снарядов и дальнейшей возможностью пуска. Залп производится с помощью мотора №3.

В качестве снарядов выбраны канцелярские резинки не случайно – они способны накапливать энергию при растяжении и могут лететь на большие расстояния в момент освобождения энергии.

Сердце пусковой установки - червячная передача (рисунок 3.3). Преимущества червячной передачи:

- сильная (удерживает резинки зацепленными долгое время);

- прочная;

- передает движение только в одном направлении (от червячной шестерни к прямозубой, что способствует удержанию резинок).

Недостатки червячной передачи:

- очень медленная.

Движение от мотора №3 к снарядам-резинкам происходит следующим образом: мотор вращает червячную шестерню, которая приводит в движение прямозубую шестерню среднего размера, которая одета на одну ось с тремя большими шестернями, которые в модели служат зацепками для снарядов-резинок (Рисунок 3.5 Приложения). Большие шестерни вращаются, снаряды-резинки срываются и летят на большое расстояние.

После сборки трех частей по отдельности, мы соединили их в одну большую модель и установили датчик наклона и кабину с человечком (Рисунок 3.4 Приложения) Общий вид готовой модели БМ13 «Катюша» представлен на Рисунке 3.6 Приложения.

3.2 Управление моделью БМ13 с помощью программы

Программирование осуществляется в специальном ПО- LegoWeDo. Модель БМ13 из конструктора Lego LegoWeDo 1.0 запрограммирована на движение вперед/назад, подъем направляющих вверх вниз по положению датчика наклона и на осуществление залпа (Рисунок 3.7). Программа может повторяться много раз. Движение модели обеспечивается 3 моторами и датчиком наклона. Управление боевой машиной осуществляется с помощью кнопок на клавиатуре «стрелка вверх»- машина движется вперед 2 секунды, «стрелка вниз» - машина движется назад 2 секунды, для осуществления залпа используется кнопка на клавиатуре «1». Сигнал с датчика наклона запускает мотор №2 в разные стороны: при положении датчика «носом вверх» в одну сторону, при положении датчика «носом вниз» в другую сторону, при положении датчика «ровно» мотор выключается.

3.3 Эксперимент №1 «Зависимость дальности полета снарядов от угла подъема направляющих»

Направляющие на Боевой машине 13 поднимаются вверх и опускаются вниз в диапазоне от 0° до 45. Так как вес направляющих большой, то для легкого и точного подъема направляющих мы также выбрали червячную передачу, сильную и прочную (Рисунок 3.8 Приложения).

Угол подъема направляющих – это величина отклонения направляющих от горизонта, измеренная в градусах (Рисунок 3.9 Приложения).

Измерения дальности полета снарядов мы провели для трех вариантов расположения направляющих: 0°, 20° и 45°. Угол подъема направляющих мы измеряли с помощью транспортира (Рисунок 3.8 Приложения):

Для каждого угла подъема направляющих провели 3 запуска по 6 снарядов в каждом. Измерения дальности полета проводили с помощью сантиметра. Все измерения внесли в таблицу и рассчитали среднее значение дальности полета снарядов для каждого положения направляющих: сначала для каждого эксперимента отдельно, затем в целом по трем экспериментам для каждого угла (таблица 3.1).

Таблица 3.1 Значения дальности полета снарядов
при разных углах подъема направляющих.

Угол

подъема направля-ющих, градус

№ экспе-римен-та

Дальность полета снаряда, см

Средняя дальность полета, см

Снаряд 1

Снаряд 2

Снаряд 3

Снаряд 4

Снаряд 5

Снаряд 6

0

1

32

82

105

200

325

330

179

160

2

31

195

210

150

86

160

139

3

253

240

121

240

31

80

161

20

1

110

296

232

234

365

242

247

241

2

296

66

245

332

220

245

234

3

130

150

255

306

351

259

242

45

1

217

250

286

294

409

376

305

335

2

332

390

444

308

270

321

344

3

215

293

315

350

458

510

356

Таким образом, по таблице видно, что чем выше угол подъема направляющих, тем дальше в среднем летят снаряды. Среднее значение дальности полета при 0° составило 160 см, при 20° - 241 см, при 45 °- 335 см. Единичный снаряд показал максимальное значение дальности полета при 45° подъема направляющих, которое составило 510 см.

Вывод: дальность полета реактивных снарядов 132 калибра напрямую зависит от высоты подъема направляющих в реальной БМ13, эта же зависимость наблюдалась в модели БМ13 на базе конструктора Lego WeDo 1.0 которая отличается от реальной модели как по длине направляющих, так и по форме и массе снарядов. Таким образом, мы подтвердили нашу гипотезу 1.

3.4 Эксперимент №2 Выполнение боевого задания: скорость и точность!

В рамках этого эксперимента мы провели измерение двух параметров:

1. Измерение времени, необходимого для установки снарядов на направляющих.

2. Измерение точности попадания снарядов на расстоянии 3 м от цели, диаметр цели 50 см. Для выполнения этой части нашего исследования мы выполняли боевое задание на скорость и точность по очереди.

Боевое задание: продвинуть боевую машину до линии огня, управляя кнопками на клавиатуре, установить снаряды на направляющие на скорость (засекаем время с помощью секундомера) и произвести залп по цели, расположенной на расстоянии 3 метра. У каждого было по 3 попытки-атаки. Данные трех атак были зафиксированы в карточках. У каждого карточка своего цвета (цвет совпадает с цветом снарядов-резинок). Результаты наших измерений представлены в Таблице 3.2.

Таблица 3.2 Результаты выполнения боевого задания

Имя командира боевого задания

Номер атаки

Время установки снарядов, с

Точность попадания снарядов
(… из 6 снарядов)

Анна

1

107

1 из 6

2

66

0 из 6

3

84

0 из 6

В среднем

 

86

 

Андрей

1

70

2 из 6

2

63

1 из 6

3

62

0 из 6

В среднем

 

65

 

В целом

Всего атак 6

Среднее время установки 6 зарядов для 1 атаки :

75

Общая точность попадания:

4 из 36

Командир Андрей показал лучший результат по времени – на установку снарядов на направляющие ему потребовалось в среднем 65 секунд. Самое большое значение времени для установки снарядов было у Ани – 107 секунд. Такая задержка была по причине тщательности установки снарядов. Среднее время для установки снарядов на направляющие в результате 6 попыток двоих командиров боевого задания получилось 75 секунд.

Таким образом, время для установки зарядов на реальной БМ13 составляло 5-8 минут (300 с. – 480 с.), нашей модели БМ13 из Lego WeDo 1.0 – 62-107 секунд.

Известно, что попадание снарядов реальной БМ13 в цель было не точным по причине рассеивания снарядов. Наша модель также показала неточность в стрельбе по цели. Результат попадания после 6 попыток: из 36 снарядов цель достигли только 4, что составляет лишь 11% от всех снарядов.

Вывод: таким образом мы доказали правильность гипотезы 2. Если проблема БМ13 заключалась в неточности попадания в цель по причине рассеивания снарядов, то и наша модель на базе конструктора Lego WeDo 1.0 столкнулась с такой же проблемой. Процент точного попадания снарядов в цель составляет лишь 10% от всех снарядов.

3.5 Результаты исследования и сравнительные характеристики модели БМ13 «Катюша» из конструктора LegoWeDo1.0.

Мы сконструировали модель БМ13 «Катюша» на базе конструктора Lego WeDo 1.0, которая наглядно демонстрирует принцип работы реактивной установки: перемещение боевой машины в пространстве, подъем и опускание направляющих и запуск реактивных снарядов. В итоговой Таблице 3.3 приведены сравнительные характеристики реальной БМ13 и нашей модели.

Таблица 3.3 Сравнительные характеристики реальной БМ13 и нашей модели

характеристики

БМ13

Модель из Lego

Число направляющих

8

3

Длина направляющих

5 м

15 см

Число реактивных снарядов

16

6

Переход из походного положения в боевое

2-3 мин

0 мин

Время на установку зарядов

5-8 мин

52-107 секунд

Продолжительность залпа

15-20 секунд

2 секунды

Тип снаряда

Реактивный осколочно-фугасный

Канцелярская резинка

Калибр

132

-

Максимальная скорость полета снаряда

355 м/с

5,1 м/с

Максимальная дальность полета снаряда

8 470 м

5,1 м

В рамках нашего исследования мы провел 2 эксперимента с БМ13 «Катюша» из конструктора LegoWeDo1.0. В ходе первого эксперимента получили прямую зависимость дальности полета снарядов от высоты подъема направляющих: чем больше угол подъема направляющих, тем дальше улетают снаряды.

Второй эксперимент подтвердил неточность попадания снарядов в цель, что связано с рассеиванием снарядов. Реальная модель БМ13 в ходе ВОВ также сталкивалась с такой проблемой. Современные реактивные установки были доработаны, эта проблема была решена.

Заключение

Защита своей страны, своей территории - во все времена актуальная тема. В годы Великой Отечественной войны решающую роль в переломном этапе сыграла боевая машина БМ13 «Катюша» - первая реактивная установка по пуску реактивных снарядов на земле. В дальнейшем было принято решение о развертывании серийного производства реактивных снарядов М-13 и пусковой установки БМ-13 и о начале формирования ракетных войсковых частей. Современные Вооружённые Силы Российской Федерации располагают крупнейшими в мире запасами оружия массового поражения и большим количеством боевых машин, танков, реактивных установок. Каждый год мы с гордостью смотрим парад победы и всю военную технику нашей страны. Теперь мы знаем, что легендарная боевая машина БМ13 «Катюша» была историческим стартом для создания современной техники.

При запуске снарядов на модели «Катюши» на базе конструктора Lego WeDo 1.0 мы опытным путём выяснили, что дальность полета снарядов напрямую зависит от высоты подъема направляющих в модели БМ13 на базе конструктора Lego WeDo1.0, которые отличаются от реальной модели как по длине направляющих, так и по форме и массе снарядов. Проблема БМ13 заключалась в неточности попадания в цель по причине рассеивания снарядов, наша модель на базе конструктора Lego WeDo 1.0 столкнулась с такой же проблемой: из 36 снарядов после 6 залпов в цель попали лишь 4 снаряда (11% от общего числа снарядов). Таким образом мы доказали правильность наших гипотез. Поставленные задачи мы выполнили, цели достигнуты.

Собранный материал может быть использован на уроках истории, на занятиях робототехники, а также, на внеклассных мероприятиях, посвященных празднику «9 Мая День победы».

Список используемой литературы:

Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;

Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с.;

Афанасьев Н.М. Первые залпы. – М.:Воениздат, 1982

Интернет источники:

https://weburok.com;

https://antimiles.ru/currants/kogda-dala-pervyi-zalp-katyusha-katyusha---unikalnaya-boevaya-mashina-sssr.html;

-http://ru.wikipedia.org;

https://statehistory.ru/2139/Zenitnye-orudiya-online/

Приложение

Рисунок 1.0 Мы поздравляем нашу бабушку, Лихачёву Валентину Васильевну,
с Днём Победы 9 мая 2019 года. Бабушке было 7 лет, когда её отца забрали
на фронт, через 3 года он погиб…

Рисунок 1.1 Командир батареи «Катюш»
капитан И.А. Флёров.

Рисунок 2.1 Владимир Андреевич Артемьев – конструктор БМ-13

Рисунок 2.2 Грузовики, на которые монтировалась многозарядная пусковая установка

Рисунок 2.3 Одна из первых установок «Катюши» (слева) в сравнении с последующими моделями (справа)

Рисунок 2.4 БМ13: исторические даты, вид используемого реактивного снаряда М13

Рисунок 3.1 Установка мотора №1 на ходовую колесную базу БМ13. Механизм: понижающая зубчатая передача с использованием коронной шестерни под углом 90°

Рисунок 3.2 Установка мотора №2 на механизм подъема направляющих БМ13. Механизм: червячная передача.

Рисунок 3.3 Конструкция направляющих. Установка мотора №3. Механизм удержания снарядов (резиночек): червячная передача и большие шестерни в качестве зацепок.

 

Рисунок 3.4 Установка направляюших на платформу подъема
и установка датчика наклона.

Рисунок 3.5 Установка снарядов (резиночек) на направляющие: по 2 снаряда на каждую направляяющую.

Рисунок 3.6 Программа запуска модели БМ13 «Катюша»
на базе конструктора LegoWeDo 1.0

Рисунок 3.7 Итоговы вид модели БМ13 «Катюша» и программы LegoWeDo1.0

Рисунок 3.8 Проведение эксперимента1 измерение дальности полета снарядов при разных углах подъема направляющих относительно горизонта (0°).
На рисунке направляющие подняты на 20°.

Рисунок 3.9 Угол подъема направляющих

13

Просмотров работы: 32