Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Стеснение каверны от кумулятивной струи в преграде с краевыми экранами

Полный текст:

Аннотация

Предложен и экспериментально подтвержден акустический метод торможения и останова продвижения кумулятивной струи в преграде путем выполнения в ней акустической щели на противоположной стороне от установленного профилированного линейного кумулятивного заряда (ЛКЗ). Определен диапазон давлений, создаваемых ЛКЗ с профилированной выемкой, дана оценка длины гидродинамической волны процесса пенетрации.

Для цитирования:


Головатенко В.Д., Головатенко А.В. Стеснение каверны от кумулятивной струи в преграде с краевыми экранами. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(2):24-29.

For citation:


Golovatenko V.D., Golovatenko A.V. Constraining a shaped charge jet cavity in a barrier with boundary shields. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(2):24-29. (In Russ.)

В работе рассмотрено разрушение преграды кумулятивной струей (КС), которая образу­ется при подрыве линейного кумулятивного заряда (ЛКЗ), имеющего профилированную выемку. Ранее было выявлено, что скорость разрушения преграды ниже скорости детона­ции использованного взрывчатого вещества и скорости перемещения волны напряжения, характерного для металла преграды [1]. Это позволило применить к анализу разрушения преграды КС теорию взаимодействия удар­ных волн с твердыми телами [2, 3], использу­емую при обработке металлов взрывом.

Процесс формирования КС после подрыва профилированного заряда глубоко исследован те­оретически и экспериментально (работы ТулГУ МГТУ им. Н.Э. Баумана, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, РФЯЦ-ВНИИЭФ), однако процесс разрушения, протекающий непосред­ственно в массиве преграды, представлен толь­ко гидродинамической теорией Покровского - Биркгоффа и ее модификациями. Это связано со сложностью регистрации параметров про­цесса разрушения преграды, протекающего при сверхвысоких значениях давления, температуры и в короткий промежуток времени.

Целью работы было определение пара­метров процесса разрушения преграды по­средством измерения в ней недорезов, полу­ченных в результате торможения и останова КС с помощью воздействия на нее волны на­пряжений, отраженной от проставок (экранов).

Метод управления продвижением КС в преграде основан на использовании воздей­ствия на преграду отраженной ударной вол­ны, полученной в результате установки в конструкции на пути продвижения ударной волны проставок (экранов) и (или) создания в пре­граде акустической щели. Были исследованы процессы, протекающие в преграде в момент воздействия на нее КС, посредством опреде­ления характеристик ударных волн (прямой и отраженной), найдены значения давления, при которых протекает процесс, и длина волны колебания КС при прохождении ею преграды.

В качестве экспериментального объекта были использованы пустотелые цилиндриче­ские оболочки (корпуса), установленные раз­дельно или соединенные между собой последовательно, причем между стыками оболочек устанавливались проставки (экраны), изготов­ленные из металла, отличающегося от сплава оболочек. В одном из соединенных корпусов устанавливался ЛКЗ, изготовленный из про­филированной медной трубки, заполненной взрывчатым веществом - октогеном (рис. 1). Размеры акустической щели (канавки): шири­на 9 ·10-3 м, глубина 8 · 10-3 м. Во внутреннем пространстве ряда оболочек были размещены имитаторы приборов с закрепленными на них акселерометрами (вибродатчиками).

 

Рис. 1. Схема размещения оборудования в оболочках летательного аппарата:

1 - имитаторы приборов с вибродатчиками; 2 - оболоч­ки; 3 - стальная проставка; 4 - титановые проставки; 5 - ЛКЗ; 6 - преграда; 7 - пластмассовая накладка; 8 - планка шторки; 9 - акустическая щель; 10 - фикса­тор линейного заряда

 

Для измерения вибронагрузок на имита­торах приборов при испытаниях использова­лось регистрирующее оборудование: четырех­канальные усилители-формирователи Bruel & Kjaer типа 2692-A-0S4, акселерометры Bruer & Kjaer типа 4371, 4384 и измерительно-вычисли­тельный комплекс, который включал монолит­ное шасси Compract RIO c RIO-9074 и модули NI 9205, NI 9215, NI 9234, NI 9263, NI 9481 (технические характеристики модулей соот­ветствуют требованиям ГОСТ 22261-94). Соб­ственная частота акселерометров составляла 45 кГц, частота комплекса 10 кГц.

При проведении экспериментов внеш­нюю канавку не заполняли резиноподобным материалом, имеющим большое «живое» упругое сопротивление, при котором была определена скорость разрушения преграды в [1], а закрывали шторкой, состоящей из набо­ра планок толщиной 2 · 10-3 м (материал - сплав АМг3М по ГОСТ 21631-73). Для фиксации этих планок в сборке был использован герме­тик ВИКСИНТ У-4-21 по ТУ 38.303-04-04-90, а поверх шторки устанавливали стеклопласти­ковую накладку из материала ТЗМК-8 толщи­ной 2 · 10-3 м. Преграда была выполнена в виде полого цилиндра длиной 8 · 10-2 м из сплава АМг6М, поковка по ОСТ 190073-85.

Толщина преграды в месте ее разруше­ния составляла 4,5 · 10-3 м. Экспериментально подтверждено, что мощность ЛКЗ достаточна для разрушения преграды в этой конструкции. Время разрезания преграды при скорости КС 355...370 м/с соизмеримо со временем перемещения волны напряжений в металле преграды до экранов и обратно в зону разрушения. Перемещающиеся при этом вдоль ци­линдра волны напряжений, дойдя до экранов и отразившись от них, возвращаются в зону разрушения в виде отрицательного напряже­ния - силы, дополнительно участвующей в растяжении и разрушении металла (последнее объясняется теорией звука). При выполнении граничных условий (непрерывность напряже­ний и скоростей в каждой части металла пре­грады, подверженной разрушению на стыке двух разнородных материалов), напряжение в отраженной волне вычисляли, как и в [2], через напряжение в падающей волне:

где σ, γ и с - напряжение, плотность и скорость звука в рассматриваемой среде;

γс - удельное акустическое сопротивле­ние материалов первой и второй преград;

индекс 1 соотвествует волне напряже­ния, возникшей в материале первой преграды от действия продуктов взрыва ЛКЗ, индекс 2 соответствует напряжению металла первой преграды, передающемуся во вторую преграду через зону их контакта, индекс 3 соотвествует напряжению в металле, отраженному от вто­рой преграды в первую.

В первой серии поставленных и опи­санных ниже экспериментов боковые стенки преграды (использовался только корпус с уз­лом, где установлен ЛКЗ) не были закреплены, поэтому значение γ2 c2 = 0 и из соотношения (1) следует σ3 = - σ1. Это показывает, что про­ходящая по металлу волна сжатия, возникшая от удара КС, падая на границы преграды, не отражается от них, при этом преграда продол­жает растягиваться, способствуя ослаблению металла в зоне, лежащей выше каверны. Пре­града разрушалась так же, как и преграда, не имеющая внешней канавки.

Если КС движется в материале преграды равномерно со скоростью, меньшей волновой для этого материала, то она не создает в пре­граде колебаний. Наблюдаемые в преграде колебания, о которых речь пойдет ниже, были созданы импульсным воздействием КС в мо­мент ее соприкосновения с преградой и на­блюдались до останова КС в преграде или до полного разрушения последней.

Во второй серии описываемых экспери­ментов для выявления факторов, влияющих на продвижение КС в преграде, применяли вы­полненную в виде составной цилиндрической трубы экспериментальную установку (см. рис. 1), состоящую из соединенных между собой обо­лочек, по боковым поверхностям защемлен­ных проставками.

У оболочки, в которой находился ЛКЗ, левая часть была защемлена проставкой, из­готовленной из титанового сплава ВТ6С (ОСТ 1 90024-94, удельное акустическое сопротивление 24,26 МНс/м3) и вынесенной от ЛКЗ на расстояние 0,9 м, а правая, изготовлен­ная из стали СтЗсп (ГОСТ 380-2005, удельное акустическое сопротивление 39,75 МНс/м3), отстояла от ЛКЗ на 0,216 м и была присоеди­нена к остальным оболочкам.

Акустическое сопротивление каждой про­ставки превышает акустическое сопротивле­ние металла преграды (13,6...13,8 МН · с/см3). Из уравнений (1) и (2) следует, что волна на­пряжения, падающая на титановую и стальную проставки, частично отразится от них в сторону образующейся каверны, а частично пройдет вне конструкции, при этом для титановой простав­ки напряжения σ3 = +0,263 σ1 и σ2  = +1,27σ1, для стальной проставки σ3 = +0,6σ1 и σ2 = +1,83 σ1.

Отраженные волны напряжений придут к зоне разрушения преграды от стальной про­ставки (0,6σ1) через 0,0895 мс, а от титановой (0,263σ1) - только через 0,174 мс. Эти волны в металле (вместе с волнами напряжений), отра­женные в результате дифракции от внутренней стороны канавки и ее углов (кромок), будут двигаться навстречу КС, увеличивая плотность материала преграды. Волны, отраженные от проставок, перемещаясь параллельно образу­ющей оболочек, встретятся вне зоны разруше­ния преграды, частично погасятся (остаточные напряжения 0,337σ1), со стороны стальной проставки дойдут до титановой проставки, частично отразятся от нее, а частично пойдут по конструкции и через нее вслед за первой волной. Эти волны напряжений от проставок, по­дойдя к кромкам акустической щели, сложатся, и результирующая, перпендикулярная образующей оболочек, пойдет навстречу КС, увеличит плот­ность материала преграды и затормозит продви­жение КС. Причем результирующее напряжение, в силу дифракции отраженных волн на кромках акустической щели, будет вдвое большим. Ана­логично образуются третья и последующие вол­ны с убывающей амплитудой.

На рис. 2 приведен фрагмент осцилло­граммы вибронагрузки на одном из элементов конструкции после подрыва ЛКЗ, а в табли­це - максимальные значения вибронагрузок, измеренные с помощью имитаторов приборов в конструкциях:

 

Рис. 2. Осциллограмма вибронагрузки на одном из элементов конструкции

 

Максимальные значения вибронагрузок, полученные с помощью имитаторов приборов, установленных в оболочках

Тип преграды

Оболочки*

В1

В2

В3

В4

... 

В11

 ...

Конструкция [1]

168

208

84

360

 ...

750

 ...

Конструкция А (см. рис.1)

72

43

30

165

... 

1010

... 

*Оболочки в [1] имели равномерную толщину по всей длине, в оболочке А (см. рис. 1) с ЛКЗ имелась акустическая щель.

Сравнение вибронагрузок, полученных при испытаниях в [1], и вибронагрузок, опи­сываемых в настоящей работе, показывает, что акустический метод торможения КС в разрушаемой преграде более эффективен, поскольку позволяет практически вдвое снизить эти на­грузки в большинстве важных мест конструк­ции оболочек, за исключением корпуса, где расположен ЛКЗ (оболочка В11 ).

В той части конструкции, где металл раз­рушается, акустический способ приводит как к торможению, т. е. к уменьшению скорости продвижения КС в металле преграды, так и к сжатию каверны с боков. Физически это объяс­няется гидродинамической теорией бронепробивания Покровского — Биркгоффа, согласно которой глубина разрушения преграды (пенетрация) пропорциональна корню квадратно­му из частного плотностей КС и преграды, а вернувшиеся волны напряжений увеличивают плотность металла преграды в зоне ее разру­шения. Неравномерность волн напряжений, отраженных от титановой и стальной проста­вок, в какой-то мере должна сказаться и на симметричности формы каверны (рис. 3).

 

Рис. 3. Часть преграды после подрыва ЛКЗ:

1 - преграда; 2 - экран; 3 - планка шторки; 4 - остаток корпуса ЛКЗ в каверне; 5 - фиксатор

 

Начальное давление на поверхности пре­грады, возникшее на ней после действия КС, определяли по измеренным значениям недорезов в преградах и результатам, полученным опытным путем Дж. Уолшем и Р. Кристианом [4]. Так, согласно [4], для алюминиевых спла­вов 24S-T и 2S (аналогичных отечественному сплаву Д16) при допущении аппроксимации этих данных на более высокие значения давле­ния их распространили и на сплав АМг6, из ко­торого была изготовлена конструкция оболоч­ки. При таких допущениях, используя значения недорезов, найденные в [1] (1,3 · 10-3 м), и сред­ние значения недорезов, полученные в описы­ваемых экспериментах (1,64·10-3 м), определили давление при подрыве заряда со сферической кумулятивной выемкой: 67…80 ГПа. Это значе­ние может быть принято в расчете для момента соприкосновения с преградой КС.

На внешней стороне акустической канавки давление отсутствует, а избыточное напряжение в металле сосредоточено в той части неразре­занной преграды, которая непосредственно при­легает к лидеру КС, поэтому, учитывая данные А. Тейта [5], было принято, что в момент оста­нова струи давление КС на преграду не превысит половины найденного значения: 30…40 ГПа. Это значение, по-видимому, является приемлемым и для начального момента соприкосновения КС с преградой. Согласно известным теоретическим прогнозам, это давление для зарядов с кониче­ской кумулятивной выемкой может составлять 25...100 ГПа и более [3]. После начала разру­шения преграды давление на нее лидера КС незначительно превысит сопротивление, ока­зываемое преградой. Энергия ЛКЗ расходуется на разрушение преграды, сопровождающееся химическими и структурными изменениями, из­лучением, выделением теплоты и пластической деформацией металла [5] в полном соответствии с уравнением энергии Гиббса. Процесс пенетрации при этом идет с постоянной скоростью.

Ниже дана оценка длины волны напряже­ний, возникших в конструкции, подвергнутой испытанию.

Приняв точку останова лидера КС в пре­граде (вся конструкция в момент подрыва ЛКЗ находилась в свободном падении) за фокусную (гребень, максимум пучности), определим дли­ну волны λ:

mλ = D sin α,

где D - расстояние между кромками внутрен­них углов во внешней, по отношению к зоне разрушения, канавке преграды;

α - угол между линией, соединяющей кромку одного из углов, и направлением на фокус (останов) лидера КС;

m - порядковое число.

На основании фактических данных о рас­положении фокуса остановленной КС в прегра­де, ее координатах, найдено, что длина волны mλ ~ 5·10-3 м. Это значение должно быть от­несено к гидродинамической волны, анализи­руемой конструкции, совпадает по величине с данными А. В. Крупина и др. [6].

Таким образом, описание процесса вза­имодействия КС с преградой (внутри прегра­ды) включает акустический и гидродинамиче­ский анализ: первый - для волн напряжения в металле преграды, второй, представленный уравнением Кортевега - де Фриза, - для уеди­ненной гидродинамической волны вместе ее контакта с преградой.

После удара КС будут наблюдаться объ­емные и сдвиговые (продольные и попереч­ные) волны напряжений, перемещающиеся в преграде с разными скоростями, а на тыльной стороне преграды произойдет откол металла - это конечный результат работы ударной волны. Принято, что объемные волны вызывают структурные изменения в металле (двойникование, образование игольчатых структур, поворот, искажение и разрушение зерен) и, в зависимо­сти от мощности ЛКЗ, КС может либо пройти сквозь преграду либо, не прошив ее полностью, произвести откол на ее внешней стороне.

При воздействии КС на преграду одно­временно происходят: разрушение преграды в виде откола части металла со стороны, противо­положной зоне соприкосновения КС с прегра­дой, в результате ударного воздействия, которое распространяется в преграде по узкому каналу в виде волны напряжения, а также разрушение преграды под действием собственно КС.

Таким образом, предлагается следующая гипотетическая модель (механизм) разруше­ния преграды КС («высокоскоростным ударни­ком», по терминологии Л. П. Орленко, А. Н. Чукова, М. С. Воротилина и др. [7]):

  1. ударная волна проходит по преграде по линии соприкосновения с КС. В металле преграды происходят структурные изменения, а на противоположной стороне наблюдается деформация преграды вплоть до местного от­кола ее части;
  2. лидер КС на фронте соприкосновения с преградой создает в ней тонкую прослойку, содержащую металл в квазижидком состоя­нии под давлением порядка 30...40 ГПа. Это значение имеет один порядок со значением, полученным Дж. Герингом [8];
  3. квазижидкий материал преграды вы­тесняется движущимся высокоскоростным ударником в зазор между ударником и боковой поверхностью образующейся каверны;
  4. квазижидкий материал преграды и сработанной части ударника, поступивший в тыльную зону КС, разгружается и выбрасыва­ется из каверны в жидком и (или) газообразном состоянии. Процесс сжатия - разгрузки огра­ничен кривой Гюгонио и изоэнтропой (автор [8] принимает, что процесс разгрузки протека­ет при постоянной энтропии).

Выводы

  1. Предложенный способ увеличения плотно­сти металла преграды посредством выполне­ния в ней акустической щели и установки экра­нов способствует торможению и останову КС.
  2. Применение акустического метода торможения КС в преграде и установка в ней экранов позволяют вдвое и более снизить ви­бронагрузки на элементы конструкции.

Список литературы

1. Головатенко В. Д., Головатенко А. В. Экспериментальное определение скорости прохождения кумулятивной струи через разрушаемую преграду // Вестник ЮУрГУ. Сер. Машиностроение. 2014. Т. 14. № 3. С. 5–10.

2. Райнхарт Дж. С., Пирсон Дж. Взрывная обработка металлов. М.: Мир, 1966. 392 с.

3. Райнхарт Дж. С., Пирсон Дж. Поведение металлов при импульсных нагрузках. М.: Иностр. лит., 1958. 296 с.

4. Уолш Дж., Кристиан Р. Уравнение состояния металлов по измерениям на ударной волне. Механика // Сб. переводов и обзоров иностр. переод. литературы. 1956. Вып. № 2 (36). С. 156–171.

5. Тейт А. Теория торможения длинных стержней после удара по мишени. Механика // Сб. переводов и обзоров иностр. период. лит. 1968. Вып. № 5 (111). С. 125–137.

6. Крупин А. В., Соловьёв В. Я., Попов Г. С. и др. Обработка металлов взывом. М.: Металлургия, 1991. 495 с.

7. Математическое моделирование функционирования взрывных устройств / А. А. Акимов, М. С. Воротилин, И. Н. Кирюшкин, С. А. Климов, Е. В. Сидоров, А. Н. Чуков. Тул. гос. ун-т. Тула, 2007. 270 с.

8. Геринг Дж. Теория соударения с тонкими мишенями и экранами в сопоставлении с экспериментальными данными. Высокоскоростные ударные явления. М.: Мир, 1973. С. 112–163, 520–521.


Об авторах

В. Д. Головатенко
АО «ОКБ «Новатор»
Россия

Головатенко Владислав Денисович – заслуженный конструктор России, кандидат технических наук, ведущий инженер-конструктор

Область научных интересов: исследование импульсных процессов, протекающих при горении топлив в устройствах малой мощности систем автоматизации летательных аппаратов.

г. Екатеринбург



А. В. Головатенко
АО «ОКБ «Новатор»
Россия

Головатенко Андрей Владиславович – консультант

Область научных интересов: методологические вопросы общей физики.

г. Екатеринбург



Для цитирования:


Головатенко В.Д., Головатенко А.В. Стеснение каверны от кумулятивной струи в преграде с краевыми экранами. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(2):24-29.

For citation:


Golovatenko V.D., Golovatenko A.V. Constraining a shaped charge jet cavity in a barrier with boundary shields. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(2):24-29. (In Russ.)

Просмотров: 33


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)