Определение характеристик низкоскоростных (до 300 м/с) осколочных полей поражения

Для определения характеристик осколочных полей поражения (ПП), имеющих скорость разлета выше 300 м/с, применяется оптиче­ский метод измерения скорости, при котором момент соударения поражающих элементов (ПЭ) со щитом мишенной обстановки (МО) определяется по характерным световым вспышкам, возникающим при его пробитии. Скорость ПЭ и функция распределения их количества по экваториальному и мериди­ональному углам разлета определяются по моменту возникновения и расположению пробоин в щитах, выполненных из стальных листов толщиной 2-3 мм. Для регистрации характеристик низкоскоростных (до 300 м/с) осколочных 11, максимальная скорость дви­жения которых ниже скорости звука, оптиче­ским методом приходится применять более тонкие листы из материалов меньшей проч­ности, которые обладают низкой стойкостью к действию воздушной ударной волны (ВУВ), приходящей на щит раньше, чем поток ПЭ. Сохранность такой МО до момента прихода на щит всего потока ПЭ от разрушающего действия ВУВ обеспечивается большим коли­чеством силовых рам и опор. Из-за этого ско­ростные характеристики значительного (до 20-30 %) количества ПЭ, попадающих в эти элементы крепления, при обработке кинорегистрограмм процесса пробития щита опре­делить не удается. Уменьшение количества силовых элементов приводит к росту разрушений щитов МО под действием ВУВ еще до прихода потока ПЭ на щит.

Пример процесса разрушения щита МО показан на рис. 1. Свечение, возникающее в местах разрушения щита (отрыва листов от элементов крепления), вызвано наличием за щитом импульсных пиротехнических источ­ников, обеспечивающих подсветку процесса пробития щита осколочными ПЭ, скорость движения которых недостаточна для созда­ния яркой вспышки в момент пробития щита. Изображения (см. рис. 1) получены при ис­пользовании в испытаниях щитов МО, име­ющих разную прочность к воздействию ВУВ.

Повышение прочности щита за счет увеличения количества элементов крепления снижает процент регистрируемых ПЭ. Повы­шение прочности щита, например, за счет при­менения листов б0льшей толщины, ограничи­вает возможность регистрации характеристик части ПЭ, имеющих минимальную, порядка 20-30 м/с, скорость в потоке. Качество реги- строграмм при этом улучшается (см. рис. 1, б). Регистрация распределения количества ПЭ по меридиональному углу разлета этим методом дает удовлетворительные результаты, если конструкция щита позволяет учитывать ПЭ, попадающие в элементы крепления. Точность регистрации средней скорости движения ПЭ таким методом определяется точностью изме­рения расстояния от боевой части (БЧ) до щита и частотой высокоскоростной съемки. Так, при дальности от БЧ до щита 5 м, точности изме­рения расстояния 0,01 м и частоте регистра­ции 2000 кадр/с величина ошибки измерения составит для ПЭ, имеющих скорость ~300 м/с, около 3,7 %, а для ПЭ со скоростью 30 м/с - около 0,6 %. Повышение частоты регистрации уменьшит ошибку измерения скорости, мини­мальное значение которой (~0,2 %) будет опре­деляться точностью измерения расстояния.

В случае регистрации характеристик низ­коскоростного осколочного ПП, создаваемого БЧ с однослойной осколочной оболочкой, хо­рошо зарекомендовал себя метод рентгеноим­пульсной регистрации процесса разлета ПЭ [1, 2]. Испытания таким методом БЧ с мно­гослойной (по радиусу) осколочной оболоч­кой усложняет процесс обработки результатов испытаний, поскольку наличие на рентгено­грамме ПЭ, входивших в разные ряды много­слойной оболочки, может привести к ошибке в определении их принадлежности к рассма­триваемому ряду и внести погрешность в ве­личину определяемой скорости. В этом случае для повышения точности определения зависи­мости скорости ПЭ от меридионального угла разлета при проведении испытаний целесо­образно ограничивать экваториальный угол разлета одним рядом ПЭ путем установки прочных экранов.

Упростить процесс обработки рентге­нограмм при некоторой потере информации о характеристиках ПЭ, входящих в разные слои осколочной оболочки, можно, заменив один многослойный ряд мелких ПЭ на одно­слойный ряд, выполненный из крупных ПЭ. Это позволит определить среднюю по всем слоям ПЭ скорость их движения.

Пример рентгеновской регистрации ха­рактеристик осколочных ПП, образованных при срабатывании БЧ с трехслойной (по ра­диусу) осколочной оболочкой, в которой один ряд выполнен из крупных ПЭ высотой, равной суммарной толщине трехслойной оболочки, показан на рис. 2, а (номерами 1-12 отмече­на последовательность расположения круп­ных ПЭ в ряду; самый высокоскоростной ПЭ, имеющий номер 4, находится вне зоны реги­страции).

Рентгенограмма процесса разлета части однослойной осколочной оболочки, содержа­щей несколько рядов, приведена на рис. 2, б. Этот пример наглядно демонстрирует сложность определения, к какому ряду ПЭ принад­лежит рассматриваемое изображение.

Для регистрации распределения количе­ства ПЭ по меридиональному углу разлета при использовании рентгеновского метода целесо­образно устанавливать дополнительный щит, места прихода ПЭ на который фиксируются пробитыми в нем отверстиями.

Точность измерения скорости ПЭ при использовании рентгеноимпульсного метода регистрации определяется точностью методи­ки, зависящей от размеров источника рентгеновского излучения и от ошибок определения положения реперных меток, масштаба изобра­жения и времени выдачи импульса рентгенов­ского излучения. Относительная погрешность измерения скорости ПЭ этим методом, оце­ненная при проведении испытаний БЧ с вы­сокоскоростным осколочным ПП [2], может составлять 3.. .7 %.

Приведенные примеры служат подтверж­дением тому, что и этот рентгеноимпульсный метод не позволяет решить все возникающие проблемы. В частности, его применение для определения характеристик низкоскоростных осколочных ПП, образованных БЧ с много­слойными (по радиусу) осколочными оболоч­ками, не обеспечивает достоверной регистра­ции скоростных характеристик ПЭ.

В то же время существуют технические решения, позволяющие придать потоку низко­скоростных ПЭ, образованному при подрыве заряда БЧ, дополнительную скорость движения, достаточную для применения оптиче­ского метода регистрации с использованием МО, изготовленных из прочных листов стали толщиной 2-3 мм. Один из таких способов - создание дополнительной скорости движения БЧ с помощью ракетного трека. Согласно ра­боте [3], такой способ для определения харак­теристик низкоскоростных полей поражения с активными ПЭ был применен при отработке БЧ противоракеты В-1000.

При использовании способа искусствен­ного увеличения скорости ПЭ в расчетные зависимости, применяемые для определения характеристик движения ПЭ, вводится дополнительная величина - скорость движения по треку содержащего БЧ экспериментального устройства (ЭУ) в момент подрыва заряда БЧ. Ошибка определения скорости ЭУ также вно­сит свой вклад в ошибку измерения скоро­сти ПЭ.

Предположим, что испытываемая БЧ за­креплена осесимметрично с ЭУ. Тогда, зная скорость ЭУ, по расстоянию R от точки пе­ресечения оси БЧ со щитом до места попада­ния ПЭ в щит, определенной с учетом разме­ров осколочной оболочки, можно определить радиальную составляющую V_r скорости его движения:

В случае если дополнительно произво­дится оптическая регистрация процесса про­бития щита потоком ПЭ, по разности величин времени t_i появления пробоины и расчетного времени t₀ = L / V_p (L - расстояние от места подрыва БЧ до щита, V_p - скорость движе­ния экспериментального устройства (центра масс БЧ) в момент подрыва) движения центра масс БЧ до щита можно определить и осевую составляющую скорости V_x :

Используя значения составляющих ско­рости (1) и (2), производим расчет меридио­нального угла движения ПЭ:

Когда V_x > 0, меридиональный угол φ_i < π/2, это означает, что ПЭ движется в на­правлении передней полусферы, и, наоборот, при V_x < 0 угол φ_i > π/2 (φ_i· отсчитывается от направления вектора скорости движения ЭУ). Ошибки измерения радиальной скорости за­висят от точности измерения величин R, L и скорости ЭУ в момент подрыва. При скорости ЭУ ~500 м/с, расстояниях L = 10 м и R = 1 м, точности их определения 0,05 и 0,02 м соответственно, точности измерения скорости ЭУ, равной 2 %, относительная ошиб­ка определения величины V_R составит ~4,5 %.

Точность регистрации осевой составля­ющей скорости V_x ПЭ зависит от удаления точки подрыва от щита, точности регистра­ции скорости ЭУ, частоты съемки и абсолют­ного значения V_x . Так, при частоте съемки 2000 кадр/с время между кадрами будет состав­лять δt = 5 ⋅ 10^-4 с. При скорости ЭУ 500 м/с и расстоянии L = 10 м время t₀ движения ЭУ от точки подрыва до щита составит 0,02 с. По­павший на следующий кадр ПЭ пройдет это расстояние за 0,0205 с со скоростью 487,8 м/с. В результате все ПЭ, значение осевой состав­ляющей скорости которых отличается менее чем на 12,2 м/с, появятся на кадре регистро- граммы одновременно. Значит, абсолютная ве­личина ошибки измерения V_x в этом примере составит 12,2 м/с, и для ПЭ, имеющих ради­альную скорость вблизи верхней границы из­меряемого диапазона - 300 м/с, относительная ошибка определения величины меридиональ­ного угла φ_;· составит ~2,5°, а для ПЭ, имею­щих скорость на порядок меньше, величина ошибки увеличится примерно до 20°.

Учет торможения ПЭ на траектории мож­но выполнить, зная величину баллистического коэффициента α ПЭ. При αR « 1 и αX « 1, используя разложение показательной функции по малому параметру, величины средних ско­ростей ПЭ можно выразить как

Кадры, полученные в результате высо­коскоростной съемки процесса испытаний, приведены на рис. 3 и 4. Начальный момент подрыва разрывного заряда БЧ (небольшая вспышка в головной части ЭУ, расположен­ного в левой части кадра) показан на рис. 3, а. В правой части кадра хорошо виден щит МО, центральная часть которого закрыта листом фанеры для обеспечения прохода через щит двигателя ЭУ. Кадр на рис. 3, б демонстрирует момент подхода к щиту неразрушенной части двигателя и лидирующей части потока ПЭ.

На рис. 4 приведены два кадра высоко­скоростной съемки процесса пробития МО головной частью обтекателя (большое яркое пятно в левой части изображения) и осколочным потоком (центральная часть изображе­ния), выполненной с тыльной стороны щита.

На рис. 5 показан вид мишенной обста­новки до и после проведения эксперимента.

Крупные отверстия в щите, обозначен­ные на рис. 5, б позицией 6, образованы уда­ром осколков корпуса БЧ и конструктивных элементов, которые обеспечивали крепление БЧ в составе ЭУ Наличие таких отверстий сни­жает количество регистрируемых ПЭ. Наряду с ограничениями по возможности регистра­ции характеристик ПЭ, радиальная скорость разлета которых не обеспечивает им выход из зоны разрушения центральной части щита, образуемого при пролете ЭУ, это также явля­ется недостатком такого варианта реализации методики измерения характеристик низкоско­ростных осколочных ПП.

Конечный участок трека может быть ос­нащен тормозным устройством, что позволит остановить остатки ЭУ до момента его соуда­рения со щитом. Это позволит избежать боль­ших разрушений в центральной части щита и определить места попадания в эту часть щита ПЭ, имеющих самые низкие радиальные ско­рости движения. Кроме того, это позволит из­бежать засветки изображения на кадрах высо­коскоростной видеосъемки, возникающей от продуктов горения топлива двигателя.

Краткий анализ существующих методов регистрации характеристик низкоскоростных (до 300 м/с) осколочных 1111 показал, что все рассмотренные методы имеют недостатки, в разной степени создающие сложности в про­ведении испытаний и обработке их результа­тов. Наиболее информативным методом сле­дует считать применение дополнительного разгона испытываемой БЧ с помощью ракет­ного трека с регистрацией характеристик 1111 в мишенной обстановке оптическим методом.