Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Взрывные генераторы высокоскоростных потоков готовых поражающих элементов

Полный текст:

Аннотация

При оценке эффективности боеприпасов, предназначенных для поражения различных аэродинамических и баллистических целей, в качестве исходных данных по уязвимости объекта поражения используются показатели, полученные при проведении экспериментальных исследований процессов соударения осколков и осколочных потоков по различным фрагментам конструкции цели. Результаты зависят не только от скорости и массы отдельных осколков, но и от их формы и расположения в потоке. Изложены итоги отработки взрывного метательного устройства, обеспечивающего создание высокоскоростного (~5 км/с) потока из осколков заданной формы. Показано удовлетворительное согласие результатов расчетов, проведенных в двух- и трехмерной постановках, с данными экспериментов по высокоскоростному метанию группы компактных, имеющих форму параллелепипеда стальных готовых осколков массой 20 г каждый

Для цитирования:


Заплохова К.А., Исаев Г.Ш., Курепин А.Е., Сидорова Е.В. Взрывные генераторы высокоскоростных потоков готовых поражающих элементов. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(4):23-29.

For citation:


Zaplohova K.A., Isaev G.S., Kurepin A.E., Sidorova E.V. Explosive generators of high-speed preformed fragment flows. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(4):23-29. (In Russ.)

Введение

Большинство известных конструкций взрыв­ных метательных устройств (ВМУ), формиру­ющих осколочные потоки, которые использу­ются при экспериментальных исследованиях процессов поражения, основаны на реализа­ции кумулятивных эффектов, возникающих при взрывном обжатии кумулятивных обли­цовок конической или полусферической фор­мы [1-3]. Применение в составе такого ВМУ устройств выделения головной части куму­лятивной струи обеспечивает создание дви­жущихся с высокой скоростью одиночных элементов, имеющих форму, близкую к ком­пактной. При групповом синхронном сраба­тывании таких ВМУ формируются потоки с заданными характеристиками по скоростям, массе и количеству находящихся в них эле­ментов.

ВМУ основанные на реализации кумуля­тивных эффектов, возникающих при взрывном обжатии кумулятивных облицовок, имеют недо­статок, связанный с невозможностью оперативно изменять размеры, массу и материал высокоско­ростного элемента, метаемого с использованием ВМУ. Кроме того, в ряде случаев на результаты высокоскоростного соударения оказывает замет­ное воздействие и форма элемента.

В связи с этим была проведена разра­ботка ВМУ, обеспечивающего метание груп­пы готовых компактных поражающих эле­ментов (ПЭ) с требуемыми по размерам, мас­се, материалу характеристиками. Схема ВМУ приведена на рис. 1. Высокая скорость потока метаемых элементов обеспечивается исполь­зованием эффекта кумуляции энергии взрыва в сходящейся детонационной волне и формой оболочки, в которой размещались данные эле­менты. Такая конструкция ВМУ, кроме созда­ния высокоскоростного потока готовых по­ражающих элементов, позволяет оперативно в достаточно широком диапазоне изменять их количество, массу и материал. Основной задачей, которая решалась при отработке этого ВМУ, было обеспечение метания груп­пы из 16 стальных ПЭ, имеющих размеры 10x16x16 мм и скорость ~5 км/с.

Вариант ВМУ, показанный на рис. 1, б, отличается от варианта на рис. 1, а наличием в составе заряда взрывчатого вещества (ВВ) фокусирующей втулки, которая обеспечивает сжатие потока продуктов детонации, участ­вующих в метании ПЭ, что дополнительно увеличивает скорость их движения по стволу.

 

Рис. 1. Схема и размеры (в мм) основных деталей ВМУ, обеспечивающего высокоскоростное метание группы

готовых ПЭ заданной формы: а - вариант 1; б - вариант 2; 1 - точка инициирования; 2 - фланец (АМг6); 3 - обойма (АМг6); 4 - линза (поли­стирол); 5 - взрывчатое вещество (октол); 6 - обечайка (АМг6); 7 - крышка (сталь 3 толщиной 20 мм); 8 - торец (АМг6); 9 - ствол (сталь 3); 10 - фокусирующая втулка (сталь 3); 11 - группа готовых ПЭ (сталь 10)

 

Расчеты

Расчеты проводились в программной среде ANSYS/AUTODYN [4] с применением решателя Эйлера последовательно в двух постановках:

  1. от начала процесса детонации ВВ до момента подхода детонационной волны (ДВ) к втулке (62 мкс) - в двухмерной (2D) осесим­метричной постановке с размером ячейки раз­ностной сетки, равным 2 мм;
  2. от 62 мкс до завершения расчетов - в трехмерной (3D) постановке с размером ячей­ки разностной сетки, равным 4 мм (переход от двухмерной к трехмерной постановке выпол­нен с помощью технологии Remapping с заме­ной одного сплошного элемента (см. рис. 1, поз. 11) на 16 отдельных элементов размерами 10x16x16 мм).

При проведении расчетов были исполь­зованы модели материалов стандартной биб­лиотеки программного комплекса.

  1. Для расчета давлений в областях, заня­тых деталями из сплава АМг6, стали 3, стали 10 и полистирола, применялось уравнение со­стояния Ми - Грюнайзена - Гюгонио (Shock):

где р0 - начальная плотность;

а, S1 - коэффициенты ударной адиабаты в D - и координатах, значения коэффициентов которых показаны в табл. 1;

μ - степень сжатия, μ = (г / г0 - 1);

γ0 - коэффициент Грюнайзена;

ρ - текущая плотность;

е - удельная внутренняя энергия.

 

Таблица 1

Значения параметров и коэффициентов уравнения состояния

Материал

ρ0, г/м3

а, км/с

S1

γ0

Полистирол

0,10

0,724

0,6931

1,00

АМг6

2,64

5,330

1,3400

1,97

Сталь 3

7,83

3,800

1,5800

2,17

Сталь 10

7,89

3,800

1,5800

2,00

  1. Зависимость сопротивления пласти­ческому сдвигу указанных выше материалов в

динамических условиях описывалась моделью Джонсона - Кука:

где A - статический предел текучести;

В - коэффициент пропорциональности в функции деформационного упрочнения;

ε - эффективная пластическая деформа­ция;

n - показатель степени в функции дефор­мационного упрочнения;

С - коэффициент кинематического упроч­нения;

ln(ε'*) - логарифм скорости эффективной пластической деформации, нормализованной значением, зависящим от выбранной системы размерностей;

T* - гомологическая температура,

T* = (T - T0)/(Tпл-T0);

m - показатель степени влияния темпера­туры;

Tпл - температура плавления;

T0 - начальная температура.

Значение коэффициентов модели приве­дены в табл. 2.

 

Таблица 2

Значения коэффициентов модели Джонсона - Кука

Материал

А, ГПа

В, ГПа

n

С

m

Tпл, K

T0, K

АМг6

0,167

0,596

0,551

0,001

0,859

893

293

Сталь 3

0,286

0,500

0,228

0,022

0,917

1836

286

Сталь 10

0,367

0,500

0,935

0,045

0,643

1836

286

В 3D-расчетах метаемые элементы построены с применением модели Rigid (аб­солютно твердое недеформируемое тело) с плотностью 7,86 г/см3. Вращение ПЭ не зада­но - моменты инерции равны 0.

  1. Модель взрывчатого вещества. Для описания поведения продуктов детонации (ПД) выбрано уравнение состояния JWL:

где P - давление;

А, В, R1, R2, ω - коэффициенты уравнения состояния;

Е - внутренняя энергия;

V = ρ0 / ρ - относительный объем;

ρ - текущая плотность ПД;

ρ0 - начальная плотность ВВ.

Значения параметров и коэффициентов уравнения состояния ПД (ВВ - октол) следу­ющие:

Здесь E0 - начальная внутренняя энергия.

Процесс распространения детонацион­ной волны, содержащей пересжатую махов- скую конфигурацию, образованную при схож­дении цилиндрической детонационной волны к оси заряда, показан на рис. 2, а, где изображе­на верхняя половина осевого сечения. Там же (рис. 2, б) представлена форма расчетных областей на момент 62 мкс после иницииро­вания, когда задача из двухмерной была пе­рестроена в трехмерную. Применение тех­нологии Remapping позволило не только значительно сократить время расчета, но и благодаря применению для двухмерного варианта расчетной сетки с более мелкими ячейками понизить погрешности вычисле­ния, значение которых во многом зависит от их размера.

 

Рис. 2. Распространение детонации по заряду ВМУ (а) и форма расчетных областей в момент применения про­цесса перестройки двухмерного решения в трехмерное (б)

 

Расчеты проведены до момента выхо­да скорости движения метаемых элементов на стационарный режим, что соответствует ~93 мкс. В момент перехода от 2D- к 3 D-расчету проведена замена одного сплошного ПЭ, имев­шего форму диска, на 16 отдельных ПЭ, име­ющих форму параллелепипеда с размерами 10x16x16 мм (см. рис. 2, б).

Анализ результатов расчетов показывает, что при распространении детонационной волны по заряду ВВ формируется зона пересжатой (маховской) детонационной волны, движущаяся вдоль оси в направлении метаемых элементов. В результате взаимодействия маховской ДВ с на­ходящимися в стволе ПЭ последние в процессе движения (рис. 3) подразделяются на 3 группы:

  • 1-я группа (высокоскоростная) - 4 цент­ральных элемента (темно-серый цвет на рис. 3, б);
  • 2-я группа (основная) - 8 элементов, летящих с промежуточными значениями ско­ростей (серый цвет на рис. 3, б);
  • 3-я группа (низкоскоростная) - 4 угло­вых элемента (белый цвет на рис. 3, б).

 

Рис. 3. Взаимное расположение метаемых ПЭ на ко­нечный момент времени расчета (а) и номера групп ПЭ, имеющих одинаковый уровень скоростей (б)

 

Подобный характер движения ПЭ свойст­венен и второму варианту расчета. Процесс набора скорости элементами, входящими в разные группы, показан на рис. 4.

Расчетные значения скорости ПЭ приве­дены в табл. 3. Анализ результатов расчетов процесса метания показывает, что разгон ПЭ практически прекращается после встречи на оси заряда волн разгрузки, двигающихся со стороны свободных поверхностей заряда. Ин­тенсивность снижения давления в продуктах детонации за волной разгрузки может быть уменьшена с помощью фокусирующей втул­ки, что приведет к небольшому (~3 %) увели­чению скорости метания.

 

Таблица 3

Средние массовые скорости движения на момент завершения расчета (93,4 мкс)

Вариант

Средние массовые скорости по группам ПЭ, м/с

Средняя массовая скорость по всем ПЭ, м/с

1-я группа

2-я группа

3-я группа

1

7377

4531

3522

4990

2

7895

4594

3424

5127

Эксперимент

Для экспериментальных исследований было изготовлено три варианта ВМУ Два варианта содержали по 16 двадцатиграммовых стальных ПЭ и отличались наличием или отсутствием фокусирующей втулки. Еще один снабженный фокусирующей втулкой вариант ВМУ содер­жал в составе передней крышки одиночный ПЭ, имеющий массу 320 г (табл. 4).

 

Таблица 4

Особенности конструкции ВМУ, прошедших испытания

Вариант ВМУ

Наличие фокусирующей втулки

Параметры метаемого элемента

Количество ПЭ, шт.

Масса, г

Размеры ПЭ, мм

1

Нет

16

20

16x16x10

2

Есть

1

320

64x64x10

3

Есть

16

20

16x16x10

При проведении испытаний ВМУ распо­лагалось на расстоянии 10 м от щитовой ми­шенной обстановки (МО), на которой в цент­ре зоны прицеливания размещался датчик электретного типа, обеспечивающий измере­ние времени прихода ПЭ на щит. Одновременно эту же величину определяли оптическим ме­тодом - съемкой вспышек, возникающих при пробитии щита ПЭ или их осколками. По вре­мени прихода рассчитывалась средняя скорость ПЭ на дистанции 10 м. Точность определения скорости ПЭ составила ±40 м/с для каждого метода регистрации. Для каждого варианта конструкции ВМУ проводилось два опыта. Результаты испытаний приведены в табл. 5, где второй столбец (Vmax/ Vmin) содержит данные о значениях максимальной и минимальной средней скорости ПЭ (осколков ПЭ) на дистан­ции 10 м, зарегистрированных в эксперименте.

 

Таблица 5

Результаты измерения средней скорости движения ПЭ

Вариант ВМУ / количество ПЭ, шт.

Vmax/ Vmin*,

м/с

Количество зарегистри­рованных ПЭ (оскол­ков ПЭ), шт.

Регистратор

1 / 16

4510/4270

7**

Электретный

датчик

1 / 16

4750/4440

10**

2 / 1

5160/4980

1**

2 / 1

4850/4620

6***

Фоторе­

гистратор

3 / 16

4920/4270

16

3 / 16

5030/4350

16

* — расчетное значение баллистического коэффициента сталь­ного ПЭ с размерами 10x16x16 мм составляет 0,0094, что по­зволяет оценить разницу средней на расстоянии 10 м и на­чальной скорости ПЭ как ~5 %;

** — регистрограмма сигнала, полученного с электретного дат­чика, не позволила выделить моменты прихода остальных ПЭ;

*** — оптическая регистрация позволила показать, что при ме­тании крупного ПЭ происходит его разрушение, а при мета­нии группы ПЭ подтверждается их сохранность.

Выводы

  1. В результате расчетно-экспериментальной отработки создана конструкция ВМУ, обеспе­чивающего метание группы готовых ПЭ сум­марной массой 320 г с начальной скоростью ~5000 м/с.
  2. Введение в состав заряда ВМУ фоку­сирующей втулки (см. рис. 1, поз. 3) приводит к росту скорости лидирующих в потоке ПЭ примерно на 8 %. Разница скоростей в пото­ке из 16 ПЭ составляет ориентировочно 13 %. Разница скоростей осколков, образованных при разрушении крупного элемента, лежит в диапазоне 3,5...4,7 %.
  3. Применение оптического метода ре­гистрации обеспечивает более точное определение количества и скорости ПЭ (осколков ПЭ), приходящих на щит МО.

Об авторах

К. А. Заплохова
Акционерное общество «Государственный научно-исследовательский институт машиностроения» им. В.В. Бахирева
Россия


Г. Ш. Исаев
Акционерное общество «Государственный научно-исследовательский институт машиностроения» им. В.В. Бахирева
Россия


А. Е. Курепин
Акционерное общество «Государственный научно-исследовательский институт машиностроения» им. В.В. Бахирева
Россия


Е. В. Сидорова
Акционерное общество «Государственный научно-исследовательский институт машиностроения» им. В.В. Бахирева
Россия


Для цитирования:


Заплохова К.А., Исаев Г.Ш., Курепин А.Е., Сидорова Е.В. Взрывные генераторы высокоскоростных потоков готовых поражающих элементов. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(4):23-29.

For citation:


Zaplohova K.A., Isaev G.S., Kurepin A.E., Sidorova E.V. Explosive generators of high-speed preformed fragment flows. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(4):23-29. (In Russ.)

Просмотров: 47


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


ISSN 2542-0542 (Print)