Взрывные генераторы высокоскоростных потоков готовых поражающих элементов

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.

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.

2. 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)/(T_пл-T₀);

m - показатель степени влияния темпера­туры;

T_пл - температура плавления;

T₀ - начальная температура.

Значение коэффициентов модели приве­дены в табл. 2.

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.

3. 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.

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).

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.

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).

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 (V_max/ V_min) содержит данные о значениях максимальной и минимальной средней скорости ПЭ (осколков ПЭ) на дистан­ции 10 м, зарегистрированных в эксперименте.

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.