Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Применение методики «противоточное диффузионное пламя» в моделировании процессов конечной баллистики боеприпасов на основе реакционных материалов

Полный текст:

Аннотация

В связи с постоянной модернизацией производства средств поражения и боеприпасов в настоящее время возникла необходимость в поиске новых видов снаряжения. Рассмотрена возможность использования фторопласта в качестве реакционного материала, способного заменить взрывчатые вещества в боеприпасах, применяемых для поражения легкобронированных и легкоуязвимых целей. Отражены результаты экспериментов и математического моделирования процесса проникания фторопластового ударника в преграды из легких сплавов. Использован метод противоточного диффузионного пламени для учета дополнительной энергии, выделяющейся в результате взаимодействия во время моделирования

Для цитирования:


Хмельников Е.А., Заводова Т.Е., Смагин К.В., Дубинина С.Ф. Применение методики «противоточное диффузионное пламя» в моделировании процессов конечной баллистики боеприпасов на основе реакционных материалов. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(4):37-45.

For citation:


Khmelnikov E.A., Zavodova T.E., Smagin K.V., Dubinina S.F. Application of the “counterflow diffusion flame” method in simulating the final ballistics of ammunition based on reaction materials. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(4):37-45. (In Russ.)

Основные цели, против которых, преимуще­ственно, используются малокалиберные бое­припасы, расположены на переднем крае ве­дущихся военных действий (рис. 1).

 

Рис. 1. Легкобронированная и легкоуязвимая техника

 

Анализ современного боя показывает, что наибольшую эффективность малокалибер­ная ствольная артиллерия достигает в борь­бе с легкоуязвимой и легкобронированной техникой. Для легкобронированной техники (ЛБТ) наблюдается тенденция перехода к броне из легких сплавов (на основе алюминия и титана) и комбинированной броне. Типовые бронетранспортеры (БТР) и боевые маши­ны пехоты (БМП), предположительно, будут иметь броневую защиту на основе алюми­ниевых сплавов толщиной до 50 мм и более. Аэротранспортабельная и плавающая техни­ка выполнена, как правило, также из легких сплавов.

Поражение легкобронированной техни­ки происходит за счет следующих физических факторов: механического действия (экипаж, приборы, силовая установка, топливные баки), зажигательного действия (силовая установка, маслосистемы, топливопроводы и топливные баки) и инициирующего действия (детонация боекомплекта).

Применяемые для поражения ЛБТ и лег­коуязвимой техники (ЛУТ) боеприпасы (БП) и поражающие элементы (ПЭ) можно разделить на две группы (рис. 2): пассивные (без энер­гоносителя) и активные (с энергоносителем). Цели поражаются пассивными БП за счет реа­лизации диссипации кинетической энергии, а активными - в основном благодаря энергии детонации взрывчатых веществ.

 

Рис. 2. Типы боеприпасов и способы поражения целей с их применением:

ГОРпр - горючее - материал преграды; ТВС - топливно-воздушная смесь; Ек- кинетическая энергия; Едоп - до­полнительная энергия; Бр.П - бронебойные пули; Бр.С - бронебойные снаряды малого калибра; ОС - осколки снарядов; СПЭ - стреловидные поражающие элементы; ГПЭ - готовые поражающие элементы; ОКатм - окис­литель - атмосфера

 

К пассивным БП отнесем бронебойные пули (Бр.П), бронебойные снаряды малого ка­либра (Бр.С), осколки снарядов (ОС), стрело­видные поражающие элементы (СПЭ), готовые поражающие элементы (ГПЭ).

Повышения эффективности действия ПЭ можно достичь путем увеличения их кине­тической энергии, т. е. повысив массу и ско­рость. Массу можно увеличить, применив более крупный калибр, однако это не всегда приемлемо, так как становится больше масса артиллерийской системы, за счет чего она бо­лее громоздка и менее маневренна.

Увеличить массу, не меняя калибра, можно путем применения материалов с более высокой плотностью. С этой целью для производства сердечников и корпуса, кроме стали, используют сплавы карбида вольфрама, а также обедненный уран. Однако наряду с высокими бронепроби- ваемостью и зажигательным эффектом после пробития преграды сердечники из обедненного урана обладают серьезными недостатками:

  • трещинообразование при хранении, от­сутствие защитных покрытий, способных обес­печить срок хранения свыше 20 лет и предо­хранять изделия от повреждений;
  • радиоактивность урансодержащих ма­териалов;
  • необходимость осторожного обраще­ния.

Сердечники из вольфрама не уступают по пробиваемости сердечникам из обедненно­го урана. Они не имеют названных недостат­ков, однако являются дорогостоящими и не обладают достаточной сырьевой базой.

Кроме пассивных боеприпасов существу­ют боеприпасы, поражающие цели за счет реа­лизации диссипации не только кинетической, но и дополнительной энергии. Активные бое­припасы содержат энергоноситель: детониру­ющие взрывчатые вещества (ВВ) либо веще­ства, способные при взаимодействии с другими материалами вступать в химические реакции с выделением дополнительной энергии.

Активные боеприпасы весьма эффектив­ны для поражения ЛБТ и ЛУТ. Однако снаря­женные ВВ боеприпасы сложны в изготов­лении, небезопасны в обращении. В случае малокалиберного снаряда для реализации ВВ также необходимы средства инициирования.

Таким образом, возникает необходи­мость в замене энергоносителя на менее опас­ное в обращении вещество.

С середины 80-х гг. ХХ в. в Уральском федеральном университете исследуется при­менение реакционных материалов (PM) в ка­честве снаряжения малокалиберных боепри­пасов и готовых ПЭ [1].

С конца 1990-х гг. ведутся масштабные программы по созданию новых типов энерге­тических материалов (ЭМ) в США, ряде стран Европы и Китае. Данные программы в основном направлены на отработку новых принципов уси­ления различных видов поражающего действия за счет включения таких ЭМ в конструкцию БП.

PM (RM,, Reactive Materials) - это компо­зиция двух или более твердых веществ, не явля­ющихся взрывчатыми в обычных условиях, но в которой высокоскоростной удар и интенсивная деформация при попадании в цель инициируют экзотермическую химическую реакцию между компонентами, дополнительное энерговыделе­ние за преградой (внутри цели), что приводит к существенному усилению поражающего воз­действия. Таким образом, это класс пиротехни­ческих систем, рассчитанных на специфические условия применения. В отличие от традицион­ного подхода с использованием установивше­гося режима реакции (например, в форме дето­нации или послойного горения) концепция PM подразумевает связь скорости реакции с услови­ями удара; при этом эффект действия РМ может меняться в широком диапазоне.

Данный тип материалов наиболее инте­ресен с точки зрения использования в качестве снаряжения для малокалиберных боеприпасов. Однако при применении РМ возникают опре­деленные трудности в процессе проектирова­ния и отработки новых типов БП, поскольку изучение и моделирование физико-химических процессов, сопровождающих срабатывание РМ, находятся на начальной стадии разработ­ки. Но очевидные преимущества применения РМ - значительное усиление поражающей способности БП, отчетливость факта пораже­ния цели, упрощение конструкции БП и/или повышение их эксплуатационной безопасно­сти - заметно перевешивают указанные выше недостатки. В силу особенностей данного типа РМ (умеренная прочность и плотность, высо­кая калорийность) они оказались наиболее эф­фективны при действии по слабозащищенным целям. В процессе удара такие ПЭ деформи­руются и разрушаются, что вместе со взрыво­подобной реакцией приводит к увеличению пробоин и многофакторному (термобариче­скому и фугасно-зажигательному) действию в запреградном пространстве (рис. 3). Высокая температура и образующиеся мелкодисперс­ные конденсированные продукты нарушают работу электронных устройств приборных отсеков цели [2].

 

Рис. 3. Модель поражения цели PM. Температура поверхности контакта около 500 °С

 

Для изучения процессов, проходящих при взаимодействии боеприпасов малого калиб­ра, снаряженных РМ с преградами из легких сплавов, авторы провели ряд экспериментов и численное моделирование процесса прони­кания (рис. 4) [3]. Во время исследований авто­ры обнаружили химическую экзотермическую реакцию, происходящую при ударе фторо­пластового ударника об алюминийсодержа­щую преграду на скоростях встречи более 600 м/с. Для изучения данного феномена и его дальнейшего применения в конструировании новых типов боеприпасов авторы провели все­стороннее исследование данного процесса.

 

Рис. 4. Схема постановки эксперимента:

1 - ударник; 2 - преграда; 3 - фанера; 4 - дизельное топливо; 5 - доски; 6 - улавливатель (куб из алюминия)

 

Целью исследования является подбор физико-математической модели, адекватно от­ражающей условия динамического взаимодей­ствия фторопластового ударника с преградами из алюминиевых сплавов.

Взрывоподобный процесс, возникающий при деформировании головной части ударни­ка о преграду, вызывает механическую термо­окислительную деструкцию материала ударника с реализацией энергии по поверхности контакта с головной частью ударника.

Решение проблемы расчета кинемати­ческих и динамических характеристик про­никания ударника из РМ в упругопласти­ческой постановке было выполнено с ис­пользованием ряда методов, реализованных в следующих программных продуктах: «Конеч­ная баллистика», «ТИМ-ID», ANSYS Autodyn.

Для сравнения результатов, полученных указанными методами, численное моделиро­вание проводилось с входными параметра­ми, соответствующими параметрам экспери­мента. Расчеты были осуществлены без учета влияния дополнительной энергии, реализуе­мой химической экзотермической реакцией. В процессе вычислений были выбраны мо­дели, описывающие упругопластическое деформирование ударника (Мизес) и пре­грады (модели Джонсона - Кука, Глушака, Мизеса), и различные уравнения состоя­ния (УРС) материала ударника и преграды (Забабахина и «баротропная зависимость») для адекватного описания упругопластиче­ских процессов. Для расчетов в программах «Конечная баллистика» и «ТИМ-ID» исполь­зовался метод крупных частиц [4]. Для расчета в программе ANSYS Autodyn - метод сглажен­ных частиц.

В табл. 1 показаны результаты расчетов и экспериментальные результаты для объема ка­верны. Графики зависимости объема каверны от скорости взаимодействия ударника из РМ и преграды на основе алюминиевого сплава АМц показаны на рис. 5.

 

Таблица 1

Параметры объема каверны от взаимодействия фторопластового ударника с алюминиевой преградой (∅13 мм, m = 8,6 г)

Начальная скорость, м/с

Модель Мизеса, МКЧ, УРС Забабахина, см3

Модель Глушака, МКЧ, УРС Забабахина, см3

Модель Джон­сона - Кука, МКЧ, УРС Забабахина, см3

Модель Мизеса, МКЧ, баротропная зависимость, см3

Модель Джонсо­на - Кука, МСЧ, УРС Мизеса (скорость эрозии = 1), см3

Модель Джонсо­на - Кука, МСЧ, УРС Мизеса (скорость эрозии = 3), см3

Экспериментальные резуль­таты, см3

507

0,065

0,077

0,015

0,073

0,756

0,269

1,200

685

0,537

0,682

0,064

0,693

1,859

1,182

1,450

930

3,270

3,147

0,620

2,607

2,723

4,259

4,000

1108

6,055

5,827

2,276

4,049

3,934

8,766

6,500

1406

13,010

11,742

6,369

7,050

6,904

17,309

11,500

 

 

Анализ графика (см. рис. 5) показывает, что модели Мизеса и Глушака дают явно за­вышенные результаты по объему каверны и не учитывает влияние химической реакции при расчете с УРС Забабахина для алюминия. С точки зрения авторов статьи, процесс упруго­пластического взаимодействия ударника из РМ и преграды более точно описывается моделью Джонсона - Кука с УРС в форме баротропной зависимости.

При проведении экспериментов было отмечено, что на поверхности преграды появ­ляется слой сажи (рис. 6). В закрытой камере химический анализ воздуха после выстрела подтвердил наличие фторидов алюминия и титана, что доказало существование интенсив­ной окислительной реакции материала прегра­ды при взаимодействии с ударником.

 

Рис. 6. Плита из алюминиевого сплава АМЦ после пробития фторопластовым ударником

 

Для учета дополнительной энергии, вы­деляющейся во время химической экзотерми­ческой реакции, протекающей между РМ и легкосплавной преградой, можно использовать следующее уравнение:

Εχ = Aуд (Wоп- Wpac),                                                            (1)

где Wоп - опытный объем каверны;

Wpac - расчетный объем каверны.

Рассматривая процесс проникания лю­бого срабатывающегося (теряющего массу в процессе проникания или деформирующего­ся) ударника в преграду можно отметить, что слои материала преграды и деформирующего­ся бойка движутся параллельно (рис. 7). При этом происходит химическое окисление алю­миний- и титаносодержащей преграды при взаимодействии с фторопластом. Процессы параллельного окисления были рассмотрены на различного рода газовых смесях и сформи­рованы в методе Counterflow Diffusion Flame (CDF), впервые предложенном Цудзи и Ямаока [5].

 


Рис. 7. Схема проникания ударника в преграду: 1 - окислитель; 2 - пламя; 3 - топливо; 4 - зона стагнации

 

Ламинарная противоточная диффузия пламени, как правило, рассматривается как чистое диффузионное пламя. Наиболее соот­ветствующим процессам, протекающим при взаимодействии фторопластового ударника с преградой, является противоточное диффузи­онное пламя в передней критической области цилиндрической пористой горелки.

Ламинарное противоточное диффузион­ное пламя устанавливается в передней крити­ческой области проникающего фторопластово­го снаряда в алюминийсодержащую преграду. Скорость потока окислителя (фторопласта) можно рассчитать как радиальный компонент скорости срабатывающейся части снаряда. Об­разующая боковой поверхности ударника, как показали экспериментальные результаты, хо­рошо описывается в цилиндрической системе координат ORZ (см. рис. 7) уравнением вида

ZRn = const,                                                                            (2)

где n - показатель степени, зависящий от ма­териала ударника и условий его деформиро­вания, n > 0.

Полагая, что уравнение линий тока для скорости частиц материала ударника в процес­се его деформирования также будет описывать­ся уравнением (2), найдем функциональную связь между осевой ϑz и радиальной ϑR компо­нентами скорости данной частицы материала:

Компоненты скорости должны удовлет­ворять уравнению неразрывности для несжи­маемой среды в цилиндрической системе ко­ординат:

Уравнение неразрывности с учетом фор­мулы (3) имеет вид

На границе раздела жесткой и пласти­ческой областей ударника осевая компонента скорости частиц деформированного материала будет равна скорости жесткой части ударника, т. е. при Z = h, ϑZ = -V. Из решения уравне­ния (5) при заданном граничном условии на­ходим выражение для осевой компоненты ско­рости частиц деформированного материала:

где h - текущая высота деформированной части ударника.

Подставляя уравнение (6) в формулу (3), получим:

Определяя из решения задачи пласти­ческого деформирования фторопластового снаряда при его взаимодействии с преградой радиальную и осевую компоненты скорости, находим скорость движения окислителя вдоль образующей каверны ϑR и давление на грани­це контакта снаряда с преградой.

С учетом того, что скорость потока окис­лителя (фторопласта) должна быть больше скорости потока топлива (алюминия), реше­ние, представленное Цудзи и Ямаоко для выво­да скорости реакции и оценки тепловыделения протекающего химического процесса моде­ли противоточного диффузионного пламени, может быть применено для случая взаимо­действия фторопластового бойка с алюминие­вой преградой.

Скорость тепловыделения и скорость реакции могут быть рассчитаны по квазиодномерному уравнению сохранения энергии и уравнению неразрывности соответственно.

где A - соотношение поток - трубка - пло­щадь в любой точке;

ρ - плотность газовой смеси;

Cpi - теплоемкость при i постоянном дав­лении;

Т - температура газа; λ - теплопроводность газовой смеси.

Индекс 0 обозначает некоторую точку отсчета Gi.

Чистая скорость реакции Ki, т. е. чистая молярная скорость генерации или потребления видов i в единицу объема за единицу време­ни химической реакции, рассчитывается по формуле

где Mi - молекулярная масса.

Масса потока:

Gi =PYi (v + vdi),                                                                  (10)

где v - скорость потока.

Массовая концентрация Yi задается фор­мулой

где Xi - молярная доля i-й частицы.

Скорость диффузии определяется выра­жением

где Di - двоичный коэффициент диффузии.

Плотность газовой смеси рассчитывает­ся исходя из измеренных температуры и кон­центрации стабильных уравнений состояния:

где p - давление;

R° - универсальная газовая постоянная.

Соотношение поток - трубка - площадь А определяется из плотности и измеряемой ско­рости по общему уравнению неразрывности:

ρvA = ρ0 v0.                                                                             (14)

В предположении, что двоичные коэффи­циенты диффузии всех пар равны и что массо­вая концентрация Yi - это функция i консер­вативного скаляра ζ (или какой-либо функции Шваба - Зельдовича), уравнение состояния для скорости реакции может быть преобразовано в простую форму:

где wi - чистая скорость реакции (масса на единицу объема в секунду);

D - молекулярная диффузия;

ϑR - единая скорость потока окислителя.

Отличительной чертой уравнения (15) является то, что для получения скорости хими­ческой реакции требуются измерения только состава и температуры. Необходимые пара­метры температуры получаются при решении задачи упруго-пластического деформирования в каждой ячейке.

Важным шагом является создание сме­шанной ячейки, в которой возникают хими­ческая реакция и продукты химической ре­акции в форме фторида алюминия. Давле­ние, образующееся на поверхности контакта, способствует появлению этой реакции. Рас­чет позволил оценить полученное давление (рис. 8). Анализ показывает, что максимальное давление намного превышает предельное дав­ление, при котором инициируется химическая реакция (200 МПа).

Для учета влияния химической энер­гии на процесс проникания в метод крупных частиц введен блок расчета тепловыделения по модели CDF. Напрямую программный комплекс ANSYS Autodyn не может сочетать процессы горения и проникания. Таким обра­зом, была предпринята попытка представить проникающий боеприпас как многослойную конструкцию, в которой четные слои прони­кают как твердое тело, а нечетные - горят. Результат расчета объема каверны с использо­ванием методики CDF, реализованный в двух программных комплексах (рис. 9), показывает, что данные, полученные в программном ком­плексе ANSYS Autodyn, превышают экспери­ментальные.

Выводы

  1. Предложенный метод позволяет оценить результаты взаимодействия фторопластового ударника с преградой на основе алюминия в широком диапазоне начальных скоростей со значительной степенью точности.
  2. Предложенный метод расчета в про­грамме «Конечная баллистика» позволяет вы­числять кинетическую и химическую энергию проникающего боеприпаса одновременно.
  3. Использование реакционных материа­лов, таких как фторопласт, в качестве энергоносителя делает возможным разработку новых типов малокалиберных боеприпасов (патенты № 2582322, 2625991).

Об авторах

Е. А. Хмельников
Нижнетагильский технологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


Т. Е. Заводова
Нижнетагильский технологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


К. В. Смагин
Нижнетагильский технологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


С. Ф. Дубинина
Нижнетагильский технологический институт (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
Россия


Для цитирования:


Хмельников Е.А., Заводова Т.Е., Смагин К.В., Дубинина С.Ф. Применение методики «противоточное диффузионное пламя» в моделировании процессов конечной баллистики боеприпасов на основе реакционных материалов. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(4):37-45.

For citation:


Khmelnikov E.A., Zavodova T.E., Smagin K.V., Dubinina S.F. Application of the “counterflow diffusion flame” method in simulating the final ballistics of ammunition based on reaction materials. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(4):37-45. (In Russ.)

Просмотров: 72


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


ISSN 2542-0542 (Print)