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
When assessing the effectiveness of ammunition designed to destroy various aerodynamic and ballistic targets, as the initial data on the vulnerability of the destruction objective, we use indicators obtained during experimental studies of the processes of fragments and fragment flow collision with various fragments of the target design. The results depend not only on the speed and mass of individual fragments, but also on their shape and location in the flow. The paper gives the results of the testing of an explosive thrower which provides the creation of a high-speed, i.e. ~5 km/s, flow of fragments of a given shape. Findings of research show satisfactory agreement between the results of calculations carried out in two- and three-dimensional statements with experimental data on high-speed throwing of a group of compact, parallelepiped, steel preformed fragments weighing 20 g each
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 проводились в программной среде ANSYS/AUTODYN [
При проведении расчетов были использованы модели материалов стандартной библиотеки программного комплекса.
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 |
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.
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:
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 |
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. |
The authors declare that there are no conflicts of interest present.