CC BY
442
УДК 623.4
М.С. Воротилин, канд.-с, доц., (4872) 35-05-50,
угпб-уогоШіп@гатЬ1ег. і ч , Тула, ТулГУ)
КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ КУМУЛЯТИВНОГО ЗАРЯДА С РЕКОРДНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПРОБИТИЯ
Предложено конструктивное решение позволяющее обеспечить повышенную эффективность бронепробивного действия кумулятивного заряда, за счет двойного схлопывания кумулятивной облицовки.
Ключевые слова: кумулятивный заряд, кумулятивная воронка, двойное схлопывание.
Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведённых за последние двадцать лет ведущими отечественными организациями и зарубежными фирмами, красноречиво свидетельствует о том, что работы, направленные на увеличение основной характеристики кумулятивного заряда (КЗ) - бронепробития, проводятся в широком спектре направлений. Остановимся на наиболее популярных из этих направлений.
Выбор материала кумулятивной облицовки (КО) является одним из приоритетных направлений исследований. Это связано с тем, что наиболее часто применяется в КЗ медь, обладающая достаточно высокой плотностью и пластичностью и не относящаяся к классу особо дорогих и дефинитных материалов, обеспечивает пробитие в пределах 8... 9 калибров заряда [сЦ, что не в полной мере удовлетворяет современным требованиям. Увеличение пробития без каких-либо конструктивных изменений заряда может быть достигнуто при использовании тантала, молибдена и ниобия (около 10 калибров). Однако эти материалы достаточно дефицитны и соответственно дороги для использования в серийных целях.
Такие металлы при высокой плотности обеспечивают очень высокий коэффициент предельного удлинения КС, однако их использование в чистом виде пока не нашло реального применения. Такие материалы, как вольфрам, титан и частично обедненный уран, из-за своей значительной хрупкости не создают монолитной КС и распыляются в процессе движения, создавая поток частиц достаточно большого диаметра, что существенно снижает эффективность действия по плотным и прочным преградам значительной толщины. Высокоплотный и пластичный свинец также не образует сплошной струи, рассыпаясь уже на начальной стадии струеобразования из-за сильной сжимаемости и малой объемной прочности. Анализ зарубежных информационно-патентных источников [1] указывает на перспективу использования в качестве материала КО медно-вольфрамового сплава (Си-IV), что может повысить бронепробиваемость кумулятивных боевых частей до (10... 12)с1. Смешанная медно-вольфрамовая струя сочетает высокую плотность вольфрама и высокую пластичность меди. Однако реализация этой
идеи требует подбора оптимальных составляющих этих металлов и их оптимального размещения по КО (внутри - вольфрам, снаружи - медь).
Определенные перспективы имеет использование комбинированных или многослойных (главным образом, биметаллических) КО, состоящих из разных металлов [2]. В этом случае отдельные части или слои традиционных КО из меди и стали можно выполнять из ниобия, тантала, циркония и других металлов, а также использовать различные сплавы.
Вторым направлением исследований, направленных на повышение эффективности действия кумулятивных зарядов, является поиск более мощных взрывных веществ (ВВ).
Переход на более мощное ВВ по оценкам отечественных и зарубежных специалистов в перспективе может дать прирост в глубине пробития до 15...20 %, при этом необходимо ориентироваться на ВВ с плотностью не менее 1,85 г/см и скоростью детонации не менее 8,8 км/с. Особое значение имеет качество изготовления заряда, особенно в области основания КО, и отсутствие зазоров между КО и тттаттткой ВВ [3]. Использование перспективных термопластических ВВ позволит перейти и на более современные высокоточные технологии одновременной сборки КЗ совместно с КО и линзовым узлом.
В качестве третьего направления исследований в направлении совершенствования кумулятивных зарядов можно рассматривать работы по выбору рациональной конструкции узла инициирования ВВ, обеспечивающего формирование оптимального профиля фронта детонационной волны, что приводит к максимальному использованию пластических свойств материала кумулятивной облицовки. По оценкам специалистов, применение генераторных узлов может обеспечить увеличение бронепробиваемости до 20... 30 %. Однако достижение высоких результатов возможно при строгом обеспечении условий симметричности процессов обжатия кумулятивной облицовки, что ограничивается технологическими возможностями.
Таким образом, как показывает анализ существующих подходов к решению проблемы совершенствования кумулятивных зарядов, ни одно из перечисленных направлений не способно на принципиальном уровне обеспечить повышение бронепробивного действия кумулятивных зарядов.
На основе анализа причин невозможности повышения эффективности действия КЗ классического типа из-за неизбежности исчерпания ресурсов пластичности материала КС сделан вывод о необходимости создания конструктивной схемы КЗ, которая позволила расширить механизм формирования КС и возможные режимы кумуляции. Первым шагом в решении частной задачи по повышению эффективности действия КЗ является формулирование научно обоснованного вывода о невозможности повышения эффективности действия КЗ на базе существующих конструкций взрывных устройств. Следующим шагом является выяснение обстоятельств, приводящих к исчерпыванию ресурсов
пластичности КС. Для объяснения этого условия вернемся к рассмотрению физической картины функционирования обычных КЗ.
Как известно из классической гидродинамики, глубина пробития преграды при скоростях взаимодействия, превышающих критическую скорость, соответствующую гарантированному фазовому переходу в зоне контакта струи и преграды, прямо пропорциональна длине струи в момент ее взаимодействия с преградой. При этом динамика удлинения КС зависит от конструкции КЗ, а предельное удлинение ограничивается пластическими возможностями отдельных элементов КС. В свою очередь, предельное удлинение элемента КС [\\г] определяется запасом и динамикой изменения внутренней энергии материала КС. Эти параметры, как известно, зависят от динамики нагружения КО продуктов детонации (ПД). На основе анализа известных результатов можно также сделать вывод о том, что варьирование конструктивными параметрами КЗ приводит к незначительному повышению пластических возможностей КС. Поэтому такой путь может быть рекомендован в качестве инструмента, незначительно увеличивающего эффективность действия КЗ.
Таким образом, в данной работе предложено решение, позволяющее обеспечить повышенную эффективность бронепробивного действия путем двойного схлопывания кумулятивной облицовки, как следствие более продолжительного нагружения материала КС динамической нагрузкой и увеличение массо-энергетических характеристик КС. Именно такие условия существования сформированной КС должны обеспечивать возможность принципиально большего растяжения КС на траектории, а следовательно, обеспечивать повышенную эффективность бронепробивного действия.
Сущность технического решения, основанного на двойном схлопывании кумулятивной облицовки, представлена на рис. 1 и 2, на которых схематично изображен КЗ, содержащий: корпус осесимметричной формы, в котором размещен цилиндроконический заряд ВВ, имеющий в хвостовой части взрыватель; в выемке заряда ВВ размещена коническая КО, имеющая по образующей несколько центральных сопряженных V-образных элементов.
КГвдлстаяняп
ММ ІІІІШІ.І.Н
Рис. 1. Схема кумулятивного заряда (1/4 часть)
Рис. 2. Схема кумулятивной
Принцип действия предлагаемого ВУ проиллюстрирован схемой, изображенной на рис. 3-5, на которых поэтапно представлено действие взрывного устройства (ВУ). Так, на первом этапе в результате срабатывания детонатора 3 по ВВ 2 распространяется детонационная волна 9, которая достигает вершины КО 4 и выходит на плоскости центральных У-образных элементов - «лепестков» 5. Суть физических процессов, протекающих при функционировании ВУ в пределах рассматриваемого этапа, аналогична процессам при функционировании удлиненного кумулятивного заряда. Вследствие воздействия ТТД 9 на плоскости лепестков 5 КО 4 происходит ее высокоскоростное интенсивное деформирование, в результате которого реализуется схлопывание лепестков и формирование плоской КС (кумулятивного «ножа»).
Рис. 3. Схема кумулятивного заряда в начальный момент времени: а - вид вдоль оси; б - поперечное сечение
9 9
заряда до момента разрушения заряда после разрушения корпуса
корпуса
Второй этап функционирования рассматриваемого ВУ напоминает функционирование осесимметричных КЗ (ОКЗ). Действительно, на некотором отрезке оси симметрии КЗ происходит схлопывание кумулятивных «ножей» 7 под некоторым углом, в результате чего
формируется кумулятивная струя 8. Отличие физики процессов на втором этапе от действия обычных ОКЗ заключается в том, что уровень скорости схлопывания в несколько раз превышает уровень скорости схлопывания обычного ОКЗ и схлопывание происходит «секторами», на что сильно влияют технологические факторы.
Таким образом, двухэтапное схлопывание кумулятивной облицовки достигается за счет того, что обжатие лепестков происходит по принципу функционирования удлиненного КЗ с образованием кумулятивного «ножа», который будет осуществлять «подпитку» итоговой кумулятивной струи, образованную по принципу функционирования ОКЗ.
Как и схлопывание КО на первом этапе функционирования ВУ, схлопывание кумулятивного «ножа» на некотором отрезке оси симметрии КЗ приводит к резкому увеличению массо-энергетических характеристик кумулятивной струи, что обеспечивает поддержание квазижидкого состояния КС в течение более длительного времени, чем в КС, формируемой обычным зарядом. Это обстоятельство позволяет надеяться на сохранение способности КС к существенно большему предельному растяжению, а значит, и обеспечение существенно большей бронепробиваемости.
Естественно, что для обеспечения функционирования ВУ по указанной схеме необходимо выполнение условия. В первую очередь, это относится к необходимости поддержания вектора скорости элементов кумулятивного «ножа» в направлении центральной оси симметрии кумулятивного заряда. В противном случае не будет обеспечено схлопывание кумулятивных «ножей», а следовательно, нарушено условие формирования центральной КС. Для выполнения этого условия необходим тщательный расчет геометрии ВУ, направленный на выявление граничных и необходимых условий существования процесса двойной кумуляции с целью определения конфигурации КО и заряда ВВ.
Окончательная реализация выдвигаемого решения проблемы повышения эффективности взрывных устройств, использующих эффект двойной кумуляции, должна включать теоретико-экспериментальные исследования возможностей предлагаемой конструкции.
Список литературы
1. Современные средства поражения бронетанковой техники: учебн. пособие / М.С. Воротилин [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. 515 с.
2. Воротилин М.С., Окунев А.О., Сабаев М.Н. Повышение эффективности кумулятивного заряда // Региональная научно-техническая
конференция «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов». Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 480 с.
3. Кумулятивный заряд и способ его изготовления: патент 2110037 Рос. Федерация.
M.S. Vorotilin
FOUNDATION FOR THE DEVELOPMENT OF A SHAPED CHARGE WITH OUTSTANDING PENETRATION ABILITIES
It is proposed to use double implosion of a conical liner in order to achieve higher armor penetration ability of a shaped charge.
Key words: shaped charge, conical liner, double implosion.
УДК 623.4
M.C. Воротилин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-05-50, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ КУМУЛЯТИВНОГО ЗАРЯДА, ОСНОВАННОГО НА ДВУХСТАДИЙНОМ ПРИНЦИПЕ ДЕЙСТВИЯ,
НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
В данной статье представлены результаты теоретических исследований, направленных на определение предельных возможностей конструкции кумулятивного заряда, обеспечивающего двойное схлопывание кумулятивной облицовки. Предложена и реализована математическая модель, поэтапно описывающая физические процессы функционирования кумулятивного заряда.
Ключевые слова: кумулятивный заряд, кумулятивная воронка, двойное
схлопывание, математическая модель.
Как было показано в статье «Концепция создания кумулятивного заряда с рекордными характеристиками пробития» существует возможность достижения рекордных характеристик бронепробиваемости кумулятивного заряда (КЗ) путем использования двухстадийного принципа функционирования. В данной работе представлены результаты теоретических исследований, направленных на определение предельных возможностей предлагаемой конструкции КЗ. Для осуществления оценки максимальной эффективности КЗ была предложена и реализована математическая модель, поэтапно описывающая физические процессы его функционирования. Подробно данная математическая модель описана в монографии [1].
Результаты представленных теоретических исследований проведены применительно к конструкции КЗ диаметром 100 мм, эскиз которого изображён на рис. 1.
Учитывая сложность функционирования предлагаемой конструкции КЗ, выбор рациональных конструктивных параметров кумулятивной
