Методика определения скорости сквозного пробития мишенной обстановки Текст научной статьи по специальности «Физика»

Timofeev Nicolai Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, senior researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Babin Alexander Mikhailovich, senior researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy

УДК 620.17

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ

СКВОЗНОГО ПРОБИТИЯ МИШЕННОЙ ОБСТАНОВКИ

Э.Г. Синельников, П.С. Гончаров, М.А. Светлорусов,

И.С. Прохватова

Показана актуальность проведения экспериментальных исследований стойкости мишенной обстановки к кинетическому воздействию, а также методика измерения скорости сквозного пробития мишенной обстановки.

Ключевые слова: мишенная обстановка, эксперимент, измерение скорости, стойкость к кинетическому воздействию.

Введение

Опыт эксплуатации космических систем показал необходимость экспериментального исследования стойкости элементов их конструкции и систем к кинетическому воздействию микрометеоритов, а также частиц техногенного происхождения - «космического мусора». Результатом подобного воздействия является ухудшение качества функционирования бортовых систем, прежде всего целевых систем КА, системы электроснабжения и системы обеспечения теплового режима [1]. Возрастающее антропогенное загрязнение околоземного пространства делает «космический мусор» основным негативным влияющим фактором [2]. Данная особенность эксплуатации КА требует проведения экспериментальных исследований влияния «космического мусора» на элементы конструкции КА, как исследование последствий кинетического воздействия. Подобная работа должна проводиться с целью определения такого свойства элемента КА, как стойкость к кинетическому воздействию.

Опыт эксплуатации военной техники (в том числе легкобронированной), а также индивидуальных средств защиты личного состава показал необходимость исследования кинетического воздействия на них высокоскоростных твердых частиц (осколки, пули и т.п.). Сегодня, как в ближневосточном регионе, так и в мире в целом, неуклонно возрастает террористическая угроза. Применяемые при проведении как террористических актов, так и специальных операций, осколочно-фугасные взрывные устройства, делают высокоскоростные твердые частицы основным поражающим

131

фактором. Воздействие данных частиц приводит к гибели и травматизму как личного состава контртеррористических подразделений, так и мирного населения, а также выводу из строя военной техники [3].

Таким образом, помимо космической отрасли, исследование стойкости к кинетическому воздействию имеет важное научное и практическое значение для следующих объектов: баллистических и воздушных летательных аппаратов; легкобронированных и бронированных образцов вооружения и военной техники; индивидуальных средств бронезащиты (далее - мишенной обстановки).

В настоящей статье под стойкостью мишенной обстановки к кинетическому воздействию понимается свойство, характеризующее ее способность сохранять установленные характеристики в процессе воздействия высокоскоростной твердой частицы и после воздействия.

Основным критерием стойкости к кинетическому воздействию, как правило, является отсутствие сквозного повреждения высокоскоростной твердой частицей (далее - ударником) мишенной обстановки.

К настоящему времени выполнен большой объем экспериментальных и теоретических исследований, в которых рассмотрены закономерности разрушения твердых тел под действием ударного нагружения. Физическая картина процессов, протекающих при ударе, достаточно многообразна и зависит от множества факторов, среди которых следует выделить:

- массогабаритные и геометрические параметры ударника и мишенной обстановки, их соотношение, а также геометрию взаимодействия или пространственную ориентацию соударяющихся тел;

- физико-механические характеристики материалов ударника и мишенной обстановки, влияющие на динамику ударного взаимодействия и кинетику кратерообразования (например, тепло и температуропроводность, скорость звука в материале);

- скорость встречи ударника с мишенной обстановкой.

Подобное многообразие факторов не позволяет проводить исследования стойкости перспективных материалов мишенной обстановки только теоретическими методами, особенно в условиях, близких к реальным. Поэтому экспериментальное исследование стойкости мишенной обстановки к кинетическому воздействию является актуальной научно-практической задачей.

Одним из перспективных направлений исследования проблем кинетического воздействия ударника на применяемые и разрабатываемые материалы мишенной обстановки, является подход, в основе которого лежат экспериментальные исследования стойкости к кинетическому воздействию с помощью экспериментального оборудования [4].

В качестве экспериментального оборудования могут использоваться: 1) пороховые метательные установки; 2) легкогазовые метательные установки; 3) электромагнитные ускорители; 4) ударные трубы.

132

В качестве основного параметра, характеризующего стойкость мишенной обстановки, может использоваться: 1) скорость кондиционного поражения V кпмо ; 2) предел кондиционного поражения по углу апкмо; 3) скорость сквозного пробития Vспмо ; 4) баллистический предел V50 .

В практике экспериментальных исследований в качестве параметра, характеризующего стойкость мишенной обстановки, используется Vспмо -скорость сквозного пробития мишенной обстановки, то есть такая скорость, при которой вся запасенная энергия ударника расходуется на сквозное пробитие мишенной обстановки, а ударник, в случае прохождения им тыльного среза мишенной обстановки, имеет скорость, равную 0.

В ходе проведения экспериментальных исследований стойкости мишенной обстановки к кинетическому воздействию требуется провести измерение скорости сквозного пробития, которое реализуется по предлагаемой в настоящей статье методике.

Методика определения скорости сквозного пробития мишенной обстановки

Настоящая методика применяется для ударников одного типа и размера, используемых во всей серии испытаний. Основным критерием стойкости мишенной обстановки считается отсутствие сквозного пробития (нарушения целостности) мишенной обстановки. При наличии сквозного пробития мишенной обстановки она считается нестойкой, в противном случае - стойкой. При этом сквозное пробитие может произойти по одной из четырех схем:

- пролом - схема разрушения мишенной обстановки, при которой образуется сквозная трещина, либо совокупность сквозных радиальных трещин, образующих сквозное отверстие;

- отрыв откола - схема разрушения в результате воздействия ударника, при которой происходит отрыв части материала мишенной обстановки с ее тыльной стороны до образования сквозного отверстия (вследствие воздействия сформировавшихся ударных волн, распространяющихся в материале мишенной обстановки при отражении их от тыльной и лицевой поверхностей);

- срез пробки - схема разрушения, при которой часть материала мишенной обстановки выдавливается ударником с тыльной стороны со смещением слоев, с образованием кольцевой трещины;

- прокол - схема разрушения, при которой происходит образование сквозного отверстия в мишенной обстановке только за счет кинетической энергии ударника.

Во всех перечисленных случаях повреждение мишенной обстановки следует считать сквозным.

Скорость ударника при каждом испытании вычисляется по формуле

V = V ср K, (1)

где V - действительное значение скорости ударника в момент соударения с мишенной обстановкой, м/с; V ср - средняя скорость ударника на измеряемом участке, м/с; K - поправочный коэффициент, который зависит от внешних условий, материала, формы и массы ударника и расстояния от центра рам-мишенной блокировки до мишенной обстановки.

Определение средней скорости предполагает регистрацию времени пролета ударника известного расстояния, при этом средняя скорость ударника вычисляется по формуле

V ср = -, (2)

где Vср - средняя скорость ударника на измеряемом участке, м/с; l - мерная база (расстояние между базовыми плоскостями рамок № 1 и № 2 рам-мишенной блокировки), м; V - время пролета ударника между базовыми плоскостями рамок, с.

Параметры l и tV измеряются непосредственно. Для вычисления действительного значения V скорости ударника в момент соударения с мишенной обстановкой необходимо определить вид функции V(t) скорости ударника на промежутке от первой рамки рам-мишенной блокировки до мишенной обстановки.

F №2

Поскольку a = —, F = Cx(VSм, то m 2

dV = _ сх (V )pv 2 S м

dt 2m

(3)

где a - замедление ударника, м/с2; F - сила лобового сопротивления, действующая на ударник, Н; m - масса ударника, кг; Cx (V) - зависимость коэффициента силы лобового сопротивления от скорости ударника; р - плотность воздуха, кг/; V - скорость ударника на измеряемом участке, м/с; Sм - площадь миделевого сечения ударника, м .

Поскольку скорость ударника на мерной базе изменяется незначительно, то считаем Cx = const. Примем на мерном участке

dV = _ Cx (V ф)рУ 2р S м dt 2m

Тогда функция изменения скорости V (t) ударника имеет линейный

вид

V = Vcp-a-1, (5)

где V - действительное значение скорости ударника в момент соударения с мишенной обстановкой, м/с; V ср - средняя скорость ударника на измеряемом участке, м/с; а - замедление ударника, м/с2; ^ - время пролета ударника от центра рам-мишенной блокировки до соударения с мишенной обстановкой, с.

Г ^ PV2р Ь Зная, что а = —, г = Сх-£ м,

т 2 Vср

проведя преобразования, получим формулу (5) в следующем виде:

V = V ср (1 -СхР£мЬ), (6)

2т

где Сх - коэффициент силы лобового сопротивления; р - плотность воз-

3 2

духа, кг/м ; £м - площадь миделевого сечения ударника, м ; Ь - расстояние от центра рам-мишенной блокировки до мишенной обстановки, м; т - масса ударника, кг.

Обозначив выражение в скобках в формуле (6) за коэффициент К, получаем формулу (1).

Значения коэффициента силы лобового сопротивления Сх зависит от числа Маха М . Число Маха определяется по формуле

М = ^ср , (7)

А

где Vср - средняя скорость ударника на измеряемом участке, м/с; А - скорость звука в воздухе, м/с.

Регистрация временного параметра V происходит с использованием измерительно-диагностического комплекса (ИДК).

В Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского создан и эксплуатируется «Экспериментальный баллистический комплекс БС-3». Основные технические характеристики комплекса БС-3:

- скорость ударника 500.. .4500 м/с;

- масса ударника: 0,03 .30 г;

- масса 2500 кг;

- длина 5500 мм;

- калибр ствола 14,3 мм;

- длина баллистического тракта 1500 мм;

- длина приемной камеры 1300 мм;

- внутренний диаметр приемной камеры 700 мм.

Общий вид «Экспериментального баллистического комплекса БС-3» представлен на рис. 1.

ИДК «Экспериментального баллистического комплекса БС-3» состоит из:

- комплекса УНИПРО;

- рам-мишенной блокировки;

- согласующего устройства рам-мишенной блокировки с комплексом УНИПРО.

Рис. 1. Общий вид «Экспериментального баллистического

комплекса БС-3»

Назначение комплекса УНИПРО - исследование однократных и периодических электрических сигналов в диапазоне частот от 0 до 200 МГц путем их регистрации в цифровой памяти и отображения на экране ПЭВМ и цифрового измерения амплитудных и временных параметров, а также математической обработки результатов измерений.

В основу способа регистрации параметров высокоскоростных ударных взаимодействий твердых тел с мишенной обстановкой заложена работа согласующего устройства.

Назначение согласующего устройства - сформировать легко различаемые электрические сигналы при пролете метаемого тела через базовые плоскости рамок № 1 и 2 рам-мишенной блокировки.

В основе принципа его работы лежит изменение баланса напряжений между базовым R6 и измерительным резисторами Ru при обрыве метаемым телом измерительных рамок - цепей резисторов Rl и R2.

Отличительной особенностью устройства является то, что для измерения используется один канал (вместо двух в аналогичных устройствах).

Исходное напряжение на измерительном канале определяется зависимостью

ТТи __ипит__(8)

U о _ 1 1 1 . (8)

R6(— + — + —) + 1 Ru Rl R2

Уровень напряжения после пролета плоскости рамки № 1 определяется по формуле

и 1 =-р^-. (9)

R6( - + ]Г) +1

Ru R2

Уровень напряжения после пролета плоскости рамки № 2 определяется по формуле

ии = Urn^. (10)

R6 +1 Ru

По двум последовательным увеличениям напряжения определяется время пролета метаемого тела через базовые плоскости рамок и по формуле (1) вычисляется скорость воздействия ударника на мишенную обстановку.

Принципиальная схема согласующего устройства и рам-мишенной блокировки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема согласующего устройства и рам-мишенной

блокировки

Образец осциллограммы, полученной с помощью ИДК, представлен на рис. 3.

Значение расстояния l, пролетаемого ударником между базовыми плоскостями рамок, которое используется при расчете скорости, вводится в формулу (2).

Расчет скорости ударника проводится на инженерном калькуляторе с округлением до целых по математическому правилу.

Испытания мишенной обстановки начинаются с обеспечения скорости ударника, заданной в программе-методике испытаний.

Проводится серия баллистических испытаний с изменением скорости ударника по схеме «вверх-вниз», т.е. с уменьшением скорости ударника в следующем опыте после получения пробития мишенной обстановки или с увеличением скорости ударника после ее непробития.

1 1 II II И N II II II II ! N 1 1 1 1 1 II I 1 1 II II 1 1 1 ™1Т ГП-ГГПТГПТГП-ГГ 1111111111 _и-М-14-М-14-1 1 1 11 1 1III и 1 [ 1 -1 1 1

М 1 1 1 1 II М 1 1 II 1 1 1 II ч^-ьн-м-н-м-н^-ьн-^-ь М1М .и ИЛИ 1„ш и 11111 ¿N¡1 . 1111

1 1 уЧЧТПТТ! 1 1 ГИ II 1 1 |/| II М 1 1 1 II 1 1 1 1 1 1 ЛХТПТГПТГПТГПТТ ТГТ II И 1 1 ! 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 тгггп МММ мм 4Н4 1111 "ГПТ II II

О.Ч 300 500 Прсмк 11 <■• с

700 № Н00 131X1 1500 ПО» 2100 2300 2?Ш 2700

3000

Рис. 3. Образец осциллограммы

Величину I измеряют перед установкой рамок на рам-мишенную блокировку (рис. 4).

Рис. 4. Рам-мишенная блокировка «Экспериментального баллистического комплекса БС-3»

Фиксируется «пробитие» или «непробитие» и анализируется полученный результат.

В процессе испытаний определяются:

- ^тах непр - максимальная скорость непробития;

- ^т1Ппр0б - минимальная скорость пробития. При этом возможны 2 случая:

1) ^т1Ппр0б > ^тахнепр, т.е. зона смешанных результатов отсутствует. В практике испытаний такой случай встречается редко;

2) Уттпр0б < ^тахнепр, т.е. имеется зона смешанных результатов.

Причем ширина зоны смешанных результатов может достигать сотен метров в секунду.

В процессе испытаний скорость может изменяться в широких пределах, поэтому представляется важным определение зачетного диапазона скоростей.

Зачетный диапазон скоростей включает в себя зону смешанных результатов и значения скоростей, полученных вблизи верхней и нижней границ зоны смешанных результатов. Для этого в диапазоне \Vmrn проб пр0б ] должно быть получено не менее 2 непробитий

при скоростях меньше Утп пр0б и соответственно в диапазоне [^тах непр ;^щах непрне менее 2 пробитий при скоростях больше ^тахнепр . Значения V представлены в табл. 1, а правила определения зачетного диапазона скоростей - в табл. 2.

Таблица 1

Правила определения V

Реализуемый случай Значения V

500м / с £ Vcn £ 1000м / с 20 м / с

1000м / с < Vcn £ 2000м / с 40 м / с

2000м / с < Vcn £ 3000м / с 60 м / с

3000м / с < Vcn £ 4000м / с 80 м / с

4000м / с < Усп £ 4500м / с 100 м / с

Таблица 2

Правила определения зачетного диапазона скоростей

Реализуемый случай Нижняя граница зачетного диапазона скорости Верхняя граница зачетного диапазона скорости

Vmin проб < Vmax непр Vmin проб — V V + V у max непр ~ у

Vmin проб — Vmax непр V -V у max непр у Vmin проб + V

Исходя из практической наработки, ширина зоны смешанных результатов не превышает 2 V, и для определения значения Успм0 достаточно получения внутри нее 6 результатов. При этом количество опытов, в которых наблюдается пробитие, и количество опытов, в которых его не было, должно стремиться к соотношению 50 на 50 %.

Если зона смешанных результатов отсутствует, то необходимо уменьшить разницу скоростей от Утах непр до Ут[п пр0б, добиваясь того,

чтобы она не превышала V. Для определения значения Успм0 в данном случае достаточно получения внутри зачетного диапазона скоростей 6 результатов.

Рекомендуемый объем испытаний представлен в табл. 3.

Таблица 3

Правила определения необходимого количества зачетных опытов

Реализуемый случай Количество необходимых опытов Общее кол-во

В зоне меньших скоростей В зоне смешанных результатов В зоне больших скоростей

^шахнепр — Vminпроб £ 2 6 2 10

^шп проб > ^пах непр 3 3 6

По результатам зачетных опытов проводится расчет средней скорости, которая и принимается за численное значение величины скорости сквозного пробития мишенной обстановки.

Вычисление скорости сквозного пробития мишенной обстановки осуществляется по формуле

Vспмо ~ Xп =\Уп , С11)

п

где Vспмо - скорость сквозного пробития мишенной обстановки; Vn - действительные значения скоростей ударника, полученные в каждом эксперименте.

Вывод

Предложенная в настоящей статье методика апробирована в ходе выполнения НИОКР, аттестована ГНМЦ и позволяет с приемлемой точностью определять скорость сквозного пробития мишенной обстановки ударником определенного типа. Это, в свою очередь, дает возможность решать актуальную научно-практическую задачу определения стойкости мишенной обстановки к кинетическому воздействию на экспериментальном оборудовании.

Список литературы

1. Абдурахимов А.А., Скворцов Д.В. Моделирование деградации крупногабаритных уязвимых элементов космических аппаратов в условиях воздействия факторов космического пространства // Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2016. № 650. С.132-137.

2. Светлорусов М.А., Варварский В.М., Рамзаев А.В. Обоснование возможности применения полупроводниковых лазеров в оптическом методе регистрации высокоскоростных ударников малых размеров // Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2016. № 652. С.147 - 153.

3. Экспериментальный баллистический комплекс / А.М. Бабин [и др.] // Вопросы оборонной техники. Сер. 16. Технические средства противодействия терроризму. 2013. №3 - 4. С. 120 - 122.

4. Кирилов А.Г., Евдокимов А.Н. Экспериментальный комплекс и методика моделирования воздействия техногенных частиц на элементы систем КА: Научно-технический сборник. М.: МО РФ, 1997. 83 с.

Синельников Эдуард Геннадьевич, старший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, ВКА им. А. Ф. Можайского,

Гончаров Павел Сергеевич, канд. техн. наук, начальник отдела, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, ВКА им. А. Ф. Можайского,

Светлорусов Максим Александрович, канд. техн. наук, начальник лаборатории СНС, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, ВКА им. А. Ф. Можайского,

Прохватова Ирина Станиславовна, младший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, ВКА им. А. Ф. Можайского

METHOD OF VELOCITY MEASUREMENT OF THROUGH PENETRATION TARGET ENVIRONMENT WITH USING EXPERIMENTAL THROWING INSTALLATION

E.G. Sinelnikov, P.S. Goncharov, M.A. SvetlorHsov, I.S. Prohvatova

The actuality of carrying out experimental researches of resistance target environment to a kinetic impact. The technique of measurement of speed-through-penetration of the target environment is described.

Key words: target environment, experimental researches, measurement speed, kinetic impact resistance.

Sinelnicov Eduard Gennadievich, senior researcher, vkaamil. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Goncharov Pavel Sergeevich, candidate of technical sciences, head of department, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Svetlorusov Mixim Aleksandrovich, candidate of technical science, head of laboratory - senior researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy,

Prohvatova Irina Stanislavovna, minor researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy