Способ испытания корпусов боеприпасов на способность к дроблению

Изобретение относится к способам испытаний осколочных боеприпасов, конкретно - к определению характеристик дробления материала корпуса на осколки под действием взрывной нагрузки и прогнозированию возможной плотности получаемого осколочного поля.

Известен способ испытания материалов и взрывчатых веществ на метательно-дробящее действие с использованием макета боеприпаса /1/.

Макет боеприпаса представляет собой цилиндрический корпус с постоянной толщиной стенки и размещенный в корпусе заряд взрывчатого вещества (ВВ). Корпус с торцев закрыт крышкой и дном. В заряде размещен детонатор с гнездом под капсюль-детонатор, при этом крышка выполнена с отверстием под капсюль-детонатор. Корпус выполнен с отношением длины к внутреннему диаметру 3,8…4,2 и отношением толщины стенки корпуса к его наружному диаметру 1/12, или 1/10, или 1/8, или 1/6.

Подрыв макетов производится в камере с улавливающей средой (опилки, вода, пена, песок и т.д.), а регистрация процесса разрушения макета осуществляется рентгеноимпульсной съемкой.

К недостаткам данного способа можно отнести следующие:

- в способе используется макет корпуса боеприпаса в виде цилиндрической оболочки с постоянной толщиной и постоянным диаметром, что не соответствует реальной конструкции, - камора натурного боеприпаса имеет по высоте разные диаметры и толщины стенок;

- потребность для изготовления цилиндров дополнительного дорогостоящего оборудования для раскатки и поперечно-винтовой прокатки;

- потребность в использовании ВВ и предварительных прессовых снаряжательных операциях самого макета являются фактором повышенной опасности при подготовке и осуществлении способа;

- невозможность осуществления скоростной съемки процесса в видимом оптическом диапазоне вследствие засветки высокой яркости от взрыва заряда ВВ;

- рентгеноимпульсная съемка также является фактором повышенной опасности при подготовке и осуществлении способа;

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изучения процесса разрушения цилиндров, подвергнутых внутреннему радиальному взрывному нагружению /2/.

По данному способу предполагается заполнение полости испытуемого объекта несжимаемой жидкостью, размещение в ней заряда ВВ (источника энергии), подрыв заряда, т.е. высвобождение энергии и последующую фиксацию результатов посредством видеорегистрации.

В отличие от вышеописанного способа-аналога в данном способе предлагается не снаряжать испытуемые цилиндры-макеты зарядов ВВ полностью, а использовать предварительно изготавливаемые заряды ВВ меньшие по диаметру (а следовательно - по объему и возможной массе снаряжения), чем полость исследуемого цилиндрического макета, размещаемые по оси цилиндра и отделяемые от его стенок жидкой несжимаемой средой.

Т.е. данный способ, по крайней мере, частично устраняет часть недостатков аналога, - во-первых здесь используются относительно меньшие заряды ВВ, во-вторых появляется возможность скоростной съемки процесса в видимом диапазоне, вследствие «гашения» жидкостью вспышки от взрыва.

Тем не менее, такие недостатки как несоответствие макетного цилиндра реальной конструкции боеприпаса и потребность в использований ВВ, в итоге которой применение способа имеет повышенную опасность, остаются.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение достоверности получаемых результатов, снижение уровня опасности при осуществлении способа, а также - удешевление процесса испытаний.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе испытания корпусов боеприпасов на способность к дроблению, включающем заполнение полости испытуемого объекта несжимаемой жидкостью, размещение в ней источника энергии, высвобождение энергии источника и фиксацию результатов посредством видеорегистрации, в соответствии с изобретением в качестве объекта испытаний используют непосредственно корпус реального боеприпаса, а в качестве источника высвобождаемой энергии - электрический взрыв проводящего материала, инициирующий при взрыве плазмохимическую реакцию между продуктами разложения проводящего материала и жидкости.

Таким образом, существенные отличия предлагаемого изобретения от известного способа, выбранного в качестве прототипа, следующие:

- использование для испытаний реального объекта;

- использование в качестве источника высвобождаемой энергии электрический взрыв проводящего материала, инициирующий при взрыве плазмохимическую реакцию между продуктами разложения проводящего материала и жидкости.

Использование для испытания реальных объектов, т.е. корпусов боеприпасов, естественно повысит достоверность получаемых результатов, по сравнению со способом-прототипом.

Возможность применения в качестве источника высвобождаемой энергии электрического взрыва проводящего материала, инициирующего при взрыве плазмохимическую реакцию между продуктами разложения проводящего материала и жидкости, убедительно подтверждается результатами работ /3…7/, в которых исследовался взрыв проволок из различных металлов в воде.

В данных работах на экспериментальном материале показано, что в определенных условиях при взрыве в жидкости проволоки за счет разряда конденсаторной батареи, между металлом проволоки и жидкостью может происходить химическая реакция.

Так как при взрыве проволоки в воде могут образовываться оксиды металлов и выделяться большое количество тепла - эти реакции экзотермические. В то же время, когда имеет место экзотермическая химическая реакция, из-за выделения большого количества тепла происходит термическая ионизация продуктов реакции, создается плотная плазма, т.е. фактически реакция может быть охарактеризована и как плазмохимическая. А энергия же, выделяемая в системе, может быть больше исходно запасенной в конденсаторной батарее.

С одной стороны, в общем случае, при взрыве металлической проволоки в воде, химические реакции, по мнению авторов, имеют вид:

где М - масса взрываемой проволоки;

Ох - масса оксида;

Q - теплота реакции.

С другой, однако, - при взрыве некоторых материалов в жидкости образовавшаяся металлическая плазма вступает с жидкостью в плазмохимическую реакцию. В общем виде ее можно представить следующим образом:

Взаимодействие n атомов металла М с m молекулами жидкости L приводит к образованию n молекул соединения K и m молекул газа G и при этом выделяется энергия Q - реакция экзотермическая. Образовавшийся газ G развивает дополнительное давление, которое складывается с давлением, развиваемым металлической плазмой. Имеющая место плазмохимическая реакция подобна процессу взрыва ВВ, длительность импульса давления оказывается больше, чем при взрыве проволоки, плазма вещества которой не входит в реакцию с жидкостью.

А объем воды, который входит в химическую\плазмохимическую реакцию и заполняется ее продуктами, определяется зависимостью

где l и n - коэффициенты химической реакции;

ρ_M - плотность взрываемой проволоки;

- плотность воды;

- молекулярный вес воды;

M_M - молекулярный вес взрываемой проволоки;

V_M - объем проволоки.

Таким образом, главным выводом из результатов работ /3…7/ является то, что фактически взрыв проводника в воде может служить инициатором химической\плазмохимической реакции. И основным механизмом создания при этом импульсного давления являются ее продукты.

Вышеупомянутые работы /3…7/ носили чисто экспериментальный характер, однако их результаты могут иметь практическое использование, на что и направлено предлагаемое техническое решение.

В предложенном способе имеется возможность управления скоростью процесса взрывного нагружения образца путем регулирования скорости возможной химической реакции, которая в первую очередь будет зависеть от химических свойств проводящего материала, в случае металла - от его месторасположения в ряду напряжений (активности). Чем «левее» водорода расположен металл, тем выше его восстановительная способность (активность), и выше скорость реакции с водой. Так, например калий взаимодействует с водой с воспламенением, а рубидий - со взрывом /8/.

Таким образом, для осуществления способа целесообразно в качестве проводящего материала использовать металлы, расположенные в ряду химической активности левее водорода, т.е. обладающие отрицательным электрохимическим потенциалом, например магний, алюминий, марганец, цинк, их сплавы или механические сборки, например, в виде скрутки отдельных проволок из разных металлов (сплавов).

Вторым фактором, определяющим скорость химической реакции, является температура, зависящая от теплового эффекта реакции.

Тепловой эффект любой реакции находится как разность между суммой теплот образования всех продуктов и суммой теплот образования всех реагентов в данной реакции. Т.е. чем больше теплота образования продуктов реакции, тем в итоге больше ее тепловой эффект, а соответственно - и температура, влияющая на скорость, и давление газообразных продуктов реакции, развиваемое под действием этой температуры.

Авторы работ /3…7/, осуществляя эксперименты со взрывом алюминиевой проволоки в воде, получали в результате реакций (1) или (2) оксид алюминия, теплота образования которого равна -1676 кДж/моль.

В то же время имеется возможность получения продуктов плазмохимической реакции, при взрыве проводника в жидкости, с более высокими теплотами образования. В качестве примера /9/:

Отсюда можно сделать вывод, что наряду в выбором проводящего материала с учетом ряда активности, для осуществления способа целесообразно в качестве рабочей жидкости использовать растворы сильных кислот или их солей, например серной, азотной.

При обычном взрывном нагружении материала с использованием ВВ непосредственное силовое (механическое) воздействие на материал оказывают газообразные продукты взрыва, причем процесс осуществляется от точки инициирования, и далее, по мере перемещения фронта детонации, по всей длине заряда. Следовательно, для получения результатов воздействия на материал при взрыве проводника в жидкости, аналогичных взрыву ВВ, необходимо выполнение как минимум двух условий:

- размещение проводника таким образом, чтобы на обрабатываемый материал воздействовали преимущественно газообразные продукты химической реакции;

- обеспечение непрерывного процесса взрывного нагружения корпуса боеприпаса газообразными продуктами реакции, - от места исходного инициирования и далее по всей высоте каморы.

Выполнение указанных условий для реализации предложенного способа может быть осуществлено следующим образом:

1) использованием не линейных, а кольцевых проводников, с расположением плоскости кольца перпендикулярно оси каморы боеприпаса. При этом величина диаметра или форма сечения взрываемых проводников могут быть различны. А кроме того, кольцевой проводник может быть выполнен и в виде совокупности нескольких витков цилиндрической, конической или иной пружины, контур которой соответствует конфигурации внутренней поверхности каморы боеприпаса;

2) обеспечением расстояния от оси кольцевого проводника до стенки каморы таким, чтобы с последней при его взрыве контактировали газообразные продукты химической реакции;

3) последовательным взрыванием нескольких проводников, расположенных по высоте каморы, с временным интервалом, соответствующим требуемой скорости взрывного нагружения.

Расстояние от оси кольцевого проводника до стенки каморы испытываемого боеприпаса, обеспечивающее последующий контакт с ней газообразных продуктов химической реакции, в первом приближении может быть определено следующим образом. В случае кольцевого проводника круглого сечения объем рабочей жидкости, вступающей с ним в химическую реакцию и заполняемый ее газообразными продуктами, будет представлять собой объем некоего тора, образованного вращением окружности диаметром d вокруг оси по окружности диаметром D, т.е.

В нашем случае D - фактически представляет собой диаметр взрываемого кольцевого проводника, a d - меридианальный диаметр торового объема жидкости, вступающей в реакцию. И определению подлежит величина d/2.

Используя выражение (3) имеем

где с учетом измененной индексации:

ρ_Ж - плотность рабочей жидкости;

М_Ж - молекулярный вес жидкости;

V_Ж - объем жидкости.

Считая по аналогии с (4), что величина V_M может быть определена как

где d_Пр - диаметр взрываемого проводника, и, подставляя данное выражение в (5), можно получить:

И очевидно, что при последовательном взрывании нескольких проводников, расположенных по высоте каморы, расстояние между отдельными проводниками должно быть не более величины d.

В случае использования проводников некруглого сечения, из фольги или виде совокупности нескольких витков пружины, аналогичные расчетные зависимости также легко могут быть получены с использованием выражения (3).

Предлагаемое изобретение поясняется следующими иллюстративными материалами.

На фиг. 1 в качестве примера осуществимости способа приведена осцилограмма давления по результатам работы /4/;

На фиг. 2 - условная схема к расчету величины объема жидкости, вступающей в реакцию;

На фиг. 3 - вариант схемы коммутации отдельных электродов для обеспечения процесса непрерывного взрывного нагружения внутренней поверхности каморы боеприпаса.

Характер осциллограммы давления, полученный авторами работы /4/ при взрыве в воде медной проволоки, представленной на фиг. 1, аналогичен соответствующим осциллограммам, полученным при взрыве конденсированных ВВ /10/.

Достигнутый максимум давления составил ~10⁸ Па, температуры продуктов взрыва - порядка 3000 К. Длительность же импульса, как упоминалось выше, может быть обеспечена подбором материала взрываемого проводника и рабочей жидкости, т.е. скоростью протекания соответствующей плазмохимической реакции.

На условной схеме расчета величины объема жидкости, вступающей в реакцию (фиг. 2) представлены размещенные в корпусе боеприпаса 1 взрываемые кольцевые проводники 2 диаметром d_Пр. Диаметр кольца составляет D. Объем рабочей жидкости, вступающей при взрыве проводника в химическую реакцию, и заполняемый затем ее газообразными продуктами, представлен в виде тора 3 (пунктирные линии), имеющем меридианальное сечение d. Для упрощения изображения подводящие к проводникам электроэнергию провода и заполняющая камору боеприпаса рабочая жидкость условно не показаны. Кольцевые проводники расположены друг от друга на расстоянии ≤d.

На схеме коммутации отдельных электродов для обеспечения процесса непрерывного взрывного нагружения внутренней поверхности каморы боеприпаса (фиг. 3) кольцевые проводники 2 представлены, для упрощения изображения, в «развернутом» - линейном виде. Схема содержит источник энергии 4 - батарею конденсаторов, заряжаемую от высоковольтного трансформатора, и блок коммутации и разряда 5, к которому посредством совокупности разъемов 6 присоединяются высоковольтные провода 7, 8. Один из подводящих электроэнергию высоковольтных проводов 7 имеет контакт одновременно со всеми взрывными проводниками 2, остальные 8 -подключаются к каждому проводнику по отдельности.

Взрываемые проводники 2 и высоковольтные провода 7, 8 для удобства применения могут быть собраны на подложке или каркасе из гибкого (упругого) материала 9 с выдержкой между проводниками необходимого зазора.

При осуществлении способа (см. фиг. 1…3) в каморе боеприпаса 1 на подложке/каркасе 9 устанавливается сборка подлежащих взрыву проводников 2 совместно с высоковольтными проводами 7, 8. При этом концы высоковольтных проводов с разъемами 6 находятся вне каморы, Камора заполняется рабочей жидкостью и очко (заливочная горловина) боеприпаса герметизируется, например, быстроотверждающимся герметиком. Разъемы 6 высоковольтных проводов присоединяются к своим ответным частям, принадлежащим блоку коммутации и разряда 5. Источник энергии 4 - батарея конденсаторов заряжается от высоковольтного трансформатора. Затем, по заданной программе в автоматическом режиме с отдельных элементов батареи конденсаторов напряжение через заданные интервалы времени и в заданной последовательности подается на взрываемые кольцевые проводники 2 и осуществляется поочередное их взрывание. При взрыве отдельного проводника, окружающий его торообразный объем 3 рабочей жидкости диаметром d вступает с материалом проводника в химическую реакцию, продукты которой, имея высокую температуру и давление, оказывают импульсное взрывное воздействие на внутреннюю поверхность каморы боеприпаса. Таким образом, выполнение взрываемых проводников в виде набора отдельных кольцевых элементов и последовательное их взрывание электрическим током в жидкости с заданным временным промежутком, аналогично процессу воздействия на материал корпуса боеприпаса посредством взрыва ВВ.

Однако, ввиду того, что предлагаемый процесс менее энергоемок, по сравнению со взрывом заряда ВВ, заполняющего всю камору боеприпаса, здесь большого разлета осколков не будет, и появляется возможность фиксации результатов, т.е. процесса образования трещин на внешней поверхности корпуса посредством высокоскоростной съемки в визуальном диапазоне.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет осуществлять моделирование взрывного воздействия на материал корпуса боеприпаса с точным позиционированием точки подрыва, с многоточечным инициированием, а также ВВ различного состава, что позволит прогнозировать поведение реальных боеприпасов, снаряжаемых конденсированными ВВ и совершенствовать их конструкции.

Наряду с предложенным назначением, способ может быть применен и в процессах обработки материалов взрывом, таких как взрывное упрочнение, развальцовка, сварка взрывом и т.п., при этом будет необходимо соответствующее изменение конфигурации взрываемых проводников.

Использование предложенного способа позволит повысить достоверность получаемых результатов, т.к. способ осуществляется с использованием в качестве объекта испытаний реальных корпусов боеприпасов, вместо моделей. Отказ от снаряжательных операций сулит снижение уровня опасности при осуществлении способа, и кроме того - сокращения материальных затрат и удешевления процесса испытаний, т.к. отсутствует необходимость выполнения специальных мер и требований безопасности, включая технические, связанных с ВВ.

Источники информации

1. Патент РФ №2493538, F42B 35/00, Макет боеприпаса для испытания материалов и взрывчатых веществ на метательно-дробящее действие, 1994 г.

2. Патент США US 2016018285A1, F42B 99/00, Method for studying the evolution of damage in cylinders subjected to internal radial explosion, 2014 г. - прототип

3. Кортхонджия В.П., Мдивнишвили М.О. Химические реакции при высоких температурах как источник импульсного давления. - М.: Письма в ЖТФ, 1999, том 25, вып. 13

4. Кортхонджия В.П., Мдивнишвили М.О., Тактишвили М.И. О создании импульсного давления в жидкости с помощью металлической плазмы - М.: ЖТФ, 1999, том 69, вып. 4

5. Кортхонджия В.П. О роли экзотермической химической реакции при взрыве проволоки в жидкости - М.: Письма в ЖТФ, 2003, том 29, вып. 19

6. Кортхонджия В.П., Мдивнишвили М.О., Саралидзе З.К. О природе импульсного давления, создаваемого взрывом проволоки в воде - М.: ЖТФ, 2006, том 76, вып. 11

7. Кортхонджия В.П. О взрыве проволоки в воде - М.: ЖТФ, 2006, том 76, вып. 12

8. Основы общей химии: В 2 т. Т. 2. Некрасов Б.В. М.: Химия, 1973.

9. http://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/neorg/uchpos/text/simple7.html

10. Физика взрыва: В 2 т. Т. 2. 3-е изд., испр. / Под ред. Л.П. Орленко. - М.: Физматлит, 2004. - 304 с.