Результат интеллектуальной деятельности: Способ выбора материалов для корпусов бронебойных подкалиберных снарядов

Изобретение относится к методам оценки эффективности бронебойных боеприпасов и брони при их соударении и может быть использовано при создании новых боеприпасов.

Известны способы ориентировочной оценки параметров взаимодействия снаряда с броней, основанные на выполнении расчетов, основанных на экспериментальных исследованиях. На основании таких расчетов проводится оценка эффективности снаряда на стадии проектирования. Например, используются взаимосвязи длины бронебойного снаряда со свойствами материалов снаряда и мишени. Соотношение для определения глубины пробития h, в соответствии с известным способом, принятым в качестве прототипа, имеет вид: где l - длина снаряда, k_с - плотность материала снаряда, k_m - плотность материала мишени. (Физика взрыва / Под. ред. Л.П. Орленко. - изд. 3-е, переработанное. - В 2 т. Т. 2. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 656 с.). При этом для изготовления бронебойных подкалиберных снарядов используют материалы с максимальным значением их плотности k_с.

Недостатком этих способов является то, что они не позволяют выполнить оценки для различных скоростей соударения снаряда с мишенью.

Автором поведены исследования и разработан способ определения глубины пробития мишени снарядом, позволяющий учесть влияние скорости снаряда в момент соударения и других физических свойств материала снаряда и мишени.

Ниже приведены обоснования и изложена суть предложения, а именно, способа выбора материалов для корпусов бронебойных подкалиберных снарядов, с целью получения максимальной глубины пробития мишени.

Основываясь на предположении, что в зоне соударения происходит превращение двух типов энергии (кинетической энергии снаряда и энергии от протекания электрического тока, вызванного инерционным движением свободных электронов в сжатой зоне снаряда) в тепловую энергию, способную превратить вещества в зоне соударения в жидкое и газообразное состояние, определим массу мишени, выброшенную в процессе соударения с образованием кратера диаметром D и глубиной h. Расчеты проведем при выполнении условия, что вся масса снаряда в процессе соударения израсходована. Такие явления наблюдаются при ударах по броне бронебойным снарядом в виде кумулятивной струи.

Кинетическую энергию снаряда Е оценим с помощью соотношения:

где k_с - плотность материала снаряда, - масса снаряда М_с, l - длина снаряда; d - диаметр снаряда; u_i - скорость снаряда.

Тепловую энергию Q, от электрического тока, вызванного инерционным движением свободных электронов в материале снаряда оценим с помощью соотношения, представленного автором в работе (Кузнецов Н.С. Высокоскоростное взаимодействие ударников с преградами // Боеприпасы. - 2015. - №2. - с. 59-63.)

Это соотношение имеет вид:

где: n₀=10²³ - количество свободных электронов в см³ металла снаряда;

ρ - удельное электрическое сопротивление материала снаряда;

е=1,6×10^-19 К - заряд электрона.

Энергию F, которая может выделиться при высокоскоростном ударе снаряда по мишени, оценим с помощью соотношения:

Можно предположить, что вся энергия разрушения снаряда перейдет в теплоту сублимации снаряда и мишени.

Теплоту сублимации Е_C материала снаряда массой М_с определим с помощью соотношения:

где: Е_с - теплота сублимации одного моля вещества материала снаряда, масса снаряда М_с составляет - число молей N_c в веществе снаряда массой М_с составляет - где Р_с - вес одного моля вещества материала снаряда.

Масса, выброшенного металла мишени, при пробитии и полном расходе снаряда (с определенной погрешностью примем, что пробоина от снаряда имеет цилиндрическую форму диаметром D и глубиной h) составляет:

где k_m - плотность материала мишени, h - глубина пробития.

Количество молей вещества материала мишени N_м в выброшенной массе М_м составит:

где Р_м - вес одного моля вещества материала мишени.

Теплота сублимации материала мишени Е_м массой М, составит:

где Е_м - теплота сублимации одного моля вещества материала мишени.

Суммарная теплота сублимации материалов снаряда и мишени W составит:

Прировняв, величины энергий W=F, и проведя преобразования, получим соотношение для определения массы мишени, вынесенной снарядом при соударении.

Это соотношение имеет вид:

В соотношение (9) входят параметры, характеризующие условия соударения и конкретные физические свойства материалов снаряда и мишени. По значениям этих параметров можно на стадии расчетов характеристик снаряда и мишени оценить один из основных параметров эффективности такого снаряда по возможности пробивать броневые преграды. А именно, представляется возможность определить массу вещества мишени, которая будет выброшена снарядом при соударении (при полном исчезновении снаряда).

Следует отметить, что в соотношении (9) указана масса мишени, образованная при полном испарении веществ снаряда и мишени, т.е. при их сублимации. Это происходит при очень высоких скоростях соударения, например, при ударе кумулятивной струи.

В случае смешанного состояния, а именно, при образовании в зоне соударения смеси металлов в виде жидкости и газа, в качестве энергии фазовых превращений нужно использовать только часть теплоты сублимации Е_С. Общая теплота А в зоне соударения в этом случае будет меньше величины Е_С, так как будет представлять собой сумму тепловых энергий, состоящую из теплоты образования жидкой фазы материалов снаряда и мишени Ж (части общей массы М_м), и части теплоты сублимации Е_СЧ. Можно провести расчеты для различных пропорций величин Ж и Е_СЧ в общей сумме энергии теплоты А. При этом должно соблюдаться равенство:

Для оценки линейных параметров кратера (D и h), образованного при соударении снаряда с мишенью по массе, выброшенного вещества мишени М_м, проведем анализ процесса соударения в начальный момент времени. Автором ранее была представлена модель процесса бронепробития, в основе которой лежит предположение, что пробитие брони происходит дискретно, путем поэтапного расплавления и испарения части брони и снаряда в зоне действия ударной волны сжатия и растяжения, вытеснения этой расплавленной массы твердой частью снаряда, и нового соударения по такой же схеме до исчерпания всей массы снаряда, либо до уменьшения скорости оставшейся части снаряда до величины, не обеспечивающей выполнение расплавления и испарения металла при соударении.

В начальный момент времени объем расплавленной массы мишени (полусфера) можно определить с помощью известного соотношения для объема сферы. Объем полусферы равен: π³D/12.

Ранее, при определении массы выброшенного из кратера вещества форма кратера была принята в виде цилиндра диаметром D и глубиной b. Объем такого цилиндра определяется соотношением: πD²b/4.

Можно положить, что в момент соударения дискретный объем расплавленной части мишени (части образованного кратера) будет соответствовать значениям объемов, определяемым для цилиндра и шара. Тогда для такого условия, приравняв эти объемы, можно получить соотношение, устанавливающее взаимосвязь диаметра кратера с его глубиной, а именно, можно записать: πD³/12=πD²b/4, и, после преобразования, получим:

Величина b определяется размером волны сжатия-растяжения в зоне соударения, так как фазовый переход в зоне соударения появляется в момент действия волны растяжения. Для оценки этой величины b воспользуемся результатами анализа, приведенного автором в работе (Кузнецов Н.С. К вопросу модернизации бронебойных подкалиберных снарядов // Боеприпасы. - 2017. - №1. - с. 22-34.), где показано, что размер волны сжатия (зоны сжатия) В, можно определить экспериментально на основе измерения расстояния от тыльной поверхности мишени до трещины в направлении перпендикулярном направлению удара. В связи с тем, что зона расплавления образуется при прохождении волны растяжения величину b можно определить из соотношения:

Согласно оценкам, размер зоны В примерно равен половине диаметра снаряда d. С учетом этих оценок соотношение (11) принимает вид:

Для дальнейшего анализа перепишем уравнение (9) в виде:

Выделим в этом выражении переменные D и h, характеризующие размер кратера. Получим:

Подставим значение D из (13) в соотношение (15) и получим соотношение, для оценки глубины пробития мишени h снарядом. Это соотношение будет иметь вид:

Для удобства проведения анализа соотношение (16) перепишем в виде:

Как видно из (17) глубина пробития мишени h зависит от длины снаряда l, его скорости u_i и физико-механических свойств материалов снаряда и мишени.

Размерности параметров соотношения (17) приведены ниже. Можно видеть, что после преобразования размерностей в каждом слагаемом остается размерность в метрах.

Еще раз подчеркнем, что приведенные соотношения справедливы для соударения, сопровождающегося сублимацией металла снаряда и металла кратера мишени. Такие условия наблюдаются при ударе по броне кумулятивной струей.

При скоростях снаряда ниже той, при которой наступает сублимация материалов необходимо учитывать предложения, определяемые соотношением (10).

Как отмечено выше, в связи с тем, что скорость бронебойных подкалиберных снарядов (~1700 м/с) существенно меньше той, при которой в процессе соударения наступает сублимация материалов мишени и снаряда, например, в случае удара кумулятивной струей (скорость кумулятивной струи больше 4000 м/с) в расчетах (в соотношении (17)) вместо энергии сублимации необходимо использовать энергия расплавления материалов до жидкого состояния. Для материала мишени Ж_м, а для материала снаряда Ж_с. При этом значения величин Е_с и Е_м в соотношении (10) будут близки к нулю.

Ниже приведен пример расчета по полученной формуле конкретного значения глубины пробития мишени для известных экспериментальных результатов, при известных параметрах соударения, параметров снаряда и данных по свойствам для материалов снаряда и мишени.

Пример расчета.

Для расчета используем данные для удара бронебойным подкалиберным снарядом шифр «Манго» калибром 125 мм по стальной бронеплите.

Запишем известные исходные данные для снаряда:

При стрельбе из танковой пушки Д81 снаряд имеет максимальную начальную скорость 1700 м/с, и обеспечивает при этом нормативную бронепробиваемость 430 мм гомогенной брони (на дальности 2000 м и угле подхода 0 градусов). Диаметр вольфрамового сердечника 18 мм, его длина (двух частей) 420 мм. Размер бронебойного демпфера: длина 112 мм, диаметр 22 мм. Масса активной части снаряда 4,85 кг. Плотность сердечника из ВНЖ90 - 16,8 г/см³. Длина вольфрамовой части штатного снаряда L_p=532 мм (длина сердечников плюс длина демпфера).

Исходя из этого, запишем численные значения параметров снаряда, мишени и условий соударения:

k_с - плотность материала снаряда - 16,8 г/см³;

l - длина снаряда - 0,532 м;

u_i - скорость снаряда - 1700 м/с;

k_m - плотность материала мишени - 7,8 г/см³;

Р_м - вес одного моля вещества материала мишени - 0,056 кг;

Р_с - вес одного моля вещества материала снаряда - 0,232 кг;

Теплота расплавления одного моля железа - Ж_м=0,154×10⁵Дж;

Теплота расплавления одного моля сплава ВНЖ90-Ж_с=0,44×10⁵ Дж;

n₀=10²² - количество свободных электронов в см³ металла снаряда;

ρ - удельное электрическое сопротивление материала снаряда (при температуре 2200°С) - ρ=73×10^-6 Ом⋅м;

е=1,6×10^-19 Кл - заряд электрона.

Ниже приведены данные расчета глубины пробития h в соответствии с соотношением (17) на основе использования исходных материалов. При этом в данное соотношение вместо величин Е_с и Е_м подставлены величины Ж_с и Ж_м соответственно.

Как видно из расчета (см. соотношение (18)), расчетный и натурный результаты практически совпадают. Меньший размер глубины пробития, полученный расчетом (h=0,42 м), по сравнению с нормативным (h=0,43 м) объясняется тем, что при зачетных натурных испытаниях (при подтверждении нормативного значения глубины пробития), как правило, стрельба выполняется под углом 60° к бронеплите, при этом условно более высокая глубина пробития обеспечивается за счет дополнительного откола внешней стороны бронеплиты под действием косых ударных волн. При стрельбе снарядом под нулевым углом подхода к бронеплите такие условия не возникают и глубина пробития меньше.

Таким образом, проведенный анализ соударения кинетических снарядов с мишенями на основе новой концепции, предложенной автором, позволяет на стадии проектирования снарядов и брони определять параметры бронепробития мишеней, а именно глубину пробития h и диаметр кратера D (см. соотношение (13)) для конкретных параметров снаряда и условий его соударения с броней.

Следует отметить, что на глубину бронепробития мишени БПС будут влиять не только свойства материала мишени, но и будут оказывать существенное значение свойства материала БПС. Характер влияния свойств материала снарядов на глубину пробития мишени, например, с помощью БПС, можно увидеть из анализа соотношения (16).

Проведем некоторые преобразования этого соотношения, введем обозначения и выделим взаимосвязи, которые относятся к свойствам материала снаряда, перепишем соотношение в виде:

где

В соотношении (19) параметры k_с, Ж_с и Р_с определяют свойства материала снаряда, а параметры Б и С остаются практически неизменными. Преобразуем это соотношение, и запишем его в виде:

Из соотношения (20) видно, что глубина пробития мишени пропорциональна плотности материала снаряда k_с. Эта взаимосвязь подчеркивается всеми исследователями, занимающимися созданием кинетических снарядов. Но в этом соотношении присутствует еще одно соотношение, которое также влияет на величину бронепробития, и которое зависит от других свойств материала снаряда (кроме плотности k_с). Причем, чем меньше эта величина, тем следует ожидать большей величины бронепробития. Это соотношение перепишем в виде:

Из соотношения (21) видно, что величина А будет тем меньше чем меньше значения Ж_с, и чем больше величина Р_с.

В таблице 1 приведены данные, характеризующие параметры, входящие в соотношение (21), для ряда материалов. В этой же таблице приведены данные отношения величины k_cЖ_с/Р_с. Как видно из таблицы по величине k_сЖ_с/Р_с однозначно оценить тенденции влияния на величину бронепробития свойств материала снаряда не представляется возможным. В тоже время, значение (Ж_c/Р_с) позволяет оценить материалы по их вкладу в энергию расплавления материалов (мишени и снаряда), которая участвует в расплавлении материала мишени. Чем меньше эта величина, тем глубина пробития h, определяемая соотношением (16) будет больше.

Анализ таблицы 1 показывает, что наибольшей глубины пробития можно достичь при использовании в качестве материала БПС урана. Величина отношения Ж_с/Р_с для урана минимальна и составляет - 0,6 усл.ед. Следующий за ураном в этом качестве стоит вольфрам (1,9 усл.ед). Наихудшими свойствами в этой части обладает бериллий (124 усл.ед).

Известные данные (ВЫСТРЕЛЫ С ОБПС:ТТХ HTTP://WWW.RUSSIANAPMOR.INFO/TANKS/ARM/APFSDS/AMMO_R.HTML) по характеристикам бронепробития для бронебойных подкалиберных снарядов, имеющих одни и те же размеры, но изготовленные из разных материалов, а именно, корпус снаряда «Надфиль-2» изготовлен из урана, а корпус снаряда «Надежда-Р» изготовлен из сплава на основе стали, показывают разную глубину бронепробития: у «Надфиля-2» - 430 мм, а у «Надежды-Р» - 410 мм. Отмеченная закономерность прослеживается и для других снарядов, изготовленных из других материалов.

Таким образом, приведенные данные показывают, что для создания бронебойных подкалиберных снарядов, с максимальной возможностью бронепробития при изготовлении корпусов снарядов необходимо применять материалы с минимальным отношением величин Ж_с/Р_с.

Изложенные сведения о заявленном изобретении, охарактеризованном в независимом пункте формулы, свидетельствуют о возможности его осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств и методов. Следовательно, заявленный способ соответствует условию промышленной применимости.