Способ определения глубины пробития мишени бронебойными подкалиберными снарядами

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

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 - длина снаряда, k_c - 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.).

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 определения глубины пробития мишени бронебойными снарядами.

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_c - плотность материала снаряда, М_с - масса снаряда, - 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=10^22-23 - 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 E_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 E_M 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 условие наблюдается 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 E_C. Общая теплота А в зоне соударения в этом случае будет меньше величины E_C, 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: πD³/12.

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 его скорости u_i и физико-механических свойств материалов снаряда и мишени.

Соотношение (17) представляет собой сумму трех слагаемых. Поэтому для упрощения анализа можно записать это соотношение в виде:

где первое слагаемое h₁ характеризует вклад в глубину пробития величины кинетической энергии снаряда; второе слагаемое h₂ характеризует вклад в величину пробития энергии от инерционного движения свободных электронов в снаряде в зоне соударения; третье слагаемое h₃ характеризует вклад в глубину пробития соотношения 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).

Проведенный автором анализ показывает, что и в этом случае соотношение (16) вполне может быть использовано для оценки глубины пробития мишени, разрабатываемым бронебойным подкалиберным снарядом. В этом случае, для определения размеров пробоины в соотношении (16) необходимо провести замены ряда величин, а именно, вместо теплоты сублимации одного моля вещества снаряда (Е_с) и мишени (Е_м) использовать значение теплоты расплавления одного моля вещества снаряда (Ж_с) и мишени (Ж_м). Величины Ж_с и Ж_м также измеряются в Дж.

Тогда соотношение для определения глубины пробития бронебойным подкалиберным снарядом твердой мишени будет иметь вид:

По аналогии с соотношением (17) можно записать:

Как видно из (20) глубина пробития мишени h зависит от длины снаряда его скорости u_i и физико-механических свойств материалов снаряда и мишени.

Для проверки работоспособности предлагаемой методики определения глубины пробития мишени БПС воспользуемся известными экспериментальными данными по оценке параметров таких БПС в реальных условиях применения.

Рассмотрим 125-мм выстрел с бронебойным подкалиберным снарядом 3БМ46 «Свинец-1». Данные по снаряду и условиям стрельбы взяты из работы (HTTP//WWW.RUSSIANARMOR.INFO/TANKS/ARM/APFSDS/AMMO_R.HTML).

125-мм выстрел с бронебойным подкалиберным снарядом 3БМ46 «Свинец-1» предназначен для стрельбы по танкам, САУ, бронеколпакам и другим бронированным целям. Применяется для стрельбы из 125-мм гладкоствольных танковых пушек Д-81 (2А46 и ее модификации), танковой пушки 2А75.

Заявленная по результатам стрельб средняя глубина бронепробития снарядом 3БМ46 - «Свинец-1», при угле подхода снаряда к броне 0° (ноль градусов), на дистанции 2000 м составляет 650 мм. Начальная скорость снаряда u₀=1700 м/с. Падение скорости снаряда на дистанции составляет 55-60 м/с на каждые 1000 метров полета. В связи с этим, при стрельбе на 2000 м примем в расчетах скорость соударения снаряда с броней - u_i≅1600 м/с.\

Ниже приведены исходные данные для выполнения расчета глубины бронепробития h снарядом 3БМ46 - «Свинец-1» в соответствии с соотношениями (18) и (20).

u₀ - начальная скорость снаряда - 1700 м/с;

u_i - скорость подхода снаряда к броне - 1600 м/с

- длина уранового корпуса снаряда - 0,546 м;

k_c - плотность материала снаряда (уран) - 19,05 г/см³;

k_m - плотность материала мишени (стальная броня) - 7,8 г/см³;

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

Р_с - вес одного моля вещества материала снаряда (уран) - 0,238 кг;

Ж_с - теплота расплавления одного моля урана - 0,126×10⁵ Дж;

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

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

ρ - удельное электрическое сопротивление материала снаряда (урана) (при температуре 1200°С) - ρ=50×10^-8 Ом⋅м;

е=1,6×10^-19 Кл - заряд электрона.

Расчеты:

Подстановка значений h₁, h₂ и h₃ в соотношение (18) позволяет вычислить величину бронепробития гомогенной брони снарядом 3БМ46 - «Свинец-1»:

Таким образом, проведенный расчет показывает, что эта величина h составляет 650 мм, т.е. совпадает со средним значением величины бронепробития, зафиксированной при стрельбовых испытаниях. Этот результат позволяет признать, что разработанная методология расчета величины бронепробития работоспособна и может быть использована при проведении расчетов в процессе создания новых БПС.

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.