Результат интеллектуальной деятельности: КОМБИНИРОВАННАЯ КУМУЛЯТИВНАЯ ОБЛИЦОВКА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ КОМПАКТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Область техники

Изобретение относится к области ракетно-космической и оборонной техники и может быть использовано в различных кумулятивных устройствах (КУ), предназначенных для формирования высокоскоростных компактных элементов (ВКЭ) при моделировании воздействия метеоритных частиц или космического мусора искусственного происхождения на корпус космических объектов и при экспериментальном исследовании материалов в условиях высокоскоростного ударного нагружения.

Уровень техники

Для определения реакции сложных конструкций на удар частиц с космическими скоростями требуется разработка устройств, позволяющих в наземных условиях осуществить разгон компактных металлических элементов массой от одного до нескольких десятков граммов (m=1…20 г) до скоростей порядка V=6…9 км/с и более [1, 2]. При этом устройства должны быть достаточно просты в конструктивном исполнении и адаптированы к условиям моделирования коллективного воздействия ВКЭ.

Для решения данной задачи применяются различные взрывные метающие устройства, в том числе КУ, формирующие ВКЭ [1, 2]. Основным элементом подобных КУ, помимо заряда взрывчатого вещества (ВВ) и детонирующего устройства, является кумулятивная облицовка (КО), устанавливаемая в профилированной выемке заряда ВВ и предназначенная для формирования струйного течения материала с соответствующим распределением массы и скорости его отдельных частиц при движении в пространстве. При этом известным способом формирования ВКЭ при использовании КУ является организация в нужный момент времени «отсечки» высокоскоростной части струйного течения материала, из которой в дальнейшем и формируется собственно безградиентный ВКЭ необходимой массы и скорости. Такая отсечка может быть реализована различными способами, например, с помощью метания пластин сбоку на струю или детонации бокового заряда [2], однако в этих случаях схемы организации отсечки достаточно громоздки, а механизм их реализации усложнен. В этой связи достаточно простым и не требующим использования дополнительных устройств способом является применение для данных целей комбинированных КО, состоящих из струеобразующей и отсекающей частей, сопрягающихся между собой.

В работах [1, 2] приводится ссылка на КУ, разработанное Потаповым П.И., в котором используется облицовка комбинированной формы полусфера-цилиндр (ПЦ-облицовка). В этом случае полусфера выполняет роль струеобразующей части комбинированной КО, формирующей собственно струйное течение материала с соответствующим распределением массы и скорости вдоль струи, а цилиндр, сопрягающийся с ней, выполняет роль отсекающей части, позволяющей отсечь часть струйного течения материала и выделить собственно ВКЭ определенной массы и скорости. Применение подобных комбинированных КО в составе КУ позволило получить ВКЭ в диапазоне изменения масс m=3,5…40 г и скоростей V=4,5…4,7 км/с при использовании цилиндрических зарядов ВВ на основе тротила-гексогена и стальных КО.

Полученные скорости метания ВКЭ более чем в 2 раза ниже требуемых. Повышение скорости формируемых ВКЭ может достигаться, например, за счет совершенствования конструкции ПЦ-облицовки, повышения мощности заряда ВВ, изменения способа инициирования заряда ВВ, введения в конструкцию КУ дополнительных элементов.

Анализ патентно-информационных источников позволил выявить ряд аналогов предлагаемого технического решения в части использования комбинированной ПЦ-облицовки в составе КУ.

Так в известном техническом решении [3] предлагается устройство метания маховской детонационной волной, состоящее из ВВ, стальной комбинированной ПЦ-облицовки, металлического корпуса, в котором заключен заряд ВВ, детонационной разводки на торце или боковой поверхности заряда. Утверждается, что при столкновении падающих детонационных волн образуется маховская волна, давление в которой существенно выше, чем за фронтом падающей стационарной волны. Это явление и используется для увеличения скорости метания компактного элемента.

При наличии общих признаков данного технического решения с предлагаемым в части использования комбинированной ПЦ-облицовки в составе КУ, оно позволяет получить скорости метания стальных ВКЭ массой m=12 г в диапазоне V=7,5…8,0 км/с. Это существенно больше приводимых в работах [1, 2] значений для простейших КУ с комбинированной ПЦ-облицовкой, однако результат получен не за счет изменения конструкции КО, а за счет увеличения массы заряда ВВ по отношению к массе КО и усложнения конструкции в целом.

Другим возможным аналогом предлагаемого технического решения в части конструкции комбинированной КО может быть изобретение [4]. В нем предлагается устройство, состоящее из заряда ВВ цилиндрической формы с осевой кумулятивной выемкой в форме полусферы-цилиндра с металлической облицовкой и детонационного устройства. При этом в полости кумулятивной выемки заряда соосно с ней установлен вкладыш с осевой кумулятивной выемкой в форме полусферы-цилиндра и с фланцем со ступенчатой торцевой поверхностью, обращенной к заряду. Вкладыш присоединен к торцевой поверхности облицовки торцевой поверхностью ступени фланца с меньшим диаметром наружной боковой поверхности, а ступень фланца с большим диаметром наружной боковой поверхности, равным или большим диаметром наружной боковой поверхности заряда, расположена с заданным зазором относительно ближе расположенного торца заряда.

При наличии общих признаков данного технического решения с предлагаемым в части использования комбинированной ПЦ-облицовки в составе КУ, оно позволяет получить скорости метания стальных ВКЭ массой в единицы граммов в диапазоне V=7,3…7,5 км/с. Это больше приводимых в работах [1, 2] значений скоростей для простейших КУ с комбинированной ПЦ-облицовкой, однако результат получен не за счет изменения конструкции КО, а за счет введения дополнительных элементов в конструкцию КУ, существенно ее усложняющих.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является техническое решение комбинированной КО в составе КУ [5], в котором струеобразующая часть КО выполнена в форме полусферы постоянной толщины, а отсекающая часть КО - в форме цилиндра, при этом обе части облицовки сопрягаются и имеют один и тот же внешний радиус, а цилиндрическая часть имеет толщину, примерно на 20…25% большую, чем толщина полусферической части (Фиг. 1).

В данной конструкции формирование ВКЭ осуществляется путем отсечки части струйного течения, образованного из полусферической части КО, с помощью схлопывания цилиндрической части КО на оси конструкции. При этом на формирование струйного течения необходимой массы и скорости существенно влияет форма и толщина струеобразующей части комбинированной КО, а эффективность отсечки зависит от высоты и толщины цилиндрической части комбинированной КО. На основе подобной комбинированной КО было экспериментально отработано КУ, которое в дальнейшем будем называть базовым вариантом, обеспечивающее при оптимизации геометрических параметров R_C, δ_C, h_Ц, δ_Ц комбинированной КО и использовании заряда ВВ на основе тротила-гексогена цилиндрической формы диаметром 90 мм и высотой 144 мм формирование стального ВКЭ массой m=17±4 г со скоростью V=6,0 км/с.

Общими признаками с предлагаемой комбинированной КО является наличие струеобразующей части КО, выполненной в форме полусферы, и сопрягающейся с ней отсекающей части КО в форме цилиндра.

Реализация данного технического решения приводит к устойчивому формированию ВКЭ необходимой массы, однако скорость его метания оказывается меньшей требуемого порога, заявленного для решения поставленной задачи, из-за неоптимального распределения толщины полусферической и цилиндрической частей комбинированной КО.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является достижение необходимых повышенных уровней скоростей и масс ВКЭ за счет совершенствования конструкции комбинированной КО, как одного из элементов простейшего взрывного КУ для формирования ВКЭ.

Техническим результатом является повышение скорости ВКЭ до значений, больших 6…9 км/с, при сохранении его массы на приемлемо допустимом уровне для выполнения поставленных целей за счет изменения конструктивных параметров комбинированной ПЦ-облицовки.

Технический результат достигается тем, что в известном техническом решении комбинированной КО для формирования ВКЭ, состоящей из струеобразующей части КО, выполненной в форме полусферы постоянной толщины, и сопрягающейся с ней отсекающей части КО, выполненной в форме цилиндра, имеющего утолщение по отношению к полусфере, струеобразующая часть КО выполнена в форме полусферы с уменьшением толщины от вершины к основанию от (0,08…0,1)R_C до (0,03…0,05)R_C, где R_C - внешний радиус полусферической части облицовки. При этом для реализации эффективной отсечки высокоскоростной части струйного течения толщина отсекающей цилиндрической части кумулятивной облицовки должна составлять 0,5…1,0 от толщины основания полусферической части кумулятивной облицовки.

Перечень фигур

Фиг. 1. Схема комбинированной облицовки полусфера-цилиндр с постоянной толщиной струеобразующей части (прототип).

Фиг. 2. Схема предлагаемой комбинированной облицовки полусфера-цилиндр с уменьшающейся от вершины к основанию толщиной струеобразующей части.

Фиг. 3. Картина течения материала и формирования компактного элемента при взрывном обжатии комбинированной облицовки полусфера-цилиндр: а - струеобразующая часть постоянной толщины (прототип); б - струеобразующая часть с уменьшающейся от вершины к основанию толщиной (предлагаемое решение).

Фиг. 4. Массово-скоростные распределения для струйных течений, формируемых полусферическими облицовками с разными вариантами толщин: постоянной толщины и уменьшающихся толщин от вершины к основанию: 1 - δ_C1/δ_C2=2,5/2,5 мм (постоянная толщина); 2 - δ_C1/δ_C2=2,5/2,0 мм; 3 - δ_C1/δ_C2=2,5/1,5 мм; 4 - δ_C1/δ_C2=2,5/1,0 мм

Осуществление изобретения

С целью определения преимуществ предлагаемого технического решения были проведены соответствующие численные расчеты по методике, которая была предварительно протестирована на результатах экспериментальных исследований [1, 5]. При этом за базовый для сравнения вариант был выбран прототип с диаметром цилиндрического заряда ВВ 90 мм, высотой 144 мм и параметрами КО: R_C=26,5 мм, δ_C=2,5 мм, h_Ц=26 мм, δ_Ц=3,2 мм (Фиг. 1), в котором менялись толщины струеобразующей и отсекающей частей комбинированной КО.

На Фиг. 3а приведена картина течения материала и формирования ВКЭ для базового варианта, соответствующего прототипу, на момент времени, когда уже произошла отсечка части струйного материала и выделился ВКЭ, на что указывает практически постоянный участок осевой скорости на оси ординат, равный примерно V_z=6 км/с. На картине можно выделить три ярко выраженных участка: справа показан лидирующий утолщенный участок струйного течения, формирование которого происходит в результате схлопывания цилиндрической части облицовки и который после прекращения инерционного деформирования материала «превращается» в ВКЭ, движущийся как абсолютно твердое тело; вслед за ВКЭ движется сплошная струя материала, которая удлиняется с сокращением своего поперечного размера и является «феноменом» численного расчета, в модель которого не вводится критерий разрушения материала (по данным экспериментальной рентгенографии такой струи не наблюдается, вместо нее движется поток мелких отдельных частиц, постепенно рассеивающихся в радиальном направлении); наконец, слева показана основная массивная часть струйного течения материала, которая резко «тормозится» и не оказывает влияния на действие ВКЭ. При этом по проведенным оценкам масса материала струйного течения, движущегося с осевой скоростью не ниже значения V_z=6 км/с составляет не менее 12…15 г. Для момента времени, когда полностью сформировался ВКЭ, это значение массы близко к экспериментально полученным значениям.

Известно, что повышение скорости кумулятивной струи связано с изменением толщины КО [2]. Если толщина КО не слишком мала (в противном случае не образуется нормальной струи), то с уменьшением толщины КО скорость струи должна возрастать до известного предела. Однако варьирование постоянной толщиной полусферической КО в диапазоне δ_C=1,0…4,0 мм применительно к прототипному базовому варианту (Фиг. 1) не дало существенного прироста скорости ВКЭ. В этой связи для дальнейшего исследования был выбран вариант с уменьшающейся от вершины к основанию толщиной струеобразующей части комбинированной облицовки, при котором толщина δ_С1 облицовки в вершине была больше толщины δ_С2 облицовки в основании (Фиг. 2).

Такое конструктивное решение позволило существенно повысить скорость формируемого струйного течения. Так, если при толщинах δ_C1/δ_C2=2,5/2,5 мм (прототипный базовый вариант с постоянной толщиной облицовки) скорость «головы» струйного течения составляла V_z=6 км/с, то при сочетании δ_C1/δ_C2=2,5/1,0 мм удалось достичь значения скорости V_z=10 км/с. На Фиг. 4 приведены массово-скоростные распределения струйных течений, соответствующих вышеприведенным вариантам, без учета их отсечки.

Как показал анализ процесса схлопывания полусферических облицовок с уменьшающейся от вершины к основанию толщиной, физическая причина увеличения скорости формируемого при этом струйного течения заключается в том, что в данном случае создаются условия для обжатия облицовки, более близкого к сферически симметричному, и в результате усиливается проявление эффекта сферической кумуляции. При взрывном обжатии полусферической облицовки постоянной толщины эти условия нарушаются вследствие опережающего движения ее вершинной части (наблюдается нечто подобное выворачиванию вершинной части), что связано с более ранним приходом к этой части облицовки детонационной волны и более ранним началом ее нагружения по сравнению с периферийной частью. Уменьшение толщины периферийной части полусферической облицовки приводит к увеличению скорости ее метания, и эффект «выворачивания» вершины облицовки проявляется в меньшей степени, обеспечивая тем самым лучшие условия для реализации сферической кумуляции (концентрации энергии во внутренних слоях схлопывающейся сферической оболочки).

На Фиг. 3б представлены результаты численного моделирования для варианта разнотолщиннной облицовки δ_C1/δ_C2=2,5/1,5 мм (h_Ц=26 мм, R_C=26,5 мм, δ_Ц=2,5 мм). Видно, что в связи с увеличением скорости головной части струйного течения до V_z=8 км/с (вместо V_z=6 км/с для базового варианта) отсечка, производимая при схлопывании цилиндрической части, становится запоздалой и реализуется на участке струйного течения со скоростью 6,5 км/с. В результате формируется практически безградиентный участок со скоростью V_z=7…7,5 км/с, перед которым движется градиентный участок струи со скоростью «головы» V_z=8 км/с.

Вопрос с оптимальной «отсечкой» можно решить, уменьшая толщину цилиндрической части δ_Ц до значений толщины полусферической части δ_C2 и менее. Проведенные оценки показывают, что при значении δ_Ц=1,0 мм в вышеприведенном варианте расчета удается выделить уже безградиентный ВКЭ со скоростью не менее V_z=8 км/с (прибавка по сравнению с базовым вариантом составляет не менее 25%), однако его масса по сравнению с прототипом существенно уменьшается до единиц граммов, что в принципе укладывается в рекомендуемый диапазон ее изменения. Вопрос увеличения массы ВКЭ при сохранении его скорости может быть при необходимости решен за счет пропорционального увеличения размеров КУ [5].

Источники информации

1. Высокоскоростное метание компактных элементов / А.Г. Балеевский, Ю.Г. Киселев, В.А. Могилев и др. // Сборник докладов научной конференции ВРЦ РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения». - Саров: ВНИИЭФ, 2000. - С. 244-248.

2. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, перераб - В 2 т., Т. 2. - М.: Физматлит, 2002. - С. 37-40.

3. Патент РФ №2309367, кл. F42B 1/02. Способ и устройство формирования компактного элемента / А.С. Князев, Д.В. Маляров. - Публ. 27.10.2007.

4. Патент РФ №2383849, кл. F42B 1/028. Кумулятивное устрйство / А.С. Князев, Д.В. Маляров. - Публ. 10.03.2010.

5. Жданов И.В., Князев А.С., Маляров Д.В. Получение высокоскоростных компактных элементов требуемых масс при пропорциональном изменении размеров кумулятивных устройств // Труды Томского государственного университета. - Т. 276. - Сер. физико-математическая. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 2010. - С. 193-195.