Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения импульса взрыва заряда взрывчатого вещества/боеприпаса в ближней зоне

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, конкретно к способам измерения характеристик взрыва боеприпаса или заряда взрывчатого вещества (ВВ), в так называемой ближней зоне от поражаемого объекта (мишени), когда расстояние от боеприпаса\заряда до мишени не превышает 10 калибров, и мишень подвергается совокупному последовательному воздействию фрагментов корпуса\оболочки, ударной волны (УВ), и газообразных продуктов взрыва.

Известен способ определения характеристик заряда взрывчатого вещества/боеприпаса посредством взрывного нагружения массивного тела и последующего измерения приобретаемого им импульса /1/, при котором импульс определяется по скорости, приобретаемой стальной пластиной, установленной на салазках, перемещающихся по горизонтальной поверхности некоторой заданной длины. Во избежание больших перемещений салазок, их последующее торможение осуществляется при сходе с исходной разгонной поверхности на рыхлую естественную среду -песок или грунт.

Недостаток данного способа заключается в следующем.

Конечное значение ускорения, приобретаемого салазками с пластиной при движении по опорной поверхности, может быть определено из зависимости:

или же, при дифференциальной форме записи:

где:

F_Σ - последовательная совокупность силовых факторов взрывного воздействия, Н;

М - масса салазок с пластиной, кг;

g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с²;

ƒ - коэффициент трения полозьев салазок по опорной поверхности;

а - ускорение, приобретаемое салазками с пластиной, м/с²;

t - суммарное время воздействия силовых факторов, с;

V - скорость, приобретаемая салазками, м/с.

В вышеприведенные зависимости входит коэффициент трения скольжения ƒ полозьев салазок по опорной поверхности, величина которого относительно велика /2/, определяется свойствами исходной горизонтальной опорной поверхности, свойствами контактирующих с ней поверхностей полозьев салазок, а также условиями окружающей среды (влажность, метеоосадки, наличие загрязнений). И, таким образом, коэффициент трения является неопределенным фактором, существенно сказывающимся на точности измерений, вследствие сложности учета энергозатрат на преодоление сил трения при разгоне салазок по опорной поверхности до конечной скорости.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения характеристик заряда взрывчатого вещества/боеприпаса в ближней зоне посредством взрывного нагружения носка баллистического маятника и последующего измерения приобретаемого им импульса /3/, при котором импульс определяется по скорости, достигаемой телом баллистического маятника, подвешенного посредством тяг на подшипниковых опорах.

В данном техническом решении недостаток, связанный с неопределенностью коэффициента трения частично устранен, т.к. коэффициент трения качения в шарикоподшипниках составляет всего 0,001…0,004 /4/ и практически не зависит от внешних условий окружающей среды, поэтому его влияние при необходимости легко учитывается.

Однако, недостатком способа с использованием типовых конструкций баллистических маятников является то, что они преимущественно рассчитаны на испытания небольших по массе экспериментальных зарядов ВВ (лабораторного изготовления). При воздействии же на них нагрузки от поражающих факторов взрыва реальных зарядов ВВ, артиллерийских боеприпасов и мин тело баллистического маятника может отклоняться на большой угол или же перемещаться на большое расстояние по горизонтали, что создает большие неудобства при испытаниях. Торможение тела маятника осуществляется только за счет силы тяжести. Если пренебречь малой силой трения в подшипниках подвеса, приобретаемая телом маятника кинетическая энергия MV²/2 преобразуется в потенциальную MgH, где Н - максимальная высота подъема центра тяжести тела маятника, подвергнутого взрывному нагружению, которая может быть определена по зависимости Н=L_П(1-cos α), где L_П - длина тяг подвеса, а α - измеренный угол максимального отклонения тяг подвеса от вертикали (градус). То есть, чем больше угол отклонения α, тем больше высота подъема центра тяжести тела маятника Н, или одновременное горизонтальное перемещение L=L_П sin α.

Возможное большое угловое отклонение или горизонтальное перемещение тела маятника при последующим его возвращении в исходное положение под действием силы тяжести приводит колебаниям, вызывающим соответствующие знакопеременные силовые нагрузки на установку, или приводящие к ее быстрому разрушению, или же требующие ее существенного упрочнения с соответствующим увеличением металлоемкости.

Простое увеличение массы тела маятника для устранения данного недостатка нерационально. Предварительные расчеты показали, что например, для испытания безоболочечного заряда ВВ массой 15 кг в тротиловом эквиваленте потребуется иметь массу тела маятника не менее 10000 кг, - а это, в свою очередь, сильно утяжеляет и усложняет конструкцию испытательного оборудования.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков способа-прототипа, в первую очередь -ограничение перемещения массивного тела подвергаемого взрывному нагружению, при одновременном повышении точности измерений.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе определения характеристик заряда взрывчатого вещества/боеприпаса в ближней зоне посредством взрывного нагружения носка баллистического маятника и последующего измерения импульса, приобретаемого телом маятника, в соответствии с изобретением после достижения телом маятника максимальной скорости осуществляют его принудительное торможение «встречным» взрывом заряда ВВ, размещаемого по отношению нему со стороны тыльного носка, противоположной испытуемому заряду.

Таким образом, основными отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:

- во-первых, - принудительное торможение массивного тела "встречным" взрывом заряда ВВ;

- во-вторых, - размещение тормозного заряда по отношению к массивному телу со стороны тыльного носка, противоположной испытуемому заряду.

Принудительное торможение массивного тела "встречным" взрывом заряда ВВ позволит сохранить приемлемую величину массы маятника (сотни килограмм вместо десятков тонн) и таким образом избежать увеличения металлоемкости конструкции и соответствующего ее усложнения.

Изобретение поясняется следующей графической информацией.

На фиг. 1 в качестве примера представлен качественный характер изменения ускорения тела маятника в процессе взрывного нагружения.

На фиг. 2 - принципиальная схема одного из возможных вариантов устройства баллистического маятника, реализующего предложенный способ.

На фиг. 3 - баллистический маятник в момент перед взрывным торможением (подрывом тормозного заряда).

При взрыве испытуемого заряда ВВ/боеприпаса, обращенный к нему носок баллистического маятника последовательно подвергается воздействию фрагментов оболочки заряда (осколков), ударной воздушной волны и, наконец, продуктов взрывного превращения. При таком последовательном характере нагружения, приобретаемое телом маятника ускорение может быть качественно представлено теоретической графической зависимостью, показанной на фиг. 1.

Здесь а_Ф - ускорение, приобретаемое телом маятника за счет фрагментов оболочки;

а _УВ - вследствие воздействия ударной волны;

а _ПВ - за счет воздействия продуктов взрыва;

а _Σ - полное суммарное ускорение тела маятника, и соответственно:

t₀ - время достижения фрагментами оболочки носка маятника от момента взрыва;

t_Ф, t_УB, t_ПВ, t_Σ - времена действия на носок маятника фрагментов оболочки, ударной волны, продуктов взрыва, и суммарное, по истечении которого тело маятника приобретает некую мгновенную постоянную скорость, после чего продолжает замедленное под действием силы тяжести движение по инерции.

В силу больших (сверхзвуковых) скоростей разлета фрагментов оболочки и распространения ударной волны, время воздействия этих факторов минимально, и составляет всего 10^-4…10^-3 с. Наибольшее же время воздействия на носок маятника могут оказывать расширяющиеся продукты взрыва, движущиеся с дозвуковой скоростью, причем, в силу эффекта дросселирования, их действием после прохождения носка маятника сквозь отверстие в защитном экране, практически можно пренебречь.

То есть, к моменту ухода торца носка маятника за защитный экран, -его перемещении на расстояние R_T равное или чуть большее толщины экрана δ (R_T≥δ),тело маятника приобретает конечную скорость, которая может быть измерена (вычислена). И именно в данный момент можно осуществлять торможение. Конкретная же величина данного перемещения R_T может быть установлена экспериментальным путем.

Баллистический маятник для осуществления предложенного способа (фиг. 1) содержит массивное тело 1, подвешенное посредством жестких тяг 2 длиной L_П на подшипниковых опорах 3.

На фронтальном (нагружаемом) носке 4 тела маятника размещен съемный уловитель 5 поражающих элементов (фрагментов оболочки), заполненный улавливающей средой 6. Маятник снабжен защитным экраном 7 толщиной δ. За тыльным носком маятника 8 на расстоянии R_T≥δ установлена жестко закрепленная баллистическая мортира 9, со ствольным отверстием 10.

Также маятник содержит устройства для измерения угла отклонения 11 и горизонтального перемещения 12, акселерометр 13, и комплект регистрирующей высокоскоростной фотоаппаратуры 14.

При необходимости уловитель 5 в передней части может дополнительно содержать датчик давления и электретный датчик соударений.

Для упрощения изображения проводные линии связи измерительных элементов маятника с контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой, сама аппаратура, а также взрывные магистрали и средства инициирования для подрыва зарядов условно не показаны.

Испытуемый заряд 15 устанавливают на опоре 16 на заданном расстоянии R, а тормозной заряд ВВ 17 помещают в ствольном отверстии 10 баллистической мортиры 9.

Масса тормозного заряда ВВ для "встречного" взрыва, осуществляющего торможение тела маятника, может быть определена следующим образом. Рассмотрим в качестве примера взрыв сферического заряда с оболочкой, с сопутствующими ему соответственно сферическими фронтами: - разлета фрагментов оболочки, распространения ударной волны и продуктов взрыва.

Пусть сферический заряд радиуса r, расположен на расстоянии R от торцевой поверхности носка маятника (фиг. 1). Очевидно, что энергия взрывного воздействия заряда на маятник пропорциональна массе сектора сферы центрально проецируемого на поверхность носка маятника

где η_З - некий аналог к.п.д. испытуемого заряда;

Q_З - удельная энергия (теплота) взрыва ВВ заряда, Дж/кг;

М_ЗЭ=V_ЗЭρ_З - масса сектора заряда, кг,

где V_ЗЭ - объем сектора заряда, м³;

ρ_З - плотность заряда, кг/м³.

где h - высота сферического сегмента, тогда с учетом того, что

где β - секторальный угол в меридиональном сечении заряда, который может быть определен как:

где d - диаметр фронтального носка маятника (уловителя), м.

Тогда энергия испытуемого заряда ВВ, передаваемая массивному телу маятника может быть определена как:

Очевидно, что энергия тормозного заряда, размещенного в ствольном отверстии жестко закрепленной баллистической мортиры, передаваемая тыльному носку маятника должна быть с ней соизмерима, т.е.

где η_T - некий аналог к.п.д. тормозного заряда;

Q_T - удельная энергия (теплота) взрыва ВВ тормозного заряда, Дж/кг;

М_Т - масса тормозного заряда, кг.

Откуда следует, что

Для повышения эффективности действия тормозного заряда он может быть выполнен с кумулятивной выемкой.

В случае испытуемого заряда/боеприпаса иной формы масса тормозного заряда может быть определена аналогичным образом, с учетом массо-геометрических характеристик его секторального элемента, поражающие факторы взрыва которого непосредственно воздействуют на носок баллистического маятника. Величины η_З и η_T определяются предварительно опытным путем.

Осуществление способа с использованием баллистического маятника происходит следующим образом.

Уловитель поражающих элементов 5, заполненный улавливающей средой 6 предварительно взвешивают, после чего монтируют на фронтальный носок 4 тела маятника 1, подвешенного посредством жестких тяг 2 на подшипниковых опорах 3.

Маятник в состоянии равновесия устанавливают передней частью в проем защитного экрана 7 таким образом, чтобы поверхность уловителя 5 была с ним заподлицо.

В ствольном отверстии 10 баллистической мортиры 9 размещают тормозной заряд 17, после чего ее жестко устанавливают за тыльным носком маятника 8 на расстоянии R_T≥δ.

Испытуемый заряд/боеприпас 15 устанавливают на опоре 16, размещенной на некотором заданном расстоянии R от поверхности уловителя 5.

В завершение подготовки к испытаниям осуществляют подключение измерительных элементов 11…14 маятника к линиям связи с контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой, а средства инициирования для подрыва испытуемого и тормозного зарядов - к соответствующим взрывным магистралям.

При подрыве испытуемого заряда/боеприпаса 15, передняя (торцовая) часть носка маятника 4 через ловитель 5 нагружается совокупностью поражающих факторов взрыва - фрагментами оболочки, ударной волной и давлением продуктов взрыва. Тело маятника 1 совместно со всеми механически связанными с ним устройствами и их компонентами сначала приобретает некоторое ускорение , а по завершению воздействия вышеуказанных факторов - постоянную скорость (здесь - усредненное значение ускорения, t - время воздействия взрывного нагружения), и совершает плоско-параллельное перемещение, т.е. одновременно в двух направлениях - горизонтальном и вертикальном. Причем, как показано выше, постоянная скорость достигается при уходе торцовой части маятника за защитный экран на расстояние R_T≥δ.

В процессе движения ускорение тела маятника 1 измеряется акселерометром 13, горизонтальное перемещение отслеживается измерителем линейных перемещений 12, а угловое отклонение от вертикали тяг 2 - устройством (угломером) 11.

Параллельно перемещение тела маятника отслеживается комплектом регистрирующей высокоскоростной фотоаппаратуры 14.

При перемещении тела маятника в горизонтальном направлении на величину R_T, в момент соприкосновения торца его тыльного носка 8 с дульным срезом ствольного отверстия 10 жестко закрепленной баллистической мортиры 9 осуществляется подрыв тормозного заряда 17. Сигнал на инициирование тормозного заряда может задаваться как посредством измерительных устройств по заданным условиям перемещения тела маятника на заданное расстояние R_T и соответствующий ему угол отклонений тяг α, так и непосредственно по касанию торцом тыльного носка 8 дульного среза мортиры 9. В результате «встречного» взрывного воздействия поражающих факторов тормозного заряда 17 на тыльный носок 8, тело маятника тормозится (вплоть до полной остановки, или некоторого изменения вектора скорости на противоположное направление).

Последующий возврат тела маятника 1 в исходное положение равновесия осуществляется, даже с учетом возможных колебаний, с малой амплитудой, т.е. не приведет к появлению больших динамических нагрузок на элементы конструкции.

Повторное взвешивание ловителя 5 по завершению испытаний заряда ВВ/боеприпаса 15 наряду с показаниями акселерометра 13 позволит определить как массо-габаритные характеристики фрагментов оболочки заряда, воздействующих на носок маятника 4, так и их вклад в приобретенный телом маятника 1 импульс. Также по показаниям акселерометра 13 и результатам съемки регистрирующей высокоскоростной фотоаппаратуры 14 может быть установлен вклад в приобретенный телом маятника импульс и за счет воздействия ударной волны.

Исходя из вышеизложенного, предложенный способ позволяет определить отдельные составляющие импульсных нагрузок от испытуемого заряда/боеприпаса, и обеспечивает возможность проведения испытаний и определения характеристик зарядов ВВ и различных боеприпасов большой массы, с ускорением процесса обработки результатов и повышением степени точности измерений, без существенного увеличения массы тела маятника.

Как непосредственно измерения, так и их математическая обработка могут осуществляться с применением современных программно-аппаратных средств. Одновременно с повышением точности измерений и снижением трудозатрат это является предпосылкой создания и совершенствования автоматизированных систем сбора и обработки информации при испытательных работах.

Источники информации, принятые во внимание при описании заявки:

1. М. Held, Blast Load Diagnostic, Propellants Explos. Pyrotech. 2009, 34, 194-209-аналог.

2. http://tehtab.ru/guide/guidephysics/frication/frictionofslicing/

3. ГОСТ 5984-99. ВЕЩЕСТВА ВЗРЫВЧАТЫЕ. Методы определения бризантности - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002, 25 с. - прототип.

4. http://tehtab.ru/Guide/GuidePhysics/Frication/FrictionOfRolling/