Результат интеллектуальной деятельности: ОСКОЛОЧНАЯ ОБОЛОЧКА БОЕПРИПАСА С ЗАДАННОЙ ФРАГМЕНТАЦИЕЙ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к боеприпасам с осколочными боевыми частями, имеющими оболочки для дробления на осколки или фрагменты.

Из технической и патентной литературы известны боеприпасы, оболочки которых изготовлены из различных материалов (сталь, чугун, цветные металлы и др.), имеют гладкую или рифленую наружные или внутренние поверхности (см., например, патенты: RU 2171445, F 42 В 12/24, 2001 г.; US 5337673, 102-491, 1994 г.; FR 2598214, 1987 г., Физика взрыва /Под ред. Л.П.Орленко. - Изд. 3-е, переработанное. - В 2 т. Т.2. - М.: Физматлит, 2002 - 656 с.).

При этом считается, что нанесение рифлей, канавок, надрезов и др. способствует приближению количества образующихся при подрыве заряда осколков к заданному.

Рифли, канавки и др. наносят на оболочку различными способами обработки металлов давлением, механической обработкой, лазерной, электронно-лучевой обработкой и др.

Считается также, что более эффективны по осколочному действию боеприпасы, оболочки которых на внутренней поверхности имеют сетку ромбических рифлений, не совпадающих с продольным направлением пластической деформации прутковых и трубных полуфабрикатов, служащих заготовками для переработки в оболочки боеприпасов (описаны в патентах SU 473335, В 21 С 37/20, 1975 г.; US, 102-67, №№3566794 от 02.03.71, 4068590 от 17.01.78, 3820464 от 28.06.74).

Недостатками этих боеприпасов и способов изготовления подобных оболочек является высокая трудоемкость и фондоемкость их изготовления на специальном оборудовании, неустойчивость технологии, связанная с нестабильностью линейно-угловых параметров оболочек.

Эти недостатки снижаются применением стержневой оболочки (патент США №4216720, 102-67 12.08.80 г.), полученной установкой раздельных стержней, с образованием плотного ряда. При подрыве этой боевой части образуются удлиненные осколки с коэффициентом отношения длины к характерному диаметру примерно 28:1.

Несмотря на проведение мероприятий по устранению кувыркания стержней, применение такой боевой части сопряжено с рядом технических трудностей по оптимизации осколочного действия, что может быть достигнуто делением стержня на фрагменты.

Известна осколочная оболочка по заявке США, H 1047 от 5 мая 1992 г., НКИ 102/496, принятая за прототип, состоящая из несоединенных между собой и установленных между взрывчатым веществом и корпусом боеприпаса удлиненных стержней. Упомянутые стержни разделены на отдельные фрагменты с помощью надрезов, выполненных по периметру стержня.

Эти надрезы (канавки, пазы) приводят к потере массы материала, участвующей в образовании осколков, а боевая часть, выполненная из таких стержней, становится менее эффективной в связи с потерей массы на величину, приходящуюся на объем пазов или канавок, умноженный на плотность материала стержня.

Использование надрезов или пазов по периметру стержня для образования отдельных фрагментов не всегда обеспечивает получение при подрыве требуемого количества убойных осколков определенной массы и размеров, т.к. при взрывном нагружении разделение стержня по пазам и канавкам может не произойти вследствие особенностей волновых процессов в осколочной оболочке, особенно в контактной «перемольной» зоне, граничащей с взрывчатым веществом (ВВ). Трудно определяемый баланс запаса упругой энергии в стержне и энергии, затрачиваемой на разрушение, зависящий от масштабного фактора, является препятствием в достижении оптимального осколочного действия.

Большое значение имеют поверхности разрушения (или разделения) осколков, топография которых зависит от способа нанесения на стержень канавок, пазов, рифлей и др., при этом концентратором разрушения осколочной оболочки или стержня считают место соединения двух поверхностей, образованных инструментом для нанесения канавок, пазов, рифлей и др., глубина которых, как принято в практике и соответствует теории заданного дробления, составляет 0,25-0,55 от толщины стенки для случая плоской или трубчатой заготовки (патент РФ №2171445, 2000 г.).

В средней зоне стержня, сплошность которой не нарушена, при взрыве возникают внутренние трещины и поры как результат действия волн разрежения, а полости разрыва ориентируются преимущественно в радиальном направлении (Физика взрыва /Под ред. Л.П.Орленко. - Изд. 3-е, - в 2 т. Т.2: Физматлит 2002, - 656 с. Стр.81). В процессе взрывного расширения трубчатая оболочка разрушается с образованием трещин, расположенным вдоль оси. В случае взрывного расширения стержневой осколочной оболочки каждый из стержней подвергается деформации изгиба, а в средней части стержня преобладают деформации растяжения. При этом напряжения, возникающие в результате действия взрывной нагрузки, приводят к деформациям, превышающим ресурс пластичности, что в свою очередь приводит к потере сплошности материала стержня.

Профиль и размеры канавок, пазов и др., нанесенных на стержень, имеют ключевое значение для перехода деформаций средней части стержня от изгибных к деформации растяжения. При этом затраты энергии на фрагментацию прямо пропорциональны изгибу (они тем меньше, чем меньше изгиб стержня).

С уменьшением ширины канавок, надрезов и др. улучшаются условия разделения стержня на фрагменты, при этом в исходной заготовке важно сохранить сплошность материала в зоне, прилегающей к оси стержня. Это обеспечивает технологичность сборки осколочных оболочек.

Таким образом, основным недостатком таких осколочных оболочек является потеря массы материала, приходящейся на объем канавок, пазов, рифлей и др., не участвующей, образно говоря, в осколочном «движении».

Известен способ изготовления осколочной оболочки, принятый за прототип по заявке США, H 1047 от 5 мая 1992 года, НКИ 102/496, при котором осколочную оболочку формируют установкой отдельных стержней, разделенных на отдельные фрагменты.

Стержень может быть выполнен из двух или более материалов, имеет надрезы с тем, чтобы под действием нагрузки при взрыве он разделялся на осколки заданной формы и размера. Материалы для изготовления стержней подбираются таким образом, чтобы в одном осколке сочетались два или более механизмов поражения. При желании стержень может быть разделен на сегменты, содержащие жидкие составы. Процесс изготовления этих стержней с привлечением механической обработки, экструзии, протягивания, а также методов порошковой металлургии чрезвычайно сложен и дорог.

Многообразие форм поперечного сечения и предложенных материалов для изготовления стержней усугубляют эти обстоятельства. Применение вольфрама, циркония, титана и др. материалов, предложенных в заявке США, Н 1047 от 5 мая 1992 г., требует разработки специальных технологий, а использование обедненного урана для изготовления стержней - далеко не безобидное мероприятие с точки зрения экологии.

Применение методов порошковой металлургии для изготовления осколочных стержней по указанной заявке представляется спорным, т.к. эффективность деления стержня на фрагменты по заданным канавкам низка и зависит от интенсивности взрывной нагрузки, точки инициирования и многих других факторов, мало поддающихся моделированию даже с привлечением современных ЭВМ. Для порошковых материалов, в т.ч. указанных в заявке (mish metal), показатель трещиностойкости является практически неопределенной величиной при волновом нагружении. При этом разделения стержня на фрагменты, как показано на фиг.3с или 3В (см. заявку US H 1047), не происходит, а вероятность его разрушения до разделения на фрагменты существенно возрастает, что приводит к уменьшению количества убойных осколков.

Применение упомянутых материалов (вольфрам, цирконий, титан, обедненный уран) увеличивает затраты на производство и ставит под вопрос потребительские свойства боеприпаса.

Таким образом, по известному способу изготовление стержней для ряда предложенных материалов неоправданно дорого, что делает боеприпас неконкурентоспособным.

Задача, решаемая заявленными изобретениями, состоит в повышении эффективности действия осколочной оболочки путем увеличения количества осколков с заданной энергией при одновременном снижении затрат на ее изготовление.

Единый технический результат состоит в увеличении количества убойных осколков при сохранении массы осколочной оболочки, участвующей в образовании поражающих элементов при одновременном снижении затрат по ее изготовлению.

Это достигается тем, что осколочная оболочка с заданной фрагментацией выполнена из несоединенных между собой и установленных между взрывчатым веществом и корпусом боеприпаса стержней, состоящих из фрагментов, которые разделены по поперечно расположенным и повернутым относительно друг друга поверхностям разрыва сплошности материала стержня.

Для достижения наибольшего эффекта площадь поперечного сечения шейки, соединяющей отдельные фрагменты стержня, может быть выполнена в интервале от 0,1 до 0,9 площади поперечного сечения стержня, а расстояние (зазор) между отдельными фрагментами стержня может составлять величину, приближающуюся к характерному размеру зерна материала стержня.

Могущество боевой части определяется энергетикой процессов детонации, геометрическими размерами оболочки, а также плотностью, пластическими свойствами, твердостью материала, используемого для стержня осколочной оболочки.

Поэтому в конкретном варианте оболочки для обеспечения большей пробиваемости осколков твердость поверхностного слоя стержней может быть выполнена большей величины, чем твердость в его середине.

Характерной особенностью осколков сдвигового происхождения является наличие в них острого режущего ребра. При условии обеспечения высокой твердости поверхностного слоя стержня радиус при вершине ребра составляет величину до единиц микрометра.

В вариантах изобретения (п.8÷п.11 формулы) предусмотрено оптимальное заполнение пространства (объема), предназначенного для осколочной оболочки. Поэтому стержни, применяемые для оболочки, устанавливают в один, два и более ряда. В поперечном сечении стержни представляют выпуклые фигуры:

- квадрат или прямоугольник,

- треугольник,

- шестиугольник,

- ромб.

При этом для выполнения требования по расширению спектра заданных осколков возможны сочетания квадратного и треугольного профиля, ромбического и треугольного, шестиугольного и треугольного и др.

Упомянутые отличительные признаки обусловливают разработку нового способа изготовления осколочной оболочки с заданной фрагментацией (п.12÷п.19 формулы изобретения), который заключается в том, что осколочную оболочку формируют установкой между ВВ и корпусом боеприпаса отдельных стержней, при этом перед установкой стержни деформируют кручением через определенные промежутки его длины. Фрагменты стержня получают деформацией кручения через определенные промежутки его длины с образованием зон неравномерных величин сдвиговых деформаций, приводящих к потере сплошности материала стержня.

Для наилучшей реализации способа зону деформации локализуют в слое, пересекающем стержень.

Кручение (как и чистый сдвиг) позволяет локализовать очаг деформации до величин, приближающихся к характерным размерам зерна материала стержня.

Уменьшение локально деформированного объема материала при кручении стержня достигается технологическими приемами, которые предусматривают в оборудовании и оснастке наличие различных систем зажимов и поворотов этих зажимных устройств относительно друг друга. Для достижения устойчивой деформации сдвига, например, в стержнях квадратного сечения необходимо обеспечить, как минимум, зажим стержня с двух сторон с последующим поворотом зажимов относительно друг друга.

Развитие местного скручивания в зоне, перпендикулярной оси, предопределено неравномерностью деформированного состояния но сечению стержня. При этом в центре стержня возникает напряженное состояние, из-за которого центральный объем металла истекает по оси с удлинением стержня.

Возвращаясь к вопросу об образовании упомянутой топографии поверхностей разрыва сплошности или разрушения (разделения) фрагментов, отметим, что чистота этих поверхностей зависит от того, насколько удается избежать распада единого очага деформации и локализовать его до минимальных величин.

При кручении, например, цилиндрических стержней в поверхностных слоях возникают напряжения максимальной величины:

, где ϕ - угол кручения, r и l - радиус и длина образца.

Уменьшая технологическими приемами длину деформируемого (скручиваемого) образца, т.е. приближая знаменатель к минимальным значениям, обеспечиваем радиальную локализацию деформации, при которой происходит местное скручивание образца в области, перпендикулярной его оси, в результате того, что сдвигающие напряжения быстро преодолевают предел прочности материала стержня с переходом зоны деформации в область пластического течения с последующей потерей сплошности. Эта же пластическая деформация влияет на характеристику поверхности разрыва сплошности материала как результат движения образующейся трещины и ее ветвления.

Микрорельеф образующейся поверхности разрыва сплошности при кручении существенно отличается от поверхности, обработанной лезвийным или каким-либо другим инструментом.

Ветвление трещины зависит от материала стержня, его структурных характеристик, текстуры, дефектов и др.

В зависимости от материала стержня и геометрической формы его поперечного сечения угол относительного смещения соседних фрагментов стержня при повороте относительно друг друга и примыкающих к слою деформации, выбирают обеспечивающим потерю сплошности материала стержня на площади от 0,1 до 0,9 от площади поперечного сечения.

Например, исследовали пластическую деформацию кручением стержней квадратного сечения из низко- и среднеуглеродистой стали в состоянии поставки и термообработанных (отжиг). Для этого определяли потерю сплошности сравнением площадей оставшейся шейки, соединяющей соседние фрагменты, с площадью поперечного сечения стержня после раскола в специальном приспособлении.

При относительно стабильных величинах энергии, требующейся для раскола образцов с различной прочностью и твердостью, установили, что отношение этих площадей может составить от 0,1 для пластичных отожженных образцов и до 0,78 для нагартованных, твердых. Соответствующими технологическими приемами добивались такого положения, при котором упомянутое отношение достигало величины 0,9 для шестигранных стержней.

Угол кручения может составлять величину 360°/n, где n - число граней стержня.

Кручение можно выполнять в два этапа, скручивая стержни сначала в одну, а потом в другую сторону на один и тот же угол. Например, при отработке способа изготовления стержней с треугольным, шестиугольным и ромбическим профилем кручение выполняли в два этапа - сначала в одну сторону, а затем в другую на один и тот же угол.

Для получения осколков с упомянутыми острыми режущими ребрами и повышения твердости поверхностного слоя стержней из малоуглеродистых сталей, а также с целью обеспечения сохранности осколка при взрывном нагружении стержни после деформации кручения могут быть подвергнуты цементации с последующей закалкой. При этом нет смысла цементировать на глубину, большую, чем 0,3 от толщины стержня, а минимальная глубина цементации не должна быть менее 0,1 от толщины, что обеспечивает при последующих закалке и отпуске наличие структуры мартенсита на поверхности и троостита в сердцевине образцов.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:

На фиг.1 - осколочная оболочка, выполненная из стержней;

На фиг.2 - стержень, предварительно разделенный на фрагменты по поперечно-расположенным и повернутым относительно друг друга поверхностями разрыва материала;

На фиг.3 - фрагмент осколочной оболочки с установкой стержней в два и более ряда;

На фиг.4а, фиг.4б, фиг.4в - продольные сечения стержней с пазами, канавками и поверхностями разрыва сплошности материала;

На фиг.5а, фиг.5б, фиг.5в - иллюстрация процесса деформации и разделения стержня на фрагменты;

На фиг.6 - внешний вид продольного шлифа стержня с разрывами сплошности после цементации;

На фиг.7 - внешний вид поперечного шлифа фрагмента после цементации;

На фиг.8 - микрошлиф в продольном сечении стержня в месте разрыва сплошности материала.

На фиг.9 и фиг.10 - инструментальные блоки.

Осколочная оболочка боеприпаса с заданной фрагментацией состоит из несоединенных между собой и установленных между взрывчатым веществом 1 и корпусом боеприпаса 2 стержней 3, разделенных на фрагменты 4 по поперечно расположенным и повернутым относительно друг друга поверхностям разрыва сплошности 5 материала стержня. При этом площадь поперечного сечения шейки S, соединяющей отдельные фрагменты 4, выполняется в интервале от 0,1 до 0,9 площади поперечного сечения стержня 3, а расстояние h между отдельными фрагментами 4 составляет величину, приближающуюся к характерному размеру зерна 6 (фиг.8) материала стержня 3.

Осколочная оболочка работает следующим образом: при подрыве взрывчатого вещества 1 (фиг.1) происходит расширение оболочки 2, при этом каждый из стержней 3 подвергается упомянутой деформации изгиба, а в средней части стержня 3 преобладают деформации растяжения.

В результате действия взрывной нагрузки деформация в средней части стержня 3 превышает ресурс пластичности материала, что приводит к окончательной потере сплошности материала стержня по упомянутым поверхностям 5 (фиг.2), обеспечивая разделение стержня 3 на фрагменты по схеме фиг.5в.

В случае подрыва осколочной оболочки, изготовленной по схеме фиг.3 с установкой стержней 3 различного профиля, происходит дополнительное дробление корпуса боеприпаса 2 (фиг.3) по линиям контакта вершин треугольных стержней 3 с внутренней поверхностью корпуса 2 боеприпаса, что обеспечивает увеличение количества осколков.

Предлагаемый способ изготовления осколочной оболочки с заданной фрагментацией, состоящей из корпуса боеприпаса 2 (фиг.1 или фиг.3) и стержней 3, осуществляют сборкой (установкой) между взрывчатым веществом 1 и корпусом 2 отдельных стержней 3, предварительно подвергнутых деформации кручения на прессе в специальном приспособлении через определенные промежутки его длины.

Специальное приспособление представляет собой инструментальный блок с подвижной 7 (фиг.9 и фиг.10) и неподвижной обоймой 8, выполненными в виде, например, четырехлепестковых цанг.

Подвижная обойма 7 связана рычажной системой с ползуном пресса, при возвратно-поступательном движении которого обеспечивается поворот обоймы 7 с фрагментом 4 (фиг.2) относительно неподвижной обоймы 8 с неподвижным соседним фрагментом.

При этом фрагменты скручиваются относительно друг друга с потерей сплошности материала стержня по поверхностям разрыва 5, перпендикулярным оси стержня.

После технологической операции кручения стержни (в случае их изготовления из малоуглеродистых сталей) подвергали цементации, глубина 9 (фиг.6 и фиг.7) которой устанавливалась в пределах от 0,1 до 0,3 от толщины стержня.

Пример 1

При изготовлении осколочной оболочки были использованы стержни из стали квадратного сечения (сторона квадрата - 7 мм). Стержни подвергались деформации кручения через одинаковые промежутки длины - 8 мм в инструментальном блоке (фиг.9) с двумя обоймами - подвижной 7 и неподвижной 8, выполненными в виде четырехлепестковых цанг. Один конец стержня закрепляли в неподвижной обойме 8, а другой - в подвижной 7, связанной рычажной системой с ползуном пресса.

При возвратно-поступательном движении ползуна происходил поворот подвижной обоймы вместе с закрепленным в ней фрагментом стержня на угол 90°.

После этого цанги разжимали и подавали стержень в осевом направлении на величину 8 мм. При повторении этих операций получали стержни различной длины от 80 мм до 400 мм, состоящие из фрагментов длиной 8 мм, повернутых относительно друг друга на 90° и соединенных между собой в центральной части вдоль продольной оси стержня. Полученные стержни устанавливали между взрывчатым веществом и корпусом боеприпаса.

Пример 2

Изготовили осколочную оболочку из стержней треугольного сечения из стали, сторона треугольника - 10 мм. Для этих стержней использовали трехлепестковые цанги по схеме, изложенной в Примере 1. Один конец стержня закрепляли в неподвижной обойме, а другой - в подвижной, связанной рычажной системой с ползуном пресса, при возвратно-поступательном движении которого происходил поворот подвижной обоймы на угол 30° с последующим обратным поворотом до 0°. Длина полученных фрагментов - 10 мм. Длина полученных стержней - от 100 мм до 400 мм. Полученные стержни устанавливали между взрывчатым веществом и корпусом боеприпаса, формируя осколочную оболочку.

Пример 3

Изготовили осколочную оболочку из стержней квадратного сечения (сторона квадрата - 8 мм). Стальные стержни подвергали деформации кручения через одинаковые промежутки длины - 8 мм в инструментальном блоке (фиг.10) с двумя обоймами - подвижной 7 и неподвижной 8, каждая из которых выполнена в виде двух металлических зажимных губок, выполняющих аналогичную задачу (зажим стержня и его поворот), изложенную в примерах 1 и 2.

Поворот подвижной обоймы с зажатым в ней стержнем осуществляли на угол 45° с последующим обратным поворотом до 0°. После этой деформации стержни подвергли цементации с последующей закалкой по действующей технологии. Полученные стержни устанавливали между взрывчатым веществом и корпусом боеприпаса, формируя осколочную оболочку.

Подрывы изготовленных оболочек в специальной мишенной обстановке с уловителями осколков показали, что их дробление происходит строго по зонам локализации деформации или, что то же, по поверхностям разрыва сплошности материала стержня. При этом поражающие элементы соответствуют заданной фрагментации по размерам, форме и массе.