Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения глубины пробития мишени бронебойными 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 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.).

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_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=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 Е_С 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 в выброшенной массе М_м составит:

где Р_м - вес одного моля вещества материала мишени.

Теплота сублимации материала мишени Е_M массой М, составит:

где Е_м - теплота сублимации одного моля вещества материала мишени.

Суммарная теплота сублимации материалов снаряда и мишени W составит:

Приравняв 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 Е_C. Общая теплота А в зоне соударения в этом случае будет меньше величины Е_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:

Как видно из (16) глубина пробития мишени h зависит от длины снаряда , его скорости u_i и физико-механических свойств материалов снаряда и мишени.

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).

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 для конкретных параметров снаряда и условий его соударения с броней.

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.