Результат интеллектуальной деятельности: Броневая преграда

Изобретение относится к области военного дела и предназначено для обеспечения защиты вооружения, военной техники и других объектов от поражения артиллерийскими снарядами, в том числе бронебойными, например, подкалиберными и кумулятивными боеприпасами.

Известны способы ориентировочной оценки параметров взаимодействия снаряда с броней, основанные на выполнении расчетов. На основании таких расчетов проводится оценка эффективности снаряда и брони на стадии проектирования. Например, используются взаимосвязи длины бронебойного снаряда со свойствами материалов снаряда и мишени (Физика взрыва / Под. ред. Л.П. Орленко. - изд. 3-е, переработанное. - В 2 т. Т. 2. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 656 с.).

Соотношение для оценки глубины пробития брони h, в рассматриваем случае, имеет вид:

где: - длина снаряда; k_c - плотность материала снаряда; k_m - плотность материала брони.

На основе расчетов, в соответствии с приведенным выше соотношением, чтобы уменьшить глубину возможного пробития брони кинетическим снарядом, выбирается материал брони с высоким значением его плотности (величина k_m находится в знаменателе, следовательно, с ее ростом будет уменьшаться глубина пробития h). Уменьшение глубины пробития брони свидетельствует о ее более высокой стойкости противостоять воздействию кинетическими снарядами.

Недостатком такой брони для противодействия кинетическим снарядам является невозможность за счет изменения одного параметра материала брони, а именно, его плотности k_m обеспечить нужную эффективность.

Для повышения стойкости брони к воздействию снарядов ее изготавливают многослойной.

Например, в соответствии с техническим решением, приведенным в описании Патента ФРГ (Патента ФРГ - DE 3226476, 14.07.88 г. Конструкция защитной стенки для бронированной машины). Конструкция предназначена для защиты от бронебойных снарядов кумулятивного и подкалиберного действия. Она включает наружный слой, изготовленный из стали, второй слой - воздушный зазор, третий слой, выполненный в виде стального листа, толщина которого меньше первого слоя. Третий слой обеспечивает защиту от вторичных осколков, образующихся при прохождении снарядов и кумулятивных струй через первый (наружный) слой.

Недостатком такой брони является неэффективность выбора физико-механических свойств материалов различных слоев брони.

В предлагаемом техническом решении приведен алгоритм выбора свойств материала различных слоев брони, позволяющий получать броню, максимально стойкую к воздействию кинетическими снарядами.

В основу предлагаемого решения положены расчетные и экспериментальные данные, полученные автором при проведении исследований изменения параметров бронепробития при стрельбе кинетическими снарядами по броневым преградам.

Ниже приведены обоснования и изложена суть предложения.

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. 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 - количество свободных электронов в 1 см³ металла снаряда,

ρ - удельное электрическое сопротивление материала снаряда,

е=1,6×10^-9 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 Ее 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 (16) глубина пробития мишени h зависит от длины снаряда его скорости u_i и физико-механических свойств материалов снаряда и мишени. А именно, глубина пробития мишени будет тем меньше, чем больше значения параметров k_m и Е_м, и чем меньше величина параметра Р_м.

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).

Используя данные проведенного выше анализа, ниже представлены расчеты глубины пробития мишени для снарядов, подлетающих к преграде со скоростями значительно меньшими, по сравнению с кумулятивными струями, а именно, для бронебойных подкалиберных снарядов. При применении таких снарядов измерение их скорости u и определение длины не представляет технических трудностей. Но соударение таких снарядов имеет свою особенность, которая заключается в том, что при таких низких скоростях соударения (в основном менее 2000 м/с) материал снаряда и мишени не испаряется. Он находится в жидком состоянии.

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:

Работоспособность соотношений (16) и (18) подтверждена при выполнении расчетов глубины пробития мишени с использованием известных экспериментальных данных для кумулятивных и бронебойных подкалиберных снарядов. Поэтому эти соотношения можно использовать для оценки влияния свойств материала мишени на стойкость брони противостоять воздействию кинетических снарядов.

Как видно из (18) глубина пробития мишени h зависит от длины снаряда его скорости u_i и физико-механических свойств материалов снаряда и мишени. А именно, глубина пробития мишени будет тем меньше, чем больше значения параметров k_m и Ж_м, и чем меньше величина параметра Р_м.

Таким образом, проведенный расчет показывает, что для создания брони, более стойкой к воздействию кинетических снарядов, необходимо в отдельных слоях броневой защиты использовать материалы с высокой плотностью, высокой величиной теплоты расплавления (сублимации) одного моля вещества и низким значением веса одного моля этого вещества.

Ниже приведены расчеты для конкретных значений свойств материала мишени, показывающие, что величина пробития мишени зависит от свойств мишени.

При одинаковых параметрах снаряда и условий соударения, глубина пробития мишени будет определяться соотношением, характеризующим свойства материала мишени С, причем, чем величина С меньше, тем стойкость мишени выше:

Проведем расчет для двух типов мишени, а именно, для мишени, состоящей из брони на основе железа, и мишени -на основе кремния.

Исходные данные.

Мишень из железа:

Мишень из кремния:

Как видно из результатов расчета величина С для мишени из кремния в два раза меньше, чем для мишени из железа, т.е. одинаковый снаряд в мишени из кремния пробьет мишень на глубина в два раза меньшую, чем в мишени из железа.

Таким образом, приведенные данные показывают, что предлагаемое техническое решение позволяет создавать броню более стойкую к воздействию кинетических снарядов.

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, заявленное техническое решение соответствует условию промышленной применимости.