Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Результаты исследований параметров, характеризующих выстрел из метательных установок, используемых в практике пуле-осколочных испытаний
1.1. Расчетно-экспериментальные исследования параметров дульного выхлопа при выстреле из легкогазовой пушки .14
1.2. Определение границы промежуточной и внешней баллистики при проведении выстрела из пороховой метательной установки методом теневого фотографирования 34
Глава 2. Методика испытаний боевых частей ракетно-артиллерийского вооружения на стойкость к воздействию пуль и осколков
2.1. Стенд пулеосколочных испытаний 47
2.2. Силуэтная кинорегистрация в пулеосколочных испытаниях. Источники света. Обработка изображений 62
2.3. Взрывной источник света, основанный на применении эффектов гидродинамических неустойчивостей для оборудования испытательных трасс 76 2.3.1. Оптические параметры излучателя 79
2.3.2 Параметры УВ вблизи заряда 80..
2.3.3. Разрушение пленки и общая длительность светового импульса 83
2.3.4. Экспериментальные исследования 84
2.3.5. Использование ВИС, основанного на применении эффектов гидродинамических неустойчивостей в опытах на баллистической трассе 86
2.3.6. Внешнетраекторные параметры 87
2.3.7. Метод наземных стереофотограмметрических измерений .88
Глава 3. Результаты исследований на многоцелевом испытательном комплексе при нагружении ОИ с помощью стрелкового оружия и ствольных баллистических установок 92
3.1. Внедрение в практику исследования свойств веществ при динамических нагружениях ствольных пороховых и легкогазовых баллистических установок 92
3.1.1. Пороховая и легкогазовая пушки 92
3.1.2.Метаемые объекты 96
3.2. Оценки последствий ударного воздействия на содержащие ВВ
системы 102
Заключение 106
Список использованных источников
- Определение границы промежуточной и внешней баллистики при проведении выстрела из пороховой метательной установки методом теневого фотографирования
- Силуэтная кинорегистрация в пулеосколочных испытаниях. Источники света. Обработка изображений
- Использование ВИС, основанного на применении эффектов гидродинамических неустойчивостей в опытах на баллистической трассе
- Пороховая и легкогазовая пушки
Определение границы промежуточной и внешней баллистики при проведении выстрела из пороховой метательной установки методом теневого фотографирования
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, отмечены научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов. 8 первой главе рассмотрены результаты расчетно-экспериментальных исследований, связанных с обеспечением требуемых режимов нагружения при пулеосколочных испытаниях и изучении свойств ударно-сжатых материалов. В разделе 1.1. рассчитываются параметры дульного выхлопа для выстрела максимального могущества из ЛГП МТ-18М. Приводятся зависимости максимального давления в дульной ударной волне и скорости ее распространения в направлении осей OX, OY, OX1 от пройденного расстояния. Приводится регистрация дульного выхлопа где наряду с изображением процесса в отраженном свете на экране строятся теневые изображения оптических неоднородностей среды (ударных волн) и самого дульного выхлопа. В разделе 1.2 приведены результаты экспериментального определения границы промежуточной и внешней баллистики, что соответствует минимальному расстоянию от среза разгонной установки, начиная с которого объект испытаний движется в невозмущенном воздухе и на пути его движения можно размещать оптические и контактные электрические хронографические регистрирующие системы.
Во второй главе описан стенд пулеосколочных испытаний разработка которого проводилась с учетом следующих требований: - возможность проведения испытаний объектов как содержащих ВМ, так и инертных, на воздействие широкого спектра поражающих элементов (ПЭ) (пуль стрелкового оружия различного калибра, имитаторов осколков различной формы и реальных осколков). Испытания должны проводиться в широком диапазоне скоростей соударения ПЭ с объектом испытаний, имитирующем реальные дистанции обстрела. - мобильность и обеспечивать возможность проведения испытаний как внутри помещения, так и на открытой местности. - отсутствие механических воздействий на поражающий элемент после его вылета из ствола баллистической установки до момента соударения с ОИ; - регистрацию состояния и параметров траектории поражающего элемента перед соударением с ОИ с требуемой программами испытаний точностью; - регистрацию состояния объекта испытаний в процессе и после его нагружения поражающим элементом, а также регистрацию параметров, необходимых для определения качественных и количественных характеристик процесса взрывчатого превращения ВМ, содержащихся в объектах испытаний; - возможность дефектации ОИ после опыта.
Приводятся результаты разработки взрывного источника света для получения внешнетраекторных данных ОИ и силуэтной методики с использованием камеры ЖЛВ-2 для пулеосколочных испытаний.
В третьей главе приводятся результаты адаптации ствольных метательных устройств к задаче ударного нагружения мишеней; приводится анализ ударного воздействия на \ВВ-содержащие сборки для формирования общего подхода к прогнозированию последствий такого взаимодействия. В заключении даются выводы по разделам материалов диссертации.
В ходе наземной отработки средств военной техники при проведении аэробаллистических, террадинамических, ударных, осколочных и других видов испытаний испытываемый объект либо метается из ствола баллистической установки, либо устанавливается на заданном расстоянии от среза ствола с целью его нагружения ударником. Оборудование, участвующее в опыте, располагается вдоль траектории полета с учетом физических явлений, сопровождающих выстрел: дульный выхлоп, распространение дульной ударной волны, расхождение на траектории фрагментов поддона метаемого объекта (МО).
Знание воздействия, оказываемого дульным выхлопом и дульной ударной волной на оборудование, а также расстояния, на котором МО выходит за фронт дульной ударной волны, помогает провести правильное расположение оборудования на рабочем поле и осуществить необходимую его защиту. При проведении обращенных ударных испытаний, когда объект испытаний устанавливается близко к дульному срезу баллистического ствола, знание параметров дульного выхлопа позволяет разработать необходимое технологическое оборудование с учетом минимизации преднагружения объекта испытаний дульным выхлопом.
Для регистрации скорости движения объектов на траектории используются контактные (пленочные датчики пробойного типа) и бесконтактные (электромагнитные, радиочастотные, световые) датчики положения, которые располагаются на некотором расстоянии друг от друга и фиксируют время прохождения объектом их сечений. Использование данных методов хронографирования возможно при условии, что МО опережает дульный выхлоп, сопровождающий его вылет из ствола баллистической установки, состоящий из высокотемпературной воздушной пробки, образующейся перед МО при его разгоне в стволе, и рабочих газов (водорода). Рабочий газ, обладая высоким запасом внутренней энергии, расширяется после выхода из баллистического ствола, обгоняет метаемый объект, и далее тормозится в зависимости от среды истечения.
Ниже приводятся результаты расчетно-экспериментальному исследованию параметров дульного выхлопа при выстреле из легкогазовой пушки (ЛГП) ЛГУ-16 калибра 24 мм [5] в атмосферу воздуха, являющейся в настоящее время наиболее востребованной во ВНИИЭФ. В зависимости от задач программы испытаний полет МО может происходить в атмосфере воздуха, в вакуумированной среде или в среде гелия.
Силуэтная кинорегистрация в пулеосколочных испытаниях. Источники света. Обработка изображений
Разработка стенда пулеосколочных испытаний проводилась с учетом следующих требований.
1 Стенд должен предусматривать возможность проведения испытаний объектов как содержащих ВМ, так и инертных, на воздействие широкого спектра поражающих элементов (ПЭ) (пуль стрелкового оружия различного калибра, имитаторов осколков различной формы и реальных осколков). Испытания должны проводиться в широком диапазоне скоростей соударения ПЭ с объектом испытаний, имитирующем реальные дистанции обстрела.
2 Стенд должен быть мобильным и обеспечивать возможность проведения испытаний как внутри помещения, так и на открытой местности.
3 Оборудование стенда должно обеспечивать: - отсутствие механических воздействий на поражающий элемент после его вылета из ствола баллистической установки до момента соударения с ОИ; - регистрацию состояния и параметров траектории поражающего элемента перед соударением с ОИ с требуемой программами испытаний точностью; - регистрацию состояния объекта испытаний в процессе и после его нагружения поражающим элементом, а также регистрацию параметров, необходимых для определения качественных и количественных характеристик процесса взрывчатого превращения ВМ, содержащихся в объектах испытаний; - возможность дефектации ОИ после опыта.
Конструкция стенда должна обеспечивать безопасные условия работы на нем, в том числе и при возникновении различных нештатных ситуаций. Созданный стенд пулеосколочных испытаний включает в себя: - комплекс ствольных баллистических установок, представляющих собой стрелковое оружие, пороховые и легкогазовые пушки (ПБУ, ЛГУ), установленные на специальных стапелях и оснащенные средствами дистанционного управления выстрелом; - контактные и бесконтактные системы для измерения скорости полета поражающего элемента перед соударением с ОИ и (при необходимости) после его пробития; - рентгеновский пост с одноракурсной съемкой для регистрации запреградного потока осколков и поражающего элемента при подлете к ОИ; - рентгеновский пост, обеспечивающий съемку поражающего элемента в двух взаимноперпендикулярных направлениях перед его соударением с ОИ по результатам которой определяется состояние и пространственная ориентация ПЭ; - высокоскоростную кинокамеру для регистрации процесса разлета газообразных продуктов, образующихся при взрывчатом превращении в ОИ; - системы датчиков для измерения перемещения элементов ОИ в процессе его нагружения поражающим элементом и пьезометрических датчиков для измерения параметров воздушной ударной волны, возникающей при испытании ОИ, содержащих ВМ, а также комплекс регистрирующей аппаратуры; - видеокамеру для регистрации различных этапов проведения эксперимента и набор стандартного измерительного инструмента для дефектации ОИ после проведения испытаний.
Основные сведения о баллистических установках, средствах измерений и регистрации представлены в таблице 2.1. Типовая схема размещения испытательного оборудования перед опытом при обстреле ОИ, содержащего ВМ из стрелкового оружия на рисунке 2.1. нагружению ОИ в момент достижения им заданной температуры при термостатировании для имитации эксплуатационных температур на границах диапазона (обычно ±50±5).
Требуемая Vуд обеспечивается при выстреливании ПЭ из БУ с дульной скоростью Vдс величина которой определяется с учетом заданной Vуд, выбранной дистанции стрельбы (обычно 3-10 м) и ожидаемым падением скорости за счет сопротивления воздуха. Обеспечение Vдс для ПЭ, метаемых из ПБУ, ЛГУ, осуществляется путем реализации соответствующих ей параметров заряжания (масс необходимых пороховых зарядов, начального давления водорода для ЛГУ), определяемых решениями задач внутренней баллистики. Требуемые V c для ПЭ, выстреливаемых из стрелкового оружия, достигаются с помощью штатных патронов (когда задается только дистанция обстрела, обычно 10 м) и этих же патронов с уменьшаемыми согласно имитируемой дистанции обстрела массами пороховых зарядов со. В последнем случае решается задача, применяемая при определении параметров заряжания ПБУ.
Величины Vyd и Vdc, получаются по зависимости: где VU3M - средняя скорость ПЭ на измерительном участке (мерной базе); к -подлежащая предварительному определению в методических опытах (совместно с подтверждением расчетной величины Vdc) или известная величина зависимости баллистического коэффициента от скорости; хои с расстояния от точки определения Уизм до ОИ и дульного среза БУ
С целью снижения величин разброса реализуемых V c испытания при пониженных или отрицательных температурах воздуха выполняется калориферный подогрев средств метания. Измерительный участок для определения VU3M может быть выполнен с использованием высоковольтных контактных датчиков пробойного типа (толщина 0,02мм) или бесконтактных электромагнитных датчиков
Использование ВИС, основанного на применении эффектов гидродинамических неустойчивостей в опытах на баллистической трассе
Масштаб изображения объектов на плёнке по отношению к реальным размерам составляет N « 1:67 (проецирование площади экрана 1x1 м2 на площадь кадра 15x15 мм2). Для более точного определения масштаба используется линейка масштабно-координатная (ЛМК), расположенная в плоскости кинорегистрации (см. рисунки 2.8, 2.9). Проводятся измерения расстояния между делениями ЛМК - Длш: -общепринятыми измерительными приборами (например, линейка по ГОСТ 427-75) и длины его изображения на плёнке средствами пакета АР - ддмк (рисунок 2.13).
Согласно [14] фотографическая разрешающая способность однорядной камеры ЖЛВ-2 составляет 22 линий/мм. Это значит, что при регистрации на плёнке будет различимо изображение размером у=1/22мм. Размер реального объекта, в соответствии с масштабом изображения JV« 1:67 составит Г= N-y « 3 мм.
То есть при проектировании и изготовлении масштабно-координатной линейки необходимо использовать конструктивные элементы с габаритными размерами (толщина рейки, шаг деления) не менее 3 мм.
Расчёт погрешностей проводится в соответствии с [17]. Согласно [1] определение скорости вращения развёртывающих зеркал в момент фоторегистрации производится с относительной погрешностью до 0.1%. При максимально длительном времени вращения зеркала (режим №5, скорость вращения зеркала 7 500 об/мин) один оборот будет совершаться за Абсолютная погрешность измерения длин реального объекта (координатной линейки) - одно деление шкалы измерительной линейки по ГОСТ 427-75: дЛлмК=1 мм.
Абсолютная погрешность измерения длин на фотографическом изображении средствами пакета АР - одно деление шкалы виртуального инструмента «Линейка»: S(SJJMK)= Sxt = Sdj = 0.1 мм.
Относительная погрешность при расчёте скорости объектов в межкадровом интервале (наилучшее значение \tt M =32-10"6с принято равным максимальному межкадровому интервалу камеры ЖЛВ-2):
Вывод: разработана методика выполнения измерений по силуэтной кинорегистрации параметров траектории движения объектов при испытаниях изделий, содержащих ВВ. на пулеосколочном стенде Аэробаллистические эксперименты являются важнейшей частью наземной отработки образцов ракетно-артиллерийского вооружения. Все многообразие аэробаллистических экспериментов можно разделить на три группы: - аэробаллистические аэродинамические испытания; - аэробаллистические функциональные испытания; - аэробаллистические комплексные испытания. Каждая группа характеризуется не только решаемыми в опытах задачами и методиками испытаний, но и видами и объемом измерений, их точностями .
При проведения аэробаллистических испытаниях на открытых трассах регистрация маркированных объектов в отраженном свете, для последующих фотограмметрических измерений, осуществляется фотоаппаратурой с открытым затвором и мощными импульсными источниками света (ИИС), последовательно освещающими изучаемый объект.
Здесь эффективность опытов, информативность которых основана на фоторегистрации высокоскоростных объектов, существенно зависит от качеств применяемых импульсных источников света .
Основное требование, предъявляемое к ИИС, заключается в обеспечении в зоне регистрации экспозиции, при которой набирается требуемая плотность почернения фотопленки. Два дополнительных требования в общем виде формулируется следующим образом: - необходимость высвечивания протяженной зоны; - малая длительность вспышки. Технически эти два требования имеют обратную связь, что не позволяет найти удовлетворительного решения, используя стандартную газоразрядную схему, где увеличение высвечиваемой зоны пропорционально силе света источника, которая пропорциональна энергии разряда и, соответственно, пропорциональна длительности.
Для примера рассмотрим вариант штатной подсветки на оптическом измерительном комплексе (ОИК) баллистической открытой трассы. В качестве ИИС применяется светосигнальная U-образная ксеноновая лампа ИФК-2000. Каждая из трубок этой лампы имеет диаметр 0,9 см и длину 7.0 /19/, т.е. поперечное сечение трубки относительно мало (S 0,636 см2) из-за невозможности получения высокой температуры равномерно по большому диаметру в условиях разряда. Разрядам в трубчатых импульсных лампах свойственны температуры плазмы 8-15 кК. Стандартная лампа ИФК-2000 эксплуатируется в трех режимах, зависящих от энергии разряда Е, Дж: 2000, 400, 150. Соответственно длительность импульса, отсчитываемого от 35% уровня пиковой силы света, составляет в миллисекундах: 4, 2, 0,1; а максимальная пиковая сила света для этих режимов равна 4 Мкд, что соответствует яркостной температуре 13 кК. Доработанный ИИС имеет на входе до десятка киловольт при полуширине светового импульса около 30 мкс. Теоретически предельная сила света лампы ИФК-2000 не может превышать 5,5 Мкд (Тmax=15 кК). Таким образом, штатный источник, имеющий полуширину импульса в десятки микросекунд, принципиально не регистрирует газодинамические картины обтекания тел, двигающихся с гиперзвуковыми скоростями; кроме того “смаз” изображения при больших скоростях затрудняет идентификацию меток, наносимых на поверхность регистрируемых объектов.
Пороховая и легкогазовая пушки
Прогнозирование последствий ударного воздействия на содержащие ВВ системы необходимо проводить как для определения "живучести"(безопасности) изделий с ВВ при обращении или воздействии поражающих факторов, так и для определения эффективности средств нейтрализации образцов вооружения или других опасных объектов (например, диверсионных устройств).
Корректное прогнозирование последствий ударного воздействия на содержащие ВВ системы требует знания физических закономерностей развития взрывчатого превращения в ВВ и особенностей поведения исполнительных механизмов. Без такого знания прогнозы могут оказаться несостоятельными (либо привести к созданию изделий с неоптимальными техническими параметрами, либо исказить величину риска при проведении конкретных работ).
В основу оценок положены различные эмпирические критериальные зависимости, связывающие уровни нагружения с реакцией ВВ (детонация, отказ) [30-33]. Эти зависимости, хотя и отражают реальные результаты, но, как правило, привязаны к вполне конкретным условиям эксперимента и не всегда учитывают функциональные связи различных элементов, что затрудняет анализ реакции произвольных систем и соответственно снижает степень точности производимых оценок.
Применительно к случаю удара по содержащим ВВ системам компактным осколком были рассмотрены некоторые из возможных эффектов, влияющих на объективность производимых оценок.
В основу методов прогнозирования последствий осколочного воздействия на ВВ, как правило, положены зависимости скоростей осколков, соответствующих условиям инициирования детонации образцов ВВ на фронте входящей в ВВ ударной волны, от размеров осколка и параметров экранировки ВВ [30-33].
В то же время, по существующим на сегодня данным [35, 36], регистрируемое энерговыделение от реакций взрывчатого превращения в ВВ происходит и в области параметров удара, находящихся существенно ниже, чем это требуется для инициирования детонации. Если рассмотреть динамику изменения параметров взрыва образца ТНТ от интенсивности воздействия осколка, которая варьировалась за счет изменения толщины прикрывающей образец ВВ пластины при фиксированных параметрах осколка, то можно будет сделать вывод, что изменение бризантного (скорость метания находящейся в контакте с ВВ пластинки ) и фугасного (импульс, переданный мишени, расположенной в 5Rвв от поверхности образца) действий происходит в широком диапазоне изменения интенсивности удара. При этом регистрируемое энерговыделение от реакций взрывчатого превращения наблюдается вплоть до толщин экрана, сопоставимых с предельно пробиваемыми данным осколком. Эти результаты качественно согласуются с имеющимися в литературе данными для ВВ типа ТНТ. Таким образом, предпосылки разрушения (повреждения) содержащей ВВ системы имеются и в области недетонационных режимов инициирования ВВ. Однако сам факт инициирования взрывчатого превращения не означает неизбежного катастрофического разрушения или полномасштабного взрыва ВВ, поскольку развитие взрывчатого превращения может происходить прогрессивно (с переходом в высокоскоростную детонацию), квазистационарно (с реакцией всего ВВ в низкоскоростном режиме взрывчатого превращения) либо затухать.
Поэтому важное значение имеет экспериментальная информация о динамике развития взрывчатого превращения и масштабах разрушения (повреждения) макетов реальных изделий в зависимости от параметров удара. Например, влияние размеров образца ВВ может быть проиллюстрировано сопоставлением данных [33], полученных для образцов ТНТ 22-34 мм с данными [34], полученными на образцах ТНТ 120 мм. Несмотря на некоторую разницу в постановке экспериментов, из анализа данных следует, что с увеличением размеров образца ВВ роль низкоскоростных режимов взрывчатого превращения на конечный исход воздействия растет: если для образцов 22 мм существует лишь узкая зона скоростей удара (15-20 м/с), в которой энерговыделение образца переменно, то для образцов 34 мм эта зона составляет уже 30-40 м/с, а при 120 мм она достигает (в переводе на остаточную скорость осколка после пробития экранирующей пластинки) 103 м/с.
Приведенные примеры наглядно показывают необходимость учета реального энерговыделения во ВВ изделия при оценках последствий ударного воздействия. Однако известные эмпирические зависимости не связывают параметры воздействия с величиной энерговыделения в ВВ. В лучшем случае они позволяют оценить условия инициирования детонации ВВ [30-32] либо условия возможного инициирования низкоскоростных реакций взрывчатого превращения [35]. Идеальным вариантом было бы создание методов сквозного численного счета процессов взаимодействия осколка с элементами конструкции и развития взрывчатого превращения. Однако отсутствие адекватных физических моделей этих процессов не позволяет рассчитывать на быструю реализацию такого варианта.
Дальнейшее совершенствование методов предсказания реакции содержащих ВВ систем должно основываться на экспериментальном выявлении физических закономерностей инициирования и развития взрывчатого превращения при воздействии осколком в широком диапазоне варьирования параметров (удара, ВВ) при одновременном совершенствовании численных методов.
Есть еще одно важное обстоятельство, связанное с прогнозированием последствий ударного воздействия. В большинстве случаев готовые изделия с ВВ содержат и исполнительные механизмы. Это могут быть как стандартные взрыватели или электродетонаторы, так и самодельные устройства (в изделиях террористов). Очевидно, что реакция на воздействие исполнительного механизма может существенно изменить реакцию изделия в целом. Если уровень воздействия или энерговыделение от него недостаточны, чтобы привести к преждевременному срабатыванию или его нейтрализации, оценка последствий ударного воздействия не изменится. Если же уровень воздействия или энерговыделение от него способны привести к повреждению (нейтрализации) или его срабатыванию, в оценках последствий ударного воздействия должны быть учтены возможные варианты развития событий: полномасштабный взрыв от исполнительного механизма, отсутствие возможности полномасштабного взрыва от исполнительного механизма, разрушение системы за счет взрывчатого превращения, вызванного ударным воздействием.
Вывод. Определение реакции исполнительных механизмов на ударное воздействие представляет собой самостоятельную и многофакторную задачу, которая включает как реакцию исполнительного механизма на первичное механическое воздействие, так и отклик на энерговыделение в ВВ изделия, вызванное первичным механическим воздействием. Сложность этой задачи связана с тем , что энерговыделение ВВ и импульс, приобретаемый изделием, сильно зависят от его конструктивных особенностей. Тем не менее имеющиеся экспериментальные результаты для укомплектованных взрывателями изделий показывают возможность решения этой задачи и важность такой информации для оценки последствий ударного воздействия.
Таким образом, дальнейшее совершенствование методов предсказания реакции содержащих ВВ систем на ударное воздействие должно основываться на экспериментальном выявлении физических закономерностей инициирования и развития взрывчатого превращения в широком диапазоне варьирования параметров удара и характеристик системы при одновременном совершенствовании численных методов. Корректное предсказание реакции системы должно также учитывать отклик исполнительных механизмов по разработанной для них математической модели функционирования, что особенно важно при оценках эффективности средств перехвата.
