Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 6
1.1. Основные этапы в истории изучения и практического использования кумулятивного эффекта во взрывной технике 6
1.2. Гидродинамическая теория формирования кумулятивной струи 10
1.2.1. Теория сходящихся струй и ее применение М.А. Лаврентьевым для описания явления кумуляции 10
1.2.2. Основы гидродинамической теории кумуляции, учитывающей конечное значение скорости детонации 13
1.2.3. Условия формирования сплошной связной кумулятивной струи 19
1.2.4. Феноменологическая теория формирования кумулятивной струи И. И. Томашевича 23
1.2.5. Теория бронепробивного действия кумулятивной струи 28
1.3. Область использования кумуляции в современной взрывной технике 32
1.3.1. Использование кумулятивного эффекта в нефтедобывающей промышленности 32
1.3.2. Примеры использование кумулятивного эффекта в военной технике 34;
2. Постановка задачи исследования 40
3. Экспериментальная часть 46
3.1. Методика проведения эксперимента 46
3.1.1. Выбор заряда, отвечающего требованиям работы 46
3.1.2. Методика изготовления кумулятивных зарядов 48
3.1.3. Характеристика применяемых веществ 51
3.1.4. Методика проведения испытаний во взрывной камере 55
3.1.5. Методика получения и обработки результатов экспериментов 56
3.2. Экспериментальное исследование эффективности бронепробития кумулятивных зарядов малого и сверхмалого калибра 57
3.2.1. Влияние калибра кумулятивной воронки 57
3.2.2. Влияние детонационных характеристик ВВ на относительную
глубину пробития при заданном калибре. Оценка эффективности взрывчатых веществ 61
3.2.3. Влияние формы кумулятивной воронки на результаты бронепробития 76
3.3. Исследование бронепробивной способности кумулятивных зарядов малого калибра, оснащённых кумулятивными воронками "нетрадиционной формы 82
3.3.1. Определение бронепробивной способности зарядов с цилиндроконическими облицовками 83
3.3.2. Определение бронепробивной способности зарядов с цилиндрическими облицовками 88
4. Обсуждение экспериментальных результатов 99
4.1. Влияние конструкции кумулятивного узла на эффективность бронепробивного действия
4.2. Влияние детонационных характеристик взрывчатых веществ на эффективность бронепробивного действия 102
4.3. Прогнозирование бронепробивной способности кумулятивных зарядов малого калибра и веса, снаряженных новыми мощными перспективными взрывчатыми веществами и смесями на их основе 110
4.4. Особенности бронепробивного действия кумулятивных зарядов малого калибра и веса с воронкой "нетрадиционной* формы 112
Выводы 120
Список использованной литературы 122
Приложение
- Гидродинамическая теория формирования кумулятивной струи
- Использование кумулятивного эффекта в нефтедобывающей промышленности
- Экспериментальное исследование эффективности бронепробития кумулятивных зарядов малого и сверхмалого калибра
- Влияние детонационных характеристик взрывчатых веществ на эффективность бронепробивного действия
Введение к работе
Кумулятивный эффект - одно из мощных средств концентрации энергии взрыва в строго заданном направлении, что позволяет управлять действием взрыва и эффективно разрушать окружающую среду.
Благодаря необычайно высокой эффективности, кумулятивные заряды широко применяются в военных целях для борьбы с бронированными средствами противника, а также в мирной промышленности в горном деле, при добыче нефти, при обработке металлов взрывом, в космосе, для разделения космических объектов, при ликвидации последствий крупных аварий и катастроф, при тушении пожаров и т.д..
Эффективность кумулятивных зарядов принято оценивать величиной бронепробивного действия, поэтому научные разработки в области кумуляции ведутся, в первую очередь, с целью достижения максимального бронепробивного действия при ограниченном калибре и весе ^заряда.
Одной из актуальных задач в области практического использования явления кумуляции является изучение влияния на эффективность бронепробивного действия кумулятивных зарядов малого калибра и веса состава мощных взрывчатых смесей, используемых для снаряжения боевых частей, а также элементов конструкции заряда.
В связи с этим в работе поставлены задачи:
1. Изучение теоретических основ явления кумуляции как эффективного
способа управления местным действием взрыва;
Изучение и освоение технологии изготовления кумулятивных зарядов малого калибра и веса, на примере заряда перфоратора типа ЗПК-103;
Изучение влияния калибра боеприпаса на бронепробивную способность кумулятивных зарядов;
4. Изучение влияния формы кумулятивной выемки на бронепробивную
эффективность зарядов малого калибра;
Выбор экспериментального метода, позволяющего оценить влияние физико-механических характеристик заряда и состава взрывчатых смесей на эффективность бронепробивного действия кумулятивных зарядов малого калибра;
Проведение экспериментов с целью установления влияния физико-механических характеристик заряда и состава взрывчатых смесей на эффективность бронепробивного действия кумулятивных перфораторов ЗПК-103;
7. Ознакомление с теоретическими методами расчета параметров
детонации ВВ и импульса контактного взрыва. Расчет этих
характеристик для взрывчатых смесей используемых в работе и поиск
корреляции между бронепробивным действием зарядов малого калибра,
детонационными характеристиками и некоторыми показателями
работоспособности взрывчатых веществ, использованных для снаряжения
зарядов;
8. Разработка лутей повышения эффективности зарядов ЗПК-103 и
прогнозирование пределов реального бронепробивного действия кумулятивных
перфораторов;
9. Изучение бронепробивной способности кумулятивных зарядов малого
калибра, оснащённых кумулятивными воронками "нетрадиционной* формы.
Разработка основ теории бронепробивного действия кумулятивного заряда
малого калибра, оснащённых кумулятивными воронками ^нетрадиционной*
формы.
В последующих главах данной работы последовательно излагаются пути решения сформулированных выше задач и полученные при этом результаты.
Гидродинамическая теория формирования кумулятивной струи
Гидродинамическая теория кумуляции [11,12,13], предложенная М. А. Лаврентьевым, основана на модели идеальной несжимаемой жидкости. Принципиально важным шагом автора гидродинамической теории явилось применение теории сталкивающихся струй для описания механизма деформации кумулятивной облицовки и формирования кумулятивной струи.
Обычно, при взрыве сосредоточенного заряда ВВ, по мере удаления от источника взрыва, давление в расширяющихся продуктах взрыва быстро падает. Соответственно, падает и разрушающее действие продуктов взрыва, причем одинаково в разных направлениях. При взрыве же кумулятивного заряда, напротив, имеет место усиление разрушающего действия в направлении оси, так называемой, кумулятивной выемки. Такой эффект получается при использовании зарядов специальной формы. С этой целью, обычно, на внешней поверхности заряда, создают углубление -кумулятивную выемку. Продукты взрыва, выбрасываемые с поверхности заряда, образуют в направлении оси выемки сходящийся поток с высоким давлением и скоростью. Этот поток и обеспечивает повышенное разрушающее действие кумулятивных зарядов [3,4].
Высокая скорость потока продуктов взрыва, метаемых с поверхности заряда, необходимая для проявления эффекта кумуляции, может быть получена только при детонации ВВ. Поэтому, осуществленный в середине прошлого века синтез ряда химических соединений, способных к детонации, явился необходимой предпосылкой открытия явления кумуляции.
В 1864 г. русский военный инженер генерал М. М. Боресков открыл кумулятивный эффект и использовал его в саперном деле [5]. Но первые систематические исследования кумулятивного эффекта были проведены в 1923 - 1926 гг. М. Сухаревским, который установил зависимость бронебойного действия кумулятивных зарядов без облицовки от формы выемки и ряда других факторов.
Позже было показано, что, если поверхность кумулятивной выемки облицована тонким слоем металла, то бронепробивное действие такого заряда увеличивается в несколько раз.
К началу Великой Отечественной войны на вооружении советских войск имелись различные типы бронебойных снарядов. Однако, кумулятивными снарядами отечественная артиллерия-тогда не располагала, хотя в немецкой армии боеприпасы этого типа уже были. Этот серьезный пробел в арсенале средств борьбы с бронированной техникой пришлось спешно ликвидировать уже в начале войны, в связи с резко возросшей броневой защитой танков.
В октябре 1941. г. в НИИ-6 инженер М. Я. Васильев начал исследования возможности практического использования кумулятивного эффекта при конструировании боеприпасов [6], И уже в конце 1941 г. получил основные исходные данные, необходимые для проектирования кумулятивных снарядов. А в 1942 г., совместно с 3. В. Владимировой и Н.С. Житких, им был создан первый в Советском Союзе 76-мм кумулятивный снаряд, который, после некоторой доработки, был принят на вооружение и изготовлялся серийно в течение всей войны. Снаряд пробивал броню толщиной 100 мм и использовался для поражения средних немецких танков.
В 1942 г. группой конструкторов и ученых в составе И.П. Дзюбы, Н.П. Казейкина, И.П. Кучеренко, В.Я. Матюшкина и А.А. Гринберга были разработаны, а в начале 1943 г. приняты на вооружение 122 - мм и 152 - мм кумулятивные снаряды. Снаряды пробивали броню толщиной до 150 мм и поражали любые бронированные цели, в том числе и тяжелые немецкие танки «Тигр» и «Пантера».
Использование кумулятивного эффекта в нефтедобывающей промышленности
Как мощный и малогабаритный источник энергии, кумулятивные заряды незаменимы при выполнении специфических работ в замкнутом объеме нефтяной или газовой скважины. При этом на разных этапах строительства, эксплуатации и ремонта скважин могут выполняться следующие виды работ [7,24-30]:
1. Многократного использования, способные выдержать многочисленные подрывы, типа ПК. Они имеют сравнительно толстые стенки. Их корпус изготовляется из высокопрочных сталей. Кумулятивные заряды устанавливают перпендикулярно к оси корпуса и закрепляют в нем различными способами. Имеется электрический ввод для подачи инициирующего импульса. В корпусе располагается дополнительный промежуточный детонатор.
2. Однократного использования, тип ПКО. Они имеют сравнительно тонкие стенки, рассчитанные лишь на действие наружного гидростатического давления, и представляют собой сплошную трубу, не имеющую отверстий для выхода кумулятивной струи. Поскольку корпус заряда разрушается при взрыве, в нем может быть размещено больше зарядов, чем в перфораторе типа ПК.
Вес боевой части кумулятивных зарядов используемых в нефтяной и газовой промышленности колеблется в широких приделах, от 5 кг до 5 грамм. Их конструкция подробно описана в монографии.
Кумулятивные средства широко представлены в вооруженных силах развитых стран, что является -следствием плановой организации систематических исследований, начиная с 50-х годов, как конкретно кумулятивного эффекта, так и физики взрыва в целом. В результате приняты на вооружение, или находятся в заключительной стадии разработки, многие системы различного назначения (рис. 1.10).
Это касается, прежде всего, систем пробития бронетанковой техники, для чего созданы достаточно крупнокалиберные боеприпасы (до 152 мм), способные успешно поражать объекты с толщиной эквивалентной брони до 1000 мм [31]. В этом убеждает сопоставление тактико-технических характеристик ручных противотанковых гранатометов стран НАТО и России (калибр 66-120 мм). Оценка эффективности таких боеприпасов, естественно, основана на глубине бронепробития (Приложение 2).
Дальнейшие направления совершенствования кумулятивных боеприпасов могут быть определены из просмотра доступной патентной литературы и сводится к следующему: Рис.1.П. Пат. ФРГ2706060, класс 102, публ. 25.03.1982 1) Повышение глубины пробития за счет увеличения скорости кумулятивной струи, которое обеспечивается повышением скорости метания каждого элемента кумулятивной облицовки за счет обеспечения наиболее благоприятного (нормального) угла падения детонационного фронта на поверхность кумулятивной воронки (рис. 1.11). Необходимое изменение формы детонационного фронта задается размещением в заряде линз из инертного материала или ВВ с низкой скоростью детонации {32]. Приемы управления формой фронта детонационной волны общеизвестны и получили название "детонационная оптика". 2) Повышение глубины пробития за счет формирования устойчивой высокоскоростной струи с наиболее благоприятным градиентом скорости по её Рис.1.12. Пат. США 448Ш6, класс Е42В 1/02, публ. 13.11.1984 длине. Это достигается усложнением формы кумулятивной воронки (рис. 1.12), конструкция которой является результатом точного компьютерного расчета [33]. Поскольку изготовление заряда с подобной воронкой является технически сложной задачей, для достижения эффекта предлагается использовать воронки коробчатой формы (рис. 1.13) с дискретно переменным углом раствора конуса [34].
Перечисленные выше направления совершенствования кумулятивных зарядов относятся, как правило, к боеприпасам большого калибра, предназначенным для борьбы с хорошо защищенными объектами (танками, самоходными орудиями, фортификационными наземными и подземными сооружениями). Однако, в боевой обстановке военнослужащим приходиться вести борьбу и со значительно хуже защищенными объектами (бронетранспортеры, боевые машины пехоты, низколетящие вертолеты, личный состав в бронежилетах и т.д.). Использование мощных средств поражения, в этом случае может оказаться неоправданным. Боевая задача по уничтожению цели может быть решена путем использования кумулятивных зарядов малого калибра и веса. К кумулятивным зарядам малого калибра можно отнести заряды с диаметром основания кумулятивной облицовки в 5-10 раз меньше, чем диаметр облицовки типового противотанкового боеприпаса (гранаты средств ближнего боя, или боевой части противотанковой управляемой ракеты).
При малом весе кумулятивного заряда проблема его доставки к цели решается существенно легче. Для этого может быть использовано имеющееся в войсках носимое стрелковое оружие.
Указанные обстоятельства привели к тому, что на вооружение армий большинства развитых стран, включая страны НАТО, принят или находится на стадии разработки новый вид стрелкового оружия—оружие поддержки пехоты [40], основанный на использовании кумулятивных зарядов малого калибра и обладающий разрушающим действием, сравнимым с действием артиллерийских систем. Такой вид оружия по праву может быть назван "карманной артиллерией" (Приложение 2).
Таким образом, подробное рассмотрение основ классической гидродинамической теории формирования и бронепробивного действия кумулятивной струи позволяет прийти к выводу о том, что основные математические соотношения, полученные с использованием физической модели столкновения двух плоских струй идеальной несжимаемой жидкости лишь качественно объясняют механизм формирования отверстия под воздействием кумулятивной струи, но не позволяют сделать определенных выводов о влиянии детонационных характеристик, а тем более состава мощных взрывчатых смесей и физико-химических характеристик отдельных компонентов на эффективность бронепробивного действия кумулятивных зарядов.
Экспериментальное исследование эффективности бронепробития кумулятивных зарядов малого и сверхмалого калибра
С целью определения предельного минимального размера кумулятивного заряда, еще способного эффективно пробить стальную преграду, проведена серия опытов с зарядами весьма малого калибра (до 7мм). При изготовлении зарядов в этой серии опытов использована медная -(М-1) точеная воронка с углом раствора конуса 60 и постоянной толщиной стенки 0,8мм. Поскольку калибр зарядов изменялся в весьма широких пределах, от 19,5 до 9 мм, то, для того чтобы получить воспроизводимые условия экспериментов, для снаряжения боевых частей использован метод заливки. В качестве взрывчатого вещества для снаряжения зарядов использована мощная смесь из тротила и октогена с содержанием компонентов 40/60. Боевой заряд готовили методом вибрационной заливки из сплава ТОк 40/60. Плотность заряда 1,77 г/см. Скорость детонации D=7860 м/с, давление детонации 27,0 ГПа (получено экспериментально в заряде диаметром 20мм). Кумулятивные заряды имели алюминиевую цилиндрическую наружную оболочку, толщиной 0,5мм. Результаты экспериментов приведены в таблице 3.1. Действительно, во второй серии опытов (таблица 3.2), проведенной с макетами боевых частей снаряженных методом прессования, удалось получить бронецробитие на глубину 20мм, для заряда калибра 9 мм с конической облицовкой диаметром 8мм (Относительная глубина пробития, L/d =2,5).
Следует полагать, что при необходимости работы с кумулятивными зарядами весьма малого калибра (менее 10мм), следует принимать специальные меры, чтобы обеспечить высокую детонационную способность боевого заряда, например сенсибилизацию, в том числе и за счет введения тяжелых (цирконий и вольфрам) добавок, препятствующих разлету продуктов взрыва, а также использовать мощные взрывчатые вещества с весьма малым критическим диаметром детонации.
Заряд калибром 7мм с конической воронкой диаметром 5мм, был снаряженный мощным взрывчатым веществом с высокой детонационной способностью и пробил 15мм стали. При этом вес заряда ВВ составил всего-0,3 г.
Проведенные эксперименты показали высокую эффективность кумулятивных зарядов малого калибра и веса с воронками традиционной конической формы. Заряды сохраняют способность пробивать стальную преграду на глубину 3-4 калибра даже при уменьшении диаметра боевой части до 15мм. Этот предел может быть понижен в еще большей степени за счет использования мощных ВВ с высокой детонационной способностью. При этом удельная глубина пробития стальной преграды для зарядов чрезвычайно малого калибра может достигать 10-50мм на грамм ВВ.
Для зарядов большого калибра, используемых в настоящее время в конструкции современных РПГ, глубина пробития «оставляет 0,7-5мм на грамм ВВ. 3.2.2. Влияние детонационных характеристик ВВ на относительную глубину пробития при заданном калибре. Экспериментальная оценка эффективности взрывчатых веществ
Особое значение имеет поиск связи между детонационными характеристиками взрывчатого вещества и эффективностью бронепробивного действия кумулятивного заряда. Решение этой задачи позволит производить обоснованный выбор взрывчатых веществ, пригодных для снаряжения кумулятивных боевых частей, и вести целенаправленный синтез новых мощных взрывчатых веществ с требуемыми характеристиками.
Оценку эффективности взрывчатых веществ, предназначенных для снаряжения кумулятивных боеприпасов, обычно проводят по глубине пробития стальной преграды макетом кумулятивного заряда достаточно большого калибра (50 мм) и веса (более 500 г). Это позволяет сравнивать различные взрывчатые вещества в условиях реализации детонационного режима, близкого к идеальному (рис 3.6).
Боевая часть состоит из двух шашек ВВ, прессуемых раздельно. Верхняя шашка выполнена в виде усеченного конуса, диаметр основания конуса D = 50 мм, высота Н= 50 мм. Нижняя шашка - цилиндрическая, диаметр D = 50 мм, высота Н= 62 - 63 мм, внизу имеет кумулятивную выемку. Общая высота заряда Н = 112 -113 мм.
В качестве стандартизованной используется коническая кумулятивная облицовка, угол раствора конуса 2а = 60, диаметр облицовки у основания конуса d=40 мм, высота h = 34,6 мм. У основания кумулятивная воронка имеет буртик, так что максимальный диаметр облицовки - 50 мм. Материал кумулятивной облицовки - медь М-1, толщина 6—1,6мм.
Влияние детонационных характеристик взрывчатых веществ на эффективность бронепробивного действия
Особое значение имеет поиск связи между детонационными характеристиками взрывчатого вещества и эффективностью бронепробивного действия кумулятивного заряда. Решение этой задачи позволит производить обоснованный выбор взрывчатых веществ, пригодных для снаряжения кумулятивных боевых частей, и вести целенаправленный синтез новых мощных взрывчатых веществ с требуемыми характеристиками.
Следует учесть, что теория предсказывает наличие прямой зависимости между скоростью детонации (D) и скоростью движения головного элемента кумулятивной струи (Uc), однако прямая зависимость глубины пробития от параметров детонации заряда взрывчатого вещества из существующей теории не следует [14].
Известно, что для разрушения стальной преграды достаточно обеспечить скорость кумулятивной струи 2500 м/с. Чрезмерно высокая скорость, до 8000-12000 м/с, легко достижимая при взрыве кумулятивного заряда, для эффективного бронепробивного действия не нужна [21].
Таким образом, связь бронепробивного действия кумулятивного заряда с параметрами детонации взрывчатых веществ оказывается достаточно сложной. Причины и характеристики этой связи обсуждены нами подробно в [63].
Следует учесть, что процесс отбора энергии на разгон тонкой металлической облицовки кумулятивной полости при детонации характеризуется крайне малым временем. При этом следует принять во внимание некоторые общие теоретические соображения о работе взрыва, развитые ранее в работах А.Ф. Беляева [46,47].
Все формы работы совершаемые при взрыве заряда взрывчатого вещества условно принято делить на фугасные и бризантные. К фугасным относят те формы работы взрыва, которые совершаются в условиях действия сравнительно низкого давления продуктов взрыва взрывчатых веществ, то есть в течение всего времени их расширения. В силу этого фугасные формы работы оказываются пропорциональны теплоте взрыва (Qv), т.е. общему количеству энергии выделяемой при взрыве.
Кумулятивное действие можно охарактеризовать, как крайний случай проявления бризантного действия взрыва. Поэтому следует ожидать наличия связи между эффективностью бронспробивдаго действия и такими детонационными характеристиками взрывчатого вещества, как скорость детонации (D), давление на фронте детонационной волны (Р), скорость движения продуктов взрыва (U), показатель политропы продуктов взрыва (к), начальная плотность заряда (ро), и некоторыми показателями работоспособности взрывчатого вещества, такими как Qv и удельный импульс контактного взрыва {I), определяемыми, как правильно экспериментально.
В работе Л. Т. Еременко, Л. В. Дубнова, И. И. Фсодоритова, Г.В.Струкова [48] показано, что относительный импульс контактного взрыва может быть определен с помощью импульсомера Каста {рис 4.2)(21,46].
Та же методика,„при использовании зарядов в металлической оболочке разной толщины, позволяет экспериментально оценить процесс развития вторичных реакции в продуктах взрыва, а также их энергетический вклад в бризантные формы работы взрыва [48]. Измерение относительного импульса взрыва импульсомером является простым, удобным и достаточно надежным способом оценки метательной способности целого ряда индивидуальных и смесевых взрывчатых веществ. Надежность метода иллюстрируется рисунком 4.3, где значения относительного импульса сопоставлены со-скоростью торцевого метания тонкой медной пластины. Наблюдается линейная зависимость между скоростью метания пластины и величиной относительного импульса контактного «зрыва.
При решении задачи исходят из предположения, что величина относительного импульса будет определяться, главным образом, концентрацией химической энергии в единице объема заряда и составом продуктов взрыва.
Величину относительного импульса контактного взрыва предлагается использовать в качестве критерия для оценки бронепробивного действия кумулятивных зарядов [48,49].
В настоящей работе относительный импульс контактного взрыва рассчитан по соотношению {4.5), при этом необходимые детонационные характеристики взрывчатых веществ и взрывчатых смесей, использованных в работе, получены расчетом но программе "Shock and Detonation" {51] и приведены в таблицах 4.1 и 4.2 и в приложении 3. Результаты расчета относительного импульса контактного«зрыва приведены в таблице4.3.
Результаты расчета относительного импульса контактного взрыва позволяют обсудить весьма важный вопрос-о влиянии скорости детонации на эффективность разрушающего действия кумулятивных зарядов. Согласно соотношению Х-4-5), относительный импульс контактного взрыва пропорционален 0дСТ1/2 и можно ожидать, что имеется простая зависимость между относительным импульсом «онтактного взрыва и скоростью детонации.
