CC BY
46
УДК 699.853.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТИВООСКОЛОЧИОЙ ЗАЩИТЫ ОСНОВНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФОНДОВ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОГО ОБЪЕКТА
НА ОСНОВЕ ГАБИОНОВ
A.B. Добров
кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры (устойчивости экономики и систем жизнеобеспечения) Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск, ул. Соколовская, стр. 1А E-mail: а.dobrovQamchs.ru
А.Ю. Лебедев
кандидат технических наук, профессор кафедры (устойчивости экономики и систем жизнеобеспечения) Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск, ул. Соколовская, стр. 1А E-mail: а.lebedevQamchs.ru
Ю.Н. Рейхов
кандидат экономических наук, доцент, заведующий кафедрой (устойчивости экономики и систем жизнеобеспечения) Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск, ул. Соколовская, стр. 1А E-mail: yu.reihovQamchs.ru
К.В. Тугушов
кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры (устойчивости экономики и систем жизнеобеспечения) Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки, мкр. Новогорск, ул. Соколовская, стр. 1А E-mail: k.tugushovQamchs.ru
Аннотация. Проведено исследование защитных свойств габионов от воздействия осколочного поля при взрыве осколочно-фугасного боеприпаса в условиях военного конфликта. Ключевые слова: габионы, осколки, защита основных производственных фондов. Цитирование: Добров A.B., Лебедев А.Ю., Рейхов Ю.Н., Тугушов К.В. Исследование про-тивоосколочной защиты основных производственных фондов потенциально опасного объекта на основе габионов // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2022. № 4 (55). С. 73 - 82.
Введение
Задача по защите материальных ценностей является одним из целевых направлений системы гражданской обороны (далее — ГО) Российской Федерации. Актуальность ее реализации обусловлена существующей угрозой внешнего воздействия на объекты критической инфраструктуры в том числе на потенциально опасные объекты (далее — П00) и объекты жизнеобеспечения. Решение этой задачи рассматривается как составная часть обеспечения устойчивости функционирования экономики административно-территориальных единиц государства в военных конфликтах.
Постановка задачи
Проведенные исследования в данной области определили различные методы и способы решения данной задачи [1].
Одним из способов пассивной защиты основных производственных фондов
(далее — ОПФ) П00 можно рассматривать создание вокруг защищаемого объекта конструкции из габионов.
В условиях военного конфликта на защищаемый объект возможно комплексное воздействие различных поражающих факторов боеприпаса: удар снаряда (при прямом попадании), осколки, избыточное давление, удельный импульс, длительность фазы сжатия, кумулятивный эффект.
Целью настоящей статьи является проведение исследования габиона, как средства защиты ОПФ ПОО от осколков, образовавшихся при взрыве осколочно-фугасного боеприпаса.
Решение
«Габион» (с итальянского - «клетка» ^аЬЫа)) - это контейнер из металлической сетки или сварная конструкция из металлической проволоки, который может иметь различную форму (рисунок 1, 2), наполненный щебнем, галькой, песком и др.
Рисунок 1 Конструктивная схема габионных конструкций коробчатой формы
Рисунок 2 Конструктивная схема габионных конструкций матрацно-тюфячной формы
Габионы применяются для самых различных задач (возведения гибких, проницаемых и монолитных конструкций, таких как подпорные стенки, облицовка каналов, гидротех-
Риеунок 3 Общий вид габионов
ничеекие и противоэрозионные сооружения). В том числе габионные конструкции применяются как фортификационные сооружения (рисунок 3,4).
Рисунок 4 Применение габионов
Габионные конструкции имеют ряд преимуществ: сравнительно небольшая стоимость материалов, простота хранения, доставки элементов и сборки конструкции на месте но сравнению с монолитными сооружениями, мультифункциональность.
Недостатки таких конструкций начинают проявляться с увеличением их сложности и масштабности это деформации и разрушения, вызванные большими размерами сооружения, особенно если высота конструкции превышает 3 5 м.
Современные рекомендации производителей и методики применения предназначены для расчета габионных сооружений при статических нагрузках [2, 3, 4]. Для расчета защит-
ных конструкций ОПФ ПОО они мало пригодны или вообще не пригодны, ввиду особенностей влияния поражающих факторов взрыва боеприпасов большая кинетическая энергия и импульсное воздействие.
В статье проведены результаты исследование габиона, как средства защиты ОПФ ПОО от осколков, образовавшихся при взрыве осколочно-фугасного боеприпаеа. Конструкция таких боеприпасов это оеееимметрич-ный корпус из мало- или среднеуглеродистой стали, заполненный зарядом взрывчатого вещества. При воздушном подрыве боеприпаеа естественного дробления образуется большое количество осколков весом 10-6 и более граммов (рисунок 5) [5].
Рисунок 5 Осколки, образованные при воздушном подрыве 100-мм осколочно-фугасного снаряда [5]
Количество и вес осколков описываются различными законами распределения, но чаще используют распределение Вейбулла
^ (т) = 1 — ехр
К
(1)
где т - суммарное распределение осколков, масса каждого из которых не превосходит т\
то - характеристическая масса распределения;
Л - параметр качества фрагментации; при увеличении Л фрагментация становится более однородной.
Пространственное распределение осколков установлено экспериментально. Приближенная диаграмма распределения осколков но меридиональному углу разлета представлена на рисунке 6.
А
При подрыве снарядов в стационарных условиях более 90 % осколков, образующихся от боковой и частично от головной части кор-
пуса, разлетаются в боковом направлении и приблизительно по 10 % от головной и донной частей снаряда направляются вдоль оси сна-
ряда. При подрыве снаряда в полете получается аналогичная картина с некоторой направленностью бокового снопа осколков в сторону движения снаряда. Образовавшиеся осколки разлетаются в пространстве со скоростью 800 1000 м/с и более.
Боеприпасы с заданным дроблением применяются в авиационных бомбах, боевых ча-
стях ракет, реактивных системах залпового огня и т.п., в меньшей степени в артиллерийских минах
В конструкциях боеприпасов, применяемых в условиях незначительных стартовых и ствольных перегрузок, используются оболочки с готовыми поражающими элементами, у которых нет силовых элементов (рисунок 7.6).
Рисунок 7 Осколочные оболочки готового поражающих) элемента а с несущей оболочкой; б без несущей оболочки
В ряде осколочных боеприпасов применяются плоские блоки готовых поражаю-
щих элементов или металлические пластины
(рисунок 8).
Рисунок 8 Осколочная боевая часть с металлическими пластинами
Для оценки скорости метания плоских тел использованы следующие зависимости.
При взрыве осколочно-фугасного бое-припаеа при нагружении продуктами детонации максимальная скорость образовавшихся осколков определяется по формуле
Г.И. Покровского (для боеприпаеа естественного дробления с осевой симметрией) [6]:
Ре = 0,5 ■ фо ■ Уп
(2)
где Уи — скорость детонации взрывчатого вещества (для тринитротолуола И = 6950 м/с);
/3 = тВв /М - коэффициент нагрузки (для тринитротолуола / = 0,156);
ф0 = 0,98 - для боеприпаса естественного дробления с осевой симметрией или
Vd / ка
^ =
2 V 2 - а
при а < 3;
Vd / 3ка
(3)
2у/2\ 3 - 2а
при а > 0,3,
где к - коэффициент, учитывающий потери энергии на разрушение оболочки (к = 0,9 -боеприпас естественного или заданного дробления;
& = 1 - боеприпас с готовыми поражающими элементами);
а = ш / (ш + т) - коэффициент наполнения боеприпаса.
Основным критерием проникающих) действия является глубина проникновения в преграду; зависит от скорости, веса и формы осколка, условий встречи с преградой,
физико-механических характеристик материалов осколка и преграды.
Движение осколка в грунте сопровождается пластическим сжатием частиц грунта, образованием ударной волны и кавитационной полости за проникающим телом.
Для оценки параметров проникания боеприпасов в грунт, как основу, применяется модель прямолинейного движения.
Существует несколько эмпирических формул, которые позволяют определить глубину проникновения, обзор которых приведен в [7].
При проведении расчетов использовалась формула Забудекого Майевского, которая справедлива до скоростей осколка менее 1000 м/с
h 2т пр kf az bz^D2
ln(1 + bV?)sin<&, (4)
где m - вес осколка, кг;
Vc - скорость подлета осколка к преграде
Iм/С1>
kf = 1,08 • Ф (а, Р) - форма осколка (в виде параллелепипеда (предложение Е.С. Вент-цель) (рисунок 9));
Ф(а,Р) =
afi + а + fi
2 ^З2
а, Ь, с геометрические характеристики осколка (рисунок 9);
аг, Ьх - коэффициенты, характеризующие статические и динамические свойства пре-
грады (для песка az = 4,35
Ъг = 2о • 10-6 [с2/м21);
10'
6
н/м
21
D
диаметр (мидель) осколка, равный
а = —, fi = -; с с
(5)
диаметру круга, площадь которого равна площади осколка, перпендикулярной вектору скорости Vc
D
(6)
где S - площадь осколка перпендикулярного вектору скорости входа;
§ - угол входа в габион, отсчитываемый от плоскости встречи с габионом.
Исследования проводились при следующих исходных данных:
геометрические характеристики осколка: ширина а = 20 мм;
высота (толщина оболочки боеприпаса) 6 = 10 мм;
длина с = 120 мм; масса осколка от 30 г до 150 г; скорость подлета от 800 м/с до 1000 м/с; углы подлета к плоскости габиона $ = 30°, 45°, 60°, 90°;
потери кинетическои энергии, связанные с разрушением проволочной сетки не учитывалась;
скорость входа в габион равна скорости метания осколка Ус = Уо.
Для принятых геометрических характеристик осколка, определены минимальное От1П = 16 мм и максимальное Отах = 62 мм значения миделя осколка - расчеты проведены с шагом А И = 4,2 мм в диапазоне
В е [16;62].
Результаты расчетов представлены в таблицах 1 - 2 и на графиках (рисунок 10 - 12).
Таблица 1 — Зависимость глубины проникновения осколка (D = 16 мм) в габион
Глубина проникновения осколка (D = 16 мм) в габион h [см]
Вес [г] Скорость входа [м/с] Угол входа (для средней глубины проникновения)
500 600 700 800 900 1000 30° 45° 60° 90°
30 80 95 107 118 128 137 55 78 96 111
40 107 126 142 157 170 182 74 104 128 148
50 134 157 178 196 213 228 92 130 160 184
60 161 189 214 236 256 273 111 157 192 221
70 188 220 249 275 298 319 129 183 224 258
80 215 252 285 314 341 365 148 209 256 295
90 241 283 321 354 383 410 166 235 288 332
100 268 315 356 393 426 456 184 261 320 369
110 295 346 392 432 468 501 203 287 351 406
120 322 378 427 471 511 547 221 313 383 443
130 349 409 463 511 554 592 240 339 415 480
140 375 441 499 550 596 638 258 365 447 516
150 402 472 534 589 639 683 277 391 479 553
90* 241* 283* 321* 354* 383* 410* 166* 235* 288* 332*
* - средние значения характеристик
30 40 50 60 70 ВО 90 100 110 120 130 140 150
Вес осколка [г]
Рисунок 10 - Глубина проникновения осколка d = 16 мм
Скорость осколка в произвольной точке траектории внутри габиона (до остановки)
определим из выражения (7) [6]:
V = Vr
1 -
(—)
V hmax )
1,15
0,87
(7)
Рисунок 11 Изменение скорости осколка при движении в габионе (^ = 16 мм; h = 683 см; т = 150 г)
Из анализа полученных результатов следует, что наибольшей глубиной проникновения обладают осколки весом 100 - 150 г, с геометрическими характеристиками, которые проникают в габион торцевой гранью (D = 16 мм) со скоростью 1000 м/с иод углами 60° - 90° к поверхности габиона. Нулевая скорость на выходе из габиона, заполненного песком, достигается на глубине проникновения равной 683 см.
Так как параметры распределения (1) неизвестны, рассматривался наихудший
вариант распределение весов осколков подчиняется равномерному закону распределения.
Для этого случая в таблице 2 приведены значения глубины проникновения в габион с песком при различных углах входа.
Для среднего веса осколка равного 90 I', миделя И = 39 мм при средней скорости входа 750 м/с и угле входа $ = 60°, глубина проникновения не превосходит 3 метров (таблица 2 и рисунок 12).
Таблица 2 Глубина проникновения осколка со средними характеристиками
Глубина проникновения осколка h [см]
D [мм] Угол входа
30° 45° 60° 90°
16 166 235 288 332
21 168 237 290 335
25 162 228 280 323
30 158 223 273 315
34 155 219 268 310
39 153 216 265 306
44 152 215 263 304
48 151 214 262 302
53 150 212 260 300
57 150 211 259 299
62 149 211 258 298
39* 153* 216* 265* 306*
Мидель <
Рисунок 12 - Глубина проникновения осколка средний вес т = 90 г, Vcp = "750 м/с
Выводы
1. Анализ результатов, полученных по эмпирическим формулам, носят предварительный характер и свидетельствуют о том, что, как средство защиты объекта от осколков, га-бионные конструкции могут применяться.
2. В рамках данной статьи проведено исследование габиона, как средства защиты ОПФ ПОО от осколков, образовавшихся при взрыве осколочно-фугасного боеприпаса. Из анализа результатов проведенных расчетов следует, что глубина проникновения осколка в
габион осколка т = 90 г, Уср = 750 м/с с углом входа менее 60° не превышает 3 метров. Данное значение может использоваться для определения геометрических характеристик габионы конструкций.
3. Окончательное решение об их применении и схемы их соединения в защитную конструкцию можно принять после исследования совместного влияния всех поражающих факторов взрыва: поток осколков, воздушная ударная волна, импульс, длительность фазы сжатия.
Литература
1. Рекомендации по защите основных производственных фондов организации в целях повышения устойчивости функционирования объектов экономики при военных конфликтах или вследствие этих конфликтов. №2-4-71-16-11 от 17.05.2022. Утв. Заместителем Министра В.Н. Яцуценко.
2. Рекомендации по проектированию и строительству габионных защитных сооружений на автомобильных дорогах. - М.: Федеральное дорожное агентство (РОСАВТОДОР), 2015. - 112 с.
3. Тищенко А.И., Сенчуков Г.Ф., Гостищев В.Д., Челахов В.Ц. Расчёт устойчивости подпорной стены из габионов по защите берегов Цимлянского водохранилища от разрушений / Экология и водное хозяйство, №2 (2), 2019. С 81 - 99.
4. Технические указания по применению габионов для усиления земляного полотна. — М.: Министерство путей сообщения Российской Федерации, 1998, 140 с.
5. Средства поражения и боеприпасы: Учебник / Бабкин A.B., Велданов В.А., Грязнов Е.Ф. и др.; Под общ. Ред. Селиванова В.В. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 984 с.
6. Балаганский И.А., Мержневский Л.А. Действие средств поражения и боеприпасов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2004. 408 с.
7. Федоров C.B., Велданов В.А., Дюков A.B., Гущина Т.А. Определение параметров проникания пене-траторов в грунтово-скальные преграды по различным эмпирическим зависимостям. Инженерный журнал: наука и инновации, 2022, вып. 4. С. 1 — 17.
INVESTIGATION OF ANTI-SHATTER PROTECTION OF FIXED ASSETS OF A POTENTIALLY DANGEROUS OBJECT BASED ON GABIONS
Anatoly DOBROV
candidate of technical sciences, associate professor, professor of the department of sustainability of economics and life support systems The Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk, st. Sokolovskaya, building 1A E-mail: a.dobrovQamchs.ru
Alexandr LEBEDEV
candidate of technical sciences,
professor of the department of sustainability of
economics and life support systems
The Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow region, city Khimki,
md. Novogorsk, st. Sokolovskaya, building 1A
E-mail: a.lebedevQamchs.ru
Yuri REIKHOV
candidate of economic sciences, associate professor, head of the department of sustainability of economics and life support systems The Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk, st. Sokolovskaya, building 1A E-mail: yu.reihovQamchs.ru
Konstantin TUGUSHOV
candidate of technical sciences, associate professor, professor of the department of sustainability of economics and life support systems The Civil Defence Academy of EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow region, city Khimki, md. Novogorsk, st. Sokolovskaya, building 1A E-mail: k.tugushovQamchs.ru
Abstract. The study of the protective properties of gabions from the effects of a fragmentation field during the explosion of high-explosive ammunition in a military conflict. Keywords: gabions, fragments, protection of fixed assets.
Citation: Dobrov A.V., Lebedev A.Y, Reikhov Y.N., Tugushov K.V. Investigation of anti-shatter protection of fixed assets of a potentially dangerous object based on gabions // Scientific and educational problems of civil protection. 2022. № 4 (55). S. 73 - 82.
References
1. Recommendations for the protection of the organizations fixed production assets in order to increase the sustainability of the functioning of economic objects during military conflicts or as a result of these conflicts. No. 2-4-71-16-11 dated 05.17.2022. Approved Deputy Minister Yatsutsenko V.N.
2. Recommendations for the design and construction of gabion protective structures on highways. - M.: Federal Road Agency (ROSAVTODOR), 2015. 112 s.
3. Tishchenko A.I., Senchukov G.F., Gostishchev V.D., Chelakhov V.T. Calculation of the stability of a retaining wall made of gabions to protect the banks of the Tsimlyansk reservoir from destruction / Ecology and water management, No. 2 (2), 2019. S. 81 - 99.
4. Technical instructions for the use of gabions to strengthen the subgrade. - M.: Ministry of Communications of the Russian Federation, 1998, 140 s.
5. Means of destruction and ammunition: Textbook / Babkin A.V., Veldanov V.A., Gryaznov E.F. and others; Under total Ed. Selivanova V.V. - M .: Publishing house of MSTU im. N.E. Bauman, 2008. 984 s.
6. Balagansky I.A., Merzhnevsky L.A. Action of means of destruction and ammunition. - Novosibirsk: Publishing house of NSTU. 2004. 408 s.
7. Fedorov S.V., Veldanov V.A., Dyukov A.V., Gushchina T.A. Determination of parameters of penetration of penetrators into soil-rock barriers according to various empirical dependencies. Engineering Journal: Science and Innovation, 2022, No. 4. S. 1 - 17.
