Исследование влияния конструкции пули на процесс пробивания стальной преграды Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Машиностроение

УДК 623.451

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ ПУЛИ НА ПРОЦЕСС ПРОБИВАНИЯ СТАЛЬНОЙ ПРЕГРАДЫ

В.В. Калашников, С.Е. Алексенцева1

Самарский государственный технический университет,

443100, Самара, ул. Молодогвардейская. 244

Создание пулестойких стальных преград является основным направлением в борьбе против несанкционированных нападений вооруженных преступников. Пулестойкость преграды обусловлена механизмом взаимодействия пули с преградой и зависит от многих факторов: прочностных и геометрических характеристик преграды, баллистических характеристик пули и её конструкции. Разработка многослойных и разнесенных преград базируется непосредственно на закономерностях взаимодействия пули с преградами различной толщины.

Ключевые слова: пулестойкость, многослойная броня, прочность, сквозное пробитие, огнестрельное оружие, конструкция пули.

Процесс взаимодействия пуль стрелкового оружия с преградами различного типа чрезвычайно актуален в настоящее время, когда реальной является угроза нападений и террористических актов и возникает потребность в создании индивидуальных и коллективных средств защиты. Классы защиты от воздействия пуль стрелкового оружия, обозначенные в ГОСТ Р 51112-97 [1], отражают наиболее употреби-мые виды оружия и патронов преступных организаций - от пистолетов Макарова (ПМ) и ТТ до автомата Калашникова (АКМ) и винтовки СВД под патроны с нетер-моупрочненным и термоупрочненным сердечником пули. Индивидуальные и коллективные средства защиты диктуют свои специфические требования к защитным конструкциям. Индивидуальные средства защиты, применяемые спецподразделе-ниями в боевых операциях или сотрудниками охранных служб, при постоянном использовании должны обладать малым удельным весом, гарантированным запасом пулестойкости и удобством в использовании готового изделия (бронешлемы, бронежилеты, защитные щиты и т.п.). Спектр материалов для такой защиты — это бро-неметаллы и специальные стали, композиционные материалы с использованием легких сплавов и высокопрочных неметаллических элементов, баллистические ткани на основе арамидных и полиэтиленовых волокон (СВМ, «Кевлар», «Тварон», «Спектра» и др.). К коллективным средствам защиты (постам охраны внутреннего и наружного наблюдения, пунктам обмена валюты, операционным кассам кассовых узлов банков и пр.) в основном не предъявляются высокие требования по массе, они

1 Калашников, Владимир Васильевич - доктор технических наук, профессор. Алексенцева Свешана Евгеньевна - кандидат физико-математических наук, доцент.

служат длительное время и отличаются значительными габаритами. Использование специальных бронематериалов является экономически невыгодным, так как ведет к повышенной стоимости конструкции, трудности при монтаже (сверлении, сварке и др.) и изготовлении отдельных элементов (пулестойких оконных проемов, дверных рам и т.д.). Поэтому постоянно ведется поиск новых конструкционных строительных материалов и металлов, их композиций, пригодных для защитных пулестойких сооружений; производится сравнение их стоимостных характеристик.

Одно из направлений в разработке средств защиты - это многослойная конструкция из прочных тонких металлических элементов, где в качестве заполнителя используется менее прочный и более вязкий материал или просто воздушная среда. Поэтому важным является всестороннее понимание механизма проникания пули через тонкие металлические преграды и влияние конструкции пули на данный процесс.

Исследование процесса взаимодействия пуль с преградами осуществляется как экспериментально, так и теоретически [2, 3] в соответствии с физическими моделями проникания ударника в преграду. Функционально сопротивление материала преграды внедрению пуль описывается прочностной и инерционной составляющими, причем увеличение скорости соударения учитывается резким возрастанием вклада в инерционную составляющую. При этом все известные модели ударник (пулю) рассматривают как гомогенное деформируемое или недеформируемое твердое тело. Аналитические зависимости по оценке проникающего действия пули учитывают такие характеристики, как скорость, калибр, массу, форму пули, для бронебойных

пуль - массу и форму головной части сердечника пули. Но в основном конструкция оболочечных пуль имеет сложную структуру, включающую (см. рисунок): 1 - латунную оболочку, 2 - свинцовую рубашку, 3 - сердечник.

Пробивное действие пули зави-Схема конструкции оболочечной пули сит от ее конструкции. Так, даже для

с рубашкой: пистолета Макарова пули Пет, состоя-

1 - оболочка. 2 - рубашка, 3 - сердечник щие из стального сердечника, свинцо-

вой рубашки и латунной оболочки, отличаются по пробивному действию от пуль П для пистолета Макарова, состоящих только из свинцового сердечника и латунной оболочки, хотя начальные скорости являются одинаковыми (290-315 м/с) и массы пули мало отличаются (6.0 и 6.1 г соответственно). Но пули П предназначены только для поражения живой силы, а пули Пет могут активно поражать небронированную технику.

Аналогичные конструктивные особенности пули имеют место для патронов практически всех систем оружия: пистолета ТТ, автомата Калашникова АКМ и карабинов. Сложная конструкция и различная прочность сердечника пули влияют на механизм бронепробития и характер разрушения пули. Свинцовый сердечник проникает в преграду как деформируемый ударник и даже при проникании через тонкую металлическую преграду сильно деформируется, увеличивается поперечное сечение, таким образом, более интенсивным является процесс торможения. Стальной сердечник является малодеформируемым, особенно это касается термоупрочненных и бронебойных сердечников.

Сделаны попытки учесть конструктивные особенности пуль для известных формул, например, Жакоб де Марра [3]. Для режимов обстрела бронебойными пулями в формулах рекомендуется использовать значения диаметра и массы сердечника. При обстреле обыкновенными пулями следует учитывать характеристики (диаметр и массу) пули. Это приводит к искажению результатов расчетов, так как вес сердечника и вес пули находятся в соотношении т( /тп =0.5 - 0.6 для оболочечных пуль, и основная баллистическая характеристика — начальная энергия будет изменяться на 40-50%. Это неоправданно при пробитии тонких преград, поскольку оболочка и рубашка участвуют в процессе бронепробития.

В результате многочисленных экспериментальных данных при обстреле многослойной и разнесенной конструкции брони наблюдаются зачастую необъясненные эффекты, когда при одинаковой суммарной толщине пакета разные сочетания составляющих пластин дают в одних случаях пробитие, в других - непробитие [2]. Для объяснения данных явлений и проведен нижеследующий анализ.

Исследуем путем дифференцированного физического анализа механизм пробития преграды оболочечной пулей со свинцовой рубашкой и стальным сердечником с учетом нарушения целостности конструкции пули и ее разрушения.

При встрече с преградой пуля обладает кинетической энергией

2

_ ти

БиМ = “ . (О

где т - масса пули, кг; и - скорость встречи пули с преградой, м/с.

Кинетическая энергия пули расходуется на преодоление сил сопротивления преграды, деформацию и разрушение пули, нагревание преграды и пули, а также на сообщение пуле запреградной кинетической энергии при пробивании тонких преград. Наибольшая часть энергии расходуется на преодоление сил сопротивления преграды и ее пластическую деформацию. Около 10% энергии затрачивается на упругий удар. Затраты на пластическую деформацию преграды возрастают с ростом толщины преграды и увеличением ее вязкости.

Из экспериментов по пробитию малоуглеродистых преград из стали Ст.З пулями ПС-43 калибра 7.62 мм из автомата Калашникова (АКМ) известно, что процесс разрушения пули значительно трансформируется в зависимости от толщины преграды, и для анализа его можно разделить на стадии.

На первой стадии при малой толщине стали (А=2 мм) незначительно деформируется только головная часть пули, конструкция остается целостной. Сохраняется исходная длина сердечника пули, составляющая 20 мм. Длина пули по оболочке в экспериментах уменьшается на -19% от исходной (26.6 мм), что происходит за счет сильного пластического течения свинцового сплава пульной рубашки (см. рисунок).

На второй стадии взаимодействие пуль ПС-43 с преградами толщиной 4 мм приводит к нарушению целостности конструкции пули - разрушается свинцовая рубашка и стягивается оболочка пули. Но на данном этапе сердечник почти не деформирован и выступает из оболочки на 5.5-7 мм. Относительная деформация по длине сердечника составляет 2.5%. Общая длина оболочки уменьшается в 2 раза и представляет собой полый элемент с радиальными наплывами.

На завершающей стадии при увеличении толщины преграды до 6 мм и выше начинается заметное деформирование головной части сердечника с относительной деформацией около 10%, которая возрастает с увеличением толщины стали. Могут сохраняться только фрагменты оболочки. Взаимодействие с преградами толщиной

10-12 мм, которые обеспечивают непробитие, сопровождается значительным расплющиванием головной части сердечника. Относительная деформация сердечника составляет 30% и более.

Все известные аналитические зависимости хорошо описывают процесс бронепробития для недеформируемого сердечника и 1-ю стадию взаимодействия.

Так, для пули ПС-43 массой 7.9 г и начальной скоростью 715 м/с кинетическая энергия пули по формуле (1) составит Е^м = 2019 Дж.

При пробивании стальной преграды (Л = 2 мм) общая кинетическая энергия й'я/м в основном идет на пластическую деформацию среды ЕМеп и обеспечение запреградной скорости пули Е(»тгя-

Полную энергию, поглощенную средой в процессе пластических деформаций при расширении отверстия, рассчитаем по формуле Томсона:

1 /мЛ Л

— су + р(-----------)

2 I

(2)

где - калибр пули, м; И - толщина пробиваемого слоя преграды, м; а -предельное напряжение для среды, МПа; р - плотность среды, кг/м3; и - скорость пули, м/с; Ь - длина головной части пули, м.

Для стальной преграды с параметрами а = 450 МПа; р = 7800 кг/м3; Л = 0.002 м и характеристиками пули и = 715 м/с; Л = 0.00762 м; I = 0.012 м энергия, затраченная на разрушение преграды, составляет Емео = 645 Дж.

Запреградную скорость пули рассчитаем по экспериментально уточненной формуле [4]

иоУЕЯ ~ а(иР ~и\тУ Р. (3)

здесь р - функция, зависит от угла обстрела & и чувствительна к эффективной

безразмерной толщине мишени, р=1.5+г/3, где 2 - Т~(5ес ;

К

а - зависит от механизма разрушения брони при пробитии по типу прокалывания, а =1.

При пробитии по типу выбивания пробки коэффициент а определяется из выражения

т

а =------------

т + т ты '

где т - масса пули, тте11- значение вырезаемой пробки, приближенно ттеи= рр^г/4. Тип разрушения преграды определяется экспериментально или теоретически.

Экспериментальные исследования показывают, что пробитие по типу прокола всегда реализуется при обстреле пулями тонких преград и сопровождается небольшим изгибом самой металлической пластины.

Обстрел стальных мишеней из конструкционных сталей средней и низкой прочности (Ст.З) дает деформационную картину в области проникания пули в виде пролома без изгиба пластины-мишени. Данный механизм разрушения преграды при проникании пули реализуется при толщине преграды в интервале 4-9 мм.

В интервале толщин 10-12 мм реализуется механизм деформирования в виде выпучины в локальной зоне взаимодействия пули с преградой. В некондиционных вариантах имеет место эффект начала отрыва пробки.

Для проверки строгого соответствия модели существует теоретический критерий классификации механизмов разрушения: при Л/Л < 1.25 имеет место

разрушение в виде срезания пробки.

Для определения запреградной скорости необходимо знать предел сквозного пробития, имш — минимально необходимая скорость сквозного пробивания преграды, м/с, определяется по универсальной формуле Жакоб де Марра:

а: (/г 0 75 л°7)

СО» в ’ (4)

К - коэффициент, характеризующий сопротивляемость брони (для малоуглеродистых сталей типа Ст.З при обстреле пулями из автомата Калашникова К=2000).

При пробивании преграды толщиной 2 мм запреградная скорость пули составляет Uovu.fr580 м/с и по формуле (1) энергия Еотс11329 Дж.

Таким образом, с некоторой погрешностью установлено, что кинетическая энергия практически вся идет на деформацию брони и запреградный эффект, а небольшая оставшаяся часть затрачивается на упругий удар.

Картина разрушения и деформирования пули и преграды значительно усложняется на 2-й стадии при увеличении толщины пробития и ранее не описана.

Пробивание преграды толщиной 4 мм сопровождается разрушением оболочки и рубашки пули. Запреградная скорость пули (сердечника) по формуле (3) составляет 451 м/с, энергия Е0у).:к=366 Дж. Энергия, поглощенная преградой при разрушении и деформировании, Емео= 1290 Дж. Исследование зоны деформирования в экспериментах показывает, что коэффициент теплопроводности у стали при нормальных условиях (/с-7=85 Вт/мхК) выше, чем у свинца (/<•.•=35.3 Вт/м*К ), что способствует отводу тепла в сторону деформируемой среды, но небольшая толщина преграды не способствует сильному разогреву преграды, на что указывает малая толщина градиентного слоя преграды (менее 1 мм), и отвод тепла в пулю довольно велик.

Таким образом, с учетом 10% энергии на упругий удар, оставшаяся энергия £=163 Дж идет на деформацию свинцовой рубашки. Теплоотвод в сильнодеформированную рубашку низкоплавкого свинца (температура плавления свинца 7’=327.4 °С) можно оценить, рассчитав температуру нагрева рубашки пули по

ат л£

формуле Д / - —- .

Здесь ДЕ ~ 40 Дж, энергия, приходящаяся на 1 г свинца (масса свинцовой рубашки около 4 г), с = 0.155 Дж/(г*К) - теплоемкость свинца.

Тогда получим приращение температуры ДТ ~ 300 °С. Данное значение температуры, близкое по значению к температуре плавления свинца, также соответствует экспериментальным данным, так как на данной стадии обнаруживаются бесформенные фрагменты свинцовой рубашки.

На 3-й стадии запреградная скорость стремится к нулю или равна ему, и вся энергия идет на пластическое деформирование преграды и пули.

Выводы

1. Исследован процесс пробития стальных преград различной толщины пулей, конструктивно состоящей из стального сердечника, свинцовой рубашки и латунной оболочки, с учетом нарушения целостности конструкции пули и ее разрушения.

2. Для пуль ПС-43 со стальным сердечником и свинцовой рубашкой калибра 7.62 мм автомата Калашникова на основе прочностных, теплофизических и баллистических характеристик сделан анализ энергетических параметров процесса

деформирования и разрушения пули в зависимости от толщины преграды (сталь Ст.З) в диапазоне от 2 до 12 мм.

3. Характер пробития в значительной степени зависит от конструкции пули. В процесс пробития тонких преград (толщиной 1-2 мм) и в запреградную энергию пули вносят вклад рубашка и оболочка пули, поскольку целостность конструкции пули не нарушается. Обстрел преграды в интервале толщин 4-9 мм сопровождается значительной деформацией и стягиванием пульной рубашки и оболочки, что приводит к уменьшению поперечного сечения пули. При этом сохраняется высокая запреградная скорость сердечника, обеспечивающая его эффективную пробивную способность за преградой.

4. Данный механизм пробития стальных преград с нарушением конструктивной целостности пули со стальным сердечником и свинцовой рубашкой необходимо учитывать при проектировании многослойных защитных бронеконструкций и при оценке чувствительности к прострелу пулей зарядов из энергонасыщенных материалов в металлической оболочке.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ Р 51112-97. Средства защитные банковские. Требования по пулестойкости и методы испытаний.

2. Калашников В.В., Мушкаев М.И., Алексенцева С.Е., Матвеев Е.С. Влияние процесса разрушения пули на выбор элементов многослойных пулестойких строительных металлоконструкций // Вестник СамГТУ, В.24, Сер. Технические науки. - Самара: СамГТУ, 2004. - С. 103-106.

3. Данилин Г.А., Огородников В.П., Заволокин А.Б. Основы проектирования патронов к стрелковому оружию. - СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2005. - 374 с.

4. Lambert J.P. Ballistic Research Laboratory, ARBRL - MP-02828 (AD B027660 L). 1978.

Статья поступила в редакцию 5 мая 2009 г.

UDC 623.451

INVESTIGATION OF THE EFFECT OF BALLET CONSTRUCTION ON STEELARMOUR PUNCHING PROCESS

V. V.Kalashnikov, S.E.AIeksentseva1

Samara State Technical University,

244, Molodogvardeyskaya str.. Samara, 443100

Development of bullet-proof steel armours is basic direction in struggle against unforeseen attacks of armed criminals. Armour resistans to attack by bullet is stipulate for mechanism of ineraction between armour and bullet and depend on many factors: characteristics of strength and geomrtric characteristics of armour; bullistic characteristics of bullet and construction of bullet. Development multilayer and stratification armours is base on regularity of interaction between bullet and different armours.

Key words: bullet-proof multilayer armour, structural strength, through punching, firearm weapon, bullet construction

1 Vladimir V. Kalashnikov - Doctor of Technical Sciences, Professor.

Svetlana E. Aleksentsheva — Candidate of Physics and Mathematics Sciences, Associate professor.