CC BY
117УДК 623.454
ОСКОЛОЧНЫЕ СПЕКТРЫ СТАНДАРТНЫХ ЦИЛИНДРОВ RSFC, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ НОВОЙ ВЫСОКООСКОЛОЧНОЙ СТАЛИ 80Г2С
В.А. Одинцов1, А.В. Бармин2, Н.А. Имховик1
ХМГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия e-mail: imkhovik-n@mail.ru
2ОАО "ГосНИИ "Кристалл", г.Дзержинск, Нижегородская обл., Россия
Изложены результаты экспериментальных исследований процесса дробления стандартных осколочных цилиндров RSFC закрытого типа № 12, изготовленных штамповкой из высокоосколочной стали 80Г2С. Проведена статистическая обработка осколочных масс, полученных при испытаниях макетов RSFC, снаряженных взрывчатыми составами шести типов. Рассмотрена возможность установления корреляционных зависимостей массово-числовых характеристик осколочного спектра RSFC от свойств ВС: скорости детонации, давления Чепмена-Жуге и скорости расширения оболочки по методике Т-20. Показана перспективность применения эвтектоидной стали 80Г2С в серийном производстве осколочных и осколочно-фугасных снарядов, в том числе при их снаряжении новыми пластизольными взрывчатыми составами, имеющими пониженную чувствительность.
Ключевые слова: высокоосколочная сталь, низкочувствительные взрывчатые вещества, пластизольные взрывчатые составы, осколочный спектр, стандартный осколочный цилиндр, осколочно-фугасный снаряд.
FRAGMENTATION SPECTRA OF RUSSIAN STANDARD FRAGMENTING CYLINDERS MADE OF NEW SPLINTERING 80G2S STEEL
V.A. Odintsov1, A.V. Barmin2, N.A. Imkhovik1
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia e-mail: imkhovik-n@mail.ru
2OAO "GosNII "Kristall", Dzerzhinsk, Nizhnii Novgorod, Russia
The results of experimental studies of the process of splitting the Russian standard fragmenting cylinders (RSFC) of closed-type no. 12, made by punching of highly splintering steel 80G2S, are presented. The fragment masses that were obtained from tests of RSFC models filled with explosive materials of six types were statistically processed. The possibility of establishing correlations between the mass-numerical characteristics of the RSFC fragmentation spectra and the explosive material properties (the detonation velocity, the Chapman-Jouguet pressure, and the shell expansion velocity) according to the T-20 technique is shown. The application of the eutectoid 80G2S steel for mass production of the fragmenting and high-explosive shells, including those equipped with new plastisol explosive compounds that have a reduced sensitivity, is shown to be promising.
Keywords: highly splintering steel, low-sensitivity explosive material, plastisol explosive compounds, fragmentation spectrum, standard fragmenting cylinder, highexplosive shell.
Разработка новых взрывчатых составов (ВС) к осколочным боеприпасам (БП) проходит с учетом многих требований, главными из которых являются:
— высокое метательно-дробящее действие;
— низкая чувствительность к внешним воздействиям, в первую очередь к прострелу пулей и осколком;
— невысокая стоимость ВС;
— технологичность процесса изготовления ВС и снаряжения БП.
В настоящее время проблема снижения чувствительности ВС к
прострелу пулей и осколком главенствует над всеми остальными. Опыт войн последних лет, в том числе операций на ближнем Востоке в Ираке и в Афганистане, показал наличие больших потерь при обстреле транспорта с боеприпасами, применении самодельных взрывных устройств, обстреле складов артиллерийских и авиационных БП и т.п.
К решению проблемы безопасности идут путем разработки новых низкочувствительных ВС. Французской фирмой GIAT разработан низкочувствительный состав XF13153 EIDS (Extremely Insensitive Detonation Substance): 30% ТНТ, 20% алюминиевой пудры, 10% парафина и 40% нитротриазолона, предназначенный для снаряжения 155-мм осколочно-фугасного снаряда (ОФС) LU211 "Мюрат" [1].
Весьма показательным событием был переход в США к тротилу для снаряжения 155-мм ОФС М795, ранее снаряжавшегося составом "В". Хорошо известно, что переход к низкочувствительным ВС, как правило, приводит к снижению качества дробления. Сохранение высокого осколочного действия в данном случае обеспечивалось за счет замены стали корпуса БП на новую высокоосколочную кремнистомар-ганцевую сталь HF-1 [2], примерно соответствующую отечественной индексации 110Г2С.
Испытания этой стали проводились в ходе НИР "Инверсия" (1975— 1982). Были подтверждены ее высокие осколочные свойства [3], но в то же время отмечена сложность технологического процесса изготовления корпуса.
В 1982г. Т.Ф.Волыновой и В.А.Одинцовым на основе предложенной ими теории разрушения эвтектоидных сталей была разработана высокоосколочная сталь 80Г2С (0,8 % С, 2 % Mn, 1 % Si). Испытания стали на стандартных осколочных цилиндрах (СОЦ, или Е^БС — Russian Standard Fragmenting Cylinder) закрытого типа № 12 при снаряжении составом A-IX-2 подтвердили ее высокие осколочные свойства. Теоретические и методические вопросы применения осколочных цилиндров изложены в работе [3].
Однопараметрический критерий QF при содержании С 0,7% составил 956, при С 0,9% — 960, что свидетельствует о качественном дроблении [4]. В 1999 г. авторы подали заявку и 20.07.2000 г. получили патент [5]. По этой стали опубликован ряд работ [6-8].
Сталь 80Г2С была применена тульским ГУП "КБП" в конструкции 100-мм снаряда 3ОФ70 "Вишня" нового выстрела 3УОФ19 к пушке 2А70 боевой машины пехоты БМП-3. Снаряд обеспечил получение высококачественного осколочного спектра [9].
Из числа последних событий в этой области отметим разработку в США совместно с компанией BAE Systems нового ВС IMX-101 (Insensitive Munitions Explosive 101, основные компоненты состава — 2,4-динитроанизол и нитротриазолон), предназначенного для снаряжения 155-мм ОФС. Стоимость IMX-101 по данным Пикатинского арсенала выше, чем тротила, однако вскоре может быть снижена за счет начала масштабного серийного производства.
В настоящей статье изложены результаты экспериментальных исследований дробления стандартных осколочных цилиндров № 12, изготовленных из высокоосколочной стали 80Г2С. Стандартный осколочный цилиндр показан на рис. 1, а, схема эксперимента — на рис. 1, б. Пропорции цилиндра RSFC защищены патентом № 2025646 РФ.
Эксперименты проводились в бронекамере ОАО "ГосНИИ "Кристалл"; плавка опытной стали 80Г2С — в ОАО "Завод "Сельмаш" (г. Киров); химический состав стали: 0,85% C, 1,52% Mn, 0,85% Si, 0,23% Cr, 0,21% Cu, 0,19% Ni, 0,015% P, 0,012% S). Стандартные цилиндры изготовлялись из этой стали методом горячей штамповки с последующей механической обработкой по наружной поверхности. Далее приводятся механические свойства образцов (средние
Рис. 1. Стандартный осколочный цилиндр RSFC № 12 закрытого типа (а) и схема проведения эксперимента (б):
а — 1 — корпус; 2 — заряд ВВ; 3 — дополнительный детонатор; 4 — крышка; б — 1 — макет; 2 — картонный цилиндр; 3 — хромоникелевый цилиндр (улавливатель); 4 — древесные опилки
из четырех определений): предел прочности ав = 1013 МПа, предел текучести а3 = 615 МПа, относительное сужение ф = 0,32, относительное удлинение 8 = 0,12, ударная вязкость КСи = 0,5 МДж/м2, КСУ = 0,17 МДж/м2.
Испытания в бронекамере проводились для шести типов ВС. Испытывались три штатных состава (ТНТ, А-1Х-2, окфол) и три пластизольных состава (ОЛД-20, ОЛА-8, ОЛА-15), имеющих пониженную чувствительность. Наиболее широко применяемой мерой чувствительности ВС является критическое давление ркр на фронте ударной волны в заряде, вызывающее инициирование детонации ВС. К низкочувствительным обычно относят ВС с ркр > 4 ГПа. Для штатного состава А-1Х-2, применяемого для снаряжения отечественных ОФС, ркр = 2,0... 2,2 ГПа. Пластизольные составы имеют ркр = 3,0... 3,4 ГПа, т.е. они приближаются к низкочувствительным ВС.
Сравнительные результаты испытаний составов в ЯББС представлены в табл. 1 и 2. Оценка дробящего действия ВС выполнена на основании подсчета числа осколков различных массовых фракций, собранных во взрывной камере после опыта.
Таблица 1
Характеристики ВС и массово-числовые параметры осколочного спектра
ВС Ро, г/см3 В, км/с N0,25 N0,5 N1,0 Мм Мс Мк Яе
ТНТ 1,59 6,89 948 737 536 0,142 0,303 0,555 287
А-1Х-2 1,77 8,1 1499 1070 659 0,265 0,422 0,313 632
Окфол 1,77 8,59 1559 1179 752 0,257 0,499 0,244 778
0ЛД-20 1,77 8,43 1829 1251 720 0,356 0,454 0,189 830
ОЛА-8 1,82 8,45 1712 1166 717 0,281 0,502 0,209 859
ОЛА-15 1,82 8,14 1758 1256 770 0,317 0,513 0,170 902
Примечание. ро — плотность ВС; N0,25, N0,5, N1,0 — соответственно числа осколков с массой более 0,25, 0,5 и 1,0 г; Мм, Мс, Мк — соответственно массовые содержания мелкой (т < 1 г), средней (т = 1... 4 г) и крупной (т > 4 г) фракций; QF — однопараметрический показатель качества дробления.
Средняя масса цилиндра ЯББС № 12 составляет 2570 г. Относительная масса собранных в бронекамере осколков — не менее 0,97 (минимальное требование по ГОСТ — 0,95). В качестве улавливающей среды использовались опилки.
Распределение осколков по массовым группам для штатных ВС приведены в табл. 3.
Распределение осколков по массовым группам для новых пластизольных ВС представлены в табл. 4.
Характеристики формы осколков
ВС ¿20, мм m-20, г ^20 ^max мм B20, мм2
ТНТ 51,1 15,325 8,751 12,587 68,55 38,075
A-IX-2 40,96 8,443 8,1311 11,568 60,9 26,211
Окфол 47,85 6,579 11,731 15,257 65,85 18,629
ОЛД-20 43,303 5,5915 11,003 17,21 60,4 16,549
ОЛА-8 50,318 6,4355 12,797 24,132 86,75 16,411
ОЛА-15 37,02 5,4435 8,9148 11,923 46,55 18,662
Примечание. /20 — средняя длина осколка в выборке 20 наиболее длинных осколков данного спектра; т.20 — средняя масса осколка в этой выборке; /тах — максимальная длина осколка; Атах — максимальное удлинение осколка; А20 — среднее удлинение для выборки 20 наиболее длинных осколков данного спектра; В20 — средняя площадь поперечного сечения осколков в этой выборке (В = У/1, V = т/у0, где V — объем осколка).
Таблица 3
Распределение осколков по массовым группам для штатных ВС
Atoj, г ТНТ А-!Х-2 Окф ол
Ni, шт. Mi, г Ni, шт. Mi, г Ni, шт. Mi, г
Менее 0,25 - 126,71 - 196,61 - 188,9
0,25-0,5 211 75,1 429 155,78 380 137,07
0,5-1,0 201 145,63 411 295,1 427 310,92
1,0-2,0 183 265,95 300 421,49 385 555,3
2,0-3,0 110 272,74 144 351,8 158 383,6
3,0-4,0 68 237,45 89 310,92 98 344,16
4,0-5,0 38 170 53 238,15 55 249,2
5,0-6,0 28 153,3 23 127,12 26 140
6,0-7,0 22 143,11 19 121,56 12 77,7
7,0-8,0 22 167,1 13 98,07 8 59,27
8,0-9,0 12 100,94 1 8,05 3 25,12
9,0-10,0 14 133,3 5 48,15 5 47,45
10,0-12,0 14 152 5 56,74 - -
12,0-15,0 12 158,8 4 52,53 1 13,1
15,0-20,0 10 172,8 2 34,4 1 16,1
20,0-30,0 3 69,9 1 20,56 - -
Итого 948 2544,8 1499 2537 1559 2547,9
Примечание. Ami, Ni, Mi — интервал, число фрагментов и масса в i-й массовой группе.
В табл. 5 проведено сравнение однопараметрического показателя качества дробления QF для штатной снарядной стали С-60 и новой стали 80Г2С.
Распределение осколков по массовым группам для пластизольных ВС
Атог, г ОЛД-20 ОЛА-8 ОЛА-15
Ni, шт. Иг, г Ni, шт. Иг, г N1, шт. Иг, г
Менее 0,25 - 270,84 - 208,5 - 232,45
0,25-0,5 578 210,89 546 193 502 179,56
0,5-1,0 531 379,87 449 324,6 486 348,53
1,0-2,0 428 601,2 376 545,4 435 616,6
2,0-3,0 158 377,7 168 467,7 179 439,06
3,0-4,0 56 193,35 83 285,8 76 264,5
4,0-5,0 32 145,96 34 149,3 43 193,22
5,0-6,0 16 87,26 27 150,5 17 91,71
6,0-7,0 12 78,1 15 98,5 7 45,42
7,0-8,0 8 62,2 3 22 6 44,24
8,0-9,0 2 18,94 3 25,8 2 17,04
9,0-10,0 4 37,7 2 18,8 2 19,04
10,0-12 1 11,5 4 44,2 1 10,12
12,0-15 2 27,56 1 12,4 1 12,94
15,0-20 1 18,97 1 18,9 1 15,1
Итого 1829 2522 1712 2565,4 1758 2529,5
Таблица 5
Сравнение характеристик дробления для штатной и новой стали
ВС Сталь Отношение показателей ЯЕ
С-60 80Г2С
N0,25 Мс Яе N0,25 Мс Яе
ТНТ 745 0,221 165 948 0,303 287 1,74
А-1Х-2 984 0,304 299 1499 0,422 632 2,11
Окфол 1216 0,390 474 1559 0,499 778 1,64
ОЛД-20 1217 0,375 456 1829 0,454 830 1,82
ОЛА-8 1132 0,347 393 1712 0,502 859 2,18
ОЛА-15 1234 0,375 463 1758 0,513 902 1,95
Очевидно, что переход на сталь 80Г2С обеспечивает существенный прирост показателя QF, характеризующего качество дробления. Для штатных составов значение QF в среднем возрастает в 1,83 раза, для новых составов — в 1,98 раза, т.е. почти вдвое. Это указывает на несомненную перспективность использования этой стали. На рис. 2 приведено положение точек И0>25—^с на классификационной диаграмме качества дробления стандартного цилиндра № 12.
Отметим, что для всех трех новых составов не достигнуто попадание в зону I высококачественного дробления, хотя для состава ОЛА-15 выполняется на пределе условие высококачественного дроб-
Рис. 2. Классификационная диаграмма качества дробления стандартного осколочного цилиндра № 12:
I, II, III, IV — области высококачественного, качественного, удовлетворительного и неудовлетворительного дробления, соответственно (♦ — штампованный СОЦ (сталь С-60); Д — точеный СОЦ (сталь С-60); □ — штампованный СОЦ (сталь 80Г2С))
ления QF > 900. Отметим также, что для всех трех составов выполняется критическое условие дс > 0,45 по содержанию средней фракции осколков (1 < т < 4).
Из табл. 2 следует, что при комбинациях 80Г2С/новые ВС, к сожалению, не устранено саблеобразование, являющееся главным врагом качественных осколочных спектров. Практически для всех новых составов максимальное удлинение осколка превышает Атах > 12, т.е. в спектре присутствуют длинные осколки. Согласно принятой в НИР "Инверсия" установке, присутствие в спектре хотя бы одного сверхдлинного осколка указывает на низкие осколочные свойства стали.
Ранее в работе [10] было показано, что характеристики выборки 20 наиболее длинных осколков спектра содержат полезную информацию для отбора комбинаций "металл-ВВ". Из табл. 2 следует, что для стали 80Г2С также сохраняются достаточно тесные корреляционные связи между этими характеристиками и величинами N0,25, Дс, QF. На рис. 3 представлены уравнения регрессии при аргументе т20 (средняя масса выборки). Коэффициент корреляции во всех случаях превышает 0,94, т.е. связь близка к функциональной.
Рис. 3. Уравнения регрессии
На рис.4 показаны зависимости числа осколков N0,25 от характеристик ВС: скорости детонации (D, км/с), давления Чепмена-Жуге (pc-J ГПа) и скорости расширения оболочки по методике Т-20 на радиусе 15 мм (W15, км/с). Во всех трех случаях имеет место тесная корреляционная связь. Наивысший коэффициент корреляции r = 0,967 получен для зависимости W15—N0,25.
Рис. 4. Зависимости числа осколков N0,25 от характеристик ВС:
а — скорости детонации D; б — давления Чепмена-Жуге pC-J (б); в — скорости расширения оболочки по методике Т-20 W15
На рис. 5 представлены корреляционные зависимости относительной массы средней фракции дс от характеристик ВС. Как и в предыдущем случае наиболее тесной является зависимость от величины (г = 0,963).
Рис. 5. Зависимости относительной массы средней фракции Мс от характеристик ВС:
а — скорости детонации В; б — давления Чепмена-Жуге рс-з; в — скорости расширения оболочки по методике Т-20
Для новой стали проводился подбор параметров статистической модели распределения осколков по массе. Использовалось как распределение Вейбулла
^ , Л / т\Л-1 _(ттл / (т) = — — е Vто то \ то
(где m0 — характеристическая масса распределения; Л — показатель однородности спектра), так и гиперэкспоненциальная статистическая модель (модель Одинцова-Грэди), плотность распределения в которой имеет вид
С m 1 _ С _m_
f (т) = — e-ma +---e-m,
ma mb
а математическое ожидание массы осколка определяется по формуле
(m) = Ста + (1 - С) ть.
Подбор параметров С, та, ть проводился с использованием критерия х2 Пирсона. Оптимальная комбинация та, ть находилась по
2
условию х2 = min:
х2 =
£
i=1
Ni- N
(г)
N
(г)
= f (С, та, ть) = min,
где N — число осколков в данной массовой группе, определенное экс-
(г)
периментально; Щ — расчетное число осколков в данной массовой группе при данной гипотезе о распределении; к — число массовых групп (к = 9).
Правдоподобие гипотезы проверялось по критерию Романовского
2
X2 — Г
Я = Х-=Г < 3, лДГ ~
где г = к — в — 1 — число степеней свободы; 8 — число определяемых параметров распределения (8 = 2; та, ть).
Ранее в работах [11, 12 ] аналогичное исследование проводилось для цилиндров, изготовленных из стали С-60. При этом было показано, что параметр £ может быть принят постоянным и равным 0,5. Гиперэкспоненциальная модель показала существенно большую точность, чем модель Вейбулла.
Результаты для стали 80Г2С приведены в табл. 6 (£ = 0,5).
Таблица 6
Сравнение статистических моделей спектра
ВС Модель Одинцова-Грэди Модель Вейбулла
та, г mb, г R Л то R
ТНТ 3,5 0,43 1,6 0,505 0,79 0,45
A-IX-2 1,9 0,32 1,7 0,515 0,42 1,1
Окфол 1,9 0,48 0,054 0,68 0,79 0,1
ОЛД-20 1,4 0,31 5,4 0,575 0,4 0,34
ОЛА-8 1,5 0,24 2,13 0,54 0,39 2,4
ОЛА-15 1,3 0,16 2,2 0,665 0,62 0,48
2
В целом обе модели удовлетворительно согласуются с экспериментом. Исключение представляет состав ОЛД-20, для которого значение критерия Романовского составило 5,4. Среднее значение критерия Романовского для гиперэкспоненциального распределения осколков стали 80Г2С даже с учетом этого отклонения составило 2,18, что указывает на высокий уровень достоверности модели Одинцова-Грэди.
Выводы. Испытания подтвердили, с одной стороны, перспективность применения эвтектоидной стали 80Г2С в серийном производстве ОФС, а с другой стороны, перспективность новых пластизольных ВС, имеющих пониженную чувствительность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Наседкин В.И., Одинцов В.А. Штурмовая гаубица Д-395 "Тверь": новое техническое решение // Оборонная техника. 2004. № 5.
2. Патент США № 3547032. Сталь HF-1 (110Г2С). 15 Dec. 1970, F42B, 12/00, 12/76, 102/491.
3. Физика взрыва: в 2 т. / С.Г.Андреев, А.В.Бабкин, Ф.А.Баум и др.; под ред. Л.П. Орленко. Т. 2. М.: Физматлит, 2004. 656 с.
4. Одинцов В.А. Конструкции осколочных боеприпасов: учеб. пособие. Ч. 2. Артиллерийские снаряды. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.
5. Патент РФ № 2153024. Высокоосколочная сталь для изготовления корпусов осколочных боеприпасов, корпус и боеприпас. F42B, 12/74, C. 22, C. 38/04.
6. Вольтова Т.Ф., Одинцов В.А. Высокоосколочная эвтектоидная сталь 80Г2С // Оборонная техника. 2000. № 1-2.
7. Одинцов В.А. Высокоосколочные стали // Вооружение. Политика. Конверсия. 2001. № 3.
8. Волынова Т.Ф., Одинцов В.А. Характеристики формы осколков из стали 80Г2С // Боеприпасы. 2000. № 3.
9. Осипова Л., Парфенов Д., Никифоров В. Модернизация 100-мм выстрелов с ОФС для объектов бронетанковой техники // Обозрение армии и флота. 2007. № 2.
10. Одинцов В.А., Колганов Е.В., Бармин А.В., Имховик Н.А., Шкалябин И.О. Зависимость массово-числовых характеристик осколочных спектров стандартных осколочных цилиндров от параметров выборки длинных осколков // Вопросы оборонной техники. Сер. 16. Технические средства противодействия терроризму. 2012. Вып. 9-10. С. 13-18.
11. Испытания новых алюминизированных взрывчатых составов в стандартном осколочном цилиндре RSFC № 12 / А.В. Бармин, Ю.Г. Печенев, А.Г. Карачев и др. // Вооружение. Политика. Конверсия. 2012. № 1.
12. Использование гиперэкспоненциального распределения для описания осколочных спектров стандартных цилиндров RSFC № 12, снаряженных новыми алю-минизированными ВВ / А.В. Бармин, И.О. Шкалябин, В.Г. Кожевников и др. // Вопросы оборонной техники. Сер. 14. Проектирование систем вооружения, боеприпасов и измерительных комплексов. 2012. Вып. 2. С. 65-72.
Статья поступила в редакцию 27.11.2012
