CC BY
68
Equipment-specific solutions of Sealing technologies for the Cartridges of Small Arms by Anaerobic Adhesives have been selected. A comparison study of existing sealants was made. UV-technology anaerobic sealants cure was elaborated by introducing photoini-tiating additives in the adhesive formulation. Successfully made a series of tests, confirming the prospects of selected and developed technology.
Key words: аmmunition sealing, encapsulation technology, anaerobic adhesive, cures upon exposure to UV-light, photoinitiating additive.
Klinkov Oleg Gennadyevich, technical engineer 1st degree, oleg.klinckovayandex.ru, Russia, Podolsk, JSC "TSNIITOCHMASH",
Shvaleva Elena Evgenyevna, technical engineer 2nd degree, elena shvalevaa mail.ru, Russia, Podolsk, JSC "TSNIITOCHMASH"
УДК 535.32
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ ВЗРЫВАТЕЛЯ ПУТЁМ УПРОЧНЕНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ ЗАЛИВКИ
РАДИОЭЛЕМЕНТОВ
В.Я. Савицкий, Г. А. Хватов, М.А. Глазков
Проведен анализ зарубежных и отечественных разработок многофункциональных взрывателей. Обоснована целесообразность поликомпозитной заливки на основе углеродных нанотрубок элементов электронного блока. Разработана методика определения собственных частот упругих механических колебаний электронного блока взрывателя. Проведен анализ спектральной плотности ускорения и собственных частот упругих механических колебаний электронного блока взрывателя при выстреле. Даны рекомендации по повышению безотказности интеллектуального взрывателя.
Ключевые слова: математическое моделирование, полимерная заливка радиоэлементов, импульсное изменение ускорения, возбуждение колебаний, автономные блоки, электронный блок взрывателя, собственные частоты.
При разработке современных взрывателей к выстрелам танковых пушек (ТП) и самоходных артиллерийских орудий (САО) наметилась тенденция к замене механических устройств отработки временных интервалов на электронные блоки. Артиллерийские снаряды традиционно оснащались взрывателями четырех типов - "ударными", "ударными с замедлением", "дистанционными" и "неконтактными". Механические узлы во всех перечисленных типах взрывателей постепенно вытесняются электронными блоками, позволяющими все четыре вида действия объединить в одном многофункциональном устройстве. В некоторых областях применения
преимущество остаётся за традиционными механическими взрывателями, поэтому, невзирая на устойчивость тенденций, продолжается разработка одно- или двухрежимных традиционных взрывателей.
Замена электронными блоками механических подсистем в числе прочих затронула проблему необходимости снабжения взрывателя собственным источником питания. При этом данный источник должен обеспечить взрыватель энергией уже после того, как будет подвергнут значительным ударным нагрузкам, сопутствующим выстрелу из орудия и, более того, взрыватель должен быть устойчив к длительному хранению, сроком в 10 лет и более.
Таким образом, очевидным научным направлением является разработка предложений по повышению эффективности многофункциональных снарядов с интеллектуальными взрывателями. Причём в отечественных и зарубежных разработках пристальное внимание уделяется не только разработке нового класса взрывателей, но и их элементной базе, возможности использования перспективных технологий при разработке и изготовлении взрывателей.
По повторяемости силы, действующие на элементы взрывателей в служебном обращении, подразделяются на силы с большим числом повторений (тысячи и более раз) и силы с малым числом повторений. К первой группе относятся вибрационные силы инерции, возникающие в результате колебаний упругой подвески транспорта для перевозки боеприпасов и взрывателей, вращения неуравновешенных частей двигателей, а также импульсные силы, возникающие при относительном перемещении упаковки с боеприпасами при неаккуратной транспортировке и сотрясении танков и САО при выстреле. Ко второй группе относятся силы инерции, возникающие при небрежном обращении с взрывателями и боеприпасами во время погрузочно-разгрузочных работ, а также резких маневрах транспорта.
Опасными для взрывателей являются силы, вызывающие следующие ускорения [1]:
- от вибрационных нагрузок в танках и САО - 85 м/с ;
- от импульсных нагрузок при выстреле из танков и САО -2300 м/с;
- при транспортировании на автомобилях по плохим дорогам -1500 м/с;
- при падении на чугунную плиту - 50000 м/с;
- при падении на бетонное основание - 25000 м/с;
- при падении на деревянный пол - 800 м/с.
Наиболее уязвимыми в условиях ударного воздействия оказываются полупроводниковые приборы. Возникающие при этом упругие колебания могут приводить к обрыву контактов, к механическому и тепловому разрушению р-п переходов и затворов полупроводниковых приборов, которые являются базовыми элементами электронного блока взрывателя.
Так, для обеспечения большей стойкости автодииа радиовзрывателей к инерционным нагрузкам всё свободное пространство в головке автодина может заливаться пенополиуретаном, полимерной массой марки «38А» и др.
Анализ отказов выстрелов с ОФС в рамках практических стрельб в 1960 - 1980 гг. показал, что около 80 % (1029 случаев) составили отказы взрывателей, большинство из которых (952 случая или 92, 5 %) ВС-2 и ВС-5. Причинами большинства отказов взрывателей явились конструктивные дефекты. 29 случаев траекторных, преждевременных и наземных разрывов вызваны неправильным действием неконтактных взрывателей. Около 69 % из них приходится на радиовзрыватели АР-26 [2].
Целью работы является оценка возможности повышения безотказности электронного блока радиовзрывателя в условиях пикового нарастания ускорения до 15000 g при длительности импульса 0,5... 1,0 мс.
Собственные упругие механические колебания автодина определялись с использованием метода автономных блоков [3-5]. На рис. 1 приведена конструкция электронного блока взрывателя.
1 - заливка; 2 - стеклотекстолит (плата с радиоэлементами)
Метод автономных блоков является декомпозиционным, суть которого сводится к тому, что область электронного блока взрывателя расчленяется условными границами на подобласти в виде автономных блоков (прямоугольных параллелепипедов) - волноводных трансформаторов с каналами Флоке [3]. Математическое описание автономного блока следовало из решения краевой задачи для уравнения динамики деформируемого тела в виде матрицы импеданса. Математическая модель рассматриваемого участка автодина в целом представлялась как объединение автономных блоков по виртуальным каналам Флоке [4]. Декомпозиция области электронного блока взрывателя на автономные блоки сопровождается последующей рекомпозицией. На первом этапе область электронного блока по длине разбивается условными сечениями ¿>2, ... (рис. 2,а) на цилиндрические области, которые на втором этапе разбиваются на автономные
блоки (рис. 2,6). При рекомпозиции вначале объединяются дескрипторы автономных блоков в виде прямоугольных параллелепипедов, затем - дескрипторы цилиндрических областей.
Рис. 2. Декомпозиция области автодина взрывателя на базовые элементы: а - разбиение на цилиндрические области; б - разбиение на автономные блоки
Дескриптор автономного блока в виде матрицы импеданса получается следующим образом. В объеме автономного блока волновой процесс удовлетворяет уравнению динамики деформированного тела в линейном приближении для гармонических колебаний [6]:
с^Аи + со2и + {с2 - с\ }%га(1(И\й = 0, (1)
где со - частота; и - вектор перемещения частиц; С],сТ - фазовые скорости распространения продольной и поперечной волн. На поверхностях граней волновой процесс удовлетворяет условиям неасимптотического излучения (поле на гранях представляется рядами Фурье) [5].
Используя формулы векторного анализа, выражение (1) приводилось к удобному виду для решения краевой задачи проекционным методом:
¿/пл> = , £гаф = Я, С1 Ро
<. ' л (2) е /соро - , 1 ТТ ^ 7С0 -
гоШ = —^-у + — Я, го/у =--Е,
с\ Ро
где -ро плотность среды;/?- давление; V- скорость частиц; Ё,Й - вновь введенные векторные функции.
Используя методику [5], получаем из (2) интегральную проекционную форму:
г 6 1
с * г* 2 ^ 1 <• * *
I I Р*V-+ | РЛ • I РР*-|v•v£dу,
р=^р с/ Р0 К0 с/ ¥0
6 * — * — *
I I Рр^ • dSр=-l^k | рр* + | Н-ПкйУ,
р=^р с1 у0 у0
6
I I (ЕрхV*) • dSр = | dУ+— | Н-V*dУ- 1Ю/ |Е• Е^У, P=1SP с* У0 с* У0 У0
I I (прхЕ*)• dSр=-I Е• E/dУ-1-2. Iv•v/dу, р=^р У0 с* У0
(3)
где рр - давление на поверхностях граней параллелепипеда Sр
(Р = 1,2,...,6);Пр - нормальные составляющие вектора скорости V на поТ ~~*" Т
верхностях граней параллелепипеда Sр ; Пр , Ер - касательные составляющие векторов V, Е на поверхностях граней параллелепипеда Sр, (рк},
{V к } - потенциальная подсистема функций; {Ё1}, (у!} - вихревая подсистема функций.
Методом Галеркина проекционная интегральная форма (3) приводилась к системе линейных алгебраических уравнений:
V1
я21 я
0 я 22
13
0
0
где Я
33 11
V 1 1
я32 я33 я
0
34
Я
0
13
я43 я44
Я
21
Я
22
'сРЛ сН dV
32
'ж11 0 0
ж-0
0
22
0 0
00
Ж 0
33
\ г 2\ а2
а
ж
44
Ь2
(4)
Я
Я
33
Я34, Я
43
Я44, 1Щ
ТС33, ТС44 - матрицы с элементами:
Я
1Ю
кп
2 IРпР*dУ; ЯкП = -^ I^^п • УldУ; ЯкП = -
с1 Р0 У0
11
ТС
22
с/ У0
I РпР* ^;
с/ У0
11 г ,
Як2 = I Vn ■VkdУ; Я
У) с/" У0
Я3п4 = -1Ю/ IЕп • Е>; Я4п3 = -^ I^п • ; Я4п4 = -1Еп • Е>;
У0 с* У0 У0
<(р) = I <(р)Р;dSP ; <2р) = I (ечр) х Е7*) • ^р ; Sр Sр
61
32 1п
1
2 IVп • v;dУ; Я3п3
1юр 0
I ~п ;
У0
<® = 1 К»?* ■ с%; <4Р) = 1 (А„®х~*)■ м» .
^р ^р
Векторы ср, сн, С, С исключались из системы уравнений (4) и пре-
аг
а1
/ - Л
Ь
7
, л - матрица импе-
Ь
образовывались к виду Ь = Л ■ а, где а =
V" У V" У
данса, связывающая скорости частиц с давлением в виде коэффициентов Фурье. Рекомпозиция дескрипторов автономных блоков в виде матриц импеданса сводится к линейным операциям с матрицами [3 - 5].
Собственные упругие колебания электронного блока взрывателя с использованием метода автономных блоков определялись следующим образом. На внешнюю поверхность автодина накладывались краевые условия Пт = V/ = 0 (касательная и нормальная составляющие вектора скорости на поверхности автодина равны нулю). Рекомпозиция дескрипторов автономных блоков в конечном итоге сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений [3 - 5], которая в случае консервативной системы является однородной. Однородная система уравнений имеет решение, если определитель ее матрицы равен нулю. Определение собственных частот упругих колебаний электронного блока методом автономных блоков сводится к решению характеристического уравнения для матрицы однородной системы линейных алгебраических уравнений с использованием декомпозиционного подхода.
Математическая модель автодина является ступенчатой. При увеличении количества автономных блоков ступенчатая модель стремится к плавному аналогу. Оптимальное количество автономных блоков при аппроксимации цилиндрических поверхностей определялось из численного эксперимента и составило 20 х 20. Дальнейшее увеличение количества автономных блоков практически не изменяло результаты математического моделирования. В таблице приведены полимерные композиционные материалы (ПКМ), которые могут использоваться в конструкции электронного блока взрывателя.
Физико-механические свойства используемых для заливки ПКМ
Материал Плотность р, кг/м3 Модуль Юнга Е, МПа Модуль сдвига О, МПа
Стеклотекстолит 1700 350 175
Виксинт ПК-68 1100 14 7
Полиуретан 1260 40 20
Композит на основе
углеродных нанот- 1200 125 60
рубок
Скорости распространения продольных и поперечных упругих волн С] - л]Е/р , сх = р . Затухание упругих волн учитывается путем введения комплексных модулей Юнга и сдвига [3]:
Е = Е
1 + /
.2ос/С/ ^
со
j
G = G
1 + /'
2атсх
со
(5)
где а/, ат - коэффициенты поглощения продольных и сдвиговых упругих волн, со = 2nf - круговая частота.
Варианты изменения импульсного ускорения электронного блока взрывателя приведены на графиках (рис. 3): на кривой 1 длительность импульса Ат = 0,5 мс, на кривой 2 - Ат = 0,7 мс, на кривой 3 - Ат = 0,8 мс и на кривой 4 - Ат = 1,0 мс. Фома кривых импульсного изменения ускорения обусловлена закономерностями нарастания давления пороховых газов в стволе танковой пушки при движении снаряда.
1.5-ю5
-4 С м/с
0 5 10 0.001 0.0015 0.002 0.0025 '
Рис. 3. Динамика импульсного ускорения:
1 -Ат = 0,5мс; 2-Ат- 0,7мс; 3 - Ат = 0,8 мс; 4-Ат = 1,0мс
210
На рис. 4 приведены кривые спектральной плотности зависимостей импульсного ускорения от времени в логарифмическом масштабе и дискретный спектр собственных частот упругих колебаний электронного блока взрывателя, полученных методом автономных блоков.
Амплитуды вынужденных колебаний зависят от спектральной плотности кривых ударного возбуждения. С уменьшением спектральной плотности амплитуды вынужденных колебаний уменьшаются. Наибольшую амплитуду имеют колебания, которые соответствуют основному (низшему) типу собственной частоты конструкции электронного блока. Амплитуда вынужденного колебания для основного типа будет зависеть и от длительности импульсного ускорения Ат . Для коротких импульсов (Ат =0,5 мс - кривая 1) амплитуда колебаний наибольшая, для длинных импульсов (Ат =1,0 мс - кривая 4) наименьшая (рис. 4).
5(/)/5(0) 391 528 609 705 851 992 104 115
Рис. 4. Спектральная плотность кривых импульсного ускорения и спектр собственных частот упругих колебаний электронного блока взрывателя: а - заливка «Виксинт ПК68»; б - заливка «Полиуретан»; в - заливка «Композит на основе углеродных нанотрубок»; 1 -Ат = 0,5 мс; 2 -Ат =0,7мс; 3 -Ат =0,8 мс;
4 - Ат =1,0 мс 64
Собственные частоты механических колебаний автодина зависят от упругих свойств материалов, которые используются в конструкции электронного блока взрывателя. С увеличением модуля Юнга собственная частота увеличивается, следовательно, будет уменьшаться и амплитуда вынужденного колебания автодина, т.к. спектральная плотность импульсного ускорения с увеличением частоты уменьшается. Это можно использовать для повышения безотказности электронного блока взрывателя при условии, что коэффициент поглощения (5) заливки уменьшается незначительно с увеличением модуля Юнга. При малых значениях модуля Юнга и большом коэффициенте поглощения амплитуда колебаний значительная, но колебания быстро затухают. При больших значениях модуля Юнга и малом коэффициенте поглощения амплитуда колебаний небольшая, но длительность процесса колебаний на радиоэлементы автодина возрастает.
Построена математическая модель для определения собственных частот упругих механических колебаний электронного блока взрывателя. Получен дискретный спектр собственных частот электронного блока. Показано, что из вынужденных колебаний наибольшую амплитуду имеют колебания, соответствующие основному (низшему) типу. Амплитуда колебаний зависит от длительности импульсного ускорения: чем короче импульс ударного ускорения, тем больше амплитуда колебаний. Даны рекомендации по повышению безотказности электронного блока взрывателя - модуль Юнга и коэффициент поглощения материала заливки необходимо увеличивать. Увеличение модуля Юнга заливки радиоэлементов взрывателя приводит к смещению собственной частоты основного типа автодина в сторону высоких частот, где спектральная плотность ударного ускорения наименьшая. Увеличение коэффициента поглощения приводит к быстрому затуханию амплитуды возбужденных колебаний в упругой структуре автодина. Перспективными материалами заливки являются композиты на основе углеродных нанотрубок. Введение углеродных нанотрубок в состав полимерной основы одновременно приводит к увеличению модуля Юнга и коэффициента затухания.
Список литературы
1. Физические основы устройства ракетно-артиллерийского вооружения. Боеприпасы: учебник для вузов в 3 ч. Ч. 3. Взрыватели и взрыва-тельные устройства боеприпасов ствольной, реактивной артиллерии, противотанковых управляемых ракет и противотанковых гранат / И.И. Грачёв [и др.]; под общ. ред. А.А. Плюща. Пенза: ПАИИ, 2015. 230 с.
2. Болотин В.Н., Чернов В.В. Оценка надёжности артиллерийских боеприпасов длительного хранения: монография. Пенза: ПАИИ, 2003. 124 с.
3. Голованов О. А., Смогунов В.В., Грачев А.И. Математическое моделирование волновых процессов в акустических устройствах на основе декомпозиционного алгоритма // Вестник Пермского университета. Математика, механика, информатика. 2008. Выпуск 4(20). С. 92 - 101.
65
4. Математическое моделирование распространения и затухания волновых процессов в двухфазовых гетерогенных структурах методом автономных блоков / А.А. Кичкидов, О.А. Голованов, А.А. Туманов, А.М. Мазур // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2009. №4. С. 17 - 21.
5. Голованов О.А. Автономные блоки с виртуальными каналами Фло-ке и их применение для решения прикладных задач электродинамики // Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51. № 12. С. 1423 - 1430.
6. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1954. 471 с.
Савицкий Владимир Яковлевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, W. savisagmail. com, Россия, Пенза, Филиал Военной академии материально-технического обеспечения,
Хватов Геннадий Александрович, канд. техн. наук, заместитель начальника филиала, pan®,.nil.ru, Россия, Пенза, Филиал Военной академии материально-технического обеспечения,
Глазков Максим Александрович, адъюнкт, majrand23 amail. ru, Россия, Пенза, Филиал Военной академии материально-технического обеспечения
EVALUATION OF THE POSSIBILITY TO IMPROVE RELIABILITY OF FUZE BY HARDENING THE POLYMER-CASTING OF RADIO
V.Y. Sawickiy, М.А. Glazkov
The analysis offoreign and domestic developments of multifunctional fuzes. The expediency polycomposite fill based on carbon nanotubes electronic unit. The technique of de-termening the natural frequencies of the elastic mechanical vibrations of the electronic unit fuze. The analysis of spectral density of acceleration and natural frequencies of the elastic mechanical vibrations of the electronic unit fuze when fired. Recommendations to increase the reliability of intelligent fuze.
Key words: mathematic modeling, polymer casting radioelement's, pulse change of acceleration, vibrational excitation of, standalone units, the electronic unit fuze, the natural frequencies.
Sawickiy Vladimir Yakovlevich, doctor of technical science, professor, head of chair, [email protected], Russia, Penza, the Branch of the Military Academy of Logistics,
Hvatov Gennadiy Aleksandrovich, candidate of technical sciences, deputy head of Branch, p [email protected], Russia, Penza, the Branch of the Military Academy of Logistics,
Glazkov Maksim Aleksandrovich, graduate, majrand23 a mail.ru, Russia, Penza, the Branch of the Military Academy of Logistics
