CC BY
38
Streliaev Sergey Ivanovich, doctor of technical science, professor, sergey-strel@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sannikova Anastasia Romanovna, engineer, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP named after Academician A. Shipunov»,
Zykov Stanislav Michailovich, leading engineer, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP named after Academician A. Shipunov»,
Dobriakov Aleksei Viktorovich, nominee of technical science, chief of sector, kbkedr@,tula.net, Russia, Tula, JSC «KBP named after Academician A. Shipunov»
УДК 623.5
УВЕЛИЧЕНИЕ РАЗРУШАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ МАЛОКАЛИБЕРНЫХ БОЕПРИПАСОВ ПО ЛЕГКОБРОНИРОВАННЫМ ЦЕЛЯМ
Т.Е. Заводова, Е.А. Хмельников, К.В. Смагин
В статье рассматривается возможность усиления разрушающего действия малокалиберных артиллерийских боеприпасов в топливных баках самолетов и вертолетов. Предложена методика расчета зажигательного действия малокалиберной артиллерии. Повышение разрушающего действия подобного типа боеприпасов достигнуто путем замены стандартного стального корпуса боеприпаса на корпус из полимерных материалов. Проведено сравнение результатов расчета вероятности зажигательного воздействия ударников на основе фторполимеров на дизельное топливо. Расчеты проводились с использованием методов «Осколковый критерий» и «Энергетический баланс».
Ключевые слова: малокалиберная артиллерия, зажигательный эффект, осколковый критерий, энергетический баланс.
В современном бою ствольная артиллерия малого калибра имеет высокую эффективность в борьбе как с слабозащищенной, так и с легкобронированной техникой. В эти группы техники входит как наземная техника (боевая машина пехоты (БМП), бронетранспортер (БТР) и их разновидности), так и различные виды летательных аппаратов. В связи с активным применением в последнее время штурмовой и тактической авиации и вертолетов против техники противника, развитие и совершенствование боеприпасов (БП) ствольной артиллерии малого калибра приобрело особую необходимость. Эффективность воздействия на авиацию БП малого калибра складывается из суммарного количества попаданий, приведших, в конечном итоге, к нарушению систем жизнеобеспечения и функционирования авиатехники.
В результате исследований поражаемости боевых самолетов различных типов были выявлены 6 основных причин, которые приводили к невозвращению самолетов на свои базы в результате противодействия противника: пожар или взрыв летательного аппарата, повреждение его силовой установки, потеря управляемости, взрыв боеприпасов на борту, повреждение конструкции планера.
Наиболее перспективными, с точки зрения противодействия легкобронированной авиации, являются поражения конструкции планера и пробитие баков и зажжение топлива в них.
В современных самолетах общая площадь, занимаемая топливными баками, составляет 30...60 % от всей площади самолета, являющегося уязвимой целью. Для жизнеобеспечения авиатехники в основном используются несущие топливные баки (баки кессонного типа). Кром этого, используются подвесные топливные баки, в зависимости от назначения самолета. Несущий топливный бак представляет собой загерметизированный объем основных конструкций самолета (фюзеляж, крылья) и вместе с функцией емкости выполняет также силовые функции.
Поражение функционирования важных агрегатов самолетов и вертолетов при действии ударников, пуль и осколков может происходить за счет следующих факторов:
1. Ударное (пробивное) действие на экипаж и приборы управления, силовую установку и топливные баки (потеря топлива через пробоины). Механическое воздействие на топливные баки малоэффективно, поскольку защитный слой при повреждении приводит к самозатягиванию пробоины.
2. Зажигательное действие на гидросистему силовой установки, масляные и топливные баки.
3. Инициирующее действие ударником на боекомплект и бомбовую нагрузку.
4. Гидроудар в топливных баках (детонация, взрыв и пожар).
Из приведенных выше физических факторов поражения важных функциональных узлов самолетов и вертолетов, наибольший интерес представляет зажигательное действие.
Основной причиной воспламенения горючего в топливных баках является то, что обшивка корпуса самолетов изготавливается из сплавов, содержащих алюминий, титан и ряд других достаточно легко воспламеняющихся материалов. При пробитии обшивки, выполняющей роль своеобразного экрана, образуется факел раскаленного диспергированного металла. При ударе пулей или осколком в топливный бак, в пространстве между обшивкой и поврежденной стенкой бака происходит контакт факела частиц и топливной смеси, что приводит к воспламенению топлива с определенной вероятностью, зависящей от атмосферного давления, температуры окружающей среды, давления паров горючего, концентрации смеси и кислорода в смеси и окружающем воздухе. Однако, поражение такого типа происходит только при отсутствии внутренней комплексной защиты, имеющей многослойную структуру, включающую в себя поро-пласт и латексную губчатую резину.
Среди различных методов защиты самолетов от действия поражающих элементов основными являются бронирование кабины экипажа и, в некоторых случаях, элементов силовой установки. Из-за ограничения по весу и плотности компоновки летательных аппаратов в качестве брони чаще всего используют композитные материалы, обеспечивающие сочетание таких свойств, как высокий предел прочности и достаточная вязкость разрушения, а также повышенная удельный модуль упругости по сравнению с традиционными сплавами.
Среди распространенных композитных материалов следует отметить следующие: боралюминиевые, углеалюминиевые, титановые с армированием борсиком и никель-хромовые с армированием кремнием.
Следовательно, актуальной становится задача по созданию нового типа малокалиберных боеприпасов, обладающих не только необходимой удельной энергией для пробития преграды, но и последующим зажигательным запреградным действием, способным привести к поражению авиационной цели. Одним из возможных направлений увеличения запреградного зажигательного действия является применение в конструкциях боеприпасов и поражающих элементов реакционных материалов, содержащих в своем составе фторопласт.
В случае изучения взаимодействия фторполимерных поражающих элементов и легкобронированных авиационных целей, разумно использовать синтетический подход, который позволит оценить не только глубину и диаметр каверн на закрылках самолета и лопастях вертолета, но и оценить физически сложные процессы пробития топливных баков с последующим зажжением топливной смеси.
Экспериментально было доказано, что фторполимеры имеют меньшую удельную кинетическую энергию, затрачиваемую на разрушение преграды (рис. 1) по сравнению с недеформируемыми сталями и текстолитовыми ударниками.
1600
1400
1200
с 1000 г
я 800
■З1
600 400 200 0
- текстолит £0,013 м * фторопласте0,013м,Л=1,06; х фторопласте0,013 н, Л=2,4;
$ хА -О*«* * / * | фторопласт 00,023 м, Л=1,06; кМ ■ ™ т _* 1 1 фторопласт 00,033 и, Л-1.06:
стальной недсформируемый снаряд
300 500 700 900 1100 1300 Уо, м/с
Рис. 1. Изменение удельной работы вытеснения единицы объема (Ауд) материала
преграды из АМц от скорости соударения
Поэтому, в качестве материала для создания БП, способных вызвать зажигательное запреградное действие, был выбран фторопласт. Политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторопласт Ф-4, Ф-4Д или тефлон), обладает рядом уникальных физико-химических, антифрикционных и антиадгезионных свойств [1 - 3]. Он инертен к агрессивным средам (вплоть до окислительных), не токсичен в обычных условиях, является диэлектриком, термостоек и взрывобезопасен.
Вопрос об ударопрочности фторполимеров трудно обсуждать уже потому, что сами критерии ударопрочности для полимерных материалов определены нечетко. По данным соответствующих испытаний, фторполимеры неизменно оказываются среди наиболее ударопрочных полукристаллических полимеров, которые имеют заметную пластичность при низких температурах. В то же время существующие методы испытания на ударопрочность не позволяют связать ее со структурой и морфологией и предсказать характер ее изменения с температурой и (или) со скоростью нагружения. Иллюстрацией этого может служить упомянутое выше исследование удара пулей при скоростях полета 58 м/с, хотя по жесткости и пластичности ПТФЭ не уступает ни одному другому полимеру.
ПТФЭ один из наиболее стабильных полимеров, но термодинамически неустойчив. Известно [2 - 4], что при высоких температурах происходит термоокислительная деструкция фторопласта (которую можно предотвращать введением специальных стабилизаторов) с образованием фтористого водорода, перфторизобутилена, оксида углерода, аэрозоли фторопласта. Распад до графита и тетрафторметана протекает с выделением теплоты (113 кДж). Под высоким давлением происходит разложение ПТФЭ до углерода и, вероятно, фторуглеродных газообразных продуктов. Температура разложения составляет 700 °С при 200 МПа и возрастает да 800 °С при 300 МПа. Разложение протекает быстро при достижении критических условий. Разложение перфторциклобутана и других фторуглеродов под высоким давлением иногда происходит со взрывом и сопровождается образованием черных карбонизированных продуктов [2].
Основным продуктом пиролиза ПТФЭ в диапазоне температур до 600 °С является молекула тяжелого газа - мономер тетрафторэтилена (ТФЭ), содержащий примеси. Реакция разложения ТФЭ до конечных продуктов (сажи и тетрафторметана) протекает с выделением большого количества теплоты (226,3 кДж/моль). Известно, что ТФЭ не способен взрываться при атмосферном давлении, но при повышенных давлении и температуре (возникающих, в частности, при неизотермической полимеризации) ТФЭ может разлагаться со взрывом. Согласно [3], при взрыве газообразного ТФЭ, находящегося при начальном давлении 10 ... 15 атм. и комнатной
140
температуре, давление продуктов разложения в замкнутом объеме может возрасти в 8...10 раз. При начальной температуре 80°С ТФЭ становится взрывоопасным при достижении давления 6 атм. (0,6 МПа). Экспериментально установлено, что дефлаграционное горение ТФЭ может переходить и в режим детонации. Замечено также, что вероятность взрыва (взрывного горения) и перехода горения в детонацию резко возрастает при попадании в ТФЭ воздуха.
При проведении лабораторных исследований процесса высокоскоростного взаимодействия с алюминийсодержащими преградами ударников, выполненных из различных материалов, выявлен эффект высокой разрушающей способности ударников из ПТФЭ относительно других полимерных материалов и стальных ударников [7, 8]. Эксперименты проводились на баллистической установке, позволяющей метать ударники калибром 13, 23, 33 мм, длиной от 1 до 12 калибров со скоростями 300 ... 1500 м/с. В качестве преград использовались листы и плиты из алюминиевых сплавов: АМц, АМг5, АМг6, Д16, многослойные пакеты из названных материалов; элементы планера самолета и лопасти вертолета, а также материалы: сталь, дерево, текстолит.
При проведении стрельбовых испытаний по преграде из АМц ударниками из полиэтилена, эбонита, текстолита и фторопласта (при фиксированной начальной кинетической энергии ударников) в работе [7] были получены каверны, заметно отличающиеся по своим параметрам. Наибольшие параметры каверн по диаметру, глубине и объему соответствовали ударникам из фторопласта. Кроме этого экспериментальные исследования показали, что при скоростях соударения ударников из ПТФЭ порядка 600 м/с и выше на поверхности каверны и вокруг нее в радиусе до 6...8 калибров ударника образовывался черный налет карбонизированных продуктов. С целью определения их химического состава, собранные из каверны с помощью препаровальной иглы частицы черного цвета подвергались рентгенофазному анализу, который показал, что исследуемые частицы состоят из металлического алюминия и фторида алюминия А/¥3. Черный цвет этих частиц вызван наличием на них сажи.
На основании этого был сделан вывод: ударник из ПТФЭ при скоростях соударения более 600 м/с действует на алюминийсодержащую преграду как активный элемент: вступает в окислительную химическую реакцию с материалом преграды и, учитывая экзотермичность процесса разложения ПТФЭ до конечных продуктов (около 100 кДж/моль) и еще более высокую экзотермичность образования АШ3 (1 510 кДж/моль), вызывает существенное дополнительное энерговыделение в процессе взаимодействия [7, 8].
Для сравнения результатов взаимодействия инертных ударников и ударников из фторопласта был проведены эксперименты по взаимодействию ударников массой 8,6 г по алюминийсодержащей преграде из сплава АМц при одинаковых условиях метания. Ударники взаимодействовали с преградой под углом 90°. В качестве инертного материала был использован текстолит. Анализ экспериментальных данных показал, что значения параметров каверн для текстолита и фторопласта одинаковы или очень близки до скоростей соударения порядка 600 м/с. При дальнейшем увеличении скорости соударения параметры каверн от действия фторопластового ударника возрастают значительно интенсивней, чем от действия текстолитового ударника.
Рентгенофазовый анализ химического состава продуктов взаимодействия ударника из фторопласта и преграды из АМц показал, что исследованные частицы представляют собой смесь металлического алюминия, сажи и фторида алюминия А/Б3. Это позволяет предположить, что при ударном взаимодействии фторопластового ударника с алюминийсодержащей преградой между материалом ударника и материалом преграды возможно протекание экзотермической химической реакции.
Для подтверждения гипотезы о прохождении термохимической реакции между фторопластом и другими легкими сплавами, были проведены эксперименты по взаимодействию фторопластовых ударников с преградами из сплавов титана - ВТ1-0 и ВТ-20. Анализ результатов экспериментов показывает, что при соударении ударников,
содержащих фторопласт, с преградами на основе титановых сплавов, на поверхности образуется характерный черный налет продуктов взаимодействия, аналогичный образующемуся при взаимодействии с алюминий содержащей преградой. Это позволяет очередной раз предположить протекание химической реакции между фторопластом и титаном преграды.
Рентгенофазовый анализ химического состава продуктов взаимодействия фторопласта и преграды из титанового сплава показал, что наслоения, выявленные в области каверны и не имеющие диффузионного слоя с основой материала образца, состоят из титана и фтора. На наслоениях были обнаружены частицы, имеющие шарообразную форму разного размера (1.. .15 мкм), которые содержат железо, титан, кислород, фтор, а в качестве примесей - алюминий, серу, хлор. Соединений фтора с титаном 7/Р2, Т1¥3, обнаружено не было. Этот факт объясняется тем, что фториды титана в отличие от фторидов алюминия [9] являются летучими соединениями. Проведение экспериментов в замкнутом объеме позволило зафиксировать не только факт увеличения каверны и наличие сажи на ее поверхности, но и наличие фторидов титана. Оценить величину тепловыделения в процессе взаимодействия ударника с преградой можно по цветам побежалости лицевых слоев в зоне контакта - температура нагрева их составляла порядка 500 оС.
На следующем этапе обработки данных экспериментов исследовалось распределение твердости титановых плит в районе каверны после их ударного нагружения. Была произведена резка темплетов и произведен замер твердости по методу Виккерса. Значения твердости (рис. 2) определяли на приборе 2'^СК-3212 при нагрузке 5 кг.
Также исследовалось изменение в микроструктуре титанового сплава после динамического нагружения. Исследование микроструктуры проводили на оптическом микроскопе МБОРНОТ-21 в отраженном свете при увеличениях: х200 и х1000.
250
100 ____
0 10 20 30 40
Расстояние от зоны р азрушения, мм
Рис. 2. Изменение микротвердости в районе каверны
Микроструктура исследованных образцов в участках, находящихся на удалении порядка 40 мм от зоны разрушения представлена на рис. 3. Видно, что она состоит из деформированных сильно двойникованных зерен (такая структура характерна для горячекатанных плит сплава ВТ1-0). В зоне, находящейся вблизи зоны разрушения, зерна деформированы (рис. 3, б) и имеют волокнистый вид. Наибольший интерес представляют трещины. Начинаясь на поверхности, трещины идут вглубь металла и обрываются, не сужаясь при этом. От вершин трещин далее идут узкие полосы с рекристал-лизованной мелкозернистой структурой (рис. 3, в). Аналогичная структура также окружает и трещину.
Рентгеноструктурное исследование, проведенное на установке УРС2.0 в медном излучении при напряжении 30 В и токе 15 мА, показало, что в образце произошли начальные процессы полигонизации. Это видно на некоторых дебаеграммах по размытым линиям с небольшой рябью (рис. 4).
Известно, что при разложении смесей фторопласта с различными металлами (Ж, 2т, И, А1) [10, 11, 12] смесь на основе порошка фторопласта и титана является наиболее активной. Для данной смеси экзотермическая реакция разложения с образо-
142
ванием газообразных продуктов реакции протекает при более низкой температуре по сравнению с другими рассмотренными смесями. Реакция разложения состава протекает в узком температурном интервале (ДТ ~ 20 К) и носит взрывной характер. Максимальная скорость реакции реализуется при температуре Тт = 537 0С. Как указывалось ранее, изучение цветов побежалости позволило оценить значение температуры ~500 0С, которое близко к значению температуры Тт. Оценка теплового эффекта взаимодействия фторопласта с алюминием [7, 10, 13], и фторопласта с титаном [10] показывает, что дополнительная энергия, выделяемая в результате экзотермической химической реакции, больше у алюминия, чем у титана, но из-за быстроты протекания процесса высокоскоростного соударения она выделяется не полностью, что доказано экспериментально.
а б в
Рис. 3. Микроструктура исследованных темплетов: а — исходное состояние х200; б — трещина х200; в — полоса х1000
Рис. 4. Рентгенограммы рекристаллизации
Проведенные исследования при различных экспериментальных условиях, показывают высокое выделение теплоты, что вызвало необходимость провести проверку предположения о высокой зажигательной способности ударников на основе фторопласта.
Если говорить о физическом смысле данного процесса, то необходимо отметить, что такое возможно за счет прохождения термоокислительной деструктивной реакции фторполимеров при высокоскоростном взаимодействии с легкими сплавами на основе титана и алюминия [14] (рис. 5). Давление, возникающее на границе контакта преграды и поражающего элемента, превышает минимальное давление, необходимое для прохождения экзотермичной реакции взрывоподобного типа, сопровождающейся выделением фторида алюминия или титана [15] (рис. 6). В процессе удара такие поражающие элементы деформируются и разрушаются, что вместе с взрывоподобной реакцией приводит к увеличению пробоин и многофакторному (термобарическому и фу-гасно-зажигательному) действию в запреградном пространстве. При выходе диспергированного облака, состоящего из частиц фторопласта и титана или алюминия, на тыльную сторону происходит его мгновенное расширение, что способствует увеличению диаметра каверны, края которой загибаются на внешнюю сторону, образуя в случае тонких слоистых преград звездчатую форму. Высокая температура и образующиеся мелкодисперсные конденсированные продукты нарушают работу электронных устройств приборных отсеков цели.
Рассматривая процесс проникания любого срабатывающегося (теряющего массу в процессе проникания или деформирующегося) ударника в преграду можно отметить, что слои материала преграды и деформирующегося ударника движутся парал-
лельно, при этом происходит взрывоподобная реакция, основанная на термокислитель-нных процессах, проходящих между ударником и материалом преграды. Процессы параллельного окисления были рассмотрены на различные рода газовых смесях и сформированы в методе Counterflow Diffusion Flame (CDF), впервые предложенном Цудзи и Ямаока [16].
Р, Па
2,3K10s
[CiFi]+AHAIFj+C+q(897 ВДж)
V i 700 м/с
AI, Mg, Ti
AI, Mg, Ti
3
[С2рл]->С+(газообразные продукты^ [CiFa]C+CF*+q(266,3 kJ)
[CiF-iJn+MgtAl, Т1)->фторполимеры+С+я Патент США 3725671/3765334, 1973
400 *С ü
/
AI, Mg, Ti J
100 400 700 Т, °С
Рис. 5. Варианты взаимодействия фторполимеров с легкими сплавами
Результаты, полученные в ходе экспериментов [17], подтверждают математическую модель взаимодействия фторопластовых ударников и преград на основе легких сплавов, предложенную авторами, что позволяет перейти к рассмотрению конкретных практических задач.
О 10 20 30 ТО
—t— Vo =1406 m/s -■- Vo = 930 m/s
Pavg (Vo = 1406 m/s)-Pavg (Vo = 930 м/с) -Pavg (Vo = 507 м/с)
Рис. 6. Средние давления, возникающие на границе контакта фторопластового ударника и преграды на основе алюминия
Определение зажигательного действия фторопластовых боеприпасов по топливной и маслопроводной системе было проведено на установке «Баллистический стенд». Схема проведения эксперимента представлена на рис. 7.
В качестве материала корпуса топливного бака была выбрана не реагирующая с фторполимерами сталь с прослойкой из губчатой латексной резины, что позволит оценить чистое зажигательное действие, возникающее непосредственно от проникающего ударника, без влияния алюминиевой или алюминий-титановой обшивки воздушной цели. В качестве топлива было взято зимнее дизельное топливо, обладающее пониженными характеристиками воспламеняемости и характеристиками вязкости. Для оценки влияния факторов (форма головной части, возможные комбинации фторопласта и алюминия) влияющих на зажигательное действие эксперименты проводились с ударниками различных конфигураций.
Конструкции ударников, используемых для проведения экспериментов представлены на рис. 8.
Ряд результатов экспериментов по определению зажигательного запреградного действия приведены в табл.
Анализ результатов стрельб показывает, что воспламенение топлива произошло при испытании комбинированных ударников из АМц и фторопласта и отдельных ударников из чистого фторопласта.
Одним из наиболее распространённых путей оценки зажигательного действия осколков, поражающих элементов и пуль, является метод оценки по «Осколковому критерию» [18].
Рис. 7. Схема установки «Баллистический стенд» 1 - ударник из фторполимерного материала; 2 - артиллерийская установка; 3 - фотоблокировка; 4 - баллистический хронограф; 5 - основание; 6 - корпус бака; 7 - уловитель (вода); 8 - горючее; 9 - упор; 10 - губчатая латексная резина
Рис. 8. Схемы конструкций ударников а - ударник цилиндрической формы (фторопласт, сталь); Ь - ударник
с конусной частью и углом при вершине 90°(фторопласт, сталь); с - ударник из А1 и с углом при вершине 180 °; й - ударник из А1 и Г1 с углом при вершине 90 °; е - ударник из А1 и с углом при вершине 60 °
При оценке возможности зажжения топлива в этом методе ударный импульс высчитывается по следующему выражению (1)
I = 0.000204-т1/3 • V (1)
где т - масса осколка, г; V- скорость осколка, м/с.
При удельном импульсе I < 0,16 вероятность воспламенения равна нулю. При удельном импульсе I > 2,5 вероятность зажжения топлива близка к единице. Анализируя исходные данные для удельного импульса заложенные в методе «Осколкового критерия», была получена аппроксимационная зависимость для определения вероятности зажжения топлива (2):
р = 1 +1.08 • е" 4161 -1.96 • е"1461 (2)
Результаты экспериментов по зажжению топлива за комбинированной преградой
№ Материал ударника/угол при вершине, а° m, г Скорость, V, м/с Результат: + зажжение; - нет
1 Ф / 180° 9 916,34 -
2 Сталь 60 / 180° 9 1025,69 -
3 Б-32 48 828,64 -
4 Ф / 90° 9 898,11 -
5 Сталь 60 / 90° 9 864,54 -
6 Ф / 180° 9 989,17 -
7 Ф / 90° 9 1128,53 + устойчивое
8 Ф / 90° 9 918,51 -
9 Ф + АМц / 180° 9 1106,64 + устойчивое
10 Ф + АМц / 90° 9 986,15 + устойчивое
11 Ф + АМц / 90° 9 1092,88 + устойчивое
12 Ф + АМц / 180° 9 863,12 -
13 АМц + Ф /60° 9 1153,91 + устойчивое
14 АМц + Ф /180° 9 1006,32 + устойчивое
15 Ф / 90° 9 916,58 -
16 Ф / 180° 9 1013,18 -
На рис. 9 показана зависимость вероятности воспламенения топлива от кинетической энергии (Ек). Однако, при использовании осколкового критерия все зависимости строились на основании вычисленного удельного импульса, который зависит от массы ударника и начальной скорости взаимодействия, никак не учитывая дополнительную энергию, выделяющуюся при протекающей химической реакции, между фторопластом и алюминием, которая в свою очередь, существенно влияет на воспламенение дизельного топлива.
Для оценки влияния химической реакции на воспламенение дизельного топлива в топливных баках был проведен анализ, позволяющий оценить количество энергии, выделяющейся в процессе химической реакции, затрачиваемой на нагрев дизельного топлива до температуры самовоспламенения.
В качестве ударников для математического расчета по уравнениям энергобаланса были приняты 3 вида упрощенных моделей: сборка № 1 (рис. 10, а), сборка № 2 (рис. 10, b). Общая масса ударника составляла 9 гр, в соответствии с условиями эксперимента. Для оценки влияния химической реакции массы фторопласта и алюминия в сборках варьировались от 1 до 8 гр.
Энергия, затрачиваемая на нагрев дизельного топлива во время движения ударника внутри топливного бака, будет складываться из 3-х составляющих:
Est = Ereact + Edef + Edec , кДж (3)
где Егеаct — энергия, выделившаяся в результате химической реакции, кДж; Еdef — энергия, выделившаяся в результате деформирования ударника, кДж; Еdec - энергия, выделившаяся в результате торможения ударника в топливе, кДж.
Энергия деформирования ударника определяется в зависимости от относительной деформации головной части ударника е и динамического предела текучести материала odf:
*
Edef = 0.95 • Smid^df '£ , кДж (4)
где Smid — площадь миделева сечения ударника, м ; f - коэффициент перевода механической энергии в тепловую, кДж.
Проведенный анализ для различных конфигураций сборок ударников показывает, что влияние энергии деформирования на общую энергию ударника составляет менее 1%, и в дальнейших расчетах не учитывается. Вероятно, такой низкий показатель связан с малым временем процесса движения ударника в топливе (порядка 10-15 |is), которого явно недостаточно для процесса теплопередачи от ударника к топливу.
Энергия,
Рис. 9. Зависимость вероятности воспламенения от энергии
:у:У\<УУ ЛлКлл уХлКХА ЛХХлл xxYxx . ■ ■
Рис. 10. Схемы конструкций ударников для математического расчета
Энергия торможения ударника может быть вычислена исходя из уравнений движения ударника в жидкости. В момент проникания ударника вовнутрь топливного бака во всем объеме жидкости возникнет некоторое поле скоростей, а начальная скорость движения ударника Vfmax будет меньше скорости соударения ударника с жидкостью vc. Величину Vc определяют по методу Н.Е. Жуковского. Закон сохранения количества движения для момента соударения можно записать в виде:
dv f р df v f
(m + mo)—7- _ mg - PDFgV - cx-:rJ~Smid , (5)
dt 2
где mo - присоединенная масса, кг; Vf - скорость движения ударника внутри бака в
каждый момент времени, м/с; Сх - коэффициент лобового сопротивления ударника,
кгм/с2; pdf - плотность дизельного топлива, кг/м3; V - объем ударника, м3; g -
коэффициент силы тяжести, м/с2.
Начальная Vfmax и предельная Vlm скорости движения ударника в жидкости определятся как:
_ v c _
v f max _ m s v lim _ Л
i+mo у
m
2(mg -pgV) м/с (6)
cx 'p * Smid
Начальная скорость соударения ударника с жидкостью определиться исходя из баланса кинетической энергии ударника:
v с _
2Ere^, м/с (7)
m
где Eres - остаточная энергия ударника, вычисленная как разница между начальной энергией ударника и энергией, затраченной на разрушение преграды при удельной энергии разрушения преграды равной Еуд = 766,67 Дж/см2 [18].
Величину присоединенной массы можно определить через коэффициент присоединенной массы, который является функцией удлинения ударника и его объем.
mo _mo *PDF * V , (8)
где ¡ю - коэффициент присоединенной массы.
Коэффициент присоединенной массы был определен методом аппроксимации табличных данных для жидкости с плотностью 800... 1000 кг/м3 [19]:
т0 = 0.5187- Г1'342, (9)
где X - величина относительного удлинения ударника.
Графики распределения присоединенной массы для сборок № 1 и № 2 в зависимости от массы фторопласта представлены на рис. 11.
Added mass
2,25 2,2 2Д5 2,1 2,05 2
1,95 1,9 1,85
Ft mass, g
□ Assern Ыу #1 □ Absem Ыу#2
Рис. 11. Распределение присоединенной массы дизельного топлива
Для определения количества энергии, выделившейся в результате химической реакции были использованы методы термохимии [4 - 7]
1,5 [С^4] + 2 А1 = 2 АШз + 3С + ^ (10)
Откуда:
q = 1,5 АИ/ ([С^4]) + 2 А И (А1) - 2 А И (АШз) - 3 А И ( С ), (11)
где А И - молярная энтальпия (А И ( А1 ) = А И ( С ) = 0; А И ( АШз ) = - 1490 кДж/моль; А Иf ([С2Б4]) - неизвестная величина).
Воспользуемся известной реакцией:
[С^4] = СБ4 + С (графит) + 113 кДж/моль. (12)
Отсюда:
А И ([С^4]) = 113 + А И ( С ) + А И (СБ4). (13)
Поскольку А И ( С ) = 0, А И (СБ4) = - 907 кДж/моль, то А И ([С^4]) = 113 --907 = - 794 [кДж/моль].
Отсюда:
q = 1,5 ( - 794) + 2 х 1490 = 1789 [кДж/2моля АШ3 ]. (14)
Таким образом, при взаимодействии фторопласта с алюминием выделяется теплота q = 895 кДж/моль.
Молярная масса алюминия в реакции М(А1) = Мг(А1)-2 = 53,96 г/моль, молярная масса фторопласта в реакции М(р1) = Мг^)-1.5 = 798.525 г/моль, где МГ(А1) и Мг^) -молекулярная масса алюминия и фторопласта, соответственно.
Далее находим количество молей вещества, способных после внедрения в стенку бака вступить в химическую реакцию. Количество молей алюминия и молей фторопласта, способных вступить в реакцию определиться как отношение массы алюминия и фторопласта к молярным массам алюминия и фторопласта:
; ^ =, моль (15)
А1 М (А1) РГ М №)
Для определения энергии, выделившейся в процессе прохождения химической реакции выбираем наименьшее количество молей веществ (фторопласта или алюминия), способных вступить в реакцию и домножаем это значение на количество теплоты реакции, вычисленное методами термохимии:
ЕгасГ = Nтш(А1 / М) - q, Дж (16)
Количество теплоты, затрачиваемой на доведение до температуры воспламенения 1 гр ДТ:
Q = С• m • (t2 -ti), Дж (17)
где ti - начальная температура; t2 - конечная температура; С - средняя удельная теплоемкость для температурного интервала; m - масса.
Для определения эффективности зажигательного действия сборок № 1 и № 2 определим массу дизельного топлива, доведенного до воспламенения как:
Est
miDF
Q
г.
(18)
Результаты расчетов представлены на рис. 12 и 13.
Assembly #1
птпДШ.
Ft g
□ uD = 685 m/s Nu- 4=S0 rn/'- u„ = 1108 m/s □ u0 = 1406 m/s
Рис. 12. Масса воспламененного ДТ в зависимости от массы Ft в сборке №1
Assembly #2
Ft mass, g
□ u0 = &85 m/s □ ua= 930 m/s 11 uD= 1108 m/s □uD=1406m/s
Рис. 13. Масса воспламененного ДТ в зависимости от массы ¥( в сборке №2
Анализ полученных результатов показывает, что величина присоединенной массы дизельного топлива гораздо ниже массы топлива, доведенного до воспламенения при начальных скоростях свыше 930 м/с. Это подтверждает экспериментальные результаты, полученные для различных сборок ударников.
Полученные результаты расчетов по возможному весу воспламенненого дизельного топлива хорошо согласуются с результатами экспериментов, которые показывают устойчивое воспламенение и горение топлива под воздействием представленных сборок ударников.
Выводы. Проведенные исследования показали, что фторполимеры способны при условии динамического нагружения выделять количество энергии, достаточное для нагрева некоторого количества топлива до температуры самовоспламенения, что с высокой степенью вероятности приведет к воспламенению всего топлива в баке. Таким образом, создавая комбинированные ПЭ, включающие в свой состав фторопласт, алю-
миний или титан, на ряду с достаточным для поражения тонкостенных преград ударно-проникающим действием будут обладать высоким зажигательным запреградным действием.
Проведенные исследования по воспламенению одного из самых устойчивых к воспламенению топлив — дизельного топлива, дает право предположить, что применяемые в авиации легкие, обладающие высоким октановым числом топлива будут воспламеняться и при меньших скоростях взаимодействия. Но при этом скорости взаимодействия все равно должны быть выше критической скорости начала химической реакции между фторопластом и алюминием или титаном.
Список литературы
1. Пугачев А.К., Росляков О. А. Переработка фторопластов в изделия: Технология и оборудование. Л.: Химия, 1987. 168 с.
2. Фторполимеры / под ред. Л.А.Уолла. М.: Мир, 1975. 448 с.
3. Паншин Ю.А., Малкевич С.Г., Дунаевская Ц.С. Фторопласты. Л.: Химия, 1978. 230 с.
4. Промышленные фторорганические продукты. Справочник. СПб.: Химия, 1996. 544 с.
5. Горовой В.Р., Бильдюкевич Н.А., Чулков В.П. Производство пиротехнических составов. М.: Машиностроение. 1982. 296 с.
6. Токсикология фторорганических соединений и гигиена труда в их производстве / А.И. Корбакова, И. Д. Макулова, Е.Н. Марченко и др. М.: Медицина, 1975. 183 с.
7. Khmelnikov E.A., Styrov A.V., Smagin K.V., Kravchenko N.S., Rudenko V.L., Sokolov S.S., Svidinsky A.V. Study of high-speed interaction processes between fluoropol-ymer projectiles and aluminum and titanium-based targets, in International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion, 2016. Vol. 1. P. 167-183.
8. Стыров А.В., Селиванов В.В. Экспериментальное исследование процесса взаимодействия алюминия с политетрафторэтиленом в условиях ударного нагружения // Proc. of Intern. Conference «Shock Waves in Condensed Matter». St.Petersburg, 1998. С. 133—134.
9. Стыров А.В., Селиванов В В. Хим. физика. 1999. Т. 18. № 11. 72 c.
10. Лашков В.Н., Лобанов В.Н., Казаковский Н.Т. и др. // Proc. Intern. Conf. «Shock Waves in Condensed Matter». Russia, S-Pb, 1998. P. 139.
11. Miller P.J., Lindfors A.J. Intern. Workshop on New Models and Numerical Codes for Shock Wave Processes in Condensed Media.UK. Oxford, 1997. 75 p.
12. Davis J., Lindfors A., Miller P. et al. Proc. XIth Intern. Symp. on Detonation. USA. Colorado, 1998. 302 p.
13. Селиванов В.В., Имховик Н.А., Лашков В.Н., Селезенев А.А. Хим. физика. 2001. Т. 20. № 8. 80 с.
14. Khmelnikov E.A., Styrov A.V., Smagin K.V., Kravchenko N.S etc.; Defence Technology, 2015. Vol. 11. Issue 1. 56 p. DOI: 10.1016/j.dt.2014.09.006.
15. Khmelnikov E.A., Smagin K.V., Zavodova T.E. Application of the Methodology Counterflow Diffusion Flames // Modeling of the Terminal Ballistic Processes of Munitions Based on Reactionary Material. Proceedings 11th International High Energy Materials Conference & Exhibits. Vol. 1.Pune: High Energy Materials Society of India, 2017. Т. 1. P. 270276.
16. Tsuji Hiroshi. Counterflow diffusion flames. Progress in Energy and Combustion Science. 1982. Volume 8. Issue 2. P. 93-119. DOI: 10.1016/0360-1285(82)90015-6.
17. Хмельников Е.А., Смагин К.В., Чванов А.Е. К вопросу о поражающем действии боеприпасов, содержащих реакционные материалы. Фундаментальные основы баллистического проектирования: VI Всероссийская научно-техническая конференция. Санкт-Петербург, 2018. С. 239-243.
18. Балаганский И. А., Мержиевский Л. А. Действие средств поражения и боеприпасов: учебник. Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2004. 408 с.
19. Средства поражения и боеприпасы: учебник / Бабкин А.В., 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.
Заводова Татьяна Евгеньевна, старший преподаватель,
zavodovat.e@gmail. com, Россия, Нижний Тагил, Нижнетагильский технологический институт (филиал) ФГАОУВО ««УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»,
Хмельников Евгений Александрович, д-р тех. наук, заведующий кафедрой, khmelnikov7@gmail.com, Россия, Нижний Тагил, Нижнетагильский технологический институт (филиал) ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»,
Смагин Константин Владимирович, старший преподаватель, smaginkv@gmail.com, Россия, Нижний Тагил, Нижнетагильский технологический институт (филиал) ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»
INCREASING OF SMALL CALIBER STRIKERS DESTRUCTIVE ACTION IN THE DEFEAT OF LIGHTLY ARMORED TARGETS
V. Yu. Shiryaeva, E.A. Khmelnikov, K. V. Smagin
The article deals with the possibility of increasing the damaging effects of small-caliber artillery ammunition in the fuel tanks of aircraft and helicopters. A comparison of the results of the calculation of the probability of the incendiary effect of strikers based on fluor-opolymers on diesel fuel was made. The calculations were carried out using the methods of «Fragment Criterion» and «Energy Balance».
Key words: small caliber artillery; incendiary effect; fragment criterion; energy balance.
Zavodova Tatiana Evgenievna, senior lecturer, zavodovat. e agmail. com, Russia, Nizhny Tagil, «Ural Federal University named after first President of Russia B.N. Yeltsin» Nizhny Tagil technological Institute (branch),
Khmelnikov Evgeny Alexandrovich, doctor of technical sciences, head of department, khmelnikov7@gmail.com, Russia, Nizhny Tagil, «Ural Federal University named after first President of Russia B.N. Yeltsin» Nizhny Tagil technological Institute (branch),
Smagin Konstantin Vladinirovich, senior lecturer, smaginkv@gmail. com, Russia, Nizhny Tagil, «Ural Federal University named after first President of Russia B.N. Yeltsin» Nizhny Tagil technological Institute (branch)
