Взрывные генераторы высокоскоростных потоков готовых поражающих элементов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 623.4.082.5

К. А. Заплохова, Г. Ш. Исаев, А. Е. Курепин, Е. В. Сидорова Взрывные генераторы высокоскоростных потоков готовых поражающих элементов

При оценке эффективности боеприпасов, предназначенных для поражения различных аэродинамических и баллистических целей, в качестве исходных данных по уязвимости объекта поражения используются показатели, полученные при проведении экспериментальных исследований процессов соударения осколков и осколочных потоков по различным фрагментам конструкции цели. Результаты зависят не только от скорости и массы отдельных осколков, но и от их формы и расположения в потоке. Изложены итоги отработки взрывного метательного устройства, обеспечивающего создание высокоскоростного (~5 км/с) потока из осколков заданной формы. Показано удовлетворительное согласие результатов расчетов, проведенных в двух- и трехмерной постановках, с данными экспериментов по высокоскоростному метанию группы компактных, имеющих форму параллелепипеда стальных готовых осколков массой 20 г каждый.

Ключевые слова: взрывное метательное устройство, детонационная волна, поражающие элементы, высокоскоростное соударение.

Введение

Большинство известных конструкций взрывных метательных устройств (ВМУ), формирующих осколочные потоки, которые используются при экспериментальных исследованиях процессов поражения, основаны на реализации кумулятивных эффектов, возникающих при взрывном обжатии кумулятивных облицовок конической или полусферической формы [1-3]. Применение в составе такого ВМУ устройств выделения головной части кумулятивной струи обеспечивает создание движущихся с высокой скоростью одиночных элементов, имеющих форму, близкую к компактной. При групповом синхронном срабатывании таких ВМУ формируются потоки с заданными характеристиками по скоростям, массе и количеству находящихся в них элементов.

ВМУ основанные на реализации кумулятивных эффектов, возникающих при взрывном обжатии кумулятивных облицовок, имеют недостаток, связанный с невозможностью оперативно изменять размеры, массу и материал высокоскоростного элемента, метаемого с использованием ВМУ. Кроме того, в ряде случаев на результаты высокоскоростного соударения оказывает заметное воздействие и форма элемента.

В связи с этим была проведена разработка ВМУ, обеспечивающего метание груп-

© Заплохова К. А., Исаев Г. Ш., Курепин А. Е., Сидорова Е. В., 2018

пы готовых компактных поражающих элементов (ПЭ) с требуемыми по размерам, массе, материалу характеристиками. Схема ВМУ приведена на рис. 1. Высокая скорость потока метаемых элементов обеспечивается использованием эффекта кумуляции энергии взрыва в сходящейся детонационной волне и формой оболочки, в которой размещались данные элементы. Такая конструкция ВМУ, кроме создания высокоскоростного потока готовых поражающих элементов, позволяет оперативно в достаточно широком диапазоне изменять их количество, массу и материал. Основной задачей, которая решалась при отработке этого ВМУ, было обеспечение метания группы из 16 стальных ПЭ, имеющих размеры 10^16x16 мм и скорость ~5 км/с.

Вариант ВМУ, показанный на рис. 1, б, отличается от варианта на рис. 1, а наличием в составе заряда взрывчатого вещества (ВВ) § фокусирующей втулки, которая обеспечивает ^ сжатие потока продуктов детонации, участ- £ вующих в метании ПЭ, что дополнительно Ц увеличивает скорость их движения по стволу. 5 Расчеты |

Расчеты проводились в программной среде | АЫБУБ/Л иТОтЫ [4] с применением решателя Эйлера последовательно в двух постановках: 8

1) от начала процесса детонации ВВ до о момента подхода детонационной волны (ДВ) о к втулке (62 мкс) - в двухмерной (2Б) осесим- | метричной постановке с размером ячейки раз- о ностной сетки, равным 2 мм;

о сч

б

Рис. 1. Схема и размеры (в мм) основных деталей ВМУ, обеспечивающего высокоскоростное метание группы

готовых ПЭ заданной формы: а - вариант 1; б - вариант 2; 1 - точка инициирования; 2 - фланец (АМг6); 3 - обойма (АМг6); 4 - линза (полистирол); 5 - взрывчатое вещество (октол); 6 - обечайка (АМг6); 7 - крышка (сталь 3 толщиной 20 мм); 8 - торец (АМг6); 9 - ствол (сталь 3); 10 - фокусирующая втулка (сталь 3); 11 - группа готовых ПЭ (сталь 10)

>s ф н

I

<

I

С <

0 ^

m

л

1

CL Ф J I

0 ^

*

S

1

н

о ф

m

сч ■cf ю о

сч ■cf ю сч

W W

2) от 62 мкс до завершения расчетов - в трехмерной (3D) постановке с размером ячейки разностной сетки, равным 4 мм (переход от двухмерной к трехмерной постановке выполнен с помощью технологии Remapping с заменой одного сплошного элемента (см. рис. 1, поз. 11) на 16 отдельных элементов размерами 10x16x16 мм).

При проведении расчетов были использованы модели материалов стандартной библиотеки программного комплекса.

1. Для расчета давлений в областях, занятых деталями из сплава АМг6, стали 3, стали 10 и полистирола, применялось уравнение состояния Ми - Грюнайзена - Гюгонио (Shock)'.

P = + + Y „Р.,

[1 -1)

где р„ - начальная плотность;

а, - коэффициенты ударной адиабаты в D - и координатах, значения коэффициентов которых показаны в табл. 1;

ц - степень сжатия, ц = (г / г0 — 1); у0 - коэффициент Грюнайзена; р - текущая плотность; е - удельная внутренняя энергия.

Таблица 1

Значения параметров и коэффициентов уравнения состояния

Материал р„, г/см3 а, км/с Y „

Полистирол 0,10 0,724 0,6931 1,00

АМг6 2,64 5,330 1,3400 1,97

Сталь 3 7,83 3,800 1,5800 2,17

Сталь 10 7,89 3,800 1,5800 2,00

2. Зависимость сопротивления пластическому сдвигу указанных выше материалов в

динамических условиях описывалась моделью Джонсона - Кука:

Y = (A + B en) (1 + C ln (e'*)) (1 - Т*т),

где A - статический предел текучести;

В - коэффициент пропорциональности в функции деформационного упрочнения;

е - эффективная пластическая деформация;

n - показатель степени в функции деформационного упрочнения;

С - коэффициент кинематического упрочнения;

ln(e'*) - логарифм скорости эффективной пластической деформации, нормализованной значением, зависящим от выбранной системы размерностей;

T* - гомологическая температура, T* =(T - To)/(T^-To);

т - показатель степени влияния температуры;

Trm - температура плавления;

T0 - начальная температура.

Значение коэффициентов модели приведены в табл. 2.

В 3D-расчетах метаемые элементы построены с применением модели Rigid (абсолютно твердое недеформируемое тело) с плотностью 7,86 г/см3. Вращение ПЭ не задано - моменты инерции равны 0.

3. Модель взрывчатого вещества. Для описания поведения продуктов детонации (ПД) выбрано уравнение состояния JWL:

P = A

1 -

ю

е" ÄiF + B

1 -

ю

RV j

е~RV +

юЕ

Я1Г ^

где Р - давление;

А, В, Я1, Я2, ю - коэффициенты уравнения состояния;

Е - внутренняя энергия; V = р0 / р - относительный объем;

р - текущая плотность ПД; р0 - начальная плотность ВВ.

Значения параметров и коэффициентов уравнения состояния ПД (ВВ - октол) следующие:

р0, г/см3...............................................1,821

D, м/с...................................................8480

A, ГПа.................................................748,6

B, ГПа.................................................13,38

R.............................................................4,5

R ............................................................ 1,1

ш...........................................................0,38

E0, кДж/м3.......................................9,6х106

Здесь E0 - начальная внутренняя энергия.

Процесс распространения детонационной волны, содержащей пересжатую махов-скую конфигурацию, образованную при схождении цилиндрической детонационной волны к оси заряда, показан на рис. 2, а, где изображена верхняя половина осевого сечения. Там же (рис. 2, б) представлена форма расчетных областей на момент 62 мкс после инициирования, когда задача из двухмерной была перестроена в трехмерную. Применение технологии Remapping позволило не только значительно сократить время расчета, но и благодаря применению для двухмерного варианта расчетной сетки с более мелкими ячейками понизить погрешности вычисления, значение которых во многом зависит от их размера.

Расчеты проведены до момента выхода скорости движения метаемых элементов на стационарный режим, что соответствует ~93 мкс. В момент перехода от 2D- к 3 D-расчету проведена замена одного сплошного ПЭ, имевшего форму диска, на 16 отдельных ПЭ, имеющих форму параллелепипеда с размерами 10x16x16 мм (см. рис. 2, б).

Анализ результатов расчетов показывает, что при распространении детонационной вол-

Таблица 2

Значения коэффициентов модели Джонсона - Кука

Материал А, ГПа В, ГПа n C m Тпл, K To, K

АМг6 0,167 0,596 0,551 0,001 0,859 893 293

Сталь 3 0,286 0,500 0,228 0,022 0,917 1836 286

Сталь 10 0,367 0,500 0,935 0,045 0,643 1836 286

е

о р

ст о

оте

к

а р

а

m

о Ч е л с с

к с е

у

и м с о К

ж

Г?

а б

Рис. 2. Распространение детонации по заряду ВМУ (а) и форма расчетных областей в момент применения процесса перестройки двухмерного решения в трехмерное (б)

о см

<

I

о га

s |

0 ^

со

<я

1

о.

ф

о

и

V

со

см ■ci-io

о ■

см ■ci-io см

(П (П

ны по заряду ВВ формируется зона пересжатой (маховской) детонационной волны, движущаяся вдоль оси в направлении метаемых элементов. В результате взаимодействия маховской ДВ с находящимися в стволе ПЭ последние в процессе движения (рис. 3) подразделяются на 3 группы:

• 1-я группа (высокоскоростная) - 4 центральных элемента (темно-серый цвет на рис. 3, б);

• 2-я группа (основная) - 8 элементов, летящих с промежуточными значениями скоростей (серый цвет на рис. 3, б);

• 3-я группа (низкоскоростная) - 4 угловых элемента (белый цвет на рис. 3, б).

3

1 2

Рис. 3. Взаимное расположение метаемых ПЭ на конечный момент времени расчета (а) и номера групп ПЭ, имеющих одинаковый уровень скоростей (б)

Подобный характер движения ПЭ свойственен и второму варианту расчета. Процесс набора скорости элементами, входящими в разные группы, показан на рис. 4.

8000 7000

и 6000

^ 5000 {Э 4000

0,079 0,081 0,083 0,085 0,087 0,089 0,091 0,093 Время, м/с а

8000 7000 6000

-g s 5000

0,079 0,081 0,083 0,085 0,087 0,089 0,091 0,093 Время, м/с б

Рис. 4. Набор скорости элементами, расположенными в стволе передней крышки:

а - вариант 1; б - вариант 2;--1-я группа ПЭ;

-- 2-я группа ПЭ;-- 3-я группа ПЭ

Расчетные значения скорости ПЭ приведены в табл. 3. Анализ результатов расчетов процесса метания показывает, что разгон ПЭ практически прекращается после встречи на оси заряда волн разгрузки, двигающихся со стороны свободных поверхностей заряда. Интенсивность снижения давления в продуктах детонации за волной разгрузки может быть уменьшена с помощью фокусирующей втулки, что приведет к небольшому (~3 %) увеличению скорости метания.

Таблица 3

Средние массовые скорости движения на момент завершения расчета (93,4 мкс)

Вариант Средние массовые скорости по группам ПЭ, м/с Средняя массовая скорость по всем ПЭ, м/с

1-я группа 2-я группа 3-я группа

1 7377 4531 3522 4990

2 7895 4594 3424 5127

Эксперимент

Для экспериментальных исследований было изготовлено три варианта ВМУ. Два варианта содержали по 16 двадцатиграммовых стальных ПЭ и отличались наличием или отсутствием фокусирующей втулки. Еще один снабженный фокусирующей втулкой вариант ВМУ содержал в составе передней крышки одиночный ПЭ, имеющий массу 320 г (табл. 4).

Таблица 4

Особенности конструкции ВМУ, прошедших испытания

Вариант ВМУ Наличие фокусирующей втулки Параметры метаемого элемента

Количество ПЭ, шт. Масса, г Размеры ПЭ, мм

1 Нет 16 20 16x16x10

2 Есть 1 320 64x64x10

3 Есть 16 20 16x16x10

При проведении испытаний ВМУ располагалось на расстоянии 10 м от щитовой мишенной обстановки (МО), на которой в центре зоны прицеливания размещался датчик электретного типа, обеспечивающий измерение времени прихода ПЭ на щит. Одновременно эту же величину определяли оптическим ме-

тодом - съемкой вспышек, возникающих при пробитии щита ПЭ или их осколками. По времени прихода рассчитывалась средняя скорость ПЭ на дистанции 10 м. Точность определения скорости ПЭ составила ±40 м/с для каждого метода регистрации. Для каждого варианта конструкции ВМУ проводилось два опыта. Результаты испытаний приведены в табл. 5, где второй столбец (Гтах/Утп) содержит данные о значениях максимальной и минимальной средней скорости ПЭ (осколков ПЭ) на дистанции 10 м, зарегистрированных в эксперименте.

Таблица 5

Результаты измерения средней скорости движения ПЭ

Вариант ВМУ / количество ПЭ, шт. V / V * max / mm м/с Количество зарегистрированных ПЭ (осколков ПЭ), шт. Регистратор

1 / 16 4510/4270 7** Электретный датчик

1 / 16 4750/4440 10**

2 / 1 5160/4980 1**

2 / 1 4850/4620 6*** Фоторегистратор

3 / 16 4920/4270 16

3 / 16 5030/4350 16

* — расчетное значение баллистического коэффициента стального ПЭ с размерами 10x16x16 мм составляет 0,0094, что позволяет оценить разницу средней на расстоянии 10 м и начальной скорости ПЭ как ~5 %; ** — регистрограмма сигнала, полученного с электретного датчика, не позволила выделить моменты прихода остальных ПЭ; *** — оптическая регистрация позволила показать, что при метании крупного ПЭ происходит его разрушение, а при метании группы ПЭ подтверждается их сохранность.

Выводы

1. В результате расчетно-экспериментальной о отработки создана конструкция ВМУ, обеспе- <5 чивающего метание группы готовых ПЭ суммарной массой 320 г с начальной скоростью ° ~5000 м/с. |

2. Введение в состав заряда ВМУ фоку- * сирующей втулки (см. рис. 1, поз. 3) приводит | к росту скорости лидирующих в потоке ПЭ 8 примерно на 8 %. Разница скоростей в пото- ч ке из 16 ПЭ составляет ориентировочно 13 %. о Разница скоростей осколков, образованных * при разрушении крупного элемента, лежит в | диапазоне 3,5...4,7 %. |

3. Применение оптического метода ре- | гистрации обеспечивает более точное опре-

ф

деление количества и скорости ПЭ (осколков ПЭ), приходящих на щит МО. Список литературы

1. Федоров С. В., Ладов С. В., Никольская Я. М. и др. Формирование потока высокоскоростных частиц кумулятивными зарядами с облицовкой типа полусфера-цилиндр дегрессивной толщины // Физика горения и взрыва. 2017. Т. 53. № 4. С. 122-125.

2. Князев А. С., Маляров Д. В. Устройства гиперзвукового метания металлических тел компактной формы // Сб. материалов IX науч. конференции Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского во-

оружения». Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2016. Т. 2. С. 94-97.

3. Курепин А. Е., Семин В. А., Сидорова Е. В. Разработка взрывных метательных устройств, создающих высокоскоростные потоки из готовых и формируемых в процессе метания элементов // Информационно-аналитический журнал «Вооружение. Политика. Конверсия». 2012. № 3. С. 26-31.

4. Autodyn Documentation // ANSYS Autodyn User's Manual. Release 15.0. ANSYS, Inc. 2013. URL: http://148.204.81.206/ANSYS/150/ (дата обращения 20.02.2019).

Поступила 21.03.18

Заплохова Ксения Александровна - инженер-программист отдела 102 центра теоретической и экспериментальной физики Акционерного общества «Государственный научно-исследовательский институт машиностроения» им. В. В. Бахирева, г. Дзержинск.

Область научных интересов: численное решение прикладных задач физики взрыва и удара.

Исаев Гамлет Шафидинович - ведущий инженер КБ-210 Акционерного общества «Государственный научно-исследовательский институт машиностроения» им. В. В. Бахирева, г. Дзержинск. Область научных интересов: разработка боевого снаряжения летательных аппаратов.

Курепин Александр Евгеньевич - доктор технических наук, начальник центра теоретической и эксперименталь-

ю ной физики Акционерного общества «Государственный научно-исследовательский институт машиностроения»

о им. В. В. Бахирева, г. Дзержинск.

■сг Область научных интересов: разработка средств поражения и боеприпасов.

О!

» Сидорова Елена Васильевна - начальник лаборатории отдела 102 центра теоретической и эксперименталь-

¡Н ной физики Акционерного общества «Государственный научно-исследовательский институт машиностроения»

< им. В.В. Бахирева, г. Дзержинск.

м Область научных интересов: численное решение прикладных задач физики взрыва и удара. га

Explosive generators of high-speed preformed fragment flows

When assessing the effectiveness of ammunition designed to destroy various aerodynamic and ballistic targets, as the initial data on the vulnerability of the destruction objective, we use indicators obtained during experimental studies of the processes of fragments and fragment flow collision with various fragments of the target design. The results depend not only on the speed and mass of individual fragments, but also on their shape and location in the flow. The paper gives the results of the testing of an explosive thrower which provides the creation of a high-speed, i.e. ~5 km/s, flow of fragments of a given shape. Findings of research show satisfactory agreement between the results of calculations carried out in two- and three-dimensional statements with experimental data on high-speed throwing of a group of compact, parallelepiped, steel preformed fragments weighing 20 g each. Keywords: explosive thrower, detonation wave, striking elements, high-speed collision.

Zaplohova Kseniya Aleksandrovna - programming engineer, Department 102, Center for Theoretical and Experimental Physics, Joint stock company "Institute of Mechanical Engineering imeni V V Bakhireva", Dzerzhinsk. Science research interests: computational solution of applied problems of physics of explosion and impact.

Isaev Gamlet Shafidinovich - Lead Engineer, design bureau 210, Joint stock company "Institute of Mechanical

Engineering imeni V. V. Bakhireva", Dzerzhinsk.

Science research interests: development of aircraft combat equipment.

Kurepin Aleksandr Evgenievich - Doctor of Engineering Sciences, Head of Center for Theoretical and Experimental Physics, Joint stock company "Institute of Mechanical Engineering imeni V V Bakhireva", Dzerzhinsk. Science research interests: development of weapons and ammunition.

Sidorova Elena Vasilievna - Head of Laboratory, Department 102, Center for Theoretical and Experimental Physics,

Joint stock company "Institute of Mechanical Engineering imeni V V. Bakhireva", Dzerzhinsk.

Science research interests: computational solution of applied problems of physics of explosion and impact.