Общая характеристика работы

ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КУМУЛЯТИВНОЙ СТРУИ С ПРЕГРАДОЙ

Проскуряков Евгений Владимирович

01.02.05 – механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2007

Работа выполнена в Новосибирском высшем военном командном училище (военном институте) МО РФ

Научный консультант академик РАН, доктор физико-математических

наук Фомин Василий Михайлович

Научный руководитель кандидат технических наук, с.н.с. Сорокин

Михаил Васильевич

(Новосибирское высшее военное командное училище (военный институт))

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук, профессор Кинеловский Сергей Анатольевич

(Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН)

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Шабалин Иван Иванович

(Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН)

Ведущая организация Московский государственный технический

университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва

Защита состоится «___» _____________ 200__ г. в ____ часов в на заседании диссертационного совета Д003.035.02 по присуждению ученой степени доктора наук в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения РАН по адресу: 630090, Новосибирск 90, ул. Институтская, 4/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТПМ СО РАН.

Ваш отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просьба высылать по адресу: 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1, ИТПМ СО РАН, ученому секретарю диссертационного совета Д003.035.02.

Автореферат разослан «___» _____________ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н. Засыпкин И.М.

Актуальность темы. Тема работы связана с исследованием особенностей взаимодействия кумулятивной струи (КС) с преградой. При малых углах между осью кумулятивного заряда (КЗ) и поверхностью преграды возможен рикошет КС, который невозможно объяснить в рамках существующей гидродинамической модели проникания. В случае несжимаемой жидкости на поверхности преграды найдется точка торможения, где давление значительно превосходит динамическую твердость преграды, в результате преграда деформируется и КС проникает в преграду. Явление рикошета объясняется, если учесть сжимаемость материала КС. В этом случае вся КС, движущаяся со сверхзвуковой скоростью, разворачивается на преграде в косой ударной волне и точки торможения на преграде нет. В данной работе представлена теоретическая модель этого явления и разработана инженерная методика по расчету угла рикошета.

Цели работы. Получение новых экспериментальных данных по взаимодействию кумулятивной струи с преградой при малых углах между осью КС и поверхностью преграды (угол рикошета медной и алюминиевой КС в зависимости от скорости КС). Построение теоретической модели рикошета КС на поверхности бронепреграды и разработка инженерной методики расчета критического угла, при котором КС рикошетирует от бронепреграды.

Научная новизна. Получены экспериментальные результаты по рикошету медной и алюминиевой КС в зависимости от скорости КС. Рассмотрен рикошет от плоской поверхности броневой стали и цилиндрической поверхности осевого канала в преграде.

Научная и практическая ценность. Экспериментально показана возможность рикошета КС на поверхности преграды. В конкретном случае, представляющем практический интерес, экспериментально рассмотрено движение КС в осевом канале преграды и определен минимальный диаметр канала для беспрепятственного прохождения КС. Даны рекомендации по применению явления рикошета КС для решения практических задач (блок пассивной защиты из стальных шариков, способных искривлять КС и др.).

Достоверность результатов. Выводы в данной работе сформулированы на основе представленной статистики экспериментальных результатов. Не менее пяти экспериментальных результатов бронепробития КЗ получено для каждого значения диаметра канала (см. табл. 1).

Угол рикошета КС определен с точностью 1 градуса (см. рис. 2) на основе отпечатков КС на преграде (см. рис. 4).

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования рикошета медной и алюминиевой КС в зависимости от скорости КС.

2. Теоретическая модель рикошета КС и инженерная методика расчета критического угла, при котором КС рикошетирует.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на VI, VII Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» НГТУ, Новосибирск, 2005, 2006, на XXXII научно-технической конференции «Проектирование боеприпасов» МГТУ имени Баумана, Москва, 2006, на XIII международной конференции по методам аэрофизических исследований ICMAR (Новосибирск, 2007), на семинаре ИТПМ СО РАН им. Христиановича под руководством академика РАН В.М. Фомина (2007), на IХ Забабахинских научных чтениях (ЗНЧ-IX), Снежинск 2007.

Личный вклад автора. Явление рикошета КС от поверхности преграды было обнаружено в конце пятидесятых годов А.Э. Антоновым, П.И. Барабанщиковым, М.А. Дубовским, М.А. Лаврентьевым и Л.Л. Туроком. В 2004-2007 годах коллектив авторов (Проскуряков Е.В., Сорокин М.В., Фомин В.М.) представил результаты исследований по рикошету медной и алюминиевой КС от поверхности бронепреграды. Замер скорости КС осуществлялся с помощью рентгеноимпульсной съемки коллективом испытательной станции (Кравец В.Т. и др.) Института прикладной физики (г. Новосибирск).

Публикации. Результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 6 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка работ, опубликованных по теме диссертации, приложения, содержащего рисунки и фотографии и изложена на 92 страницах, включая 46 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации и сформулированы цели работы. Дано краткое описание диссертации по главам и представлены выносимые на защиту результаты.

Первая глава содержит обзор литературы по теории проникания КС в преграду. Рассматриваются случай, когда материалы КС и преграды являются идеальными несжимаемыми жидкостями, приближенный учет сжимаемости материалов струи для случая стационарного сверхзвукового проникания элемента КС, а также простейший учет прочности с помощью уравнения Бернулли для сжимаемой жидкости.

Во второй главе рассматривается явление рикошета кумулятивной струи (КС) на поверхности преграды при малых углах встречи КС с преградой (угол между осью струи и поверхностью преграды).

Получены экспериментальные значения угла рикошета КС в зависимости от скорости КС для медной и алюминиевой КС. Разработана инженерная методика расчета рикошета КС, которая удовлетворительно согласуется с экспериментом. С помощью явления рикошета возможно решение практической задачи защиты от кумулятивных зарядов (КЗ) путем изменения направления движения (искривления) КС и др.

Эксперименты, выполненные в конце пятидесятых годов А.Э. Антоновым, П.И. Барабанщиковым, М.А. Дубовским, М.А. Лаврентьевым и Л.Л. Туроком показали, что возможен рикошет кумулятивной струи на поверхности брони при малых углах встречи КС с преградой. Явление рикошета КС трудно объяснить в рамках гидродинамической теории кумуляции, основанной на модели несжимаемой жидкости. При взаимодействии КС с преградой на преграде найдется точка торможения КС, где давление многократно превосходит динамическую прочность брони. В этой точке преграда будет деформироваться и произойдет проникание КС в преграду.

Рассмотрим КС как сжимаемую жидкость в одномерной постановке (рис. 1).

Рис.1. Схема поворота плоской струи в косой ударной волне.

Металлическая плоская КС, имеющая сверхзвуковую скорость , натекает на плоскую преграду под углом ( – угол между направлением скорости струи и поверхностью преграды). Предполагается, что угол небольшой и материал КС изменяет направление в косой ударной волне (УВ). При этом давление в УВ не превышает динамическую прочность преграды и преграда не деформируется. Введем следующие обозначения:

, , , – скорость, плотность КС до и после УВ;

, , , – нормальная и тангенциальная составляющая скорости КС к поверхности ударной волны до и после УВ;

– давление за фронтом УВ;

– угол между направлением вектора скорости КС и поверхностью УВ;

– угол между поверхностью УВ и поверхностью преграды.

Уравнение неразрывности на УВ:

. (1)

Уравнение непрерывности скоростей вдоль фронта УВ:

. (2)

Закон сохранения импульса на фронте УВ:

. (3)

Ударная адиабата материала КС:

; . (4)

Из уравнений (1) - (4) выразим и как функции , :

= ; = . (5)

Рассмотрим рис. 1:

; = / ; = / ; ; . (6)

Используем тригонометрическое соотношение:

() = . (7)

После преобразования формул (5) - (7) получается уравнение ударной поляры:

, . (8)

Пусть и являются постоянными, а является независимым параметром. При увеличении параметра угол возрастает и увеличивается давление Р за фронтом УВ. Если давление достигает определенного значения, связанного с динамической прочностью преграды, то преграда деформируется и происходит проникание КС в преграду. Рассчитывался угол рикошета , при котором начинается деформация преграды.

Расчетные значения угла рикошета в зависимости от начальной скорости струи приведены на рис. 2 для медной и алюминиевой КС. Угол рикошета уменьшается с увеличением скорости КС . Величина для алюминиевой КС больше, чем для медной КС на 2-3⁰ (при равной скорости КС).

Эксперименты по изучению явления рикошета КС проводились по схеме рис. 3. Угол между осью КЗ и поверхностью преграды не превышал восемь градусов. В качестве преграды использовалась броневая сталь средней твердости толщиной 30 мм. Скорость в начале КС замерялась с помощью рентгеноимпульсной установки. В ряде случаев перед КЗ устанавливался металлический экран; часть КС срабатывалась на экране и в результате на преграду попадали более низкоскоростные части КС.

Рис. 2. Угол рикошета КС в зависимости от скорости КС :

– медная КС (расчет);

– медная КС (эксперимент).

Рис. 3. Схема эксперимента:

1 – кумулятивный заряд; 2 – пенопластовая подставка, предназначенная для исключения влияния общего основания 5 на схлопывание облицовки заряда 1; 3 – плита из броневой стали средней твердости, установленная под углом к общему основанию; 4 – экран, позволяющий исключить передние высокоскоростные участки струи.

Фотографии результата взаимодействия КС и преграды в режиме рикошета показаны на рис. 4. Экспериментальные значения угла рикошета в зависимости от скорости КС представлены на рис. 2. Угол между осью КЗ и поверхностью преграды изменялся с шагом в 1⁰. Если угол превышал критический угол на 1⁰, то наблюдалось проникание КС в преграду.

Рис. 4. Отпечатки кумулятивной струи.

В третьей главе исследовано взаимодействие кумулятивной струи (КС) с преградой, имеющей осевое отверстие. Цель исследования – определить диаметр отверстия в преграде для беспрепятственного прохождения кумулятивной струи. На практике это явление может использоваться, например, в тандемных боеприпасах, где применяется двигательная установка с осевым каналом и др.

Экспериментально рассмотрено взаимодействие кумулятивной струи (КС) с преградой, имеющей осевое отверстие. Установлено значительное снижение бронепробития КС при диаметре отверстия около 0,2 D, где D – диаметр (калибр) кумулятивного заряда (КЗ). Это снижение бронепробития КС связано с угловым отклонением γ оси КС от оси КЗ из-за несовершенства технологии изготовления КЗ. Определен диаметр отверстия d в преграде для беспрепятственного прохождения КС.

Перед КЗ могут размещаться устройства (приборы, агрегаты, взрыватель и др.) с осевым каналом, которые способны влиять на бронепробитие КЗ. Взаимодействие КС с преградой, имеющей осевое отверстие, рассматривалось при решении различных прикладных задач в шестидесятых годах П. И. Уляковым, в девяностых годах А. С. Пономаревым и др.

В идеальном случае КС должна беспрепятственно проходить сквозь преграду, если диаметр отверстия d больше диаметра КС. На практике ось КС отклоняется от оси симметрии КЗ вследствие несовершенства технологии изготовления КЗ, элементы КС рассеиваются в некотором телесном угле вокруг оси КС. Возможно касание КС о стенки канала и взаимодействие в режиме обычного проникания, рикошета и др.

Рис. 6. Схема экспериментов.

Результаты экспериментов приведены в таблице 1, где даны следующие обозначения:

h – глубина пробоины (с учетом отверстия в мишени, см. рис. 6);

‹ h › – среднее значение величины h;

σ – среднеквадратичное отклонение величины h;

f – расстояние от КЗ до преграды с отверстием;

d – диаметр отверстия в преграде.

Диаметр осевого канала d составлял 0; 0,1 D; 0,2 D; 0,3 D; D. При d = 0 отверстие в преграде отсутствовало; при d = D мишень с отверстием отсутствовала. Расстояние от КЗ до преграды f было 1,4 D; 3 D и 4,6 D. В примечании таблицы сообщается о состоянии канала мишени после прохождения КС. Для каждого значения d и f проводилась серия из 4-5 подрывов.

Схема экспериментов по изучению взаимодействия КС с преградой представлена на рис. 6. Эксперименты проводились на модельных зарядах диаметром D около 50 мм, заряд взрывчатого вещества изготавливался из состава ТГ-40, применялась медная облицовка с углом раствора около 50⁰. Скорость в голове КС составляла около 7,5 км/с. Рентгенограммы получаемых КС представлены на рис. 7. Диаметр КС не превышал 0,1 D. Преграда с отверстием имела длину 1,8 D. Отклонение оси КЗ от оси отверстия в преграде из-за несоосности сборки не превышало 0,2⁰. Вся сборка устанавливалась на пакете бронеплит средней твердости.

 

 

 

Рис. 7. Рентгенограммы КС.

Получено беспрепятственное прохождение КС сквозь отверстие диаметром 0,3 D, при этом основание сборки находилось на расстоянии 6,4 D от КЗ (эксперимент № 14). Угловое отклонение γ оси КС от оси КЗ оценивается величиной около 1⁰ и связано с точностью изготовления КЗ.

Результаты экспериментов

Таблица 1

№	f/D	d/D	h/D	‹h›/D	σ	Примечание
	1,4		4,05; 3,70; 4,07; 3,89; 3,86	3,91	0,15	-
	1,4	0,1	3,57; 4,91; 5,50; 4,59; 3,69	4,46	0,82	Канал разбит
	1,4	0,2	6,09; 5,86; 5,86; 5,89; 5,38	5,82	0,26	Частично разбит
	1,4	0,3	6,16; 5,89; 6,77; 6,30; 6,30	6,29	0,32	Канал прежний
	1,4	1,0	6,59; 6,48; 6,29; 6,34; 6,34	6,41	0,12	-
	3,0		4,80; 4,69; 4,50; 4,55; 4,55	4,62	0,12	-
	3,0	0,1	3,96; 4,89; 3,57; 3,75; 4,89	4,21	0,63	Канал разбит
	3,0	0,2	6,34; 5,38; 5,85; 5,38; 4,38	5,47	0,73	Частично разбит
	3,0	0,3	6,02; 6,50; 6,82; 5,89	6,31	0,43	Канал прежний
	3,0	1,0	6,34; 5,54; 6,34; 7,26; 6,34	6,36	0,61	-
	4,6		4,55; 3,75; 4,55; 5,48; 4,55	4,59	0,61	-
	4,6	0,1	4,95; 3,63; 4,79; 4,63; 4,96	4,59	0,56	Канал разбит
	4,6	0,2	3,04; 3,93; 3,18; 4,39; 4,00	3,77	0,68	Канал разбит
	4,6	0,3	6,20; 6,07; 6,14; 3,92; 5,93	5,65	0,97	Почти прежний
	4,6	1,0	6,23; 4,90; 6,46; 6,46; 6,73	6,15	0,73	-

Влияние разностенности облицовки КЗ на угловое отклонение γ оси КС определяется параметром ∆/δ, где ∆ – разностенность облицовки КЗ, δ – толщина облицовки. С увеличением калибра заряда D обычно разностенность ∆ остается неизменной, толщина облицовки δ увеличивается пропорционально D. В результате влияние разностенности ∆ на угловое отклонение γ оси КС от оси КЗ будет снижаться. Аналогичным образом величина γ зависит от размера зерна медной облицовки, несимметрии инициирования взрывчатого вещества и др. Можно ожидать, что с увеличением калибра D относительный диаметр необходимого отверстия для прохождения КС будет уменьшатся.

При определенных условиях (эксперименты № 11, 13) отверстие в преграде значительно снижает бронепробитие КЗ: бронепробитие без отверстия превышает бронепробитие с отверстием на величину около 0,8 D. Такое снижение бронепробития КЗ трудно объяснить в рамках гидродинамической модели проникания. Предполагается, что из-за углового рассеяния КС происходит взаимодействие КС с поверхностью отверстия, рикошет и искривление КС в косой УВ. В результате бронепробитие искривленной КС значительно снижается.

В четвертой главе рассмотрено соосное взаимодействие медной кумулятивной струи (КС) с тонким вольфрамовым стержнем. Цель исследования – принудительно распылить КС для создания в преграде пробоины повышенного диаметра, для напыления материала кумулятивной струи на поверхность преграды. Представлена теоретическая модель распыления КС на стержне и результаты экспериментов.

Теоретическая модель распыления КС на металлическом стержне основана на решении задачи о встречных струях в гидродинамической постановке (см. рис. 8).

Рис. 8. Схема взаимодействия струй в движущейся системе отсчета.

Введем следующие обозначения:

– угол раствора «пелены» расширяющейся КС;

, – плотности струи и преграды; , – радиусы струи и преграды;

– скорость границы раздела струй (скорость проникания);

Т – точка торможения струй.

Давление в точке торможения T (в движущейся системе)

слева от границы раздела: справа от границы раздела:

; .

Равенство давлений в точке торможения:

; ; ; (9).

В рамках гидродинамической модели материал преграды уходит в «пелену» со скоростью , скорость струи в «пелене»: .

Импульс вещества, поступающий в зону торможения в единицу времени

слева от границы раздела : справа от границы раздела :

; .

Импульс вещества в осевом направлении, выходящий из зоны торможения в единицу времени

импульс струи : импульс преграды :

; .

Закон сохранения импульса: ; в результате получим:

- =[ + ] .

Поделим это уравнение на ; с учетом (9) получим формулу:

=[ ] ;

(10)

Угол раствора «пелены» в рамках гидродинамической модели не зависит от плотности струи и плотности преграды . Величины и влияют на величину давления P в точке торможения Т. Пусть радиус струи = 0,06 D, радиус преграды = 0,002 D, где D – калибр КЗ; тогда угол раствора «пелены» по формуле (11): = 4 .

На практике КС имеет переменный диаметр: начало струи более тонкое, чем конец струи. В результате КС распыляется в некотором диапазоне углов. Дополнительное изменение угла распыления КС можно получить профилированием (например, утонением) стержня. Величина распыленной КС зависит от длины стержня и определяется гидродинамической теорией.

Экспериментально рассмотрено взаимодействие КС со стержнем из следующих материалов: алюминий, сталь, вольфрам и эластичное взрывчатое вещество (в виде шнура). Стержень размещался в пенопластовой обойме перед кумулятивным зарядом (рис. 9).

Рис. 9. Схема эксперимента:

1 – кумулятивный заряд; 2 – пенопластовая обойма; 3 – стержень; 4 – преграда.

Диспергирование КС на мельчайшие частицы получено на вольфрамовом стержне (см. рис. 10). Распыленная КС образует пробоину повышенного диаметра (применение стержня снижает глубину пробития кумулятивного заряда).

Распыление КС на металлическом стержне (рентген)

Распыленная КС и преграда (рентген)

Рис. 10. Диспергирование КС.

Явление распыления можно использовать для создания в бронезащите пробоины повышенного диаметра и поражения сложных преград, напыления материала КС на поверхность преграды и др.

В заключении приведены основные выводы по работе:

1. Исследовался рикошет КС на поверхности брони. Получены экспериментальные значения критического угла рикошета КС в зависимости от скорости в голове КС для медной и алюминиевой КС. С помощью явления рикошета возможно изменение направления движения КС с помощью стальных шариков в бронезащите.

2. Экспериментально рассмотрено взаимодействие кумулятивной струи с преградой, имеющей осевое отверстие. Определен диаметр отверстия в преграде для беспрепятственного прохождения кумулятивной струи. Установлено значительное снижение бронепробития кумулятивной струи при диаметре отверстия около 0,2 калибра заряда. Это снижение бронепробития объясняется искривлением кумулятивной струи за счет явления рикошета струи на поверхности отверстия.

3. Рассмотрено явление распыления медной кумулятивной струи на тонком вольфрамовом стержне. Результаты работы могут использоваться при решении прикладных задач (образование в преграде пробоины повышенного диаметра, напыления материала струи на поверхность преграды и др.).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Проскуряков Е.В., Сорокин М.В. Особенности взаимодействия кумулятивной струи с преградой // Материалы VI Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». Ежегодное приложение к журналу вестник Академии военных наук: Средства поражения и боеприпасы. - Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2005, с. 62-63.

2. Проскуряков Е.В., Некрашевич А.А., Сорокин М.В. Распыление кумулятивной струи // Материалы VII Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». Ежегодное приложение к журналу вестник Академии военных наук: Средства поражения и боеприпасы. - Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2006, с. 313-315.

3. Proskurjakov Е.V., Sorokin М.V., Fomin V. M. The peculiarities of interaction between a jet stream and obstruction // XIII International Conference on Methods of Aerophysical Research. Proceedings. Part I - Novosibirsk: Inst. Theor. & Appl. Mech., 2007, pp. 171-173.

4. Proskurjakov Е.V., Sorokin М.V., Fomin V. M. Jet stream ricochet // XIII International Conference on Methods of Aerophysical Research. Proceedings. Part III - Novosibirsk: Inst. Theor. & Appl. Mech., 2007, pp. 204-208.

5. Проскуряков Е.В., Сорокин М.В., Фомин В. М. Рикошет кумулятивной струи // ПМТФ. – 2007 - № 5, с. 17-20.

6. Проскуряков Е.В., Сорокин М.В., Фомин В. М. Особенности взаимодействия кумулятивной струи с преградой // Тезисы IХ Забабахинских научных чтений (ЗНЧ-IX), Снежинск 2007, с. 40-41.

Ответственный за выпуск Е.В. Проскуряков

Подписано к печати 18. 09. 2007

Формат бумаги 60´84/16, Усл. печ. л 1,0

Уч. изд. л. 1,0, Тираж 100 экз., Заказ № 377

Отпечатано в типографии НВВКУ

630117, Новосибирск-117, Иванова, 49.

Дата добавления: 2015-05-08