Осколочное действие боеприпасов

Осколочным действием обладают все средства поражения, в конструкции которых имеется заряд ВВ, заключенный в металлическую оболочку.

При взрыве таких боеприпасов давлением образующихся продуктов детонации цилиндрическая оболочка заряда деформируется, приобретая бочкообразную форму. При этом толщина оболочки уменьшается и максимальное уменьшение (до 50%) имеет место посредине длины оболочки, там, где воздействие взрывных нагрузок максимально.

Достигнув определенной степени расширения, при которой максимальный диаметр тонкостенной оболочки может примерно в 1,5 раза превосходить ее начальный диаметр, оболочка разрушается и дробится на отдельные осколки, разлетающиеся в направлениях, примерно перпендикулярных поверхности оболочки к моменту ее разрушения.

Общее количество осколков, их начальная скорость разлета, количество осколков, имеющих ту или иную массу и летящих в тех или иных направлениях, зависят от таких конструктивных параметров средств поражения, как:

- форма корпуса;

- свойства металла корпуса;

- свойства ВВ,

- калибр;

- коэффициент наполнения.

Если не предпринимать никаких конструктивных мер для дробления корпуса на осколки заданной массы (естественное дробление), то при взрыве образуются осколки массой от долей грамма до нескольких сот граммов. При этом, чем меньше масса осколков, тем больше таких осколков образуется при взрыве. Общее число осколков боеприпасов малого калибра составляет несколько сот, а у крупного калибра – несколько тысяч штук.

Рис. 4.5. Гистограмма t*(q,) и дифференциальный закон t(q) распределения осколков по величине масс q

Современная теория боеприпасов осколочного типа показывает, что при прочих равных условиях большей эффективностью обладают БЧ с дроблени­ем корпусов на осколки компактной формы и заданной в известном смысле оптимальной массы.

Закон распределения осколков по массе при организованном дроблении приводится на рисунке.

Рис. 4.7. Законы распределения (дифференциальный и интегральный) осколков по величине масс:

а – при полурегулярном и б – регулярном дроблении

корпусов на осколки

Для обеспечения дробления корпуса на осколки заданной массы в настоящее время используются способы полурегулярного и регулярного дробления.

Один из первых способов полурегулярного дробления корпусов является пилообразный профиль внутренней поверхности литого корпуса осколочных и осколочно-фугасных авиабомб (рис. 4.8, а). В процессе взрыва заряда и расширения корпусов их разрушение начинается в местах с минимальной толщиной стенок δ_min, вследствие чего корпус как бы разрывается на отдельные кольца. В дальнейшем дробление отдельных колец происходит случайным образом.

Аналогичным образом идет процесс формирования осколков корпусов БЧ, набранных из отдельных заранее изготовленных колец или представляющих собой пруток прямоугольного сечения, навитый на металлический стакан в виде пружины (рис. 4.8, б).

К способам полурегулярного дробления корпусов следует отнести также использование пластмассовых «рубашек» с кумулятивными выемками (рис. 4.8, в). Рубашки в процессе изготовления зарядов заполняются ВВ. При детонации заряда в выемках рубашки формируется газовая кумулятивная струя, создающая повышенные концентрации напряжений на поверхности примыкающего к ней металлического корпуса, что и обеспечивает образование осколков примерно одинаковой массы.

Примерно таким же способом обеспечивается формирование осколков с относительно небольшой разницей масс, когда корпус предварительно обрабатывается лазерным лучом, создающим в узких щелях микроструктуру металла с более низкими прочностными свойствами (рис. 4.8, г).

Рис. 4.8. Способы полурегулярного дробления корпусов на осколки

Регулярное дробление корпусов на осколки одинаковой массы и формы может быть обеспечено путем формирования на одной или обеих поверхностях стенок корпуса глубоких выточек (канавок), которые заметно ослабляют прочность стенок по указанным сечениям (рис. 4.9, а, в).

Наиболее совершенный способ регулярного дробления корпусов БЧ наблюдается в том случае, когда их стенки представляют собой наборы из заранее изготовленных осколков заданной массы и формы (рис. 4.9, б, г). В этом случае пространство между отдельными осколками заполняется сплавами легких металлов, пластмассой или клеящими составами. Однако необходимо иметь в виду, что в этом случае при взрыве заряда практически сразу же нарушается целостность корпуса. В образовавшиеся между осколками зазоры начинается интенсивное истечение продуктов детанации, вследствие чего сами осколки могут заметно оплавляться, а их начальная скорость при этом весьма существенно уменьшается.

φ

Рис. 4.9. Способы регулярного дробления корпусов на осколки

При взрыве БЧ образуется осколочное поле – поток осколков, характе­ризующийся направлением и скоростью движения, а также плотностью, т. е. количеством осколков, приходящихся на единицу той площади, которую они пересекают.

Плотность потока осколков является одной из важнейших харак­теристик, определяющих возможность попадания осколков в цель. Так как сама цель в общем случае может находиться в совершенно произвольном на­правлении по отношению к оси БЧ, то при решении задачи по определению вероятности попадания осколков в цель необходимо, прежде всего, знать, сколько вообще осколков летит в данном направлении.

Ответ на данный вопрос дает так называемый закон разлета осколков. Он представляет собой зависимость относительного числа осколков, летящих в заданном направлении относительно оси БЧ.

Обычно это направление задается в сферической системе координат двумя углами – углом θ в экваториальной и углом φ в меридианной плоскостях (рис. 4.11).

Сферическая система координат

Угол φ отсчитывается от оси БЧ и может изме­няться от 0 до π. Угол θ изменяется от 0 до 2 π, а начало его отсчета выбирается произвольно ввиду симметрии БЧ и, следовательно, постоянной плотности потока осколков для всех направлений, определяемых этим углом.

Таким образом, задача нахождения закона разлета осколков сводится к установлению относительного количества осколков, летящих в направлениях, определяемых углом φ в меридианной плоскости.

Решение этой задачи может быть получено как теоретически, так и опытным путем.

Важным вопросом, с которым приходится сталкиваться при проектировании осколочных БЧ, является изыскание способов управления законами разлета осколков. На рисунке 4.15 показаны зависимости, отражающие изменение характера функций f (φ) при изменении положения точки инициирования цилиндрической БЧ и изменении формы самой БЧ.

Следует подчеркнуть, что наличие аналитических выражений для законов разлета осколков дает возможность решать целый ряд обратных задач. Например, может оказаться необходимым определение такой формы БЧ, при которой в данном направлении обеспечивается требуемая плотность потока осколков.

Управление законом разлета осколков путем изменения:

а) – точки инициирования 1, 2, 3; б) формы БЧ.

Однако следует учитывать, что рассмотренные законы распределения характеризуют относительное количество осколков, летящих в указанных направлениях, и определяют случаи взрыва неподвижных БЧ. Поэтому их принято называть законами разлета осколков в статике.

В реальных условиях взрыва БЧ может иметь скорость движения V₁, поэтому общая абсолютная скорость V₀₁ каждого осколка, а следовательно, и его направление полета φ^‘, будут отличаться от тех значений V₀ и φ, которые он имел бы при подрыве неподвижной БЧ (рис. 4.16).

В таком случае необходимо уметь определять начальную скорость движения осколков V₀₁, но и перестраивать законы распределения разлета осколков.

Начальная скорость осколков является важной характеристикой поражающего действия и зависит главным образом от коэффициента наполнения и заключена в пределах от 800 до 2500 м/с.

Разлетаясь от точки взрыва, осколки под действием силы лобового сопротивления теряют свою скорость тем интенсивнее, чем меньше масса осколка. Так, осколок массой 50 г, близкий по форме к кубику, имея начальную скорость 1500 м/с, пролетев 50 м, еще будет иметь скорость 1050 м/с, а в тех же условиях скорость осколка массой 1 г будет равна 415 м/с.

При попадании в цель осколок способен поразить различные ее жизненно важные агрегаты за счет эрозионного, пробивного, зажигательного и инициирующего действия, а также за счет аэро- и гидроудара при воздействии по соответствующим элементам конструкции цели плотного потока осколков.

Под эрозионным действием осколков понимается их проникновение в полубесконечные преграды, то есть в преграды такой толщины, которые непосредственно осколком не пробиваются.

В этом случае при соударении осколков в преграде могут образовываться вмятины, воронки или кратеры, сопровождаемые выносом массы преграды.

Конкретный вид повреждений, имеющих место на поверхности преграды, весьма существенно зависит от скорости осколка.

При относительно небольших скоростях осколков образуются сравнительно неглубокие вмятины, форма которых соответствует форме проникающей части осколка.

Для осколков той же массы, но имеющих большую скорость, при соударении образуется воронка, контуры и размеры которой соответствуют наибольшей площади миделя осколка. По краям воронки создаются характерные наплывы из вытесненного металла. Объем образовавшейся воронки соизмерим с объемом осколка, а ее контур и размеры практически совпадают с формой и размерами наибольшей грани осколка.

Если же скорость осколка еще больше и превосходит величину порядка 2500–3000 м/с, то в преграде образуется характерная кратерообразная воронка, объем которой существенно превосходит объем осколка, а форма близка к полусферической независимо от его формы. Процесс соударения в этом случае носит взрывной характер.

Расчеты показывают, что при скоростях, превосходящих 3000 м/с, метаемое тело имеет кинетическую энергию, соизмеримую с энергией взрыва тротила такой же массы.

Пробивное действие осколков проявляется в виде механических повреждений отдельных элементов конструкции цели, приводящих к их разрушению и в зависимости от важности и роли элемента в процессе функционирования цели к той или иной степени ее поражения.

Частной характеристикой пробивного действия осколка является толщина пробиваемой преграды, которая зависит от массы и формы осколка, его скорости, угла встречи и свойств преграды.

Наибольшей пробивной способностью обладают осколки компактной формы. Так, например, осколок кубической формы массой 10 г способен при скорости 1500 м/с пробить стальную преграду толщиной 14 мм.

С увеличением скорости и массы осколка толщина пробиваемой преграды, естественно, увеличивается.

Пробивное действие осколков уменьшается при уменьшении углов встречи. При малых углах встречи (10–20°) осколки рикошетируют от преграды.

При прочих равных условиях толщина пробиваемых дюралевых преград примерно вдвое больше пробиваемых толщин стальных преград.

Зажигательное действие осколков проявляется в виде пожара, возникающего при попадании их в баки с горючим и агрегаты топливной системы двигателей воздушных и наземных целей.

Основной причиной, приводящей к воспламенению горючего, является наличие перед баками и трубопроводами металлических экранов, например обшивки самолета.

При пробитии такого экрана за его тыльной стороной образуется огромное количество раскаленных мелких частиц-осколков, выбитых из материала экрана. Если при этом осколок образовал пробоину в находящейся за экраном емкости с топливом, то становится возможным непосредственный контакт факела этих раскаленных частиц с парами выливающегося из пробоины топлива, что с известной вероятностью может привести к воспламенению и последующему горению топлива.

При попадании осколка в паровоздушную фазу (над уровнем топлива) воспламенение паров и их горение могут привести к взрыву емкости.

Частной характеристикой зажигательного действия осколка заданной массы является его скорость V_З, при которой вероятность воспламенения топлива равна 0,5. Так, например, для осколка массой 1 г эта скорость равна 3000 м/с. Заметим, что при этом надежное воспламенение топлива происходит при скорости осколка, равной 3500 м/с, но воспламенение будет отсутствовать при скорости порядка 2500 м/с. Естественно, что с увеличением массы осколка значение скорости уменьшается.

Инициирующее действие осколков проявляется при их попадании в бомбы, боевые части или двигатели твердого топлива ракет.

Если осколок обладает достаточной массой и имеет большую скорость встречи, то он способен, пробив оболочку заряда ВВ или камеру ракетного двигателя, вызвать соответствующие реакции взрывчатого превращения.

Основной причиной таких реакций является возникновение ударной волны в заряде ВВ (или твердом топливе), на фронте которой вещество подвергается сильному сжатию и нагреву.

В случае если удар был достаточно сильным, то в точке удара происхо­дит термическое разложение заряда ВВ (пороха) и ударная волна, подпитываемая энергией, выделяющейся при разложении ВВ, превращается в детонационную волну, которая уже самопроизвольно будет распространяться по всей массе заряда.

Частной характеристикой инициирующего действия осколка заданной массы является его скорость V_И, при которой вероятность инициирования равна 0,5.

Значение этой скорости зависит от толщины оболочки заряда и типа ВВ. Так, для осколка массой 5 г при попадании в заряд тротила, находящийся в 5-мм стальной оболочке, эта скорость равна 1700 м/с. Вероятность инициирования достигает единицы при скоростях выше 2000 м/с и равна нулю при скорости ниже 1500 м/с.

При попадании такого осколка в ракетный двигатель твердого топлива с толщиной стенок 5 мм скорость V_И равна 980 м/с.

Аэро- и гидроудар. В некоторых конструкциях средств поражения (главным образом в конструкциях боевых частей управляемых ракет класса «воздух – воздух») обеспечивается создание плотного потока осколков, т.е. повышенного числа осколков, приходящихся на 1 м² площади цели.

При попадании такого потока осколков в замкнутый воздушный объем или объем, заполненный какой-либо жидкостью, эти элементы конструкции цели могут быть разрушены за счет явлений аэро- и гидроудара соответственно.

Явление аэроудара обусловлено тем, что после пробития плотным потоком осколков передней стенки замкнутого воздушного объема баллистические (ударные) волны (рис. 2.2) от каждого летящего со сверхзвуковой скоростью осколка и выбиваемых из входной стенки вторичных осколков суммируются и многократно отражаются от стенок замкнутого объема. А так как при отражении ударных волн от стенок действующая на них нагрузка резко возрастает, то это может привести к их разрушению.

Рис. 2.2. Ударные волны плотного потока осколков

Степень разрушения таких элементов цели аэроударом определяется плотностью потока осколков, их массой и скоростью. Например, при плотности потока 8 оск/м² осколками массой 10 г, имеющими скорость 1650 м/с, при попадании их в замкнутый объем 0,3 м³ с толщиной стальных стенок 3 мм обеспечивается полное разрушение такого элемента конструкции цели (как бы в результате взрыва заряда ВВ внутри).

С увеличением скорости осколков и их массы требуемая плотность по­тока уменьшается.

В отличие от аэроудара при гидроударе, когда плотный поток осколков попадает в емкости, наполненные жидкостью, разрушающее действие обеспечивается в основном не за счет волновых процессов, а гиропотоком плохо сжимаемой жидкости, пришедшей в движение при внедрении в нее осколков.

При прочих равных условиях гидроудар приводит к значительно более сильным, чем аэроудар, разрушениям элементов конструкции цели.

Дата добавления: 2014-01-05