макет боеприпаса для испытания материалов и взрывчатых веществ на метательно-дробящее действие

Формула изобретения

1. МАКЕТ БОЕПРИПАСА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ НА МЕТАТЕЛЬНО-ДРОБЯЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ, содержащий цилиндрический корпус с постоянной толщиной стенки, закрытый с торцов дном и крышкой, и размещенный в корпусе заряд взрывчатого вещества с детонатором, отличающийся тем, что корпус выполнен с отношением длины к внутреннему диаметру 3,8 - 4,2 и отношением толщины стенки корпуса к его наружному диаметру 1/12, или 1/10, или 1/8, или 1/6.

2. Макет по п.1, отличающийся тем, что толщина дна крышки составляет 0,45 - 0,55 от внутреннего диаметра корпуса.

3. Макет по п.1, отличающийся тем, что толщина крышки составляет 0,45 - 0,55 от внутреннего диаметра корпуса, а толщина дна равна толщине стенки корпуса.

4. Макет по любому из п.1,2 или 3, отличающийся тем, что дно и крышка выполнены в виде накладных круглых пластин, скрепленных с корпусом, из материала корпуса или из материала, отличающегося по свойствам от материала корпуса.

5. Макет по п.4, отличающийся тем, что боковая поверхность дна выполнена в виде усеченного конуса с расширением к корпусу, диаметром большего основания, равным наружному диаметру корпуса, и углом при основании 30 - 60^o.

6. Макет по п. 4, отличающийся тем, что дно выполнено с выемкой на внутренней поверхности диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса, и снабжено размещенной в выемке волногасящей прокладкой.

7. Макет по п.6, отличающийся тем, что волногасящая прокладка выполнена из пластмассы.

8. Макет по п.6, отличающийся тем, что волногасящая прокладка выполнена из пористого легкого сплава.

9. Макет по п.4, отличающийся тем, что накладная круглая пластина дна выполнена составной по высоте из двух частей.

10. Макет по п.4, отличающийся тем, что макет снабжен скрепленной с корпусом и дном противоразгрузочной цилиндрической обоймой, выполненной с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру корпуса.

11. Макет по п.10, отличающийся тем, что обойма соединена с корпусом и дном при помощи клеевого соединения.

12. Макет по п.4, отличающийся тем, что крышка выполнена с гнездом под детонатор или генератор плоской детонационной волны.

13. Макет по п.1, отличающийся тем, что дно выполнено за одно целое с корпусом, а крышка выполнена накладной или вставной.

14. Макет по п.1, отличающийся тем, что его внутренний диаметр является членом ряда, построенного по принципу геометрической прогрессии со знаменателем и включающего в себя величину 40 мм.

15. Макет по п.1, отличающийся тем, что он снабжен поддоном для стрельбы из баллистической установки, скрепленным с макетом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к осколочным боеприпасам, а более конкретно к образцам для испытаний материалов корпусов осколочных боеприпасов и взрывчатых веществ (ВВ) на метательно-дробящее действие.

Известны испытательные образцы для определения как метательного, так и дробящего действия ВВ. Широко распространен метод определения метательной способности ВВ с помощью подрыва заряда в длинной медной трубке и измерения радиальной скорости разлета. ("Физика взрыва", изд. 2, М.: Наука., 1975., с. 356-360).

Недостатками метода являются большая относительная длина трубки _o12 (_o = L_o/d_a, L_o - длина трубки, d_a - ее внутренний диаметр), необходимая для устранения торцевых эффектов осевого истечения продуктов детонации (ПД) и приводящая к большому расходу ВВ на один опыт, использование дефицитной меди и невозможность непосредственного получения характеристик дробления корпусов боеприпасов, изготавливаемых в подавляющем большинстве случаев из стали.

В работе H. M. Sternberg "Fragment weight distributim from naturally fragmenting cylinders loaded with various explosives", Navar ordnance laboratory, Maryland, USA, NOLTR 73-83 описан испытательный образец в виде открытого тонкостенного цилиндра с внутренним диаметром d_a = 2 дюйма (50,8 мм), наружным диаметром 2,5 дюйма (63,5 мм) и длиной 9 дюймов (228,6 мм) (относительная толщина стенки _d = _o/d_o = 0,1, относительная длина _o = L_o/d_a = 4,5), изготовленного из стали AISI 1045.

Основным недостатком этого образца является наличие открытых торцов, приводящее к значительной осевой разгрузке ПД, а следовательно, и к неравномерному дроблению цилиндра по его длине. Свободное торцевое истечение особенно сильно сказывается для ВВ с затянутым энерговыделением, к которым относится большинство экономичных смесевых ВВ, представляющих смеси однородных ВВ (гексоген, октоген, ТЭН), окислителей (например, перхлоратов) и горючих (например, алюминиевой пудры). В этом случае торцевая разгрузка приводит к неполному разложению ВВ в торцевых зонах заряда, а следовательно, к значительному искажению моделируемого процесса. Макет - аналог снабжен подгрузочным зарядом ВВ, расположенным на инициируемом торце. Это увеличивает расход ВВ на опыт, что приводит к дополнительному загрязнению атмосферы, но, как показывают расчеты, не устраняет полностью торцевых эффектов. Другим существенным недостатком аналога является фиксация относительной толщины стенки _d0,1, что затрудняет моделирование процессов и отбор материалов и ВВ, обеспечивающих оптимальное дробление, для широкого класса осколочных боеприпасов, в том числе для артиллерийских осколочно-фугасных снарядов и мин, имеющих относительные толщины стенок _d 1/12 - 1/6. К числу недостатков следует отнести также избыточное удлинение камеры макета _o4,5 и значительный диаметр камеры (d_a = 50,8 мм), что приводит к большой массе ВВ ( С 800 г), затрудняющей испытания макета в лабораторных условиях и приводящей к избыточному загрязнению атмосферы продуктами взрыва.

Указанные недостатки устранены в схеме цилиндра с доньями, рассмотренной в статье Одинцова В.А. "Расширение цилиндра с доньями под действием продуктов детонации", Физика горения и взрыва, N 1, 1991, с. 100. Недостатком данной схемы является отсутствие конкретных пропорций и размеров цилиндра, обеспечивающих получение объективной информации о метательно-дробящем действии в конкретных технических объектах - осколочных боеприпасах, в том числе артиллерийских осколочно-фугасных снарядах и минах.

Изобретение направлено на устранение указанных недостатков и увеличение достоверности получаемых данных по метательно-дробящему действию.

Техническое решение задачи состоит в том, что камера цилиндра выполнена с удлинением _o = L_o/d_a 3,8-4,2, относительная толщина стенки варьируется в пределах 1/12 - 1/6, а внутренний диаметр цилиндра имеет градации 25, 32 и 40 мм.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен макет боеприпаса с накладным цилиндрическим дном; на фиг. 2 - накладное дно в форме усеченного конуса; на фиг. 3 - накладное дно с волногасящей прокладкой; на фиг. 4 - накладное дно с пластиной искусственного откола; на фиг. 5 - накладное дно с противоразгрузочной обоймой; на фиг. 6 - накладная крышка с гнездом для капсюля-детонатора; на фиг. 7 - накладная крышка с гнездом для детонатора; на фиг. 8 - накладная крышка с гнездом для генератора плоской волны; на фиг. 9 - макет боеприпаса с глухой камерой и накладной крышкой; на фиг. 10 - макет боеприпаса с глухой камерой и вкладной (ввинтной крышкой); на фиг. 11 - макет боеприпаса с вкладными дном и крышкой; на фиг. 12 - изменение средней длины осколков в зависимости от длины макета; на фиг. 13 - выбывание трещин первичного семейства по длине макета; на фиг. 14 - сверхдлинные осколки основного макета; на фиг. 15 - рентгеноимпульсная регистрация процесса разрушения макета; на фиг. 16 - деформация макета по результатам численного моделирования на ЭВМ; на фиг. 17 - аналог изобретения - осколочный макет NOL; на фиг. 18 - макет в поддоне для контроля на прочность стрельбой из нарезных систем; на фиг. 19 - макет в поддоне для испытания на прочность стрельбой из гладкоствольных систем.

Макет включает в себя корпус 1 с зарядом ВВ 2 и присоединенными к корпусу крышкой 3 и дном 4. В заряде ВВ размещен детонатор 5 с гнездом, в которое вставлен капсюль-детонатор (КД) 6. Крышка снабжена отверстием 7 с диаметром, равным диаметру КД. Дно и крышка скреплены с корпусом с помощью точечной сварки, клеевым соединением или с помощью винтов 8.

На фиг. 2-5 показаны примеры исполнения доньев. На фиг. 2 показано дно, выполненное в форме усеченного конуса с углом 30-60^о. На фиг. 3 дно имеет выемку, в которую уложена волногасящая прокладка 9, выполненная из материала с хорошей динамической сжимаемостью (пластмасса, пористые легкие сплавы и т.п.). На фиг. 4 показано дно со скрепленной с ним круглой пластиной искусственного откола 10. На фиг. 5 дно 4 помещено в противоразгрузочную цилиндрическую обойму 11, имеющую внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру корпуса 1. Обойма скреплена с корпусом 1 и с дном 4 с помощью точечной сварки, клеевого соединения или винтов 12. На фиг. 6, 7 и 8 показаны примеры конкретного исполнения крышек. На фиг. 6 показана накладная крышка по схеме фиг. 1, но выполненная с внешним диаметром, большим диаметра корпуса и снабженная кольцевым выступом 13 для центровки крышки на корпусе. На фиг. 7 показана конструкция с размещением детонатора в цилиндрическом канале крышки. На фиг. 8 показана накладная крышка с размещенным в ее гнезде взрывным генератором 14 плоской детонационной волны. На фиг. 9 показан вариант исполнения макета с глухой камерой и накладной крышкой, на фиг. 10 - вариант с глухой камерой и ввинтной крышкой с размещенным в ней детонатором. На фиг. 11 показана конструкция с вкладными (ввинтными) крышкой и дном.

Подрыв макетов производится в камере с улавливающей средой (опилки, вода, пена, песок и т.д.).

При проведении испытаний желательно избежать разрушения дна и крышки с тем, чтобы исключить возможность попадания их осколков в осколочную массу корпуса 1. Основную опасность представляет разрушение дна вследствие того, что на него воздействует высокое давление, образующееся при отражении от дна падающей детонационной волны. При этом разрушение накладного дна может происходить как за счет выбивания из дна пробки срезом по окружности с диаметром, равным внутреннему диаметру камеры, так и отколом, либо одновременно за счет обоих указанных эффектов. Придание дну формы усеченного конуса (фиг. 2) позволяет избежать выбивания пробки за счет снижения массы периферии дна и уменьшения соответствующих инерционных сил. Откольные эффекты в дне могут быть устранены за счет размещения в выемке дна волногасящей пластины 9 (фиг. 3), выполненной из материала с большой динамической сжимаемостью (с пологой ударной адиабатой), либо за счет использования пластины искусственного откола 10 (фиг. 4), уносящей основную часть импульса продуктов детонации и предотвращающей откольное разрушение основного дна 4. Вариант исполнения дна макета, показанный на фиг. 5, предназначен для одновременного определения дробящего действия и метательной способности ВВ. С этой целью дно 4 выполняется из того же материала, что и материал корпуса 1, с той же толщиной _o. Метательная способность ВВ определяется по измеренной при подрыве скорости дна.

Откольные и другие эффекты разрушения дна могут быть значительно ослаблены за счет использования для изготовления крышек более вязких и пластичных материалов, чем материал цилиндра (медь, латунь, низкоуглеродистая сталь и т.п.).

Размещение детонатора в крышке (фиг. 7 и 10) позволяет упростить процедуру снаряжения макета за счет исключения операции формовки в заряде гнезда под детонатор. С другой стороны, наличие в крышке отверстия большого диаметра приведет к частичной разгрузке давления вследствие истечения продуктов детонации через отверстие. Как показано численным моделированием процесса на ЭВМ, для заряда из однородных ВВ с энерговыделением на фронте детонации наличие отверстия в крышке с диаметром, равным половине диаметра камеры, не приводит к значительному изменению закона нагрузки в зоне, примыкающей к крышке.

Схемы с глухой камерой (фиг. 9 и 10) наиболее близки к схеме реальных осколочно-фугасных снарядов. При изготовлении цилиндра прессовыми операциями они позволяют наиболее полно воспроизводить структуру и анизотропию металла. Основным недостатком схем с глухой камерой является трудность отделения осколков дна от осколков цилиндрической части корпуса. Кроме того, недостатком схемы фиг. 10 (а также и схемы фиг. 11) является то, что в зонах Q и R дробление цилиндра происходит не под действием контактной нагрузки продуктов детонации, а под действием ослабленного импульса, передаваемого через крышку и дно цилиндра, т.е. физика дробления этих зон меняется.

Основными безразмерными параметрами, определяющими геометрию образца, являются удлинение камеры _o = L_o/d_a, относительная толщина стенки _d = _o/d_o и относительная толщина крышки = h_к/d_а и дна = h_д/d_а.

Удлинение камеры цилиндра _o = L_о/d_а определяется из условия

_o" _{o o}*,

Ограничение сверху _o" _oпроистекает из условия реализации максимальной длины первичного осколка с целью выявления склонности металла корпуса к саблеобразованию, т.е. к образованию длинных осколков, в том числе и осколков с длиной, равной длине макета (полос). Для определения границ _o проводились подрывы макетов с внутренним диаметром d_а 25 мм, толщиной стенки _o 6,25 мм (_d = _o/d_о = 1/6), толщиной дна и крышки 12,5 мм ( = = 0,5), изготовленных из сталей 20 и 60. Варьировалась длина камеры L_o, а следовательно, и удлинение камеры _o = L_о/d_а. В каждом подрыве определялось среднее значение l₅ для выборки 5 наиболее длинных осколков спектра. Результаты экспериментов представлены на графике фиг. 12 ( - сталь 20, - сталь 60). Для обоих сталей кривые l₅ = f(L_о) имеют максимум при L_о 100 мм, т. е. при _o 4. Наличие максимума объясняется тем, что с увеличением длины цилиндра склонность к разрушению образовавшихся полос, т.е. осколков с длиной, равной длине цилиндра, непрерывно возрастает. Это объясняется как статистическим накоплением в осколке опасных дефектов, так и возрастанием вероятности излома длинного осколка при внедрении его в тормозящую среду ловителя. Допустимые границы отклонения _o+ устанавливаются из анализа процесса взаимодействия системы трещин при распространении внутри цилиндра детонационной волны. Показано, что процесс выбывания (гибели) первичных магистральных трещин по длине цилиндра на заключительной стадии характеризуется крутым спадом функции = f(_o) ( = n₁/n₁₀ - относительное число сохранившихся первичных магистральных трещин, n₁₀ - исходное число первичных магистральных трещин). На фиг. 13 показан ход расчетной кривой = f(_o) для варианта А, отвечающего наиболее характерному сочетанию сталь 60 - флегматизированный гексоген-алюминий (макет d_а = 40 мм, _d = 1/6). Для сравнения приведены кривые В (сталь 60 - флегматизированный гексоген) и С (высокоуглеродистая сталь - флегматизированный октоген). Классификация режимов в зависимости от скорости выбывания первичных трещин имеет вид:

, (_o) [0, ] - режим единичных "полос"

, (_o) [, ] - промежуточный режим

, (_o) [, 1] - режим "полос"

Величина интервала _o+ должна быть выбрана такой, чтобы в интервале было обеспечено постоянство реализуемого режима, т.е. в предельном случае должны выполняться условия

(_o- ) = 2/3

(_o+ ) = 1/3. По результатам расчета находим (см. также фиг. 13) = 0,2, т.е.

_o= 4,00,2.

Реализация режима полос для макета d_а = 40 мм, _o = 10 мм, L_о = 160 мм подтверждена экспериментально (фиг. 14).

Диапазон изменения относительной толщины стенки _d = _o/d_о в реальных боеприпасах обычно составляет 0,05 - 0,20. В данном наборе испытательных макетов с варьируемой величиной _d может быть зафиксирован: внешний диаметр d_о; внутренний диаметр d_а; толщина стенки _o. Оптимальной является схема с фиксированным внутренним диаметром d_a.

Основные преимущества этой схемы: отсутствие масштабного эффекта вследствие неполноты детонации в наружном слое заряда ВВ; отсутствие масштабного эффекта (МЭ) по ширине ступеньки скольжения на внутренней поверхности цилиндра; возможность унификации операций снаряжения ВВ и прессового оборудования для этих целей; возможность унификации технологической оснастки при изготовлении цилиндров, в частности оправок, для раскатки и поперечно-винтовой прокатки.

Значения _d выбираются из параметрического ряда 1/12, 1/10, 1/8, 1/6.

Выбор относительной толщины доньев h/d_а определяется условием малости влияния торцевых эффектов на радиальную скорость оболочки V_о. Это условие имеет вид

, где V_о - радиальная скорость оболочки, полученная из одномерного решения (донья бесконечной массы)

V_о^* - радиальная скорость оболочки с учетом перехода части энергии ВВ в кинетическую энергию доньев.

Причем, что относительное снижение скорости не должно превышать относительного разброса начальной скорости за счет колебания плотности ВВ, влияния допусков на толщину оболочки и т.п. Для макета эта величина составляет = 0,0220%.

Скорость V_о^* для доньев одинаковой массы определяется по формуле

v^*_o= , где = С/М, _o = L_о/d_а, = 4 _o М_д/М.

Для рассматриваемой схемы при одинаковой плотности материалов цилиндра и доньев (h_д = h_к = h)

= 4 (_o = d_а/d_о). При бесконечно большой массе доньев М_д-> получаем известную формулу Покровского - Джерни

v_o= Величина коэффициента нагрузки определяется по формуле

= = = .

Принимая _o = 1700 кг/м³, _o = 7850 кг/м³, D = 8000 м/с, _d = 1/6 (_o = 2/3), получим = 0,173 и далее, при _o = 4, принимая = 0,0220%, получим h/d_а = 0,050,05. Незначительный сдвиг заднего дна за время разрушения макета подтверждается данными рентгеноимпульсной съемки (фиг. 15). Как показано численным моделированием сдвиг заднего дна за время разрушения макета при этой относительной толщине обеспечивает снижение давления у дна не более, чем на 10% по сравнению с отражением от неподвижной стенки, что находится в пределах погрешностей расчетов. Наряду с основным размером дна h = 0,5 d_а, применяемым для создания одномерного расширения, предусмотрен вариант с использованием дна толщиной h = _o, изготавливаемого из материала цилиндра. Скорость дна измеряется, что позволяет в одном эксперименте определить как дробящие свойства ВВ (по получаемому спектру осколков), так и метательную способность ВВ (по скорости крышки).

В качестве основного выбран цилиндр с внутренним диаметром d_а = 40 мм. Этот выбор обусловлен необходимостью обеспечить достоверность моделирования процессов дробления в натурных образцах, главным образом, в осколочных и осколочно-фугасных артиллерийских снарядах и минах. Показано, что МЭ в процессах дробления имеет место, но является довольно слабым. Например, зависимость числа окружных делений от внутреннего радиуса имеет вид

n = Ka_о^1/4.

Учитывая, что прирост числа n^(н) в натуре (в снаряде) по отношению к числу n^(м) в модели (макете) должен быть в разумных пределах ограничен и принимая

n^(н) - n^(м) 6_n^(м) _n^(м) - среднеквадратическое отклонение. Введя коэффициент вариации V_n =_n^(м)/n^(м)

n^(н)/n^(м) - 1 6 V_n

Далее учитывая, что

(n^(н)/n^(м)) = (d_а^(н)/d_а^(м))^1/4 получаем следующее условие

d⁽_a^m)

Величина V_n по данным испытаний макетов 0,05. Верхний границей калибров полевой артиллерии можно принять d_о^(н) = 152 мм (в странах НАТО - 155 мм). (Калибр d_о = 203 мм не является массовым калибром). При _d = 1/8 (_o = 0,75) получаем d_а^(н) = _o d_о^(н) = 0,75152 = 114 мм, откуда d⁽_a^м)= = = 40 мм Имеется еще ряд существенных соображений, поддерживающих выбор d_а = 40 мм.

1) согласно результатам одномерного моделирования при d_а = 40 мм, _d = 1/6 в средней по толщине зоне стенки цилиндра реализуется удельный импульс растяжения it = 5 ГПа мкс, достаточный для образования разрывно-волновой зоны, что позволяет проверить на цилиндре действие разрывно-волновых эффектов;

2) для ряда материалов сохраняется возможность определения характеристик механики разрушения материала цилиндра, в частности трещиностойкости K_1с. При использовании метода изгиба цилиндрических образцов с кольцевой трещиной на диаметр образца d накладывается ограничение

d 4,5 (К_1с/_0,2)², где К_1с в Н/мм^3/2; _0,2 в Н/мм²; d в мм.

Для перспективных материалов отношение К_1с/_0,2 может снижаться до 0,8 - 1,5, что позволяет использовать образцы, вырезанные непосредственно из стенки цилиндра, толщиной 6,67 и 10 мм соответственно при _d = 1/8 и 1/6. В последнем случае из стенки может быть вырезан также стандартный образец (10 х 10 х 55 мм) для определения ударной вязкости а_н (KCU, KCV, KCT) по ГОСТ 9454-78;

3) ограничение снизу d_а 40 мм вытекает из условия полноты детонации заряда ВВ, особенно для смесевых ВВ с большим содержанием алюминиевой пудры, перхлората калия и т.п. Известно, что при стандартном определении бризантности ВВ по обжатию свинцового цилиндра (ГОСТ 5984-51) диаметр заряда составляет 40 мм;

4) ограничение сверху dа 40 мм определяется условиями подрыва основного цилиндра в лабораторных вакуум-камерах, максимальная масса заряда ВВ для которых обычно не превышает 400 - 500 г. Аналогичное ограничение вытекает из условий высокоскоростной оптической съемки процесса разрушения цилиндров.

На фиг. 17 показан осколочный макет Морской артиллерийской лаборатории США (NOL), принятый в качестве аналога (15 - стальной корпус, 16 - заряд ВВ, 17 - тетриловый детонатор, являющийся одновременно подгрузочным зарядом, 18 - деревянная шайба, 19 - капсюль-детонатор).

В целях получения комплексной информации о поведении исследуемого материала при функционировании в снаряде предусмотрены баллистические (ударные) испытания предлагаемых осколочных макетов. Метание макета с инертным заполнением производится с помощью поддона дном макета вперед в бетонную или кирпичную стенку. На фиг. 18 показан макет 20, помещенный в поддон 21 и соединенный с ним винтовой втулкой 22, для стрельбы из нарезных систем. На фиг. 19 показан макет 20 с присоединенным к нему поддоном 21 и передней ведущей втулкой 23, предназначенный для стрельбы из гладкоствольных систем.

Экономический эффект от внедрения изобретения будет обеспечен за счет замены дорогостоящих натурных испытаний боеприпасов при отработке новых осколочных материалов, ВВ, технологических процессов испытаниями макетов.