элемент динамической защиты (варианты)

Формула изобретения

1. Элемент динамической защиты, выполненный в виде многослойной пластины с внешними слоями из инертного высокоплотного вещества и внутренним слоем из взрывчатого вещества, инициируемого при давлении ударной волны, превышающем заданный уровень, отличающийся тем, что слой взрывчатого вещества выполнен толщиной, меньше критической толщины распространения детонации.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что по обе стороны слоя взрывчатого вещества расположены слои из инертных в химическом отношении материалов, которые примыкают к нему.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что по одну сторону от слоя взрывчатого вещества расположен слой из инертного в химическом отношении материала, который примыкает к нему.

4. Элемент динамической защиты, выполненный в виде многослойной пластины с внешними слоями из инертного высокоплотного вещества и внутренним слоем из взрывчатого вещества, инициируемого при давлении ударной волны, превышающем заданный уровень, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными внутренними слоями из взрывчатого вещества, при этом между слоями взрывчатого вещества расположены слои из инертного в химическом отношении материала, а слои взрывчатого вещества выполнены толщиной, меньшей критической толщины распространения детонации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оборонной технике и может быть использовано при разработке устройств защиты от действия снарядов с кумулятивными зарядами, в частности от кумулятивных БЧ тандемного типа.

Известны защитные устройства, содержащие внутренний слой взрывчатого вещества, облицованного двумя наружными слоями инертного материала большой плотности, в частности металла, именуемые "динамической защитой" или "реактивной броней", обеспечивающие защиту от действия кумулятивных струй, формируемых при срабатывании кумулятивных зарядов или от кинетических снарядов (см. например, патент ФРГ №2008156, от 21.02.1970; патент Франции №2436361, от 13.03.1974; патент Великобритании №1581125 от 01.04.125 от 01.04.1974). Указанная "динамическая защита" в виде контейнеров, именуемых "элементами динамической защиты" (ЭДЗ) (см. например, Динамическая противокумулятивная защита / Б.В. Войцеховский, В.Л. Истомин // Физика горения и взрыва, 2000, т.36, №6, с.87-90; или монографию "Физика взрыва" под. ред. Л.П.Орленко, изд.3, Т.2, М. - ФИЗМАТЛИТ, 2002) используется в составе устройств защиты преград от действия различных снарядов, в особенности кумулятивных снарядов и мин, путем установки ЭДЗ под углом примерно 30-60° к ожидаемому направлению движения кумулятивной струи (КС). Кумулятивная струя, образующаяся при срабатывании кумулятивного заряда, инициирует взрывчатое вещество, размещенное между инертными слоями, вызывая их метание практически в направлении нормали к поверхности ЭДЗ. При этом, в связи с наличием угла между направлением движения стенки ЭДЗ и КС, происходит их взаимодействие, приводящее к разрушению всей или большей части КС, что обеспечивает снижение поражающей способности указанных кумулятивных снарядов и мин.

Известно также размещение между стенками ЭДЗ нескольких слоев, часть из которых является слоями взрывчатого вещества, а часть - слоями инертных в химическом отношении материалов (см. Combination of Inert and Energetic Materials in Reactive armor Against Shaped Charge Jets / A.Holzwarth, K.Weimann // Proc. 19^th International Symposium on Ballistics, 7-11 May 2001, Interlaken, Switzerland/ - p.1523-1530).

Известны конструкции невзрывной противокумулятивной динамической защиты, в которой вместо слоя ВВ между наружными инертными слоями материала с большой плотностью размещается внутренний слой инертного в химическом отношении материала, именуемого "наполнителем", такого, например, как пластмасса, резина, парафин, или смеси на их основе. При проникании КС через такой "невзрывной" ЭДЗ в наполнителе формируется расходящаяся ударная волна (УВ), под воздействием которой осуществляется ускорение материала наружных слоев, окружающих место попадания КС. Из за быстрого снижения давления в УВ (затухания УВ) ускорение внешних слоев локализовано в близи места попадания КС в элемент невзрывной ДЗ. Несмотря на ограничение размеров зоны, в которой происходит ускоренное движение внешних слоев ЭДЗ с инертным наполнителем, уменьшение глубины бронепробивного действия за счет разрушения высокоскоростной части КС может доходить до 65-70% (см. Невзрывная противокумулятивная динамическая защита / С.А.Бодров, В.А.Григорян, Н.С.Дорохов, И.Ф.Кобылкин, Д.А.Рототаев // В сб. докладов II научной конференции Волжского регионального центра РАРАН "Современные методы проектирования и отработки ракето-артиллерийского вооружения". - Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003. - с.373-382). Считается, что применение невзрывных ЭДЗ наиболее перспективно при создании устройств защиты от действия кумулятивных зарядов, размещаемых в контейнерах для перевозки радиоактивных материалов, легковых автомобилях и других конструкциях - там, где собственное бронирование конструкции или ее содержимое препятствуют использованию в составе защиты большого количества взрывных ЭДЗ, являющихся не чем иным, как зарядами ВВ, групповое срабатывание которых может привести к разрушениям защищаемой конструкции, большим, чем будет произведено при действии одного кумулятивного заряда.

Известны устройства защиты преграды от снарядов (см., например, патент США №5070754 от 10.12.91), в которых совмещены ЭДЗ, содержащие ВВ, и ЭДЗ, содержащие инертный наполнитель.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому результату является защитное устройство от снарядов, в особенности от кумулятивных зарядов, по патенту США №4368660 от 18.01.1983. Конструкция элемента динамической защиты по данному патенту выполнена в виде плоского элемента, образованного слоем взрывчатого вещества, который с лицевой и тыльной стороны покрыт слоями инертного высокоплотного вещества. Взрывчатое вещество для ЭДЗ выбирается из условия способности к инициированию в нем детонации ударной волной заданной интенсивности, однако должно быть стойким к воздействию открытого огня пожара, воздействию пуль, мелких осколков и других "слабых" источников ударной волны. В частности, в указанном патентном описании в качестве взрывчатого вещества предлагается использовать взрывчатые составы со скоростью детонации более 2000 м/с, содержащие гексоген, октоген, тетрил, тэн, ТНТ или их смеси, обладающие способностью к инициированию при воздействии ударной волны с давлением 10 кбар.

Известно (см. К.К.Андреев, А.Ф.Беляев. Теория взрывчатых веществ. - М.: Государственное научно-техническое издательство ОБОРОНГИЗ, 1960, стр.193-210), что детонацией называется самоподдерживающаяся экзотермическая реакция, распространяющаяся по взрывчатому веществу со сверхзвуковой постоянной скоростью. Процесс возникновения детонации определяется выполнением ряда необходимых начальных условий, таких, например, как уровень действующего ударного воздействия, температура заряда, величина начальной плотности, количество примесей и т.д. Одним из таких необходимых начальных условий является уровень давления инициирующей ударной волны, использованный в патенте-прототипе.

Однако обеспечение только требуемого уровня давления инициирующей ударной волны не гарантирует возникновения распространяющейся по взрывчатому веществу детонационной волны. Необходимо, чтобы был выполнен еще ряд условий, обеспечивающих распространение самоподдерживающейся экзотермической реакции. В частности, на основании большого количества экспериментальных работ по исследованию процесса детонации взрывчатых веществ (см. Физика взрыва, монография, под. ред. К.П.Станюковича, изд. 2-е, перераб. - М.: Глав. ред. физ. мат. литературы изд-ва "Наука". - с.212-235) можно считать установленным факт, что у цилиндрического заряда из любого взрывчатого вещества существует некоторый предельный размер (критический диаметр d_кр ), превышение которого гарантирует распространение детонации по заряду с постоянной скоростью.

В зарядах, диаметр которых меньше d_кр распространение детонации по заряду невозможно при любом, по уровню давления инициирующей ударной волны, воздействии. Величина d_кр для данного взрывчатого вещества не является постоянной и зависит от плотности заряда, характеристик материала оболочки и ее толщины, а также количества инертных примесей.

Для плоских зарядов взрывчатого вещества также существует понятие "критической толщины", при превышении которой условия распространения детонации по слое обеспечиваются. Критическая толщина плоского заряда, так же как и критический диаметр у зарядов цилиндрической формы, зависит от химической природы ВВ, наличия и толщины внешних слоев, а также от характеристик материала внешних слоев.

Значение критического диаметра (критической толщины) определяется экспериментально для конкретных условий размещения взрывчатого вещества в разрабатываемой конструкции путем определения места прекращения процесса детонации в заряде, диаметр (толщина) которого непрерывно или ступеньками уменьшается в направлении от места инициирования.

Известные из литературы минимальные значения критических диаметров имеют первичные ВВ, такие как азид свинца (0.01-0.02 мм), максимальные - смесевые взрывчатые составы, такие, например, как смеси тротила с аммиачной селитрой (12-15 мм). При этом введение во взрывчатый состав инертных добавок может привести к значительному изменению величины критического диаметра (критической толщины).

Описанное в патенте США №4368660 техническое решение, как наиболее близкое к заявляемому по технической сущности и достигаемому техническому результату, выбрано за прототип.

Признаки прототипа, общие с заявляемой конструкцией: элемент динамической защиты выполнен в виде многослойной пластины с внешними слоями из инертного высокоплотного вещества и среднего слоя из взрывчатого вещества, инициируемого при давлении ударной волны, превышающем заданный уровень.

Указанный прототип имеет ряд недостатков, которые приводят к снижению его эффективности. В частности, существенным недостатком конструкции прототипа является необходимость выбора требований к свойствам ВВ, обеспечивающим, при выполнении условия инициирования детонации, распространение детонации по всему взрывчатому веществу элемента динамической защиты. Это приводит к увеличению уровня взрывного воздействия ЭДЗ на защищаемый объект и снижению уровня защиты от пробивного действия кумулятивных боеприпасов тандемного типа.

Технической задачей устранения вышеуказанного недостатка является снижение уровня взрывного воздействия ЭДЗ на защищаемый объект и повышение уровня защиты от пробивного действия кумулятивных боеприпасов тандемного типа.

Действительно, если при воздействии кумулятивной струи или другого высокоскоростного снаряда по ЭДЗ, выполненному в соответствии с патентом-прототипом, выполняются условия инициирования детонации ВВ среднего слоя, то детонация распространяется по всему среднему слою. При этом происходит выброс из защищаемой зоны инертных стенок ЭДЗ и разрушение содержащего ЭДЗ контейнера. В результате чего за время не более милисекунды защитная способность устройства в зоне размещения указанного ЭДЗ нейтрализуется. Этот недостаток патента-прототипа учитывается при разработке боеприпасов тандемного типа, содержащих два последовательно срабатывающих кумулятивных заряда - лидирующий и основной. Действие этих боеприпасов основано на способности кумулятивной струи лидирующего заряда производить описанный выше процесс нейтрализации ЭДЗ, и способности кумулятивной струи основного заряда осуществлять поражение преграды, потерявшей свою защиту в зоне расположения нейтрализованного ЭДЗ.

В отличие от известного элемента динамической защиты, выполненного в виде многослойной пластины с внешними слоями из инертного высокоплотного материала и среднего слоя из взрывчатого вещества, инициируемого при давлении ударной волны, превышающем заданный уровень, в предлагаемом варианте 1 элемента динамической защиты: слой взрывчатого вещества выполнен толщиной меньше критической толщины распространения детонации, а в предлагаемом варианте 2 элемент динамической защиты выполнен из набора внутренних чередующихся слоев взрывчатого вещества и инертного материала, при этом между слоями ВВ расположены слои из инертного в химическом отношении материала и каждый слой взрывчатого вещества выполнен толщиной меньше критической толщины распространения детонации.

Технические решения, содержащие признаки, отличающие заявляемые решения от прототипа не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемые решения являются новыми и обладают достаточным изобретательским уровнем.

Сущность предлагаемых технических решений поясняется графическими изображениями, на которых:

фиг.1 схематично изображает элемент динамической защиты, выполненный согласно изобретению (вариант 1) в момент срабатывания лидирующего заряда кумулятивного боеприпаса тандемного типа;

фиг.2 иллюстрирует элемент динамической защиты, выполненный согласно изобретению (вариант 1) в момент срабатывания основного заряда кумулятивного боеприпаса тандемного типа;

фиг.3 иллюстрирует вариант 2 исполнения элемента динамической защиты;

фиг.4 иллюстрирует вариант 1 исполнения элемента динамической защиты.

Элемент динамической защиты (фиг.1), выполненный согласно варианту 1 предполагаемого изобретения, содержит внутренний слой ВВ 1, толщина которого меньше, чем критическая толщина, при которой происходит распространение детонации по данному ВВ. С лицевой и тыльной стороны внутренний слой ВВ 1 покрыт слоями инертного высокоплотного вещества 2, 3. Кумулятивная струя, формируемая при срабатывании лидирующего заряда 4 кумулятивного боеприпаса тандемного типа, движется по направлению оси 5 боеприпаса, направленной под углом атаки 6 к траектории его движения 7. При соударении с ЭДЗ кумулятивная струя лидирующего заряда 4 создает во внутреннем слое ВВ 1 ударную волну 9, давление которой в области 10 превышает давление инициирования ВВ, что вызывает в слое 1 взрывное выделение энергии и образование газообразных продуктов взрыва.

В состав кумулятивного боеприпаса тандемного типа входит основной заряд 8, подрываемый через несколько сот микросекунд после срабатывания лидирующего заряда 5 (фиг.2). К моменту подрыва основного заряда 8 боеприпас смещается по траектории 7 на расстояние, равное произведению скорости движения на время задержки срабатывания. Формируемая при срабатывании основного заряда 8 кумулятивная струя 11 движется по новой траектории 12 и воздействует на часть ЭДЗ, которая не подвергалась ударно-волновому нагружению при срабатывании лидирующего заряда и не получила местного разрушения 13 слоя ВВ 1 и инертных наружных слоев 2 и 3.

Возможны варианты выполнения предлагаемого ЭДЗ с размещением между внешними слоями из высокоплотных материалов многослойного внутреннего слоя, состоящего из нескольких слоев, часть из которых является слоями взрывчатого вещества, имеющих толщину меньше критической толщины распространения детонации, а часть слоями инертных в химическом отношении материалов. При этом, если слоев взрывчатого вещества больше двух, между ними расположены слои инертных в химическом отношении материалов. В частности, фиг.3 иллюстрирует исполнение элемента динамической защиты по варианту 2, при котором внутренний слой содержит два слоя взрывчатого вещества 1 и 14, каждый из которых имеет толщину меньше критической толщины распространения детонации, разделенных слоем инертного в химическом отношении материала 15. Изображение фиг.4 показывает исполнение элемента динамической защиты по варианту 1, при котором внутренний слой содержит один слой взрывчатого вещества 1 и два окружающих его слоя 16 и 17 из инертных в химическом отношении материалов.

Отличия в срабатывании предлагаемого ЭДЗ от прототипа основаны на особенности ответной реакции на инициирующее действие ударной волны заряда ВВ, размеры которого меньше критического. Если на локальную область заряда ВВ, имеющего диаметр (толщину) меньше критического воздействовать ударной волной с давлением выше необходимого для инициирования детонации, то все находящееся в этой области взрывчатое вещество испытает взрывчатое превращение. Однако, при любом сколь угодно большом значении давления в указанной зоне, процесс распространения детонации по заряду прекратится, как только давление в ударной волне станет меньше требуемого для инициирования.

Предлагаемый элемент динамической защиты работает следующим образом.

Вариант 1. При попадании (фиг.1) в элемент динамической защиты кумулятивной струи, образованной лидирующим кумулятивным зарядом 4 боеприпаса тандемного типа, в локальной области, где осуществляется воздействие, во взрывчатом веществе формируются расходящиеся от места удара ударные волны 9, давление в которых превосходит давление, необходимое для инициирования детонации. При движении по взрывчатому веществу ударной волны, давление в которой превышает давление инициирования детонации, во взрывчатом веществе реализуется процесс выделения энергии взрыва, который приводит к движению инертных слоев 2 и 3 в направлениях, близких к нормали к поверхности ЭДЗ. Инертные слои ЭДЗ взаимодействуют с высокоскоростными участками КС лидирующего заряда 4. При этом процесс взаимодействия протекает более интенсивно и в области большего размера, чем в случае применения ЭДЗ, средний слой которой выполнен из инертного материала, что обеспечивает большую защитную способность, чем у известных из описания аналогов предлагаемого устройства. Вследствие того, что толщина слоя ВВ выбрана меньше критической толщины распространения детонации, детонационная волна не формируется. При движении инициирующей ударной волны по заряду давление за ней быстро снижается до значений меньших, чем давление инициирования детонации, в связи с чем процесс детонации прекращается или переходит в процесс горения, скорость распространения которого составляет единицы миллиметров в секунду. При этом размер области детонационного превращения 10 составляет несколько толщин слоя ВВ 1. Остальная часть ЭДЗ, находящаяся вне зоны детонационного превращения 10, содержит ВВ в работоспособном состоянии. В случае, если через время, порядка нескольких сот микросекунд в этой части ЭДЗ действием кумулятивной струи 11 основного кумулятивного заряда 8 будет создана новая ударная волна, давление в которой также превысит давление инициирования, это приведет к повторному процессу срабатывания того же самого ЭДЗ и снижению пробивной способности основного заряда 8 и всего тандемного кумулятивного боеприпаса в целом.

Приведенное выше описание процесса взаимодействия кумулятивного боеприпаса тандемного типа с предлагаемым ЭДЗ реализуется в динамических условиях подхода боеприпаса к поверхности объекта, защищенного элементом динамической защиты, так как для выполнения условий стабильного полета боеприпасу необходимо двигаться с некоторым углом атаки 6, составляющим обычно несколько градусов. Этого оказывается достаточным, чтобы при указанном выше уровне задержек времени срабатывания лидирующего и основного зарядов кумулятивного боеприпаса тандемного типа (несколько сот микросекунд) место попадания КС основного заряда сместилось относительно места попадания КС лидирующего заряда на расстояние в несколько десятков миллиметров. При этом обеспечивается условие попадания КС основного заряда в часть слоя взрывчатого вещества, не испытавшего детонационного превращения, что по сравнению с ЭДЗ-прототипом приводит к повторному срабатыванию предлагаемого ЭДЗ и снижению пробивной способности кумулятивного боеприпаса тандемного типа.

Вариант 2. Выполнение ЭДЗ согласно варианту 2 обеспечивает возможность варьирования скоростью метания стенок контейнера и, тем самым, позволяет дополнительно изменять уровень взрывного воздействия на защищаемый объект. Так при попадании в показанный на иллюстрации фиг.3 элемент динамической защиты, кумулятивной струи, образованной лидирующим кумулятивным зарядом 4 боеприпаса тандемного типа, аналогично варианту 1, в локальной области, где осуществляется воздействие, в слоях взрывчатого вещества 1 и 14 будут образовываться ударные волны, давление в которых превосходит давление, осуществляющее инициирование детонации. При этом во взрывчатом веществе каждого слоя происходит процесс выделения энергии, который приводит к метанию слоев 2 и 3, в направлениях, близких к нормали к поверхности ЭДЗ со скоростями большими, чем обеспечивает вариант 1, так как по сравнению с ним энергии взрывчатого превращения выделяется в два раза больше. Инертные слои ЭДЗ 2 и 3 взаимодействуют с высокоскоростными участками КС лидирующего заряда 4. При этом процесс взаимодействия протекает более интенсивно, в связи с чем разрушается большая часть кумулятивной струи лидирующего заряда 4. При этом наличие между слоями ВВ 1 и 14 слоя из инертного в химическом отношении материала 15 обеспечивает раздельное протекание в указанных слоях взрывного процесса, что (аналогично варианту 1) препятствует развитию процесса детонации вне области, где давление ударных волн 9, созданных действием кумулятивной струи лидирующего заряда 4, выше давления необходимого для инициирования детонации.

Выполнение внутреннего многослойного слоя согласно фиг.4, когда внешние слои из инертного высокоплотного материала 2 и 3 отделены от слоя взрывчатого вещества 1 соответственно слоями 16 и 17 из инертного в химическом отношении материала, обеспечивает возможность снижения до требуемого уровня значений скорости метания внешних инертных слоев ЭДЗ и, тем самым, снижает уровень взрывного воздействия на защищаемый объект.

Аналогичное снижение уровня воздействия на защищаемый объект может быть достигнуто размещением слоя из инертного в химическом отношении материала с одной стороны от слоя взрывчатого вещества и ориентацией элемента динамической защиты указанной стороной в направлении защищаемого объекта.

Возможно изготовление внутреннего слоя из большего количества чередующихся слоев из взрывчатого вещества и слоев из инертного в химическом отношении материала.

Таким образом, применение предлагаемых вариантов конструкции ЭДЗ приводит к повышению уровня защиты от поражающего действия кумулятивных боеприпасов тандемного типа при одновременном снижении взрывного воздействия на защищаемую преграду.