Взрывные генераторы высокоскоростных потоков готовых поражающих элементов - Концерн ВКО ...
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
| ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей» | № 4, 2018
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 аэродина-
мических 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 высоко-
скоростного (~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 пы готовых компактных поражающих эле-
Большинство известных конструкций взрыв- ментов (ПЭ) с требуемыми по размерам, мас-
ных метательных устройств (ВМУ), формиру- се, материалу характеристиками. Схема ВМУ
ющих осколочные потоки, которые использу- приведена на рис. 1. Высокая скорость потока
ются при экспериментальных исследованиях метаемых элементов обеспечивается исполь-
процессов поражения, основаны на реализа- зованием эффекта кумуляции энергии взрыва
ции кумулятивных эффектов, возникающих в сходящейся детонационной волне и формой
при взрывном обжатии кумулятивных обли- оболочки, в которой размещались данные эле-
цовок конической или полусферической фор- менты. Такая конструкция ВМУ, кроме созда-
мы [1–3]. Применение в составе такого ВМУ ния высокоскоростного потока готовых по-
устройств выделения головной части куму- ражающих элементов, позволяет оперативно
лятивной струи обеспечивает создание дви- в достаточно широком диапазоне изменять
жущихся с высокой скоростью одиночных их количество, массу и материал. Основной
элементов, имеющих форму, близкую к ком- задачей, которая решалась при отработке
пактной. При групповом синхронном сраба- этого ВМУ, было обеспечение метания груп-
тывании таких ВМУ формируются потоки с пы из 16 стальных ПЭ, имеющих размеры
заданными характеристиками по скоростям, 10×16×16 мм и скорость ~5 км/с.
массе и количеству находящихся в них эле- Вариант ВМУ, показанный на рис. 1, б,
| Космические исследования и ракетостроение |
ментов. отличается от варианта на рис. 1, а наличием
ВМУ, основанные на реализации кумуля- в составе заряда взрывчатого вещества (ВВ)
тивных эффектов, возникающих при взрывном фокусирующей втулки, которая обеспечивает
обжатии кумулятивных облицовок, имеют недо- сжатие потока продуктов детонации, участ-
статок, связанный с невозможностью оперативно вующих в метании ПЭ, что дополнительно
изменять размеры, массу и материал высокоско- увеличивает скорость их движения по стволу.
ростного элемента, метаемого с использованием Расчеты
ВМУ. Кроме того, в ряде случаев на результаты Расчеты проводились в программной среде
высокоскоростного соударения оказывает замет- ANSYS/AUTODYN [4] с применением решателя
ное воздействие и форма элемента. Эйлера последовательно в двух постановках:
В связи с этим была проведена разра- 1) от начала процесса детонации ВВ до
ботка ВМУ, обеспечивающего метание груп- момента подхода детонационной волны (ДВ)
к втулке (62 мкс) – в двухмерной (2D) осесим-
© Заплохова К. А., Исаев Г. Ш., Курепин А. Е., метричной постановке с размером ячейки раз-
Сидорова Е. В., 2018 ностной сетки, равным 2 мм;
23
| Космические исследования и ракетостроение |
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 (поли-
Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей» | № 4, 2018
стирол); 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)
2) от 62 мкс до завершения расчетов – в а, S1 – коэффициенты ударной адиабаты
трехмерной (3D) постановке с размером ячей- в D − u координатах, значения коэффициентов
ки разностной сетки, равным 4 мм (переход от которых показаны в табл. 1;
двухмерной к трехмерной постановке выпол- µ – степень сжатия, µ = (r / r0 – 1) ;
нен с помощью технологии Remapping с заме- γ 0 – коэффициент Грюнайзена;
ной одного сплошного элемента (см. рис. 1, ρ – текущая плотность;
поз. 11) на 16 отдельных элементов размерами е – удельная внутренняя энергия.
10×16×16 мм). Таблица 1
При проведении расчетов были исполь-
Значения параметров и коэффициентов уравнения
зованы модели материалов стандартной биб- состояния
лиотеки программного комплекса.
Материал ρ0 , г/см3 а, км/с S1 γ0
1. Для расчета давлений в областях, заня-
тых деталями из сплава АМг6, стали 3, стали 10 Полистирол 0,10 0,724 0,6931 1,00
и полистирола, применялось уравнение со- АМг6 2,64 5,330 1,3400 1,97
стояния Ми – Грюнайзена – Гюгонио (Shock):
| ISSN 2542-0542
Сталь 3 7,83 3,800 1,5800 2,17
ρ0 a 2µ (1 + µ ) Сталь 10 7,89 3,800 1,5800 2,00
P= + γ 0ρe,
1 − (S1 − 1) µ
2
2. Зависимость сопротивления пласти-
где ρ0 – начальная плотность; ческому сдвигу указанных выше материалов в
24
| ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей» | № 4, 2018
динамических условиях описывалась моделью ρ – текущая плотность ПД;
Джонсона – Кука: ρ0 – начальная плотность ВВ.
Значения параметров и коэффициентов
( )( )
Y = A + B ε n 1 + C ln(ε′ * ) (1 − T*m ),
уравнения состояния ПД (ВВ – октол) следу-
где A – статический предел текучести; ющие:
В – коэффициент пропорциональности в ρ0, г/см3. .............................................. 1,821
функции деформационного упрочнения; D , м/с.................................................... 8480
ε – эффективная пластическая деформа- A, ГПа.................................................. 748,6
ция; B , ГПа.................................................. 13,38
n – показатель степени в функции дефор- R1 ............................................................. 4,5
мационного упрочнения; R2 ............................................................. 1,1
С – коэффициент кинематического упроч- ω ............................................................ 0,38
нения; E 0, кДж/м3........................................9,6×106
ln(ε′ * )� – логарифм скорости эффективной Здесь E0 – начальная внутренняя энергия.
пластической деформации, нормализованной Процесс распространения детонацион-
значением, зависящим от выбранной системы ной волны, содержащей пересжатую махов-
размерностей; скую конфигурацию, образованную при схож-
T* – гомологиче ская температура, дении цилиндрической детонационной волны
T* = (T – T0 ) / (Tпл – T0 ); к оси заряда, показан на рис. 2, а, где изображе-
m – показатель степени влияния темпера- на верхняя половина осевого сечения. Там же
туры; (рис. 2, б) представлена форма расчетных
Tпл – температура плавления; областей на момент 62 мкс после иницииро-
T0 – начальная температура. вания, когда задача из двухмерной была пе-
Значение коэффициентов модели приве- рестроена в трехмерную. Применение тех-
дены в табл. 2. нологии Remapping позволило не только
В 3D-расчетах метаемые элементы значительно сократить время расчета, но
построены с применением модели Rigid (аб- и благодаря применению для двухмерного
солютно твердое недеформируемое тело) с варианта расчетной сетки с более мелкими
плотностью 7,86 г/см3. Вращение ПЭ не зада- ячейками понизить погрешности вычисле-
но – моменты инерции равны 0. ния, значение которых во многом зависит от
3. Модель взрывчатого вещества. Для их размера.
описания поведения продуктов детонации Расчеты проведены до момента выхо-
(ПД) выбрано уравнение состояния JWL: да скорости движения метаемых элементов
на стационарный режим, что соответствует
| Космические исследования и ракетостроение |
ω − R1V ω − R2V ωE ~93 мкс. В момент перехода от 2D- к 3D-расчету
P = A 1 − e + B 1 − e + ,
R1V R2V V проведена замена одного сплошного ПЭ, имев-
где P – давление; шего форму диска, на 16 отдельных ПЭ, име-
А, В, R1, R2 , ω – коэффициенты уравнения ющих форму параллелепипеда с размерами
состояния; 10×16×16 мм (см. рис. 2, б).
Е – внутренняя энергия; Анализ результатов расчетов показывает,
V = ρ0 / ρ – относительный объем; что при распространении детонационной вол-
Таблица 2
Значения коэффициентов модели Джонсона – Кука
Материал А , ГПа В , ГПа n C m Tпл , K T0 , 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
25| Космические исследования и ракетостроение |
Рис. 2. Распространение детонации по заряду ВМУ (а) и форма расчетных областей в момент применения про-
цесса перестройки двухмерного решения в трехмерное (б)
ны по заряду ВВ формируется зона пересжатой Подобный характер движения ПЭ свойст-
(маховской) детонационной волны, движущаяся венен и второму варианту расчета. Процесс
вдоль оси в направлении метаемых элементов. набора скорости элементами, входящими в
В результате взаимодействия маховской ДВ с на- разные группы, показан на рис. 4.
ходящимися в стволе ПЭ последние в процессе
движения (рис. 3) подразделяются на 3 группы:
Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей» | № 4, 2018
• 1-я группа (высокоскоростная) – 4 цент-
ральных элемента (темно-серый цвет на
рис. 3, б);
• 2-я группа (основная) – 8 элементов,
летящих с промежуточными значениями ско-
ростей (серый цвет на рис. 3, б);
• 3-я группа (низкоскоростная) – 4 угло-
вых элемента (белый цвет на рис. 3, б).
| ISSN 2542-0542
Рис. 4. Набор скорости элементами, расположенными
Рис. 3. Взаимное расположение метаемых ПЭ на ко- в стволе передней крышки:
нечный момент времени расчета (а) и номера групп а – вариант 1; б – вариант 2; – 1-я группа ПЭ;
ПЭ, имеющих одинаковый уровень скоростей (б) – 2-я группа ПЭ; – 3-я группа ПЭ
26| ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей» | № 4, 2018
Расчетные значения скорости ПЭ приве- тодом – съемкой вспышек, возникающих при
дены в табл. 3. Анализ результатов расчетов пробитии щита ПЭ или их осколками. По вре-
процесса метания показывает, что разгон ПЭ мени прихода рассчитывалась средняя скорость
практически прекращается после встречи на ПЭ на дистанции 10 м. Точность определения
оси заряда волн разгрузки, двигающихся со скорости ПЭ составила ±40 м/с для каждого
стороны свободных поверхностей заряда. Ин- метода регистрации. Для каждого варианта
тенсивность снижения давления в продуктах конструкции ВМУ проводилось два опыта.
детонации за волной разгрузки может быть Результаты испытаний приведены в табл. 5, где
уменьшена с помощью фокусирующей втул- второй столбец (Vmax / Vmin ) содержит данные
ки, что приведет к небольшому (~3 %) увели- о значениях максимальной и минимальной
чению скорости метания. средней скорости ПЭ (осколков ПЭ) на дистан-
Таблица 3 ции 10 м, зарегистрированных в эксперименте.
Средние массовые скорости движения на момент
Таблица 5
завершения расчета (93,4 мкс)
Результаты измерения средней скорости движения ПЭ
Средние массовые скорости Средняя
по группам ПЭ, м/с массовая Количество
Вариант скорость Вариант
ВМУ / зарегистри-
1-я группа 2-я группа 3-я группа по всем Vmax / Vmin *, рованных Регистратор
ПЭ, м/с количество м/с
ПЭ, шт. ПЭ (оскол-
1 7377 4531 3522 4990 ков ПЭ), шт.
2 7895 4594 3424 5127 1 / 16 4510/4270 7**
Электретный
1 / 16 4750/4440 10** датчик
Эксперимент 2/1 5160/4980 1**
Для экспериментальных исследований было 2/1 4850/4620 6***
изготовлено три варианта ВМУ. Два варианта Фоторе-
3 / 16 4920/4270 16
содержали по 16 двадцатиграммовых стальных гистратор
3 / 16 5030/4350 16
ПЭ и отличались наличием или отсутствием
* – расчетное значение баллистического коэффициента сталь-
фокусирующей втулки. Еще один снабженный ного ПЭ с размерами 10×16×16 мм составляет 0,0094, что по-
фокусирующей втулкой вариант ВМУ содер- зволяет оценить разницу средней на расстоянии 10 м и на-
чальной скорости ПЭ как ~5 %;
жал в составе передней крышки одиночный ** – регистрограмма сигнала, полученного с электретного дат-
ПЭ, имеющий массу 320 г (табл. 4). чика, не позволила выделить моменты прихода остальных ПЭ;
Таблица 4 *** – оптическая регистрация позволила показать, что при ме-
тании крупного ПЭ происходит его разрушение, а при мета-
Особенности конструкции ВМУ, прошедших нии группы ПЭ подтверждается их сохранность.
испытания
Параметры Выводы
Наличие
1. В результате расчетно-экспериментальной
| Космические исследования и ракетостроение |
Вариант фокуси- метаемого элемента
ВМУ рующей отработки создана конструкция ВМУ, обеспе-
Количество Масса, Размеры
втулки ПЭ, шт. г ПЭ, мм чивающего метание группы готовых ПЭ сум-
марной массой 320 г с начальной скоростью
1 Нет 16 20 16×16×10
~5000 м/с.
2 Есть 1 320 64×64×10 2. Введение в состав заряда ВМУ фоку-
3 Есть 16 20 16×16×10 сирующей втулки (см. рис. 1, поз. 3) приводит
к росту скорости лидирующих в потоке ПЭ
При проведении испытаний ВМУ распо- примерно на 8 %. Разница скоростей в пото-
лагалось на расстоянии 10 м от щитовой ми- ке из 16 ПЭ составляет ориентировочно 13 %.
шенной обстановки (МО), на которой в цент- Разница скоростей осколков, образованных
ре зоны прицеливания размещался датчик при разрушении крупного элемента, лежит в
электретного типа, обеспечивающий измере- диапазоне 3,5...4,7 %.
ние времени прихода ПЭ на щит. Одновременно 3. Применение оптического метода ре-
эту же величину определяли оптическим ме- гистрации обеспечивает более точное опре-
27| Космические исследования и ракетостроение |
деление количества и скорости ПЭ (осколков оружения». Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»,
ПЭ), приходящих на щит МО. 2016. Т. 2. С. 94–97.
Список литературы 3. Курепин А. Е., Семин В. А., Сидорова Е. В.
1. Федоров С. В., Ладов С. В., Никольская Я. М. Разработка взрывных метательных устройств,
и др. Формирование потока высокоскорост- создающих высокоскоростные потоки из го-
ных частиц кумулятивными зарядами с обли- товых и формируемых в процессе метания
цовкой типа полусфера-цилиндр дегрессивной элементов // Информационно-аналитический
толщины // Физика горения и взрыва. 2017. журнал «Вооружение. Политика. Конверсия».
Т. 53. № 4. С. 122–125. 2012. № 3. С. 26–31.
2. Князев А. С., Маляров Д. В. Устройства ги- 4. Autodyn Documentation // ANSYS Autodyn
перзвукового метания металлических тел ком- User’s Manual. Release 15.0. ANSYS, Inc. 2013.
пактной формы // Сб. материалов IX науч. кон- URL: http://148.204.81.206/ANSYS/150/ (дата
ференции Волжского регионального центра обращения 20.02.2019).
РАРАН «Современные методы проектирова-
ния и отработки ракетно-артиллерийского во- Поступила 21.03.18
Заплохова Ксения Александровна – инженер-программист отдела 102 центра теоретической и эксперименталь-
ной 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-ис-
следовательский 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-
ной физики Акционерного общества «Государственный научно-исследовательский институт машиностроения»
Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей» | № 4, 2018
им. В. В. Бахирева, г. Дзержинск.
Область научных интересов: разработка средств поражения и боеприпасов.
Сидорова Елена Васильевна – начальник лаборатории отдела 102 центра теоретической и эксперименталь-
ной 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.
| ISSN 2542-0542
28| ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей» | № 4, 2018
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.
| Космические исследования и ракетостроение |
29Вы также можете почитать
