Физические принципы действия снарядоформирующих зарядов и основные расчетные соотношения

Рассмотрим более подробно физические основы функционирования СФЗ — основного конструктивного узла БП с ударным ядром.

Как уже было сказано, снарядоформирующие заряды - это разновидность КЗ, имеющих с ними общие основные признаки, такие как кумулятивная вы­емка в разрывном заряде ВВ, облицованная тонкостенной металлической обо­лочкой, и др. В то же время конструктивные параметры СФЗ таковы, что фор­мируемые ими при взрыве ПЭ принципиально отличаются от КС, создавае­мых классическими КЗ.

Классические КЗ формируют при взрыве высокоградиентные КС, состав­ляющие 10...20 % массы облицовки, "которые на расстоянии 4...6 клб от заря­да распадаются на несколько десятков отдельных элементов. Образовавшие­ся отдельные элементы с относительным удлинением (отношение длины к диаметру) около З...4 движутся как недеформируемые тела. В силу техноло­гического несовершенства реальных КЗ эти элементы перемещаются не стро­го по оси КЗ, а в некотором телесном угле, составляющем несколько граду­сов. Кроме того, вследствие разворота не обладающих запасом аэродинами­ческой устойчивости элементов КС вокруг поперечной оси происходит потеря их ориентации. Два этих обстоятельства в конечном итоге приводят к тому, что классические кумулятивные БП не способны поразить даже легкоброни­рованную технику, если цель удалена от места их подрыва на расстояние не только в несколько сотен (до тысячи), но даже и в несколько десятков ка­либров.

Для обеспечения требуемого уровня действия на больших расстояниях необходимо создание ПЭ (компактных или удлиненных), сохраняющих свою сплошность на траектории и обладающих запасом аэродинамической устой­чивости. Один из основных способов формирования дальнобойного ПЭ, по­лучившего название «ударное ядро», - использование в КЗ облицовок мало­го прогиба, конических или сегментных (чашеобразных), ограниченных сфе­рическими поверхностями с радиусом кривизны, существенно превышающим калибр заряда. Такие КЗ и образуют ПЭ, масса которого может составлять до 90 % от массы облицовки, скорость достигает 2,5 км/с, а кинетическая энергия сопоставима с кинетической энергией артиллерийских бронебой­ных снарядов.

Физические особенности формирования ПЭ при взрыве СФЗ поясняются с помощью рис. 5 - 6.

При торцевом метании пластины ее элементы приобретают скорость, име­ющую осевую и радиальную составляющие, при этом радиальная составляю­щая направлена от оси симметрии заряда.

Характер распределения скорости по элементам таков, что пластина при метании выгибается, испытывая де­формированное состояние всестороннего растяжения, и под действием возни­кающих растягивающих напряжений разрушается (позиции 1 на рис. 5,6).

Характер распределения скорости по элементам метаемой взрывом КО с углом раствора 2 = 160...140° принципиально другой (позиции 2—4 на рис. 5,6). Элементы облицовки также приобретают осевую и радиальную состав­ляющие скорости, однако в этом случае радиальная составляющая направле­на к оси симметрии.

Рис.5.Стадии процесса деформирова- Рис.6. Стадии процесса деформирования

ния медных пластин и облицовок стальных облицовок и облицовок малого

малого прогиба при взрыве заряда ВВ: прогиба при взрыве заряда ВВ: а) t=20 мкс;

a) t=20 мкс; б) t =50 мкс; в) t = 120 мкс; б) t=50 мкс; в) t=120 мкс; 1-пластина;

1-пластина; 2) 2 =160°; 3) 2 =150°; 2) 2 =160°; 3) 2 =150°;4) 2 =140°.

4) 2 =140°.

Слабовогнутая облицовка выворачивается вдоль оси, одновременно наблюдается уменьшение ее диаметра и натекание материала об­лицовки на ось [1]. В результате формируется центральный стержень, в котором выделяются головная (проявление эффекта «прямой» кумуляции - аналог клас­сической КС) и хвостовая (проявление эффекта «обратной» кумуляции - ана­лог песта в классическом КЗ) части. При этом на начальных стадиях образо­вания ПЭ осевая скорость головной части центрального стержня превышает скорость его хвостовой части, подобно тому, как для классического кумуля­тивного заряда скорость КС превышает скорость песта (рис. 7).

Для КО с углом раствора 2а=160° (позиция 2 на рис. 5 и 6) приобретен­ная при взрыве радиальная составляю­щая скорости движения относительно не­велика. В связи с этим эффект натекания материала на ось проявляется слабо и на определенной стадии формирования ПЭ парируется внутренними силами, дей­ствующими в материале облицовки из-за наличия у него упругопластических и, по некоторым представлениям, вязких свойств.

Эти же внутренние силы по мере деформирования элемента приво­дят к уменьшению осевой скорости го­ловной части центрального стержня, к увеличению скорости его хвостовой ча­сти (рис. 8) и в целом способствуют вы­равниванию осевых скоростей различ­ных частей ПЭ и исчезновению радиального движения.

Рис. 7. Зависимость скорости головной части КС 1 и песта 2 от

угла раствора конической медной оболочки

Формирование ПЭ заканчивается, когда прекращается относительное перемещение его частиц. В итоге образуется безградиентный компактный ПЭ, состоящий из центрального стержня и периферийной «юбоч­ной» части.

Как известно, точность современного артвооружения в существенной мере определяется нарезкой стволов, которые передают снаряду стабилизирующее вращение. В случае гладкоствольного орудия снаряды снабжаются хвостовыми стабилизаторами, которые тянут за собой ряд проблем, связанных с ростом аэродинамического сопротивления, повреждаемостью и устойчивостью в полете.

Получение фалдовых складок юбки ФВС нацелено на снижение аэродинамического сопротивления снаряда при сохранении устойчивости. В одной из работ C. Berner, V. Fleck, D. Warken. Aerodynamic predictions of optimized Explosively Formed Penetrators. 17 International Symposium on Ballistics, South Africa, March, 1998, v.1, p.108-116] рассматривали снаряды, получившие при формовании нарушения юбки (с приданной ей фалдовой формой). Авторы удостоверили, что придание умеренного вращения таким слабоповрежденным снарядам существенно повышало их точность на цели, а также улучшало нормальность соударения, что важно для кинетического снаряда.
Группе американских авторов (об их работе еще пойдет речь) в 1998 г. путем подкладывания под лайнер специальным способом сложенной фольги удалось сформовать в задней части снаряда подобие двух наклоненных перьев; тогда под действием скоростного напора снаряд приобретал осевое вращение, что резко повышало его точность у цели. Перераспределение формующих волн, задаваемых фольгой, обеспечивало не сплошную юбку, а наклонные перья. В ряде реферируемых работ и в других исследованиях формователь волны наряду с местом инициирования заряда оказывал решающее воздействие при формообразовании снаряда.

Характерные размеры ПЭ, полученного, например, из медной КО с углом раствора 2 = 160° (позиция 2 на рис. 5), составляют: длина lпэ ⁼ = (0,4...0,6)d₃, диаметр d_пэ = (0,5...0,6)d₃. В дальнейшем образовавшийся ПЭ движется по траектории как жесткое целое. Расстояние, на котором формиру­ется компактный ПЭ, достигает (8...15)d₃.

С увеличением прогиба облицовки и уменьшением угла раствора до 2 = 150° (позиция 3 на рис. 5,6) возрастает радиальная составляющая скорости метания ее элементов. Это приводит к росту количества натекаю­щего материала, к увеличению диаметра и длины центрального стержня и к соответствующему уменьшению периферийной «юбочной» части ПЭ. Уве­личивается и перепад осевой скорости между головной и хвостовой частями центрального стержня (см. рис. 7). Образующийся в итоге компактный ПЭ имеет длину большую, а диаметр меньший, чем в случае облицовки из того же материала с большим углом раствора, 2 = 160°. Так, диаметр медного ПЭ со­ставляет d_{пэ =}(0,3...0,4)d₃, а длина — l_пэ = (0,7...0,9)d₃. Поражающий же эле­мент, сформированный из более прочной стальной облицовки, характеризует­ся меньшим относительным удлинением (l_пэ = (0,4... 0,5)d₃, d_пэ = (0,6...0,7)d₃), что объясняется более высоким уровнем действующих в материале ПЭ внут­ренних сил, обеспечивающих выравнивание скорости движения частиц ПЭ и диссипацию их «избыточной» по отношению друг к другу кинетической энер­гии на меньших деформациях.

Рис.8. Характер изменения распределений скорости между головной 1 и хвостовой 2 частями ПЭ, формирующегося из сегментной стальной облицовки

При превышении некоторого критического значения прогиба, зависящего от свойств материала облицовки, вся ее масса переходит в центральный стер­жень (позиция 4 на рис. 5,6). Перепад в скоростях движения головной и хвостовой частей сформировавшегося стержня составляет около 1,5 км/с (см. рис. 7), т. е. такой ПЭ представляет собой массивную низкоградиент­ную КС. Столь существенный перепад осевой скорости не может быть пари­рован внутренними прочностными и вязкими силами, в результате чего стер­жень разрушается аналогично КС на несколько отдельных элементов.

Таким образом, есть узкий диапазон значений углов раствора или проги­бов облицовки, в пределах которого ПЭ не разрушается. Для меди этот диапа­зон составляет 145...160°, для стали - 150...160°. Наличие верхней и нижней границ области формирования неразрушаемых компактных ПЭ обусловлено существованием двух следующих процессов: разрушение пластин и разрыв на элементы, характерный для КС.

Для сохранения облицовки в процессе метания от разрушения (по типу разрушения пластин) необходимо, чтобы радиальная составляющая скорос­ти в направлении оси не превышала некоторого значения во избежание ин­тенсивного натекания на ось и образования разрушающейся КС. По экспе­риментальным данным значение радиальной составляющей скорости, при котором происходит образование неразрушающегося компактного ПЭ по ука­занному выше механизму (см. рис. 5 и 6), для зарядов с медной облицовкой составляет 0,1...0,35 км/с при угле раствора конуса 2 = 160° и 0,2...0,5 км/с при 2 = 150°. Так же путем исследований установлены предельно допусти­мые для получения неразрушающегося ПЭ перепады осевой скорости между головной и хвостовой частями элемента, не превышающие 1,0... 1,5 км/с.

Формирование дальнобойных ПЭ - достаточно сложный процесс. Меха­низм формирования и параметры образуемых ПЭ зависят от формы, толщины и материала облицовки, типа и массы ВВ, конфигурации фронта детонацион­ной волны, геометрии заряда, наличия корпуса и его толщины.

Среди многообразия механизмов формирования ПЭ можно выделить три основных: выворачивания (рис. 9, а), сворачивания (рис. 9, б) и натекания (рис. 9, в). Механизмы выворачивания и сворачивания - чисто деформаци­онные (при их реализации нет присущих КЗ гидродинамических эффектов образования прямой и обратной КС). Механизму же натекания, напротив, свой­ственно проявление этих эффектов.

Рис. 9. Основные механизмы формирования ПЭ снарядоформирующим зарядом (время отсчитывается от момента подрыва заряда):

а - выворачивание; б – сворачивание; в – натекание.

В зависимости от конструктивных параметров СФЗ при формировании ПЭ может реализовываться один из указанных основных механизмов. Однако чаще всего режимы формирования сочетают в себе три основных механизма. Так, процесс формирования компактного ПЭ из медных и стальных конических облицовок малого прогиба (см. рис. 5 и 6) реализуется через механиз­мы выворачивания (при больших углах) и натекания (при меньших углах). Компактный элемент (см. рис.8) также образуется посредством выворачи­вания я натекания, но уже при доминировании процесса натекания, а процесс формирования компактного ПЭ из комбинированной сегментной облицовки (рис. 10) в соответствии с результатами численного моделирования проходит посредством чисто деформационных механизмов - выворачивания на началь­ной стадии и сворачивания на завершающей. Следует отметить, что образова­ние представляющих наибольший интерес с точки зрения повышения бронепробития удлиненных ПЭ с относительным удлинением 1пэ/dпэ > 4 осуще­ствляется, как правило, с помощью чисто деформационных механизмов выворачивания или сворачивания. При этом в основном используют сегмент­ные облицовки малого прогиба, приосевая часть которых перпендикулярна оси, что позволяет при взрывном нагружении сообщать ей лишь осевую со­ставляющую скорости и исключать проявление эффектов натекания и после­дующего формирования центрального стержня (см. рис. 5 и 8).

Существенный фактор обеспечения высокой эффективности действия СФЗ - достижение хороших аэродинамических и баллистических характерис­тик формируемых ПЭ. [1]

Рис. 10. Стадии процесса формирования компактного ПЭ из

комбинированной сегментной облицовки.

Форма элемента должна обеспечивать минимальные потери скорости и ориентированное, устойчивое движение по траектории. Пос­леднее особенно актуально по отношению к удлиненным ПЭ. Аэродинами­ческая устойчивость ПЭ обеспечивается при расположении центра масс элемента впереди его центра давления. Это требование наиболее просто удовлет­воряется за счет расширения хвостовой части формируемого элемента.

О необходимости обеспечения достаточного запаса аэродинамической устой­чивости удлиненного ПЭ можно судить по результатам модельных испытаний ПЭ с удлинением lпэ/dпэ = 4 (рис.12).

Влияние, оказываемое формой хвос­товой части на устойчивость ПЭ в полете, велико. Наличие асимметрии фор­мы ПЭ или формирование недостаточно развитой хвостовой части могут при­вести к неориентированному движению элемента и взаимодействию с прегра­дой и даже к уводу ПЭ с траектории движения и непопаданию в удаленную на несколько сотен калибров цель. Вместе с тем требуемое для стабилизации расширение хвостовой части удлиненного элемента приводит к некоторому повышению коэффициента лобового сопротивления и увеличению потерь ско­рости в полете. Это негативное последствие можно минимизировать форми­рованием «крылатой» хвостовой части, где в качестве «крыльев» выступают продольные гофры, образующиеся в некоторых случаях естественным обра­зом в количестве трех-четырех на деформирующейся в режиме выворачива­ния облицовке.

Эффективность ударного действия сформированных взрывом поражаю­щих элементов определяется их массой и скоростью (для компактных ПЭ), а так же (для удлиненных ПЭ). Глубина бронепробития в преграде большой толщины (полубесконечная преграда) компактным ПЭ, движущимся со скоростью 2 км/с, на дальностях в несколько сотен калибров составляет L = (0,4...0,6)d₃. При этом диаметр образуемого в преграде отверстия d_0TB = (0,7...1,0)d₃, что примерно в 5-6 раз превышает диаметр пробоины от куму­лятивной струи классического КЗ. Взаимодействие компактных ПЭ с больши­ми поперечными размерами и бронепреграды имеет, как бы, объемный харак­тер в отличие от локального характера, присущего сильно удлиненным от­носительно тонким КС (в момент проникания в преграду d_KC ~ 0,05d₃) (рис. 13).

Рис. 12. Возможный характер движения по траектории удлиненного ПЭ с хвостовой частью: а – цилиндрической; б – ассиметричной; в – расширенной с недостаточным запасом аэродинамической устойчивости;

г – расширенной с достаточным запасом аэродинамической устойчивости.

Этим же обстоятельством объясняется и мощный запреградный эффект, реализуемый при действии ﵶпо бронепреградам конечной толщи­ны. Снарядоформирующие заряды с компактными ПЭ обеспечивают на даль­ностях в несколько сотен калибров сквозное пробитие бронепреград толщи­ной b _пред = (0,5...0,8)d₃, при этом суммарная масса образующихся осколков преграды в несколько раз (до семи) превышает массу самого элемента. За­преградный осколочной поток характеризуется большим углом разлета и зна­чительной поражающей способностью.

Именно эти особенности действия сформированных взрывом ПЭ и опре­делили выбор СФЗ в качестве основы конструкции БП, реализующих дистан­ционное действие по бронецелям в рамках концепции атаки сверху или сбоку. Толщина брони наиболее уязвимой верхней проекции самых защищенных бронецелей - танков - составляет не более 50...70 мм. Снарядоформирующие за­ряды калибром более 100 мм обеспечивают сквозное пробитие таких преград и мощный запреградный эффект даже при подходе под углом от нормали к преграде. Калибры самоприцеливающихся суббоеприпасов кассетного оружия, состоящих на вооружении различных стран мира, выбраны несколько большими с учетом возможной дополнительной динамической или экранной за­щиты верхней проекции бронеобъектов.

Как следует из изложенного выше, функционирование СФЗ - весьма слож­ный процесс, в котором выделяют четыре характерных этапа.[2] Первым этапом является взрывное нагружение КО и ее ускорение под действием продуктов детонации заряда ВВ (см.рис. 14). Второй этап - это инерционное деформирование обли­цовки, сопровождающееся диссипацией энергии за счет работы деформации и приводящее к образованию безградиентного компактного, удлиненного или же фрагментированного ПЭ.

Рис. 13. Характер действия по бронепреграде конечной толщины

классического КЗ (а) и СФЗ (б).

Третий этап связан с движением сформирован­ного ПЭ по траектории. Заключительный четвертый этап — взаимодействие ПЭ с преградой, сопровождающееся интенсивным деформированием и разру­шением как самого элемента, так и преграды при вовлечении в эти процессы массы преграды, в несколько раз превышающей массу ПЭ.

Рис.14. Процесс формирования компактного элемента типа «ударное ядро»

Сложность процессов динамического деформирования элементов СФЗ, эк­стремальность условий, в которых происходят формирование ПЭ и его взаи­модействие с преградой, отсутствие достоверной информации о физико-меха­ническом поведении металлов в этих условиях (особенно это касается спо­собности к деформированию без разрушения и критериев разрушения) - все это объективно обусловливает то обстоятельство, что в настоящее время не существует надежных методов расчета функционирования СФЗ. Даже имея полное представление об облике СФЗ (размеры КО и заряда ВВ, тип ВВ, ха­рактер инициирования заряда), априорно невозможно надежно и достоверно предсказать для изменяющихся в широком диапазоне конструктивных пара­метров СФЗ не только результат действия по бронепреграде, но даже форму и тип формируемого ПЭ (компактный, удлиненный или фрагментированный). Поэтому основным методом при разработке новых конструкций СФЗ на сегод­ня остается метод экспериментального исследования - проведение лаборатор­ных и натурных испытаний с использованием импульсной рентгенографии.

Тем не менее существуют и методы расчета функционирования СФЗ. Среди них можно выделить две основные группы, различающиеся глубиной исполь­зуемых физико-математических моделей, а также уровнем привлекаемого ма­тематического аппарата: расчеты с помощью конечно-разностных методов вы­числительной математики при подходе к построению моделей с позиций ме­ханики сплошных сред и инженерные методики расчета.

Численное моделирование позволяет получить подробную информацию о характере взрывного нагружения КО и ее последующем инерционном де­формировании и формировании ПЭ. В качестве примера рассмотрен расчет (см. рис. 10) для нагружаемой взрывной нагрузкой комбинированной сегмен­тной облицовки, из которой формируется компактный ПЭ посредством слож­ного механизма (выворачивания на начальной стадии, сворачивания - на зак­лючительной). Для получения необходимого соответствия с эксперименталь­ными данными по форме и скорости ПЭ в качестве модели материала облицовки используется сжимаемая упругопластическая среда в рамках теории пластичес­кого течения или даже более сложная модель упруговязкопластической среды.

Численные расчеты дают практически достоверную информацию для слу­чаев формирования целостных ПЭ (изменяющиеся во времени поля скоростей, перемещений, деформаций, напряжений, температуры и т. п.). Однако точно ответить на главный вопрос - будет ли сформирован сплошной элемент или же он разрушится на несколько отдельных элементов определенных размеров невозможно в силу недостаточной изученности вопроса о разрушении материа­лов в сложнейших условиях формирования ПЭ. При ответе на этот вопрос при­ходится ориентироваться на определенные экспериментами предельно допус­тимые значения радиальных составляющих скоростей метания КО (0,1...0,5 км/с) и перепадов осевой скорости между головной и хвостовой частями формируе­мого ПЭ (1,0...1,4 км/с). Недостаток информации для построения адекватной физико-математической модели в рамках механики деформируемого твердого тела препятствует и получению достоверных расчетных данных о пробитии ПЭ преград конечной толщины и параметрах запреградного осколочного потока.

Приближенная оценка параметров формируемого СФЗ поражающего эле­мента и его действия по бронепреграде может быть проведена с помощью инженерных методов расчета.