ОСКОЛОЧНЫЙ СНАРЯД Российский патент 1998 года по МПК F42B12/20 

Изобретение относится к боеприпасам, а более конкретно - к осколочным боеприпасам с усилением осевым действием. Известны осколочные снаряды, содержащие стальной корпус с дном, размещенный внутри него заряд ВВ и головной или донный взрыватель ударного, дистанционного или неконтактного действия. При прямом попадании такого снаряда в цель разлет осколков происходит в поперечном направлении, т. е. располагается с учетом собственной скорости снаряда вдоль конической поверхности, образующей достаточно большой угол с осью снаряда. При мгновенном действии взрывателя снаряд поражает только наружную обшивку цели и не способен поражать жизненно важные объекты (агрегаты), расположенные внутри цели. Для снарядов полевых и танковых орудий средних и крупных калибров, имеющих ударный взрыватель с тремя установками, имеется возможность изменять глубину разрыва снаряда за счет установки взрывателя перед выстрелом на одно из трех действий: мгновенное, инерционное или замедленное. Для снарядов автоматических пушек такая возможность отсутствует и, следовательно, осевое действие снаряда не обеспечивается. Настоящее изобретение направлено на устранение указанного недостатка.

Техническое решение состоит в том, что заряд ВВ выполнен с внутренней полостью (трубчатой формы), в которой расположено удлиненное составное или монолитное металлическое тело, в том числе заданного дробления, круглого или полигонального сечения, выполненное из стали или композитных материалов, например, из тяжелых сплавов на основе вольфрама, урана или композитов, содержащих легковоспламеняемые металлы, например, алюминий, магний, цирконий, бериллий, при этом снаряд снабжен устройством, обеспечивающим детонацию заряда с внутренней полостью.

Изобретение иллюстрируется чертежами:
фиг. 1 - общая схема снаряда с головным расположением взрывателя;
фиг. 2 - общая схема снаряда с донным расположением взрывателя;
фиг. 3 - варианты исполнения составного тела;
фиг. 4 - сечения составного тела с осевым стержнем;
фиг. 5 - сечения составного тела без осевого стержня;
фиг. 6 - конструкции снаряда с монолитным телом;
фиг. 7 - варианты исполнения осевого тела заданного дробления;
фиг. 8 - действие снаряда с блоком готовых поражающих элементов (ГПЭ) или разрушающимся осевым телом при разрыве на обшивке цели;
фиг. 9 - действие снаряда с блоком ГПЭ или разрушающимся осевым телом при разрыве на грунте;
фиг. 10 - действие снаряда с блоком ГПЭ или разрушающимся осевым телом при неконтактном или дистанционном подрыве;
фиг. 11 - расчетная конфигурация снаряда;
фиг. 12 - зависимость коэффициента нагрузки от относительного диаметра осевого тела и относительной толщины стенки;
фиг. 13 - зависимость радиальной скорости осколков от относительного диаметра осевого тела и относительной толщины стенки;
фиг. 14 - зависимость удельной кинетической энергии от относительного диаметра осевого тела и относительной толщины стенки;
фиг. 15 - расчетная конфигурация сечения;
фиг. 16 - зависимость относительной толщины стенки от относительного диаметра осевого тела при фиксированной площади сечения заряда ВВ;
фиг. 17 - экспериментальная гистограмма распределения осколков по массе.

Общая схема снаряда с головным расположением взрывателя показана на фиг. 1. Снаряд содержит корпус 1 с дном и ведущим запрессованным или наплавленным пояском, заряд ВВ 2 с осевой полостью 3, в которой расположено составное или монолитное металлическое тело 4 круглого, полигонального или фигурного сечения, головной взрыватель 5 ударного, дистанционного или неконтактного действия. Снаряд может быть снабжен оболочкой (гильзой) 6, расположенной между осевым телом 4 и зарядом ВВ.

Общая схема снаряда с донным расположением взрывателя 5 показана на фиг. 2. Снаряд снабжен ввинтным дном 7, содержащим в себе передаточные заряды 8. Дно может быть выполнено отличным от ввинтного, а передаточные заряды располагаться непосредственно в корпусе взрывателя. Конструкции снаряда с различными вариантами исполнения составного тела показаны на фиг. 1, 2, 3, 4, 5. Тела могут быть выполнены с круглым, полигональным и фигурным сечением и по своему устройству подразделяются на две группы:
- тела с осевым монолитным или составным несущим стержнем 9 и набором готовых поражающих элементов (ГПЭ) 10 (фиг. 3а, б, в, г, д);
- составные тела без несущего стержня, содержащие только набор ГПЭ (фиг. 3 е, ж, з, и, к).

ГПЭ могут иметь форму, обеспечивающую плотную укладку их в теле (шестигранные призмы, кубы, трехгранные призмы), так и не обеспечивающую плотную укладку (шары, цилиндры и т.п.). Предпочтительной является плотная укладка, т. к. она предотвращает деформацию ГПЭ при их взрывном обжатии и уменьшает непроизводительные затраты энергии ВВ. В схемах фиг. 3 б, в с периферийной укладкой ГПЭ 11 и удлиненных ГПЭ 12 осевой стержень 9 снабжен флянцем 13, снижающим осевую инерционную нагрузку при выстреле на нижнюю часть укладки ГПЭ. В схеме фиг. 3д удлиненные ГПЭ 14 уложены на поверхности стержня 9 под небольшим углом к образующей ( α = 3 - 5^o).

Составные тела второго типа показаны на фиг. 3 е, ж, з, и, к. Вариант тела фиг. 3е состоит из расположенных по одной оси массивного ударника 15 и набора ГПЭ 16, причем ударник может быть расположен как впереди блока ГПЭ, так и сзади него. В варианте фиг. 3ж показан составной по длине стержень. В варианте фиг. 3з тело составлено из удлиненных ГПЭ 14 и блока компактных ГПЭ 16. В варианте фиг. 3и тело составлено из двух блоков ГПЭ, имеющих различную массу. В варианте фиг. 3к тело выполнено засыпкой шаров 17 в оболочку с последующей заливкой заполнителем 18.

Варианты укладки ГПЭ в поперечных сечениях в конструкциях с осевым стержнем 9 показаны на фиг. 4, в конструкциях без осевого стержня - на фиг. 5. На фиг. 4 а, б, в и фиг. 5а, б, в, г показаны конфигурации с плотной укладкой, на фиг. 4г, и 5д - конфигурации с неплотной укладкой. Тела могут быть выполнены как с оболочкой 6, так и без нее. Скрепление ГПЭ друг с другом, с оболочкой и со стержнем может быть выполнено с помощью клеевого соединения, пресс-порошковой технологии, горячей спрессовки, намотки нитью, например, стекловолоконной и т.п. Элементы тела, т.е. стержни и ГПЭ могут быть изготовлены как из стали, в том числе легированной, например, мартенситно-стареющей, так и из композитных материалов, например, из тяжелых сплавов на основе вольфрама или урана, или композитов, содержащих легковоспламеняемые металлические порошки алюминия, магния, циркония, бериллия.

Конструкции снаряда с различными вариантами исполнения монолитного тела показаны на фиг. 6 (а, в - с головным взрывателем б, г, д, е, - с донным).

Осевое тело 4 имеет опору на сплошное дно снаряда (фиг. 6а), на верхний срез 19 корпуса снаряда (фиг. 6г), на кольцевой уступ 20 в средней части корпуса снаряда (фиг. 6д), на дно и верхний срез корпуса (фиг. 6е). В качестве примеров приводятся варианты устройств фиксации задней части осевого тела от перемещения в радиальном направлении (фиг. 6а - с помощью кольца 21, фиг. 6е - с помощью выемки в дне снаряда, в которую входит задний конец стержня). На фиг. 6б показано исполнение осевого тела как целого с ввинтным дном 22, на фиг. 6в - как целого с корпусом 1.

В вариантах 6г, е осевое тело получает дополнительную скорость также за счет осевой составляющей давления на коническую поверхность стержня. В конструкции, показанной на фиг. 6д конфигурация корпуса наиболее близка к корпусу штатных малокалиберных снарядов автоматических пушек (тонкостенная передняя часть и толстостенная задняя часть, содержащая ведущий поясок). В этом схеме стержень получает дополнительную скорость за счет метательного действия заряда ВВ 23. Наличие толстостенной задней части корпуса обеспечивает медленный спад давления продуктов детонации с выделением значительного импульса. Передача детонации в переднюю часть заряда осуществляется непосредственно через фланец тела или с помощью передаточных зарядов 24. Снаряд, показанный на фиг. 6б и предназначенный для стрельбы из гладкоствольного орудия, стабилизируется на полете раскрывающимся стабилизатором 25 (показан в раскрытом состоянии). Снаряды, изображенные на фиг. 6в и фиг. 6г, снабжены соответственно трассером 26 и донным газогенератором 27. Аналогичными устройствами могут быть оснащены и снаряды с составным осевым телом.

Выбор материала монолитного тела определяется условиями применения снаряда. В снарядах, предназначенных для создания чисто осколочного действия, осевое монолитное тело 4 выполняется из хрупкого материала, разрушающегося на осколки под действием скользящей детонационной волны, например, из закаленной заэвтектоидной высокоуглеродистой стали с перлитно-цементной структурой, например, типа 110Г2С, закаленных кремнистых рессорно-пружинных сталей типа 60С2, 70С3, 80С2, чугуна, тяжелых хрупких сплавов на основе карбида вольфрама типа ВК-8, ВН-6 и т.п. Для улучшения процесса дробления могут быть использованы следующие меры заданного дробления: кольцевая или винтовая подрезка на внешней поверхности (фиг. 7а), скрытая подрезка, выполняемая нанесением на внешнюю поверхность канавок с последующей их закаткой (задавливанием) (фиг. 7б), нанесение на внешнюю поверхность охрупченных кольцевых, винтовых или продольных зон с помощью, например, локальной химикотермической обработки, электронно-лучевой или лазерной обработки (фиг. 7в). Все перечисленные меры могут использоваться в комбинациях с осевым каналом 28 круглого или полигонального сечения (не показан) (фиг. 7г) или с осевым каналом ступенчатого профиля (фиг. 7д). В конструкциях с головным взрывателем и донным детонационным узлом осевой канал может быть использован в качестве передаточного для лучевого импульса.

В снарядах, предназначенных для действия по бронированным целям, осевое тело 4 изготавливается из прочных пластичных легированных сталей, например, стаи 35Х3НМ, или пластичных тяжелых сплавов на основе вольфрама или урана.

Все описанные конструкции являются многоцелевыми, т.е. предназначены для стрельбы по грунту на осколочное действие и для стрельбы по целям - на осколочно-проникающее действие. В вариантах фиг. 6 а, в, д в момент выстрела тело, расположенное в осевом канале, через резьбовой узел воспринимает часть инерционных сил, действующих на снарядный корпус, разгружая последнюю. При ударе в цель происходит взрыв снаряда обшивке с поражением ее и окружающих объектов радиально разлетающимися осколками. При этом осевое тело продолжает двигаться вперед, разделяясь на ГПЭ или подвергаясь заданному или естественному дроблению за счет волн разгрузки, проникая вглубь цели и обеспечивая большой объем поражения в запреградном пространстве (фиг. 8). При донном инициировании трубчатого заряда ВВ тело получает дополнительную скорость относительно корпуса за счет воздействия косых ударных волн, возникающих в осевом теле при скольжении вдоль него детонационной волны и за счет давления продуктов детонации на задний торец.

При стрельбе по грунту с ударным взрывателем при малых углах подхода, характеристик для стрельбы из малокалиберных автоматических пушек передний сноп ГПЭ или осколков осевого тела рикошетирует от поверхности земли, в особенности в скальных и полускальных грунтах, создавая поле поражения большой глубины (фиг. 9). (29 - зона поражения осколками корпуса, 30 - зона поражения ГПЭ осевого тела).

При стрельбе по наземным и воздушным целям с применением дистанционных или неконтактных взрывателей снаряд поражает цель пучком ГПЭ или осколков осевого тела (фиг. 10). В этом варианте снаряд эквивалентен по действию осколочно-фугасному снаряду с передним блоком ГПЭ (патент N 2018779 РФ). Вопросы оптимизации массы ГПЭ, оптимальной дальности подрыва и др. рассмотрены в работе "Конструкции осевого действия", автор - В.А. Одинцов, изд-во МГТУ, 1995 г.

Преимуществами предлагаемого снаряда по сравнению с указанным является большая масса блока ГПЭ, отсутствие проблемы прочности узла диафрагма - кольцевой уступ корпуса, использование для получения радиального поля всей длины корпуса. Функционирование снаряда с неразрушаемым при взрыве монолитным осевым телом протекает аналогичным образом с той разницей что при обжатии тела скользящей детонационной волной разрушения его не происходит благодаря подобранным свойствам материала, способного выносить растягивающие напряжения разгрузки, а также, ослабляющей амплитуду давления оболочке 6, выполненной из легкосжимаемого материала, например, из алюминиевого сплава. Амплитуда волны разрежения снижается также за счет сдерживающего воздействия на разлет продуктов детонации оболочки корпуса снаряда.

В дальнейшем осевое тело, выполняющее функцию бронебойного снаряда, проникает в цель, поражая внутренние агрегаты, например, двигатель, отсеки с боекомплектом и т.п. При этом высокотемпературные продукты детонации, в общем случае имеющие в своем составе зажигательные компоненты, например, алюминиевую пудру, проникают в пробитый канал и вызывают воспламенение запреградных объектов. При пробивании листовой преграды составным стержнем части стержня за счет производственных эксцентриситетов и силового взаимодействия с пробиваемой преградой, в особенности при ударе под углом, расходятся по разным направлениям, обеспечивая большой объем поражения в запреградном пространстве. В этом варианте передняя часть составного стержня может быть изготовлена из тяжелого сплава, мартенситно-стареющей стали и других высококачественных материалов, обеспечивающих надежное пробитие броневых преград, а донные части стержня - из обычной стали.

В варианте снаряда осколочного действия взрыватель имеет ударно-неконтактное или ударно-дистанционное наполнение. Ввод команды на вид действия, а во втором случае и ввод временной установки, осуществляется бесконтактным способом после вылета снаряда из канала ствола, например, с помощью надульных соленоидных колец, или контактным способом, например, через электрокапсюльную втулку и центральный проводящий стержень гильзы.

В варианте снаряда с неразрушаемым осевым телом (осколочнобронебойного действия) ударный взрыватель снабжен устройством выключения, приводимым в действие одним из вышеперечисленных способов. Выключение взрывателя производится при стрельбе по легкобронированным целям с целью наиболее полного использования кинетической энергии снаряда для пробития броневой преграды.

Оптимальные размеры осевого тела-блока ГПЭ находятся по условию максимума эффективности совместного действия осколков корпуса и блока ГПЭ. Расчетная модель снаряда в виде эквивалентного цилиндра представлена на фиг. 11. Общая масса снаряда (цилиндра) Q определяется соотношением
Q=(M+M_б+C)•q,
где M, M_б, C - соответственно массы корпуса, блока ГПЭ (осевого тела) заряда ВВ, а q - коэффициент, учитывающий массу "доньев" (условная величина, включающая в себя дно снаряда, взрыватель, ведущий поясок и др.). При фиксированных калибре цилиндра d, длине L, и толщине стенки δ увеличение диаметра блока d_б будет с одной стороны приводить к увеличению осевого действия вследствие увеличения массы блока M_б, а с другой - к снижению радиального действия осколков оболочки вследствие снижения массы заряда C. Радиальная скорость осколков V_о зависит от коэффициента нагрузки β=C/M , определяется соотношением

где ρ_o,γ_o- соответственно плотность ВВ и металла оболочки;
δ_d= δ/d - толщина стенки оболочки в калибрах;
δ_Б= δ_Б/d - относительно диаметра блока ГПЭ (осевого тела).

При заданной величине максимальный относительный диаметр (β) = 0) определяется соотношением

Радиальная скорость V_o определяется по формуле Покровского-Джерни

где D - скорость детонации заряда ВВ.

Удельная масса оболочки M' = M/L определяется как

Удельная кинетическая энергия W'=W/L;
Расчетные зависимости 7850 кг/м³, ρ_o= 1700 кг/м³, D = 8000 м/с, d = 40 мм = 0,04 м представлены на фиг. 12, 13, 14.

Как видно из последнего графика, с ростом относительного диаметра осевого тела при фиксированной относительной толщине оболочки происходит существенное снижение кинетической энергии радиального поля осколков. Например, для конфигурации показанной на фиг. 15 кинетическая энергия по сравнению с соответствующей величиной при отсутствии тела (d= 0) снижается на 35%. Однако, это снижение при многофакторном анализе с успехом компенсируется мощным осевым действием потока ГПЭ. В таблице приводятся расчетные характеристики 40 мм снаряда по модели фиг. 11 с соотношениями фиг. 15 (L=3,5d, M=0,497 кг, C=0,116 кг, β = 0,234, V_o-1295 м/с, W_o= 417 кДж, q_д=1,2).

Относительные массы оболочки осевого тела и ВВ (без учета доньев) в первом случае составляет 0,519, 0,360 и 0,121, а во втором - 0,354, 0,563 и 0,083.

Из таблицы следует, что при определенных условиях кинетическая энергия осевого потока W_б приближается к кинетической энергии радиального осколочного поля в статике. При этом следует иметь в виду, что вследствие различной геометрии полей плотность осевого поля на порядок и более превосходит плотность радиального поля. Следует также иметь в виду, что снижение радиальной скорости осколков при ударном действии по небронированным наземным и воздушным целям является фактором, уменьшающим угол снопа разлета осколков и способствующим тем самым усилению осевого действия в запреградном объеме.

В случае, когда при заданном калибре площадь сечения заряда фиксирована, что является условием постоянства массы заряда ВВ, т.е. условием обеспечения постоянства фугасного действия, и увеличения диаметра осевого тела происходит за счет уменьшения толщины стенки, величины связаны соотношением

где δ_do- относительная толщина стенки при отсутствии осевого тела.

График зависимости представлен на фиг. 16.

Достаточное дробящее действие трубчатого заряда с осевым телом было подтверждено экспериментом на стандартном осколочном макете N 12 (патент N 2025646 РФ) с корпусом из стали C - 60 (наружный диаметр 60 мм, внутренний диаметр 40 мм), содержащем осевое тело (стальной стержень) диаметром 25 мм Числа осколков с массой более 0,25, 0,5 и 1,0 г составили соответственно 585, 437 и 337. Гистограмма распределения осколков по массе представлена на фиг. 17.5

Изобретение касается осколочных артиллерийских боеприпасов. Осколочный снаряд имеет корпус, в котором размещены заряд взрывчатого вещества, головной или донный взрыватель ударного, или дистанционного, или неконтактного действия. Заряд взрывчатого вещества выполнен с осевой полостью, в которой размещено удлиненное, металлическое, составное или монолитное тело круглого, полигонального или фигурного сечения. Снаряд обладает усиленным осевым действием, что повышает надежность поражения защищенных, в том числе бронированных целей. 12 з.п. ф-лы, 17 ил., 1 табл.

1. Осколочный снаряд, содержащий корпус, размещенный внутри корпуса заряд взрывчатого вещества, головной или донный взрыватель ударного, или дистанционного, или неконтактного действия, отличающийся тем, что заряд взрывчатого вещества выполнен с осевой полостью, в которой размещено удлиненное металлическое составное или монолитное тело круглого, полигонального или фигурного сечения. 2. Снаряд по п.1, отличающийся тем, что металлическое тело размещено с опорой на дно снаряда. 3. Снаряд по п.1 или 2, отличающийся тем, что между металлическим телом и зарядом взрывчатого вещества размещена прокладка из сжимаемого материала. 4. Снаряд по п.1, отличающийся тем, что элементы составного тела выполнены формой, обеспечивающей их плотную укладку в осевой полости заряда. 5. Снаряд по п.1 или 4, отличающийся тем, что элементы составного тела выполнены из стали, или композитных материалов на основе вольфрама или урана, или сплавов, содержащих легковоспламеняемые металлы. 6. Снаряд по любому из пп.1,4 и 5, отличающийся тем, что элементы составного тела выполнены в виде стержней. 7. Снаряд по любому из пп.1, 5 и 6, отличающийся тем, что составное тело содержит осевой несущий стержень и расположенный вокруг него набор готовых поражающих элементов. 8. Снаряд по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что монолитное металлическое тело выполнено из хрупкого металлического материала. 9. Снаряд по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что монолитное металлическое тело выполнено из пластичного металлического материала. 10. Снаряд по любому из пп.1, 8 и 9, отличающийся тем, что монолитное металлическое тело снабжено устройством заданного дробления в виде кольцевой или винтовой подрезки на его внешней поверхности или охрупченных зон. 11. Снаряд по любому из пп.1, 8 - 10, отличающийся тем, что монолитное металлическое тело выполнено с осевым каналом круглого или полигонального сечения или ступенчатого профиля. 12. Снаряд по п.1, отличающийся тем, что взрыватель выполнен с ударно-неконтактным или ударно-дистанционным действием. 13. Снаряд по п. 12, отличающийся тем, что ударный взрыватель снабжен устройством выключения.