МЕТАТЕЛЬНЫЙ КУМУЛЯТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2005 года по МПК F42B1/28 F42B1/32 

Изобретение относится к области импульсного воздействия на различные конденсированные среды, а именно, воздействия ударом, и может быть использовано для создания больших давлений на поверхностях твердых и пористых сред, нагружения поверхностей объемов, заполненных жидкими или многофазными гетерогенными средами, создания отверстий и кратеров в твердых материалах, уплотнения твердых и пористых тел, прессования порошковых материалов, упрочнения металлорежущего, строительного и бурового инструмента, а также разрушения материальных объектов.

В дальнейшем при характеристике предложенного устройства будет использован термин “волнистый”. В контексте предлагаемого описания данный термин соответствует определению, изложенному в Большом энциклопедическом словаре “Политехнический” (М., “Большая Российская энциклопедия”, 1998, стр.91). Кроме того, будет использован термин “волна”, который в контексте данного описания будет однозначно обозначать участок края круглой пластины между двумя соседними точками максимального удаления края пластины от срединной плоскости пластины, находящимися с одной стороны этой плоскости. Здесь и далее срединная плоскость пластины - это плоскость сечения, перпендикулярная центральной оси пластины, причем алгебраическая сумма отклонений формы пластины от этой плоскости равна нулю с наиболее возможной точностью. Также при описании предложенного устройства будет использован термин “конденсированная среда”, обозначающий любую твердую, пористую или жидкую среду.

Известно (Большой энциклопедический словарь “Политехнический”, М., “Большая Российская энциклопедия”, 1998, стр.260), что метательный кумулятивный элемент предпочтительно выполнен в виде осесимметричной пластины (облицовки), расположенной на поверхности источника энергии (боезапаса) с выемкой.

Известно также выполнение метательных кумулятивных элементов в форме плоской пластины (RU, патент 2070707, F 42 В 1/00, 1996), куполообразной пластины (US, патент 4693181, F 42 В 1/10, 1987), а также в форме конуса (RU, патент 2049979, F 42 В 1/00, 1997).

Недостатком всех указанных метательных кумулятивных элементов следует признать их невысокую эффективность при создании больших давлений на поверхностях конденсированных сред и, в частности, при формировании сквозных отверстий и глубоких кратеров в твердых телах. Также недостатком известных метательных элементов следует признать невозможность одновременного воздействия на поверхности материальных объектов большой площади.

Известен кумулятивный метательный снаряд (US, патент 4922825, F 42 В 1/02, 1990), в форме круглой пластины, причем область, примыкающая к краю пластины, выполнена неоднородной в окружном направлении.

Недостатком известного метального элемента следует признать незначительную эффективность.

Техническая задача, решаемая посредством предложенного устройства, состоит в разработке высокоэффективного средства воздействия на различные конденсированные среды с расширением области применения метательных кумулятивных элементов.

Технический результат, получаемый при реализации устройства, состоит в повышении его эффективности, приводящем в зависимости от модификации устройства к увеличению размеров создаваемых отверстий и кратеров, увеличению числа отверстий и кратеров, формирующихся при одном метании, повышению давления при уплотнении, прессовании и упрочнении различных материалов, а также к увеличению площади одновременно обрабатываемой поверхности.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать метательный кумулятивный элемент в форме круглой пластины, причем область, примыкающая к краю пластины, выполнена неоднородной в окружном направлении, причем примыкающая к краю пластины часть выполнена загнутой вперед на 5-20° относительно плоскости центральной части.

Неоднородности могут быть выполнены в виде: волнистого края пластины, переменной толщины, переменного состава материала пластины с переменными физико-механическими свойствами (плотность, упругость, пластичность и др.). Причем эти неоднородности могут быть как периодическими в окружном направлении, так и непериодическими. Предпочтительно, чтобы волнистая часть содержала четное количество волн (или других неоднородностей) - в большинстве изученных случаев это усиливает действие устройства, т.к. такие метательные элементы более устойчивы при деформировании.

Центральная часть пластины также может быть выполнена неоднородной по толщине и свойствам материала. Центральная часть пластины может дополнительно содержать не менее двух концентрически расположенных неоднородных по толщине или плотности структур. Эти структуры могут представлять собой, в частности, гребни или впадины с переменными линейными размерами высот и оснований, что позволяет увеличить число активных элементов, воздействующих на обрабатываемую поверхность.

В предпочтительном варианте реализации выше указанных случаев выполнения центральной части отношение радиуса пластины к радиусу его центральной части составляет от 1,5 до 3,0.

Для некоторых практических задач целесообразно начинать выполнение окружных неоднородностей непосредственно от центра пластины. Так, при разработке метательного элемента, создающего на мишени несколько расположенных по окружности кратеров без удара по поверхности между ними, была изготовлена пластина (см. пример 2), в которой неоднородности были выполнены в секторах, на которые была разделена круглая пластина.

Метательный элемент может быть изготовлен из любого вещества, способного трансформироваться под действием высокого давления, получаемого за счет применяемого источника энергии; трансформация может происходить как с большим изменением формы пластины без ее разрушения, так и с разрушением на дисперсные частицы. Это могут быть металлы, преимущественно медь или медные сплавы, металлополимерные или композиционные материалы (волокнистые, слоистые и др.). Желательно использовать материалы с большой плотностью, поскольку это увеличивает кинетическую энергию и импульс элементов, в которые трансформируется метательный элемент.

В различных вариантах реализации предложенной конструкции волнистость краев и другие неоднородности пластины могут быть выполнены накаткой, штамповкой или другой механической обработкой, а также отливкой в форму или прессованием в форме.

В результате подбора параметров устройства можно получать различные виды нагружения: от сфокусированного сверхвысокого нагружения с пробивающим эффектом до рассеянного воздействия, распределенного на большой площади поверхности. Для достижения обработки поверхностей материальных тел задаваемых размеров устройство можно масштабировать. Также устройство позволяет получать любое заданное количество центров концентрации напряжений на обрабатываемой поверхности.

В отличие от известных ранее метательных кумулятивных элементов предложенное устройство может приводиться в действие не только взрывом заряда, но также и источником высокого давления, например сжатым газом; необходимо только обеспечить возможность создания больших деформаций метательного элемента используемым источником энергии.

В ходе разработки конструкции метательного кумулятивного элемента было теоретически предсказано и экспериментально установлено, что при метании элемента с указанными выше характеристиками происходит деформация метательного элемента с формированием активных высокоэнергетических областей. При этом из его частиц образуются быстро разгоняющиеся стержни, концы которых находятся в точках неоднородности метательного элемента. Между стержнями расположены выпуклые поверхности, также обладающие высокой кинетической энергией и импульсом.

Обнаруженный вид деформаций неоднородных пластин с кумуляцией энергии и импульса в трехмерных упорядоченных структурах был успешно применен при разработке взрывного устройства для перфорации толстых металлических плит и создания глубоких кратеров в твердых материалах с диаметром отверстия или кратера, приближающимся к диаметру метающего устройства.

В ходе экспериментов было установлено, что при использовании в качестве мишени толстой стальной плиты количество сквозных отверстий или глубоких кратеров, образующихся в плите, соответствует количеству волн по краю пластины или точек максимальной неоднородности толщины. Глубина создаваемых кратеров, при прочих равных условиях, определяется материалом и массой метательного элемента, амплитудой волн и неоднородностей пластины в области, примыкающей к краю пластины, первоначальным расстоянием от метательного элемента до поверхности твердого тела, а также характеристиками используемого средства метания.

Также было замечено, что в некоторых случаях металлические образцы, обработанные предложенными метательными элементами, приобретают очень высокую прочность и износостойкость. При этом упрочнение производится одновременно двумя факторами: импульсным воздействием ударных волн высокой интенсивности и сверхглубоким прониканием частиц метательного элемента внутрь нагружаемого материала. Для достижения максимального эффекта целесообразно применять металлополимерные метательные элементы, содержащие порошки износостойких металлов (вольфрама, никеля и др.).

Эффективность предложенной конструкции рассматривается с использованием следующих примеров реализации:

1. При метании с использованием заряда тротилгексогена массой 0,1 кг в броневую плиту толщиной 0,05 м с расстояния 0,15 м медной пластины диаметром 0,045 м и толщиной 0,002 м (диаметр центральной части 0,022 м) с двенадцатью периодически расположенными по краю волнообразными участками, загнутыми вперед на 10° относительно плоскости центральной части, в плите было получено сквозное отверстие с входным диаметром 0,045 м и выходным диаметром 0,025 м.

2. При метании в условиях примера 1 плоской медной пластины, разделенной проточками шириной 0,002 м и глубиной 0,001 м на шесть одинаковых круговых секторов, в плите было получено шесть кратеров с входным диаметром 0,02 м и глубиной 0,02 м с центрами, расположенными по окружности с диаметром 0,045 м.

3. При метании в условиях примера 1 пластины, выполненной из силиконового каучука, наполненного порошком меди, в плите было получено сквозное отверстие с входным диаметром 0,04 м и выходным диаметром 0,03 м.

Приведенные примеры не исчерпывают возможности применения устройства.

Изобретение относится к области метательных кумулятивных элементов. Метательный кумулятивный элемент выполнен в форме круглой пластины, причем область, примыкающая к краю пластины, выполнена неоднородной в окружном направлении, при этом примыкающая к краю пластины часть выполнена загнутой вперед на 5-20° относительно плоскости центральной части. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности, повышение пробивной способности и увеличение размеров создаваемых отверстий и кратеров. 13 з.п. ф-лы.

1. Метательный кумулятивный элемент, выполненный в форме круглой пластины, причем область, примыкающая к краю пластины, выполнена неоднородной в окружном направлении, отличающийся тем, что примыкающая к краю пластины часть выполнена загнутой вперед на 5-20° относительно плоскости центральной части.2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что неоднородность имеет вид волнистого края пластины.3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что неоднородность имеет вид переменной толщины.4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что неоднородность имеет вид переменного состава материала пластины с переменными физико-механическими свойствами.5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что указанные неоднородности выполнены периодическими в окружном направлении.6. Элемент по п.5, отличающийся тем, что примыкающая к краю пластины ее часть содержит четное количество неоднородностей.7. Элемент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно центральная часть пластины выполнена неоднородной по толщине и свойствам материала.8. Элемент по п.7, отличающийся тем, что центральная часть пластины содержит не менее двух концентрически расположенных неоднородных по толщине или плотности структур.9. Элемент по п.1, отличающийся тем, что отношение радиуса пластины к радиусу ее центральной части составляет 1,5-3,0.10. Элемент по п.1, отличающийся тем, что неоднородности, выполненные в окружном направлении, занимают всю площадь пластины от центра до краев.11. Элемент по п.10, отличающийся тем, что пластина выполнена загнутой по направлению к центральной оси пластины.12. Элемент по п.1, отличающийся тем, что он выполнен из металла.13. Элемент по п.1, отличающийся тем, что он выполнен из металлополимера.14. Элемент по п.1, отличающийся тем, что он выполнен из композиционного материала.