СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАИБОЛЕЕ ЭФФЕКТИВНОГО ПО ПОРАЖАЮЩЕМУ ФУГАСНОМУ ДЕЙСТВИЮ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА СМЕСЕВОГО ЗАРЯДА МИННО-ТОРПЕДНОГО ОРУЖИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01N33/22 C06B25/00 

Изобретение относится к области морского оружия и может быть использовано в специальном и коммерческом судостроении, общем и специальном машиностроении и строительстве для повышения эффективности взрывных технологий и обеспечения безопасности взрывных работ.

Известен способ определения фугасного действия зарядов взрывчатых веществ, изложенный в книге «Пороха и взрывчатые вещества» Горст А.Г., М.: Машиностроение, 1972, стр. 86-91 [1], согласно которому при моделировании процессов энерговыделения, происходящих при взрыве различных взрывчатых веществ, основными поражающими факторами являются избыточное давление во фронте ударной волны (ΔР_m) и импульс (ΔJ) давления, а критериями сравнения по фугасному действию конкурирующих вариантов взрывчатых веществ принимают количественные характеристики этих факторов, полученные при неизменности массы, формы, способа детонации заряда, расстояния от центра взрыва. Определение наиболее эффективного ВВ решается путем сопоставления тротиловых эквивалентов.

Изложенный способ является наиболее близким техническим решением и принят за прототип.

Недостатки прототипа

Способ не применим для современного высокоточного оружия, для которого характерным является взрыв заряда в ближней зоне от объекта поражения, т.к. в его основу положена модель точечного взрыва. Способ не учитывает влияние таких поражающих факторов как плотность потока энергии ΔE_f и гидропотока ΔU_f, вносящих существенный вклад в суммарное силовое воздействие на поражаемый объект в ближней зоне взрыва.

Кроме того, для сравнения поражающего фугасного действия взрыва различных ВВ используется тротиловый эквивалент, что неприемлемо для ближней зоны в силу того, что тротиловые эквиваленты по каждому из поражающих факторов в этой зоне различны и изменяются с разной интенсивностью по мере удаления от центра взрыва.

Задачей изобретения является создание способа определения наиболее эффективного по поражающему фугасному действию состава заряда современного высокоточного минно-торпедного оружия, предназначенного для осуществления ближнего контактного и неконтактного взрыва.

Поставленная задача решается тем, что выбор наиболее эффективного по поражающему фугасному действию элементного состава смесевого заряда минно-торпедного оружия осуществляется путем комплексного моделирования взаимосвязанных процессов: детонации и полного энерговыделения при взрыве смесевого заряда; взаимодействия с окружающей средой и многокамерной по глубине защитной конструкцией, включающей защитные преграды с расположенными между ними камерами; деформирования и разрушения защитных преград; при этом в число основных поражающих факторов подводного взрыва включают избыточное давление во фронте ударной волны (ΔP_m), импульс давления (ΔJ), плотность потока энергии (ΔЕ_f) и гидропотока (ΔU_f). Их совокупность определяют для ближней от центра взрыва зоны, радиус R границы которой принимают равным R≤12R₀, где R₀ - радиус эквивалентного сферического заряда, а расстояние от центра взрыва до поражаемого объекта принимают равным наиболее вероятной дистанции от точки подрыва заряда до ближайшей точки поверхности поражаемого объекта.

В качестве критерия эффективности поражающего действия подводного взрыва смесевых зарядов с различными элементными составами принимают площадь пробоины и остаточные прогибы в последней защитной преграде многокамерной по глубине защитной конструкции.

Изложенная сущность поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема взаимного расположения заряда и многокамерной по глубине защитной конструкции, на фиг.2-3 - динамика процесса деформирования и разрушения многокамерной по глубине защитной конструкции.

Схема фиг.1 состоит из цилиндрического заряда смесевого ВВ 1, многокамерной защитной конструкции 2, содержащей соответственно первую 3, вторую 4 и третью основную защитную 5 преграды, защищаемого внутреннего объема 6.

На схеме использованы следующие обозначения:

L_зар, D_зар - длина и диаметр заряда 1,

h₁, h₂, h₃ - толщина защитных преград 3, 4 и 5 соответственно,

H_ВК - глубина воздушной камеры между преградами 3 и 4,

H_БК - глубина балластной камеры между преградами 4 и 5.

На фиг.2 и 3 изображена последовательность взаимодействия взрыва заряда 1 с многокамерной по глубине защитной конструкцией 2, включая процесс разрушения основной защитной преграды 5. Позицией 6 обозначен защищаемый внутренний объем, а позицией 7 обозначены продукты взрыва заряда.

Обобщенный элементный состав смесевых зарядов минно-торпедного оружия включает в себя смесь индивидуальных взрывчатых веществ (ИВВ), высокоэнергетический «догорающий» наполнитель и флегматизатор.

ИВВ выбирают из группы конденсированных взрывчатых веществ с обобщенной химической формулой C_aH_bO_cN_d. Их присутствие в составе смесевого заряда определяет основной вклад в энергетику, характеризующуюся энергией детонации Q_Д взрыва и формирования поражающих факторов в окружающем пространстве - поля давлений (ΔР_m), импульса давления (ΔJ), плотности потока энергии (ΔЕ_f) и гидропотока (ΔU_f).

Высокоэнергетический наполнитель, например мелкодисперсного Al, вступает в реакцию окисления с запозданием, длительность которой (τ_дог) на несколько порядков больше, чем время детонации. Присутствие этого элемента, во-первых, уменьшает концентрацию ИВВ в заряде, а во-вторых, на этапе детонации ИВВ приводит к энергетическим потерям (-ΔQ₁) на сжатие и разгон Al, а следовательно, и к уменьшению всех названных выше поражающих факторов, но в разной мере. На этапе горения Al происходит дополнительное энерговыделение, характеризуемое величиной ΔQ_дог - удельной дополнительной энергией сгорания Al, которая преобразуется в мехническую энергию и приводит к переменному во времени и пространстве возрастанию поражающих факторов (ΔР_m, ΔJ, ΔЕ_f, ΔU_f).

Флегматизатор - инертное вещество (например, парафин) обеспечивает уровень безопасности заряда в определенных условиях хранения и экстремальных ситуациях. Тип и концентрацию флегматизатора фиксируют исходя из предшествующего опыта эксплуатации образцов минно-торпедного оружия. Введение его равносильно уменьшению концентрации ИВВ. Кроме того, часть энергии взрыва уходит на сжатие и разгон флегматизатора.

Увеличение содержания этого элемента выше минимально необходимого приводит к резкому снижению количественных характеристик всех поражающих факторов, но в разной мере.

Сумма вкладов всех элементов, входящих в состав смесевого заряда, в динамику формирования поражающих факторов определяет закономерности перераспределения вклада каждого из поражающих факторов в общее силовое воздействие на объект поражения в зависимости от дистанции взрыва до мишени и времени.

Особенностью процессов деформации и разрушения защитных преград при импульсном взрывном нагружении является зависимость прочностных и деформационных характеристик металлов от скорости деформации () и отличие физико-механических свойств у разных судостроительных корпусных материалов. Существенную особенность вносит и сложный волновой характер нагружения и деформирования конструкций.

При комплексном имитационном моделировании всех взаимосвязанных процессов - от детонации и полного энерговыделения при взрыве до деформирования и разрушения несущих конструкций многокамерных преград, принятых в данном способе, определяют:

1. Эталонный объект поражения и условия применения оружия - наиболее вероятную дистанцию взрыва заряда от мишени, ограничения по массе, габаритам, форме заряда;

2. Параметры детонации взрывчатых элементов заряда (ИВВ) и их смеси, поражающие факторы (ΔР_m, ΔJ, ΔE_f, ΔU_f) - путем имитационного моделирования по методикам, изложенным в [2, 3];

3. Зависимости прочностных и деформационных свойств от скорости деформации материалов конструкций эталонной многокамерной защитной конструкции и построение диаграмм связи интенсивностей напряжений и деформаций σ_i=f(ε₁) в условиях динамического нагружения и реализации скоростей деформации по методикам, изложенным в [4, 5].

4. Предельные значения деформационных критериев прочности при взрывном нагружении путем динамических испытаний листовых образцов натурной толщины из материалов, примененных для изготовления конструкций эталонной многокамерной защитной конструкции, по методике, разработанной в ЦНИИ КМ «Прометей» [6].

5. Параметрические зависимости количественных характеристик поражающих факторов ΔР_m, ΔJ, ΔE_f, ΔU_f от элементного состава смесевого заряда, физико-механических свойств материала, примененного для эталонной многокамерной по глубине защитной конструкции и критериев поражения (размера пробоины, остаточные прогибы последней внутренней защитной преграды, которую имитируют плоской пластиной номинальной или приведенной толщины), в соответствии с методикой, изложенной в [7];

6. Оптимальный по поражающему фугасному действию - достижению максимальных объемов повреждения эталонного объекта поражения, элементный состав смесевого заряда в соответствии с методикой, изложенной в [7].

Пример осуществления способа

Необходимо определить элементный состав и количественные характеристики составляющих смесевого заряда, состоящего из двух индивидуальных взрывчатых веществ типа C_aH_bO_cN_d, высокоэнергетической металлической добавки АДС-1м (алюминиевый порошок с дисперсностью частиц 10 мкм) и флегматизатора (парафин), обладающего наибольшим фугасным действием на двухкамерную (трехпреградную) защитную конструкцию при контактном подводном взрыве.

Характеристики цилиндрического заряда (фиксированные):

- R₀ - радиус заряда = 265 мм;

- L_зар - длина заряда = 1,35 м;

- М_зар - масса заряда = 460 кг;

- α_фл - содержание флегматизатора = 3%.

Характеристики заряда, требующие определения:

- - тип первого взрывчатого компонента;

- α_BB1 - массовая концентрация первого взрывчатого компонента;

- - тип второго взрывчатого компонента;

- α_BB2 массовая концентрация второго взрывчатого компонента;

- α_A1 - массовая концентрация высокоэнергетической металлической добавки.

Характеристики многокамерной защитной конструкции (фиг.1):

- материал защитных преград - сталь АБ2-1, АБ2-2;

- предел текучести σ_T=600 МПа;

- толщины преград - h₁=h₂=10 мм - АБ2-1;

h₃=40 мм - АБ2-2;

- глубина воздушной камеры H_BK - 1,25 м;

- глубина балластной камеры H_БК - 1,25 м.

Подрыв заряда 1 производят при контакте с первой преградой 3 многокамерной защитной конструкции 2. По отношению к основной (последней внутренней) защитной преграде 5 (ОЗП) взрыв является близким неконтактным (R/R₀≤12), где R - расстояние от точки взрыва до основной защитной преграды 5.

Диаграмма связи интенсивностей напряжений и деформаций σ_i=f(ε_i) в условиях динамического нагружения и реализации скоростей деформации для моделирования процессов деформирования защитных преград получена по результатам испытаний образцов сталей АБ2-1 и АБ2-2, опубликованных авторами в [3, 5].

Предельное значение интенсивности деформаций ε_i для стали АБ2-2 получены из динамических испытаний листовых образцов натурной толщины по методике [6], разработанной в ЦНИИ КМ «Прометей», и принято равной ε_iразр=_0,2.

В соответствии с заявленным способом последовательно выполняют этапы:

- определение параметров детонации смесевого ВВ с учетом потерь энергии на разгон и сжатие добавок;

- определение закона полного энерговыделения при детонации (Q_д) и сгорании высокоэнергетической металлической добавки (ΔQ_дог);

- расчет полей поражающих факторов в ближней зоне подводного взрыва (ΔР_m, ΔJ, ΔE_f, ΔU_f);

- определение напряженно-деформированного состояния защитных преград при последовательном их разрушении по критерию ε_i≥ε_iразр=0,2;

- определение элементного состава смесевого ВВ на основе теории планирования эксперимента и применения процедуры оптимизации по критерию достижения наибольших прогибов и интенсивности деформаций в основной защитной преграде 5 (ОЗП).

Критерии оценки фугасного действия взрыва следующие:

- в случае разрушения ОЗП - размер пробоины, граница которой определяется по условию r_{пробоины}=r_εi=0,2;

- в случае сохранения целостности ОЗП - величина остаточного прогиба W_max и интенсивность деформаций ε_imax.

На фиг 2 и 3 показаны процессы, возникающие при контактном взрыве заряда 1 смесевого ВВ на наружном контуре многокамерной (в конкретном примере - двухкамерной) защитной конструкции 2.

Т_[c] - время в секундах от момента детонации;

R_m - расстояние от точки взрыва по горизонтали в метрах;

Z_m - расстояние в метрах по нормали от плоскости отсчета.

В результате имитационного моделирования процесса разрушения основной защитной преграды 5 получаем, что наибольшим фугасным действием обладает взрывчатый состав, имеющий следующие характеристики:

-

- α_A1=0,16;

при плотности ВВ в смеси

и содержании флегматизатора

α_фл=3%.

Взрывчатая компонента смесевого заряда может быть составлена из двух индивидуальных ВВ - тротила (С₇Н₅О₆N₃; ) и тэна (C₅H₈O₁₂N₄; ) в соотношении 2: 3. В этом случае получаем заряд, обладающий наибольшим фугасным действием, состоящий из следующих компонентов:

- тротил32%- тэн49%- Al16%- Фл.3%.

Сравнительный анализ показывает, что заряд, снаряженный фугасным составом ФС [1], разрушает промежуточные защитные преграды, но не разрушает основную защитную преграду 5. Остаточный прогиб ОЗП 5 составляет 0,68 м, наибольшая интенсивность деформаций в ОЗП ε_imax=<ε_iразр.

Заряд, состав которого получен в результате применения заявляемого способа, разрушает все защитные преграды и образует в основной защитной преграде 5 пробоину площадью 9 м².

Заявленный способ позволяет для зарядов неизменной массы, формы и элементного состава получать эффект повышения поражающего фугасного действия на типовые многопреградные конструкции только за счет перераспределения концентраций компонентов заряда.

Список литературы

1. Горст А.Г. «Пороха и взрывчатые вещества», М.: Машиностроение, 1972, стр.86-91.

2. Еременко Л.Т., Нестеренко Д.А. Химия детонации. Генерация детонационной энергии взрывчатыми веществами различного атомного состава. (Препринт); М.: ИХФ АН РФ, Черноголовка, 1992, 28 с.

3. Кормилицин Ю.Н., Мельников С.Ю., Томашевский В.Т. Новые научные технологии прогнозирования взрывозащищенности инженерных сооружений при близких неконтактных и контактных взрывах зарядов ВВ композитной структуры. В кн.: Наука и технологии. Избранные труды Российской школы «К 70-летию Г.П.Вяткина.» - М.: РАН, 2005 с.261-289.

4. Кормилицин Ю.Н., Малышевский Ю.В., Мельников С.Ю., Томашевский В.Т. Проблема формирования блока предельных состояний в имитационных технологиях процессов упруго-пластического деформирования стержней и пластин (пологих оболочек) при квазистатическом и динамическом (импульсном) нагружении. В кн.: Наука и технологии. Избранные труды Российской школы «К 70-летию Г.П.Вяткина.» - М.: РАН, 2005 с.290-301.

5. Ващенко А.П., Степанов Г.В., Токарев В.М., Леонов В.П., Мотовилина Г.Д., Эглит А.С. Влияние скорости нагружения на механические свойства сталей разного уровня прочности. Проблемы прочности. 1989, №10.

6. Отчет о составной части научно-исследовательской работы «Титан-1». Отв. Исп. Ульянов В.М. ЦНИИ КМ «Прометей», СПб, 2004.

7. Отчет по научно-исследовательской работе: Фундаментальные задачи нелинейной механики и технологии в теории подводного взрыва зарядов ВВ композитной структуры и моделирование его взаимодействия с полупространством композитной кусочно-неоднородной структуры (Разработка теоретических основ подводного взрыва ВВ композитной структуры в свободной воде и модели процессов его взаимодействия в ближней зоне с безграничной средой и с нерегулярно кусочно-неоднородным по глубине пространством). СПб: ИПМаш РАН.2005.

Изобретение относится к взрывчатым веществам и зарядам минно-торпедного оружия. Предложен способ определения наиболее эффективного по поражающему фугасному действию элементного состава смесевого заряда минно-торпедного оружия, включающий моделирование процессов детонации и энерговыделения, происходящих при взрыве смесевых зарядов различных составов, по поражающим факторам подводного взрыва смесевого заряда, сравнительный анализ их количественных характеристик. При моделировании процессов детонации и энерговыделения моделируют взаимодействие подводного взрыва с окружающей средой и многокамерной по глубине защитной конструкцией, в качестве характеристик поражающих факторов подводного взрыва используют избыточное давление, импульс давления, плотность потока энергии и гидропотока. Изобретение направлено на создание способа определения наиболее эффективного по поражающему фугасному действию состава заряда современного высокоточного минно-торпедного оружия, предназначенного для осуществления ближнего контактного и неконтактного взрыва. 3 ил.

Способ определения наиболее эффективного по поражающему фугасному действию элементного состава смесевого заряда минно-торпедного оружия, включающий моделирование процессов детонации и энерговыделения, происходящих при взрыве смесевых зарядов различных составов, по поражающим факторам подводного взрыва смесевого заряда, сравнительный анализ их количественных характеристик, отличающийся тем, что при моделировании процессов детонации и энерговыделения моделируют взаимодействие подводного взрыва с окружающей средой и многокамерной по глубине защитной конструкцией, включающей защитные преграды с расположенными между ними камерами, причем расстояние от центра взрыва до защитной конструкции принимают равным наиболее вероятной дистанции от точки подрыва заряда до ближайшей точки поверхности поражаемого объекта, в качестве характеристик поражающих факторов подводного взрыва используют избыточное давление, импульс давления, плотность потока энергии и гидропотока и определяют их для ближней от центра взрыва зоны, граница которой R≤12R₀, где R₀ - радиус эквивалентного сферического заряда, при сравнительном анализе количественных характеристик поражающих факторов подводного взрыва смесевых зарядов различных составов в качестве критерия эффективности поражающего фугасного действия подводного взрыва принимают площадь пробоины и остаточных прогибов в последней защитной преграде многокамерной по глубине защитной конструкции.