ОСКОЛОЧНО-ФУГАСНЫЙ БОЕПРИПАС С АДАПТИВНЫМ ЗАРЯДОМ СМЕСЕВОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2009 года по МПК F42B12/20 

Изобретение относится к осколочно-фугасным боеприпасам с адаптивным зарядом взрывчатого вещества, т.е. зарядом, который в зависимости от условий применения может выполнять функции либо разгонного, либо разрывного (бризантного) заряда.

В патентах №№2082943, 2095739, 2108537, 2282821 РФ рассмотрен ряд конструкций боеприпасов с адаптивным зарядом, выполненным из детонационноспособного твердого топлива. В качестве прототипа может быть принят снаряд по патенту №2082943. Состав и характеристики топлива в патентах не раскрыты и не отражена возможность обеспечения достаточного бризантного, компрессионного и фугасного действия составов.

В настоящем изобретении указанные недостатки устранены. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности действия осколочно-фугасного боеприпаса при его удешевлении. Технический результат достигается в осколочно-фугасном боеприпасе, содержащем осколочную оболочку естественного дробления, заряд взрывчатого вещества и взрыватель. В качестве взрывчатого вещества использовано смесевое твердое топливо при следующем содержании компонентов (мас.%):

нитроглицерин 10-15 октоген 45-65 перхлорат аммония 10-15 алюминий 10-20 баллистические и технологические добавки остальное,

причем взрывчатое вещество заряда при испытании подрывом снаряженного им стандартного осколочного цилиндра №12, изготовленного из стали С-60, обеспечивает получение относительной массы средней фракции осколков 1<m≤4 г не менее 0,40, а число осколков с массой более 0,25 г - не менее 1450.

Чертежи:

фиг.1 - стандартный осколочный цилиндр RSFC №12;

фиг.2 - схема эксперимента;

фиг.3 - зависимость числа осколков фракции 0,25-0,5 г и удлинения от содержания алюминия;

фиг.4 - треугольная фракционная диаграмма;

фиг.5 - классификационная диаграмма качества дробления;

фиг.6, 7 - примеры конструкций осколочно-фугасного снаряда с адаптивным зарядом;

фиг.8 - порядок расчета вероятности поражения цели, как функции состава твердого топлива.

Предлагаемое детонационноспособное твердое топливо относится к известному классу тройных составов, содержащих бризантное взрывчатое вещество, окислитель и горючее. В качестве бризантного ВВ используется смесь нитроглицерина с октогеном, в качестве мощного окислителя - перхлорат аммония NH₄ClO₄, в качестве горючего - алюминиевый порошок (пудра). Составы имеют широкую сырьевую базу, высокую относительную плотность, низкую чувствительность. В производстве более безопасны, чем штатные ВВ. Плотность зарядов находится в пределах 1,7-2,0 г/см³, удельный импульс в диапазоне 2300-2600 м/с, предел прочности не ниже 4,5 МПа.

Как известно, составы с алюминием обладают повышенным компрессионным и фугасным действием. Под компрессионным понимается действие воздушной ударной волны, под фугасным - действие взрыва в грунте. Для алюминийсодержащих составов компрессионное действие значительно усиливается за счет сгорания алюминиевой пудры в кислороде окружающего воздуха. В то же время известно, что добавка алюминия снижает бризантное (дробящее) действие состава. Это приводит, в частности, к значительному отклонению от линейной зависимости N_0,25=f(ρ₀D²) (N_0,25 - число осколков цилиндра №12 с массой, большей 0,25 г, ρ₀ - плотность ВВ, D - скорость детонации) (В.А.Одинцов «Моделирование процессов фрагментации с помощью унифицированных цилиндров», Изд. МГТУ, 1991, стр.39, рис.30).

Таким образом, задача состоит в определении содержания компонент, в первую очередь алюминия, обеспечивающего достаточное бризантное (осколочное) действие.

Определение дробящего действия составов производилось с помощью подрывов в Российских стандартных осколочных цилиндрах RSFC (Russian Standard Fragmenting Cylinder) №12 (фиг.1), изготовленных из снарядной стали С-60. Подробное описание методики испытаний приведено в вышеуказанном пособии В.А.Одинцова. В качестве улавливающей среды использовалась вода (фиг.2). Содержание алюминия в составах составляло 0,10 и 20%.

Исходные данные, результаты термодинамических расчетов представлены в табл.1 (ρ₀ - плотность состава, D - экспериментальная скорость детонации, D_id - расчетная скорость детонации, P_C-J, T_C-J - расчетное давление и температура Чепмена - Жуге, Q_pT - тепловой эффект реакции, I_уд - удельный импульс). Метод расчета изложен в статье Н.А.Имховика «Параметры и особенности режимов детонации металлизированных взрывчатых веществ», Оборонная техника, 2004, №1-2, стр.8.

Таблица 1 Содержание алюминия, % Масса корпуса, г Масса заряда, г ρ₀, г/см³ D, м/с Термодинамический расчет D_id, м/с P_C-J, ГПа T_C-J, К Q_рT, МДж/кг I_уд, м/с 0 2600 344 1,72 7900 8300 28,60 3390 5,77 2505 10 2580 359 1,78 8000 8180 28,14 4230 7,03 2581 20 2600 394 1,97 8150 8320 29,19 5150 8,35 2595

В табл.2 приведены значения чисел осколков N_0,25, N_0,5 и N_1,0 соответственно с массой более 0,25; 0,5 и 1,0 г, относительное содержание фракций - мелкой µ_м (m≤1 г), средней µ_C (1<m≤4 г) и крупной µ_k (m>4 г) (недобор отнесен в первую группу) и данные по выборке 20 наиболее длинных осколков (1₂₀ - средняя длина, m₂₀ - средняя масса, λ₂₀ - среднее удлинение), а также значение Q_F=N_0,25·µ_C. Причем относительная масса фракции определяется как масса фракции, отнесенная к массе корпуса стандартного осколочного цилиндра №12.

Собранная масса составляла соответственно 2346 г (90,04%), 2383 г (92,36%), 2317 г (89,12%).

Таблица 2 Содержание алюминия, % N_0,25 N_0,5 N_1,0 µ_м µ_с µ_к 1₂₀, мм m₂₀, г λ₂₀ Q_F 0 1635 1156 667 0,363 0,434 0,203 47,65 5,16 12,8 710 10 1451 1060 650 0,299 0,414 0,287 45,8 6,73 10,6 601 20 1524 1160 707 0,329 0,447 0,224 47,4 7,7 10,4 681

В табл.3 приведено для всех трех составов распределение чисел осколков N_i и их суммарных масс М_i по массовым группам.

Таблица 3 Содержание алюминия, %   0,25-0,5 0,5-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-8 8-10 Более 10 0 N_i 479 489 352 148 76 45 25 14 3 4 M_i, г 175 345 504 363 262 199 142 92 26 70 10 N_i 391 410 317 145 70 41 29 25 16 7 M_i, г 142 286 464 362 242 187 161 173 138 81 20 N_i 364 453 391 146 77 36 22 17 10 8 M_i, г 125 300 542 351 268 158 121 123 89 92

Как известно, увеличение содержания алюминия, однозначно повышая теплоту реакции Q_pT (см. табл.1) и соответственно фугасное действие взрыва заряда ВВ, оказывает сложное многоплановое влияние на дробление оболочек. По такому показателю как число осколков N_0,25-0,5 самой мелкой фракции, формирующейся в основном в контактной со взрывчатым веществом зоне корпуса, с увеличением содержания алюминия число N_0,25-0,5 уменьшается. Аналогичный процесс имеет место и для удлинения λ₂₀ (фиг.3). Для всех трех составов среднее значение λ значительно меньше порогового значения для сверхдлинных осколков λ>15, наличие которых указывает на развитое «саблеобразование», являющееся главным препятствием на пути получения качественных осколочных спектров.

Треугольная фракционная диаграмма представлена на фиг.4. Все три состава обеспечивают получение высокого содержания средней фракции, являющейся наиболее продуктивной частью осколочной массы. Расположение составов на классификационной диаграмме качества дробления стандартного цилиндра №12 показано на фиг.5. Класс 1 (высококачественное дробление) соответствует условиям N_0,25≥2000, µ_c≥0,45, класс 2 (качественное дробление) - условиям N_0,25≥1500, µ_c≥0,4, класс 3 (удовлетворительное дробление) - условиям N_0,25≥1000, µ_c≥0,3, класс 4 (низкокачественное дробление) - условиям N_0,25≥1000, µ_c≥0,3 ("Физика взрыва", Монография под ред Л.П.Орленко. В 2-х томах, т.2, стр.150-151, рис.16.59). Для сравнения на диаграммах приведены также точки для состава A-IX-2 и окфола по данным этого же источника.

Принятые обозначения:

- предлагаемый состав с содержанием алюминия 0%, 10%, 20%;

- состав A-IX-2;

- окфол.

Из вышеприведенных данных следует, что предлагаемый состав смесевого топлива одновременно является полноценным бризантным ВВ, превосходящим по характеристикам осколочности штатные отечественные ВВ, в том числе и наиболее мощные из них - окфол.

Примеры исполнения осколочно-фугасных снарядов с адаптивным зарядом твердого топлива представлены на фиг.6, 7. Прототипом является активно-реактивный артиллерийских снаряд, содержащий осколочно-фугасную боевую часть и реактивный двигатель твердого топлива. На фиг.6 представлен снаряд с задним расположением реактивного двигателя. Снаряд содержит корпус 1, заряд детонационноспособного твердого топлива 2, заряд бризантного ВВ 3, головной взрыватель 4, устройство включения/выключения реактивного двигателя 5, передаточный заряд 6. При стрельбе на большие дальности ручная или дистанционная установка устройства 5 обеспечивает воспламенение заряда 2 и сообщение снаряду дополнительной скорости. При стрельбе на небольшие дальности реактивный двигатель не включается. При подрыве у цели разрывного заряда 6 передается на заряд 2, что обеспечивает повышенное действие снаряда.

На фиг.7 представлен снаряд с передним расположением заряда твердого топлива. В данной конструкции взрыватель 7 располагается в донной части снаряда. Истечение продуктов сгорания топлива происходит через сопла 8.

Предлагаемый состав может быть использован только для снаряжения реактивного двигателя (при этом боевая часть снаряжается обычным ВВ, например A-IX-2), либо для снаряжения обеих частей снаряда. В последнем случае сокращается номенклатура составов, применяемых при изготовлении снарядов, и упрощается (унифицируется) технология снаряжения БП.

Технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением, состоит в выборе оптимального состава смеси, обеспечивающего наибольшую эффективность действия снаряда. Оптимальный состав находится расчетом для снаряда по фиг.6, 7 при фиксированной массе снаряда и снаряжении боевой части и реактивного двигателя одним и тем же составом детонационноспособного СТТ. Изменение содержания 4-х компонент приводит, с одной стороны, к изменению разгонных (тяговых) характеристик СТТ, определяемых, в первую очередь, величиной удельного импульса I_уд, а с другой - к изменению бризантных характеристик СТТ, определяемых, в первую очередь, величиной скорости детонации D и детонационного давления P_C-J (давления Чепмена - Жуге). Увеличение удельного импульса приводит к уменьшению массы двигателя и, следовательно, к увеличению массы боевой части и ее заряда С.

Определение диапазонов содержания компонент производилась расчетом по схеме, представленной на фиг.8. Расчет проводился для снарядов, показанных на фиг.6, 7 со снаряжением обоих частей снаряда одним и тем же детонационноспособным СТТ. В качестве критерия: оценки функциональных возможностей снаряда принята вероятность поражения цели W, определяемая как

W=f(C,N_0,25,µ_c,V₀),

где N_0,25 - число осколков массой более 0,25 г; µ_c - относительное содержание средней фракции (данные для цилиндра №12), причем N_0,25·µ_c≡Q_F; V₀ - скорость разлета осколков;

или, возвращаясь к первичным аргументам

W=f(µ₁,µ₂,µ₃,µ₄),

где µ₁, µ₂… - относительное содержание компонент.

Поведение целевой функции W в районе максимума имеет достаточно пологий вид. Диапазон изменения содержания компонент выбирается таким образом, чтобы относительное снижение вероятности поражения по отношению к максимальному значению W не превышало некоторой предельной величины. Эта величина определяется по статистическим нормам, принятым в теории вооружений с учетом рассеивания условий боевого применения, и для наземных вооружений находится в пределах 0,1…0,2. Для данного расчета принято значение 0,1.

Расчеты для характеристик бризантности (дробящего действия) проводились с использованием зависимостей, приведенных в монографии «Физика взрыва», под ред. Л.П.Орленко, ФИЗМАТЛИТ, 2004, т.2, гл.16, а для тяговых характеристик - по приближенным соотношениям теории твердых топлив (см., например, рис.2.6, стр.74 вышеуказанной монографии под ред. Е.Б.Волкова).

Осколочно-фугасный боеприпас содержит осколочную оболочку естественного дробления, заряд взрывчатого вещества и взрыватель. В качестве взрывчатого вещества использовано смесевое твердое топливо при следующем содержании компонентов (мас.%): нитроглицерин - 10-15, октоген - 45-65, перхлорат аммония - 10-15, алюминий - 10-20, баллистические и технологические добавки - остальное. Причем взрывчатое вещество заряда при испытании подрывом снаряженного им стандартного осколочного цилиндра №12, изготовленного из стали С-60, обеспечивает получение относительной массы средней фракции осколков 1<m≤4 г не менее 0,40, а число осколков с массой более 0,25 г - не менее 1450. Заряд взрывчатого вещества может быть выполнен с плотностью в пределах 1,70-2,00 г/см³, удельным импульсом 2300-2600 м/с и иметь предел прочности не менее 4,5 МПа. Изобретение направлено на повышение эффективности действия осколочно-фугасного боеприпаса. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 8 ил.

1. Осколочно-фугасный боеприпас, содержащий осколочную оболочку естественного дробления, заряд взрывчатого вещества и взрыватель, отличающийся тем, что в качестве взрывчатого вещества использовано смесевое твердое топливо при следующем содержании компонентов, мас.%:
нитроглицерин 10-15 октоген 45-65 перхлорат аммония 10-15 алюминий 10-20 баллистические и технологические добавки остальное