МАТЕРИАЛ ОБЛИЦОВКИ КУМУЛЯТИВНОГО ЗАРЯДА НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛА Российский патент 2013 года по МПК F42B1/32 

Изобретение относится к кумулятивным зарядам, в частности может быть использовано при изготовления облицовок кумулятивных зарядов, которые могут быть использованы в кумулятивных перфораторах, в кумулятивных зарядах для резки металлов, в кумулятивных боевых частях снарядов или ракет.

Задача увеличения глубины пробиваемой преграды является основной при разработке кумулятивных зарядов любого типа, начиная с малогабаритных зарядов для решения задачи перфорации нефтегазовых скважин, кончая зарядами противотанковых или противокорабельных ракет большого калибра. Важнейшим элементом кумулятивного заряда, во многом определяющим его пробивную способность, является облицовка кумулятивной выемки.

Известно, что глубина пробиваемого отверстия во многом определяется плотностью материала кумулятивной струи, длиной кумулятивной струи, определяемой градиентом скорости вдоль струи, и ограничивается пластическими возможностями материала, из которого она формируется.

Максимальная скорость конденсированной кумулятивной струи, которая может быть достигнута, составляет согласно [1, с.121]:

$$V_{с}\le 2.41{с}_{о},(1)$$

где с_о - скорость звука в материале кумулятивной облицовки. Глубина перфорационного отверстия определяется соотношением [2, с.20-24]:

$$L=l\sqrt{\frac{{\rho }_{с}}{{\rho }_{пр}},}(2)$$

где L - глубина перфорационного отверстия в преграде, l - длина кумулятивной струи, ρ_с - плотность материала кумулятивной струи, ρ_пр - плотность материала преграды. Таким образом, наиболее сильным фактором, влияющим на эффективность пробития, является длина кумулятивной струи.

Для материалов с более высокой скоростью звука в материале кумулятивной облицовки достигается более высокий градиент скорости вдоль формируемой кумулятивной струи и, как следствие, достигается более длинная кумулятивная струя. Таким образом, для увеличения глубины пробития, при прочих равных условиях, необходимо увеличить длину кумулятивной струи.

Современный уровень техники в данном вопросе характеризуется практическим опытом. В кумулятивных облицовках обычно используется металл, находящийся в изотропном (обычном, мелкозернистом) состоянии [3] или анизотропном состоянии (крупные, ориентированные кристаллы) [4]. Во втором случае в качестве материала кумулятивной облицовки используют металл или сплавы металлов со сформированной преимущественно одинаковой кристаллографической направленностью кристаллов столбчатой структуры, расположенных по нормали к образующей поверхности кумулятивной облицовки, и при этом преимущественно выбирают кристаллографическую направленность кристаллов, обладающих максимальной пластичностью [4].

Использование в качестве материала кумулятивной облицовки металла или сплавов металлов со сформированной одинаковой кристаллографической направленностью зерен с равномерной столбчатой структурой и расположенных по нормали к образующей кумулятивной облицовки, позволяет повысить максимальную скорость кумулятивной струи в 1.2-1.6 раз в зависимости от используемого материала и длину кумулятивной струи в 1.2-1.4 раз.

В обоих случаях важную роль имеет чистота металла и его скорость звука в материале.

Так, в настоящее время используются облицовки, выполненные из изотропного пластичного материала типа меди или сплавов меди, например, типа M1 или М2 [см., например, 2 с.20-31, 3, 5]. Высокоградиентные кумулятивные струи, сформированные в кумулятивном заряде, удлиняются в свободном полете под действием созданного при их формировании градиента скорости. При предельном растяжении струи происходит ее пластическое разрушение. Медь является материалом, широко применяемым для изготовления облицовок кумулятивных зарядов. Но запасы меди в литосфере ограничены и поэтому она стала дефицитной и дорогой.

Недостатком является использование в качестве материала облицовки дефицитной и дорогой меди, малой скорости звука в материале облицовки, от которой зависит эффективность кумулятивного заряда.

Другим пластичным металлом, применяемым в качестве материала для облицовок, является алюминий [см., например, 3, 6 с.293-397]. Но плотность алюминия более чем в 3 раза меньше плотности меди. И, следовательно, эффективность пробития преграды кумулятивных зарядов с изотропными алюминиевыми облицовками мала.

В качестве материала облицовок так же используется сплав - мягкая сталь [см., например, 2 с.20-31, 3, 6 с.293-397]. Мягкая сталь имеет плотность материала близкой к плотности меди и является наиболее доступным материалом. Кумулятивные заряды с такими облицовками на начальных стадиях образуют сплошные кумулятивные струи, которые в отличие от описанных выше при растяжении разрываются намного раньше путем «хрупкого» отрыва [7], что ведет к уменьшению эффективности пробития преграды и недостаточной стабильности работы кумулятивного заряда.

На практике используются металлические 2-х слойные облицовки, состоящие из различных по функциональному назначению и резко отличающимся по свойствам материалов. У них, как правило, наружный слой имеет состав, разрушающийся в процессе схлопывания облицовки и поэтому пест не образуется, а струеобразующий внутренний слой выполнен из меди. Например, известен кумулятивный заряд перфоратора с облицовкой, состоящей из двух слоев. При этом внешний слой облицовки выполнен, например, из порошкового композитного материала или более легкого металла, а внутренний струеобразующий слой - из меди [см., например, 2 с.20-31, 8-9].

Недостатком является использование в качестве материала струеобразующего слоя облицовки дефицитной и дорогой меди, малой скорости звука в материале облицовки, от которой зависит эффективность кумулятивного заряда.

Известен кумулятивный заряд с облицовкой, выполненной из малоуглеродистой стали или из АРМКО-железа, выбранный прототипом [10]. Железо является достаточно распространенным и не дорогим металлом с плотностью материала близкой к меди и со скоростью звука в материале, превышающей скорость звука в меди. Скорость звука (продольные волны) в железе равна 5.93 км/с, а в меди 4.72 км/с [11 с.72].

Малоуглеродистая сталь, например, сталь 20, имеет содержание примесей, %: углерод 0.17-0.24, кремний 0.17-0.37, марганец 0.35-0.65, никель до 0.25, сера до 0.04, фосфор до 0.04, хром до 0.25, медь до 0.25, мышьяк до 0.08 [12]. АРМКО-железо это технически чистое железо, получаемое в мартеновских и электрических плавильных печах при удлинении процесса выгорания примесей. Общее содержание примесей в АРМКО-железе около 0,16%, в том числе не более, %: углерод 0,025; марганец 0,035; кремний 0,05; фосфор 0,015; сера 0,025; медь 0,05% [13]. При формировании кумулятивной струи из облицовки, выполненной из таких материалов, происходит ее раннее разрушение путем «хрупкого» отрыва. Фрагментированная струя создает в преграде пульсирующий канал с местными сужениями и более склонна к искривлениям, чем сплошная, а это в свою очередь усиливает явление так называемого «намазывания» материала струи на стенки пробитой части канала, что оказывает дополнительное сопротивление движению струи и снижает ее пробивную способность. Заряды с кумулятивной облицовкой из стали обладают меньшей эффективностью, чем облицовки, выполненные из АРМКО-железа. Кумулятивные заряды с облицовками из таких материалов обладают низкой пробивной способностью и недостаточной стабильностью работы кумулятивного заряда.

Задачей заявленного изобретения является повышение проникающей способности материала при пробитии мишени и повышение стабильности работы кумулятивного заряда.

Технический результат достигается тем, что материал облицовки кумулятивного заряда на основе железа содержит предельную массовую долю элементов примеси и легирующих элементов, %, не более: углерод - 0.005, марганец - 0.005, кремний - 0.02, сера - 0.003, фосфор - 0.003, хром - 0.01, никель - 0.025, медь - 0.01, алюминий - 0.5, кислород 0.003, азот - 0.005 и может иметь осесимметричную форму или может быть выполнен в форме конуса, или усеченного конуса, или части полусферы и т.п., или внутреннего струеобразующего слоя 2-слойных облицовок, или с изотропной структурой, или со структурой, сформированной преимущественно одинаковой кристаллографической направленностью кристаллов столбчатой структуры, расположенных по нормали к образующей поверхности кумулятивной облицовки, при этом преимущественно выбирают кристаллографическую направленность кристаллов, обладающих максимальной пластичностью.

Сопоставление предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что данное устройство отличается в выборе материала облицовки кумулятивного заряда.

Пробивное действие кумулятивных перфораторов в значительной степени зависит от длины кумулятивной струи. Известно, что основными химическими элементами в железе, оказывающими влияние на пластичность железа и стали, являются углерод, кислород и азот. Так же известно, что марганец, фосфор, кремний повышают прочность стали [12 с.159-162]. Экспериментально обнаружено, что уменьшение содержания примесей в железе увеличивает пластичность материала кумулятивной струи и повышает пробивное действие кумулятивного заряда и стабильность его работы. Минимальное количество примесей и легирующего элемента устанавливается не выше их предела растворимости.

Сравнили кумулятивный заряд с облицовкой, изготовленной из предлагаемого материала, с известным материалом из малоуглеродистой стали 20 и АРМКО-железа. В остальном сравнивались одинаковые кумулятивные заряды.

Исследования проводились на облицовках, полученных точением из заготовок. В качестве материала заготовок использовался предлагаемый металл. Материал изготавливался из чистого железа марки 005ЖР по ТУ 14-1-2033-77. Для удаления из металла кислорода (содержание кислорода не более 0.003%), азота (содержание азота не более 0.005%) и углерода (содержание углерода не более 0.005%) проводилось рафинирование методом вакуумно-плазменного переплава и микролегирование металла алюминием (до 0.5%). Известно, что легирование железа алюминием очищает металл от азота и углерода [14].

Исследования проводились на лабораторном цилиндрическом кумулятивном заряде диаметром 30 мм, использовалась облицовка с углом раствора конуса 65° и диаметром у основания облицовки 25 мм. Для каждого материала методом рентгеноимпульсной съемки определялись длина кумулятивной струи в заданные времена и величина глубины кратера.

Было получено, что по сравнению с облицовками, изготовленными из стали 20, эффективность пробития для облицовок из предложенного материала повысилась в 1.7 раз и стабильность результатов увеличилась на 30%. По сравнению с АРМКО-железом эффективность пробития для облицовок из предложенного материала повысилась в 1.3 раза и стабильность результатов увеличилась на 25%.

Сравнение кумулятивного заряда с медной облицовкой и заряда с облицовкой из предлагаемого материала показала их одинаковую эффективность, что было достигнуто за счет более высокой скорости головной части кумулятивной струи (1), более высокого градиента скорости вдоль кумулятивной струи и как следствия формирования более длинной кумулятивной струи.

Таким образом, предлагаемый материал кумулятивной облицовки по сравнению с известным, обладает повышенной эффективностью.

Изобретение может быть использовано при изготовления облицовок кумулятивных зарядов, которые могут быть использованы в кумулятивных перфораторах, в кумулятивных зарядах для резки металлов, в кумулятивных боевых частях снарядов или ракет.

Источники информации

1. И.А. Балаганский, Л.А. Мержиевский. Действие средств поражения и боеприпасов. - Новосибирск: НГТУ, 405 с.

2. Вицени Е.М. Кумулятивные перфораторы, применяемые в нефтяных и газовых скважинах. М.: Недра, 1971, 144 с.

3. Баум Ф.А., Орленко Л.П., Станюкович К.П. и др. Физика взрыва. / Под ред. К.П. Станюковича. М.: Наука, 1975, 800 с.

4. Патент РФ 2412338 кл. Е21В 43/117, F42B 1/02. Способ и устройство (варианты) формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими незапестованными каналами и с большим диаметром. Минин В.Ф., Минин И.В., Минин О.В.

5. Патент РФ 2371662, МПК F42B 1/028. Кумулятивный заряд и его облицовка.

6. В.Г. Петушков. Применение взрыва в сварочной технике. / Под ред. Б.Е. Патона. - Киев: Наукова Думка, 2005, 754 с.

7. Физика быстропротекающих процессов. / Под ред. Н.А. Златина, т.2. М.: Мир, 1971, 352 с.

8. АС СССР 1753749, МПК Е21В 43/117. Кумулятивный заряд перфоратора.

9. Патент РФ 239120, МПК F42B 1/028. Заряд перфоратора.

10. Патент 1604010, Англия. Усовершенствования в кумулятивных боеприпасах.

11. Дж. Кэй, Т. Лэби. Таблицы физических и химических постоянных. М.: ФМЛ, 1962, 247 с.

12. Р.К. Мозбург. Материаловедение. М.: Высшая школа, 1991, 448 с.

13. Меськин B.C. Основы легирования стали, М., 1959.

14. Рекристаллизация металлических материалов: Пер. с англ. / Под ред. Ф. Хаснера. М.: Металлургия, 1982.

Изобретение относится к кумулятивным зарядам. Облицовка кумулятивного заряда выполнена из материала на основе железа и содержит предельную массовую долю элементов примеси и легирующих элементов, %, не более: углерод - 0.005, марганец - 0.005, кремний - 0.02, сера - 0.003, фосфор - 0.003, хром - 0.01, никель - 0.025, медь - 0.01, алюминий - 0.5, кислород 0.003, азот - 0.005. Облицовка может иметь осесимметричную форму или выполнена в форме конуса, или усеченного конуса, или части полусферы, или внутреннего струеобразующего слоя 2-слойных облицовок. Она может быть с изотропной структурой или со структурой, сформированной преимущественно одинаковой кристаллографической направленностью кристаллов столбчатой структуры, расположенных по нормали к образующей поверхности кумулятивной облицовки. Повышается бронепробитие заряда.

Материал облицовки кумулятивного заряда на основе железа содержит предельную массовую долю элементов примеси и легирующих элементов, %, не более: углерод - 0,005, марганец - 0,005, кремний - 0,02, сера - 0,003, фосфор - 0,003, хром - 0,01, никель - 0,025, медь - 0,01, алюминий - 0,5, кислород - 0,003, азот - 0,005, и может иметь осесимметричную форму или может быть выполнен в форме конуса, или усеченного конуса, или части полусферы, или внутреннего струеобразующего слоя 2-слойных облицовок, или с изотропной структурой, или со структурой, сформированной преимущественно одинаковой кристаллографической направленностью кристаллов столбчатой структуры, расположенных по нормали к образующей поверхности кумулятивной облицовки, при этом преимущественно выбирают кристаллографическую направленность кристаллов, обладающих максимальной пластичностью.