Способ определения импульса взрыва заряда взрывчатого вещества/боеприпаса в ближней зоне Российский патент 2019 года по МПК F42B35/00 

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, конкретно к способам измерения характеристик взрыва боеприпаса или заряда взрывчатого вещества (ВВ) в так называемой ближней зоне от поражаемого объекта (мишени), когда расстояние от боеприпаса\заряда до мишени не превышает 10 калибров, и мишень подвергается совокупному последовательному воздействию фрагментов корпуса\оболочки, ударной волны (УВ), и газообразных продуктов взрыва.

Известен способ определения характеристик заряда ВВ/боеприпаса посредством взрывного нагружения массивного тела и последующего измерения приобретаемого им импульса /1/, при котором импульс определяется по скорости, приобретаемой стальной пластиной, установленной на салазках, перемещающихся по горизонтальной поверхности некоторой заданной длины. Во избежание больших перемещений салазок, их последующее торможение осуществляется при сходе с исходной разгонной поверхности на рыхлую естественную среду -песок или грунт.

Недостаток данного способа заключается в том, что перемещение салазок по опорной поверхности происходит с преодолением силы трения, что приводит к трудно учитываемым затратам энергии как непосредственно на перемещение, так и на тепловые потери. Величина коэффициента трения скольжения ƒ полозьев салазок по опорной поверхности достаточно велика /2/, и определяется свойствами исходной горизонтальной опорной поверхности, свойствами контактирующих с ней поверхностей полозьев салазок, а также условиями окружающей среды (влажность, метеоосадки).

Конечное значение ускорения, приобретаемого салазками с пластиной при движении по опорной поверхности, может быть определено из зависимости:

а импульса, при дифференциальной форме записи:

где:

F_Σ - последовательная совокупность силовых факторов взрывного воздействия, Н;

М - масса салазок с пластиной, кг;

g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с²;

ƒ - коэффициент трения полозьев салазок по опорной поверхности;

а - ускорение, приобретаемое салазками с пластиной, м/с²;

t - суммарное время воздействия силовых факторов, с;

V - скорость, приобретаемая салазками, м/с.

Из приведенных зависимостей видно, что так как коэффициент трения ƒ является неопределенным фактором, он существенно сказывается на точности измерений/расчетов вследствие сложности учета энергозатрат на преодоление сил трения и сопутствующих тепловых потерь при разгоне салазок по опорной поверхности до конечной скорости.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения характеристик заряда ВВ/боеприпаса посредством взрывного нагружения носка баллистического маятника и последующего измерения приобретаемого им импульса /3/, при котором импульс определяется по скорости, приобретаемой телом баллистического маятника, подвешенного посредством тяг на подшипниковых опорах.

Здесь недостаток, связанный с неопределенностью величины коэффициента трения частично устранен, т.к. коэффициент трения качения в шарикоподшипниках составляет всего 0,001-0,004 /4/ и практически не зависит от внешних условий окружающей среды, поэтому его влияние при необходимости может быть учтено.

Тем не менее, значительным недостатком способа с использованием типовых конструкций баллистических маятников является то, что они являются относительно компактными стационарными конструкциями и преимущественно рассчитаны на испытания небольших по массе экспериментальных зарядов ВВ (лабораторного изготовления). При воздействии на носок маятника нагрузки от поражающих факторов взрыва реальных безоболочечных зарядов ВВ, артиллерийских боеприпасов и мин тело баллистического маятника может отклоняться на большой угол при одновременном перемещении на большое расстояние по горизонтали, что создает большие неудобства при испытаниях. Причем здесь имеется также трудно учитываемый фактор потерь энергии на приведение во вращательное движение (поворот) тяг подвеса.

Возможное большое угловое отклонение или горизонтальное перемещение тела маятника при последующем его возвращении в исходное положение под действием силы тяжести приводит колебаниям, вызывающим соответствующие знакопеременные силовые нагрузки на установку, или приводящие к ее быстрому разрушению, или же требующие ее существенного упрочнения с соответствующим увеличением металлоемкости и усложнением конструкции.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков устройства прототипа, в первую очередь -устранение влияния на перемещение подвергнутого взрывному нагружению массивного тела сил трения, и сопутствующих им потерь энергии.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе определения характеристик заряда ВВ/боеприпаса в ближней зоне посредством взрывного нагружения подвешенного массивного тела и последующего измерения приобретаемого им импульса, в соответствии с изобретением взрывное нагружение тела осуществляют в условиях его свободного падения.

Осуществление взрывного нагружения тела в условиях свободного падения позволит устранить влияние сил трения, и сопутствующих им потерь энергии, на принудительное перемещение тела под воздействием поражающих факторов взрыва.

Кроме горизонтальной составляющей скорости V под действием поражающих факторов взрыва заряда ВВ тело, находящееся в свободном падении, может также приобрести и некоторую совокупность вращательных движений относительно осей координат X, Y, Z, связанной с его центром масс. То есть приобрести суммарную энергию, включающую наряду с кинетической энергией движения соответствующие компоненты энергии вращательного движения:

где:

E_Σ - суммарная энергия, приобретаемая телом вследствие взрывного воздействия, Дж;

М - масса тела, кг;

V - скорость, приобретаемая телом, м/с.

J_x, J_y, J_z - моменты инерции тела относительно соответствующих осей Х, Y, Z, кг⋅м2;

ω_x, ω_y, ω_z - угловые скорости вращения тела относительно осей Х, Y, Z, с-1.

При использовании в качестве массивного тела бронеплиты с симметричной формой нагружаемой поверхности, для нее легко могут быть определены (вычислены) соответствующие моменты инерции и, соответственно, по результатам измерений угловых скоростей вращения относительно осей, "вклад" взрывного воздействия в возможное вращательное движение поражаемого объекта.

Изобретение поясняется следующей графической информацией:

На фиг. 1 в качестве примера представлен вариант возможной схемы испытательной площадки и размещения испытуемого заряда ВВ/боеприпаса и подвергаемого взрывному воздействию массивного тела (бронеплиты).

На фиг. 2 - принципиальная схема одного из возможных вариантов взаимного размещения заряда ВВ и бронеплиты перед испытаниями.

На фиг. 3 - вариант визуальной разметки тыльной и боковых поверхностей бронеплиты.

Для упрощения изображения измерительная аппаратура, взрывные магистрали и средства инициирования для подрыва зарядов на иллюстрациях не показаны.

Бронеплита 1 и заряд ВВ/боеприпас 2 (фиг. 1) размещены на некоторой заданной высоте H и на заданном расстоянии R. Бронеплита посредством отрезка троса 3 предварительно подвешена на растяжке 4, смонтированной между опорными конструкциями (мачтами) 5. Испытуемый заряд ВВ/боеприпас 2 установлен на опоре 6. Испытательная площадка 7 выполнена с разметкой по измерительным лучам и дугам окружностей разных радиусов (на изображении условно обозначено штриховыми линиями).

Для обеспечения свободного падения бронеплиты служит взрывное устройство типа кольцевого кумулятивного заряда 8, перерубающее отрезок троса 3 в заданный момент времени (фиг. 2).

На тыльную и боковые поверхности бронеплиты может быть нанесена разметка контрастных цветов, с заданной геометрической формой и размерами отдельных элементов (фиг. 3), позволяющая по результатам видеосъемки определить возможные угловые скорости ω_x, ω_y, ω_z вращения плиты относительно осей X, Y, Z.

Очевидно, что наиболее оптимальным условием взрывного воздействия будет такое, в результате которого бронеплита приобретет только горизонтальную составляющую скорости V и будет перемещаться, вплоть до падения на землю, без вращательных составляющих движения. Это наиболее выгодно исходя из условий наблюдения за процессом приобретения бронеплитой импульса, видеофиксации ее перемещения, и последующей обработки результатов испытаний.

Если рассматривать упрощенный случай точечного взрыва заряда ВВ, и сопутствующих ему сферических фронтов распространения поражающих факторов, то вышеуказанное взрывное воздействие возможно при условии расположения центра распространения поражающих факторов взрыва заряда в момент достижения ими поверхности плиты и геометрического центра поверхности бронеплиты, подвергаемой взрывному воздействия, на одной оси - X в системе координат связанной с центром масс бронеплиты.

Так как массивное тело бронеплиты 1 в момент воздействия поражающих факторов взрыва заряда ВВ/боеприпаса 2 должно находиться в состоянии свободного падения, для выполнения отмеченного условия возможны два варианта взаимного размещения бронеплиты и воздействующего на нее заряда, а также условий подрыва заряда ВВ и кольцевого кумулятивного заряда 8, перерубающего отрезок троса 3 и обеспечивающего свободное падение бронеплиты:

А) Центры масс заряда ВВ/боеприпаса 2 (точка взрыва) и бронеплиты 1 исходно расположены на оси X системы координат.В этом случае сначала осуществляется подрыв заряда ВВ/боеприпаса, а затем - кольцевого кумулятивного заряда 8, с задержкой по времени определяемой по зависимости

где:

R - расстояние между центром масс заряда ВВ/боеприпаса (точкой взрыва) и поверхностью бронеплиты, м;

U - скорость распространения поражающих факторов взрыва (фрагменты оболочки заряда ВВ/боеприпаса, ударная воздушная волна, - по результатам многочисленных экспериментов составляет порядка 1800-2000 м/с), м/с.

Б) Центр масс бронеплиты 1 расположен выше центра масс заряда ВВ/боеприпаса 2 таким образом, что вертикальная проекция центра масс заряда ВВ/боеприпаса (точка взрыва) находится на оси X системы координат, связанной с центром масс бронеплиты, причем расстояние по оси Z (Δh по вертикали) между центрами масс заряда и бронеплиты должно быть порядка

где:

g - ускорение силы тяжести, 9,81 м/с².

В этом случае подрыв зарядов ВВ/боеприпаса и кольцевого кумулятивного заряда 8 осуществляют одновременно. Способ осуществляется следующим образом.

Бронеплиту 1 посредством отрезка троса 3 подвешивают на некоторой заданной высоте Н на растяжке 4, смонтированной между опорными конструкциями (мачтами) 5, установленными на испытательной площадке 7, выполненной с разметкой по измерительным лучам и дугам окружностей разных радиусов.

Испытуемый заряд ВВ/боеприпас 2 устанавливают на опоре 6 на заданном расстоянии R от бронеплиты 1 в соответствии с выбранными вышеописанными условиями последующего подрыва (А) или (Б).

На отрезке троса 3 монтируют взрывное устройство типа кольцевого кумулятивного заряда 8, служащее для перерубки отрезка троса в заданный момент времени, и средство его инициирования со взрывной магистралью.

Также снабжают средством инициирования с соответствующей взрывной магистралью испытуемый заряд ВВ/боеприпас 2.

При подрыве испытуемого заряда ВВ/боеприпаса 2, и в соответствии с выбранным условием подрыва (А, Б) кумулятивного заряда 8, бронеплита 1, находящаяся в свободном падении, нагружается совокупностью поражающих факторов взрыва - фрагментами оболочки, ударной волной и давлением продуктов взрыва, вследствие чего сначала приобретает некоторое ускорение а_х, а по завершению воздействия вышеуказанных факторов - постоянную горизонтальную скорость V=а_xt_н (здесь а_х -усредненное значение ускорения, t_н - время воздействия взрывного нагружения).

Для определения приобретенного бронеплитой импульса ее перемещение отслеживается комплектом регистрирующей высокоскоростной фотоаппаратуры одновременно в двух направлениях, - в принятой системе координат по осям X и Y.При наличии на тыльной и боковых поверхностях бронеплиты 1 разметки контрастных цветов, с заданной геометрической формой и размерами отдельных элементов (фиг. 3), по результатам видеосъемки с использованием масштабно-координатной сетки наряду с горизонтальной составляющей приобретенной бронеплитой скорости V определяются и угловые скорости ω_x, ω_y, ω_z при возможном вращения плиты (при падении) относительно осей X, Y, Z.

Таким образом, предложенный способ позволяет определить все составляющие импульсных нагрузок от испытуемого заряда ВВ/боеприпаса, т.е обеспечивает возможность проведения испытаний и определения характеристик зарядов ВВ и различных боеприпасов большой массы, с ускорением процесса обработки результатов и повышением степени точности измерений, без влияния на поражаемый объект сил трения.

Как непосредственно измерения, так и их математическая обработка могут осуществляться с применением современных программно-аппаратных средств. Одновременно с повышением точности измерений и снижением трудозатрат это является предпосылкой создания и совершенствования автоматизированных систем сбора и обработки информации при испытательных работах.

Источники информации, принятые во внимание при описании заявки:

1. М. Held, Blast Load Diagnostic, Propellants Explos. Pyrotech. 2009, 34, 194-209 - аналог.

2. http://tehtab.ru/guide/guidephysics/frication/frictionofslicing/

3. ГОСТ 5984-99. ВЕЩЕСТВА ВЗРЫВЧАТЫЕ. Методы определения бризантности - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002, 25 с. - прототип.

4. http://tehtab.rii/Guide/GuidePhysics/Frication/FrictionOfRolling/

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, к способам измерения характеристик взрыва боеприпаса или заряда ВВ в ближней зоне от поражаемого объекта. Способ заключается во взрывном нагружении подвешенного массивного тела и последующем измерении приобретаемого им импульса. Взрывное нагружение массивного тела осуществляют в условиях его свободного падения. В качестве массивного тела используют бронеплиту с симметричной формой нагружаемой поверхности. Изобретение позволяет устранить влияние сил трения на перемещение подвергнутого взрывному разрушению массивного тела и сопутствующих им потерь энергии. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения характеристик заряда взрывчатого вещества/боеприпаса в ближней зоне посредством взрывного нагружения подвешенного массивного тела и последующего измерения приобретаемого им импульса, отличающийся тем, что взрывное нагружение тела осуществляют в условиях его свободного падения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве массивного тела используют бронеплиту с симметричной формой нагружаемой поверхности.