Устройство направленного запреградного зажигательного и фугасно-кинетического действия Российский патент 2019 года по МПК F42B1/32 E21B43/117 

Изобретение относится к технике средств поражения объектов, расположенных в запреградном пространстве защитных сооружений, и также может быть использовано в ряде устройств, предназначенных для перфорации нефтяных скважин.

Эффективность кумулятивных устройств запреградного действия определяется целым рядом факторов, таких как глубина пробития преград, размер отверстия в них, параметры и номенклатура поражающих факторов в запреградном пространстве. Существующая номенклатура снарядоформирующих и кумулятивных зарядов успешно решает задачу пробития легкобронированной техники и небронированных оборонительных сооружений. В то же время весьма актуальной задачей является повышение степени ущерба, наносимого объектам, расположенным в запреградном пространстве. Основными путями ее решения являются увеличение массы и реакционной способности вещества, заносимого в запреградное пространство, при этом наибольшей эффективностью поражения рассредоточенных в запреградном пространстве объектов обладают те вещества, которые формируют в защитных сооружениях факторы зажигательного и ударно-волнового воздействия.

Известен ряд технических решений, направленных на повышение пробивного и заброневого действия кумулятивных зарядов. Так, в патенте RU 2461791 «Кумулятивный заряд Староверова-8» для повышения бронепробивного и запреградного действия в состав металлической облицовки кумулятивного заряда вводятся неорганические окислители, горючие или взрывчатые вещества, которые, как следует из материалов патента, способны сгорать в результате реакции компонентов, входящих в состав облицовки, с образованием высокотемпературных продуктов, обладающих бронепробивным действием. Недостатком данного технического решения является пониженная эффективность бронепробивного действия у таких зарядов, так как компоненты, входящие в состав облицовки, способны реагировать во взрывном режиме еще на стадии струеобразования, и, вследствие взрывного характера протекающих реакций не обладают направленным действием и достаточной силой как пробивного, так и запреградного действия.

Также известен ряд технических решений, направленных на повышение бронепробивного и запреградного действия кумулятивных зарядов в результате применения в их конструкции многослойных облицовок. Так, в патенте RU 2151362 в биметаллической облицовке кумулятивного заряда ее внутренний слой изготовлен из порошкового псевдосплава, а наружный из порошка меди или железа с добавлением графита и легкоплавкого металла в соотношении, препятствующем пестообразованию. Данное техническое решение направлено на увеличение выхода материала облицовки в кумулятивную струю за счет уменьшения объема песта, т.е. оно направлено на увеличение глубины пробития преград. В то же время в нем не реализованы подходы к повышению запреградного зажигательного и фугасного действия кумуляции.

Наиболее близким к сущности предполагаемого изобретения является техническое решение в соответствии с патентом RU 1753749 «Кумулятивный заряд перфоратора». В одном из вариантов его реализации наружный слой двухслойной облицовки выполнен из порошкового материала, в качестве которого используется железо-алюминиевый термит. Применение в качестве материала наружной оболочки термита не решает проблему повышения эффективности запреградного действия кумулятивных зарядов, так как под действием давления и температуры детонации разрывного заряда он сгорает еще на стадиях формирования кумулятивной струи и поэтому не вносит вклад в процессы, протекающие в запреградном пространстве. Кроме того, вследствие неравномерности распределения полей давлений, создаваемых взрывчатым веществом кумулятивного заряда по образующей облицовки, изготовленной из термита, в момент формирования струи, химические превращения по ее длине протекают в различных режимах, что в свою очередь приводит к неравномерности обжатия металлической облицовки, и, следовательно, к снижению устойчивости кумулятивной струи. Композиция, используемая в этом патенте в качестве альтернативного варианта материала для изготовления внешней оболочки, включающая в свой состав 80% меди, 18% свинца и 2% графита, не обладает запреградным зажигательным действием, так как не относится к горючим материалам.

Целью предполагаемого изобретения является увеличение параметров и эффективности зажигательного и фугасно-кинетического запреградного действия снарядоформирующего устройства с возможностью регулирования уровней перечисленных параметров в запреградном пространстве. Поставленная задача решается, а необходимый результат достигается тем, что устройство направленного запреградного зажигательного и ударно-кинетического запреградного действия выполнено в виде снарядоформирующего заряда с двухслойной облицовкой, содержащего корпус, средство инициирования, размещенное в корпусе взрывчатое вещество с выемкой, покрытой слоем наружной пиротехнической облицовки и внутренним слоем, выполненным из монолитного металла или металлического сплава, при этом наружный слой облицовки выполнен массивным и изготовлен из пиротехнической композиции, состоящей из неорганических горючих фосфора или графита, или их смеси в сочетаниях с металлическим горючим на основе частиц алюминия с добавками к нему металлических порошков для регулирования пластичности, плотности, параметров горения облицовки, соотношение плотности пиротехнической и металлической облицовки составляет 0,5÷1,3, соотношение их толщин составляет 1÷5, относительная плотность пиротехнической композиции 0,75÷0,98.

Таким образом, отличительными признаком изобретения является применение в устройстве в качестве материала наружной облицовки пиротехнической композиции, изготовленной из металлических горючих на основе частиц алюминия и неметаллических неорганических горючих, при коэффициентах уплотнения пиротехнической композиции 0,75÷0,98, соотношении плотностей наружной и внутренней облицовки 0,5÷1,3, при соотношении их толщин 1÷5. Выполнение всей совокупности признаков изобретения позволяет обеспечить пробивное действие устройства на уровне однослойных облицовок, оптимизированных по этому параметру и идентичных ему по массе, и обеспечить занос в запреградное пространство аэродисперсного облака объемно-реагирующих компонентов и зажигательного материала из наружного слоя облицовки, тем самым обеспечить усиленное и регулируемое по уровню параметров запреградное действие устройства многофакторного запреградного действия.

Преимущества предложенного устройства перед прототипом в параметрах фугасно-кинетического и зажигательного запреградного действия, в возможности их регулирования с учетом целевого назначения изделий, в которых оно будет применяться, обусловлены двумя основными особенностями предложенной конструкции: сверхпластичностью материала наружной облицовки при указанных выше габаритно-массовых соотношениях и указанном диапазоне коэффициентов ее уплотнения, а также особенностями кинетики воспламенения и горения пиротехнической композиции. Сверхпластичность обуславливает сохранность внутренней облицовки в процессе формирования из нее поражающего элемента, устойчивость его движения и удлиненную форму. Сформированный в результате обжатия двуслойной облицовки поражающий элемент состоит фактически из двух тел: лидирующего элемента из внутренней облицовки в виде компактного фрагмента и протяженной струи, сформированной из наружной облицовки. Воспламенение компонентов, составляющих наружную облицовку, происходит за пределами корпуса устройства в момент времени, когда из них уже сформировалась струя, после ее отделения от продуктов детонации, оказывающих ингибирующее воздействие на воспламенение компонентов, формирующих струю. Сверхпластичность материала наружной облицовки обеспечивает сохранность струи при движении ее через преграду вслед за лидирующим элементом, выполненным из монолитного металла или сплава. После прохождения через преграду вследствие воздействия волн разгрузки в запреградном пространстве из струи образуются горящие фрагменты и газодисперсные потоки. Горящие фрагменты облицовки обеспечивают формирование очагов пожара в запреградном пространстве, а газодисперсный поток оказывает импульсное воздействие и формирует в нем ударные волны. Способность образовывать ударные волны и очаги пожара в запреградном пространстве, как это уже сказано выше, у устройства прототипа отсутствует.

Изобретение поясняется фиг. 1, на котором приведена схема устройства, где: 1 - инициатор; 2 - корпус заряда; 3 - профилированный заряд взрывчатого вещества; 4 - внутренний слой облицовки; 5 - наружный слой облицовки.

Устройство работает следующим образом. Средство инициирования (1) вызывает детонацию в заряде взрывчатого вещества. Под действием продуктов детонации и ударной волны происходит высокоскоростное обжатие облицовки. Из ее внутреннего слоя (4), выполненного из монолитного металла или металлического сплава формируется лидирующий элемент в виде ударного ядра, а из наружного слоя (5), выполненного из пиротехнической композиции, образуется протяженная струя, которая встраивается в хвостовую часть ударного ядра и образует с ним единое целое. Схематично изображение поражающего элемента, сформированного из разработанного устройства, представлено на фиг. 2, где 6 - лидирующий элемент в виде ударного ядра; 7 - струя из компонентов пиротехнической композиции.

Сравнительную оценку эффективности разработанного устройства с прототипом проводили в двух направлениях. В первом направлении оценивали эффективность зажигательного и фугасного действия устройства за стальной преградой толщиной 20 мм. По второму направлению оценивали массу вещества, заносимого в запреградное пространство. Для определения параметров фугасного действия аэродисперсного облака горящих частиц за преградой в трех лучах располагали пьезоэлектрические датчики давления на расстоянии 1, 2 и 3 м от преграды. По формуле Садовского, исходя из показаний датчиков определяли усредненный по всем лучам тротиловый эквивалент взрыва аэродисперсного облака, формируемого в запреградном пространстве материалом внешней облицовки. В качестве мишенной обстановки для оценки эффективности зажигательного действия устанавливали емкости с дизельным топливом в трех лучах на расстоянии 1, 2, 3 и 5 м от преграды. По усредненному по лучам количеству емкостей с горящим топливом после действия поражающего элемента по преграде оценивали вероятность зажигания мишенной обстановки. Кроме того, производили оценку количества материала наружной облицовки, заносимого в запреградное пространство. Оценку производили по результатам анализа материала, собранного из вертикально расположенных емкостей, заполненных водой. Над емкостями на высоте 1 м устанавливали стальной лист толщиной 20 мм. Материал наружной облицовки заносился в емкость через отверстие в стальном листе, образованном лидирующим элементом устройства. Заряд располагали вертикально на высоте 2 м над стальным листом. По результатам химического анализа вещества, извлеченного из емкостей, рассчитывали количество занесенного в запреградное пространство материала композиции наружного слоя устройства.

Для проведения экспериментов по оценке эффективности запреградного действия разработанного устройства были изготовлены макеты в соответствии с фигурой 1 с различными соотношениями габаритно-массовых характеристик внутренней и наружной облицовок и макеты устройства с различными вариантами соотношений компонентов пиротехнической облицовки. Наиболее полный объем исследований был выполнен с вариантами исполнения устройства, в котором внутренняя облицовка диаметром 72 мм была изготовлена из меди, ее толщина составляла 4 мм, наружная облицовка изготовлена из смеси частиц красного фосфора и графита в сочетании с порошками, входящими в состав алюминиевой основы. Алюминиевая основа помимо частиц алюминия содержала частицы титана, или вольфрама, или железа, или никеля, или олова, или магния. Соотношение плотностей внутренней и наружной облицовки варьировали путем изменения относительной плотности и соотношения компонентов в композиции внешней облицовки. Относительную плотность облицовки регулировали изменением усилия ее формования. Материалом внешней облицовки заряда прототипа служил стандартный железо-алюминиевый термит, внутренняя облицовка прототипа была выполнена из меди методом ротационного выдавливания. Помимо исполнения заряда прототипа в виде кумулятивного устройства были выполнены эксперименты, в которых наружную облицовку устройства, представленного на фиг. 1, также изготавливали из термита.

Данные о габаритно-массовых характеристиках испытанных образцов и результатах определения параметров их запреградного действия представлены в таблице 1. Как следует из представленных в таблице данных, тротиловый эквивалент фугасного действия взрыва в запреградном пространстве макетных образцов с заявленными соотношениями габаритно-массовых характеристик и заявленным снаряжением наружной облицовки составляет 80-110 г, в то время как тротиловый эквивалент взрыва прототипа и заявленного устройства в снаряжении термитом составляет всего 3-5 г. Наличие незначительного тротилового эквивалента у прототипа (вариант 1) и макета с использованием в качестве материала наружной облицовки термита (вариант 2) обусловлено аэродисперсным потоком частиц, образованных за преградой вследствие откольных явлений при ударе поражающего элемента о преграду. Из данных таблицы также видно, что вероятность зажжения дизельного топлива при действии вариантов разработанного устройства составляет 60-80%. В то время как у устройства прототипа и устройства с облицовкой из термита (варианты 1 и 2) запреградное зажигательное действие отсутствует, что в свою очередь обусловлено отсутствием заноса в запреградное пространство горящих частиц по причинам, указанным выше. Из данных таблицы 1 следует, что при соотношении толщин наружной и внутренней оболочки за верхним пределом заявленных соотношений (вариант 10) из-за снижения степени прогрева наружной облицовки детонацией взрывчатого вещества ее переход в состояние сверхпластичности затруднен, что в свою очередь приводит к нарушению режимов формования поражающего элемента из внутренней облицовки и его хвостовой части, образуемой из наружной облицовки. Следствием нарушений в режиме формирования поражающего элемента является уменьшение размера отверстия в преграде и уменьшение количества вещества, занесенного в запреградное пространство. В то же время эксперименты, выполненные с зярядом, у которых толщина наружной облицовки в 5 раз превышает толщину внутренней облицовки (вариант 6) и опыты с облицовками при одинаковых толщинах наружной и внутренней облицовки (опыт 3, 7, 8, 9) свидетельствуют о возможности регулирования уровней параметров фугасного и зажигательного действия в запреградном пространстве путем изменения соотношения толщин внутренней и наружной облицовки. При этом пробивная способность устройства в указанном диапазоне соотношений сохраняется на уровне оптимизированных снарядоформирующих зарядов с массой ударного ядра, равной суммарной массе металлической и пиротехнической облицовок.

Из материалов скоростной видеосъемки процесса и результатов химического анализа материала, собранного в запреградном пространстве, следует, что при превышении заданного верхнего предела относительной плотности наружной облицовки (вариант 12) значительно увеличивается количество непрореагировавшего вещества материала наружной облицовки из-за снижения степени ее прогрева вследствие отсутствия пор в такой облицовке. Очевидно, что по этой же причине также снижается пластичность материала наружной облицовки и уменьшается размер отверстия в преграде. За нижним пределом относительной плотности пиротехнической облицовки (вариант 13), вследствие ее разрушения на пылевидные частицы, которые частично сгорают в аэродисперсном облаке на пути к преграде, а число массивных горящих частиц, способных формировать очаги пожара в запреградном пространстве, резко сокращается, вероятность воспламенения мишенной обстановки также резко снижается. Использование наружной облицовки, существенно превосходящей по плотности внутреннюю (вариант 14), также приводит к ухудшению режимов формирования ударного ядра из-за резкого снижения параметров ударной волны, воздействующей на внутреннюю облицовку, и, как следствие, к снижению параметров как фугасного, так и зажигательного действия устройства.

Дополнительными экспериментами, выполненными с разработанным устройством, также подтверждено, что выявленные закономерности влияния габаритно-массовых характеристик и снаряжения двухслойных облицовок на выходные характеристики устройства сохраняются в широком диапазоне варьирования материалом, габаритно-массовыми характеристиками корпуса разработанного устройства и вида используемого в нем взрывчатого вещества. При этом в составе устройства были опробированы индивидуальные, смесевые взрывчатые вещества и термобарические смеси. В целом, представленные в таблице 1 результаты экспериментов с макетами разработанного устройства подтверждают обоснованность заданных в заявке на изобретение пределов габаритно-массовых характеристик устройства и повышенную эффективность его запреградного действия по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к области боеприпасов, предназначенных для поражения объектов, расположенных в запреградном пространстве защитных сооружений, и также может быть использовано в средствах перфорации нефтяных скважин. Технический результат - повышение параметров эффективности зажигательного и фугасно-кинетического действия устройства по объектам, расположенным в запреградном пространстве оборонительных сооружений. Устройство выполнено в виде снарядоформирующего заряда с двухслойной облицовкой, содержащего корпус, средство инициирования, размещенное в корпусе взрывчатое вещество с выемкой. Выемка покрыта слоем наружной пиротехнической облицовки и внутренним слоем. Этот слой выполнен из монолитного металла или металлического сплава. Внешний слой облицовки выполнен массивным и изготовлен из пиротехнической композиции. Эта композиция состоит из неорганических горючих фосфора или графита или их смеси в сочетаниях с металлическим горючим на основе частиц алюминия с добавками к нему металлических порошков. Соотношение плотности пиротехнической и металлической облицовки составляет 0,5÷1,3. Соотношение их толщин составляет 1÷5. Относительная плотность пиротехнической композиции составляет 0,75÷0,98. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Устройство направленного запреградного зажигательного и фугасно-кинетического действия выполнено в виде снарядоформирующего заряда с двухслойной облицовкой, содержащего корпус, средство инициирования, размещенное в корпусе взрывчатое вещество с выемкой, покрытой слоем наружной пиротехнической облицовки и внутренним слоем, выполненным из монолитного металла или металлического сплава, отличающееся тем, что наружный слой облицовки выполнен массивным и изготовлен из пиротехнической композиции, состоящей из неорганических горючих фосфора или графита, или их смеси в сочетаниях с металлическим горючим на основе частиц алюминия с добавками к нему металлических порошков, а соотношение плотности пиротехнической и металлической облицовки составляет 0,5÷1,3, соотношение их толщин составляет 1÷5, относительная плотность пиротехнической композиции 0,75÷0,98.

2. Устройство направленного запреградного зажигательного и фугасно-кинетического действия по п. 1, которое отличается тем, что для регулирования пластичности, плотности, параметров горения облицовки состав металлического горючего на основе частиц алюминия наружного слоя облицовки содержит частицы титана, или никеля, или железа, или вольфрама, или олова, или магния, или различные сочетания перечисленных металлов.