Способ испытания осколочного боеприпаса с осесимметричным полем разлета осколков Российский патент 2025 года по МПК F42B35/00 

Изобретение относится к способам испытания осколочных боеприпасов естественного и заданного дробления с осесимметричными осколочными полями.

Для оценки эффективности действия осколочных боеприпасов по различным целям необходимо знать распределение поражающих элементов - осколков по начальным скоростям и углам разлета в заданном пространстве поражения цели, а также их количеству и массовым группам.

Известен способ испытания боеприпасов путем подрыва в щитовой мишенной обстановке, выполненной в форме полуцилиндрической вертикальной стенки, обшитой листовым материалом (фанера, картон, рубероид), при пробитии которого осколком образуется пробоина с четкими очертаниями /1/. На внутренней поверхности обшивки наносятся контуры проекции части сферы, ограниченной двумя меридиональными сечениями с углом Δθ между ними, а также линии границ угловых секторов с шагом Δϕ. Испытуемый боеприпас устанавливается в центре полуцилиндра в горизонтальном положении, на стойке с высотой, равной половине высоты стенки, ось снаряда ориентируют по условной прямой, соединяющей вертикальные торцы стенки. После подрыва визуально по дочитываются пробоины в каждом секторе обшивки, проводится измерение размеров и площадей пробоин, производится их пересчет на массу осколка и, таким образом, определяется распределение осколков по углам разлета.

Основным недостатком указанного способа является его низкая точность при определении массы осколка по площади пробоины, невозможность разделения полей, формируемых различными поражающими элементами осколочных боеприпасов, имеющих в составе оболочки несколько их типов, невозможность фиксации момента удара осколка об обшивку, что затрудняет измерение времени между подрывом и соударением осколка с обшивкой, а следовательно, и оценку его скорости. Кроме того, возможно также искажение результатов оценки испытаний за счет попадания в обшивку полуцилиндрической стенки осколков, рикошетирующих от грунта.

Также известен способ испытания осколочного боеприпаса с осесимметричным полем разлета осколков [2], включающий подрыв боеприпаса, установленного в заданное положение в центре профилированной мишенной стенки, размеченной на зоны, соответствующие направлениям разлета осколков в принятой системе координат, регистрацию попаданий, улавливание и подсчет числа осколков, попадающих в каждую зону, измерение размеров и площади пробоин, отличающийся тем, что оценку качественных и количественных характеристик осколочного поля по массам, скоростям, форме и размерам осколков осуществляют посредством регистрации, записи и последующей обработки сигналов с электретных датчиков, размещенных по соответствующим зонам мишенной стенки и равным им по размерам, по отдельности электрически связанных с компьютеризованной системой регистрации и записи.

Величина сигнала с электретного датчика коррелируется с площадью его пробоины осколком на поражаемом участке мишенной стенки. Однако, в связи с тем, что осколки приблизительно равной массы могут иметь различную геометрическую форму, а площадь пробоины при этом будет определяться ориентацией осколка в момент соударения с датчиком, определение характера распределения осколков по массовым группам может быть не полностью достоверным. Кроме того, к ошибке может привести и попадание осколка в стык между смежными пластинами датчиков.

Более точное определение закона распределения осколков по массовым группам (испытание на осколочность) дает подрыв боеприпаса в бронекамере, заполненной уловителями осколков (опилки и т.п.) [3, 4]. После испытания в камере осколки с помощью электромагнита извлекаются из опилок, взвешиваются и сортируются по массовым группам на всей непрерывной шкале от минимального значения до максимального. Недостатками данной методики являются получение искаженных данных из-за вторичного дробления осколков при их торможении в среде уловителя, а также высокие трудозатраты на подготовку испытаний, и последующих процессов извлечения осколков с тормозящей средой из бронекамеры и отделения осколков от тормозящей среды.

Таким образом, для достоверной оценки характеристик осколочного поля боеприпасов - т.е. распределения поражающих элементов по начальным скоростям и углам разлета в пространстве поражения цели, а также по их количеству в определенных массовых группах, требуется проведение двух типов испытаний, что не выгодно как с позиции временных, так и экономических затрат.

В то же время известен способ испытания осколочного боеприпаса с осесимметричным полем разлета осколков [5], включающий подрыв боеприпаса установленного в заданное положение в центре профилированной мишенной стенки, размеченной на зоны, соответствующие направлениям разлета осколков в принятой системе координат, регистрацию попаданий, измерение размеров и площади пробоин, а также улавливание и подсчет числа осколков для оценки качественных и количественных характеристик осколочного поля по массам, форме и их размерам.

Как следует из описания способа, его реализация обеспечивает одновременно два вышеописанных типа испытаний боеприпасов - на осколочное действие и на осколочность, т.к. наряду со щитовой мишенной стенкой предусматривает размещение за ней улавливателя осколков, выполненного в виде сыпучей среды, или набора разборных улавливающих блоков из низкоплотных материалов.

Вследствие этого данный способ является наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату.

Однако, наряду с неоспоримым достоинством, заключающимся в качественном определении баллистических характеристик осколочного поля по скоростям и углам разлета осколков посредством соответствующих регистрирующих устройств, способ не лишен отдельных недостатков:

1) использование металлической листовой обшивки мишенного щита не гарантирует ее пробитие, с последующим торможением в улавливателе, осколками малой массы;

2) осколки могут дробиться на листовой обшивке мишенного щита до попадания в среду уловителей;

3) при использовании в улавливателе сыпучей среды не исключается вторичное дробление осколков в процессе их торможения;

4) в случае же выполнения улавливателя из набора блоков из низкоплотных материалов для торможения высокоскоростных осколков большой массы требуется относительно большая толщина блоков, что сулит дополнительные экономические затраты, а также сложности по извлечению осколков из блоков.

Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение совместных испытаний боеприпасов на осколочное действие и осколочность с одновременным снижением трудозатрат и повышением точности измерений распределения осколков по массовым группам.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе испытания осколочного боеприпаса с осесимметричным полем разлета осколков, включающем подрыв боеприпаса установленного в заданное положение в центре профилированной мишенной стенки, размеченной на зоны, соответствующие направлениям разлета осколков в принятой системе координат, регистрацию попаданий, измерение размеров и площади пробоин, а также улавливание и подсчет числа осколков для оценки качественных и количественных характеристик осколочного поля по массам, форме и их размерам, в соответствии с изобретением улавливание осколков осуществляют на приемной секторной площадке, расположенной со стороны противоположной мишенной стенке, и спрофилированной из условия исключения вторичного дробления поражающих элементов при их ударе об поверхность площадки.

Сущность предлагаемого решения может быть пояснена следующим образом.

В соответствии с [3] «Истинный» спектр фрагментов, не искаженный процессом улавливания, в принципе может быть получен... воздушным торможением осколков с последующим сбором их с местности (с бетонированной или асфальтированной секторной площадки, имеющей длину 500…800 м) при помощи электромагнитного подборщика. Оценочное сравнение десяти наиболее длинных осколков 122 мм осколочно-фугасных снарядов, полученных при подрыве в опилочной бронекамере и собранных с местности после щитовых испытаний в секторе, противоположном щиту, показали, что отношение максимальных длин осколков, полученных при свободном разлете и в камере составляет 1,87, а средних длин - 1,53».

Однако, при плоской, не профилированной площадке, полностью не исключается вторичное дробление осколков при их высокоскоростном ударе о поверхность площадки. Профилированная, причем углубленная секторная площадка, позволяет снизить ударную нагрузку на осколки в момент их встречи с поверхностью площадки до уровня, при котором не происходит деформации и разрушения осколков.

Секторное выполнение площадки и ее расположение предлагается исходя из осесимметричности осколочного поля боеприпаса относительно вертикальной оси, и равновероятного распределения в нем осколков по массовым группам в любом горизонтальном «сечении». Таким образом, по отношению угла сектора приемной площадки к суммарному углу (2π) разлета всех осколков в горизонтальной проекции при подрыве боеприпаса можно с достаточной степенью точности определить как суммарную массу осколков, так и их распределение по массовым группам для боеприпаса в целом.

Профиль площадки определяется на основе законов движения в воздушной среде осколков испытываемых боеприпасов, траекторий их движения, изменения скорости осколков вдоль траекторий.

Движение отдельного осколка под действием силы тяжести в условиях покоящейся атмосферы описывается дифференциальными уравнениями:

Где m - масса осколка;

- скорость осколка;

t - время;

- ускорение силы тяжести (9,81 м/с²);

C_X - коэффициент лобового сопротивления осколка;

S - площадь миделя;

ρ - плотность воздушной среды

- текущий радиус вектор осколка.

Вводя величину

систему уравнений (1) можно переписать в виде:

.

Величина а представляет собой баллистический коэффициент осколка, имеет единицу изменения в СИ м^-1 и определяет масштабы разлета осколков (чем меньше а, тем дальше они улетают). Для осколочных боеприпасов значения величины а лежат примерно в диапазоне от 0,01 до 0,04 в условиях сверхзвуковых скоростей полета осколка. При малых дозвуковых скоростях движения осколка величина а имеет примерно в два раза меньшие значения. В первом приближении можно записать следующее выражения для величины а:

где а* - баллистический коэффициент осколка при больших числах Маха ; w - скорость звука в воздушной среде (порядка 340 м/с).

Для расчета движения осколка используем систему отсчета с началом в точке срабатывания боеприпаса (см. далее фиг. 1). Ось О_х декартовой системы координат направлена вдоль поверхности Земли, а ось О_у направлена вертикально вверх против направления действия силы тяжести

Векторные уравнения движения осколка (3) в проекциях на координатные оси имеют вид:

где ν_x и ν_y - проекции скорости на оси системы координат; х и у - координаты осколка. Модуль вектора скорости определяется по формуле:

Начальные условия для решения уравнений движения (5) соответствуют вылету осколков из начала системы координат:

Осколки начинают разлетаться с начальной скоростью ν₀ под углом α к горизонту:

.

Система уравнений (5) с указанными начальными условиями решается численно. Полученные при этом параметры движения осколков позволяют оценить скорости и углы их соударения с площадками различных профилей. Конкретный профиль площадки выбирается таким образом, чтобы для всех возможных случаев разлета осколков не происходило их вторичное дробление.

Изобретение поясняется следующей графической информацией.

На фиг. 1, 2 схематично показана испытательная площадка в вертикальной и горизонтальной проекциях с указанием системы координат, принятой при расчете.

На фиг. 3 приведены характерные расчетные траектории поражающих элементов при срабатывании осколочных боеприпасов. На определенном удалении от точки подрыва скорость осколков падает ниже значения, при котором их падение на площадку под любым углом вызывает существенные деформации в материале осколков. Точки на расчетных графических зависимостях фиг. 3 отмечают достижения указанных значений.

На фиг. 4 представлены типичные зависимости скорости осколков от времени t при одних и тех же значениях величин a и ν₀, но различных углах разлета α. Видно, что осколки быстро теряют свою скорость и выходят на предельную скорость падения под действием сил тяжести и сопротивления воздуха. Опыт показывает, что при предельных скоростях падения удар о твердую поверхность не приводит к дроблению осколков.

На фиг. 5 представлен профиль площадки, выбранный из условия ограничения в момент удара нормальной к поверхности площадки составляющей вектора скорости осколка величины предельной скорости падения. После обрыва кривой на фиг. 5 профиль площадки может быть любым (например, вертикальной стенкой), так как далее этой точки взаимодействие осколка с площадкой не может привести к его вторичному дроблению.

При проведении испытаний (фиг. 1, 2) боеприпас 1 устанавливается на вертикальной опоре 2 в геометрическом центре дуги полуцилиндрического мишенного щита 3 в вертикальном положении (ось боеприпаса направлена по оси у). На внутренней поверхности обшивки щита имеются контуры проекции части сферы, ограниченной несколькими меридиональными сечениями с заданным углом между ними, а также линии границ угловых секторов с заданным шагом. Высота вертикальной опоры 2 равна половине высоты стенки 3.

После подрыва боеприпаса 1 «половина» его осколочного поля распространяется в направлении мишенного щита 3. По результатам взаимодействия осколков со щитом подсчитываются пробоины в каждом секторе обшивки, проводится измерение размеров и площадей пробоин, производится их пересчет на массу осколка и, таким образом, определяется распределение осколков по углам разлета. Остальная часть осколочного поля распространяется в противоположном направлении, при этом часть осколков падает в границах профилированной секторной (с углом сектора ϕ) площадки 4, снабженной твердым покрытием 5.

Ввиду того, что профиль площадки 4 (фиг. 5) выбран из условия ограничения нормальной к поверхности площадки составляющей вектора скорости осколка (с учетом расчетных зависимостей - фиг. 3, 4) в момент удара об ее покрытие 5, вторичного дробления осколков не происходит.

С поверхности площадки осколки собирают с помощью электромагнита, смонтированного на подвижном транспортном средстве (электромагнитного подборщика), что значительно проще и быстрее, чем отделение осколков от улавливающей среды в известных способах. Собранные после подрыва БЧ осколки взвешиваются и сортируются по интервалам масс на всей непрерывной шкале от минимального значения до максимального. Причем в результате измерений получается «истинный» спектр осколков по массовым группам, не искаженный процессом улавливания, позволяющий распространить его для боеприпаса в целом.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает совместные испытания боеприпасов на осколочное действие и осколочность с меньшими трудозатратами по сравнению с известными традиционными, при одновременном повышении точности измерений распределения осколков по массовым группам.

Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки:

1. Авиационные боеприпасы. Под ред. В.А. Кузнецова, М.: Изд. ВВИА им. Жуковского, 1968 г., стр. 303.

2. Патент РФ №2493538, F42B 35/00, 2012 г., Способ испытания осколочного боеприпаса с осесимметричным полем разлета осколков и стенд для его реализации.

3. Физика взрыва / Под ред. Л. П. Орленко - Изд. 3-е, испр. - В 2 т. Т. 2. - М: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 656 с.

4. Шутов П.В., Ефанов В.В. Методика автоматизации процесса испытаний авиационных боеприпасов - М.: «Труды МАИ». Выпуск №75, 2014.

5. Патент РФ №2131583, F42B 35/00, 1996 г., Способ испытания осколочного боеприпаса с круговым полем разлета осколков и стенд для его реализации.

Изобретение относится к способу испытания осколочного боеприпаса с осесимметричным полем разлета осколков. Техническим результатом является обеспечение совместных испытаний боеприпасов на осколочное действие и осколочность с одновременным снижением трудозатрат и повышением точности измерений распределения осколков по массовым группам. Способ включает подрыв боеприпаса, установленного в заданное положение в центре профилированной мишенной стенки, размеченной на зоны, соответствующие направлениям разлета осколков в принятой системе координат. Также способ включает регистрацию попаданий, измерение размеров и площади пробоин, а также улавливание и подсчет числа осколков для оценки качественных и количественных характеристик осколочного поля по массам, форме и их размерам. Мишенная стенка выполнена в форме полуцилиндра. Боеприпас установлен на опору, высота которой равна половине высоты мишенной стенки. Улавливание осколков осуществляют на приемной секторной площадке, расположенной со стороны, противоположной мишенной стенке и спрофилированной вогнутой формы. Профиль секторной площадки выполнен с учетом начальной скорости осколков, скорости движения осколков и предельной скорости падения осколков, баллистического коэффициента осколков, углов разлета осколков, исключая вторичное дробление поражающих элементов при их ударе об поверхность площадки. 5 ил.

Способ испытания осколочного боеприпаса с осесимметричным полем разлета осколков, включающий подрыв боеприпаса, установленного в заданное положение в центре профилированной мишенной стенки, размеченной на зоны, соответствующие направлениям разлета осколков в принятой системе координат, регистрацию попаданий, измерение размеров и площади пробоин, а также улавливание и подсчет числа осколков для оценки качественных и количественных характеристик осколочного поля по массам, форме и их размерам, отличающийся тем, что мишенная стенка выполнена в форме полуцилиндра, боеприпас установлен на опору, высота которой равна половине высоты мишенной стенки, улавливание осколков осуществляют на приемной секторной площадке, расположенной со стороны, противоположной мишенной стенке и спрофилированной вогнутой формы, при этом профиль секторной площадки выполнен с учетом начальной скорости осколков, скорости движения осколков и предельной скорости падения осколков, баллистического коэффициента осколков, углов разлета осколков, исключая вторичное дробление поражающих элементов при их ударе об поверхность площадки.