Способ выбора материалов для корпусов бронебойных подкалиберных снарядов
METHOD OF SELECTING MATERIALS FOR BODIES OF ARMOR-PIERCING SUB-CALIBER PROJECTILES

Изобретение относится к методам оценки эффективности бронебойных боеприпасов и брони при их соударении и может быть использовано при создании новых боеприпасов.
l
с
m
с
Известны способы ориентировочной оценки параметров взаимодействия снаряда с броней, основанные на выполнении расчетов, основанных на экспериментальных исследованиях. На основании таких расчетов проводится оценка эффективности снаряда на стадии проектирования. Например, используются взаимосвязи длины бронебойного снаряда со свойствами материалов снаряда и мишени. Соотношение для определения глубины пробития h, в соответствии с известным способом, принятым в качестве прототипа, имеет вид: где  - длина снаряда, k - плотность материала снаряда, k - плотность материала мишени. (Физика взрыва / Под. ред. Л.П. Орленко. - изд. 3-е, переработанное. - В 2 т. Т. 2. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 656 с.). При этом для изготовления бронебойных подкалиберных снарядов используют материалы с максимальным значением их плотности k.
Недостатком этих способов является то, что они не позволяют выполнить оценки для различных скоростей соударения снаряда с мишенью.
Автором поведены исследования и разработан способ определения глубины пробития мишени снарядом, позволяющий учесть влияние скорости снаряда в момент соударения и других физических свойств материала снаряда и мишени.
Ниже приведены обоснования и изложена суть предложения, а именно, способа выбора материалов для корпусов бронебойных подкалиберных снарядов, с целью получения максимальной глубины пробития мишени.
Основываясь на предположении, что в зоне соударения происходит превращение двух типов энергии (кинетической энергии снаряда и энергии от протекания электрического тока, вызванного инерционным движением свободных электронов в сжатой зоне снаряда) в тепловую энергию, способную превратить вещества в зоне соударения в жидкое и газообразное состояние, определим массу мишени, выброшенную в процессе соударения с образованием кратера диаметром D и глубиной h. Расчеты проведем при выполнении условия, что вся масса снаряда в процессе соударения израсходована. Такие явления наблюдаются при ударах по броне бронебойным снарядом в виде кумулятивной струи.
Кинетическую энергию снаряда Е оценим с помощью соотношения:
с
с
i
l
где k- плотность материала снаряда, - масса снаряда М,  - длина снаряда; d - диаметр снаряда; u - скорость снаряда.
Тепловую энергию Q, от электрического тока, вызванного инерционным движением свободных электронов в материале снаряда оценим с помощью соотношения, представленного автором в работе (Кузнецов Н.С. Высокоскоростное взаимодействие ударников с преградами // Боеприпасы. - 2015. - №2. - с. 59-63.)
Это соотношение имеет вид:
0
23
3
где: n=10 - количество свободных электронов в см металла снаряда;
ρ - удельное электрическое сопротивление материала снаряда;
-19
е=1,6×10К - заряд электрона.
Энергию F, которая может выделиться при высокоскоростном ударе снаряда по мишени, оценим с помощью соотношения:
Можно предположить, что вся энергия разрушения снаряда перейдет в теплоту сублимации снаряда и мишени.
C
с
Теплоту сублимации Е материала снаряда массой М определим с помощью соотношения:
с
с
c
с
с
где: Е - теплота сублимации одного моля вещества материала снаряда, масса снаряда М составляет -  число молей N в веществе снаряда массой М составляет -  где Р - вес одного моля вещества материала снаряда.
Масса, выброшенного металла мишени, при пробитии и полном расходе снаряда (с определенной погрешностью примем, что пробоина от снаряда имеет цилиндрическую форму диаметром D и глубиной h) составляет:
m
где k - плотность материала мишени, h - глубина пробития.
м
м
Количество молей вещества материала мишени N в выброшенной массе М составит:
м
где Р - вес одного моля вещества материала мишени.
м
Теплота сублимации материала мишени Е массой М, составит:
м
где Е - теплота сублимации одного моля вещества материала мишени.
Суммарная теплота сублимации материалов снаряда и мишени W составит:
Прировняв, величины энергий W=F, и проведя преобразования, получим соотношение для определения массы мишени, вынесенной снарядом при соударении.
Это соотношение имеет вид:
В соотношение (9) входят параметры, характеризующие условия соударения и конкретные физические свойства материалов снаряда и мишени. По значениям этих параметров можно на стадии расчетов характеристик снаряда и мишени оценить один из основных параметров эффективности такого снаряда по возможности пробивать броневые преграды. А именно, представляется возможность определить массу вещества мишени, которая будет выброшена снарядом при соударении (при полном исчезновении снаряда).
Следует отметить, что в соотношении (9) указана масса мишени, образованная при полном испарении веществ снаряда и мишени, т.е. при их сублимации. Это происходит при очень высоких скоростях соударения, например, при ударе кумулятивной струи.
С
С
м
СЧ
СЧ
В случае смешанного состояния, а именно, при образовании в зоне соударения смеси металлов в виде жидкости и газа, в качестве энергии фазовых превращений нужно использовать только часть теплоты сублимации Е. Общая теплота А в зоне соударения в этом случае будет меньше величины Е, так как будет представлять собой сумму тепловых энергий, состоящую из теплоты образования жидкой фазы материалов снаряда и мишени Ж (части общей массы М), и части теплоты сублимации Е. Можно провести расчеты для различных пропорций величин Ж и Е в общей сумме энергии теплоты А. При этом должно соблюдаться равенство:
м
Для оценки линейных параметров кратера (D и h), образованного при соударении снаряда с мишенью по массе, выброшенного вещества мишени М, проведем анализ процесса соударения в начальный момент времени. Автором ранее была представлена модель процесса бронепробития, в основе которой лежит предположение, что пробитие брони происходит дискретно, путем поэтапного расплавления и испарения части брони и снаряда в зоне действия ударной волны сжатия и растяжения, вытеснения этой расплавленной массы твердой частью снаряда, и нового соударения по такой же схеме до исчерпания всей массы снаряда, либо до уменьшения скорости оставшейся части снаряда до величины, не обеспечивающей выполнение расплавления и испарения металла при соударении.
3
В начальный момент времени объем расплавленной массы мишени (полусфера) можно определить с помощью известного соотношения для объема сферы. Объем полусферы равен: πD/12.
2
Ранее, при определении массы выброшенного из кратера вещества форма кратера была принята в виде цилиндра диаметром D и глубиной b. Объем такого цилиндра определяется соотношением: πDb/4.
3
2
Можно положить, что в момент соударения дискретный объем расплавленной части мишени (части образованного кратера) будет соответствовать значениям объемов, определяемым для цилиндра и шара. Тогда для такого условия, приравняв эти объемы, можно получить соотношение, устанавливающее взаимосвязь диаметра кратера с его глубиной, а именно, можно записать: πD/12=πDb/4, и, после преобразования, получим:
Величина b определяется размером волны сжатия-растяжения в зоне соударения, так как фазовый переход в зоне соударения появляется в момент действия волны растяжения. Для оценки этой величины b воспользуемся результатами анализа, приведенного автором в работе (Кузнецов Н.С. К вопросу модернизации бронебойных подкалиберных снарядов // Боеприпасы. - 2017. - №1. - с. 22-34.), где показано, что размер волны сжатия (зоны сжатия) В, можно определить экспериментально на основе измерения расстояния от тыльной поверхности мишени до трещины в направлении перпендикулярном направлению удара. В связи с тем, что зона расплавления образуется при прохождении волны растяжения величину b можно определить из соотношения:
Согласно оценкам, размер зоны В примерно равен половине диаметра снаряда d. С учетом этих оценок соотношение (11) принимает вид:
Для дальнейшего анализа перепишем уравнение (9) в виде:
Выделим в этом выражении переменные D и h, характеризующие размер кратера. Получим:
Подставим значение D из (13) в соотношение (15) и получим соотношение, для оценки глубины пробития мишени h снарядом. Это соотношение будет иметь вид:
Для удобства проведения анализа соотношение (16) перепишем в виде:
l
i
Как видно из (17) глубина пробития мишени h зависит от длины снаряда , его скорости u и физико-механических свойств материалов снаряда и мишени.
Размерности параметров соотношения (17) приведены ниже. Можно видеть, что после преобразования размерностей в каждом слагаемом остается размерность в метрах.
Еще раз подчеркнем, что приведенные соотношения справедливы для соударения, сопровождающегося сублимацией металла снаряда и металла кратера мишени. Такие условия наблюдаются при ударе по броне кумулятивной струей.
При скоростях снаряда ниже той, при которой наступает сублимация материалов необходимо учитывать предложения, определяемые соотношением (10).
м
с
с
м
Как отмечено выше, в связи с тем, что скорость бронебойных подкалиберных снарядов (~1700 м/с) существенно меньше той, при которой в процессе соударения наступает сублимация материалов мишени и снаряда, например, в случае удара кумулятивной струей (скорость кумулятивной струи больше 4000 м/с) в расчетах (в соотношении (17)) вместо энергии сублимации необходимо использовать энергия расплавления материалов до жидкого состояния. Для материала мишени Ж, а для материала снаряда Ж. При этом значения величин Е и Е в соотношении (10) будут близки к нулю.
Ниже приведен пример расчета по полученной формуле конкретного значения глубины пробития мишени для известных экспериментальных результатов, при известных параметрах соударения, параметров снаряда и данных по свойствам для материалов снаряда и мишени.
Пример расчета.
Для расчета используем данные для удара бронебойным подкалиберным снарядом шифр «Манго» калибром 125 мм по стальной бронеплите.
Запишем известные исходные данные для снаряда:
3
p
При стрельбе из танковой пушки Д81 снаряд имеет максимальную начальную скорость 1700 м/с, и обеспечивает при этом нормативную бронепробиваемость 430 мм гомогенной брони (на дальности 2000 м и угле подхода 0 градусов). Диаметр вольфрамового сердечника 18 мм, его длина (двух частей) 420 мм. Размер бронебойного демпфера: длина 112 мм, диаметр 22 мм. Масса активной части снаряда 4,85 кг. Плотность сердечника из ВНЖ90 - 16,8 г/см. Длина вольфрамовой части штатного снаряда L=532 мм (длина сердечников плюс длина демпфера).
Исходя из этого, запишем численные значения параметров снаряда, мишени и условий соударения:
с
3
k - плотность материала снаряда - 16,8 г/см;
l
- длина снаряда - 0,532 м;
i
u - скорость снаряда - 1700 м/с;
m
3
k - плотность материала мишени - 7,8 г/см;
м
Р - вес одного моля вещества материала мишени - 0,056 кг;
с
Р - вес одного моля вещества материала снаряда - 0,232 кг;
м
5
Теплота расплавления одного моля железа - Ж=0,154×10Дж;
с
5
Теплота расплавления одного моля сплава ВНЖ90-Ж=0,44×10 Дж;
0
22
3
n=10 - количество свободных электронов в см металла снаряда;
-6
ρ - удельное электрическое сопротивление материала снаряда (при температуре 2200°С) - ρ=73×10 Ом⋅м;
-19
е=1,6×10 Кл - заряд электрона.
с
м
с
м
Ниже приведены данные расчета глубины пробития h в соответствии с соотношением (17) на основе использования исходных материалов. При этом в данное соотношение вместо величин Е и Е подставлены величины Ж и Ж соответственно.
Как видно из расчета (см. соотношение (18)), расчетный и натурный результаты практически совпадают. Меньший размер глубины пробития, полученный расчетом (h=0,42 м), по сравнению с нормативным (h=0,43 м) объясняется тем, что при зачетных натурных испытаниях (при подтверждении нормативного значения глубины пробития), как правило, стрельба выполняется под углом 60° к бронеплите, при этом условно более высокая глубина пробития обеспечивается за счет дополнительного откола внешней стороны бронеплиты под действием косых ударных волн. При стрельбе снарядом под нулевым углом подхода к бронеплите такие условия не возникают и глубина пробития меньше.
Таким образом, проведенный анализ соударения кинетических снарядов с мишенями на основе новой концепции, предложенной автором, позволяет на стадии проектирования снарядов и брони определять параметры бронепробития мишеней, а именно глубину пробития h и диаметр кратера D (см. соотношение (13)) для конкретных параметров снаряда и условий его соударения с броней.
Следует отметить, что на глубину бронепробития мишени БПС будут влиять не только свойства материала мишени, но и будут оказывать существенное значение свойства материала БПС. Характер влияния свойств материала снарядов на глубину пробития мишени, например, с помощью БПС, можно увидеть из анализа соотношения (16).
Проведем некоторые преобразования этого соотношения, введем обозначения и выделим взаимосвязи, которые относятся к свойствам материала снаряда, перепишем соотношение в виде:
где
с
с
с
В соотношении (19) параметры k, Ж и Р определяют свойства материала снаряда, а параметры Б и С остаются практически неизменными. Преобразуем это соотношение, и запишем его в виде:
с
с
Из соотношения (20) видно, что глубина пробития мишени пропорциональна плотности материала снаряда k. Эта взаимосвязь подчеркивается всеми исследователями, занимающимися созданием кинетических снарядов. Но в этом соотношении присутствует еще одно соотношение, которое также влияет на величину бронепробития, и которое зависит от других свойств материала снаряда (кроме плотности k). Причем, чем меньше эта величина, тем следует ожидать большей величины бронепробития. Это соотношение перепишем в виде:
с
с
Из соотношения (21) видно, что величина А будет тем меньше чем меньше значения Ж, и чем больше величина Р.
c
с
с
с
с
с
c
с
В таблице 1 приведены данные, характеризующие параметры, входящие в соотношение (21), для ряда материалов. В этой же таблице приведены данные отношения величины kЖ/Р. Как видно из таблицы по величине kЖ/Р однозначно оценить тенденции влияния на величину бронепробития свойств материала снаряда не представляется возможным. В тоже время, значение (Ж/Р) позволяет оценить материалы по их вкладу в энергию расплавления материалов (мишени и снаряда), которая участвует в расплавлении материала мишени. Чем меньше эта величина, тем глубина пробития h, определяемая соотношением (16) будет больше.
с
с
Анализ таблицы 1 показывает, что наибольшей глубины пробития можно достичь при использовании в качестве материала БПС урана. Величина отношения Ж/Р для урана минимальна и составляет - 0,6 усл.ед. Следующий за ураном в этом качестве стоит вольфрам (1,9 усл.ед). Наихудшими свойствами в этой части обладает бериллий (124 усл.ед).
Известные данные (ВЫСТРЕЛЫ С ОБПС:ТТХ HTTP://WWW.RUSSIANAPMOR.INFO/TANKS/ARM/APFSDS/AMMO_R.HTML) по характеристикам бронепробития для бронебойных подкалиберных снарядов, имеющих одни и те же размеры, но изготовленные из разных материалов, а именно, корпус снаряда «Надфиль-2» изготовлен из урана, а корпус снаряда «Надежда-Р» изготовлен из сплава на основе стали, показывают разную глубину бронепробития: у «Надфиля-2» - 430 мм, а у «Надежды-Р» - 410 мм. Отмеченная закономерность прослеживается и для других снарядов, изготовленных из других материалов.
с
с
Таким образом, приведенные данные показывают, что для создания бронебойных подкалиберных снарядов, с максимальной возможностью бронепробития при изготовлении корпусов снарядов необходимо применять материалы с минимальным отношением величин Ж/Р.
Изложенные сведения о заявленном изобретении, охарактеризованном в независимом пункте формулы, свидетельствуют о возможности его осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств и методов. Следовательно, заявленный способ соответствует условию промышленной применимости.