КУМУЛЯТИВНОЕ МЕТАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к испытательной технике и может быть использована для исследований высокоскоростного удара.
Известно устройство взрывного метания, использующее кумулятивный эффект (Leyrat J.R. Charvet E., Mace M., Pujols H.C. // Journal de Phisique III, - Vol.1, - October, 1991), приведенное в «Физике взрыва» // под редакцией Орленко Л.П. - Изд. 3-е, Т.2, стр 41, 2002 г.
Устройство состоит из заряда ВВ, плиты и полости в плите. При детонации заряда ВВ плоская детонационная волна отражается от металлической плиты, в которой возникает плоская ударная волна (УВ). Эта ударная волна схлопывает полость в плите, в результате из материала плиты формируется струя, утолщенный элемент и головная струя (б). Для одного из вариантов метательного устройства (материал - алюминий), скорость элемента (5) составила 8.8 км/с, а головной струи - 21.5 км/с. Это устройство является ближайшим аналогом.
Недостатком данного устройства метания является присутствие перед основным метаемым элементом более скоростной кумулятивной струи, кинетическая энергия которой сравнима (а иногда и превышает) энергию основного элемента и которая осуществляет нежелательное предвоздействие на объект испытания.
Решаемой технической задачей, является повышение массы компактного элемента (КЭ) и его скорости.
Ожидаемый технический результат проведение экспериментальных исследований высокоскоростного взаимодействия КЭ с преградами в расширенном диапазоне масс и скоростей.
Техническая задача решается кумулятивным метающим устройством, содержащим заряд взрывчатого вещества с системой распределенного инициирования по сферической поверхности и
примыкающую к нему металлическую плиту с открытой кумулятивной полостью. В устройстве предложено заряд выполнить полушаровым с устройством одновременного распределенного по сферической поверхности инициирования, плиту расположить со стороны плоского основания заряда, а полость в плите выполнить полусферической формы, переходящей в сторону открытого торца в сужающийся канал. Дополнительно предлагается выполнить сужающийся канал с расширением на выходном участке, причем это расширение может выполняться несимметричным относительно оси устройства, а ее длина составляет не менее 0.4 R, где R - радиус полусферической части полости. Также предлагается расстояние от контактной поверхности плиты с зарядом до вершины полусферической полости выполнить размером не менее 0.7R, а диаметр канала в его наименьшем сечении - от 0.9 до 1.15R.
Сопоставительный анализ предлагаемого решения и прототипа показывает, что заявляемое кумулятивное метающее устройство отличается совокупностью новых конструктивных признаков:
- заряд взрывчатого вещества выполнен полушаровой формы с системой одновременного многоточечного распределенного инициирования по сферической поверхности; металлическая плита примыкает к плоской поверхности заряда;
- кумулятивная выемка выполнена в форме полусферы, переходящей в сужающийся канал;
- выходной участок канала имеет расширение;
- выходной участок канала может выполняться асимметричным относительно оси устройства;
- длина выходного участка канала составляет не менее 0.4R;
- расстояние от контактной поверхности плиты с зарядом до вершины полу сферической полости составляет не менее 0.7R;
- диаметр канала в его наименьшем сечении составляет 0.9÷1.15R,
где R - радиус полусферической части выемки.
Применение полушарового заряда с системой одновременного многоточечного инициирования по поверхности позволяет сгенерировать сходящуюся сферическую детонационную волну. При движении к центру происходит неограниченный рост ее параметров (давление, плотность, массовая скорость), что известно как явление кумуляции. В результате плита с выемкой нагружается волной с более высокими параметрами, что в свою очередь ведет к повышению скорости метания КЭ.
Из-за того, что выемка выполнена в виде полусферы, при схлопывании образуется головная часть струи необходимого поперечного размера. Ввиду того, что УВ, по мере прохождения по объекту нагружениия, теряет свою интенсивность, формируемая струя имеет небольшой растягивающий градиент осевой скорости, который может негативно сказаться на сохранности получаемого компактного элемента. За счет изменений условий схождения в сужающемся канале, удается «исправить» градиент скорости и получить практически безградиентную головную часть струи. Также, при изменении условий схождения в сужающемся канале, головная часть струи приобретает форму головного утолщения, что, по сути, и есть компактный элемент.
Применение расширяющегося выходного участка канала позволяет задержать волну разрежения от правого торца на время, пока формируется компактный элемент. Расчеты показали, что длина этого участка должна быть не менее 0.4R (в противном случае в струе не удается избежать растягивающего градиента осевой скорости). Этот участок выполнен расширяющимся для того, чтобы снизить скорость материала, идущего за безградиентной головной частью струи (компактным элементом).
Выполнив выходной участок канала асимметричным относительно оси, удается придать струе, следующей за головным утолщением (компактным элементом) радиальную скорость, то есть, увести ее в сторону с траектории полета компактного элемента.
Расстояние от контактной поверхности плиты с зарядом до вершины полусферической полости составляет не менее 0.7R. При уменьшении этого расстояния, согласно расчетам, может происходить прорыв продуктов взрыва в полость облицовки.
Для обеспечения наиболее благоприятного режима работы устройства, диаметр канала в его наименьшем сечении должен составлять 0.9÷1.15R. Нижняя граница этого диапазона соответствует примерному диаметру формируемого компактного элемента (КЭ должен беспрепятственно проходить через канал). Диапазон диаметров определяет наиболее благоприятные для формирования КЭ условия схлопывания. При выходе за верхний предел (диаметр канала в наименьшем сечении больше 1.15R), согласно расчетам, не удается «исправить» градиент скорости и струя (компактный элемент при этом не формируется) имеет растягивающий градиент осевой скорости.
На фигуре 1 показано устройство для формирования высокоскоростного компактного элемента в статике, где
1 - Полушаровой заряд ВВ.
2 - Система распределенного одновременного многоточечного инициирования.
3 - Металлическая плита.
4 - Полусферическая часть выемки.
5 - Сужающийся канал.
6 - Выходной участок канала (симметричный).
На фигуре 2 показано возможное исполнение асимметричного выходного участка канала.
На фигурах 3 и 4 показан процесс формирования компактного элемента.
Предлагаемое кумулятивное метающее устройство работает следующим образом.
Заряд ВВ 1 с системой распределенного одновременного инициирования 2 устанавливают со стороны сплошного торца металлической плиты 3. Устройство ориентируют в направлении требуемой линии метания.
При детонации заряда 1 в материале плиты 3 генерируется мощная ударная волна. Под действием давления ударной волны выемка охлопывается. Полусферическая часть выемки 4 при схлопывании образует кумулятивную струю заданного диаметра. Сужающийся канал 5, схлопываясь, «исправляет» градиент осевой скорости и формирует головную часть кумулятивной струи в виде головного безградиентного утолщения (собственно, компактного элемента). Слой металла, прилегающий к выходному участку канала 6, задерживает волну разгрузки (волну разрежения), идущую по объекту нагружения от торца с выходным участком канала, на время, достаточное для завершения формирования головного безградиентного утолщения. Асимметричный выходной участок канала 6 при схлопывании уводит в сторону тонкую растягивающуюся «хвостовую» часть струи и, в итоге, получается одиноко летящий высокоскоростной компактный элемент.
3
Проведено численное моделирование процесса формирования КЭ. На стальной плите получен компактный элемент массой ≈10 г, со скоростью ≈8 км/с. Средняя плотность полученного КЭ составляла 7500 кг/м, что позволяет говорить о его сплошной (не пылевидной) структуре.
Таким образом решается задача получения высокоскоростных компактных элементов.