Контактный датчик для регистрации момента подлета осколка при взрыве осколочного снаряда
CONTACT SENSOR FOR DETECTING MOMENT OF ARRIVAL OF FRAGMENT AT EXPLOSION OF FRAGMENTATION PROJECTILE

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, конкретно к области взрывной баллистики и техническим устройствам, служащим для определения скорости готовых поражающих элементов и осколков естественного дробления, образующихся при взрывном разрушении корпусов осколочных боеприпасов, на начальном этапе разлета и в ближней зоне.
Известны конструкции контактных датчиков для регистрации момента подлета осколка при взрыве осколочного снаряда /1, 2/.
Датчик /1/ содержит металлическую подложку, оголенный проводник в виде змейки из тонкого провода с заданным шагом между витками и тонкий слой изоляционного материала, размещенный между подложкой и проводником, которые соединены с разноименными клеммами источника постоянного напряжения. Поверхность оголенного проводника со стороны, обращенной к снаряду, покрыта защитным слоем из малоплотного изоляционного материала.
Датчик /2/ содержит подложку из непроводящего материала, на поверхности которой размещена система из двух изолированных друг от друга проводников в виде плоской спирали из двух металлических полос заданной ширины, и подключенных к выходным клеммам источника постоянного напряжения и закрытых сверху защитным слоем.
Общим недостатком данных конструкций является то, что первый же достигший датчика осколок (поражающий элемент) производит обрыв проводника\системы проводников, укорачивая тем самым длину исходной измерительной базы, вследствие чего момент подлета параллельно летящих осколков, достигающих датчика, может быть не зарегистрирован.
Особым недостатком обладает датчик /2/: - входящая в него система из двух изолированных друг от друга проводников в виде плоской спирали из двух металлических полос по сути представляет собой электрическую емкость (конденсатор), воспринимающую в момент взрыва испытуемого заряда\боеприпаса сопутствующий ему мощный электромагнитный импульс, что отрицательно сказывается на работе измерительных устройств и точности выполняемых измерений.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является датчик /3/, также содержащий систему двух изолированных друг от друга проводников, выполненных из алюминиевых сеток.
Анализ конструкции и предлагаемых условий применения данного датчика выявил следующие его недостатки:
- относительно большая стоимость, вызванная сложностью конструкции, наличием двух электропроводных сеток и выбором материалов;
- непригодность для использования при определении скорости на начальном этапе разлета поражающих элементов (ПЭ) боеприпаса, вследствие наличия изолирующего слоя перед фронтальной сеткой, осуществляющего торможение осколка, а отсюда - отсутствие необходимой точности измерений;
- размер ячейки сетки не связан с размером регистрируемого поражающего элемента;
- большая чувствительность к электромагнитному импульсу от взрыва, вызванная тем, что в конструкции предложено использовать сетки с квадратными ячейками; кроме того, предложенное двукратное уменьшение исходного диаметра проволоки посредством каландрирования, т.е. ее уплощение, приводит к соответствующему увеличению поверхности, а следовательно и емкости датчика;
- использование микропористого вспененного пластика в качестве межсеточного изолятора емкостные характеристики датчика снижает несущественно.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков устройства прототипа, в первую очередь - повышение точности измерений за счет уменьшения чувствительности датчика к электромагнитному импульсу взрыва посредством снижения емкостных характеристик, а также снижение стоимости.
Решение задачи достигается тем, что в известном контактном датчике для регистрации осколков при взрыве осколочного снаряда, содержащем разделенные слоем изоляционного материала замыкаемые проводящие элементы, по крайней мере один из которых - фронтальный - выполнен в виде сетки, в соответствии с изобретением в качестве фронтального проводящего элемента используется сетка с прямоугольными ячейками, максимальный и минимальный размеры которых не превышают, соответственно максимального и минимального размеров регистрируемого осколка, а в качестве изоляционного материала используется пространственная сотовая конструкция из плоских элементов, толщина которых не превышает величины диаметра проволоки сетки, вспененный полимерный материал с крупнопористой структурой, или воздушно-пузырьковая (пузырчатая) пленка, при этом толщина слоя изоляционного материала не превышает минимального размера регистрируемого осколка.
Указанные отличительные признаки предлагаемого решения, направленные на уменьшение емкостных характеристик датчика, могут быть пояснены следующим образом.
В общем случае емкость С плоского конденсатора с пластинчатыми обкладками определяется зависимостью:
0
-12
ε=8,85⋅10 - электрическая постоянная, Ф/м;
a
0
r
ε=ε⋅ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м;
r
ε - относительная диэлектрическая проницаемость;
2
S - площадь обкладок конденсатора, м;
h - расстояние (зазор) между пластинами конденсатора, м.
Для емкостной системы, содержащей сетчатые электроды, данная зависимость может быть представлена в виде:
k<1 - некий коэффициент, учитывающий «сетчатую» поверхность обкладок.
Для обеспечения минимального влияния наводок от электромагнитного импульса, сопутствующего взрыву испытываемого боеприпаса, датчик, входящий в измерительную систему, соответственно должен иметь минимальную емкость.
r
Из вышеприведенных зависимостей (1, 2) следует, что для обеспечения этого условия необходимо, чтобы входящие в них величины S и εбыли минимальными, a h - максимальной.
Однако, ориентация регистрируемого осколка при взаимодействии с замыкаемыми проводящими элементами датчика непредсказуема, поэтому исходя из наиболее неблагоприятного случая, для обеспечения надежного замыкания необходимо, чтобы расстояние h между ними не превышало минимального размера регистрируемого осколка.
Величина площади поверхности S фронтального сетчатого проводящего элемента, влияющей на его емкостные характеристики, в итоге определяется количеством проволок сетки приходящихся на общую поверхность датчика. Например, при использовании тканой сетки, -образованной перекрестным переплетением проволок основы (проходящих вдоль полотна сетки) с проволоками утка (проходящими поперек полотна сетки) в первом приближении величину S можно определить как:
d - диаметр проволоки, м;
- суммарная длина проволок основы, м;
- суммарная длина проволок утка, м.
В случае сетки с прямоугольными ячейками суммабудет меньшей, чем у сетки с квадратными ячейками, а следовательно в данном случае будет меньше и поверхность S, определяющая емкость датчика. А для обеспечения надежного начального электрического контакта регистрируемого осколка с ячейкой сетки, опять-таки из условий наиболее неблагоприятного случая его ориентации, необходимо, чтобы максимальный и минимальный размеры ячейки не превышали, соответственно максимального и минимального размеров регистрируемого осколка.
При использовании в качестве изоляционного материала между проводящими элементами датчика пространственной сотовой конструкции из плоских элементов, его эквивалентная емкостная схема близка к схеме параллельного включения конденсаторов с различными однородными диэлектриками. Эквивалентная диэлектрическая проницаемость  в данном случае определяется по зависимости:
1
r1
у и ε - доля объемного содержания и относительная диэлектрическая проницаемость материала стенок сотовой конструкции;
2
r2
у и ε - доля объемного содержания и относительная диэлектрическая проницаемость воздуха, находящегося в сотовом пространстве.
r2
1
Величина ε≈1, поэтому исходя из совместного условия минимальности величины  и прочностных характеристик стенок сот, величина у также должна быть минимальной, а толщина их должна быть соизмерима (без превышения) с величиной диаметра проволоки сетки.
При использовании в качестве изоляционного материала между проводящими элементами датчика вспененного полимерного материала с крупнопористой структурой эквивалентная диэлектрическая проницаемость  определяется по зависимости:
откуда
T
Т
3
ε и ρ - относительная диэлектрическая проницаемость и плотность (кг/м) вещества-изолятора в твердом состоянии;
*
*
3
ε и ρ - относительная диэлектрическая проницаемость и плотность (кг/м) вещества-изолятора во вспененном состоянии.
*
Из зависимости (5) следует, что минимальная величина  будет обеспечена при минимальной величине ρ, что обеспечивается крупнопористой структурой вспененного полимерного материала.
Наконец, при использовании в качестве изоляционного материала между проводящими элементами датчика воздушно-пузырьковой (пузырчатой) пленки эквивалентная емкостная схема близка к схеме последовательного включения двух конденсаторов с различными однородными диэлектриками. Эквивалентная диэлектрическая проницаемость  в данном случае определяется по зависимости:
1
2
откуда следует, что минимальная величина  обеспечивается при минимальной величине у и соответственно максимальной у, т.е при минимальной толщине пленки и максимальном суммарном объеме воздушных полостей, - как непосредственно в пузырьках, так и в межэлектродном зазоре.
Таким образом, основными отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:
- использование в качестве фронтального проводящего элемента сетки с прямоугольными ячейками, максимальный и минимальный размеры которых не превышают, соответственно максимального и минимального размеров регистрируемого осколка;
- варианты использования в качестве изоляционного материала:
- пространственной сотовой конструкция из плоских элементов, толщина которых не превышает величины диаметра проволоки сетки;
- вспененного полимерного материал с крупнопористой структурой;
- воздушно-пузырьковой (пузырчатой) пленки,
при толщине слоя изоляционного материала не превышающей минимального размера регистрируемого осколка.
Сетку, т.е. фронтальный проводящий элемент датчика, целесообразно выполнять из материала с относительно невысокой прочностью - меди, латуни, алюминия и т.п. Это позволит снизить эффект торможения осколка при пробитии сетки и некоторой потери при этом его скорости.
Второй (тыльный) контактный элемент датчика может быть выполнен из фольги, расположенной на прочном жестком основании, или же непосредственно представлять собой пластину необходимого размера из дешевой листовой стали, типа Ст.3…Ст.5, что позволит во-первых обеспечить прочностные характеристики датчика, а во-вторых удешевить конструкцию.
В качестве изоляционного материала, размещаемого между проводящими элементами датчика, для пространственной сотовой конструкции может быть использован, например, полистирол или поликарбонат, а для изготовления изолятора со вспененной крупнопористой структурой или воздушно-пузырьковой пленки - полиэтилен высокого давления. В частности может быть использована воздушно-пузырьковая (пузырчатая) пленка (двухслойная) по ТУ 22.22.19-001-78043335-2017.
В изобретение иллюстрируется следующей графической информацией:
На фиг. 1 приведена схема контактного датчика с изолятором в виде пространственной сотовой конструкции из плоских элементов;
На фиг. 2 - с изолятором из вспененного полимерного материала с крупнопористой структурой;
На фиг. 3 - с изолятором из воздушно-пузырьковой (пузырчатой) пленки.
a
Фронтальный проводящий элемент датчика 1 (фиг. 1…3) представляет собой сетку с прямоугольными ячейками, выполненную из проволоки диаметра d. Максимальный b и минимальный  размеры ячеек не превышают, соответственно максимального и минимального размеров регистрируемого осколка. Второй или тыльный проводящий элемент датчика 2, для упрощения изготовления и обеспечении геометрических и прочностных характеристик при возможном нагружении ударной волной до прилета регистрируемого осколка выполнен из сплошной металлической пластины. Проводящие элементы датчика разделены слоем изоляционного материала 3, толщина которого h не превышает минимального размера регистрируемого осколка; в случае использования в конструкции датчика воздушно-пузырьковой пленки (фиг. 3), h - высота пузырька 4.
Работа контактного датчика осуществляется следующим образом.
Необходимое для осуществления измерений количество датчиков размещается на возрастающем удалении от поверхности боеприпаса со смещением по углу для предотвращения взаимной экранировки.
Одновременно с подачей инициирующего импульса на капсюль-детонатор, возбуждающий взрыв заряда ВВ боеприпаса, осуществляется запуск всех датчиков, т.е. подключение их к приборам измерительной системы по индивидуальным линиям.
При взрыве боеприпаса происходит дробление его корпуса на разлетающиеся с высокой скоростью осколки, а также генерируется мощный электромагнитный импульс, регистрируемый всеми датчиками практически одновременно, однако, вследствие малой емкости датчиков, влияние его на измерительную систему будет незначительным, что повысит точность измерений.
Достигнувший датчика отдельный осколок пробивает сетку 1, изоляционный материал 2 и касается тыльного проводящего элемента 3, вследствие чего происходит замыкание электрической цепи: - «фронтальный проводящий элемент (сетка) - осколок - тыльный проводящий элемент (электропроводная пластина)», т.е. срабатывание датчика, регистрируемое приборами измерительной системы.
Вследствие того, что фронтальный проводящий элемент датчика выполнен в виде сетки, контактная способность датчика не нарушается, и он, при достаточно развитой фронтальной поверхности, может среагировать и на параллельно летящие осколки, что наряду с повышением точности измерений позволит произвести оценку и геометрических характеристик осколочного поля в радиусе расположения датчика.
По зарегистрированным временам срабатывания отдельных датчиков и известным расстояниям между отдельными датчиками, а также и от корпуса боеприпаса до первого, ближайшего к нему датчика, определяются средние скорости разлета осколков.
Как непосредственно измерения, так и их математическая обработка могут осуществляться с применением современных программно-аппаратных средств, что позволит обеспечить измерения со снижением трудозатрат и одновременным повышением точности измерений, с целью использования автоматизированных систем сбора и обработки информации о характеристиках осколочного поля на начальном этапе разлета.
Источники информации, принятые во внимание при описании заявки:
1) Патент РФ №2455538, F41J 5/044, Контактный датчик для регистрации момента подлета осколка при взрыве осколочного снаряда, 2012 г.
2) Патент РФ №2455539, F41J 5/044, Контактный датчик для регистрации момента подлета поражающего элемента при взрыве осколочного боеприпаса, 2012 г.
3) Патент США №4240640, F41J 5/04, Projectile penetration responsive electrically shorting target, 1980 г. - прототип.