Устройство для определения импульса взрыва заряда взрывчатого вещества/боеприпаса в ближней зоне
DEVICE FOR DETERMINING THE PULSE OF EXPLOSION OF AN EXPLOSIVE CHARGE/AMMUNITION IN THE NEAR ZONE

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, конкретно к устройствам для измерения характеристик взрыва боеприпаса или заряда взрывчатого вещества (ВВ), в так называемой ближней зоне от поражаемого объекта (мишени), когда расстояние от боеприпаса/заряда до мишени не превышает 10 калибров, и мишень подвергается совокупному воздействию газообразных продуктов взрыва, фрагментов (корпуса/оболочки) и ударной волны (УВ).
Известно устройство для измерения импульса взрыва в ближней зоне III, содержащее опорную конструкцию, состоящую из полки с горизонтальной поверхностью и вертикальной стойки/стоек для ее крепления и размещенное на полке метаемое тело (или совокупность метаемых тел).
Принцип его действия базируется на перемещении тела известной массы с заданной поверхностью, подвергаемого воздействию поражающих факторов взрыва (в частности УВ), - исходя из известной массы тела и измеренной величины его перемещения под действием взрыва из исходной позиции, расчетным путем определяют соответственно импульс и давление на фронте УВ.
В данном устройстве в качестве метаемых тел используются призмы, ориентированные по отношению к заряду ВВ боковыми гранями, причем боковые ребра призм имеют меньшую длину, чем стороны их оснований. Таким образом, нагружаемой поверхностью метаемого тела, подвергаемой воздействию поражающих факторов взрыва заряда (газообразных продуктов взрыва, фрагментов корпуса/оболочки и УВ) является его боковая грань.
Недостатком устройства является то, что до приведения метаемого тела в состояние свободного движения под действием поражающих факторов взрыва, оно до схода с поверхности полки подвергается воздействию противоположно направленной силы трения. Часть энергии взрыва при этом расходуется на преодоление силы трения между метаемым телом и поверхностью полки, что снижает точность получаемых результатов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство /2/, также содержащее опорную конструкцию, состоящую из полки с горизонтальной поверхностью и вертикальной стойки для ее крепления с размещенным на ней метаемым телом, подвергаемым воздействию поражающих факторов взрыва. Здесь используются метаемые тела цилиндрической формы, ориентированные к точке взрыва боковой поверхностью цилиндра, и предполагается их плоскопараллельное перемещение.
Под действием УВ в начале движения по горизонтальной поверхности полки они приобретают вращательное движение относительно продольных осей, трение скольжения заменяется на трение качения, благодаря чему энергозатраты на преодоление сил трения в системе «метаемое тело - полка» существенно снижаются.
Однако при этом одновременно некоторая не учитываемая часть энергии/импульса взрыва расходуется на приобретение телом вращательного движения. А при последующем перемещении вращающегося цилиндра в воздушной среде будет проявляться эффект Магнуса - физическое явление, возникающее при обтекании вращающегося тела потоком жидкости или газа. Образуется сила, воздействующая на тело и направленная перпендикулярно направлению потока, в данном случае - перпендикулярно направлению линейного перемещения метаемого цилиндра, что приводит к снижению точности измерений, и, как следствие, последующих расчетов.
Кроме того высокой точности измерений не позволяет достичь и предполагаемое средство измерений линейных перемещений метаемых элементов - рулетка.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков устройства прототипа, в первую очередь - повышение точности измерений, а также обеспечение возможности использования автоматизированных систем сбора и обработки информации.
Решение задачи достигается тем, что в известном устройстве для определения импульса взрыва заряда ВВ/боеприпаса в ближней зоне, содержащем опорную конструкцию, состоящую из полки с горизонтальной поверхностью и вертикальной стойки для ее крепления с размещенным на ней метаемым телом, подвергаемым воздействию поражающих факторов взрыва, в соответствии с изобретением стойка выполнена с центральным сквозным каналом, полка - со сквозным отверстием, сообщающимся с каналом стойки, метаемое тело выполнено в форме сферы, при этом устройство дополнительно содержит источник воздуха/газа высокого давления, соединенный пневмомагистралью с каналом стойки.
Таким образом, основными отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:
- выполнение стойки с центральным сквозным каналом;
- выполнение полки со сквозным отверстием, сообщающимся с каналом стойки;
- выполнение метаемого тела в форме сферы;
- наличие в конструкции дополнительно источника воздуха/газа высокого давления, соединенного пневмомагистралью с каналом стойки.
Сферическая форма метаемого тела, размещаемого при определении импульса взрыва заряда на горизонтальной полке, благодаря наличию отверстия в полке, сообщающегося с каналом в стойке, соединенным в свою очередь по пневмомагистрали с источником высокого давления, позволяет непосредственно перед подрывом привести метаемое тело струей воздуха/газа в левитирующее (подвешенное) состояние относительно полки. Таким образом, механический контакт и соответственно трение между метаемым телом и полкой устраняются, и энергия взрыва практически полностью будет расходоваться на метание тела.
В качестве примера изобретение иллюстрируется графической информацией:
На фиг. 1 схематически показан пример выполнения устройства с предварительным размещением на полке опорной конструкции сферического метаемого тела.
На фиг. 2 - устройство с левитирующим метаемым телом непосредственно перед подрывом заряда ВВ.
На фиг. 3 - пример размещения нескольких устройств на различных измерительных лучах испытательной площадки.
Для упрощений изображений комплект управляющей и регистрирующей аппаратуры, а также соответствующие линии связи и инженерных коммуникаций на иллюстрациях не показаны.
Устройство для определения импульса взрыва заряда ВВ/боеприпаса в ближней зоне (фиг. 1, 2) содержит опорную конструкцию, состоящую из полки 1 с горизонтальной поверхностью и вертикальной стойки 2 для ее крепления и размещенное на полке сферическое метаемое тело 3, подлежащее воздействию поражающих факторов взрыва. Стойка выполнена с центральным сквозным каналом 4, полка - со сквозным отверстием 5, сообщающимся с каналом стойки, источник воздуха/газа высокого давления 6 соединен пневмомагистралью 7 с каналом стойки через запорно-регулирующий клапан 8.
Заряд ВВ/боеприпас 9 установлен на индивидуальной опорной стойке 10; R - расстояние между центрами масс заряда и метаемого тела, Н - высота центра масс заряда относительно земной поверхности, h - требуемая высота подъема центра массы метаемого тела перед подрывом заряда ВВ/боеприпаса.
Работа устройства происходит следующим образом (фиг. 1). На полке опорной конструкции 1, закрепленной на стойке 2 размещают подвергаемое воздействию поражающих факторов взрыва метаемое тело 3 таким образом, чтобы оно перекрыло отверстие в полке 5.
Испытуемый заряд ВВ/боеприпас 9 устанавливают на собственной подставке 10 с обеспечением заданного расстоянии R между центрами масс заряда и метаемого тела.
Перед подрывом заряда ВВ/боеприпаса 9 необходимо, чтобы его центр масс и центр масс метаемого тела 3 располагались в одной горизонтальной плоскости, т.е. на одинаковой высоте Н от земной поверхности (фиг. 2). Так как центр масс метаемого тела 3 исходно расположен ниже центра масс заряда 9 на некоторую величину h, перед подрывом заряда от источника высокого давления 6 через запорно-регулирующий клапан 8 осуществляют подачу воздуха/газа в пневмомагистраль 7, далее в сквозной канал 4 стойки 2 и по нему - в сопряженное с ним отверстие 5 опоры 1, выход из которого предварительно перекрыт метаемым телом. Под действием струи газа высокого давления на нижнюю поверхность метаемого тела 3 оно сначала приподнимается, открывая выход газовой струе из отверстия 5 в опоре 1, а затем начинает устойчиво левитировать в струе, в соответствии с законом Бернулли /3/.
В обтекающей метаемое тело струе скорость воздуха больше, а давление меньше, чем в окружающем неподвижном воздухе. В итоге на сферическое метаемое тело с боков действуют силы, которые удерживают его в струе, а снизу - аэродинамическое давление, которое уравновешивает силу тяжести.
Таким образом, при условии устойчивой левитации над опорой 1 вес метаемого тела 3 компенсируется динамическим напором газовой струи, истекающей из отверстия 5, т.е. выполняется равенство:
где М - масса метаемого тела, кг;
2
g - ускорение силы тяжести, 9,81 м/с;
х
С - коэффициент аэродинамического сопротивления;
2
S - площадь миделевого сечения метаемого тела, м;
3
ρ - плотность газа, кг/м;
V - скорость газовой струи, м/с.
Из данной зависимости следует, что при прочих неизменных условиях соблюдение вышеприведенного равенства в первую очередь зависит от скорости газовой струи V, истекающей из отверстия 5.
Поэтому для увеличения динамического напора необходимо локально увеличить скорость газовой струи V, для чего сопряжение канала 4 стойки 2 с отверстием 5 в полке 1 целесообразно выполнить в виде сопла Лаваля.
Требуемая необходимая высота левитации h метаемого тела 3 непосредственно перед взрывом определяется соотношением диаметров отверстия 5 и метаемого тела 3, а также скоростью газовой струи V. Для конкретных массогабаритных характеристик метаемого тела высота левитации h устанавливается регулировкой расхода газа, например посредством запорно-регулирующего клапана 8.
В качестве источника воздуха/газа высокого давления 6 может быть использован компрессор или пороховой аккумулятор давления (ПАД).
Для осуществления более точных измерений при испытаниях заряда ВВ/боеприпаса одновременно могут использоваться несколько устройств, с размещением одинаковых метаемых тел на различных расстояниях от заряда, например R±AR (фиг. 3) или с разными массогабаритными характеристиками, размещаемыми на одинаковых расстояниях, но на разных измерительных лучах испытательной площадки.
При подрыве заряда 9 левитирующее над полкой 1 на относительной высоте h метаемое тело 3 под воздействием поражающих факторов взрыва «выбивается» из газовой струи, приобретает горизонтальную скорость и сходит с полки 1 без трения.
Фиксация перемещения метаемого тела может осуществляться посредством типовой высокоскоростной съемочной аппаратуры от момента подрыва заряда до момента падения метаемого тела на поверхность испытательной площадки. По получаемой кинограмме определяется распознавание характера перемещения каждого метаемого тела, и в итоге -определение приобретенной им скорости и результирующего импульса. Причем, по характеру траектории перемещения метаемого тела (кинограмме) дополнительно можно определить, в случае наличия, приобретаемого телом наряду с поступательным, вращательного компонента импульса по сопутствующего ему отклонению траектории от прямолинейной (в проекции на горизонтальную поверхность) на искривленную под действием кориолисовой силы. При известных массогабаритных характеристиках метаемого тела в этом случае аналитически может быть определена как сама кориолисова сила, так и величина вращательного компонента приобретаемого им импульса. А затем, путем соответствующего перерасчета, - величина гипотетически максимально возможного импульса поступательного перемещения.
Для получения более точных результатов съемку можно осуществлять одновременно с нескольких ракурсов, например с горизонтального и вертикального.
Процесс съемки может осуществляться в автоматическом режиме, анализ и обработка полученных кинограмм, определение по их результатам путем математической обработки импульса и давления УВ могут осуществляться также автоматически, с применением современных программно-аппаратных средств. Это позволит повысить точность измерений, существенно уменьшить трудозатраты, и обеспечит возможность использования автоматизированных систем сбора и обработки информации.
Источники информации, принятые во внимание при описании заявки:
1) Патент CN №105606650А, G01N 25/54, Method for testing cylindrical charging near-field energy distribution character, 2016.
2) M. Held, Blast Load Diagnostic, Propellants Explos. Pyrotech. 2009, 34, 194 - 209 - прототип.
3) Теннисный шарик в воздушной струе/Tennis ball in the air jet, - https://www.youtube.com/watch?v=uBQjeqTWXys.