Устройство для установки метаемого тела при определении импульса взрыва заряда взрывчатого вещества/боеприпаса в ближней зоне
DEVICE FOR INSTALLING A PROJECTILE WHEN DETERMINING THE EXPLOSION PULSE OF AN EXPLOSIVE CHARGE/MUNITION 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 ближней зоне от поражаемого объекта (мишени), при расстоянии от боеприпаса\заряда до мишени не превышающем 10 калибров, когда мишень подвергается совокупному последовательному воздействию фрагментов корпуса\оболочки, ударной волны (УВ), и газообразных продуктов взрыва.
Известно устройство для определения характеристик заряда ВВ/боеприпаса посредством взрывного нагружения массивного тела и последующего измерения приобретаемого им импульса /1/, реализующее способ, при котором импульс определяется по скорости, приобретаемой стальной плитой, находящейся в условиях свободного падения.
Устройство состоит из установленных на испытательной площадке опорных конструкций (мачт) между которыми натянута растяжка. На растяжку на заданной высоте на тросе подвешивается метаемое тело - бронеплита. Для обеспечения свободного падения бронеплиты служит взрывное устройство типа кольцевого кумулятивного заряда, перерубающее трос в заданный момент времени, синхронизированный с моментом взрыва испытываемого заряда.
Использование подобных устройств позволяет устранить влияние сил трения, и сопутствующих им потерь энергии, на принудительное перемещение метаемого тела под воздействием поражающих факторов взрыва, что наблюдается при проведении испытаний с использованием «традиционных», перемещаемых по горизонтальной поверхности массивных салазок, или баллистических маятников /2/. Однако данное устройство не лишено ряда недостатков:
- большая металлоемкость, вызванная потребностью в двух мачтовых опорных конструкциях;
- потребность в дополнительных грузоподъемных устройствах для подвешивания метаемого тела на заданной высоте;
- вследствие вышеуказанного - высокие материальные затраты на изготовление и эксплуатацию;
- незащищенность устройства от воздействия ветровых нагрузок и возможного раскачивания исходно подвешенного метаемого тела при подготовке к испытаниям;
- в силу вышеотмеченного - повышенная опасность и возможность отказа пиротехнического устройства, ответственного за перерубание троса подвески метаемого тела, т.к. под действием ветровой нагрузки возможно одновременное колебательное движение и обрыв проводов взрывной линии от источника инициирования к пиротехническому устройству.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство /3/, содержащее опорную конструкцию, состоящую из закрепленной на вертикальной опоре горизонтальной полки для размещения на ней метаемого тела (или совокупности метаемых тел), подвергаемого воздействию поражающих факторов взрыва.
Принцип действия устройства базируется на измерении перемещения 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.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанного недостатка устройства прототипа, в первую очередь - устранение влияния на перемещение подвергнутого взрывному нагружению массивного тела сил трения, сопутствующих им потерь энергии, с обеспечением возможности взрывного нагружения метаемого тела, находящегося в условиях свободного падения.
Решение задачи достигается тем, что в известном устройстве установки метаемого тела при определения импульса взрыва заряда взрывчатого вещества/боеприпаса (ВВ) в ближней зоне, содержащем опорную конструкцию, состоящую из закрепленной на вертикальной стойке горизонтальной полки для размещения на ней метаемого тела, подвергаемого воздействию поражающих факторов взрыва, в соответствии с изобретением между горизонтальной полкой и вертикальной стойкой установлен упругий обратимо деформируемый элемент, например, пружина сжатия.
Упругий обратимо деформируемый элемент, в частности пружина сжатия, в данном устройстве служит источником энергии для приведения метаемого тела в состояние свободного падения, и устранения его механического контакта с горизонтальной полкой.
Сущность изобретения может быть пояснена следующим образом.
ПР
П.
1
1
Пусть в качестве упругого обратимо деформируемого элемента в устройстве имеется вертикально установленная пружина сжатия исходной длины Lo с жесткостью k и массой m, с размещенной на верхнем торце пружины горизонтальной полкой массой mДеформацию пружины под весом полки будем считать пренебрежимо малой. При установке же на нее метаемого тела массой М пружина сожмется на некоторую величину x (до длины L), определяемую из зависимости
2
где g - ускорение силы тяжести, 9,81 м/с.
Будет соблюдаться условие равновесия без движения.
1
П
Если же пружину перед установкой метаемого тела предварительно сжать на некоторую величину х относительно равновесной длины L усилием F, превышающим суммарный вес полки и метаемого тела (М+m)⋅g, зафиксировать в этом положении, установить на полку метаемое тело, а затем дать возможность действия возвращающей силы k⋅x (расфиксировать), то получим по сути пружинный маятник. Система «пружина-полка-метаемое тело» придет в колебательное движение /4/.
В фиксированном, сжатом относительно равновесной длины, состоянии пружина будет обладать потенциальной энергией
р
k
При снятии с пружины фиксации и последующей ее обратной деформации, потенциальная энергия Е к моменту возврата пружины в исходное равновесное состояние преобразуется в кинетическую энергию компонентов системы «пружина-полка-метаемое тело» E, т.е.
где V - скорость, приобретенная компонентами системы, м/с.
С этого момента времени витки пружины с закрепленной на ее верхнем торце полкой продолжат колебательное движение с замедлением, вызванным как возвращающей силой, появляющейся при сопутствующем растяжении пружины, так и силой тяжести. А механически не связанное с полкой метаемое тело с приобретенной скоростью V продолжит движение по вертикали в поле силы тяжести, в определенный момент времени его кинетическая энергия преобразуется в потенциальную, соответствующую максимальной высоте подъема h, относительно положения равновесного состояния поверхности торца пружины:
Тогда, с учетом (3)
что при прочих заданных параметрах позволяет определить или максимальную высоту подъема метаемого тела:
или необходимый коэффициент жесткости пружины, обеспечивающий «выброс» метаемого тела заданной массы М на заданную высоту h:
До момента возврата пружины в равновесное состояние, и последующего отрыва от поверхности полки метаемого тела, система работает как пружинный маятник, с периодом колебаний Т, определяемым зависимостью:
1
Тогда, т.к. данный процесс осуществляется в промежутке времени, составляющем четверть периода колебаний исходной системы, время t от «расфиксации» пружины до момента метания тела составит
2
В верхней точке подъема метаемого тела на высоте h относительно состояния равновесия скорость его равна нулю, тогда исходя из законов вертикального движения тела в поле силы тяжести, время t от момента метания до достижения максимальной высоты определится как
И, соответственно, суммарное время t от момента расфиксации пружины до достижения метаемым телом максимальной высоты подъема составит
При необходимости получения в устройстве большой жесткости можно использовать несколько параллельных пружин одинаковой длины, например установленных в ряд/порядно или коаксиальных разного диаметра. Тогда суммарная жесткость k будет определяться как
где n - количество используемых пружин;
i
k - жесткость i-ой пружины, Н/м.
Кроме пружин сжатия в устройстве в качестве упруго деформируемого элемента также могут использоваться различные пневматические и резиновые конструкции, их комбинации и т.п.
Для пояснения вышеприведенных математических выкладок и работы устройства изобретение дополнено следующей графической информацией:
На фиг. 1 в качестве примера представлен вариант возможной схемы выполнения устройства.
На фиг. 2 - устройство с установленным метаемым телом в равновесном состоянии.
На фиг. 3 - устройство с установленным метаемым телом перед проведением испытаний, с предварительно сжатой и зафиксированной в данном состоянии пружиной.
На фиг. 4 - устройство при проведении испытаний, на момент начала взрывного нагружения метаемого тела.
Для упрощения изображения измерительная и съемочная аппаратура, взрывные магистрали и средства инициирования для подрыва зарядов на иллюстрациях не показаны.
Тонкими штрихпунктирными линиями с двумя точками на иллюстрациях показаны соответствующие промежуточные положения верхнего торца пружины (по нижней поверхности полки), метаемого тела, заряда ВВ.
П
ПР
Устройство (фиг. 1) содержит вертикальную стойку 1, горизонтальную полку 2 (массой m) и установленный между ними обратимо деформируемый элемент - пружину сжатия 3 (исходной длины Lo, жесткостью k и массой m).
1
1
В равновесном состоянии при установке на полку 2 метаемого тела 4 (фиг. 2) пружина 3 сжата на некоторую величину x до длины L.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
1
Перед проведением испытаний определяется длина пружины L, поджатой в состоянии равновесия конкретным метаемым телом массой М.
1
Затем метаемое тело с пружины снимается, пружина 3 предварительно сжимается на некоторую величину х относительно равновесной длины Lусилием, превышающим суммарный вес полки 2 и метаемого тела 4, и фиксируется натяжным элементом 5, легко разрушаемым при проведении испытаний посредством маломощного взрывного устройства 6. Величина деформации пружины х замеряется. Метаемое тело 4 снова устанавливается на полку 2 (фиг. 3) так, чтобы вектор силы тяжести M⋅g совпадал с направлением вертикальной оси симметрии пружины 3.
Усилие сжатия пружины при этом может быть обеспечено временно устанавливаемым на полку грузом с заданным весом. В качестве натяжного фиксирующего элемента может использоваться отрезок троса заданной длины с петлями на концах, а его разрушение осуществляться электродетонатором типа ЭД-8.
С использованием зависимостей (3), (6) и (11) вычисляются скорость V вертикального метания тела 4, высота h его максимального подъема относительно состояния равновесия и время t подъема на эту высоту
Испытываемый заряд ВВ 7 устанавливается на собственной опоре 8 на расчетной высоте h с расположением центра тяжести заряда на заданном расстоянии R от поверхности метаемого тела 4, находящегося в процессе планируемого вертикального перемещения (фиг. 3, 4).
1
В стартовый (нулевой) момент времени маломощным взрывным устройством 6 осуществляется разрушение фиксирующего пружину 3 элемента 5, через промежуток времени t (9) осуществляется вертикальное метание тела 4 с отрывом его от поверхности полки, а в момент времени t (11) оно достигает максимальной высоты подъема h.
Г
Под действием поражающих факторов взрыва заряда ВВ 7 тело 4, находящееся в свободном падении, кроме горизонтальной составляющей скорости V, может также приобрести и некоторую совокупность вращательных движений относительно осей координат X, Y, Z, связанной с его центром масс. То есть приобрести суммарную энергию, включающую наряду с кинетической энергией движения соответствующие компоненты энергии вращательного движения:
∑
где Е - суммарная энергия, приобретаемая телом вследствие взрывного воздействия, Дж;
Г
V - горизонтальная составляющая скорости, приобретаемая метаемым телом от взрывного воздействия, м/с;
X
Y
Z
2
J, J, J - моменты инерции тела относительно соответствующих осей X, Y, Z, кг⋅м;
X
Y
Z
-1
ω, ω, ω - угловые скорости вращения тела относительно осей X, Y, Z, c.
Г
Наиболее оптимальным условием взрывного воздействия будет такое, в результате которого метаемое тело приобретет только горизонтальную составляющую скорости V и будет перемещаться, вплоть до падения на землю, без вращательных составляющих движения. Это наиболее выгодно исходя из условий наблюдения за процессом приобретения телом импульса, видеофиксации его перемещения, и последующей обработки результатов испытаний.
Если рассматривать упрощенный случай точечного взрыва заряда ВВ, и сопутствующих ему сферических фронтов распространения поражающих факторов, то вышеуказанное взрывное воздействие возможно при условии расположения центра распространения поражающих факторов взрыва заряда в момент достижения ими поверхности метаемого тела и геометрического центра поверхности тела, подвергаемой взрывному воздействию, на одной оси - Y в системе координат (фиг. 4) связанной с центром масс метаемого тела.
Для обеспечения указанного условия взрыв заряда ВВ 7 при работе устройства целесообразно осуществлять в момент времени t', определяемый зависимостью:
где R - расстояние между центром масс заряда ВВ/боеприпаса (точкой взрыва) и поверхностью метаемого тела, м;
U - скорость распространения поражающих факторов взрыва (фрагменты оболочки заряда ВВ/боеприпаса, ударная воздушная волна, - по результатам многочисленных экспериментов составляет порядка 1800…2000 м/с), м/с.
В этом случае при использовании метаемого тела 4 с осесимметричной формой нагружаемой поверхности и относительно малой ее площадью, соизмеримой с площадью миделевого сечения заряда 7 в плоскости XZ, приобретение телом под действием взрывного нагружения вращательных импульсов маловероятно.
X
Y
Z
Тем не менее, предварительное нанесение на все поверхности метаемого тела разметки контрастных цветов, с заданной геометрической формой и размерами отдельных элементов, при приобретении им вращательных импульсов, возможные угловые скорости ω, ω, ωвращения тела относительно осей X, Y, Z позволит определить по результатам видеосъемки.
у
Г
y
н
у
н
При подрыве испытуемого заряда ВВ/боеприпаса 7, в соответствии с временным условием подрыва, метаемое тело 4, находящееся в свободном падении, нагружается совокупностью поражающих факторов взрыва - фрагментами оболочки, ударной волной и давлением продуктов взрыва, вследствие чего сначала приобретает некоторое ускорение а, а по завершению воздействия вышеуказанных факторов - постоянную горизонтальную скорость V=at (здесь а - усредненное значение ускорения, t - время воздействия взрывного нагружения).
Для определения приобретенного бронеплитой импульса ее перемещение отслеживается комплектом регистрирующей высокоскоростной фотоаппаратуры одновременно в двух направлениях, в принятой системе координат по осям Y и Z.
Таким образом, использование предложенного устройства позволяет устранить влияние на перемещение подвергнутого взрывному нагружению метаемого тела сил трения, сопутствующих им потерь энергии, с обеспечением возможности взрывного нагружения метаемого тела, находящегося в условиях свободного падения. Одновременно устройство позволяет определить все составляющие импульсных нагрузок от испытуемого заряда ВВ/боеприпаса, т.е. обеспечивает возможность проведения испытаний и определения характеристик зарядов ВВ и различных боеприпасов большой массы, с ускорением процесса обработки результатов и повышением степени точности измерений.
Как непосредственно измерения, так и их математическая обработка могут осуществляться с применением современных программно-аппаратных средств. Одновременно с повышением точности измерений и снижением трудозатрат это является предпосылкой создания и совершенствования автоматизированных систем сбора и обработки информации при испытательных работах.
Источники информации:
1) Патент РФ №2681721, F42B 35/00, Способ определения импульса взрыва заряда взрывчатого вещества/боеприпаса в ближней зоне, 2019 г.
2) М. Held, Blast Load Diagnostic, Propellants Explos. Pyrotech. 2009, 34, 194-209.
3) Патент CN №105606650A, G01N 25/54, Method for testing cylindrical charging near-field energy distribution character, 2016 - прототип.
4) Джанколи Д. Физика: В 2-х т. Т. 1: пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 656 с., ил.