Стеснение каверны от кумулятивной струи в преграде с краевыми экранами

| Космическая техника и ракетостроение |

УДК 662.215.25

В. Д. Головатенко, А. В. Головатенко

Стеснение каверны от кумулятивной струи в преграде с краевыми экранами

Предложен и экспериментально подтвержден акустический метод торможения и останова продвижения кумулятивной струи в преграде путем выполнения в ней акустической щели на противоположной стороне от установленного профилированного линейного кумулятивного заряда (ЛКЗ). Определен диапазон давлений, создаваемых ЛКЗ с профилированной выемкой, дана оценка длины гидродинамической волны процесса пенетрации.

Ключевые слова: акустика, волна, закрепление, каверна, лидер кумулятивной струи, кумулятивный ударник, недорез, останов продвижения, преграда, реакция экрана (проставки), фокус.

В работе рассмотрено разрушение преграды кумулятивной струей (КС), которая образуется при подрыве линейного кумулятивного заряда (ЛКЗ), имеющего профилированную выемку. Ранее было выявлено, что скорость разрушения преграды ниже скорости детонации использованного взрывчатого вещества и скорости перемещения волны напряжения, характерного для металла преграды [1]. Это позволило применить к анализу разрушения преграды КС теорию взаимодействия ударных волн с твердыми телами [2, 3], используемую при обработке металлов взрывом.

Процесс формирования КС после подрыва профилированного заряда глубоко исследован теоретически и экспериментально (работы ТулГУ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, РФЯЦ-ВНИИЭФ), однако процесс разрушения, протекающий непосредственно в массиве преграды, представлен только гидродинамической теорией Покровского -Биркгоффа и ее модификациями. Это связано со сложностью регистрации параметров процесса разрушения преграды, протекающего при сверхвысоких значениях давления, температуры и в короткий промежуток времени.

Целью работы было определение параметров процесса разрушения преграды посредством измерения в ней недорезов, полученных в результате торможения и останова КС с помощью воздействия на нее волны напряжений, отраженной от проставок (экранов).

Метод управления продвижением КС в преграде основан на использовании воздействия на преграду отраженной ударной волны, полученной в результате установки в кон© Головатенко В. Д., Головатенко А. В., 2016

струкции на пути продвижения ударной волны проставок (экранов) и (или) создания в преграде акустической щели. Были исследованы процессы, протекающие в преграде в момент воздействия на нее КС, посредством определения характеристик ударных волн (прямой и отраженной), найдены значения давления, при которых протекает процесс, и длина волны колебания КС при прохождении ею преграды.

В качестве экспериментального объекта были использованы пустотелые цилиндрические оболочки (корпуса), установленные раздельно или соединенные между собой последовательно, причем между стыками оболочек устанавливались проставки (экраны), изготовленные из металла, отличающегося от сплава оболочек. В одном из соединенных корпусов устанавливался ЛКЗ, изготовленный из профилированной медной трубки, заполненной взрывчатым веществом - октогеном (рис. 1). Размеры акустической щели (канавки): ширина 910~3 м, глубина 8 10~3 м. Во внутреннем пространстве ряда оболочек были размещены имитаторы приборов с закрепленными на них акселерометрами (вибродатчиками).

12 А А

¿л

Рис. 1. Схема размещения оборудования в оболочках

летательного аппарата: 1 - имитаторы приборов с вибродатчиками; 2 - оболочки; 3 - стальная проставка; 4 - титановые проставки;

5 - ЛКЗ; 6 - преграда; 7 - пластмассовая накладка; 8 - планка шторки; 9 - акустическая щель; 10 - фиксатор линейного заряда

| ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей» | № 2, 2016

Для измерения вибронагрузок на имитаторах приборов при испытаниях использовалось регистрирующее оборудование: четырех-канальные усилители-формирователи Bruel & Kjaer типа 2692-A-0S4, акселерометры Bruer & Kj aer типа 4371,4384 и измерительно-вычислительный комплекс, который включал монолитное шасси Compract RIO с R10-9074 и модули N1 9205, N1 9215, N1 9234, N1 9263, N1 9481 (технические характеристики модулей соответствуют требованиям ГОСТ 22261-94). Собственная частота акселерометров составляла 45 кГц, частота комплекса 10 кГц.

При проведении экспериментов внешнюю канавку не заполняли резиноподобным материалом, имеющим большое «живое» упругое сопротивление, при котором была определена скорость разрушения преграды в [1], а закрывали шторкой, состоящей из набора планок толщиной 2-10~3 м (материал - сплав АМгЗМ по ГОСТ 21631-73). Для фиксации этих планок в сборке был использован герме-тик ВИКСИНТ У-4-21 по ТУ 38.303-04-04-90, а поверх шторки устанавливали стеклопласти-ковую накладку из материала ТЗМК-8 толщиной 2 10~3 м. Преграда была выполнена в виде полого цилиндра длиной 8 10~2 м из сплава АМгбМ, поковка по ОСТ 190073-85.

Толщина преграды в месте ее разрушения составляла 4,5 10~3 м. Экспериментально подтверждено, что мощность ЛКЗ достаточна для разрушения преграды в этой конструкции. Время разрезания преграды при скорости КС 355...370 м/с соизмеримо со временем перемещения волны напряжений в металле преграды до экранов и обратно в зону разрушения. Перемещающиеся при этом вдоль цилиндра волны напряжений, дойдя до экранов и отразившись от них, возвращаются в зону разрушения в виде отрицательного напряжения - силы, дополнительно участвующей в растяжении и разрушении металла (последнее объясняется теорией звука). При выполнении граничных условий (непрерывность напряжений и скоростей в каждой части металла преграды, подверженной разрушению на стыке двух разнородных материалов), напряжение в отраженной волне вычисляли, как и в [2], через напряжение в падающей волне:

/ =

°2/ = 2У2С2 /

где о, у и с - напряжение, плотность и скорость звука в рассматриваемой среде;

ус - удельное акустическое сопротивление материалов первой и второй преград;

индекс 1 соотвествует волне напряжения, возникшей в материале первой преграды от действия продуктов взрыва ЛКЗ, индекс 2 соответствует напряжению металла первой преграды, передающемуся во вторую преграду через зону их контакта, индекс 3 соотвествует напряжению в металле, отраженному от второй преграды в первую.

В первой серии поставленных и описанных ниже экспериментов боковые стенки преграды (использовался только корпус с узлом, где установлен ЛКЗ) не были закреплены, поэтому значение у2 с2 = 0 и из соотношения (1) следует о3 = - Это показывает, что проходящая по металлу волна сжатия, возникшая от удара КС, падая на границы преграды, не отражается от них, при этом преграда продолжает растягиваться, способствуя ослаблению металла в зоне, лежащей выше каверны. Преграда разрушалась так же, как и преграда, не имеющая внешней канавки.

Если КС движется в материале преграды равномерно со скоростью, меньшей волновой для этого материала, то она не создает в преграде колебаний. Наблюдаемые в преграде колебания, о которых речь пойдет ниже, были созданы импульсным воздействием КС в момент ее соприкосновения с преградой и наблюдались до останова КС в преграде или до полного разрушения последней. |

Во второй серии описываемых экспери- а ментов для выявления факторов, влияющих на о продвижение КС в преграде, применяли вы- | полненную в виде составной цилиндрической а трубы экспериментальную установку (см. рис. 1), !§ состоящую из соединенных между собой обо- == лочек, по боковым поверхностям защемлен- ь ных проставками. |

У оболочки, в которой находился ЛКЗ, £ левая часть была защемлена проставкой, из- 5 готовленной из титанового сплава ВТ6С

I Космическая техника и ракетостроение | -

(ОСТ 1 90024-94, удельное акустическое сопротивление 24,26 МНс/м3) и вынесенной от ЛКЗ на расстояние 0,9 м, а правая, изготовленная из стали СтЗсп (ГОСТ 380-2005, удельное акустическое сопротивление 39,75 МНс/м3), отстояла от ЛКЗ на 0,216 м и была присоединена к остальным оболочкам.

Акустическое сопротивление каждой про-ставки превышает акустическое сопротивление металла преграды (13,6...13,8 МН • с/см3). Из уравнений (1) и (2) следует, что волна напряжения, падающая на титановую и стальную проставки, частично отразится от них в сторону образующейся каверны, а частично пройдет вне конструкции, при этом для титановой проставки напряжения о3 = +0,263 ох и о2 = +1,270!, для стальной проставки о3 = +0,60! и о2 = +1,83 ох.

Отраженные волны напряжений придут к зоне разрушения преграды от стальной проставки (0,6ох) через 0,0895 мс, а от титановой (0,263О!) - только через 0,174 мс. Эти волны в металле (вместе с волнами напряжений), отраженные в результате дифракции от внутренней стороны канавки и ее углов (кромок), будут двигаться навстречу КС, увеличивая плотность материала преграды. Волны, отраженные от проставок, перемещаясь параллельно образующей оболочек, встретятся вне зоны разрушения преграды, частично погасятся (остаточные напряжения 0,3370^, со стороны стальной проставки дойдут до титановой проставки, частично отразятся от нее, а частично пойдут по конструкции и через нее вслед за первой волной. Эти волны напряжений от проставок, подойдя к кромкам акустической щели, сложатся, и результирующая, перпендикулярная образующей оболочек, пойдет навстречу КС, увеличит плотность материала преграды и затормозит продвижение КС. Причем результирующее напряжение, в силу дифракции отраженных волн на кромках акустической щели, будет вдвое большим. Аналогично образуются третья и последующие волны с убывающей амплитудой.

На рис. 2 приведен фрагмент осциллограммы вибронагрузки на одном из элементов конструкции после подрыва ЛКЗ, а в таблице - максимальные значения вибронагрузок, измеренные с помощью имитаторов приборов в конструкциях:

0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 с

Рис. 2. Осциллограмма вибронагрузки на одном из элементов конструкции

Максимальные значения вибронагрузок, полученные с помощью имитаторов приборов, установленных в оболочках

Тип преграды Оболочки*

В1 В2 ВЗ В4 В11

Конструкция [1] 168 208 84 360 750

Конструкция А (см. рис.1) 72 43 30 165 1010

*Оболочки в [1] имели равномерную толщину по всей длине, в оболочке^ (см. рис. 1) с ЛКЗ имелась акустическая щель.

Сравнение вибронагрузок, полученных при испытаниях в [1], и вибронагрузок, описываемых в настоящей работе, показывает, что акустический метод торможения КС в разрушаемой преграде более эффективен, поскольку позволяет практически вдвое снизить эти нагрузки в большинстве важных мест конструкции оболочек, за исключением корпуса, где расположен ЛКЗ (оболочка В11 ).

В той части конструкции, где металл разрушается, акустический способ приводит как к торможению, т. е. к уменьшению скорости продвижения КС в металле преграды, так и к сжатию каверны с боков. Физически это объясняется гидродинамической теорией бронепро-бивания Покровского — Биркгоффа, согласно которой глубина разрушения преграды (пене-трация) пропорциональна корню квадратному из частного плотностей КС и преграды, а вернувшиеся волны напряжений увеличивают

I ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антеи» I № 2, 2016

прогнозам, это давление для зарядов с конической кумулятивной выемкой может составлять 25.. .100 ГПа и более [3]. После начала разрушения преграды давление на нее лидера КС незначительно превысит сопротивление, оказываемое преградой. Энергия ЛКЗ расходуется на разрушение преграды, сопровождающееся химическими и структурными изменениями, излучением, выделением теплоты и пластической деформацией металла [5] в полном соответствии с уравнением энергии Гиббса. Процесс пене-трации при этом идет с постоянной скоростью.

Ниже дана оценка длины волны напряжений, возникших в конструкции, подвергнутой испытанию.

Приняв точку останова лидера КС в преграде (вся конструкция в момент подрыва ЛКЗ находилась в свободном падении) за фокусную (гребень, максимум пучности), определим длину волны X:

шк = Бет а,

плотность металла преграды в зоне ее разрушения. Неравномерность волн напряжений, отраженных от титановой и стальной проста-вок, в какой-то мере должна сказаться и на симметричности формы каверны (рис. 3).

Рис. 3. Часть преграды после подрыва ЛКЗ: 1 - преграда; 2 - экран; 3 - планка шторки; 4 - остаток корпуса ЛКЗ в каверне; 5 - фиксатор

Начальное давление на поверхности преграды, возникшее на ней после действия КС, определяли по измеренным значениям недо-резов в преградах и результатам, полученным опытным путем Дж. Уолшем и Р. Кристианом [4]. Так, согласно [4], для алюминиевых сплавов 24Б-Т и2Б (аналогичных отечественному сплаву Д16) при допущении аппроксимации этих данных на более высокие значения давления их распространили и на сплав АМгб, из которого была изготовлена конструкция оболочки. При таких допущениях, используя значения недорезов, найденные в [1] (1,З Ю 3 м), и средние значения недорезов, полученные в описываемых экспериментах (1,64-Ю3 м), определили давление при подрыве заряда со сферической кумулятивной выемкой: 67.. .80 ГПа. Это значение может быть принято в расчете для момента соприкосновения с преградой КС.

На внешней стороне акустической канавки давление отсутствует, а избыточное напряжение в металле сосредоточено в той части неразрезанной преграды, которая непосредственно прилегает к лидеру КС, поэтому, учитывая данные А. Тейта [5], было принято, что в момент останова струи давление КС на преграду не превысит половины найденного значения: 30.. .40 ГПа. Это значение, по-видимому, является приемлемым и для начального момента соприкосновения КС с преградой. Согласно известным теоретическим

где Б - расстояние между кромками внутренних углов во внешней, по отношению к зоне разрушения, канавке преграды;

а - угол между линией, соединяющей кромку одного из углов, и направлением на фокус (останов) лидера КС; ш - порядковое число. На основании фактических данных о расположении фокуса остановленной КС в преграде, ее координатах, найдено, что длина волны шк ~ 5 10~3 м. Это значение должно быть отнесено к гидродинамической волны, анализируемой конструкции, совпадает по величине с данными А. В. Крупина и др. [6].

Таким образом, описание процесса вза- £ имодействия КС с преградой (внутри прегра- § ды) включает акустический и гидродинамиче- ^ ский анализ: первый - для волн напряжения £ в металле преграды, второй, представленный Ц уравнением Кортевега - де Фриза, - для уеди- 5

ш

ненной гидродинамической волны вместе ее |

контакта с преградой. £

После удара КС будут наблюдаться объ- ^

емные и сдвиговые (продольные и попереч- |

ные) волны напряжений, перемещающиеся в |

преграде с разными скоростями, а на тыльной о стороне преграды произойдет откол метал-

I Космическая техника и ракетостроение |

Т^Г -

ла - это конечный результат работы ударной волны. Принято, что объемные волны вызывают структурные изменения в металле (двойникова-ние, образование игольчатых структур, поворот, искажение и разрушение зерен) и, в зависимости от мощности ЛКЗ, КС может либо пройти сквозь преграду либо, не прошив ее полностью, произвести откол на ее внешней стороне.

При воздействии КС на преграду одновременно происходят: разрушение преграды в виде откола части металла со стороны, противоположной зоне соприкосновения КС с преградой, в результате ударного воздействия, которое распространяется в преграде по узкому каналу в виде волны напряжения, а также разрушение преграды под действием собственно КС.

Таким образом, предлагается следующая гипотетическая модель (механизм) разрушения преграды КС («высокоскоростным ударником», по терминологии Л. П. Орленко, А. Н. Чу-кова, М. С. Воротилина и др. [7]):

1) ударная волна проходит по преграде по линии соприкосновения с КС. В металле преграды происходят структурные изменения, а на противоположной стороне наблюдается деформация преграды вплоть до местного откола ее части;

2) лидер КС на фронте соприкосновения с преградой создает в ней тонкую прослойку, содержащую металл в квазижидком состоянии под давлением порядка 30...40 ГПа. Это значение имеет один порядок со значением, полученным Дж. Герингом [8];

3) квазижидкий материал преграды вытесняется движущимся высокоскоростным ударником в зазор между ударником и боковой поверхностью образующейся каверны;

4) квазижидкий материал преграды и сработанной части ударника, поступивший в тыльную зону КС, разгружается и выбрасывается из каверны в жидком и (или) газообразном состоянии. Процесс сжатия - разгрузки ограничен кривой Гюгонио и изоэнтропой (автор

[8] принимает, что процесс разгрузки протекает при постоянной энтропии). Выводы

1. Предложенный способ увеличения плотности металла преграды посредством выполнения в ней акустической щели и установки экранов способствует торможению и останову КС.

2. Применение акустического метода торможения КС в преграде и установка в ней экранов позволяют вдвое и более снизить вибронагрузки на элементы конструкции. Список литературы

1. Головатенко В. Д., Головатенко А. В. Экспериментальное определение скорости прохождения кумулятивной струи через разрушаемую преграду // Вестник ЮУрГУ. Сер. Машиностроение. 2014. Т. 14. № 3. С. 5-10.

2.РайнхартДж. С., Пирсон Дж. Взрывная обработка металлов. М.: Мир, 1966. 392 с.

3. Райнхарт Дж. С., Пирсон Дж. Поведение металлов при импульсных нагрузках. М.: Иностр. лит., 1958. 296 с.

4. УолшДж., Кристиан Р. Уравнение состояния металлов по измерениям на ударной волне. Механика // Сб. переводов и обзоров иностр. пере-од. литературы. 1956. Вып. № 2 (36). С. 156-171.

5. Тейт А. Теория торможения длинных стержней после удара по мишени. Механика // Сб. переводов и обзоров иностр. период, лит. 1968. Вып. № 5 (111). С. 125-137.

6. Крупин А. В., Соловьёв В. Я., Попов Г. С. и др. Обработка металлов взывом. М.: Металлургия, 1991. 495 с.

7. Математическое моделирование функционирования взрывных устройств / А. А. Акимов, М.С. Воротилин, И. Н. Кирюшкин, С. А. Климов, Е. В. Сидоров, А. Н. Чуков. Тул. гос. ун-т. Тула, 2007. 270 с.

8. Геринг Дж. Теория соударения с тонкими мишенями и экранами в сопоставлении с экспериментальными данными. Высокоскоростные ударные явления. М.: Мир, 1973. С. 112-163, 520-521. Поступила 09.12.15

Головатенко Владислав Денисович - заслуженный конструктор России, кандидат технических наук, ведущий инженер-конструктор АО «ОКБ «Новатор», г. Екатеринбург.

Область научных интересов: исследование импульсных процессов, протекающих при горении топлив в устройствах малой мощности систем автоматизации летательных аппаратов.

Головатенко Андрей Владиславович - консультант АО «ОКБ «Новатор», г. Екатеринбург. Область научных интересов: методологические вопросы общей физики.

I ISSN 2542-0542 Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей» | № 2, 2016

Constraining a shaped chargejet cavity in a barrier with boundary shields

We suggest and validate empirically an acoustic method for decelerating and halting the movement of a shaped charge jet in a barrier by means of implementing an acoustic slit in the body of the barrier, the slit being located on the opposite side of the barrier relatively to the mounted linear charge with a profiled liner. We determine the pressure range created by a linear shaped charge with a profiled liner, and provide an estimation of the hydrodynamicwave length forthe penetration process.

Keywords: acoustics, wave, fastening, cavity, shaped charge jet tip, shaped charge penetrator, incomplete cut, movement halting, barrier, shield response, focus.

Golovatenko Vladislav Denisovich - Honoured Designer of Russia, Candidate of Engineering Sciences, Chief Design Engineer, Joint Stock Company Experimental Machine Design Bureau Novator, Yekaterinburg.

Science research interests: investigation of impulse processes developing during fuel combustion in low-power devices of aircraft automation systems.

Golovatenko Andrey Vladislavovich - Consultant, Joint Stock Company Experimental Machine Design Bureau Novator, Yekaterinburg.

Science research interests: methodology issues of general physics.