О необходимости развития теории осколочных боеприпасов

Григорьев Ю.А.

О НЕОБХОДИМОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ ОСКОЛОЧНЫХ БОЕПРИПАСОВ

Недостаточный для современных условий уровень поражающего действия осколочно-фугасных (ОФ) снарядов, вынуждает проведение исследований, направленных на повышение эффективности их применения.

Одним из путей повышения эффективности осколочного действия ОФ снарядов является обеспечение оптимального осколочного спектра многоцелевого назначения в процессе взрывного разрушения корпуса (ВРК). Анализ направлений решения этой задачи выявляет наиболее целесообразные направления, такие как, изменение схемы нагружения корпуса, поиск новых конструктивных схем ОФ снарядов, улучшение характеристик осколочного поля поражения за счет изменения химического состава сталей и их механических свойств, проведение исследований закономерностей процессов формирования осколочного и фугасного полей поражения.

В современном общевойсковом бою, особенно с применением только обычного оружия, огонь артиллерии в сочетании с ударами авиации является одним из основных средств уничтожения противника. Это объясняется тем, что артиллерия обладает мощным и точным огнем, большой дальностью стрельбы, способностью к широкому маневру и быстрому сосредоточению огня по важнейшим целям [1].

В тактике ведения общевойскового боя важная роль в системе огневого воздействия на противника в ходе ведения широкомасштабных и локальных боевых действий отводится комплексам ствольной артиллерии. Военные специалисты отмечают, что в конфликтах будущего роль артиллерийских комплексов будет не снижаться, а наоборот только увеличиваться.

Анализ военных конфликтов последних лет показывает, что поражение подавляющего большинства целей различных классов защищенности на поле боя (живой силы, легкоуязвимой и легкобронированной техники, фортификационных сооружений полевого типа) достигается стрельбой снарядами комбинированного действия - осколочно-фугасными (ОФ). Они являются боеприпасами (БП) многоцелевого назначения и составляют основу боевого комплекта артиллерийских комплексов полевой артиллерии, а также входят в состав боевых комплектов танковых и противотанковых орудий [2].

Штатные ОФ снаряды обладают многими недостатками:

- нерациональным использованием осколочных потоков при наземном разрыве;

- материал корпуса (стали типа С-60, 45Х1 и др.) имеет неудовлетворительные осколочные харак-

теристики;

- могут поражать в основном только незащищенные и легкоуязвимые цели.

Проведенный отечественными военными специалистами анализ применения ОФ снарядов в локальных конфликтах показал недостаточный для современных условий уровень их поражающего действия, как основного типа БП полевой артиллерии, что приводило к увеличению расхода снарядов, изменению режима огня, в результате чего на 20-40% возрастало время выполнения огневых задач и увеличивался износ техники [3], [4].

Таким образом, приведенные выше обстоятельства вынуждают проведение дальнейших исследований, направленных на повышение эффективности применения ОФ снарядов.

Одним из путей повышения эффективности осколочного действия ОФ снарядов является обеспечение оптимального осколочного спектра многоцелевого назначения в процессе взрывного разрушения корпуса (ВРК). Но реализация этого пути осложняется противоречивыми тактико-техническими требованиями, предъявляемыми к характеристикам системы «ствол-снаряд» на различных этапах боевого применения [5] . Так, требование по увеличению максимальной дальности стрельбы диктует необходимость повышения параметров внутрибаллистических процессов, разрабатываемых артиллерийских систем и, как следствие ужесточение требований к прочности корпуса снаряда при выстреле до уровня 700 МПа и выше, а также улучшения его аэродинамической формы путем удлинения до 6 клб и более. Это входит в противоречие с требованиями по уровню эффективности осколочного действия снаряда, поскольку, как показывает опыт, неизбежно приводит к снижению интенсивности ВРК и ухудшению параметров осколочности. Это вызывает необходимость поиска новых конструктивных схем ОФ снарядов, другого состава сталей и материалов для изготовления корпусов, отвечающих вышеперечисленным требованиям, взамен наиболее распространенных ОФ снарядов с корпусами из стали С-60 и 40Х1, имеющих неудовлетворительные осколочные характеристики.

Увеличение дальности стрельбы достигается сочетанием на новом уровне давно известных решений — увеличения длины ствола, объема зарядной каморы, улучшения аэродинамической формы снаряда. К тому же для уменьшения отрицательного влияния «подсоса», вызываемого разрежением и завихрением воздуха позади летящего снаряда, используется донная выемка (увеличение дальности еще на 5—8%) или устанавливается донный газогенератор (увеличение до 15—25%). Для большего увеличения дальности полета снаряд может снабжаться небольшим реактивным двигателем — так называемый активно-реактивный снаряд. Дальность стрельбы удается увеличить на 30—50%, но двигатель требует места в корпусе, а его работа вносит дополнительные возмущения в полет снаряда и увеличивает рассеивание, то есть заметно уменьшает меткость стрельбы [5], [6].

В рамках концепции «воздушно-наземной операции» в США и «борьбы со вторыми эшелонами» по увеличению глубины и эффективности поражения противника на всех уровнях, фирмой «Спейс Рисеч Корпо-рейшн» под руководством известного конструктора-артиллериста Дж. Булла разработаны снаряды типа ERFB дальнобойной формы длиной около 6 калибров с начальной скоростью около 800 м/с, с готовыми ведущими выступами вместо утолщения в головной части, упрочненным ведущим пояском, что дало увеличение дальности на 12—15%. Для стрельбы такими снарядами требовалось удлинить ствол до 45 калибров, увеличить глубину и изменить крутизну нарезов. Дальность стрельбы из первых орудий на основе разработок Дж. Булла (155-мм гаубица СШ-45, буксируемая гаубица G-5) удалось довести до 39км, снарядом газагенератором.

В программе 155-мм самоходного артиллерийского комплекса ХМ 2001/2002 «Крусейдер» были заложены длина ствола в 56 калибров, дальность стрельбы более 50 километров и раздельно-гильзовое заряжание с так называемыми «модульными» переменными метательными зарядами [7] . Эта «модульность» позволяет быстро набирать нужный заряд, меняя его в широких пределах, и обладает лазерной системой воспламенения — своеобразная попытка приблизить возможности орудия на твердом метательном взрывчатом веществе к теоретическим возможностям жидких метательных веществ. Сравнительно широкий набор переменных зарядов при увеличении боевой скорострельности, скорости и точности наводки позволяет реализовать обстрел одной и той же цели по нескольким сопряженным траекториям — подход снарядов к цели с разных направлений намного повышает вероятность ее поражения. И хотя программу «Крусейдер» свернули, разработанные в ее рамках боеприпасы могут найти применение и в других 155мм орудиях. Далеко не исчерпаны и возможности увеличения могущества действия снарядов у цели в

пределах тех же калибров. Скажем, американский 155-мм снаряд М7 95 снабжен корпусом из стали улучшенной дроблимости, дающим при разрыве меньше слишком крупных осколков с малой скоростью разлета и бесполезной мелкой «пыли». В южноафриканском ХМ9759А1 это дополнено заданным дроблением корпуса (полуготовые осколки) и взрывателем с программируемой высотой разрыва. Улучшение характеристик

осколочного поля поражения за счет изменения химического состава сталей и их механических свойств, при производстве корпусов ОФ снарядов, несомненно, является перспективным направлением.

Кремнистая сталь при невысокой стоимости легирующего элемента, обеспечивает стабильное, хотя и не очень высокое преимущество перед сталью С-60, как по массово-численным характеристикам спектра, так и по характеристикам формы. Обеспечивается прирост числа осколков для ТНТ, A-IX-2 и ок-фола соответственно на 17, 20 и 14%, а относительного содержания средней фракции — соответственно на 23, 20 и 12%.

Кремнистая сталь 60С2 относится к классу рессорно-пружинных сталей и содержит 2% кремния, увеличивающего хрупкость стали. Использование кремнистой стали 60С2 в осколочных боеприпасах защищено патентами 2095740 РФ. В США для производства осколочно-фугасных снарядов используется кремнистая сталь того же состава, имеющая индекс AISI-9260.

Т. Ф. Волыновой и В. А. Одинцовым в результате многолетних исследований было установлено, что одним из наиболее перспективных материалов для изготовления корпусов ОФ снарядов является эвтек-тоидная сталь 80Г2С. Теоретическим основанием этой разработки явилось предложенная авторами концепция взрывного разрушения сталей, близких по составу к эвтектоидным. При эвтектоидном составе сталь имеет чисто перлитную структуру в виде тонких пластинок цементита, равномерно распределенных в основной массе.

Другим направлением улучшения характеристик осколочного поля поражения является изменение конфигурации осколочного поля. ОФ снаряды при разрыве дают круговое осколочное поле, причем при стрельбе по наземным целям с ударным разрывом при углах падения, меньших 90°, основная масса осколков этих снарядов разлетается в плоскости, перпендикулярной оси снаряда. При этом половина осколков уходит в воздух, другая половина - в грунт, и только небольшая часть осколков, стелющихся вдоль поверхности земли, используется для поражения целей. Существенным недостатком этой конфигурации осколочного поля является его низкая плотность (низкая плотность кинетической энергии осколков на единицу телесного угла поля).

Одинцовым В.А. разработан новый осколочно-пучковый снаряд - боеприпас, создающий два поля поражения - круговое поле осколков корпуса и осевое поле (сноп) готовых поражающих элементов (патент МГТУ № 2368861). Специалисты считают осколочно-пучковый снаряд снарядом XXI века. В зарубежной литературе этот боеприпас получил название «Бауманский снаряд» (Baumann charge).

Реализация требований по фугасному действию в рамках заданных массово-геометрических характеристик, в том числе на основе применения разработанных в последние годы взрывчатых составов (пла-стизольных отверждаемых, термобарических и др.), также не способствует повышению интенсивности ВРК БП вследствие относительно низких параметров его взрывного нагружения.

Кроме артиллерийских снарядов существует обширная номенклатура БП осколочного действия (боевые части реактивных снарядов и тактических ракет, кассетные боевые элементы, инженерные и авиационные мины, ручные гранаты), которые не испытывают значительных перегрузок в процессе боевого применения и к которым не предъявляют требования по прочности корпуса и по баллистическим характеристикам. Вследствие этого в процессе их разработки имеется возможность сконцентрировать основное внимание именно на повышении эффективности осколочного действия, используя широкий арсенал средств по управлению массой осколка, например заданное дробление или готовые поражающие элементы. Закономерности процесса ВРК БП могут быть использованы при совершенствовании и указанной номенклатуры БП осколочного действия [5].

Таким образом, знание закономерностей процессов формирования осколочного и фугасного полей поражения является источником научно обоснованных рекомендаций и новых технических решений, обеспечивающих выполнение современных технических требований БП осколочного действия и повышение их эффективности.

К настоящему времени проведено большое количество исследований осколочности, осколочного и фугасного действий, физики взрыва, поведения материалов при интенсивном динамическом нагружении и теории их разрушения. Если результаты исследований, проведенных в ведущих организациях, позволили в достаточной для практики проектирования степени установить закономерности формирования фугасного поля поражения, то процесс ВРК БП при взрывном нагружении не в полной мере изучен. Это связана с тем, что последствия ударно-волнового нагружения вещества многообразны и труднопредсказуемы.

Макроскопические движения материала, вызванные градиентами давлений, в ряде случаев хорошо описываются уравнениями Эйлера для идеальной несжимаемой жидкости, а в экспериментах наблюдаются такие чисто гидродинамические явления, как неустойчивость тангенциальных разрывов и образование вихрей, кумулятивных струй, кавитация и т.п. На микроуровне это сопровождается быстрой эволюцией структуры. Наблюдается сильная деформация зерен (текстурирование), образование большого числа дислокаций (наклёп), динамическая рекристаллизация, способная измельчить зерненную структуру до субмикронного уровня,

Уплотнение вещества, сопровождающееся схлопыванием пор и интенсивным перемешиванием компонентов, трением по поверхности частиц и их деформацией, резко активирует процессы структурной перестройки, увеличивает на несколько порядков коэффициенты диффузии и скорость химических и фазовых превращений. При этом различные процессы и отдельные их стадии требуют различного времени для своего развития, поэтому, за короткие времена, характерные для взрывного нагружения, подобно тепловой инерции, не все процессы успевают развиться и вещество реагирует на нагрузку совсем иначе, чем при статических нагрузках. При импульсных нагрузках наблюдается двойникование - единственная реакция материала, которая успевает проявиться за короткое время.

Ко всему сказанному выше следует добавить, что сами ударно-волновые нагрузки, вызывающие перечисленные выше процессы, носят переходный характер, поэтому, в один и тот же момент времени вещество в разных своих точках находится в разных состояниях, обусловленных тем, что волна сжатия сменяется волной разрежения, а в ряде случаев имеет место взаимодействие первичных ударных волн с отраженными.

Несмотря на большое количество ранее проведенных исследований, в настоящее время отсутствуют единые представления о закономерностях процесса ВРК, что объясняется его сложностью, быстротечностью и многофакторностью, а также отсутствием методов непосредственной регистрации параметров процесса ВРК в полном объеме. Вследствие этого, предлагаемые различными авторами модели не объясняют всей полноты сложных процессов, протекающих в стенке корпуса БП на различных этапах взрывного нагружения.

Известна модель Одинцова В.А., которая объясняет формирование осколков бегущими трещинами, развивающимися путем накопления поврежденности в стенке корпуса в результате развития ударноволнового процесса [8] . Но она не объясняет феноменологических характеристик осколков и не дает расчетных зависимостей для оценки их количества. Для оценки количества осколков в разное время получены статические зависимости, например Яковлева П.В., Козлова А.В. и Меркуловой Т.В., из НИМИ; Приходько В.М., их НИИ3 и ряда других исследователей. Однако, они не рассматривают процесса взрывного разрушения корпуса и могут быть использованы только для того диапазона изменения характеристик снарядов, на основе анализа которых они получены.

А.В. Аттетков, М.М.Бойко, Е.Ф.Грязнов исследовали влияние кривизны детонационного фронта на начальные параметры ударной волны и зависимость начального давления от угла падения детонационной волны [9] . Однако эти данные применительны только к цилиндрическим поверхностям оболочек и не рассматривают критического значение угла подхода детонационной волны к корпусу штатного ОФБ во всех сечениях по его длине вследствие наличия оживального и конического участков каморы (доля которых может составлять до 50 %, от длины разрывного заряда), а также не учитывают влияние раз-ноплотности ВВ при снаряжении.

Наиболее достоверной моделью для оценки количества осколков при взрыве боеприпасов традиционного конструктивного решения, является модель, разработанная Кузнецовым В.А. и Стаценко Т.Г. (так называемая, усовершенствованная стартовая модель). Однако и данная модель имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, она не рассматривает развития прорцесса взрывного разрушения корпуса, во вторых, не учитывает различия феноменологических характеристик осколков в радиальной, экваториальной и меридиональной плоскостях, и в-третьих, в ней не в полной мере учтены начальные параметры взрывного нагружения корпуса боеприпаса. Вследствие этого расхождение результатов расчета количества осколков, полученных с ее использованием, и в результате полигонных испытаний может составлять более 30%.

Работы по исследованию процесса ВРК не содержат достаточно глубокого фрактографического и структурного подхода к оценки влияния на параметры осколочности химического состава и механических свойств металла корпуса. Недостаточно изучены особенности образования полос адиабатического сдвига и, что особенно важно, роль отрывного и сдвигового разрушения в процессе ВРК различного химического состава. Слабо изучено влияние на ход процесса ВРК химического состава стали, технологии изготовления и режимов термической обработки корпусов БП. Явно недостаточно количество механических характеристик снарядных сталей, учитываемых в ходе разработки и производства ОФ БП.

Таким образом, современное состояние теории не описывает всей совокупности процессов, протекающих в стенке корпуса БП при взрывном нагружении, и не позволяет осуществлять корректную теоретическую оценку параметров осколочности. Вследствие этого ограничены возможности практики проектирования по оптимизации характеристик БП традиционной схемы и по научному обоснованию новых конструктивных решений, направленных повышение эффективности осколочного действия. Изложенные обстоятельства стимулируют дальнейшие экспериментально-теоретические исследования закономерностей процесса ВРК БП, а также влияния структуры и механических свойств металла корпуса различного химического состава на металлографические и фрактографические характеристики ВРК. Их использование обеспечит возможность научного обоснования рекомендаций и новых технических решений, направленных на повышение эффективности осколочного действия БП на основе изменения в широком диапазоне параметров осколочности и сформулировать рекомендации по обоснованию выбора материала корпуса БП осколочного действия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Караулов Н.И., Богомолов А.И. Требования современного общевойскового боя к ракетноартиллерийскому и танковому вооружению сухопутных войск // Учебное пособие. - МО РФ, 2000. - 93с.

2. Воробьев И.Н., Киселев В.А. Современная тактика: анализ состояния и тенденция развития.

Журнал «Военная мысль» № 10, 2007.

3. Современное вооружение в войне (по опыту боевых действий в зоне Персидского залива) // Под

ред. В.В. Панова, С.М. Прядилова. - М.: Изд-во НИИ САП, 1993. - 195с.

4. Честных Е.П. Ракетные войска и артиллерия в локальных конфликтах // Учебное пособие. - К:

НАОУ, 2002. - 97с.

5. Средства поражения и боеприпасы. Учебник / Под общей редакцией В.В. Селиванова;. - М.: Изд-

во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 984с.

6. Физика взрыва. Под редакцией Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, перераб. в 2т. Т.2. - М.; ФИЗМАТЛИТ, 2002. - с. 656.

7. Материалы сайта http://www.military-today.com.

8. Одинцов В.А. Метание и разрушение оболочек продуктами детонации / В.А. Одинцов. - М.: ЦНИ-ИНТИ, 1976. -144с.

9. А.В. Аттетков, М.М. Бойко, Е.Ф. Грязнов. Экспериментальные исследования влияния кривизны

детонационного фронта на начальные параметры ударной волны в цилиндрической оболочке // Оборонная

техника, № 1. 2004. - С. 18...22.