Баллистический маятник с переменным весом
BALLISTIC PENDULUM WITH VARIABLE WEIGHT

Предлагаемое изобретение относится к технике испытаний боеприпасов и зарядов взрывчатых веществ (далее по тексту - изделий), конкретно - к устройствам для определения фугасности, импульса взрыва и т.п.
Одним из известных устройств для определения характеристик изделий и поражающих элементов оружия является баллистический маятник, конструктивно представляющий собой удлиненное массивное тело, подвешенное посредством жестких тяг к неподвижной опоре, перед испытаниями находящееся в неподвижном состоянии равновесия.
В зависимости от определяемых характеристик испытуемого изделия носок маятника может быть или плоским /1, 2/, или же снабжен полостью /3/ - уловителем поражающих элементов, которая при необходимости может заполняться улавливающей средой.
При испытании безосколочных изделий, под воздействием на торцовую часть маятника (носок) ударной волны (УВ) или продуктов взрыва, маятник получает соответствующий импульс и отклоняется на некоторый угол с одновременным горизонтальным перемещением. По величине измеренного с помощью простейших устройств углового (линейного) перемещения тела маятника с учетом его конструктивных факторов (масса, длина тяг подвеса) расчетным путем определяют характеристики испытуемого изделия.
Данные конструкции рассчитаны преимущественно на испытания небольших по массе экспериментальных изделий (чаще всего -лабораторного изготовления), а при воздействии на них нагрузки от поражающих факторов взрыва реальных безоболочечных изделий, артиллерийских боеприпасов и мин тело баллистического маятника может отклоняться на большой угол при одновременном перемещении на большое расстояние по горизонтали, что создает большие неудобства при испытаниях. Предварительные расчеты показали, что простое увеличение массы тела маятника для устранения данного недостатка нерационально, так как, например, для испытания безоболочечного изделия с массой 15 кг в тротиловом эквиваленте потребуется иметь массу тела маятника не менее 10000 кг (!), что, в свою очередь, сильно утяжелит и усложнит конструкцию испытательного оборудования.
Кроме того, возможное большое угловое отклонение или горизонтальное перемещение тела маятника приводит к последующим его колебаниям (при возвращении в исходное положение под действием силы тяжести), вызывающим соответствующие знакопеременные силовые нагрузки на установку, или приводящие к ее быстрому разрушению, или же требующие ее существенного упрочнения с соответствующим увеличением металлоемкости.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является баллистический маятник /4/, также содержащий массивное тело, подвешенное посредством жестких тяг к неподвижной опоре, ограничение перемещения которого осуществляется «встречным» взрывом заряда ВВ, практически входящим в конструкцию маятника и размещаемого по отношению к нему со стороны тыльного носка, противоположной испытуемому изделию, т.е. фактически - посредством воздействия на тыльный носок маятника ударной волны и сопутствующего ей воздушного (газового) потока.
Недостатком данной конструкции является потребность в дополнительном заряде ВВ, что увеличивает количество опасных и вредных факторов присущих испытаниям, сложность синхронизации взрывов испытуемого и «тормозного» зарядов, трудно прогнозируемая дополнительная ударно-динамическая нагрузка от его действия на металлоконструкцию маятника, отрицательно сказывающаяся на общем ресурсе испытательного оборудования.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности проведения испытаний и определения характеристик изделий и различных боеприпасов большой массы без существенного увеличения массы тела маятника.
Решение задачи достигается тем, что в известном баллистическом маятнике, содержащем массивное тело, подвешенное посредством жестких тяг к неподвижной опоре, в соответствии с изобретением тело маятника выполнено в виде антикрыла аэродинамического профиля или дополнительно содержит антикрыло/систему антикрыльев.
Антикрыло, в свою очередь, может быть снабжено элементами механизации, - предкрылками, закрылками и т.п. (по аналогии с крыльями авиатехники).
Кроме того, приборное обеспечение маятника наряду с традиционными измерительными устройствами может дополнительно содержать измеритель скорости воздушного потока, например на основе трубки Прандтля.
Таким образом, основным отличительным признаком предлагаемого технического решения является исполнение тела баллистического маятника в виде антикрыла аэродинамического профиля, или же добавление в традиционную конструкцию маятника антикрыла (системы антикрыльев), а дополнительными отличительными признаками - снабжение антикрыла элементами механизации, и введение в приборное обеспечение маятника измерителя скорости воздушного потока.
Необходимость и достаточность вышеуказанных основного и дополнительных отличительных признаков предложенного технического решения может быть пояснена следующим образом.
В соответствии с определением /4/: - «Антикрыло - элемент аэродинамического обвеса автомобиля представляющий собой в разрезе перевернутое крыло самолета.
Принцип действия антикрыла противоположен крылу самолета. Потоки воздуха над крылом и под ним создают области высокого и низкого давления соответственно. Область высокого давления, созданная над антикрылом, прижимает автомобиль к земле. Создаваемая прижимная сила необходима для улучшения сцепления ведущих колес с поверхностью и предотвращения проскальзывания колес и заноса автомобиля».
П
Σ
В случае использования антикрыла аэродинамического профиля в конструкции баллистического маятника прижимающая сила будет возникать при его обтекании спутным воздушным потоком, вызванным проходящей ударной волной. В данный момент маятник будет подвержен действию двух одинаково направленных сил - силы тяжести Mg и прижимающей F, сумма которых F фактически может быть принята за его вес (по общеизвестному определению, вес - сила, с которой тело, находящееся в поле сил тяжести, действует на подвес или горизонтальную опору, препятствующую свободному падению тела):
здесь М - масса маятника, кг;
2
g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с.
П
Естественно, что антикрыло по отношению к телу маятника должно быть установлено таким образом, чтобы вектора сил тяжести Mg и прижимающей F располагались на одной прямой.
Величина прижимающей силы, по аналогии с подъемной силой крыла самолета может быть описана зависимостью /5/:
Y
где C - безразмерный коэффициент подъемной силы;
2
S - площадь крыла в плане, м;
3
ρ - плотность воздуха, кг/м;
V - скорость набегающего потока, м/с.
Y
Коэффициент подъемной силы C определяется экспериментально или численным решением задач обтекания. В общем случае он зависит от числа Рейнольдса, числа Маха, угла атаки, угла стреловидности, формы крыла (профиля).
M
Σ
П
При проведении испытаний изделий под воздействием сопутствующей взрыву ударной волны, исходно находящийся в покое баллистический маятник приобретает импульс MV, и соответственно кинетическую энергию . При последующем плоскопараллельном перемещении тела маятника (вследствие приобретенного импульса), его центр тяжести перемещается на некоторую высоту Н, вплоть до полного останова. Таким образом, в соответствии с законом сохранения энергии исходная кинетическая энергия тела маятника  перейдет в потенциальную FH=(Mg+F)H.
П
Из данной зависимости следует, что в этом случае высота подъема Н (соответственно и горизонтальное перемещение маятника), и угол отклонения тяг подвеса от вертикали будут существенно меньше, чем в случае отсутствия прижимающей силы F.
П
Ориентировочно величина прижимающей силы F может быть оценена следующим образом. Рассмотрим, например, взлет самолета ИЛ-76 /6/:
Y
Пр
З
Y
З
Пр
Y
Y
ВЗЛ
«В момент отрыва подъемная сила практически равна взлетному весу самолета. При отклонении закрылков и предкрылков C увеличивается и равенство Y=G (здесь и далее по цитируемому тексту Y - подъемная сила, G - вес самолета, δ - угол отклонения предкрылков, δ - угол отклонения закрылков,) будет достигнуто на меньшей скорости на разбеге. Самолет Ил-76 отрывается на угле атаки около 10°. С убранной механизацией C=0,8, а при δ=30° и δ=14° C=1,58. Следовательно, C увеличится в ≈1,96, а скорость отрыва уменьшится в  Так, например, при взлетном весе 170 m скорость отрыва V с выпущенной механизацией 14/30 равна 270 км/ч, а с убранной - она была бы 370 км/ч. Как видно из этого примера скорость отрыва вследствие выпуска механизации уменьшается на 100 км/ч.»
Из вышеуказанного следует несколько выводов:
1) Использование в конструкции баллистического маятника механизированного антикрыла позволит при прочих неизменных условиях увеличить прижимающую силу, по сравнению с немеханизированным антикрылом, т.е. фактически изменять и регулировать вес маятника.
ВЗЛ
2
2
2) Для данных условий взлета ИЛ-76 (V=270 км/ч=75 м/с, G=170 т, площадь крыла S=300 м) удельная подъемная сила составляет 570 кг/м.
BЗЛ
2
При взрыве в ближней зоне скорость ударной волны, достигающей поражаемый объект, доходит до 3…5 чисел Маха (М), а скорость спутного воздушного потока V - 0,75…0,8 от нее. Так, при скорости УВ равной 1000 м/с (3 М), скорость спутного потока составляет 734 м/с /7/, - почти в 10 раз больше взлетной скорости самолета ИЛ-76 (!). Т.е., в соответствии с зависимостью (2) при обтекании спутным воздушным потоком механизированного антикрыла, например, с аэродинамическим профилем аналогичным крылу ИЛ-76, гипотетически может быть достигнута удельная прижимающая сила пропорциональная (V/V), т.е. по расчету в 96 раз большая. Результат, конечно, несколько завышенный, т.к. расчетная зависимость (2) не учитывает возможного срыва высокоскоростного воздушного потока с обтекаемой поверхности, однако закономерностям современной аэродинамики не противоречащий.
П
Точная же величина прижимающей силы для различных скоростных условий обтекания воздушным потоком антикрыла конкретного профиля, с построением и описанием регрессионной зависимости F(V) может быть определена путем соответствующих продувок маятника в аэродинамической трубе.
Изобретение поясняется следующей графической информацией:
На фиг. 1 в качестве примера представлена принципиальная схема устройства баллистического маятника в виде антикрыла аэродинамического профиля (вид сбоку и сверху);
На фиг. 2 - принципиальная схема устройства баллистического маятника содержащего антикрыло аэродинамического профиля (вид сбоку и сверху);
На фиг. 3 - принципиальная схема устройства баллистического маятника, содержащего систему антикрыльев аэродинамического профиля (вид сбоку и сверху).
Баллистический маятник содержит массивное тело 1, подвешенное посредством жестких тяг 2 к неподвижной опоре 3. Тело маятника может быть непосредственно выполнено в виде антикрыла 4 аэродинамического профиля (фиг. 1), или же дополнительно содержать антикрыло/систему антикрыльев (фиг. 2, 3). В качестве примера приборного обеспечения осуществляемых измерений на иллюстрациях показано устройство для измерения угла отклонения 5, комплект регистрирующей высокоскоростной фотоаппаратуры 6, и измеритель скорости воздушного потока 7.
В то же время приборное обеспечение маятника также может содержать:
- датчик давления, предназначенный для определения давления на фронте ударной волны при достижении ею торца маятника, и позволяющий повысить точность производимых измерений и математической обработки их результатов;
- акселерометр, служащий для измерения ускорения, приобретаемого телом маятника под действием взрывного нагружения, и характера его изменения во времени, что также позволит повысить точность обработки результатов измерений;
- иные датчики аналогичного назначения, связанные с автоматизированной компьютерной системой сбора и обработки информации.
Для упрощения изображения указанные измерительные устройства маятника, проводные линии связи с контрольно-измерительной (регистрирующей) аппаратурой, сама аппаратура, а также элементы механизации антикрыла на иллюстрациях условно не показаны.
Работа баллистического маятника осуществляется следующим образом.
Испытуемое изделие размещается на некотором заданном расстоянии R от переднего торца тела маятника 1. Затем осуществляется подключение датчиков маятника 5…7 к линиям связи с контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой, и осуществляется подрыв изделия.
Под действием ударной волны на переднюю часть маятника он получает импульс:
где Δp - максимальное давление на фронте ударной волны, Па;
м
2
S - площадь миделевого сечения маятника, м;
УВ
τ - время действия давления ударной волны, с.
a
a
M
УВ
Тело маятника 1 совместно со всеми механически связанными с ним устройствами и их компонентами (2, 4) сначала приобретает некоторое ускорение , а по завершению воздействия ударной волны - скорость V=τ, и начинает совершать плоско-параллельное перемещение, т.е. одновременно в двух направлениях - горизонтальном и вертикальном.
П
∑
П
Перемещающийся вслед за ударной волной со скоростью V спутный воздушный поток обтекает антикрыло (систему антикрыльев) 4 маятника 1, вследствие чего возникает прижимающая сила F (см. зависимость 2), одинаково направленная с силой тяжести (весом маятника) Mg. Как уже указывалось ранее, в соответствии с законом сохранения энергии при плоскопараллельном перемещении в крайнее положение исходная кинетическая энергия тела маятника  переходит в потенциальную FH=(Mg+F)H.
-7
П
УВ
С учетом того, что фронт ударной волны имеет весьма малую толщину, сопоставимую с длиной свободного пробега молекул воздуха при нормальных условиях, составляющую порядка 10 м, а скорость его перемещения значительно больше скорости спутного воздушного потока, время взаимодействия последнего с антикрылом 4 маятника 1 (и «генерации» прижимающей силы F) будет больше времени действия давления ударной волны τ. Т.е. при высоком аэродинамическом качестве антикрыла 4 может быть обеспечен режим работы маятника 1 с обтеканием антикрыла спутным потоком воздуха вплоть до полного перехода его кинетической энергии в потенциальную и останова в верхней точке подъема на высоту Н.
Вертикальное перемещение маятника Н легко определяется с учетом длины L тяг 2 и угла их отклонения ϕ, измеренного посредством устройства для измерения угла отклонения 5:
Параллельно перемещение тела маятника отслеживается комплектом регистрирующей высокоскоростной фотоаппаратуры 6, осуществляющей видеофиксацию процесса проведения испытаний, и по ее результатам посредством покадровой развертки с наложением координатной сетки позволяющей определить кинематические характеристики перемещения тела маятника.
Скорость спутного потока V определяется входящим в приборное обеспечение маятника измерителем скорости 7.
П
УВ
Далее с использованием зависимостей F(V), (2), (3) и (4) расчетным путем определяется импульс ударной волны I.
Давление на фронте ударной волны Δp, как указывалось выше, при необходимости может определяться введением в приборное обеспечение дополнительного датчика.
Стопорение маятника в крайнем положении от обратного перемещения и последующий возврат в рабочее положение могут осуществляться известными средствами.
Таким образом, маятник предложенной конструкции позволяет определить импульсную нагрузку от ударной волны испытуемого изделия, т.е обеспечивает возможность проведения испытаний и определения характеристик изделий большой массы, с ускорением процесса обработки результатов и повышения степени точности измерений, без существенного увеличения массы тела маятника.
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) ГОСТ 4546-81. Вещества взрывчатые. Методы ки: определения фугасности - М.: ИПК Издательство стандартов, 1998, 10 с.
2) ГОСТ 5984-99. Вещества взрывчатые. Методы определения бризантности - М.: ИПК Издательство стандартов, 2002, 24 с.
3) Н.А. Гладков, Ю.А. Струков, А.С. Чуев. Баллистический маятник. Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу общей физики - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016, 16 с.
(http://ebooks.bmstu.ru/catalog/70/book1379.html)
4) Патент РФ №2676299 от 28.03.2018 «Способ определения импульса взрыва заряда взрывчатого вещества/боеприпаса в ближней зоне», F42B 35/00, G01L 5/14.
4) Антикрыло - http://ru.carshistory.org/tehnologii/antikrylo.html
5) Подъемная сила. Большая российская энциклопедия - электронная версия, - https://bigenc.ru/physics/text/3150586.
6) Бехтир П.Т., Бехтир В.П. Практическая аэродинамика самолета Ил-76Т: Учеб. пособие для школ высшей летной подготовки. - М.: Машиностроение, 1979. - 176 с.
7) Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов - 7-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2003, - 840 с, 311 ил., 22 табл. (с. 134-137)