СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ОСКОЛОЧНОГО БОЕПРИПАСА С ОСЕСИММЕТРИЧНЫМ ПОЛЕМ РАЗЛЕТА ОСКОЛКОВ И СТЕНД ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO TEST FRAGMENTATION AMMUNITION WITH AXISYMMETRIC FIELD OF FRAGMENT EMISSION AND BENCH FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к способам испытания осколочных боеприпасов естественного и заданного дробления с осесимметричными полями.
Для оценки эффективности действия осколочных боеприпасов по различным целям необходимо знать распределение по количеству осколков, их массам и начальным скоростям в заданном пространстве поражения цели.
Известен способ испытания боеприпасов путем подрыва в щитовой мишенной обстановке, выполненной в форме полуцилиндрической вертикальной мишенной стенки, обшитой листовым материалом (фанера, картон, рубероид), при пробитии которого осколком образуется пробоина с четкими очертаниями /1/. На внутренней поверхности обшивки нанесены контуры проекции части сферы, ограниченной двумя меридианальными сечениями с углом Δθ между ними, а также линии границ угловых секторов с шагом Δφ. Подрываемый боеприпас устанавливается в центре полуцилиндра в горизонтальном положении, на стойке с высотой, равной половине высоты стенки, причем ось снаряда совпадает с прямой, соединяющей вертикальные торцы стенки. После подрыва визуально подсчитываются пробоины в каждом секторе обшивки, проводится измерение размеров и площадей пробоин, производится их пересчет на массу осколка и, таким образом, определяется распределение осколков по углам разлета.
Основным недостатком указанного способа является его низкая точность при определении массы осколка по площади пробоины, невозможность разделения полей, формируемых различными поражающими элементами осколочных боеприпасов, имеющих в составе оболочки несколько их типов, невозможность фиксации момента удара осколка об обшивку вследствие отсутствия световой вспышки в момент удара, что затрудняет измерение времени между взрывом и соударением осколка с обшивкой, а следовательно, и определение его скорости. Кроме того возможно также искажение результатов оценки испытаний за счет попадания в обшивку полуцилиндрической стенки осколков, рикошетирующих от грунта.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ испытания осколочного боеприпаса с круговым полем разлета осколков и стенд для его реализации /2/, включающий подрыв боеприпаса в горизонтальном положении в центре вертикальной полуцилиндрической мишенной стенки, размеченной на зоны, соответствующие угловым зонам разлета осколков в экваториальной и меридиональной плоскости, подсчет числа осколков, подающих в каждую зону, измерение размеров и площади пробоин, отличающийся тем, что осколки улавливают улавливателем, размещенным на стенке, извлекают из улавливателя с фиксацией места попадания и сортируют внутри каждой угловой зоны по массовым группам.
Стенд для испытания осколочного боеприпаса, предназначенный для реализации указанного способа, содержит вертикальную мишенную стенку, выполненную в форме полуцилиндра и обшитую металлическим листовым материалом с нанесенными на ней зонами, соответствующими угловым зонам разлета осколков в экваториальной и меридианальной плоскости, улавливатель помещенный между обшивкой и стенкой, стойку, расположенную в центре полуцилиндра, для установки на ней в горизонтальном положении боеприпаса по линии, соединяющей середины торцев полуцилиндра, а также электрическую систему подрыва и регистрации и противорикошетную полуцилиндрическую стенку.
о
Кроме того, в описании способа - прототипа предусмотрено выполнение листовой обшивки из отдельных панелей, соответствующих ячейкам улавливателя, причем панели могут быть выполнены состоящими из двух частей, изолированных друг от друга и электрически соединенных с системой подрыва и регистрации. Части панели образуют некоторую емкость С. При входе группы осколков в ближнюю зону панелей емкость изменяется, что фиксируется регистрирующим прибором.
Известен также способ метрологического обнаружения снарядов или осколков в районе цели /3/, предусматривающий размещение на мишенной стенке плоских конденсаторов, выполненных по классической конструкции - два слоя металлической (алюминиевой) фольги, разделенных пленочным или бумажным изолятором. Регистрация поражения мишени и скоростных характеристик осколка производится путем измерения тока короткого замыкания между двумя обкладками конденсатора.
Вышеописанный способ испытания осколочных боеприпасов /2/, выбранный в качестве способа-прототипа, не лишен отдельных недостатков:
- осуществление способа требует больших трудозатрат;
- выполнение множества операций, требующих наличия человеческого фактора - таких как измерение размеров и площади пробоин, подсчет и сортировка числа осколков, попадающих в каждую зону мишенного щита, влечет за собой большую вероятность ошибок в измерениях;
- исполнение мишенного щита в форме полуцилиндрической стенки не всегда соответствует фронту разлета осколков в заданном пространстве поражения цели, тем более при горизонтальном положении оси боеприпаса, описанном в прототипе.
В описании стенда для реализации способа /2/ присутствуют ссылки на использование конденсаторных датчиков регистрации поражения мишенной стенки, однако, представленная на иллюстрации конкретная их конструкция обладает исключительно малой емкостью, что потребует для обеспечения работоспособности и учета полезного сигнала крайне чувствительных измерительных средств, в свою очередь нуждающихся в усиленной защите от наводок неконтролируемых внешних электромагнитных полей. Кроме того, емкость подобной конденсаторной системы будет сильно изменяться в зависимости от внешних атмосферных условий - температуры, влажности и запыленности окружающего воздуха, а также возможного наличия в зоне действия датчика биогенных факторов, например насекомых.
Недостатком датчика для регистрация осколков по способу /3/ является его фактическая одноразовость. Конденсатор предложенной конструкции при замыкании обкладок пролетающим осколком полностью разрядится, и таким образом к дальнейшей работе будет непригоден. Потребуется время на повторную зарядку, в течение которого в датчик может попасть минимум еще один осколок, который должным образом не будет зарегистрирован. Наконец, ввиду малой толщины предложенного конденсаторного датчика и исполнения обкладок из фольги, по определению - пластичного материала, имеется большая вероятность замыкания обкладок при их пластической вытяжке при контакте с проникающим телом. В этом случае повторный заряд конденсатора невозможен.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение трудозатрат при одновременном повышении точности измерений с целью создания автоматизированных систем сбора и обработки информации об осколочных полях поражения испытуемых боеприпасов.
Решение задачи достигается тем, что в известном способе испытания осколочного боеприпаса с осесимметричным полем разлета осколков, включающим подрыв боеприпаса установленного в заданном положении в центре профилированной мишенной стенки, размеченной на зоны, соответствующие направлениям разлета осколков в принятой системе координат, регистрацию попаданий, улавливание и подсчет числа осколков, попадающих в каждую зону, измерение размеров и площади пробоин, в соответствии с изобретением оценку качественных и количественных характеристик осколочного поля по массам, скоростям, форме и размерам осколков осуществляют посредством регистрации, записи и последующей обработки сигналов с электретных датчиков, размещенных по соответствующим зонам мишенной стенки и равным им по размерам.
Реализация предложенного способа, в свою очередь, достигается тем, что в известном стенде для испытания осколочного боеприпаса с осесимметричным полем разлета осколков, содержащем профилированную мишенную стенку, обшитую листовым материалом с нанесенными на нем зонами, соответствующими направлениям разлета осколков в принятой системе координат, в соответствии с изобретением мишенная стенка выполнена с возможностью регулировки радиуса кривизны, а ее обшивка выполнена в виде набора электретных датчиков, по отдельности электрически связанных с компьютеризованной системой регистрации и записи, при этом электроды датчика выполнены из механически слабосвязанных мелкодисперсных металлических частиц.
Наиболее важным требованием для автоматизации сбора и обработки информации об осколочных полях поражения испытуемых боеприпасов является наличие соответствующих характеристик первичного преобразователя-датчика соударений, генерирующего электрический сигнал при взаимодействии с движущимся поражающим элементом (ПЭ).
Датчик соударений должен обладать целым рядом специфических особенностей: иметь однозначную связь полезного сигнала с характеристиками ПЭ (скорость, размер), достаточную помехоустойчивость, оставаться работоспособным после воздействия на него нескольких ПЭ и т.д.
Вышеуказанными особенностями обладает электретный датчик, представляющий собой плоский конденсатор, диэлектриком которого является предварительно заряженный электрет. Обкладки конденсатора соединяются через нагрузочное сопротивление R. С целью повышения помехоустойчивости передняя, по отношению к метаемому ПЭ, обкладка датчика заземляется.
При взаимодействии ПЭ с датчиком в поражаемом участке мишенной стенки происходит деполяризация электрета, вследствие чего через нагрузочное сопротивление протекает импульс тока, фиксируемый соответствующими регистрирующими приборами. Т.к. деполяризация (разряд) электрета осуществляется локально, датчик сохраняет свою работоспособность для регистрации последующих попадающих в него ПЭ.
Выполнение мишенной стенки с возможностью регулировки радиуса кривизны позволит более точно задать ее конфигурацию в соответствии с прогнозируемым фронтом разлета ПЭ боеприпаса в заданном пространстве поражения цели, что приведет к более точной оценке характеристик осколочного поля.
Мишенная стенка может быть выполнена в виде решетчатой рамной конструкции, с элементами решетки в виде набора замкнутых выпуклых геометрических фигур - треугольников, прямоугольников и т.д., снабженных в узлах сопряжения углов шарнирными элементами, обеспечивающими возможность поворота относительно двух взаимно перпендикулярных осей.
Также мишенная стенка может быть выполнена в виде сетки их гибких прутковых материалов, при этом профилирование стенки по заданным радиусам осуществляется изгибом прутков сетки в необходимых местах.
Еще одним вариантом выполнения мишенной стенки может быть сборная конструкция из образующих решетку трубчатых элементов, соединяемых посредством крестовин из гибкого материала.
Эксперименты показали, что вполне приемлемыми электретными характеристиками обладает винипласт - достаточно широко распространенный и дешевый термопластичный полимерный материал. Поэтому электретная основа датчика может изготавливаться из винипласта.
Ввиду, по определению, малой толщины электретного датчика и хорошими технологическими свойствами термопластов, в процессе изготовления он может быть спрофилирован в виде поверхности с заданными радиусами кривизны в заданной системе координат.
Исполнение электродов датчика из механически слабо связанных мелкодисперсных металлических частиц обеспечит тонкое локально-хрупкое покрытие, которое, в отличие от фольги, в процессе взаимодействия с ПЭ практически не может вытягиваться и создавать электрический контакт с проникающим телом.
В частности электроды датчика могут наноситься на электретную подложку гальваническими методами, например электрохимическим меднением.
Также для электродов могут использоваться наклеиваемые на электретную подложку тонкие металлизированные полимерные пленки.
Изобретение поясняется следующей графической информацией.
На фиг.1 изображена схема проведения экспериментов по определению характеристик электретного датчика.
На фиг.2 представлены типичные осциллограммы сигналов с электретного датчика при пробитии его стальным шариком.
На фиг.3 приведена зависимость максимальной амплитуды сигнала от скорости ПЭ.
На фиг.4 - зависимость удельного заряда (отнесенного к единице площади датчика) от скорости ПЭ для различных диаметров шариков.
На фиг.5 - зависимость длительности сигнала от скорости ПЭ.
На фиг.6, 7 - форма и геометрические размеры модельных ПЭ.
На фиг.8, 9 - осциллограммы электрических сигналов с датчика при простреле конусом и ступенчатым цилиндром соответственно.
На фиг.10 - график зависимости отношения амплитуды сигнала к диаметру ПЭ от скорости встречи с датчиком.
На фиг.11 - схема определения отклика датчика на кумулятивную струю.
На фиг.12 - осциллограмма сигнала от кумулятивной струи.
На фиг.13-15 схемы вариантов исполнения несущей металлоконструкции мишенной стенки.
Для определения характеристик и подтверждения работоспособности датчика проведен комплекс экспериментальных исследований. Схема экспериментов изображена на фиг.1. Были определены величина максимальной амплитуды сигнала и его длительность при различных скоростях ПЭ, величина удельного заряда, отнесенного к единице площади, для различных скоростей ПЭ.
В процессе проведения эксперимента датчик 2, служивший мишенью, пробивался стальными шариками диаметром 4, 6 и 8 мм, метаемыми из пороховой пушки калибром 15,2 мм. Метание ПЭ в каждый датчик осуществлялось до его полного разрушения. Амплитуда сигнала оставалась практически постоянной для шариков одного диаметра, имевших одинаковую скорость, при расстоянии 1…2 мм между краями соседних пробоин.
Измерения скорости встречи ПЭ с мишенью и синхронизации запуска осциллографа производились фотоэлектрической системой измерения скорости и синхронизации запуска 1.
Определение максимальной амплитуды сигнала и величины заряда, выделившего в нагрузку (с выхода интегратора 3), осуществлялось двумя импульсными вольтметрами 4 типа В4-17. Форма сигналов контролировались двухлучевым осциллографом 5 типа ОК-33.
Типичные осциллограммы сигналов с электретного датчика при пробитии его стальным шариком представлены на фиг.2. Ориентация электрета такова, что направление вектора поляризации противоположно направлению движения ПЭ. В этом случае сигнал имеет положительную полярность. При измерении ориентация электрета полярность сигнала меняется на противоположную, а амплитуда остается неизменной.
Экспериментальная зависимость максимальной амплитуды сигнала от скорости ПЭ приведена на фиг.3. Из графика видно, что при скоростях выше 0,3 км/с амплитуда сигнала превышает 0,1 В, и достаточна для надежной регистрации. Величина сигнала зависит от размеров ПЭ. Чем больше диаметр шарика, тем больше сигнал (нижняя кривая - диаметр шарика 4 мм, средняя - 6 мм, верхняя - 8 мм).
Экспериментальная зависимость удельного заряда (отнесенного к единице площади датчика) от скорости ПЭ для различных диаметров шариков (диаметр шарика: +- 4 мм; ♦ - 6 мм;  - 8 мм), представленная на фиг.4, показывает, что при скоростях выше 0,8 км/с величина удельного заряда мало зависит от скорости соударения. Это свидетельствует о практически полной деполяризации электрета в зоне поражения в процессе взаимодействия с ПЭ. Наблюдаемое некоторое превышение величины удельного заряда для шариков диаметром 4 мм по сравнению с шариками диаметром 6 и 8 мм можно объяснить тем, что величина области деполяризации несколько превышает размер шарика. Эта относительная прибавка заряда играет определенную роль для шарика диаметром 4 мм, но несущественна для шариков диаметром 6 и 8 мм.
Таким образом по величине выделившего заряда с достаточной степенью точности может быть определен размер поперечного сечения ПЭ.
Время взаимодействия ПЭ с мишенью рассчитывалось по зависимости
<mrow><mi>τ</mi><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mi>R</mi><mo>+</mo><mi>δ</mi></mrow><mi>W</mi></mfrac></mrow>
где R - радиус шарика;
δ - толщина датчика;
W - скорость ПЭ.
Как видно из графика фиг.5, расчетная величина τ в диапазоне скоростей выше 0,4 км/с достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными (пунктиром проведены теоретические кривые для шариков разных диаметров: нижняя - 4 мм, средняя - 6 мм, верхняя - 8 мм). Это позволяет по длительности сигнала определять время взаимодействия ПЭ с преградой и связывать это время с размерами реальных ПЭ.
Для исследования зависимости электрического сигнала датчиков от геометрических характеристик ПЭ произведено простреливание их телами, имеющими форму конуса, а также цилиндра со ступенчатыми изменениями диаметра. Эти элементы хорошо имитируют ПЭ незаданного дробления, с точки зрения возможности замыкания ими электродов датчика в момент пробития. Форма, геометрические размеры тел приведены на фиг.6 и 7.
Осциллограммы электрических сигналов с датчика при простреле конусом и ступенчатым цилиндром соответственно, приведенные на фиг.8 и 9 подтверждают отсутствие замыкания электродов.
Форма сигнала предполагает, что датчик позволяет определять мгновенную скорость тел, имеющих ступенчатое изменение площади поперечного сечения в направлении движения (например, скорость снарядов, имеющих обечайку).
Из проведенных экспериментов следует, что сигнал с датчика функционально связан с размерами, формой и скоростью ПЭ, что позволит при определении характеристик осколочного поля поражения реальных боеприпасов исключить при необходимости из рассмотрения сигналы от неэффективных осколков (малой скорости и массы).
Также установлено, что пробитый датчик сохраняет работоспособность, за исключением, разумеется, случаев попадания ПЭ в уже имеющееся отверстие.
Наряду с вышеописанными были проведены исследования электретных датчиков по анализу сигналов, получаемых при соударении с датчиком гиперзвуковых ПЭ. Эксперименты производились в широком диапазоне скоростей. Метание сферических стальных ПЭ диаметром 9,6 и 13,6 мм производилось пороховой пушкой в диапазоне скоростей от 0,5 до 1,8 км/с и двухступенчатой легкогазовой пушкой в диапазоне скоростей от 2,0 до 3,5 км/с. Скорость ПЭ измеряли с помощью неконтактных индукционных датчиков, при этом учитывалось торможение ПЭ в воздухе. Электрические сигналы, генерируемые датчиком, подавались на осциллограф С8-13, имеющий входное сопротивление 50 Ом, через согласованную кабельную линию.
Из графика, представленного на фиг.10, видно, что амплитуда сигнала, отнесенная к диаметру ПЭ, растет со скоростью, причем для приближенной оценки можно принять рост линейным.
2
Исходя из анализа экспериментальных данных, а также из решения задачи об электрическом отклике электретного датчика при произвольной активной нагрузке был сделан вывод, что выделяемый удельный заряд при скорости встречи сферического ПЭ с датчиком свыше 1,5 км/с составляет около 0,25÷0,30 мкКл/см и практически не зависит от скорости, т.е. при этом происходит полная мгновенная деполяризация электрета в зоне соударения. В диапазоне скоростей ПЭ до 3,4 км/с, нет признаков влияния электропроводности материала датчика на электрический отклик. Указанный вывод может быть принят для ориентировочной оценки поведения датчика при гиперзвуковых скоростях ПЭ.
Для оценки работоспособности датчика при более высоких скоростях ПЭ использовался кумулятивный заряд, обеспечивающий скорость головного осколка струи 6,5…7,5 км/с, при схеме измерения, изображенной на фиг.11.
На осциллограмме сигнала с длина разверти 100 мкс от кумулятивной струи (фиг.12) виден импульс напряжения положительной полярности амплитудой 4,8 В, а также последующие пики напряжения, полученные от других фрагментов струи.
Эксперименты подтвердили работоспособность датчика при воздействии на него ПЭ со скоростями до 7,5 км/с. Замыканий датчика в указанном диапазоне скоростей ПЭ, характерном для боевых частей боеприпасов с круговым полем разлета гиперзвуковых ПЭ, не обнаружено.
Зависимость площади пробоины от характеристик преграды и ПЭ, имеет вид:
<mrow><mfrac><mrow><mi>S</mi><mi>п</mi><mi>п</mi></mrow><mrow><mi>S</mi><mi>o</mi></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>=</mo><mi>A</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>h</mi><mrow><msqrt><mrow><msub><mi>S</mi><mn>0</mn></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>n</mi></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>V</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где А - коэффициент, учитывающий характеристики преграды;
V - скорость встречи ПЭ с преградой, км/с;
h - толщина преграды, см;
o
2
S - площади миделева сечения ПЭ, см;
пp.
2
S - площадь пробоины, на просвет, см.
Из приведенной зависимости следует, что площадь пробоины пропорциональна величине (V-1), а следовательно, выделяемый датчиком заряд, в свою очередь пропорциональный площади пробоины (или соударения с ПЭ), также будет расти и в случае полной деполяризации на участке соударения.
В случае обычных боевых частей боеприпасов с готовыми ПЭ, как правило, площади пробоин от нормальных ПЭ близки между собой, поэтому следует ожидать и выделения примерно одинаковых зарядов. Тогда при использовании аналого-цифровой многоуровневой системы записи сигналов можно по величине зарядов, выделенных датчиком, судить о количестве нормальных ПЭ.
Как показали многочисленные эксперименты, наиболее адекватные результаты работы датчика, позволяющие установить достоверные корелляционные зависимости сигнала от характеристик ПЭ, получаются в случае нормального (или близкого к нему) соударения ПЭ с преградой.
На фиг.13 схематично представлен фрагмент мишенной стенки, с возможностью регулирования радиуса кривизны в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, что позволит более точно задать ее конфигурацию в соответствии с прогнозируемым фронтом разлета ПЭ боеприпаса в заданном пространстве поражения цели. Стенка показана в виде решетчатой рамной конструкции, с элементами решетки в виде набора прямоугольников 6, снабженных в узлах сопряжения углов шарнирными элементами 7, обеспечивающими возможность поворота относительно двух взаимно перпендикулярных осей. Благодаря наличию шарнирных элементов стенке можно задать соответствующие радиусы кривизны, - в вертикальной плоскости Rв, в горизонтальной - Rг. Причем, в зависимости от прогнозируемого фронта разлета ПЭ, эти радиусы можно задавать как функции соответствующих координат, например высоты для Rв и расстояния от испытываемого боеприпаса для Rг. Таким образом, стенка будет иметь форму вогнутой пространственной поверхности; при размещении на ней датчиков ПЭ будут с ними взаимодействовать на траекториях максимально приближенных к нормали в точке поражения, что повысит точность результатов.
т
Т
Схематично на фиг.14 изображен пример выполнения мишенной стенки в виде сетки их гибких прутков 8, с узлами 9. Профилирование стенки, осуществляемое изгибом прутков сетки, показано с текущими значениями радиусов изгиба в соответствующих плоскостях - Rг и RВ, заданными функционально или по шаблону.
Фиг.15 иллюстрирует еще один возможный вариант сборки мишенной стенки. Здесь решетка набирается из трубчатых элементов 10, соединяемых посредством крестовин из гибкого материала 11. Задание необходимого радиуса пространственного профиля стенки осуществляется изгибом стержней крестовины относительно соответствующих осей.
Предлагаемый способ испытаний осколочных боеприпасов с осесимметричным полем разлета осколков и стенд для его реализации при использовании аналого-цифровой многоуровневой системы записи сигналов с электретных датчиков ускорит, по мере набора статистических данных, создание автоматизированных систем сбора и обработки информации об осколочных полях поражения. Такие системы будут иметь ряд очевидных преимуществ перед существующей в настоящее время методикой испытаний, основанной на скоростной киносъемке и множестве «бесприборных» измерений.
Источники информации
1. Авиационные боеприпасы. Под ред. В.А.Кузнецова, М.: Изд. ВВИА им. Жуковского, 1968 г., стр.303.
2. Патент РФ №2131583, F42B 35/00, 1996 г., Способ испытания осколочного боеприпаса с круговым полем разлета осколков и стенд для его реализации.
3. Патент Германии №3702428, F42B 35/00, 1987 г., Verfahren und Vorrichtung zum meβtechnischen Erfassen eines Projektils oder Teilen hiervon.