Баллистический маятник
BALLISTIC PENDULUM

Предлагаемое изобретение относится к технике испытаний боеприпасов и взрывчатых веществ (ВВ), конкретно - к устройствам для определения фугасности, бризантности, скорости поражающих элементов, импульса взрыва и т.п.
Одним из известных устройств для определения характеристик ВВ 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. При воздействии на торцовую часть маятника (носок) поражающих элементов (ПЭ) боеприпаса, ударной волны (УВ) или продуктов взрыва он получает соответствующий импульс и отклоняется на некоторый угол с одновременным горизонтальным перемещением, для определения которых используются простейшие измерители угловых и линейных величин. По величине измеренного углового (линейного) перемещения тела маятника с учетом его конструктивных факторов (масса, длина тяг подвеса) расчетным путем определяют характеристики испытуемого заряда.
В зависимости от определяемых характеристик испытуемого заряда носок маятника может быть или плоским /1, 2/, или снабжен полостью /3/ - уловителем поражающего элемента, которая при необходимости может заполняться улавливающей средой.
Недостатком данных конструкций является то, что они преимущественно рассчитаны на испытания небольших по массе экспериментальных зарядов ВВ (лабораторного изготовления), а при воздействии на них нагрузки от поражающих факторов взрыва реальных безоболочечных зарядов ВВ, артиллерийских боеприпасов и мин тело баллистического маятника может отклоняться на большой угол или же перемещаться на большое расстояние по горизонтали, что создает большие неудобства при испытаниях. Простое увеличение массы тела маятника для устранения данного недостатка нерационально. Предварительные расчеты показали, что, например для испытания безоболочечного заряда ВВ 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, но, в отличие от маятников-аналогов, содержащий в конструкции механизм фиксации в крайнем (отклоненном) положении, а также механизм возврата в рабочее положение.
Однако, данная конструкция баллистического маятника вышеотмеченного недостатка, а именно ограничения по возможной массе испытуемых зарядов ВВ, не устраняет.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности проведения испытаний и определения характеристик зарядов ВВ и различных боеприпасов большой массы, с ускорением процесса обработки результатов и повышением точности измерений, 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, с размещенным на его носке уловителем поражающих элементов, заполненным улавливающей средой, устройства для измерения угла отклонения и горизонтального перемещения, механизм фиксации в крайнем положении и механизм возврата в рабочее положение, в соответствии с изобретением уловитель выполнен съемным и в передней части содержит датчик давления и датчик соударений, установленный перед улавливающей средой с зазором, равным максимальному линейному размеру поражающего элемента испытуемого боеприпаса, при этом маятник дополнительно содержит акселерометр, устройство ограничения величины горизонтального перемещения, а также комплект регистрирующей высокоскоростной фотоаппаратуры.
Необходимость и достаточность вышеуказанных отличительных признаков предложенного технического решения может быть пояснена следующим образом.
Выполнение уловителя ПЭ съемным позволит определить их суммарную массу без извлечения из улавливающей среды путем взвешивания уловителя до и после проведения испытаний, что ускорит процесс обработки результатов.
Расположенный в передней части уловителя датчик давления предназначен для определения давления на фронте ударной волны при достижении ею торца маятника, и позволит повысить точность производимых измерений и математической обработки их результатов.
Датчик соударений, установленный перед улавливающей средой, служит для подсчета количества ПЭ, их размеров и скорости. Так как он 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., в качестве датчика целесообразно использовать плоский конденсатор, диэлектриком которого является предварительно заряженный электрет. При взаимодействии ПЭ с датчиком в поражаемом участке происходит деполяризация электрета, вследствие чего через нагрузочное сопротивление измерительной схемы протекает импульс тока, фиксируемый соответствующими регистрирующими приборами. Так как деполяризация (разряд) электрета осуществляется локально, датчик сохраняет свою работоспособность для регистрации последующих попадающих в него ПЭ.
Установка датчика с зазором, равным максимальному линейному размеру ПЭ испытуемого боеприпаса, необходима для того, чтобы перед попаданием в улавливающую среду уловителя ПЭ полностью пробил поверхность датчика, без существенного замедления скорости, что повысит точность измерений.
Входящий в конструкцию маятника акселерометр служит для измерения ускорения, приобретаемого телом маятника под действием взрывного нагружения, и характера его изменения во времени, что также позволит повысить точность обработки результатов измерений.
Комплект регистрирующей высокоскоростной фотоаппаратуры предназначен для видеофиксации процесса проведения испытаний, и по ее результатам посредством покадровой развертки с наложением координатной сетки позволит определить кинематические характеристики перемещения тела маятника.
Устройство ограничения величины горизонтального перемещения позволит сохранить приемлемую величину массы маятника (сотни килограмм вместо десятков тонн) и таким образом избежать увеличения металлоемкости конструкции и соответствующего ее усложнения. Наиболее целесообразно данное устройство выполнить в виде накопителя энергии, преобразующего кинетическую энергию движущегося тела маятника, вплоть до его полной остановки, в накопленную потенциальную. Принцип действия устройства может быть реализован разными способами - за счет обратимой деформации механических упругих элементов (пружин), сжатия газа в герметичном сосуде, перекачки несжимаемой жидкости с одновременным подъемом ее на некоторую высоту и т.п.
Изобретение поясняется следующей графической информацией:
На фиг. 1 в качестве примера представлена принципиальная схема устройства баллистического маятника.
Баллистический маятник содержит массивное тело 1, подвешенное посредством жестких тяг 2 длиной L к неподвижной опоре 3. На носке тела маятника размещен съемный уловитель 4 поражающих элементов, заполненный улавливающей средой 5. Также маятник содержит устройства для измерения угла отклонения 6 и горизонтального перемещения 7, механизм фиксации в крайнем положении 8 и механизм возврата в рабочее положение 9.
Уловитель 4 в передней части содержит датчик давления 10 и электретный датчик соударений 11, установленный перед улавливающей средой с зазором δ, равным максимальному линейному размеру поражающего элемента испытуемого боеприпаса. Дополнительно маятник содержит акселерометр 12 и устройство ограничения величины горизонтального перемещения 13, а также комплект регистрирующей высокоскоростной фотоаппаратуры 14.
В качестве примера на фиг. 1 показано устройство ограничения горизонтального перемещения 13 пружинного типа.
Для упрощения изображения проводные линии связи измерительных элементов (датчиков и акселерометра) маятника с контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой и сама аппаратура условно не показаны.
Работа баллистического маятника осуществляется следующим образом.
Уловитель ПЭ 4, заполненный улавливающей средой 5 предварительно взвешивают, после чего монтируют на тело маятника 1, подвешенное посредством жестких тяг 2 к неподвижной опоре 3. Устанавливают датчик давления 10 и датчик соударений 11 - с зазором 8 от улавливающей среды 5, приблизительно равном максимальному линейному размеру ПЭ испытуемого боеприпаса. Данный зазор может быть обеспечен слоем жесткой низкоплотной среды, способствующей сохранению формы поверхности датчика после нескольких ударов ПЭ и существенно не влияющей на скорость ПЭ при пробитии ими и движении сквозь поверхность датчика (на фиг. 1 показана без обозначения более крупной штриховкой).
Маятник в состоянии равновесия устанавливают передней частью в проем защитного экрана 15 таким образом, чтобы поверхность датчика соударений 11 была с ним заподлицо. Затем осуществляют подключение датчиков маятника к линиям связи с контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратурой.
Испытуемый заряд/боеприпас 16 размещается на некотором заданном расстоянии R от поверхности датчика соударений 11, и осуществляется его подрыв.
После подрыва передняя часть маятника в первую очередь нагружается совокупностью ПЭ боеприпаса, величина и скорость которых перед попаданием в улавливающую среду 5 уловителя 4 фиксируются датчиком соударений 11. Т. е. посредством датчика соударений и сопутствующей ему контрольно-измерительной аппаратуры определяется импульс, передаваемый телу маятника от ПЭ:
i
где m - масса i-го ПЭ, кг;
i
v - скорость z-го ПЭ, м/с.
Вторая составляющая импульса, передаваемая телу маятника определяется давлением на фронте ударной волны, величина которого Δр определяется датчиком 10:
где Δр - максимальное давление на фронте ударной волны, Па;
S - площадь поверхности, на которую воздействует УВ;
ув
τ - время действия давления ударной волны, с.
Наконец, третья составляющая импульса, передаваемая телу маятника давлением продуктов взрыва, может быть определена как
3
где ρ - плотность продуктов взрыва, кг/м;
S - площадь поверхности, на которую воздействует давление продуктов взрыва;
ПВ
τ - время действия давления продуктов взрыва, с.
Таким образом, при воздействии на торцовую часть маятника ПЭ боеприпаса и УВ, он получает соответствующий суммарный импульс:
где М - масса баллистического маятника совместно со всеми механически связанными с ним устройствами и их компонентами до проведения испытаний;
V - скорость, приобретаемая маятником в результате воздействия взрывной нагрузки от испытуемого боеприпаса/заряда.
- суммарная масса ПЭ, определяемая путем взвешивания съемного уловителя после проведения испытаний;
Σ
М - суммарная масса маятника с уловленными ПЭ.
а
a
Тело маятника 1 совместно со всеми механически связанными с ним устройствами и их компонентами (2, 4, 5, 10, 11, 12) сначала приобретает некоторое ускорение , а по завершению воздействия вышеуказанных факторов - скорость V=t, и совершает плоско-параллельное перемещение, т.е. одновременно в двух направлениях - горизонтальном и вертикальном.
Благодаря наличию устройства ограничения горизонтального перемещения 13 тела маятника - накопителя энергии, преобразующего кинетическую энергию движущегося тела маятника, вплоть до его полной остановки, в накопленную потенциальную за счет обратимой деформации механических упругих элементов (пружин), перемещение тела маятника в горизонтальном направлении осуществится не на максимально возможную величину, а на некоторое значительно меньшее расстояние х, зависящее от коэффициента жесткости пружин, и определяемое измерителем линейных перемещений 7, и в вертикальном на расстояние Н, которая легко определяется с учетом длины L тяг 2 и угла их отклонения ϕ, измеренного посредством устройства (угломера) 6:
Параллельно перемещение тела маятника отслеживается комплектом регистрирующей высокоскоростной фотоаппаратуры 14.
С учетом измеренных/вычисленных величин х и Н энергия, приобретаемая маятником, составит:
где g - ускорение силы тяжести, м/с;
Н - высота подъема центра тяжести маятника, м;
k - коэффициент жесткости пружин устройства ограничения горизонтального перемещения, Н/м;
х - горизонтальное перемещение тела маятника, м.
ПВ
С использованием зависимости (6) с учетом (1), (2) и (4) определяется составляющая импульса от воздействия продуктов взрыва I (3).
При достижении телом маятника крайнего положения, он стопорится от обратного перемещения механизмом фиксации 8, который, например, может быть выполнен по принципу реечно-храпового механизма.
Последующий возврат тела маятника в рабочее положение осуществляется механизмом 9, представляющим собой, как вариант выполнения, лебедку с тросом.
И таким образом, маятник предложенной конструкции позволяет определить все составляющие импульсных нагрузок от испытуемого заряда/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, 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 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) А.с. №199451, G01L 5/14, Маятниковая баллистическая установка для определения работоспособности взрывчатых веществ, 1967