Установка для испытания боеприпасов на быстрый нагрев
EQUIPMENT FOR TESTING AMMUNITION FOR RAPID HEATING

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, конкретно к устройствам для определения стойкости боеприпасов к внешним тепловым воздействиям.
Актуальной комплексной задачей, стоящей в настоящее время перед оборонно-промышленным комплексом, является разработка боеприпасов (БП), обладающих повышенной стойкостью к опасным внешним воздействиям [1]. БП разрабатываемых конструкций, а также используемые для их снаряжения взрывчатые составы должны обладать определенной стойкостью к быстрому и медленному нагреву, прострелу пулей, осколком, веером осколков, воздействию кумулятивной струи, симпатической детонации и сбросу с высоты.
В частности, испытание боеприпасов на стойкость к быстрому нагреву [2] моделирует поведение БП при наличии источника высокой температуры, - открытого пламени с температурой 550…850°С, при пожаре в складе/хранилище или возгорании топлива в транспортном средстве. Целью испытания на быстрый нагрев является определение реакции и времени до реакции БП при воздействии пламени с быстрым нагревом (когда температура 550°С достигается в течение 30 секунд с момента воспламенения). Причем продолжительность теплового воздействия на БП (в случае отсутствия реакции) должно быть не менее 20 минут.
Традиционно для испытаний БП на быстрый нагрев используются преимущественно нерегулируемые источники пламени, получаемого при горении различных жидких углеводородных горючих типа дизельного топлива или авиационных керосинов (ТС-1, JP-5 и т.п.) в открытых емкостях, зачастую большого размера, существенно превосходящих по площади нагреваемую поверхность БП [3].
Однако, в последнее время появились разработки технических устройств, в которых при проведении данного вида испытаний предложено использовать «нетрадиционные» горючие составы, например гептан и пропан, подаваемые как напрямую в зону горения с помощью газовых горелок различного типа [4, 5], так и через слой песка [6]. Недостатки данных разработок следующие:
1) Стоимость жидких горючих составов типа гептана значительно выше стоимости «традиционных» горючих.
2) В случае использования газообразных топлив требуются достаточно большие капитальные вложения на соответствующие трубопроводные системы, арматуру, горелочные устройства, системы их управления и т.д.
3) Испытания большинства типов БП на быстрый нагрев завершаются взрывом заряда, приводящего к частичному или полному разрушению испытательного оборудования и технологической оснастки, поэтому, с учетом вышеизложенного, устройства с газовыми горелками имеют ограниченную сферу применений.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является установка для испытаний боеприпасов на быстрый нагрев [3] по стандарту НАТО АОР-4240 (STANAG 4240) - test method 2: Mini pool fire.
Установка содержит размещенный на поверхности испытательной площадки резервуар квадратного сечения с открытой поверхностью, заполняемый жидким топливом, и монтируемую по его границам совокупность ветрозащитных экранов, снабженных воздухозаборными устройствами, и размещенных над ними теплоотражающих направляющих поверхностей.
Данной установке присущи следующие недостатки:
1) Повышенный расход топлива - при заполнении резервуара, обеспечивающем 30 минутное горение топлива - порядка 1000 литров.
2) Расположение воздухозаборных устройств значительно выше зоны горения не обеспечивает в ней нормальных условий газопритока и газооттока, что приводит к неполному сгоранию топлива с образованием оксида углерода СО, копоти/сажи и, как следствие, большому загрязнению окружающей воздушной среды.
3) Плоское вертикальное исполнение теплоотражающих направляющих поверхностей, а также отсутствие их внешней теплозащиты не обеспечивает достаточных условий радиационного нагрева верхней поверхности БП.
4) Использование для элементов конструкции достаточно толстолистовых (8…10 мм) стальных пластин, что в целом повышает стоимость установки и усложняет ее монтаж вследствие увеличенного веса составляющих ее конструктивных элементов.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков устройства-прототипа, а именно - уменьшение расхода топлива при проведении испытаний, снижение загрязнения воздушного бассейна продуктами горения, обеспечения условий нагрева верхней (относительно зоны горения) поверхности БП, а также снижение стоимости изготовления и трудозатрат при монтаже установки.
Решение задачи достигается тем, что в известной установке для испытаний боеприпасов на быстрый нагрев, содержащей размещенный на поверхности испытательной площадки резервуар заполняемый жидким топливом, и монтируемую по его границам совокупность ветрозащитных экранов, снабженных воздухозаборными устройствами, и расположенных над ними теплоотражающих направляющих поверхностей, в соответствии с изобретением резервуар для жидкого топлива выполнен в виде призматической емкости, снабженной съемной крышкой с отбортованным продольным пазом, в котором размещен фитиль, нижняя часть которого погружена в жидкое топливо до дна емкости, ветрозащитные экраны выполнены в виде наклонных плоскостей, установленных с зазором относительно поверхности испытательной площадки, служащим в качестве воздухозаборного устройства, а расположенные над ними теплоотражающие направляющие поверхности в продольном направлении выполнены цилиндрическими и снабжены внешней теплоизоляцией.
Сущность изобретения может быть пояснена следующим образом.
Выполнение резервуара для жидкого топлива в виде призматической емкости, снабженной съемной крышкой с отбортованным продольным пазом, в котором размещен фитиль, нижняя часть которого погружена в жидкое горючее до дна емкости, позволяет обеспечить направленный пламенный нагрев нижней и частично боковых поверхностей испытываемого БП за счет использования горения газовоздушной смеси топлива на поверхности фитиля с заданными геометрическими характеристиками, обеспечивающими необходимую «ширину» и «высоту» языков пламени при горении. Съемная конструкция крышки упрощает заполнение резервуара топливом, паз с отбортовкой на крышке служит для удержания фитиля в заданном положении, а погружение последнего вплоть до дна емкости обеспечивает горение до полного ее опорожнения.
Взаимосвязанные волокна фитиля образуют тонкие капиллярные каналы, по которым вследствие, капиллярного эффекта осуществляется дозированная подача жидкого топлива из резервуара к зоне горения. Фитиль улучшает насыщение топлива газом. Это увеличивает локальное давление паров топлива и снижает температуру его вспышки.
При необходимости, в зависимости от геометрических характеристик испытываемого БП, в установке могут использоваться несколько параллельно установленных резервуаров предложенной конструкции, что обеспечивает их призматическая форма, или же один резервуар, в крышке которого размещено несколько параллельно расположенных фитилей.
Наклонные поверхности (плоскости) ветрозащитных экранов, установленные с зазором относительно поверхности испытательной площадки, служат направляющими для забора воздуха из окружающей среды и обеспечивают устойчивый газоприток воздуха непосредственно в зону горения паров топлива на фитилях, - соответственно, лучшие условия для полного сгорания.
Цилиндрическая форма расположенных в верхней части установки теплоотражающих направляющих поверхностей позволяет обеспечить радиационный нагрев верхней поверхности испытуемого БП. Поверхности разогреваются газообразными продуктами сгорания и доходящими до них языками пламени горящего топлива, тепловое излучение от них будет передаваться (отражаться) в радиальном направлении на поверхность БП, а внешняя теплоизоляция служит для уменьшения теплопотерь от указанных конструктивных элементов в окружающую среду.
В габаритном исполнении установка может изготавливаться в соответствии с размерами испытуемого БП, а в качестве металлических конструкционных материалов - применяться тонколистовая (2…3 мм) сталь. Наряду с существенным снижением расхода материалов это позволит уменьшить вес установки и облегчить ее монтаж.
Для теплоизоляции ее теплоотражающих элементов целесообразно использовать маты из минеральной ваты, а в качестве материала фитиля/фитилей - натуральные или искусственные волокнистые материалы, такие как техническая хлопковая вата, стекловолоконные маты и т.п.
Для пояснения работы устройства изобретение дополнено следующей графической информацией:
На фиг. 1-3 в качестве примера схематично (в проекционной связи видов) представлен вариант возможной схемы выполнения установки.
Для упрощения изображений отдельные конструктивные элементы установки, такие как опорные устройства, устройство фиксации БП в заданной позиции и т.п., а также датчики температуры - термопары и соответствующие линии информационной связи, и инициирования электрозапалов условно не показаны.
Установка быстрого нагрева боеприпаса содержит размещенный на поверхности испытательной площадки 1 резервуар 2 заполняемый жидким топливом 3, и монтируемую по его границам совокупность ветрозащитных экранов 4, снабженных воздухозаборными устройствами 5, и расположенных над ними теплоотражающих направляющих поверхностей 6.
Резервуар для жидкого топлива выполнен в виде призматической емкости 2, снабженной съемной крышкой 7 с отбортованным продольным пазом 8, в котором размещен фитиль 9, нижняя часть которого погружена в жидкое топливо 3 до дна емкости.
Ветрозащитные экраны 4 выполнены в виде наклонных плоскостей, установленных с зазором относительно поверхности испытательной площадки, служащим в качестве воздухозаборного устройства 5, а расположенные над ними теплоотражающие направляющие поверхности 6 в продольном направлении выполнены цилиндрическими и снабжены внешней теплоизоляцией 10.
Подготовка к испытаниям и работа установки осуществляются следующим образом.
1) На поверхности испытательной площадки (фиг. 1…3) 1 устанавливают один, или параллельно несколько близкорасположенных резервуаров 2 и заполняют их заданным количеством жидкого топлива 3, обеспечивающим горение в течение не менее 20 минут.
2) В отбортованном продольном пазе 8 съемной крышки 7 фиксированно размещают фитиль 9, после чего резервуар закрывают крышкой. Высоту фитиля подбирают, таким образом, чтобы его верхняя поверхность выступала за отбортовку паза 8, а нижняя часть при закрытии крышки 7 погружалась в жидкое топливо 3 до дна емкости 2. Длина и ширина фитиля для обеспечения самофиксации за счет упругой деформации его волоконной структуры, естественно, должны соответствовать размерам паза 8.
3) По периметру резервуаров 2 монтируют совокупность ветрозащитных экранов 4 с зазором 5 между их нижними кромками и поверхностью площадки 1, служащим входом воздухозаборного устройства.
4) На концах фитиля/фитилей 9 устанавливают электрозапалы, соединенные линией электрической связи с источником напряжения (на иллюстрациях не показаны), а затем с учетом заведомо определенных характеристик пламени при горении фитиля 9 над ним размещают испытуемый БП 11. Опорные устройства для удержания БП 11 в заданной позиции выполняются из стержневых жестких или гибких элементов малого сечения и контактируют с его корпусом в оживальной и донной частях, не заслоняя область корпуса, содержащую заряд ВВ, от нагрева (на иллюстрациях для упрощения условно не показано).
5) Над корпусом БП 11 и ветрозащитными экранами 4, с опорой на них, устанавливают теплоотражающие направляющие цилиндрические поверхности 6, снабженные внешней теплоизоляцией 10. Монтаж осуществляют таким образом, чтобы геометрические оси цилиндрических поверхностей 6 совпадали с продольной осью испытуемого БП 11.
6) Размещение в установке необходимых для контроля процесса испытаний термопар осуществляют параллельно с вышеописанными операциями. Термопары размещают вблизи корпуса БП 11 - снизу, сверху и с боков. При необходимости дополнительные термопары могут быть размещены вблизи оживальной и донной частей корпуса.
Провода измерительных цепей от термопар и линии электрической связи электрозапалов выводятся из установки наружу и соединяются с установленными в безопасной зоне/укрытии входами контрольно-измерительного/регистрирующего устройства, и с источником напряжения.
По завершению вышеописанной сборки/монтажа установки посредством подачи напряжения на электрозапалы осуществляют зажигание фитилей 9. Нагрев корпуса БП 11 осуществляется пламенем горящего топлива 3 (на фиг. 2 условно показано пунктиром), подаваемого в зону горения из резервуара 2 по капиллярным каналам фитиля 9, установленного в отбортованном пазе 8 крышки 7. Направленный подвод воздуха в зону горения происходит снизу через зазоры 5 между ветрозащитными экранами 4 и поверхностью испытательной площадки 1.
Нижняя поверхность БП 11 при этом нагревается непосредственно напрямую пламенем фитиля/фитилей 9, боковые - частично пламенем от параллельно расположенных горящих фитилей, а также обтекающими их продуктами сгорания топлива 3, верхняя - за счет теплового излучения от теплоотражающих направляющих цилиндрических поверхностей 6, снабженных внешней теплоизоляцией 10 (на фиг. 2 поток теплового излучения показан стрелками), нагрев которых происходит также как за счет возможных высоких языков пламени от «боковых» фитилей, так и теплом от продуктов сгорания топлива.
При проведении испытаний по отечественным методикам аналогичным стандарту НАТО АОР-4240 (STANAG 4240) [3], неоднократно было отмечено, что фиксируемая термопарами температура в нижней и верхней зонах относительно поверхностей БП отличается в несколько раз. Кроме того из теории ВВ общеизвестно, что для обеспечения реакции термического разложения вещества заряда ВВ с последующим его взрывом, достаточно обеспечить соответствующий локальный нагрев малой, вплоть до точечной, его области. Поэтому за нулевой момент времени при проведении испытаний БП на быстрый нагрев с использованием предлагаемой установки, с соответствующей синхронизацией процесса измерений, можно считать момент, когда температура, замеряемая одной наиболее нагретой термопарой расположенной под БП, достигнет 550°С. В отличие от методики [3], требующей достижения указанной температуры по всем точкам измерения.
Продолжительность теплового воздействия на БП в случае отсутствия реакции (взрыва/выстрела), как отмечалось выше, должно быть не менее 20 минут.
Таким образом, использование предложенной установки быстрого нагрева боеприпаса позволит обеспечить условия испытаний БП, адекватные реальным, т.е. моделировать поведение БП при наличии источника высокой температуры, - открытого пламени с температурой 550…850°С, аналогичные пожару в складе/хранилище или возгорании топлива в транспортном средстве.
Кроме того установка при проведении испытаний потребляет существенно меньший объем топлива по сравнению с прототипом, что уменьшает загрязнение воздушного бассейна продуктами горения, в том числе и за счет конструктивного обеспечения лучшего газопритока в зону горения. Цилиндрическая форма теплоотражающих поверхностей установки, с одновременной их внешней теплозащитой, улучшает условия нагрева верхней относительно зоны горения поверхности БП. А предложенные для ее реализации конструкционные материалы гарантируют снижение стоимости изготовления и трудозатрат при монтаже.
Источники информации, принятые во внимание при описании заявки
1. Мацеевич Б.В. и др. Боеприпасы повышенной стойкости к опасным внешним воздействиям: особенности конструирования, испытаний и эксплуатации - Красноармейск: ОАО «КНИИМ», 2014, - 168 с.
2. АОР-39 (Edition 3). Guidance on the assessment and development of insensitive munitions (IM) - NATO STANDARDIZATION AGENCY (NSA), 2010, - 143 p.
3. NATO Standard AOP-4240. Fast heating munition test procedures - NATO STANDARDIZATION OFFICE (NSO), 2018, - 46 p. - Прототип.
4. Development of a Surrogate STANAG 4240 Fire Exposure. Pauline M. Smith, William H. Ruppert, Christopher L. Mealy, Joshua B. Dinaburg, Jason E. Floyd, Daniel P. Verdonik, Patrick Taylor, and Noah Lieb - Aberdeen Proving Ground: Army Research Laboratory, 2012, - 94p.
5. Патент КНР CN106895750A Fast ammunition cook-off experience system, F42B 35/00, 2017 г.
6. Fast cook-off test with a sand bed burner. Evaluation of the heating process with LPG compared to Jet Al. Bjorn Evers, Peter Mollerstrom - Lulee University of Technology, Ulf Wickstnjm, LTU and Alf Prytz, Saab Bofors Test Center AB, 2013,79р.