Способ воспроизведения действия воздушной ударной волны повышенной длительности, преломленной в воду, на подводные инженерные боеприпасы в условиях открытого водоёма
METHOD OF REPRODUCING THE ACTION OF AN AIR SHOCK WAVE OF HIGH DURATION, WHICH IS REFRACTED INTO WATER, ON UNDERWATER ENGINEERING AMMUNITION IN OPEN WATER RESERVOIR CONDITIONS

Способ воспроизведения действия воздушной ударной волны повышенной длительности, преломленной в воду, на подводные инженерные боеприпасы в условиях открытого водоема относится к технике испытаний и может быть использован при проведении предварительных и приемочных испытаний вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ).
При разработке и создании большинства новых образцов вооружения, военной и специальной техники задаются требования по стойкости к поражающим факторам ядерного взрыва (ЯВ). Частным случаем задания таких требований являются требования по стойкости создаваемых инженерных боеприпасов (противодесантных мин) к действию воздушной ударной волны (ВУВ), формируемой при ЯВ в воздухе, которая имеет амплитуду по фронту несколько сот килопаскалей при длительности более сотни миллисекунд. Инженерные противодесантные мины предназначены для минирования прибрежной зоны морей, рек и озер в целях поражения десантных средств, боевых и транспортных плавающих машин и устанавливаются на мелководье на глубинах от 5 до 30 метров. При наземном или воздушном маловысотном ЯВ возможно воздействие ВУВ, имеющей повышенную длительность, на установленные в боевое положение противодесантные мины. Непосредственное действие на боеприпас оказывает преломленная подводная ударная волна (ПУВ), которая формируется при прохождении воздушной ударной волны над водной поверхностью.
Известен способ создания ВУВ повышенной длительности, заключающийся в подрыве на открытом пространстве компактного заряда взрывчатого вещества (ВВ) большой массы, расположенного на заданном расстоянии от объекта воздействия [1]. Однако затраты на подготовку и подрыв зарядов ВВ массой 1000 и более тонн могут быть соизмеримы с затратами на разработку испытуемого образца ВВСТ или составлять значительную их часть. Кроме того, подобные эксперименты являются уникальными и единичными и требуют отчуждения больших территорий, включающих значительную акваторию, при испытаниях подводных инженерных боеприпасов.
Отечественный оборонно-промышленный комплекс располагает установками (комплексами ударных труб), позволяющими воспроизводить ВУВ с требуемыми параметрами [2, 3]. Комплексы ударных труб (УТ) предназначены для испытаний только наземных образцов ВВСТ. Для испытаний ВВСТ, установленных в воде на глубинах до 30 метров, экономически нецелесообразно строить на берегу водоемов подобные комплексы, которые представляют собой сложные инженерные сооружения большой протяженности.
Известны два варианта способа создания воздушной ударной волны, патент на изобретение RU №2387968, МПК G01M 7/08, опубл. 27.04.2010, бюл. №12 [4]. По первому варианту создание воздушной ударной волны реализуется размещением заряда ВВ на заданном расстоянии от объекта воздействия и его подрыв. В качестве заряда ВВ используют удлиненный заряд с изменяемой по его длине погонной массой.
Длина заряда L=V×T, м,
где: - V - скорость звука в воздухе, м/с;
- Т - длительность ВУВ, с.
Заряд размещают вдоль прямой линии, подрыв его производят с любого торца, а объект воздействия размещают со стороны торца заряда с меньшей погонной массой.
По второму варианту создание воздушной ударной волны реализуется размещением нескольких удлиненных зарядов ВВ с изменяемой по длине погонной массой, которые устанавливают по окружности заданного радиуса на заданном расстоянии друг от друга, а в центре окружности размещают объект воздействия. При этом торцы зарядов с меньшей погонной массой размещают со стороны центра указанной окружности, а подрыв зарядов осуществляют последовательным инициированием зарядов с любого торца с заданным временем задержки подрыва каждого последующего заряда относительно подрыва предыдущего, что позволяет получить ВУВ с требуемыми параметрами путем сложения воздушных ударных волн в месте размещения объекта воздействия.
В примерах, приведенных в [4], для реализации ВУВ с заданными параметрами по первому варианту требуется подрыв удлиненного заряда длиной ~270 м и массой ВВ ~9700 кг с изменяемой по его длине погонной массой ВВ при размещении объекта испытаний на расстоянии ~100 м от конца заряда с меньшей погонной массой. По второму варианту воспроизвести ВУВ с теми же параметрами можно с помощью 33 удлиненных зарядов длиной ~27 м с изменяемой по длине каждого заряда погонной массой (общая масса ВВ зарядов ~2000 кг) на расстоянии ~25 м от конца зарядов (в месте установки объекта воздействия). И в первом и во втором случаях для испытаний подводных объектов практически невозможно использовать подобные конструкции на водной поверхности в условиях открытого водоема, обеспечив их неизменную геометрию. Кроме того, заявленные в изобретении амплитудные значения ВУВ лежат в диапазоне нескольких килопаскалей.
Прототипом предлагаемого изобретения является способ формирования ВУВ повышенной длительности путем подрыва на открытом пространстве компактного заряда взрывчатого вещества (ВВ) большой массы, расположенного на заданном расстоянии от объекта воздействия [1].
Основной задачей при проведении испытаний ВВСТ по подтверждению требований к стойкости действия ВУВ повышенной длительности является достоверное моделирование (воспроизведение) взрывного нагружения на подводный объект испытаний, что предполагает воздействие на него ПУВ, параметры которой соответствуют преломленной ПУВ, сформированной проходящей над водной поверхностью ВУВ.
Показателями стойкости подводных объектов ВВСТ к действию ВУВ повышенной длительности являются сохранение целостности корпуса и сохранение работоспособности после взрывного нагружения.
Воздействие преломленной ПУВ на корпус боеприпаса, который установлен под водой, представляет собой дифракционный процесс его обтекания волной давления в течение характерного промежутка времени, не превышающего нескольких миллисекунд, и последующего периода статического нагружения корпуса «хвостом» подводной ударной волны.
В результате анализа взрывного воздействия и возникающих напряженно-деформированных состояний типовых корпусов подводных объектов испытаний (противодесантных мин) с использованием методов численного моделирования установлено, что время разрушения их корпусов под водой при критических нагрузках (нагрузках с минимальной амплитудой, при которой происходит пластическое разрушение корпуса) значительно меньше длительности действия преломленной ПУВ, формируемой проходящей над водной поверхностью ВУВ повышенной длительности. При нагрузках, превышающих критические, длительность процесса разрушения еще меньше. В случае же нагрузок, меньших критических, их длительность не влияет на конечный результат [5].
На фиг. 1 представлены зависимости величины деформирования корпуса конкретного объекта испытаний от времени и величины нагружения. На фиг. 1 w - прогиб корпуса образца; t - длительность воздействия.
Таким образом, действие преломленной ПУВ, порождаемой ВУВ повышенной длительности, предлагается воспроизводить комбинацией взрывного нагружения, создаваемого ВУВ меньшей длительности, и постоянной статической нагрузкой (давления), совместное разрушающее действие которых, с учетом характеристик конструктивной прочности объекта испытаний, с достаточным приближением эквивалентны действию нагрузки от ВУВ повышенной длительности. В данном случае амплитуда и длительность взрывной нагрузки должны соответствовать амплитудным и временным параметрам дифракционного процесса.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение затрат и уменьшение количества химического ВВ, необходимого для воспроизведения действия ВУВ повышенной длительности на подводные объекты.
Технический результат достигается тем, что действие ПУВ на подводный объект испытаний преломленной в воду, которая формируется при прохождении ВУВ повышенной длительности над водной поверхностью в месте установки объекта, обеспечивают совокупностью действия динамического и статического давления (фиг. 2).
Динамическую фазу ПУВ, которая характеризуется длительностью дифракционного процесса и амплитудой, равной удвоенной амплитуде ВУВ повышенной длительности, формируют подрывом сосредоточенного заряда химического ВВ в воздухе на некоторой высоте над поверхностью воды. Преломленная ПУВ с учетом характеристик конструктивной прочности объекта испытаний создает нагрузки с достаточным приближением эквивалентные дифракционному давлению преломленной ПУВ, формируемой ВУВ повышенной длительности. Статическую фазу формируют действием гидростатического давления, для чего объект испытаний размещают на глубине, обеспечивающей требуемые параметры воздействия. Она воспроизводит действие нагрузок от «хвоста» ВУВ повышенной длительности на объект испытаний.
Технический результат достигается при выполнении всей совокупности существенных признаков изобретения для объектов испытаний, сумма геометрических размеров которых по трем измерениям не превышает 2-х метров.
Технической проблемой, решение которой обеспечит заявляемое изобретение, является расширение арсенала технических средств для проведения испытаний подводных инженерных боеприпасов на стойкость к поражающему действию факторов ЯВ.
Осуществимость изобретения подтверждена рядом экспериментов и испытаниями противодесантной мины, проведенными на открытой акватории в НИЦ БТС 12ЦНИИ МО РФ [5].
Перед проведением экспериментальной части исследований был проведен расчет прогнозируемых давлений с использованием методов численного моделирования. Затем был проведен предварительный опыт без объекта испытаний с целью экспериментального подтверждения расчетного нагружения. На втором этапе воздействие осуществлялось непосредственно на объект испытаний. Схема предварительного опыта представлена на фиг. 3. Заряд тротила массой 50 кг размещали на высоте 1 м от поверхности воды на расстоянии 10 м до рубежа установки датчиков давления ВУВ и ПУВ. Датчики ВУВ располагали на одном уровне с зарядом. Датчики давления ПУВ устанавливали на глубине 24 м, что соответствовало глубине установки противодесантной мины. Затем осуществляли подрыв заряда и регистрировали параметры ВУВ и ПУВ. Расчетная эпюра давления ВУВ, а также эпюры давления ВУВ, зарегистрированные датчиками №1 и №2 при проведении предварительного опыта, представлены на рисунках фиг. 4. Расчетная эпюра давления ПУВ, а также эпюры давления ПУВ, зарегистрированные датчиками №1 и №2 при проведении предварительного опыта, представлены на рисунках фиг. 5.
Анализ расчетных и зарегистрированных эпюр ВУВ и ПУВ показал, что расчетная модель работает корректно, а условия проведения опыта выбраны правильно. При испытаниях противодесантной мины эти условия были воспроизведены.
Список источников
1. М.А. Садовский «Механические действия воздушных ударных волн по данным экспериментальных исследований», Физика взрыва, сборник №1, изд. Академий Наук СССР, 1952.
2. С.И. Шабунин «12ЦНИИ Минобороны России - 65 лет!», Изобретатель и рационализатор, №6, 2015.
3. Способ генерации воздушной ударной волны на основе детонации топливовоздушной смеси и устройство для его осуществления, патент на изобретение RU 2207497 кл. F42D 7/00, G01N 3/313, 2003.
4. Способ создания воздушной ударной волны (варианты), патент на изобретение RU 2387968 кл. G01M 7/08, 2010.
5. Протокол предварительных испытаний в рамках ОКР «Поверхность» №01-16, НИЦ БТС 12 ЦНИИ МО РФ, 2016.