СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ГИПЕРСКОРОСТНОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПАКТНОГО ЭЛЕМЕНТА И КУМУЛЯТИВНОЕ МЕТАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF FORMING HYPERSPEED METAL COMPACT ELEMENT AND CUMULATIVE CASTING DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Изобретения относятся к области экспериментальной физики и могут быть использованы при исследовании высокоскоростного взаимодействия тел, например, при моделировании воздействия метеоритно-техногенных частиц на конструктивные элементы защиты космических аппаратов.
Для моделирования требуется разработка метающих устройств, позволяющих разгонять металлические компактные элементы (КЭ), массы и скорости которых соответствуют диапазонам возможных условий столкновений.
Известны способ и устройство двухступенчатого метания элемента (см. книгу под ред. Л.П. Орленко «Физика взрыва», т. 2, изд-во «Физматлит», М., 2002 г., стр. 40). Устройство состоит из баллистической установки (БУ) и кумулятивного заряда, который выстреливается из БУ. Сначала кумулятивный заряд с металлической облицовкой в поддоне разгоняется с помощью легкогазовой или пороховой баллистической установки, затем, с помощью взрывательного устройства, детонирует взрывчатое вещество (ВВ) кумулятивного заряда, в результате чего формируется компактный элемент.
Основным недостатком способа и устройства двухступенчатого метания элемента является сложная система подрыва заряда ВВ в полете.
Наиболее близкими к заявляемым способу и устройству являются кумулятивное метающее устройство и способ его работы, описанные в патенте РФ №2378606, МПК F42B 1/028 (2006.01), опубл. 10.01.2010, Бюл. №1. Кумулятивное метающее устройство содержит заряд взрывчатого вещества, устройство инициирования, осевую кумулятивную выемку, кольцевой металлический вкладыш с конической наружной поверхностью, закрепленный соосно внутри заряда ВВ. Заряд ВВ выполнен кольцевой формы, устройство инициирования снабжено металлическим диском, соосно закрепленным на свободной торцовой поверхности заряда ВВ. На наружной торцовой поверхности кольцевого вкладыша соосно ему закреплен с зазором относительно ближней торцовой поверхности заряда ВВ дополнительный конусообразный металлический вкладыш, обращенный вершиной конуса внутрь кольцевого вкладыша и внутрь заряда ВВ, а осевая кумулятивная выемка выполнена в форме полусфера-цилиндр на дополнительном вкладыше. Точки инициирования устройства инициирования расположены по кольцу на наружной боковой поверхности заряда ВВ.
При помощи устройства инициирования по периферийной кольцевой поверхности подрывается заряд ВВ. Под действием давления продуктов взрыва происходит сжатие кольцевого вкладыша по направлению к оси устройства. При его взаимодействии с дополнительным конусообразным металлическим вкладышем в последнем генерируется маховская ударная волна (МУВ) высокой амплитуды, под действием которой осевая кумулятивная выемка в нем схлопывается, формируя высокоскоростную кумулятивную струю. Подобрав параметры выемки, можно получить утолщенную безградиентную головную часть струи, которую можно рассматривать как компактный элемент. Данные способ и устройство выбраны в качестве прототипа для заявляемых способа и устройства соответственно.
Основным недостатком этого способа метания и устройства является относительно невысокая скорость движения формируемого КЭ.
Решаемой технической задачей является создание способа и устройства, позволяющих сформировать металлический компактный элемент с повышенной, по сравнению с прототипом, скоростью формируемого КЭ.
Ожидаемый технический результат - проведение экспериментальных исследований высокоскоростного взаимодействия КЭ с преградами в расширенном диапазоне скоростей.
Технический результат достигается за счет того, что в заявляемом способе формирования гиперскоростного металлического компактного элемента, включающем инициирование осесимметричного трубчатого заряда взрывчатого вещества, формирование под воздействием маховской ударной волны кумулятивной струи с последующим выделением из нее компактного элемента, в отличие от прототипа, при формировании маховской волны создают две поверхности ударной волны (УВ), движущиеся под разными углами относительно оси заряда, при этом, угол наклона поверхности УВ у оси заряда больше, чем на его периферии.
Технический результат достигается также за счет того, что в заявляемом кумулятивном метающем устройстве, содержащем по первому варианту осесимметричный трубчатый заряд взрывчатого вещества с установленным соосно внутри него вкладышем, устройство инициирования с точками инициирования, расположенными по кольцу на наружной боковой поверхности заряда ВВ, осевую кумулятивную выемку в форме полусфера-цилиндр, в отличие от прототипа, вкладыш выполнен в виде сплошного цилиндра с осевой конической выемкой со стороны устройства инициирования, внутри выемки размещена коническая вставка, имеющая акустическую жесткость выше акустической жесткости вкладыша, направленная вершиной в направлении метания, а осевая кумулятивная выемка в форме полусфера-цилиндр выполнена на наружном торце металлического диска, закрепленного на свободной торцевой поверхности заряда ВВ.
Технический результат достигается также за счет того, что в заявляемом кумулятивном метающем устройстве по второму варианту, в отличие от прототипа вкладыш выполнен в виде сплошного цилиндра с осевой конической выемкой со стороны устройства инициирования, внутри конической выемки размещена коническая вставка, имеющая акустическую жесткость выше акустической жесткости вкладыша, направленная вершиной в направлении метания, при этом кумулятивная выемка выполнена во вкладыше со стороны свободной торцовой поверхности заряда ВВ и облицована металлом.
Формирование двух поверхностей ударной волны, движущихся под разными углами относительно оси заряда, при том, что угол наклона поверхности УВ у оси заряда больше, чем на его периферии из-за разной акустической жесткости материалов вкладыша и вставки, приводит к тому, что при достижении ударной волной вершины вставки на оси формируется ударная волна Маха, давление в которой существенно выше, чем может быть достигнуто при контактном подрыве заряда ВВ. Из-за наличия излома поверхности УВ угол ее схождения в районе оси выше, чем на периферии вкладыша. Это способствует быстрому росту диаметра МУВ и позволяет использовать заряды ВВ меньшей длины и, соответственно, массы.
По первому варианту сформированной МУВ нагружается диск с выемкой в форме полусфера-цилиндр. Под действием высокого давления выемка схлопывается, формируя при этом высокоскоростную кумулятивную струю с утолщенной безградиентной головной частью, которая после отделения от менее скоростной растягивающейся в полете оставшейся части струи, представляет собой компактный элемент с более высокой скоростью.
По второму варианту нагружение маховской ударной волной кумулятивной выемки, облицованной металлом, выполненной во вкладыше со стороны свободной торцевой поверхности заряда ВВ, приводит к формированию высокоскоростной кумулятивной струи с утолщенной безградиентной головной частью, которая после отделения от менее скоростной растягивающейся в полете оставшейся части струи представляет собой компактный элемент с более высокой скоростью.
Изобретения поясняются чертежами. На фиг. 1 изображено заявляемое устройство с кумулятивной выемкой в металлическом диске, на фиг. 2 - заявляемое устройство с кумулятивной выемкой, облицованной металлом, на фиг. 3 представлены результаты численных расчетов, поясняющие процесс формирования МУВ.
Кумулятивное метающее устройство по первому варианту (см. фиг. 1) состоит из устройства инициирования 1, представляющего из себя пенопластовый диск, на поверхность которого наклеен слой пластического ВВ с точками инициирования, расположенными по кольцу на наружной боковой поверхности заряда ВВ, заряда ВВ трубчатой формы 2 с вкладышем 4 (в данном примере выполнения из полиэтилена), выполненным в виде сплошного цилиндра с осевой конической выемкой со стороны устройства инициирования 1. Внутри выемки размещена коническая вставка 3 (из металла), имеющая акустическую жесткость выше акустической жесткости вкладыша 4, направленная вершиной в направлении метания, а осевая кумулятивная выемка 6 в форме полусфера-цилиндр выполнена на наружном торце металлического диска 5, закрепленного на свободной торцовой поверхности заряда ВВ 2.
В кумулятивном метающем устройстве по второму варианту (см. фиг. 2) кумулятивная выемка 6 выполнена во вкладыше 4 со стороны свободной торцовой поверхности заряда ВВ 2 и облицована металлом 7.
Заявляемый способ реализуется с помощью заявляемых кумулятивных метающих устройств следующим образом.
При помощи устройства инициирования 1 по кольцевой поверхности инициируется трубчатый заряд ВВ 2. Детонационная волна генерирует в материалах конической металлической вставки 3 и вкладыша 4 сходящуюся коническую ударную волну, имеющую излом поверхности вследствие большей акустической жесткости материала конической вставки 3 по сравнению с акустической жесткостью вкладыша 4. При достижении УВ вершины конической металлической вставки 3, вследствие кумуляции УВ формируется маховская ударная волна. Из-за наличия излома поверхности УВ угол схождения УВ в районе оси больше, чем на периферии вкладыша 4, что приводит к быстрому росту диаметра МУВ и позволяет использовать заряды ВВ 2 меньшей длины, и, соответственно, массы. Сформированной МУВ нагружается металлический диск 5 с кумулятивной выемкой 6 (первый вариант заявляемого устройства). Под действием давления кумулятивная выемка 6 схлопывается, формируя высокоскоростную кумулятивную струю. Подобрав параметры металлического диска 5 и кумулятивной выемки 6, можно получить утолщенную безградиентную головную часть струи, которая представляет собой компактный элемент.
При использовании кумулятивного метающего устройства по второму заявляемому варианту под действием давления МУВ металлическая облицовка 7 сходится к оси устройства, формируя высокоскоростную кумулятивную струю. Подобрав параметры металлической облицовки 7 осевой кумулятивной выемки 6, можно получить утолщенную безградиентную головную часть струи, которая представляет собой компактный элемент.
Заявляемые способ и устройства при массе заряда ВВ, близкой к массе заряда ВВ прототипа, позволяют увеличить скорость формируемого компактного элемента на величину ≈15%.
Таким образом, решается задача проведения исследований высокоскоростного взаимодействия КЭ с преградами в расширенном диапазоне скоростей.