Баллистический маятник с тормозным устройством
BALLISTIC PENDULUM WITH BRAKING DEVICE

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, конкретно к устройствам для измерения характеристик взрыва боеприпаса или заряда взрывчатого вещества (ВВ) в так называемой ближней зоне от поражаемого объекта (мишени), когда расстояние от боеприпаса/заряда (далее по тексту - изделия) до мишени не превышает нескольких калибров, и мишень подвергается совокупному воздействию ударной волны (УВ), фрагментов корпуса/оболочки и газообразных продуктов взрыва.
Для определения характеристик изделий и поражающих элементов оружия часто используют баллистический маятник, конструктивно представляющий собой удлиненное массивное тело, подвешенное посредством жестких тяг к неподвижной опоре, перед испытаниями находящееся в неподвижном состоянии равновесия.
Под воздействием УВ или продуктов взрыва на торцовую часть маятника (носок), маятник получает соответствующий импульс и отклоняется на некоторый угол с одновременным горизонтальным перемещением. По величине измеренного с помощью простейших устройств углового (линейного) перемещения тела маятника с учетом его конструктивных факторов (масса, длина тяг подвеса) расчетным путем определяют характеристики испытуемого изделия.
Традиционные конструкции баллистических маятников рассчитаны преимущественно на испытания небольших по массе экспериментальных изделий, а при воздействии на них нагрузки от поражающих факторов взрыва реальных безоболочечных изделий, артиллерийских боеприпасов, мин и авиационных средств поражения тело баллистического маятника может отклоняться на большой угол при одновременном перемещении на большое расстояние по горизонтали, что создает большие неудобства при испытаниях. Простое же увеличение массы тела маятника, как показали предварительные расчеты, для устранения данного недостатка нерационально, т.к. потребует утяжеления и усложнения металлоконструкций испытательного оборудования.
В настоящее время имеется ряд технических устройств, направленных на устранение данного недостатка и предполагающих принудительное ограничение перемещения тела баллистического маятника торможением.
В частности, известна конструкция баллистического маятника /1/ содержащего массивное тело, подвешенное посредством жестких тяг к неподвижной опоре, размещенное за защитным экраном, и тормозное устройство, выполненное в виде накопителя энергии, преобразующего кинетическую энергию движущегося тела маятника в накопленную потенциальную, вплоть до его полной остановки. Принцип действия используемого здесь тормозного устройства основан на обратимой деформации механических упругих элементов (пружин), сжатия газа в герметичном сосуде, перекачки несжимаемой жидкости с одновременным подъемом ее на некоторую высоту и т.п.
Недостатками входящего в конструкцию данного баллистического маятника тормозного устройства являются:
- высокоскоростное контактное взаимодействие тыльного носка маятника с ответным элементом тормозного устройства;
- возможное разрушение в условиях больших нагрузок и высоких скоростей нагружения упругих элементов (пружин);
- некоторая инертность при срабатывании, а также повышенные требования к герметичности в пневматических тормозных устройствах;
- возможное разрушение элементов гидравлических систем вследствие гидроудара в тормозных устройствах перекачивающих несжимаемую жидкость.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является баллистический маятник /2/ с тормозным устройством, также содержащий массивное тело, подвешенное посредством жестких тяг к неподвижной опоре, размещенное за защитным экраном, и тормозное устройство, осуществляющее ограничение перемещения тела маятника за счет энергии «встречного» взрыва заряда ВВ, размещаемого со стороны тыльного носка, противоположной испытуемому заряду в ствольном отверстии жестко закрепленной баллистической мортиры.
В отличие от конструкции аналога /1/ прямое контактное взаимодействие тормозного устройства с тыльным носком маятника здесь отсутствует, а вследствие импульсного взрывного воздействия на него УВ и продуктов взрыва «тормозного» заряда, инертность срабатывания практически устраняется.
Однако данное устройство имеет и существенный недостаток, - необходимость подрыва дополнительного («тормозного») заряда ВВ, здесь является фактором увеличивающим опасность при проведении испытаний.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности торможения тела маятника с использованием энергии взрыва, с одновременным повышением безопасности при проведении испытаний.
Решение задачи достигается тем, что в известном баллистическом маятнике с тормозным устройством, содержащем массивное тело, подвешенное посредством жестких тяг к неподвижной опоре, размещенное за защитным экраном, и тормозное устройство, в соответствии с изобретением тормозное устройство выполнено в виде трубы-волновода регулируемой длины, имеющей фрагмент изогнутого профиля, входной конец которой соединен с отверстием в защитном экране, а выходной - выполнен в виде сопла Лаваля, направленного в сторону тыльного носка маятника.
Таким образом, совокупностью основных отличительных признаков предлагаемого технического решения является исполнение тормозного устройства в виде трубы-волновода регулируемой длины, имеющей изогнутый профиль, входной конец которой соединен с отверстием в защитном экране, а выходной выполнен в виде сопла Лаваля, направленного в сторону тыльного носка маятника.
Необходимость и достаточность вышеуказанных отличительных признаков предложенного технического решения может быть пояснена следующим образом.
При взрыве испытуемого изделия лишь небольшая часть энергии взрывного превращения приобретает «механическую» форму, сопутствующую основным поражающим факторам, - УВ, расширяющимся продуктам взрыва и разлету поражающих элементов (при их наличии). Причем механическая энергия, непосредственно воспринимаемая фронтальным носком баллистического маятника пропорциональна телесному углу, определяемому расстоянием от точки подрыва до носка маятника и его площадью. Вся же остальная «механическая» составляющая энергии взрывного превращения уходит в окружающую среду.
Исполнение входящего в конструкцию баллистического маятника тормозного устройства в виде трубы-волновода позволит использовать часть этой «бесцельно» расходуемой энергии взрывного превращения для торможения (ограничения перемещения) тела маятника:
- труба-волновод, присоединенная к отверстию в защитном экране, предназначена для направления части фронта УВ с сопровождающим его спутным воздушным потоком, а также расширяющихся продуктов взрыва, в направлении к тыльному носку маятника;
- фрагмент изогнутого профиля трубы-волновода необходим для изменения исходного направления вошедшего в нее фронта УВ и продуктов взрыва таким образом, чтобы выходная часть трубы-волновода была направлена на торец тыльного носка маятника;
- регулируемая длина трубы-волновода позволит задавать во-первых время прохождения по волноводу фронта УВ, спутного воздушного потока и продуктов взрыва до момента начала торможения тела маятника, во-вторых - необходимое расстояние между ее выходной частью и торцом тыльного носка маятника, и тем самым осуществлять регулирование условий торможения;
- выполнение выходного конца трубы-волновода в виде сопла Лаваля позволит увеличить скорость выходящего из нее газового потока, и тем самым повысить интенсивность его тормозного воздействия на тело маятника.
Регулирование длины трубы-волновода может осуществляться, например путем телескопического соединения отдельных ее участков, с возможностью взаимной фиксации, или иными известными техническими средствами (соединение по резьбе и т.п.).
Для улучшения условий входа фронта УВ в трубу-волновод на входе соединенного с ней отверстия в защитном экране целесообразно установить направляющее устройство - воздухозаборник со входным отверстием, ориентированным перпендикулярно направлению перемещения фронта УВ в данной области пространства, или отражающий козырек.
Изобретение поясняется следующей графической информацией:
На фиг. 1 и фиг. 2 в качестве примера представлена принципиальная схема баллистического маятника, соответственно вид сбоку и сверху.
Баллистический маятник (фиг. 1) содержит массивное тело 1, подвешенное посредством жестких тяг 2 к неподвижной опоре 3, размещенное за защитным экраном 4.
Тормозное устройство маятника (фиг. 2) выполнено в виде трубы-волновода 5 регулируемой длины, имеющей фрагмент изогнутого профиля, входной конец которой соединен с отверстием 6 в защитном экране, а выходной - выполнен в виде сопла Лаваля 7, направленного в сторону тыльного носка маятника. На входе отверстия в защитном экране 4 установлен воздухозаборник 8, с входным отверстием ориентированным перпендикулярно направлению перемещения фронта УВ (показан пунктиром) в данной области пространства.
Дополнительно на фиг. 2 показан вариант исполнения телескопического соединения 9 отдельных участков трубы-волновода 5, с возможностью взаимной фиксации стопорным винтом 10; позицией 11 обозначен фрагмент волновода изогнутого профиля; точка О - центр взрыва испытуемого изделия.
Рабочий (нагружаемый взрывом) носок маятника на обеих иллюстрациях расположен слева.
Для упрощения изображений измерительные устройства маятника, проводные линии связи с контрольно-измерительной (регистрирующей) аппаратурой, сама аппаратура, а также элементы схем электропитания и т.п. на приведенных иллюстрациях не показаны.
Работа баллистического маятника с тормозным устройством осуществляется следующим образом (на примере безоболочечного изделия).
При взрыве испытуемого изделия в точке О рабочий носок тела маятника 1 нагружается УВ, а затем расширяющимися продуктами взрыва, в результате чего тело маятника 1 сначала ускоряется, а затем приобретает некоторую конечную скорость и осуществляет плоско-параллельное перемещение, что фиксируется соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой. Жесткие тяги 2, прикрепленные к телу маятника и к неподвижной опоре 3 при этом отклоняются на некоторый угол, величина которого может фиксироваться простейшим угломером.
-4
-3
В силу большой скорости распространения УВ, время ее воздействия минимально, и составляет всего 10…10 с. Наибольшее же время воздействия на носок маятника могут оказывать расширяющиеся продукты взрыва, движущиеся с дозвуковой скоростью, причем, в силу эффекта дросселирования, их действием после прохождения носка маятника сквозь отверстие в защитном экране 4, практически можно пренебречь.
То есть к моменту ухода торца носка маятника за защитный экран, - его перемещении на расстояние равное или чуть большее толщины экрана, тело маятника приобретает конечную скорость, которая может быть измерена (вычислена), после чего можно осуществлять торможение. Конкретная же величина данного перемещения может быть установлена экспериментальным путем.
Т.к. расстояния от центра взрыва О до рабочего носка маятника 1 и до отверстия воздухозаборника 8 соизмеримы, практически одновременно с началом воздействия УВ на рабочий носок маятника часть ее фронта, сопровождаемого спутным потоком, и расширяющиеся продукты взрыва направляются воздухозаборником 8 через отверстие 6 в защитном экране 4 в трубу-волновод 5, проходя через фрагмент изогнутого профиля 11 меняют направление, выходят, ускоряясь, через сопло Лаваля 7, и воздействуя на приблизившийся к соплу тыльный носок маятника, осуществляют его торможение.
Как уже упомянуто выше, УВ распространяется со сверхзвуковой скоростью, сопровождающий ее спутный поток имеет соизмеримую скорость /3/, скорость же приобретаемая телом баллистического маятника, в силу его инерции и кратковременности нагружения, значительно ниже. Расчетно-экспериментальным путем устанавливается такая длина трубы-волновода 5, которая обеспечит проход по нему УВ (со спутным потоком) до выхода из сопла Лаваля 7 к тому моменту, когда рабочий носок маятника уйдет за защитный экран 4. Регулирование длины трубы-волновода осуществляется, например как показано на фиг. 2, за счет телескопического соединения 9 ее участков, с последующей фиксацией стопорным винтом 10.
Таким образом, предложенная конструкция баллистического маятника с тормозным устройством обеспечивает торможение тела маятника с использованием энергии взрыва самого испытуемого изделия, возможность регулирования условий торможения, а также повышение безопасности при проведении испытаний изделий различной массы без существенного увеличения массы тела маятника.
Источники информации
1) Патент РФ №2672897 от 14.02.2018 г. «Баллистический маятник», F42B 35/00, G01L 5/14.
2) Патент РФ №2676299 от 28.03.2018 «Способ определения импульса взрыва заряда взрывчатого вещества/боеприпаса в ближней зоне», F42B 35/00, G01L 5/14. - прототип.
3) Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов - 7-е изд., испр. - М.: Дрофа, 2003, - 840 с, 311 ил., 22 табл. (с. 134-137).