СПОСОБ ГИПЕРСКОРОСТНОГО МЕТАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА И КУМУЛЯТИВНОЕ МЕТАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HYPERSPEED CASTING OF METAL ELEMENT AND CUMULATIVE CASTING DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение 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 элементы, 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 (КЭ).
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 торцевой поверхности заряда ВВ. На наружной торцевой поверхности кольцевого вкладыша соосно ему закреплен с зазором относительно ближней торцевой 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 высокой амплитуды, под действием которой осевая кумулятивная выемка в нем схлопывается, формируя высокоскоростную кумулятивную струю. Подобрав параметры выемки, можно получить утолщенную без градиентную 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 являются невозможность контроля формы КЭ, а также невозможность метания тела в форме пластины.
Решаемой технической задачей является создание способа и устройства, позволяющих реализовать метание металлических элементов различной формы.
Ожидаемый технический результат - проведение экспериментальных исследований высокоскоростного взаимодействия тел различной формы с преградами и использованием зарядов ВВ меньшей длины и, соответственно, массы.
Технический результат достигается за счет того, что в заявляемом способе гиперскоростного метания металлического элемента, закрепленного со стороны свободного торца осесимметричного трубчатого заряда взрывчатого вещества, противоположного устройству инициирования заряда, включающем инициирование заряда ВВ, формирование маховской ударной волны (МУВ), в отличие от прототипа при формировании маховской ударной волны создают две поверхности ударной волны (УВ), движущиеся под разными углами относительно оси заряда с утлом наклона поверхности УВ у оси заряда большим, чем на его периферии.
Технический результат достигается также за счет того, что в заявляемом кумулятивном метающем устройстве, содержащем 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 со стороны одного из его торцов, в отличие от прототипа вкладыш выполнен в виде сплошного цилиндра с осевой конической выемкой со стороны устройства инициирования и осевым выступом в виде усеченного конуса с противоположной стороны, внутри выемки размещена коническая вставка, имеющая акустическую жесткость выше акустической жесткости вкладыша, направленная вершиной в направлении метания, на торцевой поверхности заряда ВВ, противоположной устройству инициирования, размещена металлическая шайба, в центральном отверстии которой закреплен метаемый металлический элемент.
Метаемый металлический элемент может быть выполнен компактным (удлинение ≤3) или в виде пластины.
Метаемая металлическая пластина может быть выполнена разнотолщинной.
Формирование двух поверхностей ударной волны, движущихся под разными углами относительно оси заряда из-за разной акустической жесткости материалов вкладыша и вставки, притом, что угол наклона поверхности УВ у оси заряда больше, чем на его периферии, 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 больше, чем на периферии вкладыша. Это способствует быстрому росту диаметра МУВ и позволяет использовать заряды ВВ меньшей длины и, соответственно, массы. Размещение на торцевой поверхности, противоположной устройству инициирования заряда ВВ, металлической шайбы с центральным отверстием позволяет (за счет ее толщины) увеличить время роста диаметра МУВ, и, следовательно, позволяет реализовать метание сформированной МУВ металлического компактного элемента большего поперечного размера или металлической пластины, в том числе и разнотолщинной.
Изобретения поясняются чертежами. На фиг. 1 изображено заявляемое устройство, метающее металлический компактный элемент, на фиг. 2 - заявляемое устройство, метающее металлическую пластину, на фиг. 3 приведены результаты численных расчетов, поясняющие процесс формирования МУВ.
Кумулятивное метающее устройство (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 осесимметричного заряда ВВ трубчатой формы 2 со стороны одного из его торцов, конической металлической вставки 3 и вкладыша 4 (в данном примере выполнения из полиэтилена), выполненного в виде сплошного цилиндра с осевой конической выемкой со стороны устройства инициирования и осевым выступом в виде усеченного конуса с противоположной стороны, установленных в полость заряда ВВ 2, металлической шайбы 5, размещенной на торцевой поверхности заряда ВВ 2, противоположной устройству инициирования 1, металлического элемента 6, закрепленного в центральном отверстии металлической шайбы 5. Коническая металлическая вставка 3 имеет акустическую жесткость выше акустической жесткости полиэтиленового вкладыша 4.
Заявляемый способ гиперскоростного метания металлического элемента реализуется с помощью заявляемого кумулятивного метающего устройства следующим образом. При помощи устройства инициирования 1 по кольцевой поверхности инициируется трубчатый заряд ВВ 2. Детонационная волна генерирует в конической металлической вставке 3 и вкладыше 4 сходящуюся коническую ударную волну, имеющую две поверхности ударной волны, движущиеся под разными углами относительно оси заряда с утлом наклона поверхности УВ у оси заряда большим, чем на его периферии (излом поверхности ударной волны 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 заряда больше, чем на периферии вкладыша 4, что приводит к быстрому росту диаметра МУВ. Размещение на торцевой поверхности заряда ВВ 2, противоположной устройству инициирования 1 металлической шайбы 5 с центральным отверстием, эквивалентно применению более длинного заряда ВВ и позволяет увеличить время роста диаметра МУВ.
В случае закрепления в центральном отверстии металлической шайбы 5 метаемого элемента 6 в виде компактного металлического элемента сформированной МУВ нагружается металлический компактный элемент 6. Под действием давления реализуется метание КЭ.
В случае закрепления в центральном отверстии металлической шайбы 5 метаемого элемента 6 в виде пластины сформированной МУВ нагружается пластина. Под действием давления реализуется метание пластины (пластина может быть и разнотолщинной).
Заявляемые способ и устройства при массе заряда ВВ, близкой к массе заряда ВВ прототипа, позволяют реализовать метание металлических элементов разной формы.
Таким образом, достигается технический результат - проведение экспериментальных исследований высокоскоростного метания тел различной формы с использованием зарядов ВВ меньшей массы.