ПРОНИКАЮЩИЙ В ПРЕГРАДУ ЗОНД
BARRIER PENETRATING PROBE

Изобретение относится к измерительной и военной технике, а конкретно к проникающим зондам или пенетраторам для исследования процесса высокоскоростного проникания в преграду, а также к изделиям одноразового применения с повышенной проникающей способностью, обеспечивающих преодоление различных преград (броня, грунт, бетон, лед и пр.) для гарантированного поражения целей, защищенных такими преградами. Кроме того, с развитием военной и ракетно-космической отраслей постоянно расширяется круг задач по изучению свойств различных преград, исследуемых в условиях высокоскоростного соударения, в том числе грунтов небесных тел.
Одной из основных проблем создания проникающих зондов исследовательского характера и различного рода изделий одноразового применения является сохранение работоспособности полезной нагрузки (ПН) при высоких уровнях механических нагружений. Для исследовательских зондов полезной нагрузкой является измерительная и регистрирующая аппаратура, фиксирующая параметры процесса проникания, для изделий одноразового применения полезной нагрузкой является заряд взрывчатого вещества (ВВ), обеспечивающий поражение защищенных преградами целей.
Основными направлениями обеспечения повышенных характеристик проникающих зондов и изделий одноразового применения являются:
- совершенствование конструкции и прочностных характеристик корпусов зондов и их лидирующих элементов (пенетраторов);
- применение лидирующих зарядов, обеспечивающих образование каверны в преграде для последующего проникания в нее основного корпуса зонда с ПН;
- применение корпусов зондов и пенетраторов в виде составных элементов с обеспечением их трансформации (передвижение, разрушение и др.) перед прониканием в преграду и/или в процессе движения в каверне;
- применение в конструкции проникающего зонда различных демпфирующих устройств, обеспечивающих снижение ударных нагрузок.
При высоких скоростях соударения давления, реализуемые в конструкции зонда, транслируются с помощью ударных волн (УВ). В тех случаях, когда прилагаемое напряжение превышает некоторую величину, определяемую пределом текучести, в материале распространяется система двух волн: упругой и следующей за ней пластической. Такое ударно-пластическое состояние связано обычно с воздействием интенсивных нагрузок, например, высокоскоростное соударение или детонация взрывчатого вещества. Движение фронта ударной волны происходит со скоростью распространения звуковых возмущений в материале конструкции, давление в ней определяется динамическим пределом текучести материала, при этом скорость пластической волны зависит от величины приложенного давления.
5
6
В статье О.И. Жиганова, В.Ю. Клименко, М.А. Невоструевой «Разработка методом компьютерного моделирования способа эффективного гашения энергии пули», журнал «Оборонная техника», №1-2, 2017 г. [1], представлены результаты компьютерного моделирования процесса проникания стальной пули калибра 7,62 мм при скорости 700 м/с в гетерогенную броню - слойки, состоящей из пластичного и хрупкого материалов. Графики изменения скорости показывают, что время полного торможения пули происходит за время ≈ 70 мкс при применении керамики в качестве хрупкого материала. При этом на графике изменения скорости пули можно выделить три характерных участка: в течение ≈ 10 мкс по мере внедрения наконечника пули в преграду происходит плавное снижение скорости на несколько десятков м/с, при этом реализуется перегрузка ≈ 10, на втором участке происходит интенсивное снижение скорости, практически по линейному закону, с увеличением перегрузки до ≈ 10, на третьем участке происходит плавное снижение скорости и перегрузки до нулевого значения.
Представленный пример дает качественную картину процесса проникания тел в преграды, причем характерный для относительно однородной структуры преграды. В случае размещения в преграде слоя из высокоплотного и прочного материала, например пластины из вольфрамового сплава, процесс торможения проникающего тела будет еще более интенсивным. Если для процесса торможения пули указанный фактор можно считать положительным (необходимо погасить энергию пули), то для зонда, обеспечивающего измерение параметров проникания, это может привести к его преждевременному разрушению.
Известен патент US №6186072, МПК F42B 12/06, 12/74 под названием «Монолитный балластный пенетратор». Изобретение представляет собой пенетратор, способный доставлять рабочую ПН в высокопрочную преграду, такую как железобетон. Пенетратор включает монолитный корпус, выполненный из высокопрочного стального сплава. Корпус включает в себя носовую часть, содержащую первую полую часть, в которой размещен балласт, выполненный в виде вставки из плотного тяжелого материала. Корпус дополнительно включает в себя вторую полую часть, в которой размещена полезная нагрузка, закрепленная в торцевой части. Пенетратор обеспечивает высокую проникающую способность, что обеспечивается прочным корпусом и передним расположением центра масс за счет размещения в носовой части балласта. Тем не менее, условия встречи данного пенетратора с преградой, в частности по скорости соударения, будут ограничены ударостойкостью полезной нагрузки, так как демпфирование ударных нагрузок осуществляется только за счет элементов ее крепления к торцевой части корпуса, при этом ослабление ударных волн в цельном металлическом корпусе будет минимальным.
Известен патент US №8297189, МПК F42B 12/207 F42C 19/02, под названием «Устройство снаряда». Изобретение относится к так называемому демпфированию взрывателя в снарядах, в частности, имеющих встроенную задержку срабатывания. В патенте описан снаряд, имеющий, по меньшей мере, один демпфирующий элемент, расположенный между торцом взрывателя и снарядом и/или между передней частью взрывателя и резьбовым кольцом или аналогичным крепежным элементом. Демпфирующий элемент имеет форму диска, кольца или короба и состоит из материала с более низким акустическим импедансом, чем материал снаряда.
К недостаткам следует отнести то, что устройство направлено лишь на демпфирование взрывателя, таким образом, при высоких ударных воздействиях демпфирующие элементы не способны достаточно снизить ударные воздействия на весь снаряд, что приведет к его разрушению.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению, принятому в качестве прототипа, является многозарядный снаряд, описанный в патенте US №5952604, МПК F42B 12/16, опубл. 14.09.1999 г., содержащий корпус, выполненный в виде последовательно соединенных наконечника и заднего отсека, с размещенной в нем полезной нагрузкой, соединительное устройство для обеспечения осевого перемещения относительно друг друга последовательно соединяемых наконечника и заднего отсека.
Рассматриваемое техническое решение обладает рядом недостатков. В указанном снаряде при высоких ударных нагрузках демпфирующая секция не способна достаточно снизить ударные воздействия на второе зарядное устройство в силу того, что крепление отсеков между собой выполнено с помощью резьбового соединения.
Согласно теории распространения упругих волн в твердых телах, на границе раздела сред происходит преобразование падающих ударных волн в отраженные и преломленные, которые определяют дальнейшее распределение энергии волн между контактирующими средами. При этом важную роль играет так называемый акустический импеданс среды, определяемый как произведение плотности среды на скорость звука в ней. При одинаковых импедансах контактирующих сред и нормальном распределении падающей волны, отраженные волны не образуются, следовательно, практически вся энергия падающей ударной волны будет передана во вторую среду.
Учитывая, что материал демпфирующей секции должен обладать способностью поглощения энергии ударных волн при обеспечении достаточной прочности, предпочтительным является применение в качестве материала демпфирующей секции пластмассы, то есть материала, имеющего относительно малый акустический импеданс и низкие прочностные характеристики, что требует практически осесимметричной передачи усилий с передней секции корпуса на заднюю. Следовательно, работоспособность описанного снаряда обеспечивается при существенном ограничении условий его функционирования на траектории полета (угол атаки) и при взаимодействии с преградой (угол встречи).
Следует также отметить недостаток указанного устройства, заключающийся в неэффективном демпфировании ударных воздействий, после устранения зазора при напряженном состоянии демпфирующей секции, ввиду того, что отличия в импедансах применяемых конструкционных материалов корпуса и жесткого опорного устройства незначительны, при этом затухание энергии ударных волн, передаваемых из переднего отека в задний будет не столь существенным.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение максимального снижения ударных воздействий (перегрузки), действующих на полезную нагрузку зонда при взаимодействии с преградой, вызванных высокоскоростным соударением и/или связанных с воздействием детонации взрывчатого вещества, при применении лидирующих зарядов.
Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в создании проникающего в преграду зонда, позволяющего обеспечить максимальное снижение ударных воздействий на ПН при взаимодействии с преградой, вызванных высокоскоростным соударением и/или связанных с воздействием детонации взрывчатого вещества, при применении лидирующих зарядов.
Это достигается тем, что в проникающем в преграду зонде, содержащем корпус, выполненный в виде последовательно соединенных наконечника и заднего отсека с размещенной в нем полезной нагрузкой, соединительное устройство для обеспечения осевого перемещения относительно друг друга, согласно изобретению, соединительное устройство выполнено в виде фланцевого стыка с цилиндрическими или коническими поверхностями для взаимодействия посадочных поверхностей наконечника и заднего отсека, при этом между фланцами наконечника и заднего отсека выполнен зазор, в который установлен вкладыш из пластичного материала, акустический импеданс которого меньше акустического импеданса материала наконечника, причем на контактируемых цилиндрических или конических поверхностях наконечника и заднего отсека расположены совмещенные канавки различной длины, в меньшей из которых размещено разжимное упорное кольцо.
Кроме того, с целью обеспечения требуемых динамических упруго-пластических свойств демпфирующего устройства на вкладыш установлено кольцо, выполненное из пластичного металлического материала.
Кроме того, с целью уменьшения передачи энергии ударных волн в задний отсек в начальной фазе деформирования вкладыша, вкладыш выполнен из фторопласта.
Кроме того, с целью уменьшения передачи энергии ударных волн в задний отсек в основной стадии деформирования вкладыша, кольцо изготовлено из свинца.
Кроме того, с целью уменьшения передачи энергии ударных волн в задний отсек в начальной фазе взаимодействия наконечника и заднего отсека, между вкладышем и фланцем наконечника выполнен заданный воздушный промежуток.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».
Предлагаемое изобретение проиллюстрировано следующим чертежом, где
на фиг. 1 - представлено продольное сечение проникающего в преграду зонда в исходном состоянии при подходе к преграде,
на фиг. 2 - изображен вариант выполнения вкладыша и кольца.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 - наконечник;
2 - посадочная поверхность;
3 - задний отсек;
4 - полезная нагрузка (ПН);
5 - крепежное устройство;
6 - проточка;
7 - торцевая поверхность наконечника;
8 - торцевая поверхность заднего отсека;
9 - кольцо;
10 - фланец наконечника;
11 - фланец заднего отсека;
12 - вкладыш;
13 - кольцо;
14 - канавка заднего отсека;
15 - канавка наконечника;
16 - разжимное упорное кольцо;
17 - устройство демпфирования.
Проникающий в преграду зонд содержит корпус (фиг. 1), выполненный в виде заостренного наконечника 1, изготовленного из высокопрочного материала (вольфрам, обедненный уран, сталь), соединенного по посадочной поверхности 2, например цилиндрической, с задним отсеком 3, с установленной в нем полезной нагрузкой 4, закрепленной в торцевой части корпуса крепежным устройством 5. В качестве полезной нагрузки может быть как регистрирующая аппаратура, так и заряд ВВ в случае использования зонда в качестве изделия одноразового применения. На наружной поверхности зонда выполнена проточка 6, при этом между торцевыми поверхностями наконечника 7 и заднего отсека 8, образован зазор "А", проточка 6 снаружи закрыта тонкостенным кольцом 9, выполненным, например, из неметаллического материала. В проточке 6 установлен вкладыш 12, выполненный из пластичного материала, например, фторопласта, или на вкладыш 12 установлено кольцо 13 (фиг. 2), выполненное из пластичного металлического материала, например свинца.
Выполнение вкладыша 12 при заданной характеристике его акустического импеданса с кольцом 13 обеспечивает требуемые пластические свойства, с учетом динамики процесса (время проникания до сотен миллисекунд) и высоких нагрузок при ударном воздействии. Выполнение воздушного промежутка между фланцем наконечника 10 и вкладышем 12 позволяет уменьшить передачу энергии ударных волн в задний отсек 3 в начальной, наиболее интенсивной фазе взаимодействия наконечника 1 с преградой.
Величина назначаемого воздушного промежутка зависит от множества факторов: интенсивности ударного процесса (взрывное нагружение или удар о твердую преграду), характеристик материала, геометрических размеров и др.
Взаимное осевое перемещение наконечника 1 и заднего отсека 3 ограничено за счет выполнения на их посадочной поверхности 2 совмещенных канавок 14 и 15, в которых размещено разжимное упорное кольцо 16, при этом одна из канавок, например 15, выполнена большей длины, чем другая.
Посадочная поверхность 2 наконечника 1 и заднего отсека 3 может быть выполнена конической. При малом коэффициенте конусности «К», например, в диапазоне К=(1:50)-(1:30), то есть при реализации малых углов ≈ (1-2)°, коническое соединение обеспечивает более жесткую фиксацию сопрягаемых поверхностей, однако, при этом несколько увеличивается передача энергии ударных волн из наконечника в задний отсек во всех стадиях проникания. При этом следует отметить, что взаимное осевое перемещение наконечника и заднего отсека будет связано с дополнительными затратами энергии на деформирование контактируемых конических поверхностей в радиальном направлении.
Проникающий в преграду зонд дополнительно оборудован устройством демпфирования 17 размещенным, например, в торцевой части заднего отсека 3 зонда.
Работа устройства заключается в следующем.
При соударении зонда с преградой в наконечнике 1 формируются движущиеся в направлении заднего отсека 3 интенсивные ударные волны (УВ), которые распространяются по материалу наконечника 1 со скоростью, близкой к скорости звука в данном материале. При достижении граничной поверхности 7 наконечника 1 ударные волны отражаются, при этом формируется сложная картина падающих и отраженных УВ. В результате воздействия УВ, граничная поверхность 7 начинает свое движение в направлении заднего отсека 3. В зависимости от интенсивности УВ, свойств материала наконечника 1 и его геометрических параметров, скорость граничной поверхности может достигнуть значений десятков м/с за время в несколько микросекунд. В этот промежуток времени передача энергии УВ от наконечника 1 к заднему отсеку 3 будет минимальной, ввиду слабого взаимодействия их поверхностей, при этом возможна незначительная передача энергии УВ поперечными волнами, передаваемыми за счет контакта по соответствующей цилиндрической поверхности. Для соединительного устройства, выполненного в виде фланцевого стыка с коническими посадочными поверхностями наконечника и заднего отсека с малыми углами конусности, обеспечивается более жесткая фиксация сопрягаемых поверхностей, за счет более высокого коэффициента трения. При этом несколько увеличивается передача энергии ударных волн из наконечника в задний отсек во всех стадиях проникания. Передача энергии по контактируемым коническим поверхностям может быть уменьшена за счет прерывистого исполнения одной из них в поперечном сечении (поверхность: выступ - впадина), например, охватываемой поверхности. Взаимное перемещение наконечника навстречу друг другу будет связано с дополнительными затратами энергии на деформирование конических поверхностей в радиальном направлении.
При достижении граничной поверхностью 7 вкладыша 12 начинается его деформирование, при этом происходит торможение заднего отсека 3 с установленной в нем ПН 4. Величина перегрузки, действующей на задний отсек 3 будет зависеть от скорости деформации вкладыша 12 с кольцом 13, определяемой величиной давления на него, динамическим пределом текучести материалов и другими факторами, при этом существенная часть энергии УВ будет поглощена материалами вкладыша 12 и процесс торможения корпуса будет менее интенсивным. Прямая передача энергии УВ через границу раздела материалов наконечника 1 и вкладыша 12 будет также уменьшена, так как суммарный акустический импеданс материалов вкладыша 12 (в данном примере свинец-фторопласт) существенно меньше импеданса материала наконечника 1 (в данном примере высокопрочный металл, например сталь).
Процесс демпфирования ударных нагрузок будет продолжаться за счет пластической деформации материалов вкладыша 12 и кольца 13 и их выдавливания в зону образования каверны практически до момента соприкосновения поверхности 7 наконечника и поверхности 8 заднего отсека, при этом разжимное упорное кольцо 16 перемещается по канавке 15 в направлении наконечника 1. В процессе дальнейшего движения зонда в образовавшейся каверне при касании задним отсеком 3 стенок каверны, за счет воздействия сил трения, возможно его движение в направлении против полета. В этом случае обратное осевое перемещение заднего отсека 3 относительно наконечника 1 будет ограничено разжимным упорным кольцом 16.
Следует отметить, что при устранении зазора "В" между вкладышем 12 и торцевой поверхностью наконечника 7, произойдет дополнительное уменьшение перегрузки торможения зонда, так как масса составных частей зонда, определяющих процесс проникания, увеличится за счет заднего отсека зонда 3.
Процесс снижения ударных нагрузок на ПН 4 может быть усилен за счет введения дополнительного устройства демпфирования 17, выполненного в соответствии с данным предложением, и размещенного, например, в торцевой части заднего отсека 3 зонда.
Заявляемое устройство может выполнять как функцию измерительного устройства, применительно к проникающим зондам или пенетраторам, содержащим в качестве полезной нагрузки регистрирующую аппаратуру для исследования процесса высокоскоростного проникания в преграду, так и различного рода изделий одноразового применения с повышенной проникающей способностью, содержащим в качестве полезной нагрузки заряд ВВ, и обеспечивающих преодоление различных преград (броня, грунт, бетон, лед и пр.) для гарантированного поражения целей, защищенных такими преградами.
На предприятии проведена проектно-конструкторская проработка опытного образца проникающего в преграду зонда, который имеет практическую реализацию в измерительной системе, предназначенной для экспериментального исследования процесса высокоскоростного проникания в преграду с определением параметров состояния взаимодействующих материалов зонда и грунта во время проникновения, а также повышения его проникающей способности.
Заявляемое устройство обеспечивает существенное снижение уровня ударных воздействий на установленную в корпус проникающего в преграду зонда полезную нагрузку при одновременном расширении условий встречи зонда с преградой. При этом обеспечивается высокая проникающая способность зонда в различные преграды, что является важнейшим параметром устройства, определяющим такие его характеристики как универсальность применения, надежность функционирования и достоверность получения экспериментальных данных.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений, а именно получен проникающий в преграду зонд с улучшенными характеристиками.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».