СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФУГАСНОГО ДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВА В ВОЗДУХЕ
METHOD FOR DETERMINING PARAMETERS OF FUGE EFFECT OF EXPLOSION IN AIR

1/3
Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для определения параметров фугасного действия взрыва в ближней зоне, когда расстояние от центра взрыва до датчика не превышает 2 м/кг.
1/3
1/3
Фугасное действие является одним из основных поражающих факторов боеприпасов (БП). Оно складывается из трех составляющих: на приведенных расстояниях более 2 м/кг преобладает действие избыточного давления ударной волны (УВ), менее 1 м/кг - действие скоростного напора и потока конденсированной фазы. Эти составляющие взаимодействуют друг с другом, соотношение между ними определяется расстоянием, типом взрывчатого вещества, формой боеприпаса, толщиной и материалом оболочки.
1/3
Известны способы определения параметров фугасного действия по скорости воздушной ударной волны (ГОСТ Р 51271-99) или с помощью датчиков давления (патент RU 2593518, «Способ определения характеристик фугасности боеприпаса», F42B 35/00, G01L 5/14, дата подачи заявки 21.07.2015, опубликовано 10.08.2016). С их помощью определяется давление воздушной ударной волны на приведенных расстояниях более 1 м/кг, а интегрированием эпюры давления (при использовании датчиков давления) - импульс положительной фазы. По максимальному избыточному давлению и импульсу ударной волны вычисляется тротиловый эквивалент взрыва, который используется при определении зоны фугасного поражения боеприпаса. Импульс скоростного напора (импульс обтекания) и конденсированной фазы не измеряются; неявно подразумевается, что эти составляющие однозначно связаны с тротиловым эквивалентом, определенным с помощью датчиков давления. Таким образом, недостатком этих способов является то, что они определяют только часть действия взрыва, связанную с избыточным давлением, что не позволяет оценивать фугасное действие в ближней зоне взрыва, т.е. там, где оно наиболее существенно, для широкого спектра боеприпасов.
Таким образом, актуальна разработка способа, позволяющего определять параметры фугасного действия взрыва, в т.ч. в ближней зоне и для широкого круга боеприпасов. С учетом роста возможностей численного моделирования для описания экспериментов, а также с возрастанием его роли при разработке боеприпасов, желательно, чтобы данный способ позволял прямое сравнение расчетов и опытов. Для этого постановка экспериментов и используемые датчики должны быть достаточно простыми, а измеряемые величины - иметь ясный физический смысл (например, скорость, перемещение). Еще лучше, если эти измерения позволяют сравнение в динамике, т.е. на разные моменты времени.
Для определения параметров фугасного действия используют датчики разных типов (Manfred Held. Blast Load Diagnostic. Propellants Explos. Pyrotech. 2009, 34, P. 194-209):
- устройства сложной конструкции с чувствительным элементом, который под действием ударной волны генерирует сигнал в форме, удобной для измерения;
- сравнительно простые механические устройства маятникового типа, способные выдержать действие взрыва и характеризующие его по амплитуде колебаний;
- одноразовые крешеры в виде мембран, полых цилиндров, труб, стержней, поверхности из малопрочных материалов, для которых действие взрыва оценивается по величине деформации;
- «пробные тела» геометрически простой формы, разгоняемые действием ударной волны; скорость их определяется с помощью измерительной системы, в состав которой они входят.
Пример датчиков первого типа - датчики давления, имеющие корпус определенной формы с отверстием, через которое давление воздуха передается на пьезоэлемент, приводя к возникновению электрического сигнала. Такие датчики достаточно дорогие и требуют специальной настройки перед опытом. При этом в ближней зоне они часто повреждаются действием ударной волны, осколков и высоких температур. Кроме того, из-за связи с измерительной системой посредством электрического кабеля, они уязвимы к электромагнитным помехам. Защита же таких датчиков является весьма громоздкой и приводит к искажению формы и параметров ударной волны.
Для крешерных датчиков характерна неопределенность, связанная с разбросом прочностных характеристик материала датчика и сложным процессом деформирования, а также «обрезание» воздействия при снижении его амплитуды ниже порога упругого деформирования.
Датчики маятникового типа обычно громоздки и позволяют исследовать в одном опыте параметры взрыва только в одной точке.
Применение датчиков - «пробных тел» в силу их простоты, компактности и дешевизны представляет большой интерес, т.к. при расположении их в разных направлениях от БП они позволяют определять пространственное распределение характеристик фугасного действия, однако информативность и точность способов измерения с их применением существенно определяется способом измерения скорости. Ранее использовавшиеся способы (оценка по дальности отбрасывания, киносъемка, контактные датчики) определяли скорость датчика дифференцированием его перемещения. Эта процедура существенно снижает точность определения скорости и позволяет найти только среднюю величину на определенном участке траектории, в то время как в действительности она непрерывно меняется со временем. Поэтому с помощью этих способов находят только величину импульса (проходящей волны, отраженной волны, обтекания или их комбинацию).
Например, аналогом настоящего изобретения является способ определения параметров фугасного действия взрыва в воздухе при помощи «датчиков Хельда» (Manfred Held. Impulse Density Measurements after the Held Method.Propellants Explos. Pyrotech. 2010, 35, P. 164-16). «Датчики Хельда» - это «пробные тела» (параллелепипед, цилиндр, сфера) из дерева, стали, алюминия, размещаемые на подставке на определенной высоте так, чтобы под действием взрыва они метались параллельно земле. Их скорость оценивается по расстоянию, которое они пролетают до падения на землю. Высокая прочность и дешевизна датчиков позволяют размещать их в ближней зоне взрыва, в т.ч. в условиях осколочного воздействия, а небольшие размеры дают возможность использовать в одном опыте большое число датчиков, в т.ч. на разных расстояниях и направлениях. К недостаткам можно отнести низкую точность измерения скорости из-за сильного влияния на результат небольших отклонений в направлении метания, а для датчиков несферической формы - разворота в процессе разгона. Информацию о динамике разгона, т.е. о форме импульса давления, важной для оценки поражающего действия, они не дают.
Более детально исследовать процессы в ближней зоне взрыва можно с помощью новых методов диагностики, одним из которых является лазерная оптогетеродинная методика измерения скорости (PDV) (О.Т. Strand, D.R. Goosman, С. Martinez and Т.L. Whitworth, "Compact System for High-Speed Velocimetry using Heterodyne Techniques," Rev. Sci. Instr., 2006, 77, 083108). Она позволяет непрерывно регистрировать скорость объекта с высоким временным разрешением. В данной работе рассматривается ее применение при исследовании фугасного действия с помощью датчиков разных типов.
1/3
Наиболее близким аналогом изобретения является способ определения параметров фугасного действия взрыва в воздухе (V.W. Manner, S.J. Pemberton, Measurements of near-field blast effects using kinetic plates. Journal of Physics: Conference Series 500 (2014) 052029 (Los Alamos National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory). В данной работе измерялась скорость стальных пластин в ближней зоне взрыва (приведенные расстояния 0,2-0,3 м/кг) с помощью PDV. Пластина размещалась в рамке с такой же поверхностной плотностью. К недостаткам наиболее близкого аналога относится использование только одного типа датчиков (датчиков импульса отраженной ударной волны), причем рассчитанных на узкий диапазон приведенных расстояний, что снижает точность и информативность результатов и не позволяет правильно интерпретировать их для определения параметров фугасного действия.
Задачей изобретения является разработка способ определения параметров фугасного действия взрыва в широком диапазоне приведенных расстояний и характеристик заряда, обеспечивающий высокую информативность и возможность прямого сравнения с результатами численного моделирования.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является повышение информативности результатов эксперимента путем применения в одном опыте нескольких компактных датчиков на разных расстояниях и/или направлениях и определение дополнительных характеристик за счет использования датчиков разных типов.
Технический результат достигается тем, что в способе определения параметров фугасного действия взрыва в воздухе, включающем взаимодействие ударной волны с расположенным в ближней зоне датчиком в виде пластины, размещенной в рамке с такой же поверхностной плотностью, непрерывное измерение ее скорости с помощью лазерной оптогетеродинной методики и определение импульса отраженной ударной волны, новым является то, что в эксперименте располагают также датчики в виде сферы и/или пленки, по скорости которых с помощью лазерной оптогетеродинной методики определяют импульс обтекания ударной волны и скорость воздуха за фронтом ударной волны соответственно, причем все датчики имеют диффузно отражающую поверхность, обращенную к лазеру.
В качестве датчика импульса отраженной волны используют размещенную в рамке круглую пластину из прочного материала с высоким импедансом, причем радиус пластины много меньше расстояния до центра взрыва, толщина пластины обеспечивает ее разгон до скорости от 1 до 100 м/с, а размеры пластины обеспечивают в течение действия ударной волны отсутствие прихода волны разгрузки на лицевую поверхность и огибающей ударной волны - на тыльную поверхность датчика.
В случае использования в качестве датчика импульса обтекания сферы, используется сфера, радиус которой много меньше расстояния до центра взрыва, а масса обеспечивает ее разгон до скорости от 1 до 100 м/с.
В случае использования в качестве датчика скорости воздуха за фронтом ударной волны пленки используется пленка, толщина и плотность которой обеспечивает ее разгон до скорости воздуха в ударной волне за время много меньше длительности ударной волны.
Кроме того, датчики могут располагаться на разных расстояниях от центра взрыва.
Кроме того, датчики могут располагаться на различных лучах от центра взрыва.
Таким образом, для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется способ, который заключается в применении для измерения параметров фугасного действия датчиков определенной конструкции и измерении их скорости в процессе действия взрыва с помощью лазерной оптогетеродинной методики.
Предлагаются датчики трех типов.
Первый - датчик импульса отраженной ударной волны, представляет собой пластину из прочного материала высокой плотности, размещенную в рамке, геометрия пластины и рамки выбираются так, чтобы:
- за время разгона ударная волна не успевала огибать рамку и воздействовать на датчик с тыльной стороны и коллиматоры PDV;
- волна разгрузки не успевала достигнуть лицевой стороны датчика;
- толщина и материал датчика обеспечивают, с одной стороны, минимальный уровень амплитуды собственных колебаний, а с другой - разгон его до скорости, обеспечивающей ее регистрацию с высокой точностью;
- зазор между рамкой и датчиком обеспечивает свободное перемещение их относительно друг друга, но препятствует выходу ударной волны с тыльной стороны.
По максимальному давлению отраженной ударной волны можно рассчитать также максимальное давление проходящей ударной волны.
Второй датчик предназначен для определения скорости воздуха за фронтом ударной волны. Он представляет собой пленку, толщина которой выбирается таким образом, чтобы время ее разгона было много меньше длительности импульса ударной волны. В этом случае она двигается со скоростью, близкой к скорости воздуха, поэтому по ней можно рассчитать максимальное давление на фронте и скоростной напор ударной волны.
Третий датчик предназначен для измерения импульса обтекания и является телом сферической формы. Его размер и масса выбираются так, чтобы разгон происходил преимущественно в режиме его обтекания ударной волной, а также обеспечивался определенный диапазон скорости.
На фиг. 1 показана схема эксперимента, где объект испытаний (источник взрыва) 1 находился в центре поля, вокруг него размещались два датчика 2 импульса отраженной ударной волны, два датчика 3 импульса обтекания и три датчика 4 скорости воздуха за фронтом ударной волны, коллиматоры PDV 5 располагались с тыльной стороны датчиков. Датчики 2 и 4 располагались нормально к направлению на центр взрыва. Измерение скорости проводилось с помощью коллиматоров PDV, направленных на тыльную сторону датчиков, которая диффузно отражала опорный сигнал лазера.
На фиг. 2 показан эскиз датчика 2 импульса отраженной ударной волны и схема его применения. Датчик 2 представляет собой пластину 6 в рамке 7 круглой формы примерно одной толщины, расположенный перпендикулярно направлению от центра взрыва. Отношение радиуса пластины к расстоянию до объекта испытаний 1 составляет 0,01-0,2, что обеспечивает нормальное отражение ударной волны от его поверхности. Отношение радиуса рамки к расстоянию до центра взрыва зависит от приведенного расстояния и от времени, в течение которого необходимо проводить измерение импульса, и может варьироваться от 0,5 до 3, что обеспечивает отсутствие прихода волны разгрузки на лицевую поверхность и огибающей ударной волны - на тыльную поверхность датчика. Толщина пластины обеспечивает разгон до скорости от 1 до 100 м/с, что позволяет проводить измерение скорости с высокой точностью. При использовании в датчике материала с высокой прочностью и импедансом (например, стали) уменьшаются деформации датчика при взрыве, что позволяет его использовать многократно, а также уменьшает амплитуду его собственных колебаний. Измерение скорости проводится в центре датчика, что делает его нечувствительным к вращению датчика при несоосном нагружении при взрыве. Размер отверстия в рамке выполнен с небольшим зазором, что обеспечивает свободное движение датчика при разгоне. Выступы на датчике с тыльной стороны ограничивают прорыв газа с лицевой стороны и его действие на коллиматор PDV.
На фиг. 3 показан эскиз датчика 3 импульса обтекания и схема его применения. Датчик 3 выполнен в виде шара из материала, прочность которого достаточна для сохранения его формы при действии взрыва. Отношение радиуса шара к расстоянию до центра взрыва составляет 0,01-0,1, что обеспечивает его разгон преимущественно во время фазы установившегося обтекания ударной волной. Масса шара обеспечивает его разгон до скорости от 1 до 100 м/с, что позволяет проводить ее измерение с высокой точностью. Измерение скорости проводится в центре датчика.
На фиг. 4 показан эскиз датчика 4 скорости воздуха за фронтом ударной волны и схема его применения. Датчик 4 представляет собой пленку 8 из фольги или полимерного материала толщиной менее 10 мкм с диффузно отражающей поверхностью в рамке 9, расположенную перпендикулярно направлению от центра взрыва. Толщина и плотность пленки обеспечивает ее разгон до скорости воздуха в ударной волне за время много меньше длительности ударной волны. Отношение характерного размера пленки к ее толщине - не менее 10000. Пленка закреплена на рамке с небольшой площадью; по краям на ней делается перфорация, обеспечивающая отрыв от рамки при скорости потока воздуха 3-5 м/с и выше.
В опыте с помощью коллиматоров PDV проводится измерение скорости датчиков. Примеры полученных сигналов приведены на фиг 5-7.
1
2
oтp+
отр
На фиг. 5 приведен пример сигнала на датчике импульса отраженной волны. По величине U и U определяется импульс положительной фазы (I) и полный импульс (I) отраженной ударной волны в соответствии с формулами
где ρ - плотность материала датчика, a h - его толщина.
2
1
отр
По началу сигнала ti определяется время прихода ударной волны на датчик, а по разнице (t-t) - длительность положительной фазы. По углу наклона начального участка можно оценить амплитуду отраженного давления ΔР
3
обт
На фиг. 6 приведен пример сигнала на датчике импульса обтекания. По величине U определяется импульс обтекания (I) в соответствии с формулой
1
где  - масса датчика, а  - его радиус. По началу сигнала t определяется время прихода ударной волны на датчик.
4
На фиг. 7 приведен пример сигнала на датчике скорости воздуха за фронтом ударной волны. Профиль соответствует скорости воздуха в лагранжевой точке. По величине U определяется избыточное давление на фронте проходящей УВ (ΔР) в соответствии с формулой
0
1
где Р - атмосферное давление, γ - показатель адиабаты воздуха, С - скорость звука в воздухе. По началу сигнала t определяется время прихода ударной волны на датчик. Интегрированием можно получить оценку импульса обтекания
Таким образом, применяя в одном опыте два или три типа датчика на разных расстояниях, можно определить:
- импульс и давление отраженной волны;
- импульс обтекания;
- избыточное давление на фронте ударной волны;
- времена прихода ударной волны от расстояния.
По времени прихода ударной волны на датчики, расположенные на разных расстояниях, можно определить скорость ударной волны D и зависимость избыточного давления на фронте ударной волны ΔР от расстояния в соответствии с формулой
или по известной табличной зависимости ΔР(D) [Физика взрыва, под ред. Л.П. Орленко, М., Физматлит, 2002]. Указанные параметры позволяют в полной мере охарактеризовать фугасное действие взрыва.
1/3
В примере конкретного выполнения способа определение параметров фугасного действия взрыва в воздухе проводилось в постановке с применением семи датчиков, расположенных на четырех расстояниях от центра взрыва (0,2-2 м/кг). Схема опытного поля показана на фиг. 1. Объект испытаний 1 находился в центре поля, вокруг него размещались два датчика 2 импульса отраженной волны, два датчика 3 импульса обтекания и три датчика 4 скорости воздуха за фронтом ударной волны.
Датчики 2 и 4 располагались нормально к направлению на центр взрыва. Измерение скорости проводилось с помощью коллиматоров PDV, направленных по нормали на тыльную сторону датчиков, которая диффузно отражала опорный сигнал лазера.
В некоторых случаях импульс обтекания и избыточное давление на фронте ударной волны могут быть определены как с помощью датчика импульса обтекания, так и датчика скорости воздуха за фронтом ударной волны, и в опыте можно использовать только один из этих типов датчиков совместно с датчиком импульса отраженного давления (хотя перекрестная проверка данных при использовании трех типов датчиков повышает достоверность результатов).