Установка медленного нагрева боеприпаса
INSTALLATION FOR SLOW HEATING OF AMMUNITION

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, конкретно к устройствам для определения стойкости боеприпасов к внешним тепловым воздействиям.
Одной из актуальных, причем комплексных, задач, стоящих перед оборонно-промышленным комплексом в настоящее время является разработка боеприпасов (БП), обладающих повышенной стойкостью к опасным внешним воздействиям [1]. БП разрабатываемых конструкций, а также используемые для их снаряжения взрывчатые составы должны обладать определенной стойкостью к быстрому и медленному нагреву, прострелу пули, осколка, веера осколков, кумулятивной струи, симпатической детонации и сбросу с высоты.
В частности, испытание боеприпасов на стойкость к медленному нагреву моделирует поведение БП при наличии источника высокой температуры за определенной преградой, например пожара вблизи носителя БП (объекта бронетехники, летательного аппарата, погреба боеприпасов судна), за стеной хранилища и т.п.
Медленный нагрев БП, продолжающийся длительное время, несмотря на возникающие относительно низкие градиенты температуры в нем, может привести к инициированию экзотермической самоподдерживающейся реакции за счет нагрева заряда ВВ до высокой температуры.
Достаточно широко используемые в настоящее время методы математического моделирования /2/ не в состоянии полностью описать процессы внешних воздействий на БП, поведение элементов его конструкции под соответствующими «нагрузками». Поэтому в любом случае наряду с математическим моделированием необходимо проведение конкретных натурных испытаний БП с использованием соответствующих методов, технических устройств и измерительной техники.
К настоящему моменту известен ряд способов и конструкций устройств для осуществления медленного нагрева БП при испытаниях. Например, способ /3/ определения характеристик самопроизвольного срабатывания пиротехнических изделий включает тепловое воздействие на корпус изделия с заданным темпом нагрева до момента его самопроизвольного срабатывания и фиксацию температуры корпуса пиротехнического изделия, при которой произошло самопроизвольное срабатывание. Устройство для реализации способа содержит нагреватель с рабочей камерой, средство измерения температуры, установленное на корпусе испытываемого объекта и подключенное к регистратору температуры, источник питания регулируемой мощности, подключенный к нагревателю, который выполнен в виде теплового излучателя и размещен по внешнему контуру рабочей камеры. Рабочая камера выполнена из прозрачного электроизолирующего материала и вместе с нагревателем помещена в изолирующий кожух. Устройство обеспечивает возможность определения времени самопроизвольного срабатывания объекта испытаний в зависимости от темпа нагрева его корпуса.
К недостаткам этого технического решения следует отнести следующие:
1) Оно применимо преимущественно для пиротехнических изделий, срабатывание которых не приводит к разрушению конструктивно относительно сложного испытательного устройства.
2) Способ и устройство не обеспечивают измерений температуры состава заряда внутри корпуса испытываемого объекта. Фиксация самопроизвольного срабатывания изделия осуществляется по косвенному «конечному результату» - внешней температуре корпуса. Т.е. тепловое состояние заряда, температурное поле в нем здесь не подконтрольно.
3) Конструктивная сложность устройства.
Установка для исследования объектов при высоких температурах /4/ содержит рабочую бронекамеру и практически пригодна для испытания на медленный нагрев БП, снаряженных ВВ. Однако вышеперечисленных недостатков она не лишена. Кроме того, в ней для нагрева БП используется горение жидкого топлива, требующее достаточно сложных устройств для регулирования теплового поля внутри бронекамеры, а также приводящее к экологическому загрязнению окружающей среды.
В соответствии с соглашением STANAG 4382 (slow heating, munition test procedure) в странах-участниках НАТО испытание на медленный нагрев БП проводится преимущественно в специальных одноразовых и достаточно сложных по конструкциям электронагревательных установках [5]. В связи с тем, что исходом испытаний считается обязательная реакция ВВ на нагрев в виде горения или взрыва, вследствие которого установка разрушается, наряду с недостатками вышеописанных устройств /3, 4/ осуществление испытаний на подобных установках требует высоких материальных затрат.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является установка медленного нагрева боеприпаса /6/, содержащая заполняемый песком корпус, в центре которого в песок помещен испытываемый боеприпас, размещенный по внутренним стенкам корпуса и сверху огнестойкий теплоизоляционный материал, установленный под боеприпасом в песке электрический нагреватель (ТЭН), соединенный с расположенным вне установки регулятором, три термопары, связанные с контрольно-измерительным/регистрирующим устройством за пределами корпуса установки, установленные соответственно на внешней поверхности боеприпаса, на срезе разрывного заряда под холостой пробкой и непосредственно в песке, а также комплект фото- и видеоаппаратуры.
В отличие от устройств медленного нагрева - аналогов /3…5/, данная установка конструктивно более проста, дешева и требует малых временных затрат на сборку. Кроме того, она позволяет регистрировать не только температуру внешней стенки БП, но и среза взрывчатого состава со стороны холостой пробки.
Начало реакции заряда БП на медленный нагрев, приводящая к его срабатыванию (взрыву), проявляется в резком возрастании разницы температур стенки снаряда (торца заряда) и температуры песчаной засыпки, что и фиксируется соответствующим контрольно-измерительным/регистрирующим устройством.
Однако контроль теплового состояния заряда по мере медленного нагрева, характер изменения температурного поля в его объеме установка не обеспечивает.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение контроля теплового состояния заряда БП по мере медленного нагрева, и установление закономерностей изменения температурного поля в его объеме в процессе испытаний.
Решение задачи достигается тем, что в известной установке медленного нагрева боеприпаса, содержащей заполняемый песком корпус, в центре которого в песок помещен испытываемый боеприпас, размещенный по внутренним стенкам корпуса и сверху огнестойкий теплоизоляционный материал, установленный под боеприпасом в песке электрический нагреватель, соединенный с расположенным вне установки регулятором, три термопары, связанные с контрольно-измерительным/регистрирующим устройством за пределами корпуса установки, установленные соответственно на внешней поверхности боеприпаса, на срезе разрывного заряда под холостой пробкой и непосредственно в песке, а также комплект фото- и видеоаппаратуры, в соответствии с изобретением на срезе разрывного заряда установлена совокупность плоских проводящих элементов, электрически изолированных друг от друга и от корпуса боеприпаса, при этом плоские проводящие элементы по отдельности и корпус боеприпаса электрически связаны с контрольно-измерительным/регистрирующим устройством.
Сущность изобретения может быть пояснена следующим образом.
Тротил, гексоген, октоген и другие взрывчатые материалы, используемые для снаряжения БП, обладают высокими диэлектрическими свойствами /7/, определяемыми коэффициентом относительной диэлектрической проницаемости ε. Относительная диэлектрическая проницаемость ε является одним из «электромагнитных параметров» среды, влияющих на распределение компонент вектора напряженности электромагнитного поля в пространстве и описывающих среду в материальных уравнениях электродинамики (уравнения Максвелла) /8/.
0
-12
В отличие от абсолютной диэлектрической проницаемости вакуума ε приблизительно равной 8,85×10 Ф/м, величина относительной диэлектрической проницаемости ε непостоянна, и в частности зависит от частоты электромагнитного поля и температуры диэлектрика /9/.
Влияние температуры на величину диэлектрической проницаемости оценивают температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости:
Этот коэффициент равен относительному изменению диэлектрической проницаемости при увеличении температуры на 1°С.
а
ε
-6
Строение и состав молекул таких ВВ как тротил, гексоген, октоген и т.п. характерно для неполярных диэлектриков, для которых диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом температуры, так как уменьшается плотность диэлектрика, а следовательно, и количество поляризуемых частиц при нахождении их в электромагнитном поле. Величина  отрицательна, примерно равна коэффициенту линейного расширения диэлектрика и составляет около - 100×10 1/К.
Размещение на срезе разрывного заряда совокупности плоских проводящих элементов, электрически изолированных друг от друга и от корпуса боеприпаса, последующая раздельная их и корпуса БП электрическая связь с контрольно-измерительным/регистрирующим устройством дает возможность получить систему из нескольких конденсаторов. В качестве обкладок каждого такого конденсатора служат соответственно отдельный плоский проводящий элемент, расположенный на срезе разрывного заряда под холостой пробкой и корпус БП, а в качестве разделяющего их диэлектрика - разрывной заряд.
i
Емкость C каждого из этих конденсаторов будет определяться зависимостью /10/:
где i - порядковый номер плоского проводящего элемента на срезе разрывного заряда из общего их количества;
i
ε - относительная диэлектрическая проницаемость, соответствующая характеру распределения силовых линий электрического поля в зависимости от расположения этого проводящего элемента на срезе разрывного заряда;
ƒ(Г) - некоторая функция геометрических характеристик, - площади торцевого проводящего элемента, внутренней поверхности корпуса БП, их взаимного расположения.
i
Нагреватель в установке размещен под корпусом БП, поэтому нагрев разных внешних участков его поверхности и соответственно их температура будут различными, а вследствие теплопроводности - и температуры соответствующих внутренних поверхностей корпуса БП, соприкасающихся с ними поверхностей разрывного заряда, более «глубоких» (относительно внутренней стенки корпуса) его зон, и соответственно их относительной диэлектрической проницаемости ε.
i
Если описанную емкостную систему «торцевой проводящий элемент - разрывной заряд ВВ - корпус БП» включить в измерительную цепь переменного тока низкого напряжения (для безопасности измерений), соединенную с регистратором, в процессе нагрева БП относительная диэлектрическая проницаемость ε разрывного заряда будет изменяться. Потому контроль теплового состояния разрывного заряда БП можно осуществлять посредством измерения емкости измерительной цепи при наличии предварительно установленной зависимости С(Т), или при ее заранее известном температурном коэффициенте емкости (ТКЕ) /10/, т.е. относительном изменении емкости ΔС при изменении температуры окружающей среды ΔT на один градус Цельсия (Кельвин):
При не слишком больших изменениях температуры изменение емкости от температуры С(Т) может описываться линейной функцией:
Н.у
где С - емкость при нормальных условиях.
Σ
С другой стороны, описанная измерительная цепь представляет собой RLC-контур (омическое сопротивление-индуктивность-емкость), содержащий соединительные провода, обладающие наряду с омическим сопротивлением некоторой индуктивностью, а также и емкостные элементы. Сопротивление этой цепи при прочих практически неизменных условиях будет зависеть от изменения емкостной составляющей. Т.е. в процессе нагрева при изменении емкости будет изменяться и полное сопротивление измерительной цепи R:
A
где R - активное сопротивление измерительной цепи, Ом;
L
R=ω⋅L=2π⋅ƒ⋅L - индуктивное сопротивление, Ом;
- емкостное сопротивление цепи, Ом;
π=3,14;
ƒ - частота переменного тока, Гц;
L - индуктивность цепи, Гн.
Z
При наличии предварительно установленной зависимости R(T), т.е. полного сопротивления измерительной цепи от температуры с помощью контрольно-измерительного/регистрирующего устройства по изменению силы тока в измерительной цепи также можно отслеживать, фиксировать и контролировать тепловое состояние разрывного заряда БП и изменение температурного поля в его объеме по мере медленного нагрева в процессе испытаний.
Таким образом с помощью контрольно-измерительной/регистрирующей аппаратуры характеристики теплового поля разрывного заряда в процессе его медленного нагрева также могут быть измерены и зафиксированы в сопоставлении с изменением емкости измерительной цепи.
Для пояснения работы устройства изобретение дополнено следующей графической информацией:
На фиг. 1 в качестве примера представлен вариант возможной схемы выполнения устройства.
На фиг. 2 - пример расположения электродов емкостной измерительной цепи.
Для упрощения изображений комплект фото- и видеоаппаратуры на фиг. 1, а также контрольно-измерительное/регистрирующее устройство и отдельные элементы измерительных цепей на фиг. 2 условно не показаны.
Установка медленного нагрева боеприпаса (фиг. 1) содержит корпус 1, в центре которого в песок 2 помещен испытываемый боеприпас 3, размещенный по внутренним стенкам корпуса и сверху огнестойкий теплоизоляционный материал 4, установленный под боеприпасом в песке электрический нагреватель 5, соединенный с расположенным вне установки регулятором 6, три термопары 7, связанные с контрольно-измерительным/регистрирующим устройством 8 за пределами корпуса установки, установленные соответственно на внешней поверхности боеприпаса, на срезе разрывного заряда под холостой пробкой 9 и непосредственно в песке. На срезе разрывного заряда 10 (фиг. 1, 2) установлена совокупность плоских проводящих элементов 11, электрически изолированных друг от друга и от корпуса боеприпаса 3, при этом плоские проводящие элементы по отдельности и корпус боеприпаса 3 электрически связаны с контрольно-измерительным/регистрирующим устройством 8.
Подготовка к испытаниям и работа установки осуществляются следующим образом.
Корпус 1 установки собирается из легкодоступных дешевых материалов типа ДСП или фанеры. Размер его подбирается исходя из возможности размещения испытываемого БП 3 и электрического нагревателя (ТЭН) 5. При этом в качестве донного элемента корпуса может быть использован выровненный участок грунта испытательной площадки.
По внутренним стенкам корпуса 1 и на дно размещается огнестойкий теплоизоляционный материал 4, например маты из стекло- или минеральной ваты, после чего корпус частично заполняют песком (порядка 0,25 его высоты), на который укладывается ТЭН 5. Провода линии электропитания нагревателя выводятся наружу к регулятору 6 и источнику напряжения или через отверстие в стенке корпуса, или через его верхнюю часть, после чего ТЭН 5 равномерно засыпается песком 2 с заданной толщиной слоя, приблизительно равной ранее засыпанному.
На срезе взрывного заряда 10 БП 3 закрепляют, например путем приклеивания, совокупность плоских проводящих элементов 11, электрически изолированных друг от друга и от корпуса БП, а также одну из термопар 7. Провода измерительных цепей от данных элементов пропускают через отверстие холостой пробки 9, пробку аккуратно ввинчивают в очко корпуса БП 3, отверстие в пробке герметизируют, например силиконовым герметиком. Вторую из термопар 7 закрепляют на внешней поверхности корпуса БП 3, а к донной его части присоединяют, например точечной сваркой, провод емкостной измерительной цепи.
Корпус БП 3 укладывают на слой песка 2 горизонтально над ТЭНом 5 и частично присыпают песком. Для контроля температуры песчаной засыпки в процессе нагрева третью из термопар 7 размещают в песке без контакта с корпусом БП и теплоизолирующим материалом 4.
Провода измерительных цепей, - от термопар 7 и емкостных (3-10-11), выводятся из корпуса наружу и по соответствующим линиям связи соединяются со входами контрольно-измерительного/регистрирующего устройства 8, а один из его выходов соединяют с регулятором 6 для обеспечения управления работой ТЭНа 5 и соответствующей условиям испытаний скорости нагрева БП 3.
Подготовленный таким образом к испытаниям БП 3 аккуратно засыпается песком 2 вплоть до почти полного, с учетом толщины теплоизоляционного материала 4, заполнения корпуса 1, после чего песок накрывается верхним слоем теплоизоляционного материала 4.
Проверяется целостность измерительных цепей, электрических цепей питания аппаратуры, связь регулятора с контрольно-измерительным/регистрирующим устройством.
По завершению сборки установки на ТЭН 5 через регулятор 6 подается напряжение питания, вследствие чего осуществляется нагрев песчаной засыпки 2 корпуса 1 и размещенного в ней БП 3 с заданной интенсивностью (от 3,3°С/ч по отечественным методикам, до 6°С/ч по методике STANAG 4382).
С помощью термопар 7 и контрольно-измерительного/регистрирующего устройства 8 осуществляется постоянный мониторинг температуры и скорости ее изменения в слое песка 2, на поверхности БП 3, на срезе разрывного заряда 10 внутри корпуса БП, а благодаря введению в установку емкостных измерительных цепей («корпус БП 3-разрывной заряд 10-плоский проводящий элемент 11») - контроль теплового состояния разрывного заряда по мере медленного нагрева, характер изменения температурного поля в его объеме, причем позонно.
Резкое возрастание разницы между температурой песка в корпусе установки (стенки БП) и температурой в объеме (или на срезе) разрывного заряда является признаком начала реакции взрывного разложения вещества заряда БП, что фиксируется как посредством контрольно-измерительного/регистрирующего устройства, так и с помощью комплекта фото- и видеоаппаратуры.
Таким образом, использование предложенной установки медленного нагрева боеприпаса позволяет обеспечить контроль теплового состояния разрывного заряда БП по мере медленного нагрева и установить закономерности изменения температурного поля в его объеме в процессе испытаний, что дает возможность накопления и анализа дополнительной информации, необходимой как для разработки новых БП, обладающих повышенной стойкостью к опасным внешним воздействиям, так и при периодических испытаниях штатных БП, находящихся в условиях длительного хранения.
Источники информации, принятые во внимание при описании заявки
1. Мацеевич Б.В. и др. Боеприпасы повышенной стойкости к опасным внешним воздействиям: особенности конструирования, испытаний и эксплуатации - Красноармейск: ОАО «КНИИМ», 2014, - 168 с.
2. https://www.researchgate.net/publication/322881153_Modeling_of_Thermal_Reactions_and_Associated_Events.
3. Патент РФ №2583979, F42B 35/00, G01N 25/50, Способ определения характеристик срабатывания пиротехнических изделий при термических воздействиях и устройство для его реализации, 2016.
4. Патент РФ №236793401, F42B 35/00, G01N 25/00, F27B 17/02, Установка для исследования объектов при высоких температурах, 2009.
5. STANAG 4382. Slow Heating Survey and Historical Review. Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium - Portland, OR, USA - April 2018. (https://ndiastorage.blob.core.usgovcloudapi.net/ndia/2018/imem/20080_Baker_Presentation.pdf)
6. Патент РФ №2691782, F42B 35/00, G01N 25/00, Установка медленного нагрева боеприпаса, 2019 - прототип.
7. Физико-химические характеристики взрывчатых веществ -https://scicenter.online/kriminalisticheskaya-tehnika-scicenter/fiziko-himicheskie-harakteristiki-158885.html
8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Диэлектрическая_проницаемость
9. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры - https://lektsii.org/8-38076.html
10. Конденсаторы - http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/Электростатика.%20Постоянный%20ток/05-4.htm.