СПОСОБ СНАРЯЖЕНИЯ ПАТРОНА С БРОНЕБОЙНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО СТРЕЛКОВОГО ОРУЖИЯ
METHOD OF CARTRIDGE CHARGE WITH ARMOUR-PIERCING CORE FOR AUTOMATIC SMALL ARMS

Изобретение относится к боеприпасам автоматического стрелкового оружия, в частности к конструкциям бронебойных пуль, предназначенным для поражения открыто расположенной живой силы в бронежилетах, уничтожения небронированных и бронированных объектов военной техники.
Известны бронебойные пули с дозвуковыми скоростями полета, используемые в патронах, предназначенных для беспламенной стрельбы с глушением, и имеющие следующие общие конструктивные признаки: все пули содержат оболочку, закрытую с носовой части и открытую с заднего торца, а также последовательно размещенные в оболочке от ее носа стального и свинцового сердечников. Пули выполнены с оживальной головной, ведущей и сужающейся к заднему торцу хвостовой частями. Различаются они геометрическими параметрами: пуля по патенту РФ №2075035, МКИ 7 F42B 30/02, 10.03.97 г., характеризуется формой хвостовой части; бронебойные пули по патентам РФ №2133441, МКИ 7 F42B 12/06, 20.07.99 г. и №2150077, МКИ 7 F42B 12/06, 30/02, 27.05.2000 г., характеризуются заостренной формой головной части стального сердечника, материалом из которого он выполнен и соотношением его геометрических параметров; пуля по патенту РФ №2183007, МКИ 7 F42B 12/06, 30/02, 27.05.02 г., характеризуется соотношением диметров цилиндрических частей стального и свинцового сердечников и положением заднего торца свинцового сердечника относительно заднего торца оболочки; пули по патентам РФ №2195626, МКИ 7 F42B 12/06, 30/02, 27.12.02 г. и №2219480, МКИ 7 F42B 12/06, 20.12.03 г., характеризуются формой хвостовой части стального сердечника. Эти пули обладают высокой бронепробиваемостью, их аэродинамическая форма позволяет достичь хорошей кучности стрельбы (при условии обеспечения заданной фиксации стальных сердечников в оболочках пуль, а значит и положения центра массы пули, при их монтаже в условиях массового производства).
Пути решения задачи повышения бронебойности пули калибра 5,45 для автоматического оружия описаны в статье В.Ермолаева «Эволюция пули калибра 5,45 мм» (в Интернете по адресу: http://grigorew.narod.ru/raznoe/kal545.htm).
Согласно этому источнику в 1974 году в СССР принят на вооружение стрелковый комплекс калибра 5,45 мм, включающий базовые автомат АК-74 и 5,45-мм патрон с обыкновенной пулей (индекс 7Н6). Патрон патрона 7Н6 содержит штампованный, термически необработанный стальной сердечник (материал - сталь 10), биметаллическую оболочку, свинцовую рубашку. В головной части пули имеется полость, позволяющая сместить центр тяжести пули в сторону хвостовой части и обеспечить потерю устойчивости пули при встрече с преградой, что придает ей дополнительное убойное действие.
С широким распространением индивидуальных средств защиты сталь 10 в сердечнике была заменена на сталь 65Г, 70, 75, твердость сердечника за счет термоупрочнения обеспечивалась не ниже 60 HRC. При этом конструкция и геометрические размеры пули остались неизменными.
Однако пуля 7Н6 с термоупрочненным сердечником не обладала способностью пробить титановую пластину даже на ближних дистанциях.
Следующим направлением повышения бронебойности патронов калибра 5,45 явилось изменение геометрических размеров патрона, придание сердечнику заостренной формы, увеличение массы пули на 5% (полость в головной части по аналогии с пулей 7Н6 была оставлена). Новая пуля 7Н10 пробивала преграду следующим образом: при встрече пули с преградой оболочка «останавливается», сердечник продолжает движение, в процессе которого расправляет оболочку. В момент выбора зазора между торцом сердечника и оболочкой последняя облегает сердечник, как чулок. Далее сердечник, продолжая движение, внедряется в преграду, при этом вместе с ним внедряется и зажатая между торцом сердечника и преградой оболочка. Прокол оболочки сердечника происходит внутри преграды, после чего сердечник продолжает движение без оболочки, а последняя остается запрессованной в преграде. Пуля 7Н10 обеспечила пробиваемость пластин из сплавов на дистанции 100 метров - 100% и стальных плит толщиной 14 мм на дистанции 100 метров не менее 80%. Однако при такой схеме проникновения в преграду оболочка пули является вредным элементом, увеличивающим диаметр пробивающего снаряда и снижающим эффективность пробития.
В 1994 году был разработан и поставлен на производство 5,45-мм патрон с модернизированной пулей 7Н10 повышенной пробиваемости, полость в головной части которой была заполнена свинцом, что позволило эффективно поражать пластины бронежилета из титановых сплавов на дистанции 200 метров и стальной лист толщиной 16 мм на дистанции 100 метров. В модернизированной пуле 7Н10 схема пробития такова: при встрече пули с преградой оболочка «останавливается», продолжающий движение сердечник создает в пластичном свинце, заключенном в замкнутом объеме между торцом сердечника и внутренней поверхностью оболочки, большое гидростатическое давление, которое, воздействуя на внутреннюю поверхность головной части оболочки, сильно деформирует последнюю.
Применяемые в настоящее время патроны 5,45 мм калибра с пулей 7Н24 с бронебойным сердечником, выполненным из твердого вольфрам-кобальтового сплава, обладая начальной скоростью движения 820÷840 м/с пробивают установленный под углом 90° на дальности 350 м броневой лист из стали марки 2П толщиной 5 мм в 80% случаев.
Снаряжение патрона калибра 5,45 мм с пулей 7Н24 взято за прототип.
Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является повышение бронебойности пули без усложнения технологии ее изготовления.
Металлам присуще появление при резком торможении или ускорении металла, продольного по отношению к направлению движения электрического потенциала - так называемый эффект Стьюарта-Толмэна. При этом в замкнутой цепи от заднего края образца к передней его части возникает импульс тока (этот ток поддается измерению баллистическим гальванометром) неэлектрического инерционного происхождения. Суть эффекта заключается в том, что газ свободных электронов, являясь инерционной средой, обгоняет или, наоборот, отстает от ионного остова решетки при резком изменении скорости движения металла, т.е. при торможении или ускорении металла.
Так, при столкновении пули с препятствием происходит опережение движения газа свободных электронов движения остова решетки и имеет место так называемый упреждающий электронный впрыск (УЭВ) свободных электронов в мишень, т.е. имеет место эффект Стьюарта-Толмэна положительного значения. Эффект Стьюарта-Толмэна отрицательного значения наблюдается, например, при скоростном волочении проволоки сквозь алмазную или твердосплавную фильеру, когда внутри фильеры за счет обжатия металла внутри фильеры происходит ускорение ионного остова решетки, а электроны проводимости «отстают» от этого процесса. В результате перед фильерой возникает «электронная подушка» и избыточный электронный потенциал, что было показано в источнике [6], на чем основано изобретение, защищенное патентом РФ №2321469, и что можно назвать проявлением эффекта Стьюарта-Толмэна отрицательного значения. Собственно эффект этот был обнаружен в 1916 году Стьартом и Толмэном по возникновению импульсов тока при резком торможении катушки из медной проволоки длиной в сотни метров. Импульс тока неэлектрического инерционного происхождения фиксировался с помощью баллистического гальванометра. Фундаментальные исследования в этой области были проведены в 1926 г. Толмэном, результатом которых явилось установление достоверного значения отношения заряда электрона е к его массе m.
m
m
m
m
3
2
Эффект Стьюарта-Толмэна лежит в основе упреждающего электронного впрыска (УЭВ). При столкновении металла с препятствием помимо инерционного движения в нем свободных электронов в направлении полета тела возникает движение «освобождающихся» во время удара электронов. В качестве препятствия могут выступать индивидуальные средства защиты, броня боевой техники, а при проведении учебных стрельб - мишень. Освобождающиеся электроны также по инерции переходят в препятствие, создавая в нем суммарный транспортный ток, вектор плотности J которого направлен первоначально нормально к поверхности препятствия (изменения ориентации вектора J представлены на фиг.1а, 1б и 1в). Затем вектор плотности этого тока J переходит к ориентации по касательной к кривой петли внутри препятствия общего контура в виде «восьмерки», показанного на фиг 1в, т.е. под некоторым углом к поверхности препятствия. Этот ток проникает в проводящую среду на глубину порядка скин-слоя (СС) и способен, как показывают расчеты, вызывать электропластическое действие на материал препятствия, поскольку плотность его в месте касания пулей препятствия может достигать величины J=10 A/мм.
-1
Глубина СС зависит от проводимости материала препятствия, от частоты тока v, длительности импульса тока УЭВ и электромагнитного поля (ЭМП), сопровождающего УЭВ. На фиг.2 приведена номограмма по данным (1-3), связывающая «классическую» толщину СС δ и толщину СС для первой четверти периода ЭМП, меняющегося по синусоидальному закону и имеющего период Т и частоту v, совпадающие с периодом и частотой тока УЭВ. На номограмме представлены также произведения электропроводности и магнитной проницаемости σ×µ Ом см различных проводящих материалов.
-4
-3
В вакууме ЭМП распространяется со скоростью света, а в проводящих средах гораздо медленнее, что сближает времена действия ЭМП и УЭВ с временами, характерными для деформации и разрушения кристаллической решетки металла препятствия, в частности, с временами, характерными для скачков деформации 10-10 с [4], хотя первые остаются все же более быстродействующими процессами, чем вторые, и играют роль «спускового крючка» по отношению ко вторым, будучи по времени короче их на порядки.
Магнитный поток (МП) Ф, проходящий через какую-либо поверхность S, пропорционален числу линий вектора индукции В магнитного поля (ИМП), пересекающих эту поверхность. В случае если вектор В нормален к поверхности S, то Ф=IL.
Возможные конфигурации контура, по которому протекает ток УЭВ, были приведены на фиг. 1. Перешейку в «восьмерке» (транспорт тока УЭВ представлен на фиг.1) соответствует место столкновения пули с препятствием в самом начале столкновения.
На стадии протекания «стационарного» транспортного тока от пули к препятствию двухвитковый контур преобразуется в форму, представленную на фиг.1а. Здесь верхний виток характеризует конфигурацию растекающегося от места столкновения в разные стороны по поверхности препятствия тока УЭВ, а расстояние между витками соответствует толщине скин-слоя.
Распределение индукции В магнитного поля (ИМП) по толщине δ, выделение электромагнитной энергии с передачей ее структурным элементам препятствия, приводят к облегчению процессов деформации и разрушения препятствия твердым сердечником пули. Указанные процессы неравномерны во времени и пространстве, определяются уравнениями диффузии электромагнитного поля (ЭМП) и сопровождаются также выделением некоторого количества тепла за счет вихревых токов Фуко.
2
3
2
m
При столкновении пули с препятствием из металла в начальный момент, исходя из площади S касания пулей препятствия, составляющей величину порядка 1 мм, плотность транспортного тока УЭВ по расчетам составляет величину порядка J=10 A/mm, что достаточно для возникновения электропластического эффекта (ЭПЭ), разупрочняющего металл препятствия.
Что касается твердого сердечника пули, поскольку через него транспортный ток УЭВ практически не проходит, а с него лишь стекает ток инерционного движения свободных электронов (часть УЭВ, увеличивающая общий УЭВ), то электропластический эффект (ЭПЭ) на его материал в начальные моменты времени практически не распространяется. На последующих этапах взаимодействия, когда начинает происходить сильная деформация самого сердечника пули, на нем также может возникнуть ЭПЭ. Электропластический эффект сердечника пули увеличивает ее бронебойность. Как показано в источнике [4] для возникновения ЭПЭ необходимо и достаточно выполнение одновременно двух условий:
- чтобы твердый деформируемый материал находился под механическими напряжениями выше предела текучести;
m
3
2
- чтобы в области деформации твердого металла протекал транспортный ток плотностью J не менее 10 А/см, что, как показывают расчеты, выполняется при УЭВ в месте столкновения пули с препятствием.
Получить ЭПЭ в препятствии в месте его взаимодействия с пулей, а затем и в сердечнике пули, возможно за счет наличия вставки в головной части пули из электрондебетных сплавов (ЭДС), либо выполнение сердечника пули из ЭДС, либо обертывание твердого сердечника пули в фольгу из ЭДС.
11
11
К электрондебетным сплавам (ЭДС) относятся материалы, обладающие сверхвысоким значением диэлектрической проницаемости (ферромагнетики) - на уровне ε=10. Высокое значение ε обусловлено доменной структурой ферромагнетика. В этих материалах кулоновские силы в 10 раз слабее, чем у диа- и парамагнетиков. Относительная магнитная проницаемость µ для указанных материалов также большая по величине - µ>200, что важно для быстрого проникновения и действия в них ЭМП.
Материалу препятствия в месте столкновения его с пулей наряду с импульсом механической силы и энергии от сердечника пули передаются также импульсы силы и энергии от «электронного ветра» транспортного тока УЭВ и пондеромоторная часть действия импульса тока УЭВ, о физической природе которой речь пойдет дальше. В результате выполняются оба условия (они сформулированы выше), необходимые и достаточные для возникновения ЭПЭ.
Многие из свойств металлов, в том числе электропроводность, магнитная восприимчивость и т.д., определяются изоэнергетической поверхностью (поверхностью Ферми), ограничивающей в пространстве квазиимпульсов область энергетических состояний, занятых электронами проводимости при Т=ОК.
Большинство металлов имеют сложный характер проводимости, имея электронную и «дырочную» изоэнергетические поверхности, которые, смещаясь в разные стороны под влиянием электрического поля, передают дислокациям импульсы силы и энергии в разных направлениях.
Считается, что «дырки» имеют положительный заряд е>0 и положительную эффективную массу m*>0, занимая область внутри p - пространства после ухода из нее электронов проводимости, что позволяет с точки зрения механизма ЭПЭ рассматривать их в качестве некоторых аналогов позитронов, имеющих обратную направленность дрейфа во время прохождения тока. Они будут влиять на движение не тех дислокаций, которые ускоряются под действием электронов, а других групп дислокаций, имеющих иной знак и иное положение своих экстраплоскостей относительно плоскости скольжения.
Другим важным аспектом влияния поверхности Ферми на ЭПЭ является участие различных ее частей и фрагментов в передачах импульсов энергии и силы на дислокации.
В процессе электропроводности происходит смещение фермиевских электронов по нормали к поверхности Ферми, причем доля таких электронов возрастает с увеличением площади поверхности Ферми и с увеличением степени ее закрытости. Существенный вклад в ЭПЭ вносят те ее участки, для которых характерны небольшие скорости фермиевских электронов, что обратно пропорционально объемам, охватываемым отдельными фрагментами поверхности Ферми.
F
F
Поэтому можно считать, что ЭПЭ, подобно электронной теплоемкости, пропорционален ∫dS/V, где dS - элемент площади поверхности Ферми и V - объем, охватываемый поверхностью Ферми.
Соответственно, наряду со сверхвысоким значением диэлектрической проницаемости вторым признаком принадлежности материала к ЭДС служит наличие у поверхности Ферми такого материала большого количества замкнутых фрагментов ее объема в виде «раковин», «линз», «игл» и «сигар», а также различного рода вмятин, гофров и перемычек, ориентированных своими малыми осями по полю Е, когда роль ортогональных смещений изоэнергетической поверхности и роль всей поверхности Ферми возрастают.
К ЭДС могут быть отнесены, в частности, следующие материалы, которым присущи свойства, определенные выше как первый и второй признаки:
сегнетоэлектрики и пьезоэлектрики;
- эвтектически мягкая смесь Bi-Li;
- сплав Вуда;
- сплав Розе;
- соединение Bi-Li;
- быстрозакаленный супермагнитный порошок типа БЗМП на основе сплавов системы Nd-Fe-B;
- нанокристаллические конденсаторые порошки на основе Та-Ni;
- иодид цезия.
Вставки в головной части пули, фольга для оборачивания ее сердечника или сердечник могут быть выполнены из ЭДС, в частности на основе щелочных металлов и их сплавов, у которых поверхность Ферми лишь слегка отличается от сферы свободных электронов и практически полностью помещается внутри 1-й зоны Брюллюэна, т.е. влияние периодической решетки металла на электроны проводимости для них невелико.
Самые высокие значения ε имеют железо и магнитные стали, а также супермагнитные нанокристаллические порошки, полученные из сплавов, в состав которых входит не менее одного из следующих металлов: цезий, висмут, олово, свинец, кадмий, литий, железо, ниобий. Железо и другие ферромагнетики предпочтительно использовать в виде нанокристаллических порошков, поскольку введение порошка в пустоты головной части пули технологично.
5
У никель-марганцевых ферритов, которые также относятся к ферромагнетикам, величина ε примерно на 6 порядков меньше, чем у железа, и равна ε=10. То же самое относится к композиции супермагнитного нанокристаллического порошка на основе железа, бора и ниобия (Fe-В-Nb). Это же относится к супермагнитному нанокристаллическому материалу Fe-B-Nb.
5
Никель-марганцевые ферриты (относящиеся к ферромагнетикам, с величиной ε=10) и супермагнитный нанокристаллический материал Fe-B-Nb для увеличения сопротивления подвергают спеканию, но при этом резко уменьшаются величины µ и ε. Отдельные крупинки порошков обладают сверхвысокими значениями ε, но при размоле значительно уменьшается величина µ.
-7
-6
-14
-16
В железе на 9-10 порядков увеличивается время релаксации заряда, которое может составлять доли микросекунды, т.е. 10-10 с (для сравнения: для меди это время составляет 10-10 с), что важно для относительно медленно протекающих процессов пластической деформации металла, даже в случае ударного столкновения пули с препятствием.
Это означает также, что времена релаксации и действия аккумулированных зарядов в материале соизмеримы с временами деформации и разрушения препятствия, т.е. основные процессы соизмеримы по времени своего действия.
Благодаря малому удельному весу и невысокой работе выхода электронов наибольший эффект достигается при использовании в головной части пули ЭДС из порошка из сплава одного из металлов, принадлежащих к группе щелочных металлов - цезий и литий.
3
-10
3
-9
-6
-1
Так, цезий (Cs) как материал с наименьшей работой выхода электронов φ=1,81 эв. с плотностью ρ=1,9 Мг/м; σ=4,81 Мсм/м при 293 К; с постоянной Холла R=-7,8·10 м/Кл; магнитной восприимчивостью χ=0,22·10 и коэффициентом линейного расширения α=97·10 K.
Иодид цезия CsI, способен в ударной волне сжиматься в 2,15 раза, а затем диссоциировать на составляющие атомы, которые, в свою очередь, ионизируются и отдают часть электронов в общий «электронный газ», переводя это соединение в класс проводников. Максимальная электропроводность CsI по данным (3) составляет примерно 0,15 от электропроводности меди при комнатной температуре, т.е. находится на уровне электропроводности алюминия.
3
5
-10
3
-9
-6
-1
пл
Эвтетическая мягкая смесь Bi-Li, используемая в качестве ЭДС, имеет по Li следующие свойства: работу выхода электронов φ=2,38 эв, плотность ρ=0,536 Мг/м и σ=10,7·10 Мсм/м при 293 К, эффект Холла R=-2·10 м/Кл, магнитную восприимчивость χ=2·10, Т=453 К; теплопроводность λ=71,17 Вт/мК, температурный коэффициент расширения α=56·10 К; модуль упругости Е=5,0 ГПа. Хранение ее должно производиться при Т не выше 240°С;
3
-9
-11
-1
пл
По Bi эта смесь имеет следующие свойства: φ=4,4 эв; ρ=9,84 Мг/м; рекордный диамагнетизм χ=-1,34·10; Т 544 К; λ=9,06 Вт/мК; хрупок, имеет коэффициент сжимаемости ε=2,86·10 Па.
ЭДС может быть выполнен также в виде соединения Bi-Li (висмутид лития) для создания локальных токов при движении цепи Li-Bi с ускорением в условиях действия эффекта Стьюарта-Толмэна на микроуровне при разных напряжениях в ветвях цепи.
В качестве ЭДС в головной части могут использоваться быстрозакаленные супермагнитные порошки типа Б3МП на основе элементов Nd-Fe-В или на основе композиции Fe-В-Nd. Хотя энергия начального магнитного поля в них невелика (порядка одного Джоуля) и при резком торможении пули в мишень не будут переходить значительные по величине индукционные токи, но при сильном сжатии нанокристаллического супермагнитного порошка во время столкновения пули с мишенью возникнет эффект сжатого магнитного поля с многократным усилением его электромагнитного действия.
3
3
В качестве ЭДС в головной части пули могут быть использованы нанокристаллические конденсаторные порошки на основе Та и Ni. Удельный вес тантала 16,6 г/см, а никеля 8,3 г/см. Летящая в воздухе пуля черпает ЭМЭ из окружающей среды за счет трения, сопровождаемого поляризацией оболочки пули, и создания в динамическом режиме «летящего» конденсатора. Как известно, если «закоротить» заряженный конденсатор, удалив таким образом свободные электроны с металлических обкладок, а затем снять «закоротку», то спустя некоторое время динамический конденсатор вновь окажется заряженным. Дело в том, что изолятор при динамической зарядке постоянно поляризуется внешним полем, а при «закорачивании» исчезает поле, а не направленная поляризация. Возвращение поляризации после снятия «закоротки» к равновесному значению вызывает протекание тока смещения, вновь заряжающего конденсатор.
Таким образом, динамический летящий конденсатор на основе нанокристаллического конденсаторного порошка из Та или Ni способен заряжаться отрицательным электричеством внутри летящей пули от внешнего поля, создаваемого оболочкой пули и внешней газовой средой, и разряжаться в момент столкновения с мишенью, которая играет роль «закоротки». При этом избыточный отрицательный электрический заряд переходит в мишень в составе УЭВ, увеличивая транспортный ток УЭВ в мишени.
Использование в головной части пули вставок, сердечника или фольги для его оборачивания из ЭДС из сегнетоэлектриков и пьезоэлектриков имеет свои преимущества с точки зрения влияния на возникновение ЭПЭ. Эти вещества, будучи поляризованными, хранят сколь угодно долго приобретенную ЭМЭ, поскольку их структурные элементы обладают собственным электрическим дипольным моментом. То, что любая сохраняющаяся в подобного рода структурах или комбинациях из них энергия может быть полезной лишь до точки Кюри, равной примерно 100°С, не критично для летящей пули.
При этом во внешнем поле, возникающем при трении летящей пули об газовую среду в виде воздуха, структурные элементы сегнетоэлектриков должны выстраивать свои дипольные моменты соответственно ориентации поля. Приобретенная поляризация и запасенная ЭМЭ будут сохраняться до конца полета пули. При столкновении пули с мишенью обратная ударная волна, отраженная от мишени, «выбьет» запасенную ЭМЭ.
Сжатие вещества всегда приводит к увеличению скорости распространения в нем упругих волн. Для конденсированных веществ, кроме того, существует предел ударного сжатия.
Другое влияние ударно-сжатого состояния вещества и состоит в том, что МП может в нем не только диффундировать, но и «вмораживаться» в него при соответствующем значении УВИ, что может быть важным фактором для первоначально непроводящей или плохо проводящей среды, например, для нанокристаллического конденсаторного порошка (НККП) или для супермагнитного нанокристаллического порошка (СМНП), а также для иодида цезия.
Ударная волна (УВ) отражается от твердого препятствия, состоящего из вещества с большим ударно-волновым импедансом (УВИ), чем вещество пули, двумя способами (фиг.3):
- приобретая дополнительное сжатие, как показано на второй схеме фиг.3б;
- испытывая разрежение вещества с «потерей фазы».
Критерием того, по какому сценарию произойдет столкновение и отражение УВ, является УВИ, равный произведению плотности вещества на скорость звука в нем.
В среднем значение УВИ препятствия всегда больше УВИ пули по причине неплотной упаковки содержимого пули, имеющей двойную оболочку, пустоты, а также (в нашем случае) неплотные и большей частью легкие порошковые вставки из ЭДС, фольга из ЭДС, которой обернут сердечник. Только твердый сердечник пули может иметь УВИ, сравнимый с УВИ препятствия, но и в этом случае преимущества УВИ пули перед УВИ препятствия не будет сколь-нибудь существенным, поскольку зачастую они выполнены из одного и того же материала или материалов с близкими физико-механическими свойствами.
Таким образом, преимущество в УВИ практически всегда за материалом препятствия, если оно выполнено из стали или из специального бронезащитного сплава. В итоге появляется отраженная волна сжатия, как показано на фиг.3б. Она, помимо своего механического действия и внедрения в материал препятствия с деформацией твердого сердечника пули, должна вызывать сжатие МП, создаваемого транспортным током УЭВ и инерционным движением, например, супермагнитного порошка (СМП), который может применяться в качестве ЭДС, что также должно приводить к указанному выше ЭМИ радиочастотного диапазона.
Наряду с этим твердый сердечник пули локально разрушает препятствие и может относительно легко внедряться в него, обладая большой кинетической энергией и содействием со стороны УЭВ и поверхностно-активных веществ (ПАВ). В качестве последних могут использоваться диамагнетики, такие как металлические многокомпонентные легкоплавкие сплавы типа Розе (сплав из трех компонент, в числе которых - висмут) и Вуда (пятикомпонентный сплав, в числе которых - кадмий). Эти сплавы могут быть так же, как и другие описанные выше ЭДС, механическим способом переработаны в порошки и использованы в качестве вставок в полостях головных частей сердечника. Из сплавов Вуда и Розе может быть изготовлена фольга для оборачивания головной части сердечника. Вставки из порошка этих сплавов, фольга из них, расплавляются в головных частях пуль в момент удара о препятствие и через механизмы своего действия [5] - разупрочняющего и пластифицирующего действия - эффективно способствуют деформации и разрушению материала препятствия.
При выборе ЭДС необходимо учитывать стоимостные показатели. Так, медь, сплавы на ее основе соответствуют всем требованиям, предъявляемым к ЭДС. Однако стоимость меди делает экономически нецелесообразным использование порошковых вставок, фольги и сердечника из ЭДС на основе меди. По этим соображениям сплав Розе имеет преимущество перед сплавом Вуда, а висмут и железо перед танталом, вольфрамом и ниобием.
Оценим количество электричества, передаваемое от пули к препятствию, исходя из следующих условий:
1) в природе не существует мгновенной остановки движущегося тела из-за наличия развивающихся во времени обратимой и необратимой деформации среды. Глубина линейной обратимой деформации и время соударения зависят от величины импульса и кинетической энергии пули, от величины соприкасающихся в момент столкновения поверхностей;
2) в начальный момент времени t=0 (до удара) все внешние силы, кроме внутренних, связанных с пулей и стенкой, равны нулю;
3) при переходных процессах скорость нарастания возмущений может быть аппроксимирована линейной функцией в пределах 0,1 - 0,63 от его амплитудного значения. Затем происходит плавный переход на установившийся процесс или экспоненциальный спад;
-6
-5
4) время соударения пули об стенку по порядку величины равно 10-10 с;
5) при движении пули электроны проводимости движутся вместе с ней со скоростью пули. Скорость пули определяет, таким образом, начальную направленную скорость электронов (скорость дрейфа в пространстве);
6) свободные электроны, находящиеся в сердечнике, переходят в место контакта пули со стенкой (в момент удара) без потери скорости.
Сила инерции, действующая на свободные электроны при столкновении пули с препятствием, равна:
1
2
где Σm(v-v) - суммарный механический импульс свободных электронов, находящихся в движущемся теле (изменение количества движения при ударе равно ударному механическому импульсу);
1
2
v и v - скорости движения тела до и после удара;
Σm - суммарная масса электронов в движущемся теле;
п
t - время протекания тока электронного впрыска;
n - концентрация свободных электронов в движущемся теле;
m - масса электрона;
V -объем вставки ЭДС пули.
2
1
При ударе пули о препятствие и остановке центра массы пули вставка из ЭДС пули продолжает движение, которое является быстро затухающим (без отскока от препятствия), т.е. когда тело "застревает" в препятствии, при этом сжимаясь. Отскок пули от препятствия, сопровождаемый также потерей ее скорости, ввиду малой вероятности здесь не рассматривается. Поскольку в нашем случае скорость v=0, то для дальнейшего обозначим скорость v=v.
Свободные электроны, находящиеся в сердечнике, в соответствии с условием 6 (см. выше) переходят в место контакта пули с препятствием (в момент удара) без потери скорости.
п
п
Соответственно время протекания t тока (длительность импульса электронного впрыска) зависит от длины пули (длины пути) L:
где v - скорость пули в момент попадания в мишень.
m
Плотность потока электронов в момент удара записывается в виде плотности тока J неэлектрического происхождения
где е - заряд электрона.
Контактная разность потенциалов между материалом стенки и пулей значительно меньше энергии теплового движения электронов ,
где k - постоянная Больцмана,
Т - абсолютная температура.
Непосредственно при соударении кинетическая энергия свободных электронов будет равна
Суммарная скорость движения свободных электронов равна сумме скорости пули и скорости теплового движения электронов.
В предельном случае, когда при ударе все свободные электроны пули переходят в стенку:
До удара заряд свободных электронов равен
п
Среднее значение тока, вытекающего из пули в металлическое препятствие за время t, равно
где S - площадь поперечного сечения пули, измеренная на ее средине.
m
Плотность возникающего тока УЭВ J, измеренная на острие пули, равна
0
где S - площадь поперечного сечения на острие пули.
-19
24
-3
-2
-6
2
-8
3
3
24
-3
п
0
Положим, что e=1,6·10 Кл; n=10м; ; L=1,6·10м; S=10м; V=10м. Тогда ток будет равен I=2·10A; Концентрация n=10 м выбрана с учетом значения ее для порошка сплава тантала.
эл.м.
Пондермоторная сила F, действующая на объем V со стороны возбуждаемого ударом ЭМП, равна интегралу по объему V от объемной плотности пондермоторных сил
где ρ - плотность заряда свободных электронов; Е - напряженность электрического поля, создаваемая в объеме движущегося тела при ударе; B - магнитная индукция, создаваемая направленным потоком свободных электронов.
Уравнение непрерывности, вытекающее из закона сохранения заряда, имеет вид:
Решением уравнения (9) является выражение:
0
где ρ - избыточная плотность заряда;
σ - электропроводность;
0
ε- диэлектрическая постоянная;
ε - относительное значение диэлектрической проницаемости металла.
Из этого выражения следует, что в проводящей среде заряд убывает по экспоненте, а постоянная времени не зависит ни от начального заряда, ни от напряженности ЭМП. Постоянная времени, равная уменьшению заряда в 2,72 раза, для металлов оценена указанной величиной. Уравнение (9) может быть решено для данного конкретного случая в общем виде с учетом фронта нарастания, амплитуды и спада.
При скоростном обжатии металла в зоне деформации, обусловленной ЭПЭ, происходит ускорение кристаллического остова решетки с ускорением на величину
1
2
где v и v - скорость проволоки до и после зоны деформации внутри фильеры;
t - время пребывания каждого участка проволоки в зоне деформации, имеющей протяженность ΔI от долей до нескольких мм.
1
2
Поскольку при волочении скорость заготовки до зоны деформации vвсегда меньше ее скорости после этой зоны v (что является обычным технологическим условием волочения длинномерных заготовок), то в самой зоне деформации внутри фильеры, имеющей протяженность ΔI от долей до нескольких мм, возникает и действует ускорение остова кристаллической решетки, величину которого можно оценить по формуле
1
0
где v=I/l - коэффициент вытяжки заготовки.
Величина возникающего при этом избыточного электронного потенциала на заготовке или «электронной подушки» перед фильерой определяется по формуле
где е, m - соответственно заряд и масса электронов.
8
2
-7
Величины ускорения а и потенциала Е по условиям эксперимента, изложенного в работе [6], имели соответственно величины порядка 2·10см/с и 1,1·10 В/см. В указанной работе обнаруженное явление было названо электрон-деформационным эффектом (ЭДЭ), а его природа связывалась с увлечением газа свободных электронов движущимися в зоне деформации (внутри фильеры) дислокациями, т.е. предполагалось наличие оттеснения зоной деформации металла и дислокациями свободных электронов в область перед фильерой, что можно интерпретировать как наличие эффекта увлечения свободных электронов дислокациями. Теоретически этот вопрос был рассмотрен В.Д.Фиксом [7] лишь в 1981 г.
с
Под влиянием импульса тока УЭВ усиливается генерирующая работа источников дислокации. Простой расчет, выполненный в работе [7], показывает, что «электронный ветер» может вызвать размножение дислокации в источниках Франка-Рида. Закрепленные стопорами дислокации могут отрываться от мест закрепления, а в местах отрыва дислокации от стопоров возникает увлечение свободных электронов движущимися дислокациями, если механические напряжения σ будут превышать критический уровень σ, необходимый для начала работы источников дислокации, что выполняется при ударе пули о препятствие, т.е. выполняются условия
где т - линейное натяжение дислокационной петли; L - расстояние между точками закрепления и µ - модуль сдвига.
-3
Известно, что при L=10 см напряжения начала работы источников Франка-Рида равны пределу текучести металла.
Таким образом, одной из причин повышения бронебойности пуль, в головной части которых выполнены вставки из ЭДС, либо сердечник в них выполнен из ЭДС, либо сердечник обернут в фольгу из ЭДС, является интенсификация работы источников дислокации Франка- Рида и размножение движущихся дислокации в препятствии как за счет УЭВ, так и за счет вторичного «электронного ветра» препятствия. Условием действия источников Франка-Рида и размножения подвижных дислокации является то, что созданные наведенным в мишени током механические напряжения
с
должны быть равными или большими значений динамического предела текучести металла σ.
Приравняв выражения 14 и 15, получаем формулу для критических по величине плотностей наведенного в мишени тока, при которых начинается генерирование быстро движущихся дислокаций (еще одна причина ожидаемого легкого вхождения твердого сердечника пули в мишень при УЭВ)
m
5
6
2
Подстановка численных значений дает J=10-10 А/см (в импульсном режиме). Из теории В.Я.Кравченко [8] следует также, что «электронный ветер» может производить ускорение дислокации, действуя на них с силой
Δ - константа деформационного потенциала.
m
Как уже было показано такое значение тока J позволяет получить ЭПЭ в месте взаимодействия пули и препятствия, бронебойность пули при этом возрастает.
Это подтверждается результатами испытаний. Оценочные испытания опытного 5,45-мм патрона были проведены в 2009 году с пятью вариантами электрондебетных вставок: вариант 1 - вставка с ненамагниченным порошком на основе Nd-Fe-B (масса вставки 0,056 г); вариант 2 - вставка с намагниченным порошком на основе Nd-Fe-B (масса вставки 0,056 г); вариант 3 - вставка с порошком на основе Та и Ti (масса вставки 0,044 г); вариант 4 - вставка с порошком сплава Вуда (масса 0,160 г); вариант 5 - вставка с порошком сплава Розе (масса 0,156 г).
Целью испытаний являлось определить пробивное действие опытных образцов 5,45-мм патрона с бронебойной пулей с ЭДС вставкой в головной части сердечника по броневому листу 2П ГОСТ В 21967-90 толщиной 5 мм на дальности, большей на 20÷30 процентов, чем максимальная дальность пробития данного препятствия пулями серийных патронов 7Н24.
Результаты испытаний показали следующее.
На дальности 390 м пробиваемость пуль серийных 5,45-мм патронов 7Н24 при стрельбе из АК74М составила 80%. На дальности 470 м (120% от 390 м) пули опытных 5,45-мм патронов опытных образцов с ЭДС вставками при стрельбе из АК74М показали пробиваемость: вариант 1 - 60%, вариант 2 - 40%, вариант 3 - 70%, вариант 4 - 80%, вариант 5 - 100%.
На дальности 510 м (130% от 390 м) пули 5,45-мм патронов опытных образцов с ЭДС вставками при стрельбе из АК74М показали пробиваемость: вариант 4 - 30%, вариант 5 - 60%, в то время как пробиваемость на той же дальности пулями патронов 7Н24 равнялась нулю.
Использовавшийся в процессе испытаний пояс Роговского представляет собой катушку, предназначенную для измерения производной тока по времени, его схема представлена на фиг.4. Принцип действия пояса Роговского основан на законе полного тока, согласно которому линейный интеграл В пропорционален полному току, заключенному внутри контура интегрирования по замкнутой кривой. Путь интегрирования может быть любой.
Напряжение возникающего импульса тока определяется с помощью запоминающего осциллографа по падению напряжения на калиброванном сопротивлении. Затем токосъемный провод подключается к баллистическому гальванометру для регистрации количества электричества, стекающего с бронелиста после попадания в него серии пуль с УЭВ. Баллистический гальванометр должен быть включен в систему регистрирующих приборов на полигоне для определения количества электричества, стекающего с бронелиста во время попадания в него пуль с УЭВ.
Схема устройства для запуска осциллограмм приведена на фиг.5. Для испытания пуль с УЭВ изготовление и использование этого устройства необходимо, поскольку оно синхронизирует с попаданием пуль в мишень запуск осциллограмм, фиксирующих транспортный ток УЭВ. Устройство работает следующим образом. Обычная батарейка при замыкании ее оператором на светодиод «зажигает» последний, а от него по волоконному кабелю вспышка света распространяется и поступает на преобразователь ФД, находящийся на удалении от бронелиста. Преобразователь, схема которого приведена на фиг.5, по данным работы [3] формирует импульс, запускающий развертку осциллографа.
Список литературы
1. Г.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. - М., Изд-во «Мир», 1972.
2. Г.Е.Зильберман. Электричество и магнетизм. - М., Изд-во «Наука», главная редакция физико-математической литературы, 1970.
3. А.Б.Прицепенко. Взрывы и волны (взрывные источники электромагнитного излучения радиочастотного диапазона). М., БИНОМ, Лаборатория знаний. 2008 г., 208 стр.
4. О.А.Троицкий, Ю.В.Баранов, Ю.С.Авраамов и А.Д.Шляпин. Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технология, структура и свойства), М-И, монография в двух томах, Изд-во АНО ИКИ г. Ижевск.
5. Е.Д.Щукин, В.И.Лихтман и П.А.Ребиндер. Физико-химическая механика. Сборник материалов, М., Изд-во «Наука», 1963 г.
6. О.А.Троицкий, В.Г.Рыжков. Письма в ЖТФ, №3, в. 14 с. 680-683, 1977 г. Возникновение электрического потенциала в зоне деформации меди.
7. В.Д.Фикс, ЖЭТФ, т.80, №4, 1539-1542, 1981 г. Увлечение и торможение подвижных дефектов в металлах электронами проводимости. Роль закона дисперсии электронов.
8. В.Я.Кравченко, ЖЭТФ, т.51, №36 (12), 1966 г., с.1676-1681. Взаимодействие направленного потока электронов с движущимися дислокациями.
9. О.А.Троицкий. Электромеханический эффект в металлах, ж Письма в ЖЭТФ, №10, стр. 18-22, 1969 г.