Влияние параметров детонации конденсированных взрывчатых веществ и динамических свойств металлов на эффективность метательного действия

Одним из видов такого оружия для поражения бронированных и сильноукреплённых целей являются снарядоформирующие заряды типа «ударное ядро». Совершенствование таких боеприпасов с целью повышении их эффективности действия напрямую связано с разработкой новых взрывчатых веществ (ВВ) и конструкций и подбором материала метаемого элемента. Именно метательная способность заряда ВВ является основным критерием действия боеприпаса. Долгое время считалось, что увеличение эффективности действия напрямую связано лишь с одним параметром — со скоростью детонации заряда ВВ, однако многие ВВ, обладая высокой скоростью детонации, не всегда отвечали максимальному метательному действию данных зарядов. В тоже время ограниченность ассортимента материалов облицовок, применяемых в данных боеприпасах, не позволяла предложить оптимальный материал для их изготовления с максимальной эффективностью действия.

Сложность экспериментов, связанных с высокой стоимостью разработки новых ВВ, не позволяют достаточно быстро решить проблему выбора оптимального состава и материала в качестве метаемого элемента. Для определения эффективности данного вида действия были разработаны практические методики для торцевого метания пластины (М-40, М-60) и расширения осесимметричной цилиндрической оболочки (Т-20, Т-40, Т-60), у которых в последствии выявились ряд недостатков, например, одноимпульсный эффект взаимодействия продуктов детонации с метаемым элементом, не позволяющий в полной мере определить эффективность действия метаемых элементов.

Синтез новых дорогостоящих ВВ, требует разработки предварительных методов определения эффективности действия этих веществ, с оценкой параметров детонации, а также динамических адиабат металлов метаемых облицовок. В этом плане необходимо связать известные характеристики ВВ и метаемых облицовок — детонационную и массовую скорости, скорость звука и характер взаимодействия продуктов детонации с метаемой пластиной. Поэтому разработка теоретических методов позволит в кратчайшие сроки и с экономической целесообразностью решить данные проблемы.

Одним из путей решения является статистический метод расчёта необходимой характеристики ВВ с использованием регрессионного анализа значительного массива экспериментальных данных ВВ и взрывчатых соединений. Помимо такого метода решения, существуют и физические методы определения параметров метания, основанные на анализе ударно-волновых взаимодействий продуктов детонации с металлической пластиной и метода детонационной оптики. Однако недостатком данных методов явилось недостаточно точные прогнозы массовой скорости продуктов детонации, которой в принципе не уделялось достойного места, хотя появившиеся в последнее время методики практического определения данной характеристики и теоретического её прогнозирования известны.

Накопленный объем экспериментальных данных по основным параметрам ударного сжатия и детонации позволяет проводить расчетное моделирование различных процессов для широкого круга наиболее распространенных, а, возможно, и перспективных материалов. Расчёт параметров ударного сжатия конденсированных веществ затруднён из-за ненадёжности уравнения состояния, особенно при высоких давлениях и температуре, характерных для ударных волн. Поэтому основным путём получения информации о состоянии вещества в сильных ударных волнах является анализ ударных адиабат, полученных экспериментально в ходе динамического эксперимента, и методов их теоретического прогнозирования.

Актуальность темы

.

Сложные динамические взаимодействия представляют самостоятельный интерес для различных областей науки и техники, в том числе и для разработки новых систем динамического оружия, у которого поражающие элементы баллистической формы должны иметь достаточно высокие характеристики по форме и массе, которые определяются соотношением массы и квадрата скорости. Э-металлы и их сплавы являются наиболее перспективными в этом плане, так как, во-первых, неполно изучены их ударно-волновые свойства, а во-вторых, в данное время в термодинамике рассмотрены только полуэмпирические модели уравнения состояния металлов, что требует дополнительного проведения дорогостоящих экспериментов по определению динамических характеристик металлов и их сплавов. Однако именно в этой концепции возможно решение проблем разработки эффективных поражающих элементов кинетического оружия, зарядов взрывного бурения и кумулятивных перфораторов.

Для использования на практике эффектов динамического нагружения необходимо знать такие характеристики как скорость звука во ВВ и в метаемом материале, детонационные и массовые скорости и ряд других характеристик. Задачи разработки методов теоретического прогнозирования скоростей детонации и метания требуют комплексной диагностики ударно-волновых процессов при динамическом нагружении. Прогнозирование таких процессов является актуальной научной задачей. Исследование поведения металлических материалов при ударном сжатии имеют большое значение для решения задач по прогнозированию взрывных воздействий на различные материалы.

В работе также уделено внимание решению актуальной задачи по теоретическому исследованию параметров детонации и метательной способности некоторых перспективных ВВ на основе 1,3,5-триазинов.

Цель работы.

1. Комплексное исследование взаимодействия продуктов детонации с метаемой пластиной;

2. Разработка методов экспериментального и теоретического прогнозирования метательной способности;

3. Определение влияния материала метаемого элемента на эффективность отбора энергии им у продуктов детонации, а также выбор критерия его оценки.

Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие основные задачи исследования:

1. Определение параметров взаимодействия продуктов детонации с метаемой пластиной и влияния динамических характеристик металла на параметры его нагружения;

2. Исследование аддитивных свойств (1-элементов таблицы Д. И. Менделеева с целью определения их динамических адиабат;

3. Разработка теоретических методов определения скорости торцевого метания и расширения цилиндрической оболочки;

4. Определение детонационных и метательных свойств производных 1,3,5-триазина.

Методы исследования.

В работе использован аппарат ударно-волнового взаимодействия продуктов детонации и нагружаемых материалов, теоретический расчёт параметров детонации, детонационной оптики.

Ударно-волновые импульсы меди и латуни, в условиях ударного нагружения, изучались с помощью электромагнитного метода регистрации скоростей метания исследуемых образцов в процессе ударного сжатия. Расчёт параметров исследуемых ВВ и металлов осуществлялся в рамках полуэмпирического подхода.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

— Предложены методы прогнозирования параметров метания гидродинамическим методом и методом эквивалентных масс;

— Предложен способ по усреднению результатов, который позволяет уменьшить абсолютную ошибку по отношению к экспериментальным данным;

— Разработана предварительная экспресс-методика определения смесевых динамических адиабат сплавов, которая даёт возможность определить наиболее оптимальный для метания сплав;

— Впервые определены детонационные параметры ВВ ряда 1,3,5-триазинов и их возможная метательная способность.

Практическая значимость работы определяется предложениями по уменьшению количества экспериментальных исследований за счёт научно-обоснованного подхода к расчётно-экспериментальной оценке характеристик эффективности.

— Разработан метод теоретического прогнозирования определения скоростей метания;

— Разработана новая полуэмпирическая методика, позволяющая определить ударные адиабаты металлов и сплавов для поражающих элементов;

— Разработанная экспресс-методика определения смесевых динамических адиабат сплавов позволяет расширить круг различных металлов и сплавов и выделить из них наиболее оптимальные для необходимых целей;

— Предложен перспективный экспериментальный метод регистрации ударно-волновых импульсов взаимодействия продуктов детонации с метаемым элементом при динамическом нагружении;

— Разработанные в работе методы приведут к снижению затрат на разработку боеприпасов с использованием перспективных взрывчатых веществ и оптимальных материалов облицовок для снарядоформирующих зарядов.

На защиту выносятся следующие положения:

— Разработка электромагнитного метода фиксации скорости метаемого элемента и характер взаимодействия продуктов детонации с материалом пластины;

— Разработка принципа расчёта скорости метания гидродинамическим методом;

— Разработка способа расчёта коэффициента X ударной адиабаты Б-а+Хи на основе аддитивных свойств элементов периодической системы Д. И. Менделеева для определения динамических адиабат с1-металлов и их сплавов;

— Способы расчёта параметров торцевого метания гидродинамическим методом и методом детонационной оптики, и скорости расширения цилиндрической оболочки с использованием единой энергетической характеристики — массовой скорости;

— Результаты теоретического расчёта параметров детонации и скоростей метания для перспективных взрывчатых веществ производных 1,3,5-триазинов.

Достоверность научных результатов работы: подтверждается совпадением результатов эксперимента с результатами теоретического прогнозирования по разным методикам и экспериментальным данным, а также выполненными оценками погрешностей измерений.

Апробация работы.

Научные результаты работы апробированы на Международных, Всероссийских и Межвузовских научно-технических конференциях и симпозиумах: VII Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (2006 г.), г. НовосибирскXXXII Самарской областной студенческой научно-технической конференции памяти профессора Х. С. Хазанова. «Общественные, естественные и техн. науки» (2006 г.), г. СамараXVII Менделеевской конференции молодых учёных (2007 г.), г. СамараМеждународной конференции «Ударные волны в конденсированных средах» (2008 г.), г. Санкт-ПетербургXI, XIII Харитоновских тематических научных чтениях — Международная конференция «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (2009 г., 2011 г.), г. СаровI Международной научно-практической конференции «Наука и современность» (2010 г.), г. НовосибирскМеждународной конференции «Ударные волны в конденсированных средах» (2010 г.), г. Великий НовгородМосковский семинар по физике взрыва (2011 г.), г. Дзержинск.

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 12 работ, докладов и тезисов конференций, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ.

Личный вклад соискателя заключается:

В выборе направления исследованийв постановке задач диссертацииличном проведении экспериментовавтор принимал участие в количественной обработке полученных экспериментальных данныхформулировке выводов и положений, выносимых на защиту, а также в подготовке публикаций в печать.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, библиографического списка. Общий объем работы составляет 117 страниц, включая 16 рисунков, 25 таблиц и библиографического списка включающего 101 наименование.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. С целью разработки практических и теоретических способов определения метательной способности проведён критический анализ существующих методов определения параметров метания пластин продуктами детонации. Показано, что существующие практические методы определения скорости торцевого метания обладают существенным недостатком — методы не регистрируют динамику разгона пластины, а из имеющихся теоретических методов определения относительной метательной способности наиболее применимыми являются регрессионный анализ, метод детонационной оптики и гидродинамический метод. Последние два метода не разработаны досконально.

2. Разработан принцип расчёта скорости метания гидродинамическим методом, включая оценку параметров детонации ВВ на основе прогнозирования скорости звука в зарядах ВВ и в материале метаемой пластины. Показано, что наиболее приемлемой является методика расчёта параметров детонации с использованием скорости звука ВВ, так как позволяет рассчитать массовую скорость с максимально возможной точностью.

3. Зарегистрировано трёхкратное ударно-волновое взаимодействие ПД с метаемым элементом и определены процентные вклады каждого взаимодействия ПД с пластиной, которые составляют около 24% во втором импульсе и -10% в третьем. На основании разработанной методики определения доразгона пластины при торцевом метании экспериментально определены скорости медной и латунной пластин при многократном нагружении их продуктами детонации. Показано, что помимо параметров ВВ на эффективность действия влияет материал ударника. В частности, использование ударника из латуни Л75 позволяет увеличить импульс на 4−8% по сравнению с медью Ml.

4. Усовершенствован способ прогнозирования физических и динамических характеристик металлических элементов на основе периодического закона Д. И. Менделеева. Разработана экспресс-методика определения смесевых динамических адиабат сплавов, которая даёт возможность определить наиболее оптимальный состав компонентов для реализации максимальной эффективности метательного действия;

5. Предложены методики расчёта относительной скорости торцевого метания гидродинамическим методом и методом детонационной оптики, а так же приближённый метод определения скорости расширения цилиндрической облицовки Т-20. Разработаны теоретические методы прогнозирования скоростей метания по методам Т-20 и торцевого метания М-60;

6. Проведено сравнение предложенных методик расчёта скоростей метания с известными интерполяционными уравнениями Смирнова A.C. Показано, что предло-женные методы расчёта метательного действия имеют равную точность с методом Смирнова A.C., а усреднение результатов теоретического прогнозирования скорости ме-тания, полученных по разным методикам, снижает среднеквадратическую ошибку в среднем на 1,5%.

7. На основе разработанных методик произведён расчёт параметров детонации и скоростей метания по методикам Т-20 и М-60 для ряда перспективных взрывчатых веществ производных 1,3,5-триазинов. Показано, что вещества обладают хорошей метательной способностью, а 2,4,6-трис-(тринитроэтокси)-1,3,5-триазин имеет скорость метания порядка октогена.