Физика горения и взрыва, 2000, т. 36, № 6

УДК 623.438.3

Принятые на вооружение современные средства поражения бронемашин, особенно кумулятивные, способны пробивать гомогенную броню значительной толщины (600 мм и более). Пассивными методами обеспечить защиту бронемашин практически невозможно. Поэтому для этой цели необходимо использовать внешние источники энергии. Одним из таких источников является взрывчатое вещество (ВВ).

При взаимодействии с кумулятивной струёй ВВ инициируется, в результате чего глубина проникания кумулятивной струи в преграду уменьшается по сравнению со значением, рассчитанным по гидродинамической теории кумуляции [I]. Но для существенного уменьшения глубины проникания кумулятивной струи в преграду требуется значительное количество ВВ.

Механизм динамической антикумулятивной защиты обоснован теоретически, подтвержден опытами и состоит в разрушении кумулятивной струи (в дальнейшем называемой струёй) с помощью металлических пластин, пересекающих траекторию струи с большой скоростью. Для сообщения скорости пластинам применяется, как правило, плоский заряд ВВ, который инициируется самой струёй. Таким образом, в динамической защите ВВ играет не основную, а вспомогательную роль — источника энергии. С помощью динамической авти-кумулятивной защиты можно добиться практически полного уничтожения кумулятивной струи.

В данной статье излагаются результаты исследований динамической антикумулятивной защиты, выполненных в 1957-1961 гг.

На рис. 1 представлены кумулятивньш заряд и преграда, между которыми расположена система, состоящая из двух плоских металлических пластин и тонкого слоя ВВ между ними. В дальнейшем такую систему или подобную ей будем называть антикумулятивным слоем. Нормаль к поверхности слоя составляет угол с направлением движения струи.

Рис. 1. Взаимное расположение кумулятивного заряда, антикумулятивного слоя и преграды:

I — кумулятивный заряд, 2, 4 — металлические пластины, 3 — слой ВВ, 5 — преграда

Струя, образующаяся из данного заряда, пересекает на своем пути антикумулятивный слой и инициирует в нем ВВ. Почти вся выделяющаяся при взрыве энергия переходит в кинетическую энергию металлических пластин, которые, двигаясь под некоторым утлом к струе, сообщают ей импульс, под действием которого она разрушается.

Эксперименты, проведенные по описанной выше схеме, показывают, что при глубина проникания струи в преграду меньше, чем в отсутствие антикумулятивного слоя. При она остается практически неизменной. На рис. 1 показана наиболее простая модель динамической антикумулятивной защиты. Поэтому она и подверглась в первую очередь экспериментальной проверке, и на ней были выявлены наиболее характерные черты процесса.

В гидродинамической теории кумуляции образование струи из оболочки и ее проникание в преграду рассматриваются как движение и соударение струй идеальной несжимаемой жидкости [I]. Мы аналогично будем рассматривать и взаимодействие струи с пластинами антикумулятивного слоя при следующих предположениях:

— ВВ детонирует мгновенно, и разлет пластин происходит с постоянными скоростями с момента детонапии;

— взаимодействие струи и пластин неупругое;

— ширина участка пластины, действующего на струю, равна величине ее диаметра.

— деформации ее поперечного сечения, т. е. распыление струи идет до такой степени, что она становится не способной пробивать преграду;

— бокового смещения струи под действием пластины, которое ведет к тому, что энергия струи тратится на расширение отверстия в мишени, а не на углубление каверны в преграде.

Последний механизм изучался в работах [2, З], однако в экспериментах входное отверстие очень редко бывает не круглым. Это означает, что хвост струи мало отклоняется от начального направления движения или он практически успевает за время движения распылиться.

на рис. 2, где хорошо видно расположение пластин и струи) и кинограммы, полученные в модельных экспериментах на водяных струях, показывают, что отклонение струи от первоначального направления очень незначительное, но зато на них хорошо заметна деформация поперечного сечения. Поэтому было сделано предположение, что основным процессом разрушения струи является распыление.

В этом случае задачу можно свести к нахождению пространственного течения идеальной несжимаемой жидкости. Проведем этот расчет для стационарного течения. Если при рассмотрении процесса соударения струи с пластиной перейти в систему координат, движущуюся со струёй, то можно легко получить соотношение между длиной пластины L и участком струи а, с которым эта пластина взаимодействует:

(v_c, v_п — скорости струи и пластины соответственно). Отсюда нормальная составляющая импульса, получаемая струёй на единицу длину, равна

где р_с — плотность струи, S — ее диаметр, d — толщина пластины. Для того чтобы получить картину деформации поперечного сечения струи, нужно найти распределение скоростей различных точек этого сечения.

Предпологая, что течение потенциально, эту задачу можно свести к решению задачи Дирихле для круга со следующими граничными условиями [4]:

Решение ее дается интегралом Пуассона, после вычисления которого в полярных координатах и дифференцирования Ф по координате г получим, переходя к пределу (г ->1), значение радиальной скорости и ее составляющих на границе:

Аналогично для тангенциальной скорости на границе имеем

где .

Будем полагать, что данное сечение струи теряет способность проникать в преграду по истечении времени t, отсчитываемого от момента получения импульса от пластины до момента соединения противоположных точек, одна из которых является точкой соприкосновения струи и пластины. Это время может быть рассчитало из соотношения

где v₀ — скорость точки соприкосновения струи и пластины, v_п — скорость противоположной точки. В этом случае глубина проникания струи вычисляется следующим образом:

1) определяется расстояние, которое участок струи пройдет за время t со скоростью V_c

2) находятся элементы струи, которые к моменту взаимодействия с преградой теряют способность пробивать;

3) для получения глубины проникания это расстояние сравнивается с тем, которое данный участок струи пройдет к моменту взаимодействия с преградой.

Скорость металлической пластины ид, входящую в выражение для импульса (1), можно определить из законов сохранения энергии и импульса или при использовании методов, изложенных, например, в [5].

Хотя эта схема взаимодействия струи с антикумулятивным слоем не учитывает ряд явлений (например, конечность скорости детонации ВВ, влияние продуктов взрыва на струю), однако, как будет показано ниже, результаты расчетов по ней достаточно хорошо совпадают с экспериментальными данными.

Эксперименты проводились по схеме, представленной на рис. 1. Использовались кумулятивные заряды со стальными конусами (диаметр основания конуса 70 мм, угол раствора 26°). В качестве ВВ взят сплав тротила с гексогеном в массовом соотношении 1:1. Глубина проникания струи hy от таких зарядов в преграду составляла 260 мм при расстоянии между зарядом и преградой 140 — 200 мм.

По средним результатам экспериментов были построены зависимости глубины проникания струи h в преграду от угла и от толщины металлических пластин и слоя ВВ после взаимодействия преграды с антикумулятивным слоем.

На рис. 3 приведены экспериментальная и расчетная зависимости глубины проникания струи от угла а для антикумулятивного слоя, в котором обе пластины толщиной 2,5 мм каждая выполнены из алюминия, а толщина слоя ВВ между ними равнялась 4 мм при l₁=l₂=

Рис. 3. Зависимость глубины проникания струи в преграду от угла а:

1, 3 — эксперимент, 2, 4 — расчет; 1, 2 — обе пластины алюминиевые, толщина каждой 2,5 ум, 3. 4 — нижняя пластина заменена стальной толщиной 50 мм. в обоих случаях толщина ВВ 4 мм, l₁ = 1₂ = 70 мм

70 мм (см. рис. 1). На рис. 3 приведены также аналогичные зависимости для антикумулятивного слоя, в котором нижняя пластина из алюминия заменена стальной толщиной 50 мм.

Кривые на рис. 3 показывают, что с ростом угла а уменьшается глубина проникания струи в преграду. Это связано с увеличением импульса, передаваемого струе пластинами. поэтому ее распыление идет быстрее. Значительное увеличение массы нижней пластины, как и следовало ожидать, ведет к увеличению глубины проникания струп. Полученные расчетные кривые весьма близки к экспериментальным.

Влияние толщины слоя ВВ показано на рис. 4 на примере антикумулятивного слоя с двумя алюминиевыми пластинами (1₁ == 120 мм, l₂ = 80 мм) для углов а = 45° и 60°. Поведение теоретических кривых вполне аналогично экспериментальным. Видно, что при достижении толщины слоя ВВ 7 мм наступает “насыщение”, т. е. глубина проникания струи в преграду практически пререстает уменьшаться.

2. 3 — расчет, 2, 4 — эксперимент; 1, 2 — а = 45°,

3. 4 — а = 60°

1. Лаврентьев М. А. Кумулятивный заряд и принципы его работы // Успехи мат. наук. 1957. Т. 12, № 4. С. 41-56.

4. Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. М.:

Физматгиз, 1958.

5. Физика взрыва / Ф. А. Баум, Л. П. Орленко, К. П. Станюкович, Р. П.Челышев, Б. И. Шехтер. М.: Наука, 1975.