Исследование научно-технических проблем эффекта кумуляции в зарядах малого и сверхмалого диаметра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.07, кандидат технических наук Нгуен Минь Туан

• Нгуен Минь Туан
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Минь Туан

Введение.

1. Литературный обзор.

1.1. Основные этапы в истории изучения и практического использования кумулятивного эффекта во взрывной технике.

1.2. Гидродинамическая теория формирования кумулятивной струи

1.2.1. Теория сходящихся струй и ее применение М.А. Лаврентьевым для описания явления кумуляции.

1.2.2. Основы гидродинамической теории кумуляции, учитывающей конечное значение скорости детонации.

1.2.3. Условия формирования сплошной связной кумулятивной струи

1.2.4. Феноменологическая теория формирования кумулятивной струи

И. И. Томашевича.

1.2.5. Теория бронепробивного действия кумулятивной струи.

1.3. Область использования кумуляции в современной взрывной технике

1.3.1. Использование кумулятивного эффекта в нефтедобывающей промышленности.

1.3.2. Примеры использование кумулятивного эффекта в военной технике 34;

2. Постановка задачи исследования.

3. Экспериментальная часть.

3.1. Методика проведения эксперимента.

3.1.1. Выбор заряда, отвечающего требованиям работы.

3.1.2. Методика изготовления кумулятивных зарядов.

3.1.3. Характеристика применяемых веществ.

3.1.4. Методика проведения испытаний во взрывной камере.

3.1.5. Методика получения и обработки результатов экспериментов.

3.2. Экспериментальное исследование эффективности бронепробития кумулятивных зарядов малого и сверхмалого калибра.

3.2.1. Влияние калибра кумулятивной воронки.

3.2.2. Влияние детонационных характеристик ВВ на относительную глубину пробития при заданном калибре. Оценка эффективности взрывчатых веществ.

3.2.3. Влияние формы кумулятивной воронки на результаты бронепробития.

3.3. Исследование бронепробивной способности кумулятивных зарядов малого калибра, оснащённых кумулятивными воронками ''нетрадиционной* формы.

3.3.1. Определение бронепробивной способности зарядов с цилиндроконическими облицовками.

3.3.2. Определение бронепробивной способности зарядов с цилиндрическими облицовками.

4. Обсуждение экспериментальных результатов.

4.1. Влияние конструкции кумулятивного узла на эффективность бронепробивного действия.

4.2. Влияние детонационных характеристик взрывчатых веществ на эффективность бронепробивного действия.

4.3. Прогнозирование бронепробивной способности кумулятивных зарядов малого калибра и веса, снаряженных новыми мощными перспективными взрывчатыми веществами и смесями на их основе.

4.4. Особенности бронепробивного действия кумулятивных зарядов малого калибра и веса с воронкой ''нетрадиционной" формы.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование научно-технических проблем эффекта кумуляции в зарядах малого и сверхмалого диаметра»

Кумулятивный эффект - одно из мощных средств концентрации энергии взрыва в строго заданном направлении, что позволяет управлять действием взрыва и эффективно разрушать окружающую среду.

Благодаря необычайно высокой эффективности, кумулятивные заряды широко применяются в военных целях для борьбы с бронированными средствами противника, а также в мирной промышленности в горном деле, при добыче нефти, при обработке металлов взрывом, в космосе, для разделения космических объектов, при ликвидации последствий крупных аварий и катастроф, при тушении пожаров и т.д.

Эффективность кумулятивных зарядов принято оценивать величиной бронепробивного действия, поэтому научные разработки в области кумуляции ведутся, в первую очередь, с целью достижения максимального бронепробивного действия при ограниченном калибре и весе ^заряда.

Одной из актуальных задач в области практического использования явления кумуляции является изучение влияния на эффективность бронепробивного действия кумулятивных зарядов малого калибра и веса состава мощных взрывчатых смесей, используемых для снаряжения боевых частей, а также элементов конструкции заряда. В связи с этим в работе поставлены задачи:

1. Изучение теоретических основ явления кумуляции как эффективного способа управления местным действием взрыва;

2. Изучение и освоение технологии изготовления кумулятивных зарядов малого калибра и веса, на примере заряда перфоратора типа ЗПК-ЮЗ;

3. Изучение влияния калибра боеприпаса на бронепробивную способность кумулятивных зарядов;

4. Изучение влияния формы кумулятивной выемки на бронепробивную эффективность зарядов малого калибра;

5. Выбор экспериментального метода, позволяющего оценить влияние физико-механических характеристик заряда и состава взрывчатых смесей на эффективность бронепробивного действия кумулятивных зарядов малого калибра;

6. Проведение экспериментов с целью установления влияния физико-механических характеристик заряда и состава взрывчатых смесей на эффективность бронепробивного действия кумулятивных перфораторов ЗПК-ЮЗ;

7. Ознакомление с теоретическими методами расчета параметров детонации ВВ и импульса контактного взрыва. Расчет этих характеристик для взрывчатых смесей используемых в работе и поиск корреляции между бронепробивным действием зарядов малого калибра, детонационными характеристиками и некоторыми показателями работоспособности взрывчатых веществ, использованных для снаряжения зарядов;

8. Разработка лутей повышения эффективности зарядов ЗПК-ЮЗ и прогнозирование пределов реального бронепробивного действия кумулятивных перфораторов;

9. Изучение бронепробивной способности кумулятивных зарядов малого калибра, оснащённых кумулятивными воронками "нетрадиционной* формы. Разработка основ теории бронепробивного действия кумулятивного заряда малого калибра, оснащённых кумулятивными воронками "нетрадиционной* формы.

В последующих главах данной работы последовательно излагаются пути решения сформулированных выше задач и полученные при этом результаты.

1. Литературный обзор

1.1. Основные этапы в изучении и практическом использовании кумулятивного эффекта во взрывной технике

Термин «кумуляция» происходит от латинского cumulatio — скопление или cumulo - накапливаю. Дословно обозначает увеличение или усиление какого-либо эффекта [1,2].

Обычно, при взрыве сосредоточенного заряда ВВ, по мере удаления от источника взрыва, давление в расширяющихся продуктах взрыва быстро падает. Соответственно, падает и разрушающее действие продуктов взрыва, причем одинаково в разных направлениях. При взрыве же кумулятивного заряда, напротив, имеет место усиление разрушающего действия в направлении оси, так называемой, кумулятивной выемки. Такой эффект получается при использовании зарядов специальной формы. С этой целью, обычно, на внешней поверхности заряда, создают углубление -кумулятивную выемку. Продукты взрыва, выбрасываемые с поверхности заряда, образуют в направлении оси выемки сходящийся поток с высоким давлением и скоростью. Этот поток и обеспечивает повышенное разрушающее действие кумулятивных зарядов [3,4].

Высокая скорость потока продуктов взрыва, метаемых с поверхности заряда, необходимая для проявления эффекта кумуляции, может быть получена только при детонации ВВ. Поэтому, осуществленный в середине прошлого века синтез ряда химических соединений, способных к детонации, явился необходимой предпосылкой открытия явления кумуляции.

В 1864 г. русский военный инженер генерал М. М. Боресков открыл кумулятивный эффект и использовал его в саперном деле [5]. Но первые систематические исследования кумулятивного эффекта были проведены в 1923 - 1926 гг. М. Сухаревским, который установил зависимость бронебойного действия кумулятивных зарядов без облицовки от формы выемки и ряда других факторов.

Позже было показано, что, если поверхность кумулятивной выемки облицована тонким слоем металла, то бронепробивное действие такого заряда увеличивается в несколько раз.

К началу Великой Отечественной войны на вооружении советских войск имелись различные типы бронебойных снарядов. Однако, кумулятивными снарядами отечественная артиллерия-тогда не располагала, хотя в немецкой армии боеприпасы этого типа уже были. Этот серьезный пробел в арсенале средств борьбы р бронированной техникой пришлось спешно ликвидировать уже в начале войны, в связи с резко возросшей броневой защитой танков.

В октябре 1941. г. в НИЙ-6 инженер М. Я. Васильев начал исследования возможности практического использования кумулятивного эффекта при конструировании -боеприпасов [6]. И уже в конце 1941 г. получил основные исходные данные, необходимые для проектирования кумулятивных снарядов. А в 1942 г., совместно с 3. В. Владимировой и Н.С. Житкнх, им был создан первый в Советском Союзе 76-мм кумулятивный снаряд, который, после некоторой доработки, был принят на вооружение и изготовлялся серийно в течение всей войны. Снаряд пробивал броню толщиной 100 мм и использовался для поражения средних немецких танков.

В 1942 г. группой конструкторов и ученых в составе И.П. Дзюбы, Н.П. Казейкина, И.П. Кучеренко, В .Я. Матюшкина и А.А. Гринберга были разработаны, а в начале 1943 г. приняты на вооружение 122 - мм и 152 - мм кумулятивные снаряды. Снаряды пробивали броню толщиной до 150 мм и поражали любые бронированные цели, в том числе и тяжелые немецкие танки «Тигр» и «Пантера».

В 1942 г. в КБ - 30 конструктор Н. П. Беляков начал разрабатывать гранату кумулятивного действия, которая была принята на вооружение в 1943 г. под индексом РПГ - 43 и предназначалась для борьбы с целями, имевшими броню толщиной до 70 мм.

В связи с необходимостью поражения тяжелых танков «Тигр» и самоходных артиллерийских штурмовых установок «Фердинанд» с увеличенной толщиной брони была разработана и в октябре 1943 г. принята на вооружение ручная противотанковая граната РПГ- 6, которая пробивала броню толщиной до 100 мм.

В 1943 г. в немецкой армии появились фаустпатроны. Фаустпатрон ("бронепробивной кулак") - это динамореактивный гранатомет одноразового действия, состоящий из надкалиберной кумулятивной гранаты с хвостовым оперением, порохового (вышибного)- заряда и открытого с обоих концов ствола, со стреляющим механизмом и прицельной планкой. Имелись два варианта фаустпатронов - Ф-1 и Ф-2 с дальностью стрельбы до 30 метров. Масса Ф-1 - 5,35 кг, Фг2 - 3,25 кг; масса гранаты соответственно 2,8 кг и 1,65 кг; бронепробиваемость по нормали — 200 и 140 мм. В момент выстрела из казенной части трубы вылетал сноп пламени длиной до 4 метров, начальная скорость гранаты составляла 50-70 м/с.

Фаустпатрон оказался эффективным средством поражения танков и других бронированных целей.

Помимо стрелковых и артиллерийских боеприпасов кумулятивный эффект с успехом был использован при конструировании авиационных боеприпасов. Для борьбы с танками эффективно использовалась штурмовая авиация. Однако обычные фугасно-осколочные авиабомбы в борьбе с танками были не эффективны [6]. В 1942 г. конструктор И.А. Ларионов предложил конструкцию легкой противотанковой авиабомбы кумулятивного действия и в апреле 1943 г. была принята на вооружение противотанковая авиабомба ПТАБ

2,5-1,5, пробивавшая броню толщиной до 70 мм. Эти ПТАБы, явившиеся прообразом современных кассетных боеприпасов, сыграли решающую роль в уничтожении немецких танков во время битвы на Курской дуге. В декабре 1944 г. началось производство более крупной противотанковой авиабомбы кумулятивного действия ПТАБ-10-2,5, которая пробивала 160 мм брони.

После окончания Великой Отечественной войны кумулятивный эффект находит широкое применение и в мирных целях.

При создании и эксплуатации скважин, предназначенных для разведки и разработки месторождений полезных ископаемых (нефти, газа, угля, воды, и др.), широко применяются прострелочные и взрывные работы. С их помощью выполняют важнейшие операции, осуществление которых другими способами, например, чисто механическими, является сложной, трудоемкой, дорогой, а иногда, и неосуществимой задачей, особенно на больших глубинах [7,8,9].

В 1942 - 1943 гг. для перфорации и торпедирования чжважин было предложено использовать кумулятивные заряды (в СССР - Ю.Л. Колодяжный, в США - К. Девис и-Л. Берроус).

В 1954 г. началось внедрение отечественных кумулятивных перфораторов, которые, благодаря большой пробивной способности, большей термостойкости и высокой производительности зарядного комплекса, в 60-е годы почти полностью вытеснили пулевые перфораторы.

Кумулятивные заряды используются для резки кабеля, мостовых балок, листов металла большой толщины. Их применяют для резки металлических профилированных листов и труб. В промышленности довольно широко используется сварка взрывом также основанная на использовании явления кумуляции [10].

Принцип действия кумулятивных зарядов находит применение и в научных исследованиях. Например, явление кумуляции используется для метания частиц вещества, имитирующих космические объекты, со скоростями, достигающими 100 км/сек, а также для получения сверхвысоких давлений с целью изучения свойств различных веществ в этих условиях.

Теоретические и экспериментальные исследования кумулятивного эффекта, ввиду его большого значения, в 1942 — 1943 гг. провели М. А. Лаврентьев, К. П. Станюкович, Г. И. Покровский.

Заключение диссертации по теме «Химия и технология топлив и специальных продуктов», Нгуен Минь Туан

выводы

1. Анализ основных соотношений теории кумуляции позволяет сделать вывод об отсутствии простой связи между скоростью детонации ВВ и эффективностью кумулятивного заряда. Предложено использовать в качестве критерия эффективности величину относительного импульса контактного взрыва, как это сделано в работах Дубнова, Пипекина, Ерёменко, и Нестеренко.

2. Показано, что эффективное бронепробитие возможно даже при снаряжении кумулятивных боеприпасов обычными штатными ВВ в калибре боеприпаса до 10мм. Эффективность в зарядах меньшего калибра (до 5мм) может быть обеспечена применением новых современных взрывчатых веществ с повышенной мощностью и высокой детонационной способностью.

3. Разработана методика экспериментальной оценки эффективности кумулятивных зарядов малого калибра. В качестве показателя эффективности предложено использовать относительную глубину пробития по мягкой стали эталонными зарядами, выполненными в габаритах заряда кумулятивного перфоратора ЗПК-ЮЗ.

4. На примере эталонного заряда малого калибра и веса изучено влияние на бронепробивную способность некоторых важных факторов: состава взрывчатой смеси, плотности боевого заряда и расстояния до преграды.

5. Для зарядов малого калибра установлена связь между относительной глубиной бронепробития и относительным импульсом контактного взрыва в виде соотношения: ULm = 0,0241отн - 1,4. Это позволяет прогнозировать эффективность ВВ, используемых для снаряжения кумулятивных боеприпасов малого калибра.

6. Получены количественные данные о бронепробивной способности, глубине и форме отверстия в стали для кумулятивных зарядов малого калибра, оснащённых воронками традиционной формы: конус, сфера, "ударное ядро" -сферический сегмент, парабола. Изучено влияние конструктивных факторов на эффективность кумулятивного заряда. Полученные результаты позволяют производить обоснованный выбор конструкции кумулятивного узла с заданным характером разрушающего действия.

7. Впервые обнаружен и объяснён качественно новый характер воздействия на преграду кумулятивных зарядов, оснащённых воронками "нетрадиционной* формы. При испытании макета заряда, в стали формируется отверстие равное калибру боевой части и мощная воронка откола, не характерная для разрушающего действия кумулятивных зарядов обычной конструкций. При этом вынос металла в запреградное пространство достигает 3 гр. на 1 гр. веса боевого заряда.

8. Результата проведенных исследований составляют теоретическую основу для создания эффективного боеприпаса малого калибра и веса и могут послужить основой для выполнения в последующем опытно-конструкторских работ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Минь Туан, 2007 год

1. Под ред. Б. А. Введенского. Большая Советская Энциклопедия// Изд. 2-е. М., БСЭ, 1953. -620 с.

2. Покровский Г.И. Взрыв// М.: Недра, 1980.

3. Баум Ф.А., Орленко Л.П., Станюкович К.П. и др. Физика взрыва// М.: Наука, 1975.

4. Под ред. Л. П. Орленко. Физика взрыва// Изд. 3-е, перераб. - В 2 т. Т. 2. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 656 с.

5. Майер В. В. Кумулятивный эффект в простых опытах// М., Наука, 1989. -192 с.

6. Вернидуб И. И. На передовой линии тыла// М., ЦНИИНТИКПК, 1994. -728 с.

7. Григорян Н. Г., Пометун Д. Е., Горбенко Л. А. и др. Прострелочные и взрывные работы в скважинах// М., Недра, 1972. -288 с.

8. Григорян Н.Г., Пометун Д.Е., Горбенко Л.А., Ловля С.А. Прострелочные и взрывные работы в скважинах// М.: Недра, 1980.

9. Григорян Н.Г. Вскрытие нефтегазовых пластов стреляющими перфораторами// -М.: Недра, 1982.

10. Дерибас А. А. Физика упрочнения и сварки взрывом// Новосибирск, Наука, 1980. -221 с.

11. Лаврентьев М. А. Кумулятивный заряд и принцип его работы 7/ Успехи математических наук. 1957. Т. 12, вып. 4(76). -с. 41-56.

12. Томашевич И.И. Проникание в преграду высокоскоростного потока удлиненных элементов. //Физика горения и взрыва. 1987 - Т.23, №2 -С.97-101.

13. Лаврентьев М; А., Шабат Б. В. Проблемы гидродинамики и их математические модели// М.: Наука, 1973. -407 с.

14. CookM. A. The Science of High Explosives//1958.-p. 440.

15. Кук M.A. Наука о промышленных взрывчатых веществах// М.: Недра, 1980.

16. Кинеловский С. А., Тришин Ю. А. Физические аспекты кумуляции // Физика Горения и Взрыва. 1980, Т. 16, №5, -с. 26-40.

17. Григорян Н. Г., Ловля С. А., Шахназаров Г. Г и др. Простреленные и взрывные работы а скважинах/А-М.: Недра, 1992.

18. Ловля С. А. Прострелочно-взрывные работы в скважинах// -М.: Недра, 1987.

19. Составители: Г. К. Вожко, А. В. Бокарева. Прострелочно-взрывные и импульсные виды работ в скважинах //Сборник научных трудов. -М.: ВНИПИ Взрыв-геофизика, 1984.

20. Illustrier Enzyklopadie der Schutzenwaffen aus aller Welt. SchutzenwafFen heute (1945-1985). Band 1,2; 2 Aufl.-Berlin: Militarveriagder DDR, 1990-268 s.

21. Пат. ФРГ №2706060, класс 102, публ. 25.03.1982.

22. Пат. США №4481886, класс Е42В 1/02, публ. 13.11.1984.

23. Пат. США №4436033, класс Е42В 1/02, публ. 13.03.1984.

24. Пат. Франция№2496252, класс Е42В 1/02, публ. IS.05Л982.

25. Пат. Франция №2493506, класс Е42В 1/02,публ. 17.05.1982.

26. Пат. Франция,№2552869, класс Е42В 13/10, публ. 05ЛМ. 1985.

27. Пат. США №4499830, класс Е42В 13/12, публ. 19.02.1985.

28. Пат. США №4466353, класс Б42В 1/02, публ. 21.08.1984.

29. Мураховский В. И., Федосеев С. Л. Оружие пехоты// Справочник. М.: Арсенал-Пресс, 1^97. -400 с.

30. Орлова. Е. Ю. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ// учебник для вузов- 3-е изд., перераб.- Л.: Химия, 1981-312 с.

31. Орлова Е. Ю., Орлова Н. А., Жилин В. Ф. И др. Октоген -термостойкое взрывчатое вещество// М., "Недра", 1975,-128с.

32. Под. ред. Л. А. Шипицын. Термостойкие взрывчатые вещества в условиях глубоких скважин//- М.: Недра. 1981.

33. Дубнов Л. В., Бахаревич Н. С, Романов А. И. Промышленные взрывчатые вещества// М.: Недра, 1988. - 358 с.

34. Кукиб Б. Н., Росси Б. Д. Высокопредохранительные взрывчатые вещества// -М.: Недра, 1980.-176 с.

35. Андреев К. К., Беляев А. Ф. Теория взрывчатых веществ// М., Оборонгиз, 1960. -595 с.

36. Беляев А. Ф. Горение, детонация и работа взрыва конденсированных систем// М.: Наука, 1968. -255 с.

37. Махов М.Н., Пепекин В.И., Лебедев Ю.А. Критерий оценки параметров детонации ВВ// ДАН СССР, 1977, т.234, №6,-е. 1391-1394.

38. Под ред. проф. Б.Н. Кондрикова. Расчет равновесных процессов при высоких температуре и давлении// -Методические указания. М., Изд-во МХТИ им. Д.И.Менделеева, 1984, -48 с.

39. Авякян Г.А. Расчет энергетических и взрывчатых характеристик ВВ// М, ВИА им. Ф.Е. Дзержинского, 1964, -106 с.

40. KamletMJ., DlcrinconC, J. Chem. Phys. 48,43 <1968).--p.43-50.

41. Кузнецов H.M., Шведов K.K. ФГВ, 1969, т.5, №3, -с. 362-369.

42. Айзенштадт ГШ. Метод расчета идеальной скорости детонации конденсированных ВВ// ФГВ, 1976, т.12, №5, -с. 754-758.

43. Державец, А.А. Разработка малогабаритного макета для -оценки эффективности кумулятивного заряда// Дипломная работа. М, РХТУ, 1989. -95 с.

44. Сморчкова. Е. JH. Исследование влияния-состава мощных взрывчатых смесей на эффективность бронепробивного действия кумулятивного заряда// Дипломная работа. М, РХТУ, 2001. -75 с.

45. Чигин А. С. Разработка конструкции и экспериментальное определение бронепробивной способности кумулятивного выстрела на базе ВОГ -25П// Дипломная работа. М, РХТУ, 2001. -74с.