ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВА БОЕПРИПАСА ДИНАМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ НА ЛЕГКОБРОНИРОВАННУЮ ВГМ

С. А. Бодров, С. В. Королев

Вестник бронетанковой техники. 1990 г. № 4

На основе оценки энергетического баланса при взрыве боеприпаса динамической защиты легкобронированной ВГМ определен основной фактор воздействия на броню и его энергетические параметры. Получены зависимости степени воздействия на бро­ню от размеров боеприпаса динамической защиты и угла его установки относитель­но брони. Предложен метод оценки демпфирующих устройств, основанный на учете энергетического баланса. Приведена зависимость степени демпфирования действия взрыва от поверхностной плотности демпфирующих устройств.

Установка динамической защиты (ДЗ) на лег­кобронированные ВГМ позволяет многократно увеличить противокумулятивную стойкость защи­щаемых деталей, а также повышает их противопульную и противоосколочную защиту. Однако практическое использование ДЗ на броневых деталях небольшой толщины ограничивается мощным воздействием взрыва самой ДЗ на защищае­мую преграду, способным вызвать ее деформацию или разрушение.

При подрыве боеприпаса ДЗ на некотором рас­стоянии от защищаемой преграды на нее будет воздействовать кинетическая энергия одной пластины корпуса боеприпаса, Часть кинетической и тепловой энергии газообразных продуктов взрыва (ПВ) и воздушной ударной волны (УВ), движущихся в направлении преграды. Взрыв боеприпаса ДЗ типа 4С20 с массой взрывчатого вещества (ВВ), равной 0,26 кг, обладает энергией в 1,25 МДж, из которых 590 кДж направлено на преграду (72,7%, т. е. 430 кДж — кинетическая энергия пластины корпуса боеприпаса и 27,3%, т. е. 160 кДж — энергия ПВ и УВ).

По мере распространения ПВ и УВ в воздуш­ном зазоре ими захватывается все больший объем, поэтому часть энергии затрачивается на нагрев воздуха, его ионизацию и диссоциацию, вследствие чего скорость воздушной УВ уже на расстоянии 90 мм от заряда ВВ снижается в 1,3-1,5 раза [1] и соответственно уменьшается энергия ПВ и УВ, воздействующая на преграду. Кроме того, пластина корпуса боеприпаса ДЗ во время движения испытывает аэродинамическое торможение, приво­дящее к частичной потере ее кинетической энер­гии. Последнее обстоятельство существенно сказывается лишь на больших расстояниях от заряда ВВ: на расстоянии 90 мм кинетическая энергия пластины составит 0,99 первоначальной величины, а на расстоянии 1000 мм — 0,85. Таким образом, наибольшую опасность для тонких частей ВГМ представляет удар пластины корпуса боеприпаса ДЗ.

Способность детали из тонкой брони противо­стоять такому удару оценивается работой, кото­рую необходимо затратить на ее разрушение (для тонких листов по типу среза пробки): А_ср=Lδσ²_ср, где L — периметр пластины; δ — толщина броне­вой детали; σ_ср— предел прочности на срез мате­риала броневой детали.

Так, в случае удара пластины рассмотренного боеприпаса по преграде из стали высокой твердо­сти δ = 19 мм и σ_ср = 1276…1570 МПа [2] работа среза составит 301...370 кДж, в то время как запас кинетической энергии пластины — 430 кДж. Таким образом, при ударе пластины преграда должна разрушаться (пролом с образованием трещин). Это подтверждается экспериментально. При изменении размеров пластины (считается, что толщина, плотность и марка заряда ВВ, а толщина и материал пластины не изменяются) необходимо учитывать масштабный фактор (прямая пропорциональная зависимость кинети­ческой энергии пластины от ее площади и работы на срез в преграде от периметра пластины).

Кроме того, воздействие пластины зависит от угла ее подхода к преграде. Экспериментальные иследования для оценки этой зависимости, а так­ие масштабного фактора проводились с использованием наборной преграды из алюминиевых лис­тов, разделенных воздушным зазором, на расстоя­нии 50 мм от которой в различных точках уста­навливалась модель боеприпаса ДЗ (заряд ВВ толщиной 6 мм и 2-мм стальные пластины разме­ром 50X50, 50Х100 и 100X100 мм). В ходе ис­пытаний фиксировались число и толщина проломлепных листов наборной преграды и размер их местного прогиба. По результатам испытаний была установлена зависимость суммарной толщины b про­ломленных листов наборной преграды от площа­ди S и периметра пластины корпуса боеприпаса ДЗ:

B=KS/L

где K — коэффициент, прямо пропорциональный удельной кинетической энергии метаемой пласти­ны и обратно пропорциональный δ и σ_ср материа­ла преграды.

В ходе эксперимента коэффициент пропорцио­нальности в формуле (1) принимал три значения в зависимости от угла встречу α (рис. 1). В свою очередь, имеется зависимость b = f(α). Так, для стальной 2-мм пластины размером 50X100 мм она аппроксимируется выражением b = 14,6 (cos2α+1).

Рис 1. Зависимость суммарной толщины b наборной преграды, пробиваемой пластиной боеприпаса ДЗ, от отношения S/L, для различных значений коэффициента пропорциональности К: 1 – 1,26 (α = 30°); 2 – 0.78 (α =          45°), 3 – 0,60 (α - 30°)

Для снижения воздействия взрыва боеприпаса ДЗ на детали из тонкой брони корпуса ВГМ мо­гут быть использованы [3] демпфирующие устрой­ства (демпферы механического типа), представля­ющие собой блоки из полимерных (литых или вспененных) и других неметаллических материа­лов, а также металлические ячеистые или уголко­вые конструкции. Метаемая в сторону преграды пластина при столкновении с демпфером затрачи­вает свою кинетическую энергию на работу по его пластической деформации и разрушению, а также на разгон образовавшихся фрагментов. Часть энергии расходуется на нагрев пластины и демп­фера, а также переходит в звуковую энергию, рас­сеиваемую в окружающем пространстве. Уравне­ние энергетического баланса процесса взаимодействия пластины корпуса боеприпаса ДЗ с демпфе­ром в общем случае можно записать в таком виде:

Е₀ = А₀ + А₁ + Е₁ + Q₁ + А₂  + Q₂, (2)

где Е₀ начальная кинетическая энергия пласти­ны; А₀ работа, затрачиваемая на деформацию и разрушение пластины; А₁ — работа по дефор­мации и разрушению демпфера; Е₁ — количество теплоты» образующейся в процессе взаимодейст­вия пластины с демпфером; Q₁ — затраты кинети­ческой энергии на разгон деформированных фраг­ментов демпфера; А₂ — работа по деформации преграды; Q₂количество теплоты, образующей­ся в процессе взаимодействия пластины и деформированных фрагментов демпфера с преградой.

Величины А₁, Е₁, Q₁ в совокупности характери­зуют энергию, затраченную метаемой пластиной в процессе взаимодействия с демпфером на его де­формацию, разрушение, нагрев и разгон фрагмен­тов, Обозначив ΔЕ = А₁+ Е₁+ Q₁  и приняв в первом приближении А₀ ≈ 0, Q₂ ≈ 0, уравнение можно написать в таком виде:

ΔЕ/ΔЕ₀ = 1- А₂/ Е₀,    (3)

где при отсутствии пролома А₂ = Lδhσ_т; σ_т и h – статический предел текучести материала и глуби­на остаточного пластического прогиба детали кор­пуса ВГМ.

Если деформации преграды малы (А₂ →0), то в соответствии с выражением (3) ΔЕ/ΔЕ₀ →1, т. е., чем больше относительная величина этих потерь, тем эффективнее работает демпфер, снижая воз­действие метаемой пластины на корпус ВГМ. Экспериментально была получена зависимость ΔЕ/ΔЕ₀ от поверхностной плотности демпфера m для раз­личных материалов преграды (рис. 2). Эта зави­симость аппроксимируется функцией гиперболи­ческого тангенса (сплошная линия на рис. 2):

ΔЕ/ΔЕ₀ = 0,813 th (1,216 m),            (4)

где m = M/S; M — масса демпфера на площади, равной площади пластины корпуса боеприпаса ДЗ (более удобное для использования результатов конструкторских проработок, выражение для по­верхностной плотности m = ρН, здесь Н — высота демпфера; ρ — плотность его материала).

Из зависимости (4) видно, что ΔЕ/ΔЕ₀→0,813, в то время как в соответствии с выражением (3) ΔЕ/ΔЕ₀→1. Это несоответствие объясняется приня­тым ранее допущением о незначительном влиянии величин A₀ и Q₂ на самом же деле (как это теперь видно) (A₀ + Q₂)/Е₀ =1-0,813=0,187. С уче­том этих величин выражение (2) может быть пре­образовано к виду:

ΔЕ/ΔЕ₀ = 1 – A₂/E₀ – (A₀ + Q₂)/E₀

Предлагаемый метод использования энергетического баланса позволяет оценить работоспособность демпферов, имеющих различную конструкцию и выполненных из различных материала Характер кривой, приведенной на рис. 2, показывает, что наибольшей эффективностью обладай демпферы, у которых m = 1,8...2,2 г/см². После взаимодействия с таким демпфером кинетическая энергия пластины корпуса боеприпаса ДЗ составляет примерно 20% ее первоначального значения. Дальнейшее увеличение поверхностной плотности демпфера (достигаемое, например, за счет увеличения его высоты) не приводит к сколь-нибудь существенному возрастанию относительных потерь энергии пластины корпуса боеприпаса ДЗ.

Рис. 2. Зависимость относительных потерь кинетической энергии ΔЕ/ΔЕ₀ пластины боеприпаса ДЗ от поверхности плотности демпфера m для различных преград:

• – из алюминиевого сплава δ = 5 мм;  ◌, △,□ – из стали висом твердости δ = 6, 15, 19 мм соответственно

Выводы:

1. Предлагаемый метод оценив демпфирующих устройств динамической защиты основанный на учете энергетического баланса позволяет определить эффективность применения демпферов различной конструкции.

2. Для снижения воздействия взрыва боеприпаса динамической защиты на легкобронированую ВГМ необходимо использование демпфирующего устройства с поверхностной плотностью 1,8-2,2 г/см².

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Физика взрыва / Под ред. К. П. Станюковича. Наука, 1975. 704 с.
2. Противоснарядная и противокумулятивная стойкость брони средних танков. М.: ЦНИИ информации, 1982. 108
3. Бодров С. А., Королев С. В. Демпфирование действия динамической защиты на тонкую броню // Вестник бронетанковой техники. 1988. № 2.