05.17.07 - Химия и технология топлив и специальных продуктов.
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-1ОЗ;
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-1ОЗ;
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-1ОЗ й 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 с бронированной техникой пришлось спешно ликвидировать уже в начале войны, в связи с резко возросшей броневой защитой танков.
В октябре 1941. г. в НИИ-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. Житких, 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, Ф-2 - 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 простреленные 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 скважин 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.
1.2. Гидродинамическая теория формирования кумулятивной струи
1.2.1. Теория сходящихся струй и ее применение М.А. Лаврентьевым для описания явления кумуляции
Гидродинамическая теория кумуляции [11,12,13], предложенная М. А. Лаврентьевым, основана на модели идеальной несжимаемой жидкости. Принципиально важным шагом автора гидродинамической теории явилось применение теории сталкивающихся струй для описания механизма деформации кумулятивной облицовки и формирования кумулятивной струи. |
