ГЛАВНАЯ НА ВООРУЖЕНИИ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ
РАЗРАБОТКИ
ОГНЕВАЯ МОЩЬ
ЗАЩИТА ПОДВИЖНОСТЬ 

ЭКСКЛЮЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  БИБЛИОТЕКА ФОТООБЗОРЫ
 
 




СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ, ОСНОВАННЫХ НА НОВЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПАХ

 

Е.М. Петров, А.Ф. Пискунков, В.В. Свотина, В.И. Кулешов, Б.В. Николаев

 

(Институт прикладной механики и электродинамики МАИ, Секция прикладных проблем при Президиуме РАН, КНПП «Базальт») РАРАН. Актуальные проблемы защиты и безопасности. Бронетанковая техника и вооружение. Труды XV Всероссийской научно-практической конференции. Том 3. НПО Специальных материалов.СПб, 2012 г.

 

В настоящее время как альтернатива современной динамической защите, использую­щей энергию взрывчатого вещества, разрабатывается электродинамическая защита (ЭДЗ), ис­пользующая энергию сверхсильных токов [1-8]. В ЭДЗ воздействие на проникающую кумуля­тивную струю (КС) осуществляется сильным импульсным магнитным полем, индуцируемым в сильноточном разряде. При этом разряд инициируется проникающей КС. В качестве источ­ника электрической энергии используется конденсаторная батарея (КБ) - 2...4 мФ, заряжае­мая от маломощного источника тока. За последние 20 лет плотность энергии в импульсных конденсаторах увеличилась более чем в 10 раз и близка к величине 1 кДж/кг, что делает реали­зацию ЭДЗ технически осуществимой. В настоящее время в США, Англии, Франции и Герма­нии разрабатывается концепция полностью электрического танка, как основной боевой ма­шины XXI века [9]. Возможные решения ЭДЗ перспективной боевой машины обсуждались в [10]. Вариант компоновочной схемы танка с ЭДЗ приведен на рис. 1.

Экспериментальные исследования ЭДЗ в СССР проводились в институте гидродина­мики СО АН СССР и ВНИИ ЭФ (г. Саров) в 80-х годах прошлого века при поддержке ВНИИ стали. В этих исследованиях, которые были продолжены в НИИ ПМЭ, была продемонстриро­вана эффективность электродинамического воздействия на КС. В настоящем докладе приво­дится анализ современного состояния исследования ЭДЗ с результатами теоретических и экс­периментальных исследований, полученными в НИИ прикладной механики и электродина­мики при поддержке Секции прикладных проблем РАН и участии КНПП «Базальт».

  1. Анализ состояния экспериментальных исследований физических процессов в ЭДЗ

Результаты опытов с КС для зарядов калибра 45 мм и 100 мм приведены ниже (см. таблицу), где D - диаметр воронки, С - ёмкость батареи, Uс - зарядное напряжение, Imax - максимальный ток, Т - время от момента замыкания КС электродов до максимума тока, h - глубина каверны в преграде [1].

Основной причиной уменьшения глубины внедрения КС в преграду при пропускании через нее тока [1-6] считается ускоренный рост при электромагнитном воздействии исходных малых возмущений формы боковой поверхности КС. Ускоренное развитие перетяжечной не­устойчивости в экспериментах с током приводит к более раннему разрыву КС на фрагменты по сравнению со случаем струи без тока. Заметное увеличение диаметра элементов и разры­вов между ними обнаруживается сразу после прохождения КС межэлектродного промежутка.

 

Рис. 1. Компоновочная схема танка с ЭДЗ:
1 - ПТУРС; 2 - встроенная ЭДЗ (сталь, потенциальный электрод, изолятор, сталь - конструктивный элемент); 3 - токовая шина; 4 - высоковольтная КБ; 5 - навесная электродинамическая броня

Рис. 1. Компоновочная схема танка с ЭДЗ:

1 - ПТУРС; 2 - встроенная ЭДЗ (сталь, потенциальный электрод, изолятор, сталь - конструктивный элемент); 3 - токовая шина; 4 - высоковольтная КБ; 5 - навесная электродинамическая броня

 

Таблица

Результаты опытов с КС для зарядов калибра 45 мм и 100 мм

Номер опыта

D, мм

С, мкФ

U с, кВ

Im ax, кА

Т, мкс

h, мм

1

45

6000

15

710

22

50

2

45

6000

10

430

30

90

3

45

1500

15

500

38

110

4

100

6000

23

1200

38

205

5

100

6000

21

1200

43

250

6

100

900

30

850

33

300

 

Перетяжки видны только в головной части КС. На последующих участках перетяжки разруша­ются, образуя страты. Разрушение перетяжек приобретает взрывной характер (рис. 2) с обра­зованием страт [1].

Согласно таблице уменьшение глубины внедрения в два раза для зарядов калибра 100 мм реализуются при напряжении более 20 кВ и энергии КБ ~100 кДж. В случае меньших напря­жений (8кВ) глубина внедрения как функция энергии, запасенной в КБ, представлена на гра­фике (рис. 3).

Воздействие КС на преграду определяется высоким давлением в точке контакта с пре­градой, при котором все материалы становятся жидкостями.

Физические процессы, происходящие при взрыве кумулятивного заряда, легко моделировать, если в качестве преграды рассматривать стержень из того же материала, что и воронка (рис. 4).

В преграде формируется обратная струя, повторяющая картину течения деформируемо­го материала воронки. Идея реализации ЭДЗ связана с возможностью разрушения рассмот­ренной выше симметрии движения КС в кумулятивной воронке и преграде. В преграде через струю может протекать часть разрядного тока КБ, создающего магнитное поле. На контактной поверхности, разделяющей материал струи и преграды, материал струи находится в процессе радиальной деформации в азимутальном магнитном поле тока. Магнитное поле оказывается «вмороженным» в материал струи. Поэтому радиальная деформация материала связана с ра­ботой против натяжения силовых линий, совершаемой за счет кинетической энергии КС, увеличивает давление магнитного поля. Давление передается через контактную поверхность на головной элемент струи, что приводит к его радиальной деформации и уменьшению его кинетической энергии. В процессе такой деформационной неустойчивости происходит рас­пад струи на отдельные элементы вследствие возникшей неоднородности скорости по длине струи. Давление магнитного поля на контактной поверхности может расколоть цилиндричес­кую преграду на две практически одинаковые части (рис. 5).

 

Рис. 2. Результаты электродинамического воздействия: 
а, в - продольный разрез каверн (а - контрольный опыт без тока; в - J0 = 700 кА); с - рентгеновская фотография кумулятивной струи (J0 = 700 кА) [1]

Рис. 2. Результаты электродинамического воздействия:

а, в - продольный разрез каверн (а - контрольный опыт без тока; в - J0 = 700 кА); с - рентгеновская фотография кумулятивной струи (J0 = 700 кА) [1]

 

 

Рис. 3. Глубина внедрения как функция энергии КБ (V = 8 кВ)

Рис. 3. Глубина внедрения как функция энергии КБ (V = 8 кВ)

 

Рис. 4. Схемы течений для кумулятивного заряда (эквивалентность процессов течения при образовании и внедрении струи):

Рис. 4. Схемы течений для кумулятивного заряда

(эквивалентность процессов течения при образовании и внедрении струи):

1 - кумулятивный заряд; 2 - воронка;

3 - кумулятивная струя; 4 - дно каверны; 5 - обратная струя

 

Рис. 5. Вид частей расколотой преграды (сталь 20)

Рис. 5. Вид частей расколотой преграды (сталь 20)

 

Возможны различные масштабы энергетического воздействия на КС с использованием энергии электрического тока. В механизме развития «перетяжечной» магнитогидродинамической неустойчивости при деформации элементов струи вплоть до образования элементов в виде тонких дисков совершается работа за счет энергии КБ. Масштабы этого процесса всегда ограничены, поскольку энергия, запасенная в КБ, существенно меньше полной энергии КС.

Согласование параметров системы электродинамического воздействия с параметрами КБ должно обеспечить формирование разрядного импульса с максимальной крутизной пере­днего фронта. Максимальное значение этой величины определяется начальным напряжением ио на КБ и индуктивностью электрической цепи L в виде:

 

 

Возможности увеличения напряжения и уменьшения индуктивности ограничены. По­этому в схеме ЭДЗ, построенной на основе плоских электродов, электродинамическое воздей­ствие на головную часть КС невозможно.

В случае коротких проникающих элементов (твердые ударники, ударные ядра) электро­динамическое воздействие в такой ЭДЗ вообще невозможно. Одним из возможных способов построения системы электродинамического воздействия может быть использование схемы металлической щетки, являющейся одним из электродов. Схема ЭДЗ и внешний вид разрядного устройства приведены ниже (рис. 6).

 

Схема электродинамической защиты и вид разрядного устройства

Рис. 6. Схема электродинамической защиты и вид разрядного устройства:

1 - экран; 2 - потенциальный электрод; 3 - изолятор; 4 - проводники разрядного устройства; 5 - корпусной электрод; 6 - защищаемая преграда

 

Длина проволочек, из которых построена такая щетка, будет определяться инерционностью электрической цепи разряда. Воздействие на КС в металлической преграде после про­хождения такой межэлектродной системы осуществляется при максимальном токе разряда КБ. Физическая модель такой системы должна описывать процессы генерации неидеальной металлической плазмы в межэлектродном пространстве, обеспечивающей проводимость канала разряда. Работоспособность такого устройства показана для случая твердых проникающих эле­ментов в разделе 4.

Физические процессы при электродинамическом воздействии на КС, твердые прони­кающие элементы и ударные ядра должны иметь каждый свои особенности.

Однако можно рассчитывать, что ЭДЗ от всех проникающих элементов может быть построена на единых физических принципах.

Основной физический принцип функционирования ЭДЗ состоит в воздействии импульсным магнитным полем на проникающие элементы. Работа разрушения и торможения элементов совершается за счет их кинетической энергии.

Принципиально возможно построение физической системы с активным использова­нием энергии проникающего элемента. В такой системе источник тока, например, КБ генери­рует начальный (затравочный) ток, который усиливается в схеме магнитогидродинамической генерации энергии. Исследование возможности использования новых принципов электро­магнитного воздействия позволит разработать перспективную ЭДЗ от проникающих элементов, включая подкалиберные системы воздействия.

Целесообразно исследовать возможность использования новой топологии магнитного поля в ЭДЗ - комбинация азимутального поля, создаваемая током разряда через проникающие элементы, и продольного поля, генерируемого с помощью индуктивной катушки. При этом возможна трансформация продольного поля в азимутальное, что усиливает основное поле разряда. Из топологической инвариантности «вмороженных» силовых линий следует, что радиальное расширение увеличивает отношение азимутальное поле к продольному [11].

На схеме (рис. 7) представлена конфигурация приповерхностных силовых линий, кото­рые «скользят» вдоль силовой трубки и «накручиваются» на ее расширенную часть. Так образуется оболочка азимутального поля.

Если такой механизм реализуем для струи, то можно существенно уменьшить требова­ния к запасенной энергии КБ.

Исследование фундаментальных физических принципов в системах ЭДЗ позволит со­здать эффективную систему электродинамической защиты образцов бронетанковой техники от проникающих элементов различной природы и космических аппаратов от частиц техно­генного космического мусора.

 

  1. Обоснование рациональных режимов взаимодействия КС с ЭДЗ

На фото (рис. 8) [5] приведены рентгенограммы опытов с кумулятивными зарядами калибра 50 мм . Преграда из дюралюминия являлась одним из электродов. Видно, что хотя струя разрушилась на отдельные фрагменты, глубины каверн в обоих опытах к моменту съем­ки примерно одинакова. Вероятно, механизм частичного разрушения струи не сможет объяс­нить наблюдаемое в ЭДЗ уменьшение глубины внедрения в два раза по сравнению с конт­рольным опытом. Измерение импульса тока в некотором сечении каверны позволило под­твердить возможность механизма деформационной неустойчивости (опыты проводились с зарядом от изделия РПГ-7) (см. рис. 9).

 

 

 

Рис. 7. Схема трансформации продольного поля в азимутальное [11]

Рис. 7. Схема трансформации продольного поля в азимутальное [11]

Рис. 8. Рентгенограммы струи в преграде (верхний рисунок - эксперимент с током 450 кА, нижний рисунок - эксперимент без тока)

Рис. 8. Рентгенограммы струи в преграде (верхний рисунок - эксперимент с током 450 кА, нижний рисунок - эксперимент без тока)

 

Рис. 9. Шлиф каверны с поясом Роговского

Рис. 9. Шлиф каверны с поясом Роговского

 

На графиках (рис. 10) приведены осциллограммы тока в фидерной линии (1) и каверне (2). (КБ состояла из двух секций, одна из которых была подключена к фидерной линии через дополнительную индуктивность). Поэтому на осциллограмме (1) разрядного тока формировались два импульса. Емкость и напряжение КБ составили 1,8 мФ и 8 кВ, соответственно. Вре­менной интервал между первым импульсом на осциллограмме (1) и импульсом на осциллог­рамме (2) составляет 45 мкс. За это время формируется каверна длиной 70 мм . Скорость вне­дрения КС в преграду составила 1,6 км/с.

Можно предположить, что уменьшение средней скорости проникания в два раза при пропускании через струю тока по сравнению со случаем внедрения в преграду без тока связа­но с существенным уменьшением гидродинамического давления струи, то есть с ее торможе­нием в преграде.

Поскольку внедрение КС прекращается, если скорость КС становится меньше ее динамической твердости, то целесообразно максимально увеличить твердость преграды.

 

Рис. 10. Осциллограммы импульсов тока в фидерной линии (1) и в каверне (2)

Рис. 10. Осциллограммы импульсов тока в фидерной линии (1) и в каверне (2)

 

Это мож­но сделать с использованием комбинированной преграды с вкладышем из стали повышенной твердости. Этот элемент преграды должен располагаться в преграде на некотором расстоянии от ее передней поверхности. Это расстояние должно определяться длиной торможения КС до критической скорости, определяемой динамической прочностью преграды. При этом отсут­ствуют требования к твердости материала преграды в зоне торможения.

КЗ был образован медной воронкой с массой 315 грамм , диаметром основания - 98 мм , углом конуса - 480. Макет экспериментальной сборки и схема комбинированной преграды приведены ниже (рис. 11, 12). Картина разрушения элементов преграды приведена на фото­графии (рис. 13). Осциллограмма тока разряда приведена на графике (рис. 14). В пластине 3 образована размытая каверна глубиной ~10 мм. Суммарная глубина внедрения КС составляет 110 мм . Контрольный опыт проводился с той же составной преградой. Результаты испытаний приведены на фотографии (рис. 15).

Полная длина внедрения в опыте без тока - 318 мм . Эффективность ЭДЗ, определен­ная как отношение длин внедрения в опытах без тока и с током оценивается величиной 2,9.

 

  1. Исследование возможности создания ЭДЗ космических аппаратов от фрагментов космического мусора

 

Принципиальная возможность разрушающего воздействия на макрочастицу в сильноточном разряде показана в [8]. Экспериментальные исследования проводятся для определения возможности создания ЭДЗ космического аппарата (КА) от фрагментов космического мусора.

 

Макет экспериментальной сборки:
1 - макет 100-мм КЗ; 2 - полиэтиленовая труба; 3 - электродная система; 4 - комбинированная преграда; 5 - высоковольтный шинный фидер

Рис. 11. Макет экспериментальной сборки:

1 - макет 100-мм КЗ; 2 - полиэтиленовая труба; 3 - электродная система; 4 - комбинированная преграда; 5 - высоковольтный шинный фидер

 

Схема комбинированной преграды

Рис. 12. Схема комбинированной преграды:

1 - алюминиевый сплав; 2 - сталь 10;

3 - сталь твердостью НВ 500; 4 - имитатор преграды защищаемого объекта

 

Картина разрушения образцов 2 и 3

Рис. 13. Картина разрушения образцов 2 и 3

Рис. 14. Осциллограмма тока разряда

Рис. 14. Осциллограмма тока разряда

 

 

В экспериментах использовались макрочастицы массой ~2 грамм из твердого алюминиевого сплава размером ~1 см, которые разгонялись в пороховом укорителе до скорости ~2 км/с.

На схеме (рис. 16) приведен вариант пассивной защиты и баллистические кривые, определяющие предельные (минимальные) размеры частицы, которая разрушает эту защиту для различны углов встречи с преградой [12]. В диапазоне скоростей 2.. .3 км/с современная пассивная защита разрушается под ударами частиц с размерами более 1 см во всем диапазоне скоростей. (нижняя кривая получена при нормальном к преграде ударе).

Такая защита должна использоваться как прототип активной защиты с использованием электромагнитной энергии и сохранять свои оптимальные защитные свойства при отключении КБ.

Задачами настоящего этапа экспериментальных исследований является определение критериев согласования параметров источника тока - КБ и разрядного устройства. Схема ЭДЗ и внешний вид разрядного устройства были приведены на схеме (рис. 6).

Разрядное устройство выполнено в виде «щетки» из тонких проволочек. При разрыве проникающей частицей изоляционного слоя 3 начинается разряд конденсаторной батареи. Эффективность воздействия оценивалась по результатам разрушения преграды (6) толщиной 4 мм . Характеристика экранов 1 и 2 и расстояние между ними должно выбираться ток, чтобы мелкие частицы не инициировали разряд конденсаторной батареи. Электробезопасность защиты обеспечивается тем, что внешний электрод 1 электрически соединен с корпусом.

На фотографии (рис. 17) представлены преград после проведения экспериментов, в которых конденсаторная батарея имела различный начальный заряд и емкость. На всех фотографиях видны повреждения преграды от облака осколков, на которые распадается макрочастица в разряде.

 

Рис. 15. Результаты опыта: 
1 - сборка; 2 - стальной цилиндр; 3 - пластина из твердой стали;
4 - сечение каверны

Рис. 15. Результаты опыта:

1 - сборка; 2 - стальной цилиндр; 3 - пластина из твердой стали;

4 - сечение каверны

 

Рис. 16. Схема экранной защиты и баллистические кривые

Рис. 16. Схема экранной защиты и баллистические кривые

 

Рис. 17. Фотографии преград после опытов с	 
различными значениями начального заряда КБ

Рис. 17. Фотографии преград после опытов с

различными значениями начального заряда КБ

 

Рис. 18. Зависимость эффективности защиты от 
величины начального заряда КБ

Рис. 18. Зависимость эффективности защиты от

величины начального заряда КБ

 

Рис. 19. Осциллограммы импульса разрядного тока при разряде двух секций (А) и одной секции (Б) конденсаторной батареи

Рис. 19. Осциллограммы импульса разрядного тока при разряде двух секций (А) и одной секции (Б) конденсаторной батареи

 

При полном разрушении макрочастицы η = 1, при сквозном пробитии эффективность η = 0 (рис. 18).

Видно, что эффективность воздействия зависит только от величины начального заряда на КБ. Критическое (минимальное) значение начального заряда, при котором наблюдается полное разрушение макрочастицы, оценивается величиной ~ 4 Кл. При этом величина запа­сенной энергии уменьшается с ростом емкости. При емкости 2 мФ она равна 5 кДж.

Осциллограмма разрядных токов в экспериментах с КБ различной емкостью при на­чальном напряжении 4 кВ приведены ниже (рис. 19).

Амплитуда первого рабочего импульса при разряде одной секции КБ (1 мФ) ~ 400 кА больше амплитуды разрядного тока при разряде двух секций при большом затухании ~ 320 кА.

Оценку критического значения начального заряда КБ можно получить из выражения для интеграла тока для полного плавления (испарения) макрочастицы [13].


 

Литература

  1. А. Павловский, Л. Пляшкевич, А. Шустов, А. Бродский. «Экспериментальные иссле­дования разрушения кумулятивной струи импульсом тока». Журнал техническая физика, 1994, т. 64, в. 2.
  2. А. Д. Матросов, Г. А. Швецов. « Экспериментальное исследование токовой неустой­чивости кумулятивных струй». Журнал « Прикладная механика и техническая физика», 1996, т. 3?, № 4.
  3. А.И. Павловский, Л.Н. Пляшкевич и др. «Экспериментальные исследования разру­шения кумулятивной струи импульсом тока». «Журнал технической физики», 1994, т. 64, в. 2.
  4. C.E. Pollock «Electromagnetic Effects of the Natural Hydrodynamic Instability of Stretching, High Velocity, Metallic Jets». Proceeding of the 6th International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics. Albuquerque, New Mexico, USA, 1992.
  5. Г.А. Швецов, А.Д. Матросов, А.В. Бабкин, С.В. Ладов, С.В. Федотов. «Поведение металлических кумулятивных струй при пропускании по ним импульсного электрического тока». Прикладная механика и техническая физика, 2000, № 3.
  6. А. Матросов, Г. Швецов. «Экспериментальное исследование токовой неустойчивос­ти кумулятивных струй». Прикладная механика и техническая физика, 1996, т. 3?, № 4.
  7. ?. А.Ф. Пискунков, Н.П. Шишаев, В.В. Свотина. «Исследование торможения кумуля­тивной струи в преграде под действием импульсного электрического тока». Тезисы докладов II-ого Международного семинара «Г идродинамика высоких плотностей энергии», 13-18 июля, 2008, - Новосибирск.
  8. V.A. Obukhov, A.V. Ovchinnikov, A.F. Piskunkov, A.A. Pertsev, N.P. Shishaev «High-Speed Macroparticle Destruction in a High-Current Discharge». Тезисы докладов 14th International Symposium on Electromagnetic Launch Technology, 10-13 June, 2008, Victoria, British Columbia, Canada.
  9. А.В, Бабкин, С.В, Ладов, С.В. Федоров. Электрическая защита перспективной бое­вой машины XXI века. Оборонная техника, 2000, № 1-2.
  10. R. Ogorkievich. Future Tank Armors Revealed. Janes International Defense Review, 199?, № 5.
  11. Е. Паркер. «Космические магнитные поля. Их образование и проявления». Т. 1. - М.: Мир, 1982, - 608 с.
  12. E.L. Christiansen. International Space Station Meteoroid / Orbital Debris Shielding. Космо­навтика и ракетостроение, 2000, № 18. - С. 166-180.
  13. А.Ф. Пискунков, Н.П. Шишаев, В.В. Свотина, В.А. Рябый, В.А. Сериков. «Разруше­ние высокоскоростной частицы в сильноточном импульсном разряде». Технология ЭМС, 2009, № 2 - С. 56-65.
 








 



ГЛАВНАЯ НА ВООРУЖЕНИИ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ
РАЗРАБОТКИ
ОГНЕВАЯ МОЩЬ
ЗАЩИТА ПОДВИЖНОСТЬ 

ЭКСКЛЮЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  БИБЛИОТЕКА ФОТООБЗОРЫ