МЕТОД ОЦЕНКИ ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА ДИНАМИЧЕСКОГО ТИПА НА БРОНЕВУЮ ПРЕГРАДУ БОЕВОЙ БРОНИРОВАННОЙ МАШИНЫ

Опубликовано в журнал Артиллерия и стрелковое вооружение. - 2006. - № 4.

А.В. Кучинский, инж., М.И.Васьковский, канд. техн. наук, И.Б. Чепков, д-р техн. наук (Центральный научно-исследовательский институт вооружения и военной техники Вооруженных Сил Украины), А.Н. Неговский канд. техн. наук (Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко, Национальной академии наук Украины)

 

Предложен метод оценки действия взрыва на броневую преграду и регистрации остаточных деформаций брони вследствие взрыва элемента защитного устройства. В качестве критерия оценки выбран прогиб броневого листа, на котором размещался заряд взрывчатого вещества, значения которого предложено определять в процентах относительно эталонного заряда. Предложена моделирующая испытательная установка позволяющая регистрировать ударно - волновые нагрузки. Представлены экспериментальные и теоретические данные исследований, которые хорошо соответствуют математической модели определения прогиба броневых плит после действия продуктов взрыва.

 

Запропоновано метод оцінки дії вибуху на броньову перешкоду й реєстрації залишкових деформацій броні внаслідок вибуху елемента захисного пристрою. Як критерій оцінки обрано прогин броньового листа, на якому розміщався заряд вибухової речовини, значення якого запропоновано визначати у відсотках щодо еталонного заряду. Запропоновано моделюючу випробну установку, яка дозволяє реєструвати ударно - хвильові навантаження. Представлено експериментальні й теоретичні дані досліджень, які добре відповідають математичній моделі визначення прогину броньових плит після дії продуктів вибуху.

 

Существующие экспериментально-аналитические методы оценки эффективности позволяют оценить живучесть защитного устройства динамического типа (ЗУДТ) боевой машины при одном или нескольких попаданиях противотанкового средства (ПТС) [1, 2, 3]. Как правило, в состав моделей входит модуль взаимодействия боевых элементов ПТС с ЗУДТ, при этом решается задача встречи ПТС с элементами ЗУДТ и в зависимости от условий определяется остаточная бронепробиваемость после взаимодействия с защитным устройством [1,2]. В основе модели лежат зависимости эффективности ЗУДТ от условий взаимодействия, для получения которых использовали результаты натурных испытаний. Результаты испытаний [3] показали низкую конструктивную живучесть элементов ЗУДТ, обусловленную как креплением контейнеров ЗУДТ, так и конструктивным исполнением собственно контейнеров. При попадании ПТС, площадь перекрытия деталей броневой защиты в среднем уменьшается на 30% исходной (от 5 до 30% при воздействии малокалиберных боеприпасов), что свидетельствует о низкой живучести ЗУДТ.

Значительно снижается живучесть ББМ в целом, при совместном срабатывании ПТС и элемента ЗУДТ вследствие возрастания остаточной деформации брони. Анализ экспериментальных данных, полученных при таком нагружении, позволяет установить следующие основные виды поражения броневых деталей: пролом; откол с тыльной или лицевой поверхности детали; сквозная трещина; местный прогиб.

Причина этих поражений – совместное действие боевого элемента ПТС с фугасным и бризантным действием заряда ВВ, а также  ударным действием фрагментов корпуса элементов ЗУДТ, разлетающихся под действием этого взрыва. Например, при совместном взрыве кумулятивной гранаты и элемента ЗУДТ, имеющего заряд ВВ толщиной 6 мм и стальные пластины толщиной 2 мм , в броне толщиной 19 мм из стали высокой твердости образуется пролом размером до 170×80 мм, трещины длиной до 160 мм и местный прогиб глубиной до 18 мм . При подрыве элемента ЗУДТ на некотором расстоянии от защищаемой преграды на нее будет действовать кинетическая энергия одной из пластин корпуса ЗУДТ, часть кинетической и тепловой энергии газообразных продуктов взрыва и воздушной ударной волны, движущейся в направлении преграды. Взрыв элемента ЗУДТ типа 4С20 (4С22) с массой ВВ, равной 0,26 кг имеет энергию в 1,25 МДж, из которых 590 кДж направлено на броневую преграду (из которых 72,7%, т.е. 430 кДж – кинетическая энергия пластины корпуса ЗУДТ и 27,3 %, т.е. 160 кДж – энергия продуктов взрыва и ударной волны). Именно это ограничивает использование ЗУДТ на броневых деталях небольшой толщины.

С целью определения разрушающего действия взрыва ЗУДТ в образовании остаточных деформаций брони и для оценки возможного уменьшения этих деформаций с помощью демпфирующих устройств необходима разработка метода оценки действия ЗУДТ на броневую преграду.

Способность броневых деталей противостоять воздействию разрушающего действия взрыва ЗУДТ можно оценить, основываясь на методах изложенных в работах [4, 5, 6].

Исследование и аналитическая оценка баллистики пластины ЗУДТ, метаемой зарядом ВВ, была проведена в ряде работ [7,8,9,10]. Исходя из особенностей процесса функционирования ЗУДТ, были разработаны модель движения пластины с учетом особенностей функционирования (определены закон движения пластины с учетом параметров детонационной волны в момент подхода ее к границе раздела сред и закон движения продуктов детонации, исходя из решения основных уравнений газовой динамики).

Анализ экспериментальных методов оценки. Особенностью большинства экспериментальных методов оценки метательной способности ЗУДТ является то, что она определяется относительно некоего эталона заряда ВВ и выражается в процентах по отношению к соответствующей характеристике эталона. При этом необходимо создание эквивалентных условий функционирования всех исследуемых зарядов.

Наибольшее распространение на практике получили методы: баллистического маятника; импульсомера (бризантомера); торцевого метания пластин; метания цилиндрической оболочки "цилиндр-тест" [11, 12].

Рассмотрим основные принципы реализации перечисленных методов.

Метод баллистического маятника. Данный метод был предложен для прямого определения импульса взрыва. В отличие от способа определения фугасности для оценки метательной способности ВВ, испытуемый заряд помещают в непосредственном контакте с наконечником маятника. Значение импульса определяют по максимальной скорости, сообщенной маятнику, либо по его отклонению при подрыве заряда. Эксперименты, проводимые по данной методике, позволили в свое время установить линейную зависимость между скоростью детонации и импульсом. Оценивалось также влияние на значение импульса диаметра заряда ВВ, толщины и прочности оболочки. Некоторые данные, иллюстрирующие влияние этих факторов на удельный импульс, приведены в работах [11, 12].

Метод импульсомера. Измерение относительного импульса взрыва импульсомером, сходным с бризантометром Каста, является простым, удобным и достаточно надежным способом оценки метательной способности целого ряда индивидуальных и смесевых ВВ. Надежность метода показана в работе [11, 12], где значения относительного импульса сопоставлены со скоростью торцевого метания медной пластины, а также скоростью бокового разлета медной оболочки цилиндрического заряда. Разброс значений для серии экспериментов с использованием метода импульсомера укладывается в 2 %, однако общим недостатком упомянутого метода является невозможность выделения определенной фазы процесса расширения ПД. (Этот недостаток удалось преодолеть в двух следующих методах).

Метод торцевого метания. Для реализации данного метода использую различные схемы экспериментальных установок, описанные, например, в [13]. Скорость пластины регистрируется с помощью электроконтактных датчиков. База измерений ограничена из-за искривления пластины при разгоне. Для уменьшения влияния боковых волн разряжения, заряд помещали в толстостенную оболочку. Оценку метательной способности проводили по отношению зарегистрированной скорости метания к эталонной, либо по отношению импульсов метательного действия. К недостаткам метода относятся сложность непрерывного наблюдения разгона пластины во всем диапазоне измерений, а также влияние конструкции сборки и узла инициирования на результаты измерений.

Метод метания цилиндрической оболочки. В настоящее время данный метод получил наибольшее распространение и широко известен под названием "цилиндр–тест" [14]. В качестве материала оболочки используют отожженную медь. Регистрацию производият различными методами: электрическими контактными датчиками, импульсной рентгенографией, методами скоростной съемки (покадровой и щелевой). В качестве критерия оценки метательной способности в методике "цилиндр–тест" используются скорость или удельную кинетическую энергию цилиндрической оболочки. Экспериментальные данные для скоростей цилиндрической медной оболочки, полученные по методике "цилиндр–тест", не только характеризуют мощность ВВ, но и служат основой для нахождения коэффициентов уравнений, описывающих изоэнтропы расширяющихся продуктов взрыва [15].

Попытки установления связи метательного действия смесевых и индивидуальных ВВ с их составом и строением предпринимались и в ряде других работ [13, 14, 15]. В частности, авторами работы [14] при оценке метательного действия взрыва применены два фактически равноправных подхода: расчет с использованием экспериментально определенной или предварительно вычисленной теплоты взрыва; расчет с использованием факторов состава и строения, которые в том числе определяют теплоту взрыва.

В основу метода оценки действия взрыва ЗУДТ на броневую преграду может быть положен метод регистрации прогиба броневого листа, на котором размещен заряд ЗУДТ. Особенностью данного метода является то, что прогиб определяется относительно некоего эталона заряда ВВ и выражается в процентах по отношению к соответствующей характеристике эталона. При этом обеспечивается соблюдение эквивалентных условий функционирования всех исследуемых зарядов. В качестве эталона выбран серийно выпускаемый элемент ЗУДТ 4С22.

При срабатывании ЗУДТ на некотором расстоянии от броневой преграды на нее воздействует кинетическая энергия нижней крышки корпуса ЗУДТ, часть кинетической и тепловой энергии продуктов взрыва и воздушной ударной волны, движущихся в направлении преграды, а также возможное остаточное действие обратной кумулятивной струи. Поскольку энергии воздушной ударной волны (УВ) и продуктов взрыва (ПВ) достаточно быстро уменьшаются, тратясь на нагрев, ионизацию и диссоциацию воздуха, то наибольшую опасность для броневой конструкции представляет удар нижней крышки ЗУДТ. Кинетическую энергию этой крышки будет увеличивать также энергия обратной кумулятивной струи (КС) ПТС. Эффектом внедрения обратной КС, по всей видимости, можно пренебречь, так как по экспериментальным оценкам она может составлять ~ 20 – 30 мм [16], что при разнесении ЗУДТ и броневой конструкции на 30- 35 мм для последней не представляет реальной опасности.

Оценить способность броневой конструкции противостоять ударному воздействию со стороны ЗУДТ можно воспользуюсь методикой авторов [11, 12], где работу, которую необходимо затратить на разрушение конструкции броневой преграды можно оценить из выражения:

где  – периметр нижней крышки ЗУДТ;

 – толщина броневой конструкции;

 – предел прочности материала броневой конструкции на срез ( =1300 – 1500 МПа).

Энергия взрыва может в первом приближении оцениваться по формуле из [4]

где  – масса ВВ  в защитном устройстве;

 – энергия взрывного превращения (для типичных ВВ =5500 кДж/кг).

Для ЗУДТ, построенного с использованием плоского заряда ВВ, энергия взрыва может составит от 1155 до 2805  кДж.

Согласно экспериментальным данным [4] 45 – 50% этой энергии будет направлено на броневую конструкцию, что составит для рассматриваемых зарядов соответственно 520 … 1260 кДж. Причем более 70% энергии будет составлять кинетическая энергия метаемой нижней крышки ЗУДТ. Сравнивая эти значения энергий, полученные с использованием экспериментальных уточнений [4], с расчетными, определенными по (1), можно сделать вывод о том, что воздействие ЗУДТ на броневую преграду само по себе не приведет к разрушению броневой конструкции, хотя и может привести к ее деформации. Возможную деформацию броневой конструкции при действии ЗУДТ на броню можно оценить из уравнения

где  – глубина остаточного прогиба, м;

 – предел текучести материала броневой конструкции ( =1180 – 1420 МПа).

Подставив значения энергий (2) в уравнение (4), получим остаточные деформации, которые могут быть вызваны действием заряда ВВ ЗУДТ.

Фактически эти прогибы будут несколько меньше, так как при расчете энергии, направленной на преграду, не учитывались неизбежные потери, о которых говорилось выше. Эти прогибы, очевидно, не являются опасными для броневой конструкции. Однако в случае воздействия на ЗУДТ ПЭ кумулятивного типа, напряжения вблизи зоны действия кумулятивной струи резко возрастают, что может привести к появлению сквозных трещин или проломов. Поэтому собственное фугасное воздействие ЗУДТ на броневую конструкцию целесообразно ослабить до минимально возможного уровня.

Экспериментальная оценка. При построении математической модели для исследования действия заряда ВВ на броню ББМ вследствие взрыва элемента ЗУДТ был сделан ряд допущений о характере поведения системы.

С целью проверки правомочности принятых допущений и одновременно для проверки точности получаемых аналитических результатов проведены специальные экспериментальные исследования [1] . Описываемые эксперименты позволили также проверить на практике сделанные выше качественные выводы об особенностях влияния  боевого элемента кумулятивного типа на появление напряжений вблизи зоны действия КС, что может привести к появлению сквозных трещин или проломов брони.

Выбор методики экспериментального исследования оценки действия ЗУДТ на броневую преграду обусловливается сложностью ударно-волнового воздействия элементов защиты, особенно остаточных кумулятивных струй. В основу метода оценки выбран метод регистрации прогиба броневого листа, на котором размещен заряд ВВ ЗУДТ.

В ходе экспериментальных исследований изучен прогиб броневого листа, на котором размещен заряд ВВ ЗУДТ. Испытаниям подвергали ЗУДТ, построенные с использованием серийно выпускаемого элемента 4С22 и элементов ЗУДТ построенных на иных принципах [17, 18].

Методика проведения эксперимента. Эксперимент проводили по методике, сочетавшей метод натурных испытаний (контролируемые характеристики измеряются непосредственно) и опытно-теоретический метод испытаний (с использованием испытательной моделирующей установки) [19].

Ударно-волновые нагрузки, вызванные взрывом заряда ВВ ЗУДТ, моделировали на испытательной установке (рис. 1, 2), которая по геометрическим размерам и составу конструкции соответствовала штатной схеме размещения ЗУДТ на ББМ. Инициирование заряда ВВ ЗУДТ осуществляли посредством воздействия боевых частей формирующих боевой элемент типа "ударное ядро" и кумулятивную струю. Инициирование БЧ осуществляли электродетонатором ЭД-8, устанавленным в центральной полости БЧ. Сигнал на подрыв выдавался посредством взрывной машинки КПМ-1А.

 

Эксперимент выполняли в следующей последовательности. Сначала определяли исходные данные о характере повреждений при штатном элементе 4С22. Для этого элементы 4С22 размещали в испытательной моделирующей установке, которая, в свою очередь, закреплялась в оснастке для испытаний, имитирующий объект ББМ. При этом БЧ, формирующую "ударное ядро", устанавливали на расстоянии 0,9 + 0,05 м от лицевой крышки (экрана) контейнера по нормали к ней, а БЧ, формирующую кумулятивную струю, под углом 60° к нормали.

С целью поверки достоверности методики эксперимента проведены исследования по оценке возможного воздействия элемента ЗУДТ при его инициировании БЧ типа ПГ-7.

Как видно из табл.1, расчетные данные близки к экспериментальным, за исключением данных эксперимента с использованием ЗУДТ [18]. Это отличие, по всей видимости, объясняется совместным действием продуктов взрыва ЗУДТ и БЧ ПГ-7. Вследствие того, что приближенная формула (4) дает хорошее соответствие с истинными значениями, приведенное выше сравнение служит дополнительным подтверждением достоверности применяемой экспериментальной методики.

 

Таблица 1. Сравнение расчетных и экспериментах данных прогиба плиты

Результаты экспериментального исследования по оценке ударно-волновых нагрузок, вызванных взрывом элемента ЗУДТ, представлены в табл. 2,  3,  4.

 

Таблица 2. Результаты испытаний по оценке ударно-волновых нагрузок, вызванных взрывом элемента 4С22

 

* Отсутствие детонации.

** Во всех опытах наблюдалась устойчивая детонация элемента 4С22.

 

Таблица 3. Результаты испытаний по оценке ударно-волновых нагрузок, вызванных взрывом элемента ЗУДТ [17]

 

Таким образом, во всех опытах табл.  3,  4 наблюдалась устойчивая детонация элементов кумулятивного ЗУДТ, проломов и трещин контрольной плиты не обнаружено;  принятая методика, объем проведенных испытаний и результаты обработки измерений, полученные в ходе экспериментальных исследований преград, обеспечивают достаточную их достоверность.

 

Таблица 4. Результаты испытаний по оценке ударно-волновых нагрузок, вызванных взрывом элемента ЗУДТ [18]

 

Внешний вид деформированных броневых плит представлен на рис. 3.

 

Уменьшение прогиба относительно эталонного заряда ВВ элемента 4С22 по отношению к соответствующей характеристике защитного устройства для элемента [17] составило 33,5%, что свидетельствует о значительном снижении действия взрывной защиты на броневую преграду ББМ.

Для апробирования предложенной методики и оценки адекватности полученных результатов проведено сравнение экспериментальных данных с расчетными прогиба броневого листа после подрыва, на котором размещался заряд ВВ ЗУДТ. На рис. 4 видно, что расчетные зависимости прогиба от массы ВВ в защитном устройстве расположены в основном в области доверительного интервала экспериментальных данных. Таким образом, имеет место адекватность принятых математических моделей реальным процессам ударно-волнового воздействия элементов ЗУДТ. Это, в свою очередь, означает, что разработанный метод оценки прогиба броневого листа пригоден для использования на этапах разработки ЗУДТ, при этом возможно прогнозирование необходимых характеристик действия ЗУДТ, не прибегая к длительным и дорогостоящим экспериментам.

 

Приведенные в настоящей статье результаты экспериментального исследования и их сравнение с данными теоретических исследований свидетельствуют о достаточно хорошем соответствии исследуемого процесса и его математической модели при определении прогиба броневых плит после действия элементов ЗУДТ.

Таким образом, предложенный метод оценки действия ЗУДТ на броневую преграду и регистрации остаточных деформаций брони вследствие взрыва элемента ЗУДТ с использованием  моделирующей испытательной установки позволяет регистрировать ударно - волновые нагрузки, вызванные взрывом заряда ВВ ЗУДТ. Полученные в эксперименте данные и их сравнение с данными теоретических исследований свидетельствуют о довольно хорошем соответствии исследуемого процесса математической модели определения прогиба броневых плит после действия элементов ЗУДТ. Установлено снижение прогиба относительно эталонного заряда ВВ элемента 4С22 относительно соответствующих характеристик ЗУДТ построенных на основе патента [17] составило 33,5%, что свидетельствует о значительном снижении действия взрывной защиты на броневую преграду ББМ. Принятая методика, объем проведенных испытаний, а также результаты обработки измерений, которые были получены в ходе экспериментальных исследований преград, обеспечивают достаточную их достоверность.

 

1. Чепков И.Б. Методы и подходы к исследованию защитных устройств динамического типа // Артиллерийское стрелковое вооружение. – 2005. –№ 4. –С. 46 – 52.

2. Чепков И.Б., Васьковский М.И., Неговский А.Н. Принципы и методы решения проблемы повышения защищенности и живучести ББМ с использованием защитных устройств динамического типа

// Артиллерийское стрелковое вооружение. – 2006. –№ 1.– С. 48 – 53.

3. Wiśniewski A. Pancerze budowa, projektowanie i badanie. – Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2001. – 263 p.

4. Физика взрыва/ Под ред. К.П. Станюковича; 2-e изд. – М.: Наука, 1975. – 704 с.

5. Захаренко И.Д. Сварка металлов взрывом. – Минск: Навука i тэхніка, 1990. – 205 с.

6. Высокоскоростные ударные явления / Пер. с англ. под ред. В.Н. Николаевского. – М.: Мир, 1973. – 535 с.

7. Войцеховский Б.В., Истомин В.Л. Динамическая антикумулятивная защита// Физика горения и взрыва. – 2000. – Т.36, №6. – С.87-90.

8. Войцеховский Б.В., Истомин В.Л., Рыжаков В.А. Динамическая антикумулятивная защита. II // Физика горения и взрыва. – 2002. – Т.38, №2. – С. 135–139.

9. Held M. Stopping Power of Explosive Reactive Armours Against Different Shaped Charge Diameters or at Different Angles // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. – 2001. – Vol. 26. – P. 97 – 104.

10. Held M. Time–Distance Plots for ERA-Design // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. – 2001. – Vol. 26. – Pp. 258 – 262.

11. Физика взрыва/ Под ред. Л.П. Орленко: В 2 т. – изд. 3–е, испр. – М.: Физматлит, 2004. – Т. 1. – 832 с.

12. Физика взрыва/ Под ред. Л.П. Орленко: В 2 т. – Изд. 3–е, испр.–М.: Физматлит, 2004. – Т. 2. – 656 с.

13. Воскобойников И.М., Воскобойникова Н.Ф. Оценка метательного действия взрывчатых веществ // Детонация: Материалы II Всесоюз. Совещания по детонации. – Черноголовка, 1981. – Вып. 2.– С. 64 – 67.

14. Смирнов С.П., Колганов Е.В., Кулакевич Я.С. и др. Связь метательного действия смесевых и индивидуальных ВВ с их составом и строением // Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения. – Саров, ВНИ-ИЭФ, 2000. – С. 410 – 412.

15. Детонация и взрывчатые вещества. Сб. статей. Пер. с англ. Под. ред. Борисова А.А. – M.: Мир, 1981. – 392 с.

16. Баланкин А.С., Любомиров А.А., Севрюков И.Т Кинетическая теория кумулятивного пробивания. – М.: Изд. МО СССР, 1989. – 270 с.

17. Патент № 41788 Україна. Пристрій для захисту перешкод від надшвидкісних засобів ураження/ В.О. Хитрик, І.Б. Чепков, Л.О. Волгин. № 2001042957; Заявлено 28.04.2001; – Опуб. 17.09.2001, Бюл. № 8.

18. Патент № 72781 Україна. Пристрій для захисту перешкод від високошвидкісних засобів ураження/ І.Б. Чепков, М.Д. Борисюк та інші. № 2002064904; Заявлено 14.06.2002; Опубліковано 15.04.2005, Бюл. №4.

19. Чепков И.Б. Обоснование и выбор методического подхода к экспериментальному исследованию основных характеристик защитных устройств динамического типа боевых бронированных машин// Артиллерийское стрелковое вооружение. – 2006. -№ 2. – С. 3 – 9.