ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ОСНОВНОГО ПОРАЖАЮЩЕГО ФАКТОРА

В БРОНЕОБЪЕКТАХ ПРИ ВЗРЫВАХ НА БРОНЕ

Канд. техн. наук В. Н. БРЫЗГОВ

Вестник бронетанковой техники. 1971. №6.

Бронирование танков достаточно надежно за­щищает экипаж от непосредственного поражения снарядами и взрывами. И все же в некоторых слу­чаях танк может потерять боеспособность даже при непробитии брони. Эта возможность связана с выходом из строя экипажа танка.

Обзор результатов исследований воздействия наружных взрывов и ударов по броне на экипажи танков [1 и др.] показывает, что такого рода воздей­ствия могут оказаться небезопасными для личного состава и вызвать патологические изменения орга­нов слуха и дыхания, а в некоторых случаях — так­же нервной системы и органов брюшной полости. В указанных работах приведены также результаты измерения возмущений за броней. Было выявлено, что при действии взрыва на броню за ней образуются воздушная ударная волна и ударный шум. Давление во фронте ударной волны превышало максимальное давление ударного шума. Проведен­ные наблюдения дали основание считать воздейст­вие воздушной ударной волны главной причиной поражения личного состава за броней. В этих ис­следованиях принимались допущения, что воздуш­ная ударная волна распространяется по всему заброневому объему, а время ее действия (как фак­тор поражающего действия) не рассматривалось и не оценивалось.

Ударный шум из рассмотрения исключался и возможное его действие на человека не оценива­лось. Вместе с тем, образующийся наряду с удар­ной волной ударный шум достигает в некоторых случаях уровня 160-170 дб, а шум такой интенсив­ности может, независимо от действия других фак­торов, вызвать серьезные поражения личного со­става, вплоть до травм центральной нервной систе­мы, органов дыхания и других внутренних органов [2].

Характер поражения биообъектов от действия воздушной ударной волны и сверхсильного шума одинаков. В опытах по определению воздействия ударов и взрывов располагаемые за броней биоло­гические объекты исследуются после суммарного действия того и другого поражающих факторов. При этом нельзя выделить степень поражающего влияния каждого из них на организм животного или человека.

Методически неверно приписывать суммарное воздействие воздушной ударной волны и сверхсиль­ного ударного шума лишь действию одной ударной волны на основании только факта более высокого давления в ее фронте. Вывод о преимущественном поражающем действии воздушной ударной волны за броней нельзя признать обоснованным без сопо­ставления влияния того и другого поражающих факторов на живой организм и выявления реаль­ного соотношения параметров этих факторов в забронированных объемах.

Имеющееся различие между явлениями ударной волны и ударного шума нашло отражение в оцен­ках допустимых, с точки зрения воздействия на че­ловеческий организм, давления во фронте воздуш­ной ударной волны и уровня интенсивного шума.

Допустимое давление во фронте воздушной удар­ной волны, по мнению различных авторов, может иметь величину от 0,0034·10⁵ н·м ^-2 [3] до 1·10⁵ н·м ^-2. Наиболее часто в научных трудах и официальных изданиях встречается значение ве­личины допустимого давления во фронте порядка 0,1·10⁵ н·м^-2. При этом подразумеваются доста­точная длительность фазы сжатия ударной волны, что позволяет не учитывать влияние времени ее действия. Давление 0,1·10⁵ н·м^-2 в относительных единицах соответствует уровню 174 дб.

Шум считается опасным при уровне 140 дб, по­этому для его допущения (при таком уровне) вво­дится ограничение по времени действия шума. В частности, в боевых отсеках, рубках и кабинах при стрельбе из орудий и пусках ракет уровень шума 140 дб принят допустимым при действии его в течение не более 3 сек [4]. Уровень же свыше 140 дб абсолютно неприемлем по воздействию на человека [5].

Сравнение приведенных выше данных показы­вает, что допустимый уровень давления во фронте воздушной ударной волны примерно на 34 дб выше допустимого уровня шума.

Такой вывод, основанный на анализе предель­ных уровней давления при относительно одинако­вом допустимом влиянии на человека в случае до­статочно длительного воздействия, подтверждается данными прямого исследования для случая корот­ких импульсов [6]. Было установлено, что равным» по громкости на слух воспринимаются ударная волна пистолетного выстрела длительностью 50·10^-6 сек с уровнем давления во фронте 135,5 дб и звуковой импульс продолжительностью 20×10^-3 сек с уровнем звукового давления 104,9 дб. При примерно равном воздействии на слуховой ап­парат, разность в уровнях давления во фронте ударной волны и ударного шума составляет около 30 дб.

Все эти данные позволяют получить представ­ление о том, что при равных уровнях давления удар­ная волна действует на человека слабее, чем удар­ный шум. Поэтому говорить о преимущественном поражающем действии ударной волны при наличии наряду с ней ударного шума можно, по-видимому, только в тех случаях, когда уровень избыточного давления во фронте воздушной ударной волны, по крайней мере, более чем на 30 дб превышает уро­вень шума. Это условие при переходе от логариф­мической системы выражения уровня давления к линейному отношению избыточных давлений вы­полняется при отношении давления во фронте воздушной ударной волны ΔР_ув к эффективному давлению ударного шума ΔР_ш, равном примерно 30. При   >30 можно считать, что степень АР поражения биобъекта определяется в основном дествием ударной волны, при  ≥30 — действием ударного шума.

Вместе с тем, необходимо все же учитывать до­бавочное действие поражающего фактора, не яв­ляющегося в данных условиях основным. Поэтому поражение биообъектов за броней, по-видимому, должно носить более тяжелый характер, чем при отдельно взятом воздействии каждого из рассмат­риваемых поражающих факторов.

Как было отмечено выше, при проведении боль­шого числа опытов по обстрелу бронеконструкций и подрывах на броне зарядов взрывчатого вещест­ва давление во фронте воздушной ударной волны оказывалось больше давления ударного шума и поэтому ударный шум исследователями заброневого действия взрыва и удара из рассмотрения исклю­чался. Лишь в работе В. А. Котляревского имеются данные, позволяющие сравнить уровень давления во фронте воздушной ударной волны и уровень ударного шума в использованном для опытов бро­неколпаке при определенных условиях подрывов зарядов взрывчатого вещества. Отношение указан­ных уровней оказалось близким к единице.

В связи с отсутствием в литературе других све­дений, позволяющих оценить величину указанного отношения при различных условиях подрывов за­рядов ВВ, выявилась необходимость постановки специальных опытов по ее определению.

Для проведения опытов были изготовлены три броневых стенда, а также использовался корпус и башня танка Т-54. Стенды были сварены из бро­невых листов и имели форму куба со стороной 1 м .

Характеристика бронедеталей стендов дана в табл. 1.

Таблица 1.

Характеристика бронедеталей стендов

Подрывы зарядов взрывчатого вещества произ­водились над верхними деталями броневых стендов и над верхней лобовой деталью корпуса танка. Применялись плоские и сосредоточенные заряды ВВ весом от 300 до 1650 Г .

Измерение давлений за броней осуществлялось посредством ненаправленных пьезокерамических датчиков и электронного осциллографа с механиче­ской разверткой. Датчики устанавливались на ре­зиновых растяжках. Проверка виброустойчивости датчиков дала положительный результат. После размещения датчиков стенды и бронекорпус с баш­ней герметически закрывались. Запись во времени изменения давления в месте установки датчиков производилась на кинопленку, движущуюся со ско­ростью 20 м·сек^-1. Продолжительность каждой записи составляла 17·10^-3 сек. Начальный участок получаемых в опытах осциллограмм показан на рис. 1.

На приведенной осциллограмме первое одно­кратное непериодическое возмущение представляет запись изменения давления в ударной волне. Сле­дующее за ударной волной возмущение, изменение давления в котором имеет случайный характер, представляет собой ударный шум.

Рис. 1. Начальный участок осциллограммы изменения давления воздуха в 20 мм от тыльной поверхности 90-мм брони при кон­тактном взрыве заряда цилиндрической формы весом 1100 Г

Краткие качественные результаты проведенного исследования состоят в следующем. Воздушная ударная волна за броней возникает вследствие местного движения тыльной поверхности брони в районе взрыва. Поэтому из всех конструктивных особенностей бронеконструкции на параметры ударной волны за броней оказывают влияние толь­ко материал и толщина брони; ни размеры, ни конфигурация, ни способ крепления броневого ли­ста на параметры ударной волны влияния оказы­вать не должны. Толщина гомогенной стальной брони и давление во фронте ударной волны за бро­ней связаны обратной зависимостью. При использо­вании комбинированной брони ударной волны за броней зафиксировано не было. Давление во фрон­те воздушной ударной волны уменьшается по мере удаления по нормали к тыльной поверхности бро­ни от места образования.

В стороне от места подрыва ударной волны не наблюдается. Это, в частности, относится к случаю измерения давлений на местах экипажа в башне при подрывах зарядов ВВ на верхней лобовой де­тали корпуса танка Т-55.

Начальное давление во фронте образовавшейся за броней воздушной ударной волны зависит от веса подрываемого заряда. На это давление су­щественное влияние оказывает расстояние между подрываемым зарядом и броней. Наибольшую амп­литуду ударная волна имеет в случае контактного подрыва. С увеличением расстояния между заря­дом и броней резко падает начальное давление во фронте воздушной волны за броней. Изменяется и характер его уменьшения при распространении ударной волны от тыльной поверхности брони.

Ударный шум возникает вследствие вибрации деталей бронеконструкции. На его уровень оказы­вают влияние вес заряда, размеры и конфигурация бронедеталей, а также конструкция бронеобъекта. Ударный шум в бронеобъектах имеет нестационарный характер. Однако при рассмотрении его на­чального периода, наиболее важного с точки зрения силы воздействия на экипаж, можно принять шум стационарным. Постоянное эффективное значение уровня ударного шума на этом участке в 3-4 раза меньше значений максимальных выбросов звуково­го давления, наблюдаемых на осциллограммах. Толщина той бронедетали, над которой произво­дится подрыв, оказывает на уровень ударного шу­ма значительно меньшее влияние, чем на величину давления во фронте ударной волны. Значительно меньше сказывается также и удаление заряда. В то же время оказывается существенным вклад вибрации не нагружаемых взрывом элементов бронеконструкций. При размерах имеющихся бронеобъектов порядка одного или нескольких метров эффективный уровень шума одинаков в различных точках внутреннего объема каждого из них, но изменяется от объекта к объекту при изменении условий подрыва.

Таким образом, в проведенных опытах в целом как давление во фронте воздушной ударной волны, так и уровень шума изменялись в зависимости от конструктивных особенностей бронеобъекта, веса и формы заряда взрывчатого вещества и их расположения, а также от расстояния между тыльной поверхностью брони и точкой измерения.

Рис. 2. Характер измене­ния избыточного давле­ния во фронте воздуш­ной ударной волны ΔР_ув и эффективного избыточ­ного давления ударного шума ΔР_ш в зависимо­сти от веса заряда G при контактных подрывах на бронестенде с толщиной брони 90 мм на расстоя­нии 20 мм от тыльной поверхности брони под местом подрыва

Увеличение веса подрываемого заряда G, неза­висимо от фиксированной комбинации остальных условий опыта, приводит к увеличению давления во фронте воздушной ударной волны за броней и уровня ударного шума. Зависимо­сти ΔР_ув и ΔР_ш от веса за­ряда в нелинейны. Харак­тер этих зависимостей раз­личен. В системе координат ΔР - G  кривая, описывае­мая функцией ΔР_ув(G), имеет выпуклость к оси ΔР, а кривая, описываемая функ­цией ΔР_ш(G), имеет выпук­лость к оси G. Возрастание функции ΔР_ув(G), ограни­чивается в случае контакт­ного подрыва явлением от­кола при достижении тыль­ной поверхностью некоторой критической скорости, когда рассмотрение ударной вол­ны в качестве поражающего фактора теряет смысл. При наличии воздушного зазора между броней и зарядом ВВ откол образоваться не мо­жет, но и в этом случае величина стремится к пре­дельному значению, не превышающему (0,5-0,8)×10⁵  н·м^-2 непосредственно у тыльной поверхно­сти брони.

Взаимное расположение указанных кривых за­висит от совокупности всех факторов, влияющих на величину давления во фронте воздушной ударной волны и уровень ударного шума.

По взаимному расположению кривых ΔР_ув(G) и ΔР_ш(G) легко определить отношение давлений, характеризующее вид основного поражающего фак­тора. Из приведенного выше качественного рас­смотрения зависимостей параметров возмущений за броней от условий подрыва следует, что, по­скольку параметры шума менее чувствительны к изменению условий подрыва, а максимальные па­раметры ударной волны наблюдаются непосредст­венно за броней (в случае контактного подрыва заряда взрывчатого вещества на броне наименьшей толщины), то именно рассмотрение случая таких подрывов может дать наибольшие значения отно­шений этих давлений, а следовательно, представля­ет наибольший интерес для анализа.

На рис. 2 показан ход кривых ΔР_ув(G) и ΔР_ш(G)для отмеченных условий подрыва на стен­де № 1. При малом весе подрываемых зарядов ВВ ударная волна имеет амплитуду давления во фрон­те, не прерывающую максимального звукового давления ударного шума, т. е. <1. При увеличении веса зарядов это отношение увеличивается сначала до 1, а затем превышает 1. Такое соотно­шение давлений и отмечалось в цитируемых выше работах. Наибольшая величина отношения  в общем случае достигается при некотором опти­мальном для заданных условий подрыва весе за­ряда.

Для случая контактных подрывов зарядов ВВ на стальной броне толщиной 90 мм наибольшее значение указанного отношения не превышало 10 и ограничивалось образованием откола при повы­шении веса заряда сверх 1,2 кГ . Контактные под­рывы на стальной броне толщиной 220 мм (стенд № 2) дали значения ΔР_ув во всех случаях меньше, чем ΔР_ш.

Изменение таких условий подрыва, как удале­ние подрываемого заряда от брони или увеличение расстояния от тыльной поверхности брони до точки измерения, приводит к снижению величины отношения .           При достаточно больших удалениях фиксируются только звуковые волны, генерируемые броней. Это наблюдение приводится также в дру­гих работах.

Проведенные эксперименты позволили устано­вить факт, имеющий значение для выявления и оценки основного поражающего фактора за бро­ней: при подрывах зарядов ВВ на броне, толщина которой близка к бронированию серийных танков, отношение давления во фронте ударной волны к максимальному звуковому давлению ударного шума в бронеобъектах не превышает 3, а к эффек­тивному звуковому давлению — менее 10. Таким об­разом, в приведенных опытах отношение давлений оказалось значительно меньше 30. Это число и бы­ло определено как критерий преимущественного поражающего действия воздушной ударной волны без учета ее длительности. Следует иметь в виду, что длительность воздушной ударной волны за броней составляет 100·10^-6 сек. В этом случае мо­гут быть допущены более высокие давления, чем 0,1·10⁵  н·м^-2.

Полученный результат говорит о том, что при наружных взрывах основным поражающим факто­ром в бронеобъектах, даже в зоне действия удар­ной волны, является не ударная волна, а сверхсильный ударный шум.

ЛИТЕРАТУРА

1. Неплюев М. А. Исследование избыточного давле­ния в сооружениях с броневыми закрытиями при ударе и взрыве. Диссертация. ВИКА им. Куйбышева, 1953.
2. Александров Л. Н., Шемякин О. С. Звукозащита кабин ракетных установок. Оборонная техника, 1963, № 11.
3. Р. М.  Golden, Crave P. The Hazards to the Human Ear from Shock Waves, Produced by High Energy Electrical Discharges. Atomic Weapons Res. Establ. U. K. Atomic Energy Author (Rept), 1965, NE1-65.
4. Временные медико-технические требования по обеспе­чению жизнедеятельности и условий боевой работы расчетов в объектах военной техники. В/ч 64176, 1965.
5. Бабияк В. И., Громов Ю. М. О нормировании уровней одиночных звуковых импульсов. Нормирование оби­таемости объектов боевой техники. Бюлл. № 2, BMOЛA, Ле­нинград, 1969.
6. С. G. Rice and Е. Е. Z ер 1er. Loundness and Pitch Sensation of an Impulsive sound of very, Short Duration. Jour­nal of Sound and Vibration, 1967, № 2, v. 5.