Проникающий элемент

 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для разрушения естественных и искусственных космических объектов при высоких скоростях удара. Проникающий элемент выполнен из материала с пористостью более чем в 1,5 раза большей, чем пористость материала матрицы в форме цилиндра с плоскими торцами. Использование данного изобретения позволяет обеспечить повышенное кратерообразование - глубину и объем кратера - при высоких скоростях встречи в сравнении с монолитными ударниками. 4 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для разрушения естественных и искусственных космических объектов и других преград при высоких скоростях взаимодействия в случаях, когда возникает необходимость в оперативном воздействии на них, и, в частности, применительно к военной технике.

Типичный проникающий элемент обычно выполнен из высокоплотного металла в форме массивного тела, выбрасываемого из орудия со скоростью ниже 2,5 км/с и, как правило, с оживальной передней частью для уменьшения аэродинамического сопротивления [1]. Недостатком известных проникающих элементов является большая масса, что ограничивает их использование при практическом применении.

Известен также проникающий элемент из тяжелого сыпучего материала [2]. Он содержит замкнутую наружную оболочку, внутри которой размещается сыпучий материал. Минимальная предельная толщина оболочки выбирается из условия сохранения целостности при разгоне в стволе орудия и с учетом тепловых нагрузок во время полета. Необходимость изменения режимов разгона и случайная встреча с второстепенным препятствием повышают вероятность разрушения оболочки и понижают надежность функционирования элемента по своему назначению, что является его недостатком.

Наиболее близким решением с точки зрения достижения технического результата и назначения, а также по количеству общих конструктивных признаков является проникающий элемент, известный из источника: US H 343, F 42 В 11/14, 6.10.87 [3].

Известный проникающий элемент представляет собой цилиндрическое тело с матричной структурой, состоящей из матрицы, армированной волокнами.

K недостаткам такого устройства относится небольшая глубина проникновения элемента.

В настоящее время проводится поиск оптимальных проникающих элементов, предназначенных для нанесения максимального разрушения космическому объекту или другой преграде, создания в них кратера максимально возможного объема и глубины.

Задачей изобретения является повышение глубины и формирование максимально возможного объема кратера в преграде проникающим элементом с фиксированной кинетической энергией за счет использования спеченного пористого материала.

Пористый материал рассматривается как двухкомпонентная среда, состоящая из участков сплошного вещества (матрицы) с нормальной плотностью ρ_м и пустых участков, благодаря чему его средняя плотность ρ_v меньше ρ_м.

Решение поставленной задачи заключается в том, что проникающий элемент выполнен из материала с пористостью ρ_м/ρ_v≥1,5 в форме цилиндра с плоскими торцами диаметром, равным диаметру монолитного ударника, длина которого больше длины монолитного ударника в соответствии с отношением их плотностей l = l_мρ_м/ρ_v, где ρ_v - плотность пористого материала, ρ_м - плотность материала матрицы, l_м - длина монолитного ударника из материала матрицы, равного по массе цилиндрическому ударнику из пористого материала.

Проникающий элемент работает следующим образом. Ударное сжатие пористых тел с высокой пористостью приводит к большому нагреванию вещества.

При этом плотность с возрастанием давления может не увеличиваться, как обычно, а уменьшаться, и ударная адиабата имеет аномальный ход [4]. При проникании сильно пористого цилиндра начальная стадия имеет ярко выраженный волновой характер и сопровождается деформацией и плавлением его головной части. Затем наступает фаза установившегося проникания. При высоких скоростях удара в головной части приникающего элемента образуется неподвижная относительно дна кратера ударная волна, отделяющая область плавления от остальной части, находящейся в невозмущенном состоянии. Давление вблизи контактной границы остается почти постоянным. На заключительной стадии проникания, когда тыльное сечение цилиндра проходит через стоячую ударную волну, давление медленно ослабевает. Это приводит к формированию кратера значительно большей глубины для пористого цилиндра в сравнении с кратером, образованным монолитным ударником из материала матрицы, при одинаковых массе и диаметре. При этом диаметры кратеров для обеих элементов отличаются незначительно. С увеличением пористости материала проникающего цилиндра глубина кратера растет в связи с более медленным падением давления в окрестности контактной поверхности.

Сущность изобретения иллюстрируется на фиг. 1, где приведены полученные в эксперименте фотографии разреза преград после взаимодействия с компактным монолитным цилиндром из стали (вверху) и равным ему по массе и диаметру пористым цилиндром из стальных опилок со средней плотностью ρ_v = 2,8 г/см² (ρ_м/ρ_v= 2,8). Возникающий при ударе компактного монолитного ударника диаметром 3 мм и массой 0,17 г со скоростью 3,69 км/с кратер в стальной пластине толщиной 1 см имеет форму, близкую к полусфере, с размерами: глубина - 5,2 мм, диаметр на исходной лицевой поверхности - 9 мм. При ударе пористого цилиндра образуется кратер глубиной 8,7 мм и диаметром 8,2 мм с полусферическим дном. Скорость удара такова, что в обоих случаях развивающиеся напряжения и деформации не приводят к образованию отколов и сквозного отверстия в пластине. Однако при близости диаметров кратеров глубина проникания пористого цилиндра на 67% больше при той же кинетической энергии ударника.

На фиг. 2 приведена динамика проникания вышеописанного компактного монолитного стального ударника через 1 мкс, 3 мкс и 11 мкс после удара, полученная в расчете. Процесс кратерообразования заканчивается в течение 11 мкс.

На фиг. 3 приведены результаты расчета процесса проникания пористого цилиндра диаметром и массой, равными компактному ударнику, в моменты времени 1 мкс, 3 мкс и 17 мкс. В обоих расчетах скорость удара равна 3,69 км/с. Наблюдается хорошее качественное и количественное согласование результатов численного моделирования с экспериментальными данными.

Проведены экспериментальные исследования проникания пористых цилиндрических элементов, полученных методом СВС из различных матричных материалов, в стальную пластину. На фиг. 4 приведена зависимость изменения глубины проникания от пористости для материала фиксированной матричной плотности ρ_м= 7,85 г/cм³. Из анализа проведенных исследований и графической зависимости установлено, что наиболее эффективными спеченными материалами являются материалы с пористостью ρ_м/ρ_v≥1,5. Проведенный анализ результатов компьютерного моделирования и экспериментальных данных по объемным характеристикам кратеров в металлической преграде позволил установить, что пористый проникающий элемент наиболее эффективен, когда полностью срабатывается. В рассмотренном случае проникания пористого стального элемента в стальную пластину это происходит при скорости удара порядка 2 км/см выше.

В результате проведенных опытов и расчетов установлено, что предлагаемый проникающий элемент при высоких скоростях удара обеспечивает повышенное кратерообразование в сравнении с монолитным ударником одинаковой массы и диаметра за счет увеличения пористости спеченного материала и связанного с этим увеличения его длины. При этом необходимо учесть простоту изготовления, его эффективность и надежность.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. А.с. N 5275109, МПК F 42 B 12/04, 1988. - РЖ ИСМ 081-06-95. С.9.

2. Заявка N 2278423, МПК F 42 В 12/06, 14/06, 10/06. - РЖ ИСМ 081-10-96. С.2.

3. US H 343; F 42 B 11/14, 06.10.87 (прототип).

4. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. С. 555-558.

Формула изобретения

Проникающий элемент, представляющий собой цилиндрическое тело с матричной структурой, отличающийся тем, что проникающий элемент выполнен с плоскими торцами из пористого материала с пористостью ρ_м/ρ_v≥ 1,5, где ρ_v - плотность пористого материала, ρ_м - плотность материала матрицы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4