RU2150079C1

RU2150079C1 - Penetrating member

Info

Publication number: RU2150079C1
Application number: RU98107208/02A
Authority: RU
Inventors: С.А.-Р. Афанасьева; Н.Н. Белов; К.И. Козорезов; А.Н. Табаченко; В.Ф. Толкачев; М.В. Хабибуллин; Н.Т. Югов
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 2000-05-27

Abstract

FIELD: space-rocket engineering, applicable for destruction of natural and artificial space objects at high impact speeds. SUBSTANCE: the penetrating member is made of material with a porosity exceeding the porosity of material of the cylinder-shaped matrix with flat end faces by more than 1.5 times. EFFECT: enhanced cratering-crater depth and volume - at high speeds of impact as compared with monolithic strikers. 4 dwg

Description

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. The invention relates to rocket and space technology and can be used to destroy natural and artificial space objects and other obstacles at high speeds of interaction in cases when there is a need for operational action on them, and, in particular, in relation to military equipment.

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. A typical penetrating element is usually made of high-density metal in the form of a massive body ejected from the gun at a speed below 2.5 km / s and, as a rule, with a lively front to reduce aerodynamic drag [1]. A disadvantage of the known penetrating elements is the large mass, which limits their use in practical applications.

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. A penetrating element of heavy bulk material is also known [2]. It contains a closed outer shell, inside of which bulk material is placed. The minimum limiting shell thickness is selected from the condition of maintaining integrity during acceleration in the gun barrel and taking into account thermal loads during flight. The need to change the acceleration modes and a chance encounter with a secondary obstacle increase the likelihood of destruction of the shell and reduce the reliability of the operation of the element for its intended purpose, which is its drawback.

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]. The closest solution from the point of view of achieving a technical result and purpose, as well as the number of common design features is a penetrating element, known from the source: US H 343, F 42 B 11/14, 6.10.87 [3].

Известный проникающий элемент представляет собой цилиндрическое тело с матричной структурой, состоящей из матрицы, армированной волокнами. Known penetrating element is a cylindrical body with a matrix structure consisting of a matrix reinforced with fibers.

K недостаткам такого устройства относится небольшая глубина проникновения элемента. The disadvantages of such a device include a small penetration depth of the element.

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. Currently, a search is underway for optimal penetrating elements designed to cause maximum destruction to a space object or other obstacle, to create a crater in them of the maximum possible volume and depth.

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. The objective of the invention is to increase the depth and the formation of the maximum possible volume of the crater in the barrier penetrating element with a fixed kinetic energy through the use of sintered porous material.

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.The porous material is considered as a two-component medium consisting of sections of a solid substance (matrix) with a normal density ρ _m and empty sections, so that its average density ρ _{v is} less than ρ _m .

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.The solution of this problem lies in the fact that the penetrating element is made of a material with porosity ρ _m / ρ _v ≥1.5 in the form of a cylinder with flat ends with a diameter equal to the diameter of a monolithic impactor, the length of which is greater than the length of the monolithic impactor in accordance with the ratio of their densities l = l _m ρ _m / ρ _v , where ρ _v is the density of the porous material, ρ _m is the density of the matrix material, l _m is the length of the monolithic impactor of the matrix material, which is equal in mass to the cylindrical impactor of the porous material.

Проникающий элемент работает следующим образом. Ударное сжатие пористых тел с высокой пористостью приводит к большому нагреванию вещества. Penetrating element works as follows. The shock compression of porous bodies with high porosity leads to a large heating of the substance.

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. In this case, the density with increasing pressure may not increase, as usual, but decrease, and the shock adiabat has an anomalous course [4]. When a highly porous cylinder penetrates, the initial stage has a pronounced wave character and is accompanied by deformation and melting of its head. Then comes the phase of steady penetration. At high impact velocities, a shock wave that is motionless relative to the bottom of the crater is formed in the head of the adhering element, separating the melting region from the rest, which is in an unperturbed state. The pressure near the contact boundary remains almost constant. At the final stage of penetration, when the rear section of the cylinder passes through a standing shock wave, the pressure slowly weakens. This leads to the formation of a crater of much greater depth for a porous cylinder in comparison with a crater formed by a monolithic impactor from the matrix material, with the same mass and diameter. Moreover, the diameters of the craters for both elements differ slightly. With increasing porosity of the material of the penetrating cylinder, the depth of the crater increases due to a slower pressure drop in the vicinity of the contact surface.

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.The invention is illustrated in FIG. 1, which shows experimentally obtained photographs of a section of barriers after interacting with a compact monolithic cylinder of steel (above) and a porous cylinder of steel sawdust equal in weight and diameter to it with an average density ρ _v = 2.8 g / cm ² (ρ _m / ρ _v = 2.8). The crater arising from the impact of a compact monolithic impactor with a diameter of 3 mm and a mass of 0.17 g at a speed of 3.69 km / s in a steel plate 1 cm thick has a shape close to a hemisphere, with dimensions: depth - 5.2 mm, diameter on the original front surface - 9 mm. Upon impact of a porous cylinder, a crater with a depth of 8.7 mm and a diameter of 8.2 mm with a hemispherical bottom is formed. The impact speed is such that in both cases the developing stresses and strains do not lead to the formation of spalls and through holes in the plate. However, when the diameters of the craters are close, the penetration depth of the porous cylinder is 67% greater at the same kinetic energy of the impactor.

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. In FIG. Figure 2 shows the penetration dynamics of the above-described compact monolithic steel impactor 1 μs, 3 μs, and 11 μs after the impact, calculated. The process of crater formation ends within 11 μs.

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. In FIG. Figure 3 shows the results of calculating the process of penetration of a porous cylinder with a diameter and mass equal to a compact impactor at times 1 μs, 3 μs, and 17 μs. In both calculations, the impact velocity is 3.69 km / s. Good qualitative and quantitative agreement between the results of numerical simulation and experimental data is observed.

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.Experimental studies of the penetration of porous cylindrical elements obtained by the SHS method from various matrix materials into a steel plate were carried out. In FIG. Figure 4 shows the dependence of the penetration depth on porosity for a material with a fixed matrix density ρ _m = 7.85 g / cm ³ . From the analysis of the studies and the graphical dependence it was found that the most effective sintered materials are materials with porosity ρ _m / ρ _v ≥1.5.
The analysis of the results of computer modeling and experimental data on the volumetric characteristics of craters in a metal barrier made it possible to establish that the porous penetrating element is most effective when fully activated. In the considered case of penetration of a porous steel element into a steel plate, this occurs at an impact velocity of about 2 km / cm higher.

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. As a result of experiments and calculations, it was found that the proposed penetrating element at high impact speeds provides increased crater formation in comparison with a monolithic impactor of the same mass and diameter by increasing the porosity of the sintered material and the associated increase in its length. In this case, it is necessary to take into account the simplicity of manufacture, its effectiveness and reliability.

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

2. Заявка N 2278423, МПК F 42 В 12/06, 14/06, 10/06. - РЖ ИСМ 081-10-96. С.2. 2. Application N 2278423, IPC F 42 B 12/06, 14/06, 10/06. - RJ ISM 081-10-96. C.2.

3. US H 343; F 42 B 11/14, 06.10.87 (прототип). 3. US H 343; F 42 B 11/14, 10/06/87 (prototype).

4. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. С. 555-558. 4. Zeldovich Ya.B., Raiser Yu.P. Physics of shock waves and high-temperature hydrodynamic phenomena. M .: Nauka, 1966.S. 555-558.

Claims

The penetrating element, which is a cylindrical body with a matrix structure, characterized in that the penetrating element is made with flat ends of a porous material with porosity ρ _m / ρ _v ≥ 1.5, where ρ _v is the density of the porous material, ρ _m is the density of the matrix material .