Экспериментальное исследование защитных свойств пористых

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ПОРИСТЫХ
КОМПОЗИЦИОННЫХ ПРЕГРАД ОТ БРИЗАНТНОГО ДЕЙСТВИЯ КОНТАКТНЫХ
ЗАРЯДОВ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
В. И. Мали, А. В. Ильиных
Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, Новосибирск, Россия
Введение
Существующие оценки с помощью метода (P, u) диаграмм и более сложные расчеты дают противоречивые
результаты и не позволяют надежно оценить защитные свойства пористых композиционных преград от действия взрывчатых веществ (ВВ). В настоящей работе проведены экспериментальные исследования защитных
свойств различных преград: однородных (воздух, песок, сталь) и композиционных (песок, армированный тонкими стальными пластинами) от контактного действия зарядов аммонита 6ЖВ и гексогена с массами 50 и
25 грамм, соответственно. По модифицированной пробе Гесса, с использованием свинцовых столбиков, на поверхности которых размещали в различной последовательности стандартную стальную пластину толщиной
10мм. и испытуемые преграды толщиной 20 мм, проводились измерения бризантного действия зарядов ВВ.
Обнаружено, что взрывное уплотнение песка с тонкими стальными пластинами сопровождалось волнообразной деформацией последних. Состав и место расположения преград влияли на величину деформации свинцовых столбиков после взрыва. Оказалось, что песок, армированный сотовой конструкцией из стальных пластин,
является более эффективной защитой от действия контактного действия зарядов ВВ, чем монолитная стальная
преграда равной толщины. Численный расчет влияние пористых преград в качестве защиты от действия более
мощного контактного ВВ представлен в работе [1], в которой моделировался элемент активной брони.
Методики и результаты экспериментов
Наиболее простым методом испытания взрывчатых веществ на бризантность является метод обжатия свинцовых столбиков (Рис. 1), известный как проба Гесса, согласно ГОСТ 5984-51.
1
2
Рис. 1. Схема экспериментов.
Параметры деталей экспериментальной сборки следующие: стандартный заряд ВВ в картонном цилиндре
диаметром 40 мм, стальной цилиндр диаметром 41 мм и высотой 10 мм, свинцовый столбик диаметром 40 мм
и высотой 60 мм, стальное основание толщиной 30 мм. Свинцовые столбики отливали при температуре 400 ºС
из рафинированного свинца в металлических формах с шлифованными внутренними поверхностями, торцевые
поверхности обтачивали на токарном станке. После установки, центровки и закрепления заряда производили
взрыв. В результате воздействия продуктов детонации на стальной диск свинцовый столбик приобретал грибообразную (Рис. 2) форму. До и после взрыва высоту свинцового столбика измеряли в четырех точках во взаимно перпендикулярных направлениях с точностью до 0,1 мм. Мерой бризантности является степень обжатия
свинцового столбика (мм), т.е. разность между средними его высотами до и после взрыва.
В наших экспериментах эти испытания были модифицированы следующим образом. Между ВВ и стальной
пластиной (граница 1), либо между стальной пластиной и свинцом (граница 2) располагали исследуемые преграды одинаковой толщины 20 мм: воздух, песок, сталь и песок, армированный тонкими стальными пластина-
ми. Армирование песка проводили тонкими (0,4 мм) пластинами из трансформаторной стали двумя способами:
1 – пластины располагали параллельно друг другу через 6 мм и 2 – пластины составляли прямоугольную сотовую конструкцию с ячейкой 6 × 6 мм (Рис. 3). Были проведены две серии опытов с зарядами аммонита № 6ЖВ
массой 50 ± 0,1 г и гексогена массой 25 ± 0,1 г, результаты которых обобщены в табл. 1. Под № 1 в таблице
приведены стандартные испытания бризантности ВВ, а № 2 ÷ 10 соответствуют результатам испытаний бризантности с различными видами преград, расположенных на одной из границ 1 или 2. При этом мы считаем,
что наименьшее значение бризантности соответствует наибольшим защитным свойствам преграды.
Таблица 1
Результаты измерений бризантности
№
Условия
Бризантность
А6ЖВ 50 г
гексоген 5 г
1
стандарт
14,1
17
2
1-воздух
5,9
-
3
2-воздух
14,2
-
4
1-песок
7,9
-
5
2-песок
10,2
-
7
2-песок и пластины
11,0
-
8
1-песок и соты
6,9
9,5
9
2-песок и соты
10,2
13,8
10
сталь
10,0
12,0
Рис. 2. Свинцовый столбик после взрыва
(опыт № 4).
Рис. 3. Сотовая конструкция из пластин
трансформаторной стали.
Рис. 4. Свинцовый столбик после взрыва
(опыт № 3).
Приведенные в табл. 1 результаты бризантности отличаются не только от вида используемых преград, но и
от их места положения. Это наиболее заметно при использовании воздушной прослойки, применение которой
на границе 1 приводит к самому малому значению бризантности, а на границе 2 сохраняет бризантность на
стандартном уровне из-за метания стальной пластины на свинцовый столбик (Рис. 4). Применение на границе
1 преград из песка и песка армированного тонкими стальными пластинами позволяет примерно в два раза
(опыты № 4, 8) уменьшить значения бризантности по сравнению с ее стандартным значением (опыт № 1). Использование этих же преград на границе 2 (опыты № 5, 7, 9) незначительно уменьшает значения бризантности
по сравнению с ее стандартным значением (опыт № 1). Результаты измерения бризантности в опытах № 5, 7, 9
близки со значением бризантности, полученным при использовании в качестве преграды монолитной стальной
преграды (опыт № 10). Использование преграды из песка, армированного стальными пластинами расположен-
ными параллельно друг другу на границе 2 (опыт № 7) нецелесообразно из-за глубокого проникания стальных
пластин в свинец, что обнаружилось после промывания свинцового столбика водой (Рис. 5). Для устранения
этого поражения достаточно закрыть свинцовый столбик стальной пластиной толщиной 1 мм. Такая же стальная пластина защищала свинцовый столбик от проникания стальной сотовой конструкции, внутри которой
сохранялся спрессованный после взрыва песок (Рис. 6).
Рис. 5. Следы проникания стальных пластин
в свинец (опыт № 7).
Рис. 6. Сотовая конструкция с песком после
взрыва (опыт № 9).
аммонит
40,00
P, kbar
30,00
20,00
10,00
0,00
-10,005,00
7,00
9,00
11,00
13,00
15,00
-20,00
time, mks
Рис. 8. Зависимость давления от времени.
Рис. 6. Сотовая конструкция с песком после
взрыва (опыт № 9).
Давление на контактной границе 2 (Рис. 1) при взрыве заряда массой 50 г аммонита № 6ЖВ измеряли с помощью манганиновых датчиков. Характерная кривая измерения зависимости давления от времени представлена на рисунке 8. Максимальное значение давления на границе 2 составляет 3,4 ГПа.
На сохранившихся после взрыва стальных пластинах были видны характерные волнообразные деформации,
особенно после удаления песка (Рис. 7). Такое совместное волнообразное деформирование металлических пластин и порошка наблюдалось при взрывном компактировании в работе [2].
Численный расчет такого течения при условиях: – идеального контакта на границах порошок – пластина,
оболочка; – определения давления продуктов детонации по модели идеальной детонации Чепмена–Жуге;
– задания начального малого возмущения пластины в момент времени t = 0 проведен в работе [3]. В работе [4]
установлено, что причиной начальных возмущений пластины являются зерна структуры, размер которых в
трансформаторной стали сопоставим с толщиной пластины.
Обсуждение результатов и выводы
Измерено давление (3,4 ГПа) на контактной границе сталь - свинцовый столбик в стандартной пробе Гесса
для А6ЖВ.
Разработана модификация схемы Гесса для оценки защитных свойств различных преград.
Обнаружено, что при расположении пористых композитных преград толщиной 20 мм непосредственно в
контакте с ВВ уменьшает их бризантность примерно в два раза. Расположение стальной пластины толщиной
10 мм между ВВ и пористой преградой существенно уменьшает защитные свойства последней.
При контактных взрывах защитные свойства преград из песка и песка, армированного стальной сотовой
конструкцией, выше защитных свойств монолитной стали равной толщины.
В результате взрывного нагружения преграды из песка армированного пластинами трансформаторной стали наблюдалось их совместное компактирование с волнообразной деформацией пластин. Появление волнообразной пластической деформации металлических пластин в рассматриваемых условиях оказалось связано с их
структурой. Использование песка в качестве модельного материала для защиты от контактных взрывов показало существенное влияние его местоположения относительно заряда ВВ на его бризантность. Возможно, что
использование наноструктурных порошков [5] позволит получить еще больший защитный эффект, благодаря
перераспределению энергии во времени на компактирование порошка и пластическое деформирование армирующих пластин.
Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта СО РАН № 106, заказного
проекта президиума СО РАН № 5, гранта Президента Российской Федерации для поддержки ведущих научных
школ № НШ-9019.2006.1.
Ссылки
1. Герасимов А.В., Алексеев Н.С., Михайлов В.Н. Ударное и взрывное взаимодействие заряда в оболочке с комбинированной преградой // Тр. межд. конф. “VIII Забабахинские научные чтения”– Снежинск, 5–9 сентября 2005.– С. 1–10.
2. Мали В.И., Калинин А.Н., Сергеев С.А. Исследование теплопроводности взрывных компактов медь – молибден // Физика горения и взрыва, 2003. Т. 39. № 1. С. 123–127.
3. Киселев С.П., Киселев В.П. Об эффекте волнообразования при ударно-волновом компактировании порошков // ПМТФ,
2006. Т. 47. № 1. С. 119–130.
4. Kiselev S.P., Kiselev V.P. & Mali V.I. Plastic wave formation by shock loading of powders // Pr. “IMPLAST 2007” Symposium
on Plasticity and Impact Mechanics. – Bochum, 21–24 August 2007.
5. Киселев С.П. Исследование процесса компактирования медного нанопорошка // ПМТФ, 2007. Т. 48. № 3. С. 133–141.