ПОИСК НОВЫХ ПУТЕЙ ЗАЩИТЫ ОТ КУМУЛЯТИВНЫХ СНАРЯДОВ
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК
№ 3(24)/2008 (спецвыпуск)
УДК 532.52+ 533.95
Г.А. ШВЕЦОВ,
А.Д. МАТРОСОВ
Институт гидродинамики
им. М.А. Лаврентьева СО РАН
ПОИСК НОВЫХ ПУТЕЙ ЗАЩИТЫ ОТ КУМУЛЯТИВНЫХ СНАРЯДОВ
ВВЕДЕНИЕ
Рассматривается один из возможных путей защиты объектов от их разрушения кумулятивными струями (КС), образующимися при срабатывании кумулятивных снарядов. Гидродинамическая теория образования кумулятивных струй и их проникания в преграды была разработана М.А. Лаврентьевым [1] и независимо Г. Биркгофом с сотрудниками [2]. Без рассмотрения этой теории заметим только, что глубина проникания КС в преграды определяется, в основном, длиной и плотностью кумулятивной струи. Поэтому, поиск путей защиты от КС связан с поиском возможности уменьшения длины и плотности КС. Один из таких путей - использование электромагнитных воздействий. Некоторым вопросам этой проблемы и посвящен данный доклад.
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА УСТОЙЧИВОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ КУМУЛЯТИВНЫХ СТРУЙ
Принципиальная схема экспериментов приведена на рис. 1(1- кумулятивный заряд (КЗ), 2 - источник электромагнитной энергии, 3 - электроды, 4 -индуктивные датчики для измерения тока и производной тока разряда, 5 - места рентгеновской съемки) [3]. Опыты проводились с КЗ калибром от 30 до 100 мм. В качестве источника энергии в экспериментах использовалась конденсаторная батарея с зарядным напряжением до 5 кВ и емкостью до 20 мФ. При замыкании струей электродов по ней начинал протекать ток.
В экспериментах изменялись значения тока (100:500 кА), производной тока разряда (3*109: 1011 А/с), продолжительность электрического импульса, время воздействия на различные элементы струи и другие параметры. Рентгенографирование КС осуществлялось в свободном полете и в алюминиевой преграде с помощью рентгеновских импульсных аппаратов ПИР-100/240 с экспозицией 100 нс. Рентгенографирование КС при воздействии и без воздействия тока производилось с точностью не хуже 0,5 мкс в одно и то же время. Дополнительно влияние электрического тока на КС отслеживалось по глубине проникания струи в преграду.
На рис. 2,а,б представлены рентгенограммы КС без тока (1) и с током (2), сделанные в один и тот же момент времени. В экспериментах с током наблюдаются разрывы КС перед нижним электродом и заметное утолщение диаметра струи над разрывами (рис. 2,б). Струи с током после прохождения нижнего электрода распадаются на отдельные фрагменты, размеры которых в аксиальном направлении равняются примерно 1-3 диаметрам струи. Наблюдается объемное разрушение элементов, размер которых в радиальном направлении достигает 5-10 диаметров струи в тех же сечениях, что и в экспериментах без тока. Интенсивное расширение фрагментов струи в радиальном направлении после прохождения ими нижнего электрода вызвано снятием давления магнитного поля и разгрузкой материала струи. Это влечет за собой последующее уменьшение средней плотности материала элементов струи, эффективной длины струи и, как следствие, снижение ее пробивной способности.
Анализ рентгенограмм, сделанных в одни и те же моменты времени, показывает достаточно хорошее совпадение количества перетяжек в струе без тока с количеством фрагментов распавшейся струи в экспериментах с током. Из этого следует, что магнитное давление содействует ускоренному развитию первоначально малых возмущений исходной гидродинамической перетяжечной неустойчивости КС.
Воздействие импульсного электрического тока на элементы КС происходит в основном в межэлектродном промежутке, размер которого обеспечивает необходимое для развития перетяжечной МГД-неустойчивости время электродинамического воздействия на элементы КС.
Описанное катастрофическое поведение КС при пропускании по ним электрического тока приводит к уменьшению глубины каверны в преграде в несколько раз. Причем этим процессом можно управлять, изменяя амплитуду тока, время его нарастания и продолжительность электрического импульса. На рис. 3,а,б приведены глубины каверн в стальных (рис. 3,а) и алюминиевых (рис. 3,6) преградах в зависимости от амплитуды тока разряда при одних и тех же производной тока и длительности электрического импульса. Глубина каверн в контрольных опытах без тока составила (205 ± 10) мм в стальной преграде, и (365 ±10) мм в алюминиевой преграде.
На рис. 4а,б,в представлены экспериментальные зависимости изменения разрядного тока, протекающего через КС при ее воздействии на стальную и алюминиевую (рис. 4в) преграды. Цифрами в мм указаны глубины каверн в преградах при указанных величинах разрядного тока.
Экспериментальная зависимость глубины проникания КС в стальную преграду от энергии, запасенной в конденсаторной батарее, приведена на рис. 5. Видно, что при достаточно умеренных значениях энергии в источнике (20 е 40 кДж) глубину проникания КС можно уменьшить в несколько раз.
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА КУМУЛЯТИВНУЮ СТРУЮ
Проведенные экспериментальные исследования показали, что для эффективного воздействия аксиального тока на КС необходимо выполнение двух условий:
1) ток в струе должен превышать некоторое пороговое значение 1сr;
2) время нахождения элемента струи между электродами должно быть достаточным для развития перетяжечной МГД-неустойчивости. Последнее условие можно представить в виде
Выражение (4) получено из условия равенства времени развития МГД-неустойчивости и времени пролета элементом струи расстояния между электродами.
Если амплитуда тока не превышает 1сr, то МГД-неустойчивость не развивается. Пусть в момент времени t1 ток достигает критического значения 1сr. Но для того, чтобы в элементе струи, находящемся в этот момент на верхнем электроде, успела развиться перетяжечная МГД-неустойчивость, необходимо, чтобы ток оставался постоянным в течение времени пролета данным элементом межэлектродного промежутка D, т. е. от момента времени t1 до момента времени
И так для каждого элемента. Определенную таким образом форму электрического тока назовем идеальной формой токового импульса.
Если в дальнейшем в течение времени пролета всеми элементами КС будет выполнено условие I ≥ Iid, то конечная глубина каверны в преграде будет определяться, в основном, только частью струи, равной расстоянию между электродами.
Критический ток и идеальную форму тока можно определить для любого КЗ по известным распределениям скорости и радиуса вдоль длины струи.
Качественное влияние электрических импульсов различной амплитуды, формы и продолжительности при электродинамическом воздействии импульсного тока на КС показано на рис. 6. Если амплитуда тока меньше 1сr, действие тока на струю не проявляется (кривая 1). Для варианта, представленного кривой 2, действие тока будет сказываться при I > Iсr и продолжаться до момента Теl соответствующего времени выхода элемента из электродной системы со скоростью uсr, при которой еще происходит пробитие преграды. В случае, когда зависимость I(t) соответствует кривой 3, разрушение КС будет происходить только в интервале t3 - t1
На рис. 5 точками 1, 2 указаны значения энергии в источнике, необходимые для уменьшения глубины проникания КС в стальную преграду в два раза, если бы источник обеспечивал оптимальный профиль электрического импульса с учетом Icr(t) и Iid(t) для 50-миллиметрового заряда при общем электрическом сопротивлении цепи, равном 5Ч10-3 (1) и 10-2 Ом (2). Из расчетов следует, что при оптимальных параметрах электрического импульса значение энергии в источнике может быть в несколько раз меньше для достижения одного и того же результата по глубине проникания КС в преграду.
Значения глубин проникания КС в стальную и алюминиевую преграды, вычисленные по изложенной физической модели с приемлемой точностью (±10%) согласуются с экспериментальными данными. Поэтому изложенную простую физическую модель можно использовать для экспресс-оценок необходимых значений электрического тока для разрушения КС и вычисления конечных глубин проникания КС в преграду при заданных профилях электрического импульса. Более подробно результаты модели приведены в работе [5]
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования показали, что действие электрического тока приводит к существенному изменению структуры КС, уменьшению естественного времени разрушения КС и уменьшению глубины проникания КС в преграды.
Управляя формой и амплитудой токового импульса можно добиться эффективного разрушения КС и уменьшения глубины проникания КС в преграды в несколько раз при весьма умеренных величинах тока и энергии в источнике.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лаврентьев М.А. Кумулятивный заряд и принцип его работы //Успехи Мат. Наук. 1957. Т. 12, вып.4. С. 41-56.
2. G. Birkhoff, D. Mac. Dougall, E. Pugh et al. Explosives with Lined Cavities. // J. Appl. Phys., 1948, N 19, P. 563-582.
3. Швецов Г.А., Матросов А.Д., Бабкин А.В., и др. Поведение металлических кумулятивных струй при пропускании по ним импульсного электрического тока // ПМТФ. 2000. Т.41, №3. С. 19-25.
4. Физика взрыва / Под ред. К. П. Станюковича. М.: Наука, 1975.
5. Матросов А. Д., Швецов Г. А. Разрушение кумулятивной струи импульсным током // ПМТФ. 2004. Т.45, № 2. С. 147 - 155.
