9.1 Физическая картина взрыва заряда в оболочке

Рассмотрим взрыв заряда в цилиндрической оболочке с днищами (рисунок. 9.1 а). При инициировании заряда в левой пло­скости 0 — 0 по нему пойдет детонационная волна ДВ с плос­ким фронтом. В момент времени фронт ДВ будет зани­мать положение 1-1. При ДВ достигнет правого торца заряда и, отразившись от днища, образует отраженную ударную волну (УВ), движущуюся в продуктах детонации в обратном направлении. В некоторый момент времени УВ достигнет левого днища цилиндра и, отразившись от него, соз­даст новую УВ, движущуюся слева направо. В дальнейшем процесс прохождения УВ в ПД и их отражения от днищ кор­пуса заряда будет наблюдаться многократно. При этом их ин­тенсивность будет уменьшаться из-за выравнивания давления ПД в цилиндре и передачи части их энергии оболочке в виде импульса давления.

Примерный характер изменения давления за фронтом сна­чала ДВ, а затем УВ изображен на рисунке 9.1 б. При ха­рактер изменения давления вдоль оси заряда будет соответст­вовать соотношениям), описывающим автомо­дельный процесс. Максимальное давление на фронте ДВ и давление в зоне покоя при n = 3 определяются выражениями

; ,

в которых - плотность ВВ заряда.

Описанный характер изменения давления в цилиндре при­водит к тому, что как в процессе взрыва заряда, так и после него различные сечения цилиндра будут иметь не только раз­личный характер действующих на них взрывных (импульсных) нагрузок, но и различные импульсы силы давления ПД (рисунок 9.1,в). В начале взрыва (при элементы оболочки в сечениях, примыкающих к плоскости инициирования, приобре­тают существенно больший импульс, чем в сечениях у проти­воположного торца. В последующем распределение импульса давления вдоль оси оболочки несколько выравнивается. Одна­ко в конечном счете наибольшие значения импульса силы дав­ления ПД будут иметь сечения оболочки, несколько смещенные от середины заряда в сторону, противоположную плоскости инициирования.

Рис. 9.1. Взрыв заряда в оболочке

а- рас­пределение давления , б – импульс, в- вдоль оболочки в различные моменты времени

Описанный характер изменения давления и импульса ПД будет иметь место в том случае, когда оболочка обладает зна­чительной инерционностью, а ее материал—достаточной ди­намической прочностью. Если же оболочка заряда не сплош­ная, например, в ней могут отсутствовать днища, или в отдель­ных сечениях ее прочность может быть значительно ослаблена, например, при наличии надрезов в случае регулярного дробле­ния оболочки на осколки, то характер ее нагружения ПД будет существенно другим. Ясно, что в этом случае как в процессе взрыва, так и в последующие моменты времени будет наблю­даться интенсивное истечение ПД с открытых торцов оболоч­ки и через разрывы оболочки, образовавшиеся по надрезам. В таком случае суммарный импульс силы давления ПД, пере­даваемый оболочке, будет гораздо меньшим, а образовавшиеся осколки приобретут существенно меньшую начальную ско­рость В случае, когда оболочка тонкая, имеет малую инерци­онность, а ее материал обладает низкой прочностью, ее разлет будет начинаться сразу же по мере прохождения ДВ.

Совершенно иначе, ведет себя инерционная оболочка, вы­полненная из прочного металла. Ее разлет будет как бы за­держан во времени и в тем в большей степени, чем большей прочностью обладает металл оболочки и чем больше толщина ее стенок (рисунок. 9.1, а).

В начальной стадии взрыва по мере прохождения ДВ оболочка скачком (ударно) нагружается вы­соким давлением рг» вследствие чего в ней образуются ударные волны, которые будут распространяться со скоростью , превосходящей скорость распространения звука в металле (рисунок . 9.2, а)

а - ударных волн сжатия, разрежения и волны пластических деформаций п оболочке; б - распределение напряжений по толщине оболочки

В последующем из-за высокого давления ПД ме­талл внутренней зоны оболочки будет терять прочность и де­формироваться пластически. Так как скорость распространения пластических деформаций с_р существенно меньше, чем ско­рость распространения упругих с_е, то фронт волны пластичес­ких деформаций (ВПД) будет заметно отставать от фронта ударной волны в металле. Вследствие этого УВ достигнет на­ружной поверхности оболочки, отразится от него в виде волны разрежения (ВР) и встретится с фронтом ВПД в точке С. Так как в ВР имеют место растягивающие напряжения, то пла­стические деформации металла в ВПД прекратятся, и металл перестанет течь. Таким образом, по мере прохождения ДВ ме­талл в различных сечениях оболочки будет иметь различный характер возникающих напряжений (рисунок 9.2, б). В конечном счете по всей длине оболочки со стороны ее внутренней стенки будет иметь место зона пластических деформаций (рисунок. 9.3), свидетельствующая о том, что при взрыве треугольник волн ЛВС, возникающих в оболочке (рисунок 9.2), проходит по всей ее длине.

Рисунок 9.3. Зоны упругих и пластических деформаций оболочки после взрыва

Получив значительный импульс, оболочка приобретает неко­торую начальную скорость и начинает расширяться, преодо­левая силы сопротивления материала, определяемые динами­ческим пределом текучести металла , и силы динамическо­го сопротивления среды, определяемые скоростным напором . В этот момент практически во всех сечениях оболочки будут возникать растягивающие напряжения. Когда же эти на­пряжения достигнут величин, превосходящих допустимые зна­чения, оболочка начнет разрушаться. К моменту начала разрушения оболочки ее диаметр может увеличиться в 1,5 и более раз, а минимальная толщина стенки может уменьшиться до 0,5-7-0,7 (рисунок 9.4). Разрыв оболочки начинается с образо­вания микротрещин, которые возникают в точках с повышенной концентрацией напряжений. Первые возникают вследствие не­однородности микроструктуры металла, вторые обусловлены волновым, характером нагружения оболочки ПД. В некоторых случаях точки образования микротрещин предопределяются тех­нологией изготовления оболочки и заряда и делают процесс дробления корпусов регулярным, о чем будет сказано ниже. Волновые процессы обусловлены прохождением ударных волн в ПД и их многократным взаимодействием как между со­бой, так и со стенками оболочки. В конечном счете это приво­дит к тому, что, расширяясь, оболочка «дрожит», а ее отдель­ные сечения совершают как продольные, так и поперечные ко­лебания. Все это, естественно, сказывается на характере как са­мого процесса разрушения оболочки, так и на размерах и фор­ме образовавшихся осколков. Вследствие этого осколки, напри­мер, противотанковых авиабомб имеют характерный удлинен­ный («игольчатый») вид, в то время как осколки авиабомб ти­па АО-1сч имеют более компактную форму. Объясняется это тем, что указанные авиабомбы отличаются параметрами обо­лочки корпусов, свойствами их металла, размерами заряда, свойствами ВВ, а также способом инициирования зарядов и формой фронтов возникающих детонационных волн. О комплек­сном влиянии перечисленных и других факторов на результат дробления корпусов свидетельствует формула, предложенная проф. В. А. Кузнецовым, для определения максимальной массы осколка характерной формы, полученная на основании тео­ретических и экспериментальных исследований:

9.1

где - некоторый экспериментальный коэффициент;

- масса кубического осколка;

- толщина оболочки;

- плотность металла;

; ;

- коэффициент Пуассона

- длина оболочки

- соответственно скорости детонации, распространения упругих и пластичных деформаций в металле.

Исследования показывают, что чем меньше масса характер­ного осколка , тем при прочих равных условиях более ин­тенсивно дробится сама оболочка. Однако масса весьма существенно зависит еще и от условий взрыва. Об этом сви­детельствует получаемое экспериментальным путем значение согласующего коэффициента х, входящего в формулу (5.1). Он зависит от конструктивных особенностей оболочки, в част­ности, от толщины стенки торцевых днищ, от коэффициента наполнения и др. Например, коэффициент х у оболочек с от­крытыми торцами в пять раз больше, чем у оболочек с закры­тыми торцами.