Процесс формирования кумулятивной струи

Совместные теоретические и экспериментальные методы исследований позволяют получить представление о процессе образования кумулятивной струи. Всесторонними экспериментальными исследованиями, применяя методы мгновенной рентгенографии, искровой фотографии и т.п., удалось установить природу КС и механизм ее формирования. Особенно плодотворным при исследовании явления кумуляции в присутствии металлической облицовки оказался метод мгновенной рентгенографии.

Наиболее подробно процесс изучен на осесимметричных зарядах с конической и полусферической облицовками выемок. В итоге этих исследований было установлено, что металлическая облицовка под воздействием продуктов взрыва (ПВ) обжимается, в результате чего ее элементы последовательно захлопываются с образованием тонкой металлической струи, обладающей большой скоростью.

Рис. 17.11. ПТУР Hot-З с отстреливаемым предзарядом:

а - компоновочная схема;

б - обнаружение цели датчиком;

в - отделение КЗ-лидера от ракеты;

г - срабатывание КЗ-лидера по ДЗ;

д - срабатывание с задержкой по времени

основного КЗ по броне

Общая картина процесса деформирования металлической облицовки и образования КС показана на двух сериях рентгеновских снимков для конической (а) и полусферической (б) форм облицовок (рис. 17.12). Они фиксируют начальный момент процесса обжатия облицовки и движения струи во времени. При этом давление продуктов детонации (ПД) на облицовку имеет порядок 20 – 60 ГПа, в зависимости от материала облицовки, угла подхода фронта детонационной волны (ДВ) к поверхности облицовки и характеристик взрывчатого вещества (ВВ), а скорость метаемой тонкой металлической облицовки имеет порядок 1 – 3 км/с. В результате столь сильного и быстрого обжатия облицовки при последовательном деформировании и захлопывании отдельных ее элементов образуется компактная монолитная масса – пест и формируется тонкая металлическая струя, скорость которой может в несколько раз превышать скорость обжатия металлической облицовки. Образованию остающегося песта можно в значительной мере воспрепятствовать, формируя слой облицовки, образующий пест, из материала, который под воздействием ПВ может сгорать или испаряться (специальные биметаллические облицовки).

Рис. 17.12. Рентгенограммы начальной стадии формирования КС зарядами
с коническими (а) и полусферическими (б) облицовками

Картина формирования КС при обжатии металлической конической облицовки осесимметричного кумулятивного заряда схематично показана на рис. 17.13. Фронт ДВ 2 в заряде ВВ 3 начинает распространяться от детонатора 1 со скоростью детонации D. Образующиеся ПД взаимодействуют с облицовкой 4 кумулятивной выемки. При последовательном схлопывании облицовки образуется пест 5 и кумулятивная струя 6.

Результаты обработки рентгенограмм показывают, что, в случае использования конических медных облицовок, в струю переходит в среднем 10 – 20% массы облицовки, скорость головных участков струи составляет 9 –10 км/с, а хвостовых 2 – 2,5 км/с. Скорость струи от полусферической облицовки приблизительно в два раза меньше, но масса ее в три-четыре раза больше, так что общая энергия струи от полусферической облицовки сравнима с энергией струи от конуса такой же массы.

Рис. 17.13. Формирование КС при обжатии металлической облицовки
осесимметричного кумулятивного заряда

При обжатии облицовки толщина ее увеличивается, а энергия концентрируется преимущественно в ее внутреннем слое. Механизм образования КС связан с течением материала внутренних слоев облицовки, что является следствием высокоскоростного соударения ее элементов в момент захлопывания, при этом струя как бы «выжимается» из металлической облицовки в процессе осевого схлопывания ее внутренних слоев. Подтверждением того, что КС связана с течением металла, кроме приведенных результатов, могут служить следующие данные. Если на внутреннюю поверхность стального конуса гальваническим путем нанести слой меди толщиной 0,05 мм, то обнаружить в песте какие-либо следы меди не удается. Если же слой меди нанести на наружную поверхность конуса, то в песте обнаруживаются полосы окисленной меди. При обследовании песта вдоль его оси удается обнаружить узкий канал, наличие которого яв­ляется показателем того, что внутренние слои металла имеют резко повышенные скорости по сравнению с наружными. О характере деформации металла облицовки в процессе ее обжатия можно также судить по результатам металлографических исследований пестов в сечениях, различно удаленных от оси. На всех фотографиях микроструктур (рис. 17.14) легко обнаруживается ориентация и вытягивание структурных составляющих в осевом направлении. Ориентация и вытягивание увеличиваются по мере приближения соответствующих слоев к оси.

Как следует из рентгенограмм, в течение некоторого времени пест и струя составляют единое целое, однако их движение совершается с различными скоростями. Пест движется сравнительно медленно (со скоростью 0,5 – 1 км/с). Струя, наоборот, обладает весьма большой скоростью поступательного движения. Однако скорость эта различна в различных частях вдоль струи: головная часть струи имеет наибольшую скорость, а скорость хвостовой части близка к скорости песта. В зависимости от формы и природы металла облицовки, свойств ВВ заряда и других факторов, скорость головной части струи может изменяться в широких пределах. Например, для алюминиевой облицовки гиперболической формы скорость головной части достигает 11 км/с.

Рис. 17.14. Микрофотография шлифов песта (латунь)

В реальных условиях, как уже отмечалось, различные участки формируемой КС движутся с различными скоростями, при этом скорость вдоль струи существенно возрастает от хвостовых к головным ее элементам. Различие в скоростях движения элементов КС может достигать 5 – 6 км/с и более, значения начальных градиентов скорости – 10⁴ – 10⁵ с^-1, что приводит к удлинению (растяжению) струи при ее движении в свободном пространстве и затем к ее распаду на конечное число отдельных фрагментов, в дальнейшем не изменяющих своей длины.

На рис. 17.15 схематично показаны основные стадии образования (а), растяжения (б) и фрагментации (в) в свободном полете кумулятивной струи. При этом элементы фрагментированной КС в процессе движения под воздействием внешних возмущений и с учетом технологических факторов могут отклоняться от оси в пределах некоторого телесного угла разлета, изменяющегося в зависимости от точности изготовления КЗ в пределах 0,5 – 1,5°.

На основании изложенного можно заключить, что наиболее эффективное действие КС может быть обеспечено лишь при определенном сочетании физико-механических свойств металла. При этом необходимо иметь в виду, что свойства металла в условиях быстрых деформаций могут значительно отличаться от его свойств, определяемых при обычных скоростях деформаций. Например, чугун, хрупкий в обычных условиях, при взрыве КЗ ведет себя как металл с относительно высокой пластичностью.

Условия формирования КС определяются микроструктурой металла облицовки и способностью его структурных составляющих к пластической деформации. Однако пластичность металла в условиях обжатия под действием взрыва не определяется однозначно его стандартными характеристиками. Отмечена зависимость между способностью металла к быстрому обжатию и типом кристаллической решетки. Тяжелые пластичные металлы, в частности гранецентрированные металлы с кубической решеткой группы меди, и некоторые сплавы образуют сплошные струи, плотность которых не более, чем на 10 % ниже плотности материала облицовки, и которые при большом удлинении (примерно в 10 раз по сравнению с исходной длиной образующей облицовки) не разрываются и сохраняют высокую плотность. Другие металлы, такие, например, как железо и цинк, на начальных стадиях образуют сплошные струи, которые, в отличие от описанных выше, при растяжении разрываются гораздо раньше. Хрупкие металлы, такие, в частности, как вольфрам, титан, а также металлы с высокой пористостью, получаемые спеканием, вообще не образуют сплошных струй, они формируют дискретные струи, состоящие из отдельных твердых частиц. В этом случае растяжение струи приводит не к уменьшению ее диаметра, как в сплошных струях, а к снижению средней плотности струи. Поражающая способность таких струй, по сравнению со сплошными, значительно ниже.

Рис. 17.15. Основные стадии формирования и движения КС:
а - образование струи при обжатии облицовки;

б - растяжение струи вследствие наличия градиента скорости;
в - фрагментация (разрыв) струи на отдельные элементы
в свободном полете

Путем улавливания КС и песта в некоторых неплотных средах и последующего металлографического анализа установлено, что в процессе формирования струи не происходит плавления металла. Однако температура КС, в зависимости от материала облицовки, может достигать 900 – 1000°С.

Нормальный процесс струеобразования приводит к формированию классической сплошной монолитной высокоградиентной КС, обладающей наибольшей пробивной способностью. Однако могут существовать условия, при которых струя либо вообще не образуется, либо образуется в виде диспергированного потока частиц, или в виде компактного поражающего элемента (ударного ядра). В общем случае переход от соударения с образованием сплошной КС к соударению с образованием диспергированной КС имеет место тогда, когда точка соударения (точка контакта) движется со сверхзвуковой скоростью. При очень маленьких углах схлопывания струя вообще может не образовываться. При увеличении угла схлопывания вероятность струеобразования повышается, однако условием образования сплошной монолитной КС будет являться обеспечение дозвуковой величины скорости точки контакта. В ряде работ верхний предел скорости головной части сплошной КС определяется близким к удвоенной ско­рости звука материала облицовки (к примеру, для меди он не должен превышать ~ 10км/с). Так, скорость головной части сплошной КС, ограниченная сверху условиями обеспечения дозвуковой величины скорости точки струеобразования, не должна превышать V_j £ 2,41с₀, где с₀ – скорость звука в материале облицовки.