способ разрушения корпусов преимущественно осколочно- фугасных снарядов

Формула изобретения

1. Способ разрушения корпусов, преимущественно осколочно-фугасных снарядов, включающий охлаждение корпуса до температуры ниже уровня хрупко-вязкого перехода материала корпуса и приложение к корпусу разрушающей импульсной нагрузки, отличающийся тем, что охлаждение корпуса производят до температуры 153 133^o К, а разрушающую нагрузку прикладывают ударом на копре с минимальной скоростью, определяемой соотношением



где kcV ударная вязкость материала корпуса;

- среднее значение толщины стенки корпуса;

l длина образующей корпуса;

m масса ударника копра;

K^" экспериментальный коэффициент, зависящий от калибра и конструкции снаряда, а также материала корпуса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед операцией охлаждения на поверхности корпуса выполняют надрезы-локализаторы.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что надрезы-локализаторы выполняют на торцовом срезе очка корпуса, а разрушающую импульсную нагрузку формируют в виде радиально-осевого расклинивающего удара и прикладывают в направлении продольной оси снаряда.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что надрезы-локализаторы выполняют на внешней поверхности корпуса вдоль образующей, а разрушающую импульсную нагрузку прикладывают по надрезу-локализатору в область центрирующего утолщения в направлении, перпендикулярном продольной оси снаряда.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед операцией охлаждения головную часть корпуса с резьбой под взрыватель отрезают у основания резьбы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к военной технике, точное к области боеприпасов, в частности к технологиям разрушения боеприпасов.

Известны способы утилизации (расснаряжения) осколочно-фугасных снарядов, согласно которым заряд взрывчатого вещества (ВВ) либо извлекается из корпуса путем выплавления горячим паром, либо вымывается водой под давлением через головное или донное очко.

Известен также способ расснаряжения осколочно-фугасных боеприпасов, в котором заряд ВВ перед извлечением из корпуса разрушается за счет действия взрыва детонационного шнура, помещаемого в полость взрывателя, заполненную предварительно водой /1/. В указанных способах корпус боеприпаса после отделения заряда ВВ остается целым.

Известен способ разрушения корпуса толстостенного сосуда давления, в котором корпус охлаждается до температуры ниже уровня хрупковязкого перехода материала корпуса, после чего на корпус накладываются удлиненные заряды ВВ в виде сетки, которые при подрыве разрушают корпус на фрагменты требуемого размера /2/. Недостатком данного способа, выбранного за прототип, является необходимость использования взрыва, что, с одной стороны, повышает степень опасности работ, а с другой стороны, может вызвать отрицательное воздействие на наполнитель (при его наличии внутри корпуса).

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков.

Данная цель достигается тем, что в известном способе разрушения, включающем охлаждение корпуса до температуры ниже уровня хрупковязкого перехода материала корпуса и приложение к корпусу разрушающей импульсной нагрузки, охлаждение снаряда производят до температуры 163.133 К, а разрушающую нагрузку прилагают ударом на копре, при этом минимальную скорость удара принимают равной



где kcv ударная вязкость материала корпуса;

среднее значение толщины стенки корпуса;

l длина образующей корпуса;

m масса ударника копра;

k" 2.5 экспериментальный коэффициент, зависящий от калибра и конструкции снаряда, а также материала корпуса.

Кроме этого, перед операцией охлаждения на поверхности корпуса выполняют надрезы-локализаторы. При выполнении надрезов-локализаторов на торцовом срезе очка корпуса разрушающуюся импульсную нагрузку формируют в виде радиально-осевого расклинивающего удара и прилагают в направлении продольной оси снаряда. При выполнении надрезов-локализаторов на внешней поверхности корпуса вдоль образующей разрушающую импульсную нагрузку прилагают по надрезу-локализатору в область центрирующего утолщения в направлении, перпендикулярном продольной оси снаряда. Помимо этого, перед операцией охлаждения головную часть корпуса с резьбой под взрыватель отрезают у основания резьбы.

Предлагаемый способ разрушения основан на разрушении корпуса на несколько фрагментов и естественном высвобождении при этом заряда ВВ. Разрушение требует определенного расхода энергии, что и предопределяет экономическую эффективность предлагаемой технологии. Затраты энергии на разрушение материала в настоящее время характеризуются целым рядом параметров, при этом одним из наиболее распространенных является ударная вязкость kcv (или kcu), измеряемая в Дж/м². Широко известно, что механические свойства материалов, в частности ударная вязкость, зависят от условий испытаний (или условий работы конструкций), при этом одними из главных факторов здесь являются температура и скорость приложения нагрузки (или скорость деформаций ). Так, снижение температуры делает материал более хрупким (снижается ударная вязкость). Для оценки запаса вязкости введен специальный параметр - температура хрупковязкого перехода (Т₅₀), определяемая экспериментально по строению излома образца, испытанного на ударную вязкость /3/. При температуре хрупковязкого перехода материал образца разрушается как по хрупкому, так и вязкому механизмам. Снижение температуры испытаний ниже Т₅₀ естественно приводит и к снижению доли вязкой составляющей в изломе, т.е. к охрупчиванию, а следовательно, и к уменьшению энергозатрат на образование поверхностей разрушения. Так, в среднеуглеродистых сталях, близких по свойствам к снарядным (температура хрупковязкого перехода для них составляет 280 323 К /6/), ударная вязкость при понижении температуры от 293 до 193 К) (от +20 до -80^oC) снижается в 2-3 раза /5/. Однако даже при весьма низких температурах, например при 173 К (-100^oC) такие стали обладают еще достаточно высоким уровнем ударной вязкости. Следует отметить, что механические свойства снарядных сталей, в частности ударная вязкость, при температурах ниже 173 К (-100^oC) мало исследованы.

Повышение скорости приложения нагрузки к образцу, что эквивалентно увеличению скорости деформаций влияет на хрупковязкие свойства сталей примерно так же, как и снижение температуры, а именно с повышением скорости деформаций металлы становятся более хрупкими /4/. Повышение скорости деформаций обеспечивается при переходе от статических к динамическим условиям испытаний, к ударно-копровым испытаниям, где могут быть достигнуты скорости деформаций порядка 10³ 1/с. Дальнейшее повышение скорости деформаций выше указанного уровня, по-видимому, нецелесообразно, т.к. при этом доля вязкой составляющей в изломе стали может расти (например, при скоростях деформаций 10⁴ 10⁵ 1/с, которые достигаются при взрывном нагружении, или при скоростях соударения >10² 10³ м/с /5/).

В заявленном способе оба описанных выше подхода к снижению энергии разрушения, по существу, объединены. Основная схема, поясняющая реализацию заявленного технического решения, показана на рис. 1, где цифрами обозначено: 1 корпус снаряда; 2 заряд ВВ; 3 центрирующая подставка; 4 основание; 5 ударник копра.

В соответствии с этой схемой осколочно-фугасный снаряд с заранее снятыми взрывателем и трассером подвергается предварительному охлаждению до температуры 153 133 К. Для охлаждения снаряда может использоваться непосредственно хладагент (например, жидкий азот или жидкий воздух, имеющие температуру при атмосферном давлении соответственно 77 К (-196^oC) и 93 К (-180^oC)), или же специальное холодильное оборудование. При этом время выдержки снаряда в охлаждающей среде может составлять до нескольких минут в зависимости от калибра (для снарядов малых калибров 45-57 мм время полного охлаждения составляет 30-40 секунд).

Затем охлажденный снаряд устанавливается на основание 4 (рис. 1) в центрирующей подставке 3, после чего к нему прилагается разгружающая импульсная нагрузка ударом на копре, при этом корпус разгружается на несколько крупных фрагментов, а заряд ВВ высвобождается либо остается целым, либо также разрушается на несколько крупных кусков.

Одними из наиболее важных аспектов реализации заявленного способа являются выбор схемы приложения разрушающей нагрузки, степени охлаждения снаряда и определение скорости удара.

Наиболее перспективной представляется схема радиально-осевого расклинивающего удара, изображения на рис. 1, в соответствии с которой снаряд устанавливается перед нанесением удара соосно ударнику 5 корпуса, причем удар наносится со стороны очка снаряда. Радиально-осевое (расклинивающее) усилие на торце очка снаряда формируется за счет осевого движения ударной части копра и придания ей специальной формы, например в виде конуса (рис. 2). Радиальная составляющая общего усилия вызывает появление окружных растягивающих напряжений, высокий уровень которых в соответствии с известным решением задачи о нагружении оболочки вращения внутренним давлением приходится на внешние слои стенки корпуса /7/. При обеспечении критических условий на внешней поверхности оболочки корпуса снаряда появляется трещина, которая затем под действием окружных растягивающих напряжений распространяется вглубь стенки как в радиальном, так и в осевом направлениях.

Процесс трещинообразования протекает в две стадии, первая из которых - зарождение, а вторая распространение трещины. Если энергия, требуемая для первой стадии, практически не зависит от температуры, то на второй стадии процесса энергозатраты на разрушение значительно понижаются с уменьшением температуры. При очень низких температурах (173 К (-100 ^oC)), когда материал разрушается практически хрупко, вторая стадия процесса разрушения протекает почти целиком за счет запасенной при ударе упругой энергии.

Снизить общие энергозатраты на разрушение можно не только на второй стадии разрушения за счет снижения температуры, но и путем снижения энергии разрушения, затрачиваемой на первой стадии стадии зарождения очага трещины, используя концентраторы напряжений в виде надрезов-локализаторов, выполняемых либо на торцовом срезе очка корпуса (рис. 3), либо на внешней поверхности вдоль образующей (рис. 4). При этом как форма, так и глубина надрезов должны подбираться экспериментально: так, проведенные эксперименты показали, что наиболее предпочтительным в данном случае является острый надрез с углом при вершине 30^o, а достаточная глубина надреза для снаряда калибра 57 мм составила 0,5 мм.

При выполнении надрезов-локализаторов на торцовом срезе очка приложение радиально-осевой расклинивающей нагрузки может быть проведено не только по схеме, изображенной на рис. 1, но также и по схеме обратного удара, изображенной на рис. 5, согласно которой снаряд, закрепленный в специальном захвате 2 в подвижной части копра, разгоняется до требуемой скорости и удаляет о неподвижный "клин" 3, закрепленный на основании 4. При этом процесс разрушения корпуса снаряда на фрагменты протекает так же, как и при нанесении разрушающей импульсной нагрузки по неподвижному снаряду (рис. 1). В том случае, когда толщина стенки корпуса снаряда в области очка (в зоне резьбы под взрыватель) является незначительной, в частности для снарядов малых калибров, радикально-осевое нагружение может привести к локализации зоны разрушения корпуса на фрагменты в области резьбы без распространения трещин в оживальную и цилиндрическую части корпуса. В этом случае для разрушения корпуса на фрагменты может применена другая схема приложения разрушающей импульсной нагрузки, изображенная на рис. 6, в соответствии с которой удар на копре наносится по надрезам-локализаторам, выполненным на боковой поверхности вдоль образующей, в область центрирующего утолщения в направлении, перпендикулярном продольной оси снаряда. При этом снаряд 1 устанавливают на основании 5 в специальной подставке 4 так, чтобы надрез-локализатор 2 был расположен со стороны ударной части копра.2 Другим вариантом устранения локализации разрушения в области резьбы корпуса может служить предварительное удаление резьбовой части корпуса, как показано на рис. 7; в этом случае головная часть корпуса 1 с резьбовой под взрыватель отрезается у основания резьбы, например по сечению 1-1. При этом вновь образованный торец очка имеет более толстую стенку корпуса, кроме того, лишен концентраторов напряжений в виде резьбы, что предотвращает локализацию разрушения в головной части при приложении радиально-осевой нагрузки по схеме, изображений на рис. 1, и создает условия для нормального трещинообразования в зонах оживальной и цилиндрической частей корпуса. При необходимости торцовые надрезы-локализаторы (см. рис. 3) могут быть нанесены и на вновь образованный торец головной части.

Степень охлаждения снаряда, необходимая для наиболее полной реализации заявленного способа, определена экспериментально. В экспериментах использовался вертикальный копер с ударником, вершина рабочей части которого выполнялась в виде усеченного конуса с углом при вершине, равным 90^o. В качестве разрушаемых корпусов использовались цилиндрические макеты корпуса осколочно-фугасного снаряда, размеры которого даны на рис. 8, изготовленные из среднеуглеродистой стали (сталь 45), близкой по своим свойствам к снарядным сталям, а также реальные снаряды калибров 30 и 57 мм. Объект утилизации перед нагружением охлаждался в среде жидкого азота в течение 30-40 секунд в специальном термосе, после чего устанавливался на копре. Спустя некоторое время после извлечения из охладителя производилось ударное нагружение по одной из описанных выше схем. Температура корпуса в момент удара контролировалась с помощью термопар. Проведение испытаний показало, что температура, при которой корпуса разрушаются на отдельные фрагменты с возможностью свободного извлечения заряда ВВ как при радикально-осевом (по схеме рис. 1), так и поперечном (рис. 6) ударах, должна быть не выше 153 К (-120^oC). При этом наличие надрезов-локализаторов на торцовом срезе очка или на внешней боковой поверхности корпуса приводит к снижению энергии удара (или скорости удара). Снижение температуры корпуса при ударе ниже 133 К (-140^oC) приводит к локализации разрушения либо в зоне резьбовой части корпуса при радиально-осевом нагружении без разрушения остальной части корпуса, либо в зоне центрирующего утолщения при поперечном ударе также без разрушения остальной части корпуса (в последнем случае трещины распространяется в направлении очка, не вскрывая цилиндрическую часть корпуса).

Охлаждение корпуса ниже температуры 133 К (-140^oC) нецелесообразно также и в связи с тем, что столь глубокое охлаждение требует либо специального достаточно дорогостоящего холодильного оборудования, либо разработки специальных холодильных установок, где в качестве хладагентов используются жидкий азот или жидкий воздух, что тоже означает достаточно высокий уровень себестоимости технологии. В то же время для достижения температуры 133 К (-140^oC) может быть использована относительно дешевая криогенная техника на основе турбодетандеров.

Определение минимальной скорости удара проведено расчетно-экспериментальным методом в предложении перехода кинетической энергии ударника копра W_k в работу образования поверхностей разрушения A W_k A. Кинетическая энергия ударника копра может быть выражена так:

W_k=mV²/2,1 где m масса ударника (при нагружении по схеме обратного удара (рис. 5) сюда должна быть добавлена масса снаряда);

V скорость удара.

Работа образования поверхностей разрушения определяется площадью трещин:

A = 2lkcV,

где 2l площадь двух продольных трещин;

средняя толщина стенки корпуса;

l длина трещины, равная длине образующей корпуса;

kcv энергия, необходимая для образования единицы площади трещины, в качестве которой может быть принята ударная вязкость материала корпуса.

Приравнивая можно оценить минимальное значение скорости удара:



Однако учитывая повышение энергозатрат на разрушение корпуса вследствие ветвления трещин, конструктивных особенностей снарядов различных калибров, изменение значения ударной вязкости при низких температурах по сравнению со стандартными значениями, а также неполное использование энергии ударника при ударе, т.е. ряд факторов, влияние которых в настоящий момент может быть учтено только экспериментально, последняя формула для минимальной скорости удара принимает вид



где k" 3 7 экспериментальный коэффициент, зависящий от калибра и конструкции снаряда, а также материала корпуса. При этом, если k"<3, то разрушения корпусов не происходит, а при k">7 энергия удара достаточна для разрушения практически любого корпуса ОФС малого и среднего калибра. Проведение экспериментов на лабораторном копре позволило определить значение коэффициента k" для макета ОФС (рис. 8): при kcv 4,5 10⁵ Дж/м², 7,5 мм, l 60 мм, m 30 кг и минимальной скорости удара V 8 м/с значение равно k" 3,8.

Результаты экспериментов по разрушению корпусов подтвердили работоспособность и эффективность заявленного технического решения. Внешний вид фрагментов корпусов показан на рис. 9, где на рис. 9а показаны фрагменты корпуса макета ОФС, на рис. 9б фрагменты ОФС калибра 57 мм и на рис. 9в - фрагменты ОФС калибра 30 мм.

Помимо описанных выше результатов, проведенные эксперименты показали необходимость проведения дополнительной технологической операции на стадии подготовки снаряда к утилизации; помимо демонтажа взрывателя и трассера (при его наличии), с корпуса необходимо снять медный ведущий поясок. Это обстоятельство вызвано тем, что при разрушении корпуса по заявленному способу ведущий поясок не всегда разрушается даже при наличии на нем надрезов-локализаторов: так, на корпусе 30-мм снаряда поясок разрушился и отделился (рис. 9в), а на корпусе калибра 57 мм разрушения пояска и его отделения нет. Однако указанная дополнительная операция не вносит существенных изменений в технологию утилизации, т.к. выполняется с помощью обычной механической обработки на распространенном оборудовании (токарных станках).

Важным аспектом реализации заявленного способа является безопасность, связанная с динамическим характером нагружения корпуса снаряда и, соответственно, заряда ВВ. Анализ напряженно-деформированного состояния корпуса при радикально-осевом нагружении показывает, что в этом случае заряд ВВ не испытывает нагрузок, которые могут привести к его инициированию (при такой схеме в заряде нет зон, где ВВ заклинивается или сжимается). Контактный удар по заряду ВВ со стороны ударника копра, который мог бы привести к инициированию ВВ при радикально-осевом ударе, достаточно легко предотвращается путем введения в конструкцию ударника соответствующих элементов, ограничивающих его перемещение в осевом направлении. При поперечном ударе по корпусу по схеме, показанной на рис. 6, вопрос об инициировании заряда ВВ становится более актуальным, т. к. в этом случае заряд испытывает воздействие механической ударной нагрузки, передаваемой через корпус, и при разрушении корпуса также разрушается на отдельные куски. В связи с этим рассмотрим этот аспект более подробно.

При механическом разрушении охлажденного изделия ВВ подвергается механическим квазистатическим воздействиям. При этом возможной формой ответной реакции для бризантных ВВ является на первой стадии возбуждение очагового горения на поверхностях относительного проскальзывания частиц ВВ. Оценка влияния снижения начальной температуры ВВ на опасность его механического инициирования в настоящее время проводится расчетным способом с использованием подхода Я. Б. Зельдовича для определения практических условий воспламенения ВВ в локальных зонах разрушения и проскальзывания частиц заряда и экспериментально с помощью копровых испытаний малых навесок ВВ.

Следствием теоретического анализа механического инициирования бризантных ВВ является вывод о том, что изменение взрываемости заряда с понижением начальной температуры определяется значением коэффициента , равного отношению показателей воспламеняемости ВВ при механическом разрушении и проскальзывания частиц ВВ. В пренебрежении изменением коэффициентов теплопроводимости и температурного коэффициента скорости горения ВВ с падением температуры имеем для



где T_п температура плавления ВВ в нормальных условиях;

T_о и T_норм температура испытания ВВ в охлажденном и нормальном состояниях;

T_ss температура поверхности газификации горящего ВВ;

_o, _норм скорости проскальзывания частиц ВВ при разрушении в охлажденном и нормальном состояниях;

t₀, t_норм время проскальзывания частиц ВВ при разрушении в охлажденном и нормальном состояниях.

При сохранении условий разрушения заряда, т.е. при _o= _норм и t₀ t_норм значения для типичных бризантных ВВ при T₀ 250 К получается меньшим единицы, что говорит о падении чувствительности ВВ к механическому воздействию при разрушении вследствие того, что при глубоком охлаждении химическая реактивная способность уменьшается значительно сильнее, чем увеличиваются его прочность и "фрикционный" разогрев в горячих точках.

Экспериментальные исследования подтверждают этот вывод при сравнительно высоких энергиях ударного механического воздействия, причем показывают, что с повышением энергии удара нарастает падение чувствительности ВВ от глубокого охлаждения, вероятно, вследствие изменения условий разрушения и проскальзывания частиц ВВ, характеризуемых величинами _o; _норм; t₀; t_норм. Так, на рис. 10 приведено изменение частоты взрывов навески октогена при копровых испытаниях в зависимости от энергии удара груза, сбрасываемого на испытуемое ВВ.

Снижение чувствительности ВВ к удару характерно не только для октогена, но и для ВВ, используемых для снаряжения ОФС ТНТ, флегматизированного гексогена. Т. о. задача предотвращения инициирования заряда ВВ при поперечном ударе может быть решена достаточно просто путем минимизации скорости удара копра, когда практически вся энергия копра затрачивается на разрушение корпуса. Однако несмотря на полученный вывод о безопасном характере технологической операции разрушения корпуса ОФС по заявленному техническому решению, при практической реализации способа в реальном производстве необходимо обеспечить все меры безопасности в соответствии с общими правилами проведения взрывных работ, с тем чтобы предотвратить отрицательное воздействие даже случайного взрыва заряда ВВ: оборудовать специальную бронекамеру вокруг копра, механизировать операции транспортировки и установки и т.д.

Оценивая экономическую эффективность заявленного способа, следует отметить значительную экономическую выгоду от его внедрения, т.к. данный способ обладает весьма низкой себестоимостью в сравнении с другими известными методами утилизации. 2 4