Спосіб руйнування кумулятивного струменя

Реферат: Спосіб руйнування кумулятивного струменя включає створення тришарового покриття на поверхні перешкоди, що захищається, причому шари покриття електрично ізольовані один від одного, пропускання потужного імпульсу електричного струму від імпульсного малоіндуктивного джерела електричної енергії через кумулятивний струмінь, який замикає проміжок між перешкодою, що захищається, і захисним провідним покриттям, електрично ізольованим від перешкоди. В електричних контурах, утворених шарами покриття та ділянками кумулятивного струменя, що перемикають пари шарів покриття, електромагнітні сили, створені магнітним полем струму, який протікає через ділянки кумулятивного струменя, спрямовуються у протилежних напрямках, так що кумулятивний струмінь розривається, а кожна з частин струменя зсувається в поперечному напрямку під дією електромагнітної сили. UA 121943 U (54) СПОСІБ РУЙНУВАННЯ КУМУЛЯТИВНОГО СТРУМЕНЯ UA 121943 U UA 121943 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до електродинаміки, а саме до руйнування кумулятивного струменя під дією електромагнітної сили, яка виникає в електричному контурі, як результат взаємодії магнітного поля та електричного струму, що протікає в контурі та струмені, і може бути використана для захисту бронетехніки від кумулятивних зарядів. Відомий спосіб руйнування кумулятивного струменя, у якому зменшення глибини проникнення кумулятивного струменя в перешкоду забезпечується установкою на деякій відстані від поверхні, що захищається, додаткового екрана, що складається з одного або декількох шарів суцільного металу або металевих ґрат. В роботі [Патент РФ 2196952 Устройство для защиты объектов в транспортных средствах от воздействия пуль и кумулятивных боеприпасов. Блинов В.И., Бухтояров В.В., Корнеев А.Ю., Ларин В.Г., Майоров М.А., Соломонов Л.С, 20.01.2003] реалізовано спосіб руйнування кумулятивного струменя шляхом одночасного застосування тришарового композитного екрана і штор із сталевої сітки, розташованих на зовнішній і внутрішній поверхнях об'єкта, що захищається. Ефективність такого способу протикумулятивного захисту залежить від товщини шарів захисного екрана і сітки та відстані між захисним шаром і перешкодою. Очевидно, що підвищення товщини захисного шару і збільшення відстані можливі лише до певної межі і не забезпечують ефективного захисту. В той же час, збільшення цих величин приводить до істотного зростання масогабаритних характеристик об'єкту, що захищається, що є важливим недоліком даного способу захисту. Відомий електромагнітний спосіб руйнування кумулятивного струменя, при якому використовується ефект створення в кумулятивному струмені МГД нестійкості в результаті стиснення його силами магнітного тиску власного магнітного поля, що створюється в струмені в результаті протікання імпульсного електричного струму від високоенергетичного джерела [Федоров С.В. Об эффекте рассеивания металлических кумулятивных струй при пропускании по ним мощного импульса электрического тока. Журнал технической физики, 2012, том 82, вып. 10, с. 18-30]. Результати теоретичних і експериментальних досліджень показують, що глибина проникнення кумулятивного струменя в перешкоду залежить в першу чергу від величини струму через струмінь. При відсутності електричного струму кумулятивний струмінь являє собою потік масопереносу нейтральної суміші розплавленого металу з продуктами детонації вибухової речовини кумулятивного заряду, що рухаються під дією сили детонації вибухової речовини. При пропусканні струму через струмінь виникає азимутне магнітне поле, яке створює на поверхні струменя радіусом R тиск величиною  H2  I2 pm  0  0 2 , (1) 2 82R де H - напруженість магнітного поля; I - струм через струмінь;  0  4  10 7 Гн / м - магнітна стала. Механізм руйнування пояснюється в даному випадку наявністю в струмені неоднорідностей товщини внаслідок статистичного розкиду числа частинок матеріалу струменя по його діаметру, що призводить до збільшення тиску на ділянках меншого діаметру і подальшого зменшення діаметра цих ділянок в результаті магнітогідродинамічної стиснення. Тобто виникає ефект фрагментації однорідного кумулятивного струменя. Виникає позитивний зворотний зв'язок, який власне і є причиною нестійкості (так звана перетяжечна або "сосискова" нестійкість). У роботі [Швецов Г.А., Матросов А.Д. Разрушение кумулятивных струй импульсным током // Прикладная механика и техническая физика. 2004. Т. 45, № 2, с. 147-155] показано, що при пропусканні імпульсного струму через кумулятивну струмінь, поряд з виникненням перетяжечних нестійкостей в міжелектродному проміжку, викликаних магнітному тиском, проявляється також механізм об'ємного руйнування матеріалу струменя на виході його з міжелектродного проміжку в результаті дії радіально спрямованих від осі кумулятивного струменя електромагнітних сил. Аналіз експериментальної залежності глибини проникнення кумулятивного струменя в сталеву перешкоду L(Im ) від амплітуди токового імпульсу Im , що протікає через струмінь, показує, що зростання струму призводить до суттєвого зменшення глибини пробиття перешкоди. Так, при струмі 460 кА забезпечується зменшення глибини проникнення струменя в перешкоду в 2,7 разу порівняно з проникненням у відсутності впливу струмом. Подальше збільшення струму призводить до посилення ефекту і зменшення глибини каверни у перешкоді. В роботі [Спосіб руйнування кумулятивного струменя. Патент України №97985 / В.І. Чумаков, О.В. Столярчук. - МПК (2015.01), H02N 11/00. Номер заявки u201412212, опубл. 10.04.2016, бюл. № 7] задля суттєвого підвищення струму, що протікає через кумулятивний струмінь, пропонується використовувати комплексований вибухомагнітний генератор. 1 UA 121943 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Втім, така система захисту потребує використання вибухової речовини, що становить суттєву небезпеку, особливо за необхідності захисту легкої бронетехніки. Найбільш близьким до корисної моделі за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб руйнування кумулятивного струменя, викладений в роботі [Федоров С.В. Электродинамическая защита от кумулятивних средств поражения: физические аспекты функционирования / Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение" 2014. - № 3. - С. 79-100]. За цим способом ефект електромагнітного руйнування кумулятивного струменя виникає внаслідок перетяжок, утворюваних тиском власного магнітного поля струму, що протікає через струмінь, формування у струмені модуляції перетину у вигляді дисків, поєднаних ділянками, що мають значно менший діаметр, ніж вихідний діаметр струменя. Електричне коло для протікання струму утворюється екраном з двох металевих пластин, встановлених перед перешкодою, що захищається, і розділених шаром діелектрика. Пластини підключені до джерела імпульсного струму. Після пробиття пластин та діелектрика кумулятивним струменем електричне коло замикається, і здійснюється електромагнітна дія на кумулятивний струмінь. Недоліком такого способу є те, що фрагментовані частини кумулятивного струменя продовжують рухатися у єдиному напрямку вздовж єдиної осі, продовжуючи руйнівну дію на перешкоду. Крім того, кромки захисних металевих пластин після пробиття можуть утворювати коротке замикання джерела електричного струму та зменшувати струм через струмінь. В результаті захисна дія екрана повністю втрачає ефективність. Задачею корисної моделі є досягнення високої ефективності руйнування кумулятивного струменя шляхом поділення його на окремі ділянки, через які пропускається імпульсний електричний струм. Кожна ділянка струменя входить до складу електричного контуру, який живиться від окремого джерела імпульсного струму. Електродинамічні сили, які діють на ділянки струменя в кожному електричному контурі, спрямовані протилежно, що призводить до розриву однорідного рідкометалевого потоку, який являє собою струмінь, та поперекового зсуву кожної його ділянки в протилежних напрямках, в результаті чого струмінь розламується і втрачає пробійну силу. Поставлена задача вирішується наступним чином. Для організації захисту об'єкта та реалізації двох електричних контурів пропонується створити тришарове покриття перешкоди пластинами із електропровідного матеріалу. Джерела енергії підключаються з протилежних боків верхньої і середньої, та середньої і нижньої пластин покриття відповідно. Як матеріал захисного покриття пропонується використовувати вуглець-вуглецеві композитні пластини, розділені проміжком із електроізоляційного матеріалу. Суть способу і принцип його реалізації пояснюються структурною схемою фіг. 1, де показано кумулятивний заряд 1, що створює кумулятивний струмінь 2, який пробиває захисне тришарове покриття 3 з вуглець-вуглецевих композитних пластин. Пластини закріплені на ізоляторах 4 і розділені ізоляційними проміжками 5. Через ізолюючий шар 6 захисне покриття закріплене на поверхні перешкоди 7. Джерела імпульсного струму 8 підключені до протилежних боків пластин покриття. Пристрій працює наступним чином. В штатному режимі джерела струму 8 заряджені до робочої напруги. Ця напруга виявляється прикладеною попарно між верхньою і середньою та середньою і нижньою пластинами відповідно. При попаданні кумулятивного заряду 1 і утворенні кумулятивного струменя 2 вздовж осі О-O' пластини пробиваються, і виникають два електричні контури, якими протікає електричний струм I . У проміжках між пластинами наводиться магнітне поле з індукцією B , яке діє на відповідні ділянки кумулятивного струменя із силою F (сила Лоренца), яка дорівнює    F  I B  l , (2) де l - величина проміжку між пластинами. Вектори сил, що діють на окремі ділянки струменя між парами пластин, мають протилежну спрямованість, в результаті чого ці ділянки зсуваються у протилежних напрямках і розривають кумулятивний струмінь. Результат поперекового зміщення ділянок кумулятивного струменя під дією сили Лоренца показано на фіг. 2. Зазначимо, що подібний процес утворення електромагнітної сили, яка діє на рухомий ротор, має місце у рейковому прискорювачі масивних тіл [Чумаков В.И., Столярчук А.В. Импульсные процессы и системы / Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторных работ. - Севастополь: Академия ВМС имени П.С. Нахимова. - 2012. - 70 с.]. Слід наголосити, що прискорення a  d2 x / dt 2 , (3) з яким рухатимуться ділянки струменя, має максимальне значення саме на початку імпульсу струму, що призведе до відповідного зсуву х ділянок струменя та його розриву. Пластини  50 55  2 UA 121943 U 5 10 15 20 25 30 захисного покриття 3 виконані із вуглець-вуглецевого композитного матеріалу, який характеризується високою ударною в'язкістю, практичною відсутністю повзучості в широкому інтервалі температур та стійкістю до абляції. Висока провідність (   10 6 См / м ) та відсутність вторинних осколків матеріалу пластин забезпечують низький рівень теплових втрат енергії, а також виключає небезпеку короткого замикання джерела енергії 8. Зменшення глибини каверни 9, що створюється у перешкоді 7 на початковій фазі руху кумулятивного струменя, досягається шляхом використання малоіндуктивного імпульсного джерела енергії 8. Відзначимо, що вуглець-вуглецеві композити характеризуються також високим коефіцієнтом поглинання електромагнітного випромінювання в широкому частотному діапазоні, що забезпечує зменшення ефективної поверхні розсіювання перешкоди і загальної радіолокаційної помітності об'єкту, що захищається. Крім того, питома вага вуглець-вуглецевих матеріалів не 2 перевищує 2 г/см , що дозволяє значно зменшити загальну масу захисного покриття у порівнянні із покриттям з використанням металевих пластин [Electromagnetics of nanocarbon structures / S.A. Maksimenko. - Abstracts of 4th International Conference "Nanotechnologies", October 24-27, 2016, Tbilisi, Georgia, (Nano-2016). P. 139.], [Потапов A.M. Перспективы использования углерод-углеродных композиционных материалов на основе вискозных углеродных волокон для потребностей ракектно-космической техники. - Вопросы атомной науки и техники, 2015, №5(99). - С. 152-156.]. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб руйнування кумулятивного струменя, що включає створення тришарового покриття на поверхні перешкоди, що захищається, причому шари покриття електрично ізольовані один від одного, пропускання потужного імпульсу електричного струму від імпульсного малоіндуктивного джерела електричної енергії через кумулятивний струмінь, який замикає проміжок між перешкодою, що захищається, і захисним провідним покриттям, електрично ізольованим від перешкоди, який відрізняється тим, що в електричних контурах, утворених шарами покриття та ділянками кумулятивного струменя, що перемикають пари шарів покриття, електромагнітні сили, створені магнітним полем струму, який протікає через ділянки кумулятивного струменя, спрямовуються у протилежних напрямках, так що кумулятивний струмінь розривається, а кожна з частин струменя зсувається в поперечному напрямку під дією електромагнітної сили. 3 UA 121943 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4