Спосіб руйнування кумулятивного струменя

Реферат: UA 97985 U UA 97985 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до фізики плазми, а саме до руйнування кумулятивного струменя під дією власного магнітного поля і електричного заряду електричного струму, що протікає в струмені, і може бути використана для захисту бронетехніки від кумулятивних зарядів. Відомий спосіб руйнування кумулятивного струменя, у якому зменшення глибини проникнення кумулятивного струменя в перегороду 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 вживання 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 перегородою. 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'єкта, 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. – Т. 82. Вып. 10. - С. 18-30]. Результати теоретичних і експериментальних досліджень показують, що глибина проникнення кумулятивного струменя в перегороду залежить в першу чергу від величини струму через струмінь. У 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 pm  35 40 45 50 55  0 H2  I2 ,  0 2 8 2R 2 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 діаметра і подальшого зменшення діаметра цих ділянок в результаті магнітогідродинамічної стиснення. Виникає позитивний зворотний зв'язок, який власне і є причиною нестійкості (так звана перетяжкова 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 перетяжкових нестійкостей в міжелектродному проміжку, викликаних магнітним 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. В табл. наведено результати експериментальних досліджень залежності глибини проникнення кумулятивного струменя в сталеву перегороду LIm  від амплітуди токового імпульсу Im , що протікає через струмінь. Як видно, зростання струму призводить до суттєвого зменшення глибини пробиття перегороди. Так, видно, що при струмі 460 кА забезпечується зменшення глибини проникнення струменя в перегороду в 2,7 разів порівняно з проникненням у відсутності токового впливу. Подальше збільшення струму призводить до посилення ефекту і зменшення глибини каверни у перегороді. 1 UA 97985 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Найбільш близьким до пропонованої корисної моделі за технічною суттю і результатом, що досягається є спосіб руйнування кумулятивного струменя, викладений в роботі [Федоров С.В., Бабкин А.В., Ладов С.В., Швецов Г.А., Матросов А.Д. Прогнозирование пробивной способности металлических кумулятивных струй при пропускании по ним мощного импульса электрического тока // Журнал технической физики, 2003. - Т. 73. - Вып. 7. - С. 28-36]. Згідно з цим способом, ефект руйнування кумулятивного струменя, при якому забезпечується не менш як двократне зменшення глибини проникнення кумулятивного струменя у перегороду для кумулятивних зарядів різних калібрів має місце при пропусканні струму через струмінь не менше 450 кА. Водночас, суттєве зменшення глибини пробиття перегороди за допомогою струмової дії потребує використання джерел імпульсного струму з енергією 1000 кДж. Показано також, що глибина проникнення кумулятивного струменя в перегороду (глибина каверни у перегороді в результаті дії кумулятивного струменя) зменшується зі зростанням струму та енерговмісту джерела енергоживлення. Як джерело енергоживлення використовувались батареї імпульсних конденсаторів. Недоліком такого способу, поряд зі складністю комутації та управління таким складним джерелом енергії, є мала ефективність руйнуванні кумулятивного струменя, що обумовлено малою величиною питомої енергоємності ємнісних накопичувачів енергії, яка дорівнює величині 3 порядку 0,1 кДж/дм для відомих найбільш енергоємних зразків. Таким чином, реалізація енерговиділення порядку 1000 кДж, яке потрібне для ефективного руйнування кумулятивного 2 струменя, може бути здійснена ємнісним накопичувачем, об'ємом близько 10 м , що в ряді випадків може перевищувати розміри самого об'єкта, що захищається. Крім цього необхідність готовності системи захисту при дії послідовності з декількох кумулятивних зарядів вимагає швидкої підзарядки ємнісного накопичувача в проміжках між розрядами, що при енергіях імпульсу 1000 кДж створює проблему реалізації високоенергетичних джерела зарядної напруги і також є суттєвим недоліком прототипу. Задачею корисної моделі є підвищення ефективності руйнування кумулятивного струменя шляхом підвищення величин електричного струму через кумулятивний струмінь та енергії, що вкладається в струмінь від імпульсного джерела струму, з одночасним зменшенням споживання енергії від первинного джерела енергоживлення. Поставлена задача вирішується наступним чином. Задля забезпечення струму через кумулятивний струмінь більше 800 кА та виділення енергії в струмені порядку 1000 кДж пропонується використовувати як джерело токового впливу на кумулятивний струмінь біконічний комплексований вибухомагнітний генератор (БКВМГ) [Патент України № 53875. Біконічний комплексований вибухомагнітний генератор / Чумаков В.І., Зв'ягінцев О.Ю., Столярчук О.В., Коняхін Г.Ф., 25.10.2010, МПК: H02N 11/00]. Питома енергоємність вибухомагнітного генератора значно перевищує енергоємність ємнісного накопичувача і 3 становить величину порядку енергоємності вибухової речовини wВВ=4 МДж/дм , а величина генерованого струму може перевищувати 800 кА. За таких умов для БКВМГ з виділенням енергії в навантаженні 1000 кДж і коефіцієнтом підсилення енергії k е=100 для забезпечення початкового запасеного магнітного поля потрібно джерело в 100 разів меншої енергоємності, ніж для зарядки ємнісного накопичувана, що істотно знижує вимоги до енергетичних і, відповідно, масогабаритних характеристики джерела і самого об'єкта, що захищається від кумулятивного заряду. Суть способу і принцип його реалізації пояснюються структурною схемою, де показано кумулятивний заряд 1, що пробиває захисне покриття з металевого листа 2, ізольоване від перегороди 7 ізоляторами 3. Заряд формує кумулятивний струмінь 4, який пробиває в перегороді каверну 8 глибиною L і одночасно замикає захисне покриття на зворотний струмопровід 5 з високопровідного матеріалу (зазвичай міді). Зворотний струмопровід електрично відділений від перегороди шаром ізоляції 6. Блок 9 містить комплект з декількох БКВМГ 10. Блок керування 11 реалізує алгоритм роботи пристрою. Блок зарядки початкового магнітного поля БКВМГ 12 підключений до джерела електроживлення 13. Пристрій працює наступним чином. В штатному режимі система знеструмлена і блок зарядки 12 розряджений. За командою оператора блок керування 11 переводить пристрій в бойовий режим. При цьому один з БКВМГ 10 блока 9 підключається до виходу блока зарядки початкового магнітного поля 12, після цього здійснюється заряд блока 12 від джерела електроживлення 13. Таким чином, один з БКВМГ переводиться в черговий режим. При попаданнікумулятивного заряду 1 в захисне покриття 2 формується кумулятивний струмінь 4 та утворюється електричний контур, що складається з блока зарядки початкового магнітного поля 12, чергового БКВМГ 10, зворотного струмопроводу 5 і кумулятивного струменя 4. Струм, що протікає по цьому контуру, забезпечує запасання початкового магнітного поля в БКВМГ. При 2 UA 97985 U 5 10 15 20 досягненні цим струмом максимального значення за командою з блока управління 11 спрацьовують детонатори БКВМГ і в електричному контурі формується потужний імпульс струму БКВМГ, який здійснює руйнацію кумулятивного струменю 4. По закінченні цього імпульсу блок керування здійснює підключення блок зарядки початкового магнітного поля до наступного БКВМГ з блока 9, який стає черговим, і пристрій готовий до дії наступного кумулятивного заряду. Відзначимо також, що поряд з магнітогідродинамічними механізмами фрагментації та радіального розльоту при імпульсній дії потужного струму можлива також реалізації зарядового механізму руйнування кумулятивного струменя. Очевидно, що струм через струмінь обумовлений як вільними електронами розплавленого металу струменя, так і позитивно зарядженими залишками та іонами. За наявності струму їх рух як процес нейтрального масопереносу під дією сили детонації вибухової речовини кумулятивного заряду зміниться. Більш легкі частинки - електрони - будуть в основному замикатися по електричному контуру джерела струму, в той час як більш важкі частинки - позитивно заряджені залишки та іони, в значній мірі рухатимуться по інерції в осьовому напрямку. Якщо зворотний струмопровід буде достатньо тонким, то такий рух призведе до розділу зарядів, і в осьовому напрямку буде протікати струм, що в значній мірі складатиметься з позитивно заряджених частинок. В результаті цього в шарі діелектрика під зворотним струмопроводом можливе виникнення "віртуального анода", викликаного власним об'ємним зарядом струму позитивних частинок. Аналогічний ефект, який називається віртуальним катодом, має місце при поширенні сильнострумових пучків електронів. В даному випадку віртуальний анод являтиме собою додатковий фактор, який буде перешкоджати подальшому просуванню кумулятивного струменя вглиб перегороди. Таблиця Im, кА L(Im), мм L(0)/L(Im) 0 205 1 240 198 1,04 330 129 1,6 395 90 2,28 460 76 2,7 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Спосіб руйнування кумулятивного струменя, що включає пропускання потужного імпульсу електричного струму від джерела електричної енергії через кумулятивний струмінь, який замикає проміжок між перегородою, що захищається, і захисним металевим покриттям, початково електрично ізольованим від перегороди, який відрізняється тим, що струм через кумулятивний струмінь вибирається величиною більше 800 кА при енерговкладі більше 1000 кДж, для чого як імпульсне джерело електричної енергії використовується біконічний комплексований вибухомагнітний генератор. 3 UA 97985 U Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4