Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №40 (декабрь) 2016
Разделы: Физика
Размещена 22.12.2016. Последняя правка: 27.08.2017.

“Аномальность” сверхглубокого проникания ударников

Нигматзянов Рафик Сопбухович

ОАО "Когалымнефтегеофизика"

инженер-геолог

Аннотация:
Сравниваются результаты исследований по сверхглубокому прониканию (СГП) микрочастиц с данными по макроударам. Выдвинуто предположение о значительных, до 102-104 км/с, скоростях ударов СГП частиц с прямо-пропорциональной зависимостью глубины проникания от скорости встречи (удельной кинетической энергии). Представлен метод расчета скоростей микроударников относительно скоростей звука (следов воздействия ударных продольных и поперечных волн) в материале мишени. На основании сходства процессов проникания не разрушенных единичных микро- и макро-ударников предлагается использовать результаты экспериментов по СГП микрочастиц для моделирования сверхскоростных ударов крупных космических тел.


Abstract:
We compare the results of studies on the ultra-deep penetration (EGR) micro-particles by makro-particles data. It is suggested a significant, up to 102-104 km/s beats EGR with particle velocities is directly proportional dependence of the depth of penetration to meet the speed (kinetic energy). Presented mikro-particles velocity calculation method with respect to speed of sound (traces of the impact of shock and shear waves) in the target material. Based on the similarity of the processes of penetration is not destroyed individual micro and makro-particles are encouraged to use the results of experiments on the EGR micro-particles for simulating hypervelocity impacts of large cosmic bodies.


Ключевые слова:
сверхскоростное соударение; сверхглубокое проникание микрочастиц; разрушение ударников.

Keywords:
collision super-fast; super-deep penetration of the microparticles; the destruction of strikers.


УДК 531.57, 531.58, 531.66

Введение – современные представления о макроударах и результаты экспериментов.

Эффект аномально сверхглубокого проникания (СГП) микроударников на глубины более 10 – до 103-104 исходных диаметров был экспериментально установлен в 1974г. [1]. Полученные результаты согласуются с другими опытными данными об аномально сверхглубоком проникании: кумулятивной струи из порошков вольфрама и меди в стальную плиту на глубину в 12 диаметров заряда взрывчатого вещества (ВВ) [2], потоков металлических порошков в металлические мишени на глубины более 16 диаметров потока при скоростях встречи 20 км/с и выше [3], металлических макроударников в оргстекло до глубин в 14,7 собственных диаметров при скорости встречи в 2,0 км/с [4], артиллерийских снарядов в аналогичные горным породам материалы на глубины около 20 и в грунты >70 калибров при скорости 0,4 км/с [5], более 120 диаметров и 12 длин в песок при скорости около 0,7 км/с [6], металлических пуль в воду более 5,3 тысяч калибров при начальной скорости 0,35 км/с (Автомат подводный специальный). При этом предполагается дальнейший рост глубин проникания с повышением скоростей встреч до 40-100 км/с и выше [3; 7-8] по степенной зависимости от скорости L=KV2/3 [9-10] (Рис.1-2).

Рис.1. а) зависимость глубин проникания от скоростей встречи макроударников для различных сочетаний материалов [10]; б) зависимость глубин проникания от скоростей встречи различных ударников в алюминиевую полубесконечную мишень [8].
Рис.1. а) зависимость глубин проникания от скоростей встречи макроударников для различных сочетаний материалов [10]; б) зависимость глубин проникания от скоростей встречи различных ударников в алюминиевую полубесконечную мишень [8].

Неоднозначный интерес к исследованиям эффекта СГП обусловлен тем, что полученные экспериментально результаты не вписываются в имеющиеся гидродинамические представления о существовании гипотетического предела проникания ударников из любых материалов при любых скоростях встречи в прочные не расплавленные [1] мишени любого состава до глубины в 10 собственных диаметров [4; 11-14] либо собственной длины снаряда [15] – длины кумулятивной струи [15-16], а в разупрочненные или расплавленные материалы – до 40 калибров [1]. Подобные представления вызваны гипотезой о “жидкостном” поведении материалов твердых тел при сверхвысоких давлениях [15] и предположительном снижении глубин проникания за счет расширения-уплощения ударного кратера [10] при росте скорости столкновения более 2-5 км/с [4; 11; 17] – с предполагаемым “тепловым” взрывным испарением ударника при скорости встречи более 10-20 км/с [7; 11; 14; 17-19]. Но до настоящего времени гипотеза об уплощении кратера и снижении глубины проникания с ростом скорости удара экспериментально не подтверждена [3; 8-10; 18; 20; 24], как не подтверждено и плавление материалов ударников в результате разгрузки расчетных “пороговых” давлений по [7].

Рис.2. а) зависимость от скорости глубины проникания в свинцовую мишень макроударника из железа [8]; б) зависимости от скорости глубин проникания в свинцовую и медную мишени алюминиевого диска толщиной 4 мм [8].
Рис.2. а) зависимость от скорости глубины проникания в свинцовую мишень макроударника из железа [8]; б) зависимости от скорости глубин проникания в свинцовую и медную мишени алюминиевого диска толщиной 4 мм [8].

Предположение о снижении глубин проникания ударников с ростом скорости столкновения более 2-5 км/с “подкрепляется” скачками изменений глубин проникновений для некоторых сочетаний материалов в интервале скоростей макроударов 0-10 км/с при стрельбе из легко-газовых установок по [10] (Рис.1-2) и недостатком данных о макро-столкновениях на скоростях более 5,0-12,0 км/с [6-8; 10-11] (Рис.1-3). Последнее вызвано пределом технических возможностей легко-газовых пушек [7-8; 10-11] – сложностью сверхскоростного метания тел фиксированной формы из-за разрушения-разупрочнения материалов снарядов и деталей пушек в результате импульса ударно-взрывного давления при выстреле [2; 7; 10; 17; 21-23]. Дополнительное влияние на формирование вышеуказанных представлений оказывает эффект масштабности: для достижения больших скоростей используются меньшие по размерам макроударники [7; 18; 22; 24], что приводит не только к абсолютному, но и к относительному в диаметрах снижению глубин проникания по [25-26] в связи со снижением удельной кинетической энергии (удельного давления на материал препятствия). При значительном повышении размера ударника и соответственно площади встречи мишени эффект может усиливаться в связи со снижением прочности преграды – увеличением общего количества трещин (разломов) [27].

Рис.3. а) зависимости глубин проникания от скоростей встречи микроударников из полистирол-дивинилбензола (ПС-ДВБ), алюминия и железа в плавленый кварц (ПК) и натрово-известковое стекло (НИС) [24]; б) зависимости размеров приповерхностных зон откола-микротрещиноватости (сглаженные кривые по максимальным значениям) от скоростей микроударов по материалам [24].
Рис.3. а) зависимости глубин проникания от скоростей встречи микроударников из полистирол-дивинилбензола (ПС-ДВБ), алюминия и железа в плавленый кварц (ПК) и натрово-известковое стекло (НИС) [24]; б) зависимости размеров приповерхностных зон откола-микротрещиноватости (сглаженные кривые по максимальным значениям) от скоростей микроударов по материалам [24].

Таким образом “подкрепленные” недостатком экспериментальных данных о сверхскоростных макроударах, имеющиеся гидродинамические представления ограничивают предположительные скорости встреч СГП-микрочастиц интервалом в 0,15-5 км/с по [19; 28-29], что не согласуется с более значительным скоростным диапазоном частиц в исследуемых потоках [11] (во взрывных кумулятивных потоках установлено наличие отдельных сверхскоростных, до 90-100 км/с, частиц и фрагментов [2; 15; 30-32]), опытными данными об отсутствии эффекта СГП для одиночных микроударников размерами 0,4-5 мкм до скоростей встречи в 15 км/с [24] (Рис.3) и наличием эффекта СГП для потоков частиц со скоростями 20 км/с и более [3]. Недостаток данных по сверхскоростным микрочастицам связан с технической сложностью проведения измерений [30] – имевшиеся до недавнего времени методы позволяли регистрировать только частицы размерами более 20-50 мкм со скоростями меньше 10-20 км/с [7]. Отсутствие точных данных по скоростям потоков микрочастиц является недостатком проводимых экспериментов по СГП [33].

Условия проведения и основные результаты экспериментов по СГП. Исходные данные и результаты исследований СГП микрочастиц, при значительных на порядки расхождениях значений у разных исследователей [34], заключаются в следующем:

В атмосферных условиях, при детонации со скоростью до 9 км/с [11; 35-37] взрывчатого вещества (ВВ) разгонного трубчатого [1] или цилиндрического (не обязательно кумулятивного) [19] заряда диаметром до 30 мм [11], с возможными температурами в области взрыва около 3380оС [11] и давлениями до более 900 ГПа [9] (за фронтом ударной волны до 10-200 ГПа [11; 22; 32]), выбросами продуктов детонации метаются заряды порошков из материалов плотностями в 2,2-19,35 г/см3 (углерод – вольфрам), исходными фракциями до 500 мкм [1; 4; 11; 13-14; 38-39] в количестве 108-1012шт. общей массой 1-300 г [11; 19]. Средние плотности передового высокоскоростного потока составляют 0,75-1,5 г/см3, отстающего низкоскоростного (менее 1 км/с) основного – 2-4 г/см3 [11-13; 19; 28; 38-39].

Фокусное расстояние до мишени, оптимальное для пробивания кумулятивной струей, составляет 1-12 диаметров заряда [2; 32]. По данным электретных датчиков, калиброванных на давления около 1 ГПа, время подхода продуктов детонации на расстояние около 0,1м [11; 40] составляет не менее 10-6-10-5с [36]. Исходя из скоростей потоков, рассчитанных на основании данных макро-фотосъемки и импульсной макро-рентгеносъемки, делается вывод о времени подхода потока частиц к преграде не менее 10-12 мкс [11; 36] и об отсутствии во взрывных потоках микрочастиц со скоростями более 3-5 км/с [1; 11], что не согласуется с другими данными [2-3; 15; 20; 30-32].

За время взаимодействия потока с преградой до 10-6-10-3 c и предполагаемое время взаимодействия отдельной частицы с преградой до 10-8-10-4с, менее 0,01-5% ударников выброса, размерами уже примерно на порядок меньше исходных, сталкиваются и проникают (102-104 шт./мм2) в мишени плотностями 2,7-8,9 г/см(Al - Cu) и температурами выше -196 оС на глубины до 300 мм в 103-104 исходных размеров ударников, уменьшаясь в размерах еще до 1-2 порядков при внедрении [1; 11; 13-14; 28-29; 31; 34-42]. Размер остатка микроударника преимущественно округлой формы меньше исходного на 1-3 порядка и составляет в среднем до 5% [1; 11-12; 19; 33; 40; 43].

P-T параметры. Давление ударной волны (УВ) на мишень составляет 0-1 ГПа, потока микрочастиц до 0,5-34 ГПа, локально давление достигает 40-100 ГПа, в канале проникания возможно до 50-200 ГПа [11-13; 19; 28-29; 33; 35-36; 38; 40-42]. Воздействие потока ударников вызывает в поверхностном 3-5 мм слое преграды деформирование до 40-60%, следы воздействия УВ отмечаются до глубин в 15-18 мм [11-12; 41]. Изменение паpаметpов темпеpатуpного поля пpи воздействии потока на матеpиал преграды составляет 250-720оС [11-12; 41]. Температуры СГП микрочастиц не достигают плавления [12; 42], несмотря на то, что пределы плавления могут снижаться в разы при разгрузке сверхвысоких давлений [31]. При фрагментации ударников на порядки структура материалов сохраняется при значительных перегрузках на старте и торможении в мишени по [1; 28], аналогично некоторым случаям сохранения целостности макроснарядов при сверхзвуковых ударах [10].

Глубины ­­– скорости – энергии. Исходя из соотношений абсолютных глубин в 300 мм (до 103-104 исходных диаметров частиц) [1] к размерам самих микроударников, наибольших глубин достигают наиболее крупные осколки исходных частиц с максимальными удельными кинетическими энергиями, подтверждая явление масштабности для макроударов по материалам [11; 18; 25-26]. Глубины микроканалов возрастают с ростом скоростей потока частиц и ростом соотношений плотностей материалов микроударников к плотностям мишеней [1; 3; 19; 24; 33; 40] (удельных кинетических энергий - авт.), при влиянии прочностных характеристик [13; 42] и температур преград [1; 28], аналогично макроударам [8] (Рис.1-3). С ростом плотности потока (ростом массы заряда порошка к массе метательного заряда ВВ и соответствующим снижением скорости выброса – авт.) количество СГП каналов сокращается, и наоборот – со снижением плотности потока (ростом скоростей частиц – авт.) количество СГП частиц возрастает по [11; 35]. Отмечается, что встречающиеся на пути частиц границы способствуют снижению скорости их движения [11]. Объемы выделенных при внедрении микроснарядов энергий соответствуют кинетическим энергиям частиц, возможно имеющим скорости до 102-103км/с по материалам [37; 44]. О значительном превышении скоростей СГП частиц над скоростями звуковых волн в материале мишени могут свидетельствовать наличие конусовидной полости предположительно Маха перед ударником по [7] и следы уплотнений продольных и поперечных волн по [11] (Фото 1а). С тыльных сторон мишеней зарегистрированы предшествующие СГП микроударникам на порядки меньшие попутные частицы высоких энергий с возможными скоростями до 19-35 тыс.км/с [29; 37], ограничивая допустимую скорость СГП частиц пределом до 104км/с.

Фото 1. а) конечный участок микроканала проникания в алюминиевую мишень частицы карбида кремния [29] (перед точкой О заметно направление деформации сжатия); б) теневой спектр обтекания макроударника в воздухе при М>4 [7].
Фото 1. а) конечный участок микроканала проникания в алюминиевую мишень частицы карбида кремния [29] (перед точкой О заметно направление деформации сжатия); б) теневой спектр обтекания макроударника в воздухе при М>4 [7].

Кратеры – каналы. Формы приповерхностных микрократеров соответствуют формам макрократеров по [11] и потоков частиц [3]: СГП частицы оставляют одиночные микрократеры размерами до 300 мкм с соотношением глубины к диаметру более 1/2, с уходящими вглубь мишени каналами [11]. Количество СГП микроканалов в мишени по направлению движения частиц неравномерно, глубины имеют экстремумы [1; 11; 13; 19; 34], их количество с глубиной сокращается [1; 12; 19; 41]. Диаметры микроканалов на 1-3 порядка меньше исходных размеров частиц [1], поперечные сечения каналов в основном соответствуют формам и размерам ударников [11; 19] или больше (Фото 1а), приближаясь к окружности [1; 33], как и при макроударах [10]. Для некоторых сочетаний материалов со значительным различием прочностных свойств поперечные сечения отверстий соответствуют угловатым формам частиц высокой прочности по [11; 19; 29]. Сами микроканалы сужающиеся [11], как и макроканалы [20], извилистые, наблюдаются разветвления треков [1; 11-12; 14]. Микроканалы заполнены аморфным разуплотненным материалом мишени в виде дорожек Кармана с включениями [33; 41-42] и тонким слоем на стенках каналов вещества ударников [11], заканчиваются кавернами с остатками микрочастиц, подобно обычным макрократерам [1]. Часто перед остатками существуют полости в виде конусов [1] (Фото 1а), соответствующие конусам уплотнения Маха по материалам [7] (Фото 1б). Участки перед завершением каналов испытывают деформацию сжатия за счет внедрения частиц [41] и имеют протяженность до десятка диаметров канала (Фото 1а).

Выводы: – Формы приповерхностных микрократеров-микроворонок и сужающихся микроканалов проникания соответствуют кратерам-воронкам и каналам проникания крупных тел по [20], ударным кратерам на поверхностях планет и их спутников с цилиндрическими “лунками” в глубокой части [16], а также кольцевым сужающимся структурам геологических объектов неустановленной глубины, включая “трубки взрыва” – предположительные последствия прониканий космических тел со скоростями до 73 км/с [27; 45], что свидетельствует о сходстве протекающих при их образовании процессов.

– Диаметры приповерхностных зон микротрещиноватости, размерами до десятка калибров частиц, после достижения максимума не зависят от дальнейшего роста скоростей снарядов, уменьшаются либо относительно постоянны [24] (Рис. 2б), как и макроворонки [17-18; 20; 26; 45] максимальными размерами до 30-40 поперечников ударников [16]. Возможно, что наличие двух типов микроканалов [41], различающихся по величине зоны УВ деформации прилегающего к каналу материала, может быть объяснено именно зависимостью радиуса деформации от скорости прохождения источника динамического воздействия. Для приведенного примера (Фото 1) это может свидетельствовать о снижении скорости ударника на представленном участке траектории с более чем 15 км/с.

– Соотношение тормозных путей частицы от точек прекращения генераций упругой и пластической волн до вершины конуса Маха (Фото 1а): [OP]/[OS]=41,2мкм/20,5мкм соответствует соотношению скоростей звука в алюминии около 6,3 и 3,1 км/с, что может свидетельствовать не только о превышении скоростей частиц над скоростями звуковых волн и о равнозамедленном по Вуичу [5] движении ударников, но также позволяет рассчитать предположительную скорость встречи частицы с мишенью: V=LV/LM, где L - глубина проникания ударника в мишень, V- скорость звуковой волны в материале мишени, LM - длина пути от точки М=1 до вершины конуса М.

– Экспериментально зарегистрированные скорости отдельных частиц кумулятивных потоков достигают 102км/с [36], судя по выделенной при проникании энергии могут составлять 102-103км/с по материалам [37] и ограничены пределом до 104км/с по материалам [29; 37]. Соответственно глубины проникания микроударников в 103-104 исходных диаметров частиц могут указывать на прямо-пропорциональную зависимость глубин проникания от скорости микроудара (удельной кинетической энергии). Зависимость глубин проникания макроударников от кинетических энергий [11; 25; 36] – величины оказываемого локально удельного давления на материал мишени [11; 24], подтверждается и для микрочастиц общим эффектом масштабности.

– Возможные значительные скорости СГП-частиц могут быть объяснены стартовым ускорением на фронте детонационной волны небольшой доли высокоскоростных частиц, размерами сравнимых с толщиной ударной волны [4; 11; 19]. Но более обоснованным представляется механизм ускорения ударников в результате взаимных столкновений, практически используемый в каскадных ускорителях по [2] – о влиянии подобного механизма обмена энергиями между ударниками свидетельствуют существование эффекта СГП только для множества частиц по [1; 11] и повышение глубин проникания в случаях применения двойных смесей по сравнению с бомбардировками порошком одного материала [1; 19]. К тому же каскадный механизм может послужить самым простым объяснением установленных в [1] экстремумов глубин проникания, и соответственно возможных экстремумов скоростей (кинетических энергий) СГП частиц.

– Остатки СГП частиц не имеют следов плавления и сохраняют свою структуру [1-2; 12; 28; 42]. Что в сочетании с “аномальной” глубиной проникания делает неприменимой современную гидродинамическую теорию к рассматриваемому процессу проникновения. До скоростей ударов в 5-12 км/с относительные глубины прониканий и размеры кратеров микро- и макроударников согласуются с учетом эффекта масштабности по материалам [24; 43]. Одновременно предел проникания СГП частиц на глубины до 10 диаметров зарядов ВВ коррелируется с глубинами проникания сверхскоростных макроснарядов (и кумулятивных струй) до 10 собственных диаметров (зарядов ВВ).

 

Обзор возможных механизмов СГП. Несоответствие на 4-6 порядков [37] вводимой (предположительно вводимой – авт.) и потребляемой энергии явилось основанием для предположения о существовании источника скрытой энергии, возникающего только в режиме СГП и являющегося при этом независимым от меняющихся внешних воздействий [1; 13; 29; 37]. Именно из-за разницы между (предполагаемыми – авт.) кинетическими энергиями частиц и наблюдаемыми затратами на создание микроканалов, предположение о разрушении материала канала за счет кинетической энергии удара было отвергнуто на раннем этапе [44].

Другими словами, на основании имеющихся гипотетических представлений была исключена возможность проникания частиц со скоростями более 3-5 км/с по [2; 30-32] при установленной зависимости глубин проникания от скорости потока [3; 24; 33; 36; 40], более значительном диапазоне скоростей частиц потоков до 100 км/с [2-3; 15; 20; 30-32], отсутствии эффекта СГП для одиночных микрочастиц со скоростями менее 15 км/с [24] и существовании эффекта для потоков частиц со скоростями 20 и более км/с [3]. Возможно поэтому рассматриваемые сегодня механизмы проникания не согласуются со снижением количества СГП микроканалов при увеличении плотности потока по [35-36]. Помимо данного общего несоответствия экспериментам, наиболее популярные модели СГП имеют и индивидуальные недостатки:

– Гипотеза проникания частиц через систему хрупких лидирующих микротрещин [11; 14; 42], (имеющих предположительные скорости распространения до 2-3 км/с [28] – ограниченных скоростями распространения поперечных волн [21]), не подтверждается [39] часто полным отсутствием микротрещин (Фото 1) или их небольшим количеством относительно значительно большего числа внедрённых частиц [11], а также наблюдениями в некоторых случаях только поперечных каналу трещин по [14].

– Существует версия проникания в преграду отстающих частиц за счет опережающего снижения статической прочности материала мишени на глубину до 300 мм под ударами передового потока [1; 11; 13; 44], что предположительно может привести к снижению на 90-98% затрат энергии на преодоление сопротивления материала мишени по [1; 11-13; 35-36; 42; 44]. В то же время отмечается, что снижения статической прочности материала мишени на 1-2 порядка недостаточно для СГП [19; 44]: потребляемая энергия может превышать вводимую (предположительно вводимую – авт.) в 104-106 раз [37]. Кроме того, деформационное “схлопывание” приповерхностных участков микроканалов по [12] под ударами основного потока частиц свидетельствует о СГП передовых скоростных, но не отстающих частиц потока.

– Модели проникания благодаря возникающему в микроканале длительно пульсирующему сверхдавлению до 10-200 ГПа [29; 42] (при предполагаемом фоновом в 0,5-34 ГПа) за счет блокирования выходов путем предположительно полного “схлопывания” отверстий фоновым давлением материала мишени [1; 4; 12-13; 19; 35; 39], представляют собой попытки свести процесс проникания к теоретически допустимому только для идеальной жидкости парадоксу Д’Аламбера [13; 39; 42] – движению ударника с постоянной скоростью в 0,5-1,2 км/с при отсутствии сопротивления [11; 39]. Но при пластичной деформации зоны вокруг микроканала [13; 41] каналы “схлопываются” лишь частично [11-12; 14; 33; 40-41; 43] (Фото 1а), а содержимое каналов представляет собой турбулентный след (дорожку Кармана) [42] из разуплотненного пористого [33; 41] переработанного материала мишени с включениями вещества микроударников [41-42], но не результат сдавливания каналов фоновым давлением.

– Имеется предположение о проникании частиц путем их захвата и дополнительного ускорения обгоняющим плоским фронтом УВ, возникающим в материале мишени под влиянием бомбардировки отстающими микроударниками [1; 13; 42]. В то же время отмечается, что следы воздействия УВ отмечаются только до глубин в 15-18 мм [11], а сверхглубокое проникание частиц изменяет структуру только в каналах, по которым движутся частицы, и в прилегающих зонах [12]. Т.е. наблюдаемые изменения, включая радиально-направленные от оси канала следы волн уплотнения (Фото 1а), могут быть связаны только с энергиями самих ударников: возможное давление потока частиц на поверхность составляет 0,5-34 ГПа, а в каналах проникновений предполагается до 50-200 ГПа [41-42]. Установлено, что с увеличением амплитуд фоновых волн более 2,3 ГПа эффект сверхглубокого проникания микрочастиц резко снижается и исчезает при дальнейшем возрастании амплитуды ударной волны [42]. Дополнительно гипотеза не подтверждается отсутствием влияния интенсивности затухания УВ на глубину проникания [14].

Вывод: – Рассматриваемые в настоящее время механизмы не дают решения вопроса о физической сущности сверхглубокого проникания микрочастиц [11]. Реальный механизм СГП микрочастиц остается на сегодняшний день неизвестным, предлагаемые физические модели этого явления нельзя признать удовлетворительными в силу их недостаточной обоснованности и отсутствия их математического представления через общие физические законы [33]. Во всех существующих (кроме кинетического – авт.) модельных вариантах требуется объяснение, откуда берется дополнительная энергия для реализации наблюдаемых изменений [44], единственно возможным источником которых предполагается фоновая УВ от ударов других частиц [42]. Иногда в связи с недостаточностью энергии указанной УВ вынуждены допускать генерацию энергии в канале за счет инерционного термоядерного синтеза по [1], либо рассматривать применимость явления суперкавитации в качестве механизма движения [11]. Последнее может свидетельствовать в пользу кинетической гипотезы: – Для возникновения суперкавитации необходимы высокие начальные скорости тела и значительные перепады давления при движении ударника [46].

Рассмотренные выше популярные модели не согласуются с экспериментальными наблюдениями, их появление обязано исключительно занижению скоростей и соответственно кинетических энергий СГП частиц. Изложенные выводы в совокупности с установленной высокой дисперсией скоростей частиц взрывных потоков вынуждают вернуться к отвергнутому ранее механизму проникания ударников за счет высоких кинетических энергий – путем разрушения материала мишени в опережающем конусе сверхдавления Маха с выбросом продуктов разрушения в режиме суперкавитации в образующийся за частицей канал. Использование современных методов оптической (R. Raskar, 2012) и рентгеновской фемтофотографии, позволяющих проводить регистрацию сверхскоростных процессов с частотой в сотни миллиардов кадров в секунду либо применение сверхчувствительных электретных датчиков, может еще раз подтвердить наличие в потоках сверхскоростных частиц и соответственно кинетическую природу СГП.

 

Заключение: макроудары и условия проведения экспериментов. Макроударники, как и СГП микрочастицы, ускоряются в результате резкого импульса взрывного ударного давления, превышающего последующие перегрузки при торможении в мишени на сравнимых отрезках времени и пути. Скорости макроударников ограничиваются пределами прочностей материалов метательных систем, при этом максимальное давление, которое выдерживает снаряд, значительно меньше давления, которое выдерживает ствол [7; 22]. Разрушение (изменение прочностных свойств) большинства используемых в качестве ударников металлов начинается при давлениях выше 0,1-1 ГПа [2; 21-23] и ускорениях более 107-1011м/с2 [7; 10; 22]. Например, ударник из свинца разрушается при попытках разогнать его до более 1-1,2км/с [7] (тем не менее сохраняя значительную проникающую способность [5]), а разрушение снаряда плотностью 17 г/см3 начинается в диапазоне <0,17->0,63 ГПа [7]. Также отмечается снижение глубин проникания винтовочных пуль с ростом скоростей более 0,6 км/с, что может быть связано с разупрочнением материала ударников еще до встречи с мишенью по материалам [5; 10] (Рис.2а). Дополнительно необходимо отметить, что снаряды в огнестрельных и легко-газовых ускорителях могут начать движение в стволе только с началом снижения прочности снарядов – разрушений ведущего пояска (оболочки) или предохранительной части ударника по [22]. Разрушительное воздействие кратковременно – с началом движения ударника и как следствие увеличением объема взрывной камеры давление на снаряд снижается.

При проведении опытов на максимально возможных для однокамерных пороховых систем скоростях в 1,5-4,0 км/с [4-5; 7; 22; 25] предельные давления составляют 0,3-0,6 ГПа [5; 7]. В легко-газовых двух- и трех-камерных пушках для достижения скоростей в 7-12 км/с [10] необходимы давления 3,0-4,4 ГПа [7], что выше предела текучести в 0,1-2,5 ГПа большинства используемых в качестве ударников материалов [2; 11; 21; 31], например: предел прочности железа составляет 0,17-0,21 ГПа, стали – 0,4-1,0 ГПа. В кумулятивных взрывных ускорителях для достижения скоростей отдельных частиц до 90-100 км/с [2; 30; 32] давления могут превышать 200-900 ГПа [9; 32], при этом ударники фрагментируются примерно на порядок меньшие по размерам частицы [1; 12; 28].

На основании изложенного видно, уже при давлениях более 0,1 ГПа и ускорении выше дозвуковых 0,6 км/с начинаются изменения прочностных свойств (разупрочнение – разрушение) большинства используемых макроударников. С ростом ускорений (ростом стартовых ударных давлений – степени разрушения ударников – авт.) прямо-пропорциональная зависимость глубин проникания от скорости сменяется “сверхскоростной” степенной L=KV2/3/d по [2; 9-10; 16] (Рис.1-2), обязательной для любых сочетаний материалов на экспериментальных скоростях столкновений выше 10 км/с, в т.ч. для макроударников любой степени разрушенности по материалам [10]. С учетом разнонаправленности скачков изменений глубин проникания макроударников из различных материалов в свинцовую мишень (Рис.2) и отсутствия других участков значительной нелинейности (Рис.1-2), смена зависимостей глубин проникания с прямо-пропорциональной на степенную и сама степенная функция могут отражать степень разупрочнения, вплоть до полного разрушения-фрагментации, материалов макроударников еще до встречи с мишенью, что многими исследователями трактуется как взрыв и испарение-распыление снаряда при ударе. Возможно поэтому экспериментальные сверхскоростные удары разупрочненных макротел согласуются с имеющейся гидродинамической теорией, а предельные абсолютные глубины проникания сверхскоростных макроударников соответствуют “аномальным” абсолютным глубинам проникания отдельных СГП частиц, например: глубины проникания основного потока порошка или разрушенного свинцового ударника соответствуют глубинам проникания разобщенных частиц и фрагментов [3; 5].

Таким образом, в отличие от сложного метода применения ракетных твердотопливных ускорителей для придания макроударникам сверхвысоких скоростей без их разрушения, метод СГП частиц при учете эффекта масштабности может оказаться применимым для моделирования сверхскоростных (до 73 км/с) ударов крупных космических тел, а также сравнительного изучения взрывных экстремумов скоростей Солнечных и Галактических космических лучей, пыли и частиц в диапазоне 102-103км/с.

 

Выражаю искреннюю признательность Алексенцевой С.Е., Аптукову В.М., Ермохину А.В., Кривченко А.Л., Ушеренко С.М., Хомской И.В. за предоставленные материалы, методические рекомендации и конструктивные критические замечания.

 

Библиографический список:

1. Ушеренко С.М. Особенности взаимодействия потока микрочастиц с металлами и создание процесса объемного упрочнения инструментальных материалов: Дис. … д-ра техн. наук. – Минск, 1998.
2. Орленко Л.П. Физика взрыва и удара: учебное пособие для вузов. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2006.
3. Русаков М.М., Шайдуллин Б.К. Соотношение между параметрами кратера и ударника из опытов по ударам со скоростями до 30 км/с // Космические исследования, 1979, Т.17, №1, 172-175.
4. Пилюгин Н.Н., Ермолаев И.К., Виноградов Ю.А., Баулин Н.Н. Экспериментальное исследование проникания твердых тел в мишень из оргстекла при ударе со скоростями 0,7-2,1 км/с // ТВТ. 2002. Т. 40, вып. 5. С.732-738.
5. Третьяков Г.М. Боеприпасы артиллерии / М.: Воен. изд-во, 1947.
6. Аллен У., Мэйфилд Э., Моррисон Г. Динамика проникания снаряда в песок // Механика. Сборник. 1957, № 6. С.125-137.
7. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях / М.: Наука, 1974.
8. Эйчельбергер Р., Кайнике Дж. Высокоскоростной удар // Физика быстропротекающих процессов. Т. 2 / М.: Мир, 1971. С.204-246.
9. Балаганский И.А., Мержиевский Л.А. Действие средств поражения и боеприпасов: Учебник / Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.
10. Свифт Х.Ф. Механика соударения со сверхвысокими скоростями // Зукас Дж.А., Николас Т., Свифт Х.Ф., Грещук Л.Б., Курран Д.Р. Динамика удара / М.: Мир, 1985. С.173-197.
11. Алексенцева С.Е. Ударно-волновые процессы взаимодействия высокоскоростных элементов с конденсированными средами: Дис. … д-ра техн. наук. Самара, 2015.
12. Зельдович В.И., Хомская И.В., Фролова Н.Ю., Хейфец А.Э., Ушеренко С.М., Дыбов О.А. Структурные изменения в железоникелевых сплавах, вызванные действием высокоскоростного потока порошковых частиц. 2. Эффекты сверхглубокого проникания // ФММ. 2002.Т. 93, № 5. С.86-94.
13. Киселев С.П., Киселев В.П. О механизме сверхглубокого проникания частиц в металлическую преграду / ПМТФ. 2000. Т. 41, № 2. С. 37-46.
14. Козорезов А.К., Козорезов К.И., Миркин Л.И. Структурные эффекты при сверхглубоком проникании частиц в металлы // ФХОМ. 1990. № 2. С.51-55.
15. Лаврентьев М.А. Кумулятивный заряд и принципы его работы // УМН. 1957. Т.12, вып.4 (76). С.41-56.
16. Мелош Г. Образование ударных кратеров: геологический процесс / М.: Мир, 1994.
17. Зукас Дж.А. Проникание и пробивание твердых тел // Зукас Дж.А., Николас Т., Свифт Х.Ф., Грещук Л.Б., Курран Д.Р. Динамика удара / М.: Мир, 1985. С.110-172.
18. Базилевский А.Т., Иванов Б.А. Обзор достижений механики кратерообразования // Механика образования воронок при ударе и взрыве. № 12 / М.: Мир, 1977. С.172-227.
19. Роман О.В., Андилевко С.К., Карпенко С.С., Романов Г.С., Шилкин В.А. Эффект сверхглубокого проникания. Современное состояние и перспективы // Инженерно-физический журнал. 2002. Т. 35, № 4. С.187-199.
20. Русаков М.М. Опытное моделирование метеоритного удара // Журнал ПМТФ. 1966. № 4. С.167-169.
21. Курран Д.Р. Динамическое разрушение / Зукас Дж.А., Николас Т., Свифт Х.Ф., Грещук Л.Б., Курран Д.Р. Динамика удара / М.: Мир, 1985. С.257-293.
22. Лёконт К. Высокоскоростное метание / Физика быстропротекающих процессов. Т.2 / М.: Мир, 1971. С.247-275.
23. Серебряков М.Е. Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет / М.: Оборонгиз, 1962.
24. Веддер Дж.Ф., Мандевилль Ж.-К. Микрократеры, образованные в стекле ударниками различной плотности // Механика образования воронок при ударе и взрыве / М.: Мир, 1977. С.7-32.
25. Герасимов А.В., Коняев А.А., Кульков С.Н., Толкачев В.Ф., Христенко Ю.Ф. Экспериментальное и компьютерное моделирование бронепробиваемости компактными и удлиненными элементами // Вестник Академии военных наук, 2008, № 3(24) (спецвыпуск), С.149-154.
26. Пластинин А.В. Высокоскоростной удар и динамическое нагружение композитных материалов. Дис. … к-та физ.-мат.наук / Новосибирск, 1995.
27. Нигматзянов Р.С. Кольцевые структуры как импактные кратеры. Обзор // Геофизический журнал. 2008, Т.30, №4. С.93-111.
28. Коршунов Л.Г., Зельдович В.И., Хейфец А.Э., Хомская И.В., Черненко Н.Л., Фролова Н.Ю. Эффект сверхглубокого проникновения ускоренных взрывом микрочастиц в металлы // Перспективные фундаментальные исследования / Официальный сайт ИФМ УрО РАН. http://impn.imp.uran.ru/UserFiles/File/dostizhenia/Korshunov.pdf.
29. Марукович Е.И., Ушеренко Ю.С., Ушеренко С.М. Процесс прошивки металлов и сплавов сгустками порошковых частиц // Материалы международного симпозиума “Перспективные материалы и технологии” 2015. Т.1, гл.18 / Витебск, Беларусь. С.312-329.
30. Титов В.М., Фадеенко Ю.Н., Титова Н.С. Разгон твердых частиц кумулятивным взрывом // Докл. АН СССР, Т.180, № 5, 1968. С.1051-1052.
31. Физика взрыва // под ред. Орленко Л.П. Т. 2 / М.: Физматлит, 2002.
32. Шалль Р. Физика детонации // Физика быстропротекающих процессов. Т.2 / М.: Мир, 1971. С.276-349.
33. Ганигин С.Ю., Калашников В.В., Ибатуллин И.Д., Мурзин А.Ю., Глазунова О.Ю., Григорьев А.А. Высокоскоростное ударное взаимодействие твердых микрочастиц с подложкой // Общие проблемы машиностроения / Известия Самарского НЦ РАН. Т.15, №4 (2), 2013. С.339-342.
34. Андилевко С.К., Ушеренко С.М., Шилкин В.А. Эффективность процесса сверхглубокого проникания // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24, № 17. С.81-84.
35. Алексенцева С.Е. Особенности динамического взаимодействия потока высокоскоростных порошковых частиц с металлами. Дис. … к-та физ.-мат. Наук / Самара, 1997.
36. Алексенцева С.Е., Захаров И.В., Кривченко А.Л. О роли энергий и характеристик высокоскоростного соударения и сверхглубокого проникновения частиц // Вестник Сам. ГТУ, сер. Техн. науки. 2014, №4 (44). С.84-92.
37. Соболев В.В., Ушеренко С.М., Билан Н.В., Чебенко Л.Ю. Сверхглубокое проникновение микрочастиц в металлы // Сучасні ресурсоенергозберігаючі технології гірничого виробництва / Кременчук: КрНУ, 2012. Випуск 2/2012 (10). С.96-105.
38. Алексенцева С.Е., Кривченко А.Л. Воздействие потока высокоскоростных дискретных частиц с различными характеристиками на металлы // Вестник Сам. ГТУ, сер. Техн. науки. 2014, №2 (42). С.56-61.
39. Альтшулер Л.В., Андилевко С.К., Романов Г.С., Ушеренко С.М. О модели сверхглубокого проникания // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15, Вып. 5. С.55-57.
40. Ганигин С.Ю., Калашников В.В., Журавлев А.Н., Паклев В.Р., Ибатуллин И.Д., Глазунова О.Ю. Детонационные методы модификации поверхностных слоев // Надежность изделий и материалов / Известия Самарского НЦ РАН. Т. 14, № 1 (2), 2012. С.537-540.
41. Хомская И.В., Зельдович В.И., Фролова Н.Ю., Хейфец А.Э., Ушеренко С.М. Взаимодействие ускоренных взрывом порошковых частиц с металлическими преградами / Физика экстремальных состояний вещества – 2002. ИПХФ РАН, 2002. С.78-80.
42. Макаров П.В. Модель сверхглубокого проникания твердых частиц в металлы // Физическая мезомеханика. 2006. Т. 9, № 3. С.61-70.
43. Козорезов К.И., Максименко В.Н., Ушеренко С.М. Исследование эффектов взаимодействия дискретных микрочастиц с твердым телом // Избранные вопросы современной механики. Ч.1 / М.: Изд-во МГУ, 1981. С.114-119.
44. Ушеренко С.М., Ушеренко Ю.С., Марукович Е.И. Энергия, генерируемая при проникании пылевых сгустков // Изобретатель, № 10, 2012. С.44-48.
45. Нигматзянов Р.С. Галактическая первопричина границ в истории Земли // Отечественная геология. 2015. № 3. С.70-83.
46. Савченко Ю.Н., Зверховский А.Н. Методика проведения экспериментов по высокоскоростному движению инерционных моделей в воде в режиме суперкавитации // Прикладна гiдромеханiка 2009. Т. 11 № 4. С.69-75.




Рецензии:

24.12.2016, 9:42 Чуев Анатолий Степанович
Рецензия: Статья дает новое представление о ударном взаимодействии материальных объектов и представляет несомненный интерес для специалистов. Как положительное в статье отмечаю обширный список цитируемой литературы. Рекомендую статью к публикации.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх