Действие средств поражения и боеприпасов


Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





        И.А. БАЛАГАНСКИЙ, Л.А. МЕРЖИЕВСКИЙ




ДЕЙСТВИЕ СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ И БОЕПРИПАСОВ

Издание второе, исправленное и дополненное

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 170100 «Оружие и системы вооружения», специальности 170103 «Средства поражения и боеприпасы»








НОВОСИБИРСК
2012

УДК 623.45 (075.8)
     Б 20

            Рецензенты: д-р техн. наук, профессор В.Н. Охитин, д-р техн. наук, профессор А.В. Бабкин, канд. техн. наук, доцент А.Г Ришняк, канд. техн. наук, доцент В.А. Велданов, канд. техн. наук, доцент С.В. Ладов, канд. техн. наук, вед. науч. сотр. Е. Ф. Грязнов

    Балаганский И. А.
Б 20 Действие средств поражения и боеприпасов : учеб. пособие / И.А. Балаганский, Л.А. Мержиевский. - 2-е изд., испр. и доп. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2012. - 408 с. (Серия «Учебники НГТУ»).
         ISBN 978-5-7782-1895-6
         В учебном пособии в систематизированном виде изложен комплекс вопросов, связанных с действием средств поражения и боеприпасов. Рассмотрены основные понятия теории эффективности, физические основы функционирования и поражающего действия осколочных, кумулятивных, фугасных и проникающих средств поражения. Даны расчетные формулы, позволяющие оценивать параметры полей поражения и их взаимодействие с различными объектами. Приведены критерии поражения, даны характеристики уязвимости объектов по отношению к различным поражающим факторам, представлены зависимости для оценки безопасных расстояний и стойкости различных сооружений по отношению к действию взрыва и удара. Рассмотрены вопросы, связанные с использованием численного моделирования процессов взрыва и удара.
         Учебное пособие ориентировано на студентов, аспирантов и специалистов в области изучения взрывных явлений и взрывобезопасное™. Кроме этого, оно может быть использовано при разработке защитных мероприятий при борьбе с терроризмом и техногенными авариями, связанными со взрывами.
         Во втором издании исправлены замеченные ошибки и неточности, а также значительно расширен список рекомендованной литературы.




ISBN 978-5-7782-1895-6

УДК 623.45 (075.8)

                    © Балаганский И.А.,
                      Мержиевский Л.А., 2004, 2011, 2012
                                            © Новосибирский государственный
технический университет, 2004, 2011, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие............................................................9

Принятые сокращения.....................................................11
Введение................................................................13
    В.1. Типы боеприпасов и характеристики их поражающего действия......13
    В.2. Обобщенные характеристики поражающего действия.................15
    B.3. Оценка эффективности стрельбы..................................21
    В.4. Вопросы для самоконтроля.......................................43
    Библиографический список............................................44


/liaai 1. ОСКОЛОЧНЫЕ СРЕДСТВА ПОРАЖЕНИЯ И БОЕПРИПАСЫ.45


    1.1. Основные понятия и определения. Общие сведения.................45
    1.2. Механика высокоскоростной деформации и разрушения оболочек под действием взрыва...............................................53
    1.3. Моделирование процессов взрывного разрушения оболочек с помощью стандартных макетов................................................60
    1.4. Статистические модели полей разлета осколков и формируемых осколочных спектров....................................................72
    1.5. Внешняя баллистика осколков...................................83
    1.6. Виды поражающего действия осколков............................87
    1.7. Законы поражения целей осколками..............................89
    1.8. Приведенная зона поражения цели осколочным действием..........93
    1.9. Методы оптимизации параметров осколочных боеприпасов..........94

1.10. Характеристики уязвимости объектов по отношению к осколочному действию, определение безопасных расстояний.......................101
    1.11. Вопросы для самоконтроля....................................105
    Библиографический список..........................................107


Глава 2. СРЕДСТВА ПОРАЖЕНИЯ И БОЕПРИПАСЫ КУМУЛЯТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ...........................................................109
    2.1. Основные понятия и определения. Общие сведения............109
    2.2. Физические основы функционирования........................116
    2.3. Импульсное нагружение оболочек, их метание и обжатие......131
    2.4. Формирование, растяжение металлических струй и их проникание в преграды......................................................134
    2.5. Инженерная методика расчета параметров функционирования кумулятивного заряда...................................................138
    2.6. Влияние конструктивных параметров и технологии изготовления кумулятивного заряда на пробивное действие.......................146
    2.7. Влияние условий применения кумулятивных боеприпасов на их действие...........................................................154
    2.8. Формирование и действие компактных поражающих элементов...157
    2.9. Действие кумулятивных боеприпасов по современной танковой броне.159
   2.10. Методы оценки эффективности кумулятивного действия........164
   2.11. Вопросы для самоконтроля..................................166
    Библиографический список.......................................167


Глава 3. СРЕДСТВА ПОРАЖЕНИЯ И БОЕПРИПАСЫ ФУГАСНОГО ДЕЙСТВИЯ.........................................................169
    3.1. Основные понятия и определения. Общие сведения...........169
    3.2. Взрыв заряда в воздухе...................................181
    3.3. Отражение ударных волн от преград и обтекание преград ударными волнами........................................................194
    3.4. Определение параметров воздушной ударной волны при взрыве топливно-воздушных смесей.........................................204

3.5. Оценка воздействия ударных волн на различные объекты............217
    3.6. Взрыв заряда в воде.............................................232
    3.7. Взрыв заряда в грунте...........................................239
    3.8. Вопросы для самоконтроля........................................252
    Библиографический список.............................................253


Глава 4. СРЕДСТВА ПОРАЖЕНИЯ И БОЕПРИПАСЫ ПРОНИКАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ............................................................255

    4.1. Основные понятия и определения. Общие сведения.............255
    4.2. Соударение ударников с преградами..........................270
    4.3. Постановка различных задач проникания и пути их решения....294
    4.4. Удар стержнями.............................................300
    4.5. Особенности соударения с тонкими преградами (экранами).....310
    4.6. Экспериментальные и экспериментально-теоретические методы конечной баллистики...................................................312
    4.7. Вопросы для самоконтроля...................................319
    Библиографический список........................................321


Глава 5. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ ......................................................323

    5.1. Введение. Основные понятия................................323
    5.2. Система уравнений механики сплошной среды.................328
    5.3. Модели, описывающие поведение сред при интенсивных динамических нагрузках......................................................332
       5.3.1. Упругая среда........................................334
       5.3.2. Гидродинамическая модель.............................336
       5.3.3. Упругопластические, вязкопластические и упруговязкопластические тела...................................................339
       5.3.4. Дислокационные модели................................341
       5.3.5. Основные положения модели вязкоупругого тела максвелловского типа.....................................................346

5.4. Численные методы решения динамических задач..................357
    5.5. Примеры численного моделирования.............................365
    5.6. Вопросы для самоконтроля.....................................383
    Библиографический список..........................................386


Приложения..........................................................388
    П1. Сведенные срединные ошибки при стрельбе дивизионом после полной подготовки исходных данных....................................388
    П2. Значения приведенной функции Лапласа........................389
    П3. Основные системы единиц и связь между ними...................391
    П4. Свойства взрывчатых веществ.................................399
    П5. Ударные адиабаты веществ....................................404
    Библиографический список........................................407

    ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ



    С момента выхода первого издания прошло семь лет. За это время книга получила некоторую известность среди читателей. При этом был замечен ряд неточностей и ошибок, которые нуждались в исправлении. Кроме того, за прошедшие годы было опубликовано много научных статей, ряд монографий, учебников и учебных пособий по затрагиваемой в данном учебном пособии тематике. Все это обусловило необходимость доработки материала и второго исправленного и дополненного издания.
    Несмотря на то что в последние годы стали доступны сведения о современных конструкциях средств поражения и боеприпасов, авторы не считают целесообразным описывать их в предлагаемом издании, поскольку считают, что знакомство с классическими конструкциями позволит при необходимости легко разобраться в устройстве и действии современных средств поражения, в том числе и высокоточных. В конце каждой главы имеются ссылки на источники, содержащие описание современных средств поражения и боеприпасов.
    Во введении даны основные понятия теории эффективности боеприпасов и средств поражения. В первой главе рассмотрены устройство и действие осколочных боеприпасов; во второй главе - устройство и действие кумулятивных. В третьей главе описаны фугасные средства поражения и боеприпасы; в четвертой главе - средства поражения и боеприпасы проникающего действия. Поскольку в последние годы исследование процессов взрыва и удара невозможно без широкого применения численного моделирования, авторы сочли необходимым посвятить этим вопросам отдельную главу (гл. 5). В ней не ставится цель научить созданию программных систем для численного моделирования - их более чем достаточно. Важно научить грамотно использовать существующие программные системы и комплексы.
    Даны расчетные формулы, позволяющие оценить параметры полей поражения и их взаимодействия с различными объектами. Приведены критерии поражения, характеристики уязвимости объектов по отношению к различным поражающим факторам, представлены зависимости для оценки безопасных

ПРЕДИСЛОВИЕ

расстояний и стойкости различных объектов и сооружений по отношению к действию взрыва и удара. При написании учебного пособия обобщен опыт преподавания соответствующих дисциплин в Новосибирском государственном техническом университете, Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана, Балтийском государственном техническом университете им. Д.Ф. Устинова и в Военном авиационном техническом университете им. Н.Е. Жуковского. В учебном пособии также нашли отражение результаты собственных исследований авторов.
    В книге не нашли отражения вопросы, связанные с устройством и действием систем управления и наведения высокоточных средств поражения, так как они представляют собой отдельный и обширный предмет для изучения. Используемые размерности не всегда даны в системе СИ, поскольку в цитируемой литературе и в классических изданиях, посвященных действию средств поражения и боеприпасов, как правило, используются специфические артиллерийские единицы измерения величин. Авторы надеются, что читатель разберется в используемых единицах, что поможет ему в дальнейшем без затруднений знакомиться со специальной литературой. Для облегчения перевода единиц измерений в приложении приведены таблицы с переводными коэффициентами и необходимыми пояснениями. Предполагается, что читатель знаком с основами теории вероятностей, физики взрыва и газовой динамики.
    Издание ориентировано на студентов, аспирантов, специализирующихся в области изучения взрывных, явлений и взрывобезопасности. Кроме этого, оно будет полезно и другим специалистам в области разработки защитных мероприятий при борьбе с терроризмом и техногенными авариями, связанными со взрывами.
    В предлагаемом вниманию читателей втором издании устранены замеченные неточности и опечатки и существенно расширен список рекомендуемой литературы.
    Введение, главы с первой по третью и первый раздел четвертой главы написаны И.А. Балаганским, четвертая и пятая главы - Л.А. Мержиевским. В конце каждой главы приведен библиографический список цитированных источников.
    При написании разделов 2.1, 3.1, 4.1 также использованы материалы Г.В. Ермакова, при написании раздела 3.5- В.В. Селиванова.

    ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ


ЗРК РЛС ОБП ПЭ ОФС вв пв

  - зенитно-ракетный комплекс
  - радиолокационная станция
  - осколочный боеприпас
  - поражающий элемент
  - осколочно-фугасный снаряд
  - взрывчатое вещество
  - продукты взрыва

    ОФМ    - осколочно-фугасная мина
    АРС    - активно-реактивный снаряд
    ОФАРМ - осколочно-фугасная активно-реактивная мина ОФС/ГГ - осколочно-фугасный снаряд с газогенератором ГПЭ - готовый поражающий элемент БЧ   - боевая часть
    ОБЧ  - осколочная боевая часть
    ЗД    - заданное дробление
    ЕД    - естественное дробление
    САУ    - самоходная артиллерийская установка
    РСЗО   - реактивная система залпового огня
    ПТРК - противотанковый ракетный комплекс ОФБП - осколочно-фугасный боеприпас ЛУТ    - легкоуязвимая техника
    ЛБТ    - легкобронированная техника
    ЖС     - живая сила
    РДТТ   - ракетный двигатель на твердом топливе
    ОЖС    - открыто расположенная живая сила
    ЖСБ    - живая сила в бронежилетах
    ВФС    - войсковые фортификационные сооружения
    КО     - кумулятивная облицовка

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

 КС  - кумулятивная струя                           
КЗ   - кумулятивный заряд                           
     - детонационная волна                          
Дф   - детонационный фронт                          
ИУВ  - инициирующая ударная волна                   
УВ   - ударная волна                                
ВУВ  - воздушная ударная волна                      
ПУВ  - падающая ударная волна                       
ОУВ  - отраженная ударная волна                     
ГУВ  - головная ударная волна                       
тт   - тройная точка                                
ВР   - волна разрежения                             
ПТУР - противотанковая управляемая ракета           
БПС  - бронебойный подкалиберный снаряд             
дз   - динамическая защита                          
эдз  - элемент динамической защиты                  
твс  - топливно-воздушная смесь                     
нкпв - нижний концентрационный предел воспламенения 
вкпв - верхний концентрационный предел воспламенения
ГП   - газовый пузырь                               

            ВВЕДЕНИЕ



    В.1. ТИПЫ БОЕПРИПАСОВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
    ИХ ПОРАЖАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ

    Основные понятия и определения. Понятие «средства поражения и боеприпасы» включает в себя широкий круг разнообразных элементов вооружения: от патронов стрелкового оружия и ручных гранат до артиллерийских и минометных выстрелов, авиационных и глубинных бомб, боевых частей ракет и торпед, инженерных и морских мин, предназначенных для поражения живой силы и техники противника, разрушения сооружений и укреплений и выполнения специальных задач.
   Под поражающим действием понимается способность боеприпаса обеспечивать поражение при условии, что он уже находится у цели и все его элементы отработали без сбоев. Не следует, таким образом, смешивать понятия эффективности поражающего действия боеприпаса у цели и эффективности его боевого применения. Очевидно, что эффективность боевого применения зависит не только от действия боеприпаса у цели, но и от точности доставки боеприпаса, надежности работы всех его элементов и прежде всего взрыва-тельного устройства, способности противостоять защитным мерам, осуществляемым противником, и от многих других факторов.
   В качестве наглядного примера можно вспомнить историю создания термоядерного оружия. В США впервые было испытано термоядерное устройство, а первая термоядерная бомба была создана в СССР. Устройство, созданное в США, имело такой вес, что о доставке к реальной цели говорить было бессмысленно. Оно обладало поражающим действием, но его боевая эффективность отсутствовала полностью.
   Типы боеприпасов и виды их поражающего действия. Для того чтобы обеспечить поражение целей, необходимо оказывать на них какое-либо воздействие. Принято выделять:
   • действие осколочного потока;

• проникающее действие;
    • кумулятивное действие;
    • действие ударной волны и продуктов взрыва;
    • зажигательное действие;
    •     действие проникающей радиации и электромагнитного излучения ядер-ного взрыва.
    Все боеприпасы в зависимости от того, каким поражающим фактором определяется их основное действие, подразделяются на следующие типы:
    •     осколочные (боеприпасы естественного, заданного дробления и с готовыми поражающими элементами, стержневые боевые части, пороховая и взрывная шрапнель, картечь);
    •     проникающие (боеприпасы стрелкового оружия, бронебойные и бетонобойные);
    •     кумулятивные (кумулятивные боеприпасы и боевые части с одним кумулятивным узлом и тандемные, боеприпасы со снарядоформирующими зарядами);
    • фугасные, в том числе боеприпасы объемного взрыва;
    • зажигательные;
    • ядерные (основанные на реакции деления или синтеза);
    •     унифицированные по действию (осколочно-фугасные, бронебойно-зажигательные, кумулятивно-осколочные и т.д.).
    В отдельную группу можно выделить боеприпасы помех, которые не наносят поражения цели, а служат средствами противодействия для защиты или снижения ущерба от действия средств поражения противника. С этой же целью разрабатываются боеприпасы активной защиты, которые призваны уничтожать боеприпасы противника при подходе их к цели.
    Существует также множество боеприпасов вспомогательного и специального назначения: осветительные, дымовые и ряд других, которые здесь рассматриваться не будут.
    Как мы видим, способов воздействия на объекты поражения относительно немного, несмотря на огромное разнообразие конструкций средств поражения и боеприпасов. В основном все они определяются либо кинетической энергией самого боеприпаса, либо химической энергией взрывчатого вещества, которым снаряжен боеприпас. И в том и в другом случае закономерности, описывающие процессы формирования полей поражения и сами процессы поражения, определяются уравнениями, описывающими поведение материалов при импульсном нагружении.

Введение

15

   В рамках данного курса мы достаточно подробно рассмотрим поражающее действие осколочных, кумулятивных, фугасных и проникающих боеприпасов.

    В.2. ОБОБЩЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
    ПОРАЖАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ

    Поражающее действие боеприпасов и средств поражения можно характеризовать разными величинами. Скажем, для осколочных средств поражения иногда применяют такие характеристики, как количество убойных осколков, расстояние, на котором осколок способен пробить преграду заданной толщины; действие кумулятивных боеприпасов оценивают по толщине пробиваемой брони; для оценки фугасных боеприпасов используют величину избыточного давления на фронте ударной волны и т.д. Такие показатели не позволяют достаточно полно охарактеризовать поражающее действие и, таким образом, сравнивать боеприпасы между собой, не дают возможности решать задачи по выбору и обоснованию конструктивных параметров вновь разрабатываемых средств поражения. Поэтому в настоящее время для решения этих задач используют так называемые обобщенные характеристики поражающего действия, которые содержат в себе сведения о конструктивных параметрах боеприпасов, о частных показателях их поражающего действия, об уязвимости цели, об условиях применения боеприпасов и о степени наносимого цели ущерба.
   Типы поражения. Применительно к наземным целям в качестве численной характеристики ущерба принято использовать минимальное время, в течение которого пораженная цель не может функционировать как боевая единица. В соответствии со временем, на которое цель прекращает функционирование, вводится три основных типа поражения целей:
   тип А - решение задач операции;
   тип В - решение задач дня;
   тип С - решение задач боя.
   Отметим, что для различных целей и различных боевых задач по их поражению время, соответствующее различным типам поражения, может существенно варьироваться, а в ряде случаев вводятся дополнительные типы поражения (например, для бронированной техники используют тип поражения D). Иногда отождествляют поражение по типу А с уничтожением цели, по типу В -с выводом из строя, по типу С - с подавлением.

Тип поражения устанавливается в техническом задании на разработку и определяется для техники временем нарушения боевого функционирования, а для живой силы связывается с минимально необходимым временем госпитализации и лечения (табл. В.1).


Таблица В.1

Типы поражения целей

  Цель        Боевая техника               Живая сила          
   Тип       А       В     С    D        А        В       С   
поражения                                                     
  Время                                                       
 вывода   7 суток 12...24ч Зч ЗО мин 2...З мес. 1 мес. 7 суток
из строя                                                      

    Ударные и дистанционные боеприпасы. Все боеприпасы при оценке эффективности поражающего действия можно разделить на боеприпасы ударного, или контактного, действия, способные поразить цель только при прямом попадании в нее (кумулятивные, бронебойные, бетонобойные), и боеприпасы дистанционного действия, способные поразить цель при взрыве от нее на некотором расстоянии (осколочные, фугасные).
    Обобщенные характеристики боеприпасов ударного действия. Для боеприпасов ударного действия исчерпывающей характеристикой, определяю

щей их разрушающее действие по одиночным малоразмерным целям, является

Рис. В.1. Вид условного закона поражения

условный закон поражения G(т), под которым понимают вероятность поражения цели при условии, что в нее попало т снарядов. Условный закон поражения одновременно определяет собой как разрушительную мощь, так и степень уязвимости цели по отношению к поражающему действию попавших в нее боеприпасов. Функция G(т) имеет смысл только для целых т, однако для наглядности обычно соединяют все точки плавной кривой, как показано на рис. В.1.

    Удобной численной характеристикой условного закона поражения явля


ется среднее необходимое число попаданий го, представляющее собой мате-