Динамика удара - Зукас Дж. А.
Скачать (прямая ссылка):
Немало усилий было затрачено в недавнем прошлом на изучение осколков, вылетающих из тыльных поверхностей броневых плит при пробивании их длинными стержнями, так как эти данные очень нужны для определения эффективности сплошных бронебойных снарядов при стрельбе по бронированным целям, таким, как танки и бункеры.
4.1.3. ПРОБИВАНИЕ ТОНКИХ ПЛАСТИН
Логическим продолжением обсуждения механизмов проникания со сверхвысокими скоростями является рассмотрение пробивания очень тонких мишеней, на которое затрачивается лишь малая часть кинетической энергии снаряда. Эта область механики проникания имеет особое значение по двум причинам. Во-первых, ее результаты используются при проектировании двойной противометеоритной защиты, предохраняющей космические аппараты от повреждения или разрушения при встрече с метеороидами. Во-вторых, соударение с тонкими пластинами дает единственную возможность наблюдать гидродинамические процессы, происходящие на ранних стадиях любых соударений со сверхвысокими скоростями, изолированно, т.е. отдельно от явлений, обусло- Механика соударения со сверхвысокими скоростями 183
вленных вязкопластическими и упругими свойствами материалов, которые затрудняют изучение гидродинамической фазы соударения.
Начнем с рассмотрения основных физических процессов, происходящих при соударении «коротких» снарядов с тонкими пластинами. В первое мгновение контакта снаряда с мишенью в обоих телах возникают напряжения, определяемые соотношениями Гюгонио. Эти напряжения распространяются в виде ударных волн по снаряду в направлении его донного среза и в мишени в направлении движения снаряда до тех пор, пока не достигнут свободных поверхностей. Здесь они отражаются, превращаясь в волны растяжения, амплитуды которых равны и противоположны по знаку амплитудам первичных волн сжатия. Обычно первой свободной поверхностью, до которой доходит ударная волна, является задняя поверхность мишени. Совместное действие распространяющейся вперед волны сжатия и отраженной от задней стенки мишени волны растяжения приводит к тому, что материал мишени, оказавшийся на пути снаряда, выбрасывается из нее в направлении его движения со скоростью, практически равной скорости соударения. Одновременно первичная ударная волна, распространяющаяся в направлении донного среза снаряда, достигает его боковых и донной поверхностей. В результате этого волнового процесса в материале снаряда возникает поле скоростей, которое вынуждает большую его часть следовать за материалом мишени сквозь образовавшееся в ней отверстие и далее в расширяющийся сноп осколков. Остаток материала выбрасывается назад в виде конуса мелких частиц с вершиной в месте соударения. Одновременно боковые стенки пробоины раздвигаются с быстро затухающей скоростью, образуя отверстие, диаметр которого в несколько раз превышает диаметр снаряда.
Такой характер соударения представляет исключительный интерес с точки зрения фундаментальных исследований свойств материалов, так как практически весь материал снаряда и мишени, подвергшийся воздействию первичной ударной волны, выбрасывается в виде потоков осколков по обе стороны от мишени в течение периода времени, когда напряжения в этих материалах многократно превышают их пределы прочности. Поэтому с полной гарантией можно предположить, что поведение материалов является чисто гидродинамическим и что последствия такого поведения «законсервированы» в характеристиках снопов осколков. А эти характеристики можно измерять в течение достаточно продолжительного времени после соударения множеством технических средств. Таким образом, пробивание тонких пластин со сверхвысокими скоростями представляет собой единственный известный метод изучения гидродинамического поведения твердых тел без осложняющих факторов.
Противометеоритные экраны. Тонкие пластины широко применяются в системах противометеоритной защиты космических аппаратов. Основная идея такой защиты связана с установкой перед защищаемой поверхностью, на некотором расстоянии от нее, тонкой пластины, которая при 184
Г лава 2
встрече с метеороидом будет заведомо пробита, однако и метеороид при этом прекратит существование. Сноп осколков, образующихся при пробивании пластины (экрана) расширяется в поперечном и продольном направлениях и взаимодействует с защищаемой поверхностью по гораздо большей площади. В результате интенсивность нагружения второй пластины резко падает. Эксперименты показали, что, используя две пластины вместо одной, можно в 10 раз снизить вес системы защиты при той же ее эффективности. Теория предсказывает, что в случае защиты от типичных метеороидов в околоземном пространстве выигрыш может быть вдвое больше.
Проникающая способность снопа осколков зависит от состояния материала в нем. Если материал, выбрасываемый из экрана в сторону защищаемой поверхности, находится в парообразном состоянии, то интенсивность ударного нагружения быстро падает с увеличением расстояния между пластинами. Облако жидких капель оказывает на защищаемую поверхность примерно такое же воздействие, что и пар. Поскольку жидкость в каплях удерживается только силами поверхностного натяжения, летящие в направлении второй пластинки капли непрерывно дробятся, пока не станут очень маленькими. Поэтому кратеры, образующиеся при бомбардировке поверхности каплями, не представляют серьезной опасности, хотя их размеры превышают диаметр капель в несколько раз. Согласно экспериментальным данным, образующиеся за защитными экранами снопы капель являются тонкими, а это значит, что все фрагменты, летящие из места соударения в одном направлении, вылетают одновременно и движутся с одной скоростью. Обусловленная этим малая длительность локальных нарушений объясняет появление отколов на защищаемой пластинке. Такие случаи действительно были зарегистрированы в экспериментах. Если осколки, вылетающие из защитного экрана, остаются твердыми, то они вызывают локальные повреждения защищаемой поверхности, и никакое мыслимое увеличение расстояния между пластинами не может ослабить их разрушительного действия.
