1. Энергия высокоскоростного соударения тел и ее распределение по составляющим : деформация , нагрев и повышение внутренней энергии.

Физические условия, возникающие при высокоскоростном соударении тел разнообразны, они определяются свойствами и состоянием ударника, конструкцией (структурой) и реакцией преграды. Эффекты взаимодействия реализуются в процессе ударного перехода материала преграды от исходного состояния покоя, характеризуемого стандартными показателями качества, – физическими и механическими характеристиками – к конечному состоянию покоя материала с разнообразными повреждениями. Процесс ударного перехода для сплавов происходит в объемах, соответствующих размерам. При ударном взаимодействии со сверхзвуковой (для воздуха) скоростью, каждый локальный объем структуры воспринимает ударную волну из-за ее преломления и отражения на границах, что вызывает неопределенность обмена импульсом и энергией между объемами структуры: и ,

где (mv) – неопределенность величины импульса в локальной области; х – неопределенность ее смещения; Е – неопределенность энергии, приходящейся на локальную область;  – неопределенность интервала времени; А и В – характеристические параметры для данного вида взаимодействия частиц (локальных областей).Принцип неопределенности импульса и энергии должен сохраняться из-за малого времени ударного перехода   100 мкс и большого числа частиц, образующих структуру стали. Ударные волны в веществе распространяются со скоростью, превышающей скорость звука. ,

где D, с0, vM – скорости ударной волны, звука и массовой, k = (Г + 2)/2, где Г – коэффициент Грюнейзена. Для железа k = 1,92, для сплавов алюминия k = 1,40.

Упругая деформация передается в твердом теле от фронта ударной волны со скоростью звука (продольной, поперечной или объемной). Пластическая деформация передается со скоростью vM. Таким образом, при прохождении ударной волны по структурированному телу происходят разделенные во времени процессы:

доставки энергии в единичный объем, например, зерна, со скоростью ударной волны;

его упругая деформация с меньшей скоростью;

при достижении упругой деформации критического значения процесс переходит в пластическое течение с еще меньшей скоростью.

В том случае, если энергия ударной волны не полностью расходуется на деформацию после прохождения ударной волны должен происходить разогрев вещества со скоростью, определяемой ударной волной. Эквивалентная температура по энергии удара, даже за вычетом энергии, расходуемой на упругую деформацию, при давлениях удара Р  100 ГПа может достигать для железа несколько тысяч градусов. При этом металл может перейти в жидкое состояние только при разгрузке по двум основным причинам:

температура плавления повышается с давлением и достигает при Р  100 ГПа для железа 4000 С;

для перехода в жидкое состояние необходимо время и наличие свободного объема, изменение которого для железа при нормальных условиях составляет V/V  0,04.

Пик температуры за фронтом ударной волны растекается, в основном, за счет излучения на покоящееся вещество перед фронтом. При этом остаточная температура снижает модуль упругости и напряжение пластического течения материала. Локализация разрушения по одному из возможных механизмов (образование кратера, срез пробки, откол и др.) существенно снижает защитные свойства преграды.

Переход разрушения к локальному адиабатическому сдвигу означает малый расход энергии удара пули на упругую деформацию и пластическое течение. Пренебрегая им, баланс энергии пули и энергии среза с учетом равного распределения ее между пулей и преградой можно записать в виде

,откуда ,

где m1 – масса пули, L – толщина преграды, ср – предел прочности на срез стали с твердостью HRC 52. Расчетное значение ср = 850 МПа или составляет Т / 2, что обычно принимают при расчетах разделительных операций обработки давлением.С другой стороны срезу пробки очевидно предшествовало образование полосы адиабатического сдвига с поглощением такого же количества энергии и разогревом локального объема трубчатой формы между срезаемой пробкой и телом преграды. Баланс энергии этого объема на аналогичных предыдущему условиях может иметь вид

,где с – удельная теплоемкость;  – плотность;  – толщина «трубы»; v – скорость пули; d – диаметр пули.

Эта температура нагрева очевидно соответствует условиям образования полос адиабатического сдвига, закаливающихся при температуре превращения    (Т = 600 С), с оценочной скоростью охлаждения по формуле

,

где  – теплопроводность.

2. Переход состояния металлов при высокоскоростном соударении в режим гидродинамического течения.

Переход в режим гидродинамического течения означает, что произошла энергетическая компенсация за счет энергии соударения, поглощенной преградой, за счет всех энергетических факторов, включая изменение энтальпии до расплавления и изменение объема при всех видах превращения, то есть состояние металла в объеме, перешедшем в режим гидродинамического течения, аналогично состоянию перегретой жидкости. В принципе, можно предположить, что для перехода в режим гидродинамического течения температура за фронтом ударной волны должна повыситься до температуры плавления с учетом давления

Т₁  Т_пл.(Р).

Определенную оценку Т_пл(Р) можно сделать по диаграммам элементов при высоком давлении. Однако очень трудно оценить Т₁.

После перехода вещества в режим гидродинамического течения глубина проникновения L ударника в преграду зависит только от соотношения плотностей и длины ударника:

, (1)

где l_эф – эффективная длина ударника в виде компактного снаряда или кумулятивной струи; ₁ и ₂ плотность ударника и преграды. В табл. 3.9 приведена опытная и расчетная глубина проникновения кумулятивной струи стандартного заряда в различные материалы [3.66], для мягкой стали принято L^*. Видно, что реальная глубина проникновения для бетона, полиэтилена, парафина и резины значительно больше, чем расчетная.

3. Таблица 3.9

Относительная глубина проникновения кумулятивной струи стандартного заряда в различные материалы (₁ = 8,9 г/см³)

Материал	2, г/см3	в, МПа		L/L*	 /0 при Р = 100 ГПа
Мягкая сталь	7,87	400	1,0	1,0	1,37
Броневая сталь	7,87	1200	0,8	1,0	1,37
Свинец	11,3	15	1,3	0,9	1,60
Бетон	2,3	50	3,5	1,9	1,70
Плексиглас	1,2	10	2,8	2,7	1,99
Вода	1,0	–	3,0	3,0	2,69 (Р = 71)
Полиэтилен	0,9	20	5,0	3,2	2,22 (Р = 83)
Парафин	0,9	–	7,2	3,2	1,97 (Р = 53)
Резина	1,1	10	6,4	2,2	2,36 (Р = 52)

Примечания: 1. L_э – опытное значение глубины проникновения.

2. L – расчетное по (3.2).

Глубина проникновения кумулятивной струи является неустойчивой характеристикой, зависящей от многих факторов:

– от фокусного расстояния, на котором эффективность ее действия максимальна;

– от свойств материала, например (см. табл. 3.9). Глубина проникновения кумулятивной струи в свинец с плотностью на 30 % выше, чем сталь, также выше на 30 %; проникновение в броневую сталь с прочностью примерно в 3 раза больше, чем мягкая сталь, всего на 20 % ниже.

По-видимому, важное значение на пробиваемость при высокой удельной энергии (высокой скорости) имеет сжимаемость. Совпадение экспериментальных данных и расчета для воды вызвана скорее всего разными, компенсирующими друг друга, механизмами затрат энергии: потерями на разрушение в стали и потерями на турбулизацию пограничного слоя в воде и его нагрев. Поскольку в гидродинамическом режиме материалы ударника и преграды находятся в сильно сжатом состоянии, которое для пары медь – сталь составляет ₁/₀  ₂/₂₀  2,0, любое нарушение установившегося гидродинамического режима взаимодействия приводит к падению эффективности пробивания.

Конструирование броневой защиты должно обеспечить два решения двух основных задач, сформулированных в техническом задании:

1. Обеспечение эксплуатационных характеристик изделий на рабочих режимах.

2. Сохранение работоспособности изделий на режимах, выходящих за пределы, установленные проектом, которые возникают при различных видах обстрела.

Реально, проектирование систем броневой защиты базируется на технических требованиях, представляющих собой баланс эксплуатационного качества, необходимого уровня защищенности и экономических показателей. Возможности традиционных гомогенных материалов при этом практически исчерпаны и прогресс в области броневой защиты возможен при использовании композиционных материалов.