0. 2.3.2. Процесс формирования кумулятивной струи и ее устойчивость

При истечении через поверхность кумулятивной выемки продукты детонации будут отклоняться от первоначальной траектории так, что максимум действия будет иметь направление, почти перпендикулярное к этой поверхности. Происходит своеобразное преломление направления движения продуктов взрыва и возникающего перед ними фронта ударной волны. В результате такого движения элементарных струй будет образован поток продуктов детонации, сходящийся вдоль оси кумулятивной выемки и обладающий повышенной плотностью и скоростью по сравнению с продуктами детонации, разлетающимися в других направлениях. Процесс формирования кумулятивной струи схематически показан на рисунке №2.5.

Отдельные элементарные струи будут двигаться перпендикулярно поверхности выемки только в непосредственной близости к поверхности выемки. В дальнейшем элементарные струи будут соударяться и образовывать единую струю. В этой струе продукты детонации по мере удаления от поверхности выемки будут всё больше и больше уплотняться пока их плотность не достигнет максимального значения. Расстояние между основанием заряда и сечением струи, в котором достигнута максимальная плотность продуктов детонации названо кумулятивным фокусом.

Фокусное расстояние при заданном профиле выемки изменяется в зависимости от скорости детонации ВВ заряда. Чем меньше скорость детонации тем больше фокусное расстояние. Это является одной из причин существенного падения кумулятивного эффекта при подрыве зарядов ВВ из малобризантных ВВ.

В теории кумуляции вводится понятие «активная часть кумулятивного заряда»; фактически это та часть заряда ВВ, которая непосредственно идёт на формирование кумулятивной струи.

Действие цилиндрического заряда с кумулятивной выемкой, облицованной металлом.

Многие исследователи видят различие между газовой струёй и струёй из металла прежде всего в значительно большем уплотнении струи при использовании металлических облицовок. Существенен также и инерционный фактор, который определяет большее пробитие мишени металлической струёй несмотря на тот факт, что общая начальная энергия струи кумулятивного заряда с облицованной выемкой не больше, а даже меньше энергии газовой струи заряда без облицовки, за счёт того, что часть энергии взрыва затрачивается на сжатие облицовки.

В этом плане физические основы образования и последующего движения струи после подрыва заряда ВВ с облицованной выемкой состоят в следующем.

На первой стадии по Ф.А Бауму, К.П.Станюковичу и Б.И. Шехтеру и ряду других авторов происходит скоростное обжатие облицовки. В зависимости от характеристики ВВ скорость обжатия стального конуса с толщиной стенки 1-2 мм варьирует в диапазоне 1000 – 2500м/с. Такая высокая скорость обжатия превращает металлическую облицовку в компактное образование – пест рис. №2.6, давая начало зарождению и последующему развитию струи.

Здесь нужно сказать, что после завершения обжатия песта металл внутри него не переходит в расплав, но в то же время состояние металла в определённой внутренней области песта претерпевает фазовый переход. Практически все исследователи не обращали внимание на тот важнейший факт, что струя формируется именно из материала, который уже не является твёрдым телом, но и не перешёл в расплав. Именно такое состояние материала определяет многие особые свойства кумулятивной струи. Прежде всего, в кумулятивной струе, как в квантовомеханической системе за счёт нахождения частиц металла в возбуждённом состоянии энергия со всей струи передаётся в её головную часть, при полном отсутствии рассеивания энергии в радиальном направлении. Это предопределяет высокую пробивную способность при сравнительно малой массе струи. По данным Ф.А Баума, К.П.Станюковича и Б.И.Шехтера, струя образуется исключительно за счёт течения металла, (но не расплава) прилегающего к внутренней поверхности облицовки; масса металла, переходящего в кумулятивную струю, не превышает 11% от массы облицовки.

Для нормального процесса обжатия облицовки, по мнению тех же исследователей, необходима высокая пластичность её материала. В процессе деформирования облицовки не должно происходить хрупкого разрушения её, так как в противном случае в значительной степени уменьшится коэффициент перехода металла в струю и соответственно снизится пробивная способность кумулятивного заряда. При оценке пластичности материала облицовки нужно иметь в виду, что физико- механические свойства материалов при высокоскоростных деформациях могут в корне отличаться от их свойств при обычных, принятых в практике испытаний материалов, скоростях деформации.

Пест и струя на начальных стадиях составляют единое целое, хотя и движутся с различными скоростями. Скорость песта составляет 500 – 1000м /с. Скорость струи варьирует по её длине. Головная часть может достигать скорости 10км/с, в то время как скорость хвостовой части близка к скорости песта. В таблице№2.4 приведены зависимости скорости головной части кумулятивной струи от некоторых факторов.

Таблица№2.4

Зависимость скорости головной части кумулятивной струи при стальной облицовке толщиной 1мм от некоторых факторов.

Размеры заряда		Форма выемки	Параметры выемки		Скорость головной части струи, м/с
Диаметр, мм.	Высота, Мм.		Диаметр основания, Мм.	Угол раствора конуса, град.
30	70	Полу-сфера	28	-	3000
30	70	Конус	27,2	60	6500
30	70	Конус	27,2	35	7300
30	70	Конус	27,2	27	7400
30	70	Гипер-бола	27,2	-	9500

Устойчивость кумулятивной струи.

На основе обширных экспериментальных и теоретических исследований установлено, что частичное или полное искажение кумулятивной струи происходит по следующим причинам:

1. Попадания в кумулятивную выемку жидкости;

2. Расположение преграды ближе фокусного расстояния;

3. Ассиметрии подходящего к поверхности облицовки кумулятивной выемки фронта детонационной волны;

4. Недостаточного качества применяемой кумулятивной облицовки;

5. Частичного разложения заряда под действием высокой температуры до момента срабатывания его в скважине.

Заполнение жидкостью кумулятивной выемки делает невозможным сам кумулятивный эффект. При близком расположении преграды к основанию заряда струя не сможет окончательно сформироваться.

Ассиметрия фронта детонационной волны приведёт к смещению оси струи относительно геометрической оси заряда.

Кумулятивная облицовка не должна иметь даже малейшей разностенности и обладать особыми свойствами, обеспечивающими максимальный переход материала в струю.

Разложение кумулятивного заряда при действии высоких температур снижает не только запас энергии, участвующий в формировании струи, но и Высокие градиенты скорости в кумулятивной струе являются причиной растяжения струи вплоть до разрыва её на отдельные фрагменты. На рис. №2.7 приведена схема ситуации после растяжения кумулятивной струи, находящейся в свободном полёте, до максимального значения L_с. При дальнейшем растяжении струя будет фрагментироваться.

Деформацию кумулятивной струи при возможных ассиметриях взрывного импульса и облицовки детально исследовал Крейн. Он показал, что даже при незначительной ассиметрии кумулятивной облицовки или взрывного импульса происходит сдвиг центра формирования струи относительно оси заряда ВВ. В связи с этим, а также вследствие изменения во времени начальных скоростей и направлений элементов струи происходит её искривление.