Формирование несклеивающегося струйного потока в облицовках из аморфного сплава на основе Zr: предсказательная модель

Почему разрыв металлической струи может быть полезен

Взрывчатые вещества часто используют, чтобы пробить узкие глубокие отверстия в броне или бетоне, сжимая металлический конус в быстро движущуюся, игольчатую струю. В этом исследовании рассматривается новый способ формирования таких струй с помощью специального циркониевого «аморфного» металла. Вместо того чтобы образовывать единый гладкий копьеподобный стержень, этот материал сам по себе распадается на струю высокоскоростных фрагментов. Такое компромиссное решение — чуть меньшая глубина, но значительно более широкое отверстие — может быть ценным для боевых частей следующего поколения и технологий защиты.

Другой тип взрывного металла

Традиционные кумулятивные заряды используют ковкие металлы, такие как медь, которые сворачиваются в длинную связную струю, пробивающуюся глубоко по узкой траектории. Инженеры выяснили, что «несклеивающиеся» струи — струи, которые быстро распадаются на множество частей — могут быть предпочтительнее, когда требуется повредить большую площадь, например, расчистить широкий туннель для второго заряда или разрушить сложные конструкции. Большинство существующих несклеивающихся струй получают из лёгких пластично‑металлических смесей, которые не проникают сильно глубоко. Аморфные сплавы на основе Zr, иногда называемые объемными металлическими стеклами, сочетают большую плотность с высокой прочностью и химической реактивностью, что делает их перспективными кандидатами для мощных, но широко рассеивающихся струй. Ранее наблюдали, что эти сплавы дают дискретные, частицеподобные струи, но до сих пор не существовало предсказательной теории, объясняющей почему.

Моделирование схлопывания конуса

Авторы строят математическую модель, которая фокусируется на маленькой области, где облицовочный металл продавливается внутрь взрывом. Близко к оси поток металла отклоняется вокруг небольшого «застойного ядра», занимая криволинейные траектории, а не прямые линии. Модель рассматривает эту область как сжимаемый круговой поток и использует описание материала, адаптированное к хрупким, стекловидным телам (модель JH‑2). Решая уравнения сохранения массы и импульса в этой зоне криволинейного потока и подгоняя их к остальной части схлопывающегося конуса, модель предсказывает, как давление, плотность и скорость потока меняются от внутренних к внешним силовым линиям. Эти предсказания затем связывают с ключевым вопросом: в какой момент локальные скорости потока достигают или превышают скорость звука в материале — условие, которое склонно дестабилизировать струю и отклонять частицы вбок, а не прямо вперёд.

Скрытый предел: максимальный угол схлопывания

Когда конус схлопывается, каждое кольцо материала закрывается под определённым углом и со скоростью. Новая модель показывает, что для Zr‑основанного аморфного сплава существует максимальный угол схлопывания: при превышении этого значения уравнения, описывающие стационарный хорошо ведующий себя поток, перестают иметь решение. С физической точки зрения это означает, что металл раннее фрагментируется, зона криволинейного потока не может оставаться стабильной, и развиваются сильные боковые (радиальные) скорости. Исследователи вывели критическую входную скорость для металла, входящего в эту область, и показали, как она зависит от геометрии и скорости звука в материале. Они также уточнили геометрическое отношение, характеризующее размер зоны потока, приведя численные предсказания модели в очень близкое согласие (примерно до полупроцента) с их подробными расчётами.

Наблюдая разрыв струи в реальном времени

Чтобы проверить свою теорию, команда изготовила реальные кумулятивные заряды с облицовкой из аморфного сплава Vit1 и детонировала их, одновременно снимая струю камерами с источником рентгеновского излучения высокой энергии. Примерно через 30 микросекунд после детонации струя выглядела похоже на обычную: длинная и почти непрерывная, с лишь луковичной утолщённостью на кончике, где частицы скапливались. Однако к 60 микросекундам передняя часть струи раскрылась в трубообразную полость, и с неё начали отрываться комки материала по радиусу — явные признаки несклеивающейся струи. Численные симуляции с теми же законами материала воспроизвели эти признаки — выпячивание на кончике, растущую полость и облако фрагментов — подтверждая, что модель захватила ключевую физику процесса.

От малых элементов к поведению струи в целом

Поскольку модель связывает каждый маленький участок облицовки с его последующим движением в струе, авторы могут картировать, какие области конуса дают связные сегменты, а какие — рыхлые частицы. Они обнаруживают, что материал у носика конуса и у его основания склонен оставаться связным, питая кончик струи и задний «комок», тогда как материал из средней области наиболее вероятно становится несклеивающимся. Эта картина согласуется с рентгеновскими снимками, где тело струи в итоге демонстрирует сильный раскол, тогда как хвост остаётся относительно цельным. Важно, что модель объясняет, почему этот распад происходит, даже если скорости столкновений в аморфном сплаве всё ещё ниже традиционного порога скорости звука, применимого к меди: хрупкий, стекловидный характер сплава в сочетании с наличием максимального угла схлопывания заставляют струю фрагментироваться.

Что это значит на практике

Для неспециалистов главное — то, что способ разрушения металлического конуса под взрывной нагрузкой — будет ли он течь гладко или рассыплется — может быть предсказан и спроектирован. Эта работа предоставляет инструмент на основе физики, который проектировщики могут использовать для выбора форм облицовок и материалов, чтобы получить либо глубокое узкое пробитие, либо более широкое, разрушительное отверстие, одновременно сохраняя хорошую прямую силу удара. В частности, она показывает, что аморфные сплавы на основе Zr естественным образом способствуют контролируемому разрушению струи, открывая путь к компактным устройствам, способным прорезать большие проходы или наносить широкие внутренние повреждения одним зарядом.

Цитирование: Niu, Y., Ji, L., Jia, X. et al. Non-cohesive jet formation of Zr-based amorphous alloy shaped charge liners: a predictive model. Sci Rep 16, 5647 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35608-0

Ключевые слова: струи кумулятивных зарядов, аморфные сплавы, несклеивающиеся струи, оболочки из металлического стекла, пробитие взрывом