Настройка комбинированной ударной нагрузки с использованием композитных снарядов из градиентной пены с переменной формой фрагментов

Почему важны безопасные испытания взрывов

Взрывы от бомб, ракет или самодельных устройств посылают в стороны не только ударную волну горячего газа. Они также разбрасывают осколки металла на высокой скорости. Вместе эта пара эффектов — взрывная волна и фрагменты — может разрушать здания, транспорт и защитные стены гораздо сильнее, чем каждый эффект по отдельности. Воссоздать такие сложные угрозы в лаборатории опасно, дорого и часто трудно контролируемо. В этом исследовании предложен более безопасный и настраиваемый способ имитации таких жестких условий с помощью специально разработанных «пенных снарядов», внутри которых размещены металлические фрагменты, что дает инженерам новый инструмент для проектирования более эффективной брони и защитных конструкций.

Преобразование пенных снарядов в лабораторные взрывы

Исследователи опираются на идею, что быстро движущийся блок металлической пены может имитировать импульс давления взрыва при ударе о пластину. Металлическая пена похожа на твердый алюминиевый губчатый материал: легкая, сминаемая и поглощающая энергию. Выстреливая такой пенный снаряд по стальной пластине, удар генерирует короткий интенсивный скачок давления, похожий на ударную волну. Внутри пены команда встраивает твердый металлический фрагмент, который замещает осколок настоящего корпуса. Тщательно подбирая плотность пены, форму фрагмента и глубину его размещения, они могут контролировать, когда «удар» и «осколок» достигают цели и насколько сильно они действуют совместно.

Формирование скрытого осколка

В реальных взрывах отлетают неправильной формы куски металла, но в лабораториях их обычно упрощают до цилиндров с плоским торцом. В этой работе авторы сравнивают три простые формы встроенного элемента: цилиндр с плоским торцом, круглый полусферический наконечник и усеченный конус (конус с отрубленной вершиной). Все они имеют одинаковую массу и выстреливаются с одинаковой скоростью, поэтому любые различия объясняются только формой. С помощью подробных компьютерных моделей, проверенных экспериментальными данными, они отслеживают, как быстро каждый фрагмент замедляется, насколько он прогибает или пробивает стальную пластину и какие трещины или отверстия образуются.

Как форма влияет на повреждения

Моделирование показывает, что форма металлического элемента оказывает удивительно сильное влияние на характер разрушения пластины. Цилиндр с плоским торцом распределяет нагрузку на большую площадь, распространяя волны напряжения шире по пластине. Это вызывает срезание «пробки» металла и приводит к большому общему изгибу, но сам фрагмент сильнее замедляется и в итоге имеет наименьшую остаточную скорость. Полусферические фрагменты, благодаря маленькой начальной точке контакта, концентрируют силу в крошечном пятне. Они быстро пробивают пластину, создавая лепестковидные разрывы вокруг отверстия и сохраняя более высокую остаточную скорость, однако обеспечивают меньше комбинированного эффекта между ударом, создаваемым пеной, и фрагментом. Усеченный конус занимает промежуточное положение, вызывая смесь срезания и разрыва и умеренный уровень общего повреждения.

Слоистая пена для настройки удара

Помимо формы фрагмента, исследователи также настраивают саму пену. Они делят пену на три слоя по длине и варьируют плотность каждого слоя, создавая «градиент» от тяжелого к легкому или наоборот. Более плотный передний слой ведет себя как более жесткая подушка: он дает более резкий, более высокий первый толчок по пластине, но на более короткое время. Более легкий передний слой смягчает начальный удар, распределяя энергию на более длительный период. Сравнивая разные градиенты, с фрагментами и без, исследование показывает, что такие слоистые пены можно использовать для формовки временной истории контактной силы — того, насколько силен удар в каждый момент — и для регулирования того, сколько энергии фрагмента теряется до его выхода из пластины.

Что это значит для реальной защиты

Проще говоря, работа демонстрирует, что как форма носовой части скрытого металлического элемента, так и распределение плотности пены перед ним можно использовать как регуляторы для настройки разных типов угроз «взрыв плюс осколки» в лаборатории. Плоские носы и плотная передняя пена заставляют пластину работать интенсивнее и поглощать больше энергии, тогда как острые или округлые формы и более легкая пена способствуют быстрому пробитию. Концепция настраиваемого «пенного снаряда» предлагает более безопасный, повторяемый способ изучения поведения стен, панелей и брони при реалистичных комбинированных нагрузках, что помогает в разработке будущих конструкций, лучше защищающих людей и критически важную инфраструктуру от взрывов.

Цитирование: Jiang, P., Wu, C., Wang, X. et al. Tailoring combined impact loading using gradient foam composite projectiles with variable fragment shapes. Sci Rep 16, 7226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38606-4

Ключевые слова: защита от взрывов, металлическая пена, композитные снаряды, удар осколка, защитные конструкции