Неидеальное проникновение струи кумулятивного заряда через разнесённые пластины с учётом дрейфовой скорости и зазоров

Почему это исследование важно

Кумулятивные заряды — это взрывные устройства, которые могут проделывать аккуратные глубокие отверстия в твёрдых материалах, таких как броня, бетон или порода. Их применяют в военной технике, в нефтегазовой отрасли и даже для имитации космического мусора. Проектировщики обычно предполагают, что создаваемая ими металлическая струя летит прямо, подобно игле. В этой работе показано, что в реальности струя ведёт себя сложнее: она изгибается, распадается на фрагменты и рассеивается. Эти несовершенства становятся критичными, когда струя должна пробить несколько металлических пластин с воздушными зазорами между ними — распространённая схема защиты. Понимание более реалистичного поведения помогает инженерам проектировать как более эффективные пробойники, так и более надёжную броню.

Как кумулятивные заряды пробивают металл

Кумулятивный заряд устроен так, что при взрыве коническая металлическая облицовка схлопывается внутрь и выжимается в очень быструю узкую струю. Передняя часть этой струи может двигаться со скоростями в несколько километров в секунду и обычно сверлит глубокую тонкую воронку в сплошной мишени. Классическая «идеальная» теория предполагает, что струя остаётся идеально прямой вдоль оси заряда и непрерывной. Исходя из этой картины, можно вычислить глубину проникновения для заданного расстояния между зарядом и мишенью (стэнд‑оффа). Однако десятилетия экспериментов указывают, что реальные струи ведут себя иначе, особенно если им нужно преодолевать большие зазоры или стопку разнесённых пластин.

Когда струя изгибается и распадается

На практике мелкие дефекты при изготовлении и бурный распад струи заставляют каждую крошечную частица металла приобретать боковую скорость, называемую дрейфом. По мере растяжения и дробления струи фрагменты становятся похожи на цепочку скоростных частиц скорее, чем на гладкий стержень. Авторы опираются на предыдущие исследования, чтобы описать этот дрейф через два вклада: один от неточности обработки и один от процесса разрушения. По мере увеличения боковой скорости фрагменты отклоняются от узкой воронки, которую они вырубают. Если фрагмент отходит достаточно далеко, он врезается в стенку воронки вместо её дна и больше не добавляет глубины отверстия. Одновременно растущие промежутки между последовательными частицами ещё сильнее уменьшают их эффективность при сверлении вперёд.

Построение более реалистичной модели

Чтобы учесть эти эффекты, исследователи расширяют теорию проникновения, включив в неё и радиальный дрейф, и зазоры между частицами. Сначала они используют численные симуляции и простые эксперименты по проникновению в стальные блоки, чтобы установить, как растёт диаметр воронки и как струя замедляется по мере вхождения. Затем они подбирают ключевые параметры, описывающие, насколько быстро частицы дрейфуют вбок и насколько глубина проникновения чувствительна к их разрежению. Обладая этими значениями, они вычисляют, как неидеальная, дробная струя будет вести себя при ударе по нескольким стальным пластинам, разделённым большими воздушными зазорами — имитируя слоистую броню или конструктивные щиты.

Размещение пластин на пути струи

Команда проверила свою модель на трёхпластинчатой стальной мишени, установленной под углом, с крупными зазорами между пластинами и «свидетельской» пластиной позади них. Для получения струй использовали высокочистую медную облицовку и стандартный военный взрывчатый состав. В экспериментах струя легко пробила все три пластины, но лишь небольшая её часть достигла свидетельской пластины, оставив несколько мелких отверстий общей средней глубиной около 23 миллиметров. Тщательный анализ показал, что частицы в «хвосте» струи — более медленные — терялись по пути. Их боковой дрейф был достаточно большим, чтобы они врезались в стенки воронок или летели вне оси, и поэтому они больше не вносили вклад в дальнейшее проникновение.

Что показывают результаты

Новая модель, учитывающая дрейф и разреженные частицы, предсказала, что через разнесённые пластины и с воздействием на свидетельскую пластину могут пройти только фрагменты со скоростями примерно от 5,15 до 6,25 километра в секунду. Она также предсказала глубину проникновения порядка 22 миллиметров в свидетельской пластине — что поразительно близко к измеренным данным. В отличие от этого, традиционная идеальная теория струи ожидала бы прохождения практически всей остаточной струи и, как следствие, значительно большей глубины. Такое соответствие с экспериментом показывает, что для реалистичных прогнозов необходимо учитывать искривлённую, фрагментированную и неидеальную природу струи.

Вывод для практических решений

Для неспециалистов ключевое сообщение таково: мелкие дефекты в струе кумулятивного заряда имеют большие последствия, когда струя должна пересечь несколько зазоров или слоёв. Боковой дрейф и промежутки между фрагментами незаметно лишают струю пробивной силы, особенно на больших расстояниях. Неидеальная модель авторов даёт практический способ предсказать, какая часть струи действительно переживёт слоистую защиту и насколько глубоко она проникнет в конечную пластину. Эти знания могут помочь в проектировании более эффективных систем бронирования и в более безопасном и надёжном применении кумулятивных зарядов в технике и промышленности.

Цитирование: Xiao, Q.Q., Zu, X.D., Huang, Z.X. et al. Non-ideal penetration of shaped charge jet into spaced plate based on drift velocity and gap effects. Sci Rep 16, 10072 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39841-5

Ключевые слова: струя кумулятивного заряда, разнесённая броня, механика пробивания, взрывотехническая инженерия, баллистическая защита