Абстракт- отдел импульсной физики центра Soreq {исследовательский центр баллистики в Израиле} недавно начал развитие малокалиберного чисто электротермического оружия. Эта статья сообщает обнадёживающие результаты, полученные с 25мм-вой ЕТ- пушкой. Непрерывно развиваемые оружейные технологии, основанные на традиционных баллистических процессах, во многом ограничены по причинам: (а) свойства горения метательного вещества полностью определены геометрией зернения и не могут быть изменены оперативно; (b) градиент давления между казёнником и основанием снаряда сильно зависит от молекулярного веса пороховых газов, который почти не зависит от формулы метательного вещества. Устранение первого ограничения и снижение второго- ключ электротермической технологии. ЕТ пушки используют электрическую энергию как уникальный источник ускоряющей силы. Эта энергия конвертируется в высокотемпературную плазму, которая взаимодействует в камере с инертной охлаждающей средой, служащей также ускоряющей рабочей средой. В этом исследовании было испробовано два типа рабочих сред: полиэтилен и вода. Было найдено, что полиэтилен не применим для наших целей. Эксперименты, поддержанные моделированием, показали, что степень диссоциации воды была достаточна для получения необходимой рабочей среды. Используя 750 кДж ЕТ-энергии, был получен 20%ый переход в кинетическую энергию со стандартным снарядом без превышения максимально допустимого давления для казённой части. Было показано, что хорошо известная эрозия ствола происходит, главным образом, по причине агрессивного стирания металла патрона плазменной струёй. Была разработана новая концепция патрона, главным образом, для преодоления этой проблемы. Результаты очень удовлетворительные.

1.ВВЕДЕНИЕ.

Базируясь на широком опыте в области электротермических (ЕТ) и электротермохимических (ЕТС) технологий ускорения [1-2], Soreq Propulsion Physic Division недавно начало развитие малокалиберной электротермической оружейной системы. Потенциальные преимущества этой технологии хорошо известны: увеличенная дульная энергия, ведущая к более высокой пробивной способности и лучшей дальности стрельбы. Ожидается также, что процесс будет более точный, контролируемый и с лучшей воспроизводимостью, чем традиционные выстрелы. Эти свойства также переносимы на лучшую внешнюю и граничную баллистику. Программа включает разработку пушки и необходимых модификаций для подвода электрической энергии, и системы портативного компактного индуктивного источника питания. Всю систему планируется смонтировать на лёгкой боевой машине для интервенций в трудных полевых условиях. Цель электротермического усовершенствования ускорения- увеличить дульную энергию традиционных снарядов, как минимум, на 30%.

Наша система включает стандартный 25мм-вый пушечный ствол, модифицированный патрон, приспособленный для подвода электротермической энергии, и плазменный инжектор, соединённый с блоком питания, способным посылать специальные импульсы электрической энергии. Длительность импульсов изменяется от 0,5 до 2 мс, и мощность инжекции может составлять 1 ГВт в пригодных условиях. Особенное внимание уделено плазменному импульсу, проникновению струи в патрон и её влиянию на начальную стадию баллистического процесса. Для прогноза баллистических характеристик, снижения риска и оптимизации свойств ЕТ- процесса был использован компьютерный расчёт, включающий специальные физические модели всех частей и процесса в целом [4-6]. Эти расчёты имеют дело с электрическими и механическими аспектами мощного источника питания и передачи {delivery, здесь может быть и передающая линия, и формирователь импульса}. Особая забота также уделена описанию динамики плазменной струи внутри плазменного инжектора, патрона и ствола. Программа прогнозирует, когда ожидается наибольший ЕТ- эффект на основе комбинации экспериментальных измерений и теоретического анализа волны разряжения.

Основной физический эффект может быть кратко описан как следующее. Градиент давления главным образом определён скоростью звука в среде, которая передаёт давление, созданное в казённой части, к основанию снаряда. Скорость звука возрастает с уменьшением молекулярного веса рабочего газа. Замещением относительно тяжёлых газов сгорания традиционных химических метательных веществ лёгкой рабочей средой, генерируемой с помощью электрической энергии, будут существенно улучшены баллистические свойства пушки. Рабочая среда получается путём диссоциации твёрдого или жидкого материала, присутствующего в патроне до введения горячей плазменной струи. Плазма вызывает диссоциацию материала и создаёт лёгкий газ, который служит и для охлаждения плазмы, и как эффективная рабочая среда с высокой скоростью звука. Плазменная струя генерируется в инжекторе пропусканием импульса тока через капилляр в диэлектрике [7-9]. Было показано, что плазменная струя может быть создана в стационарном режиме действия, где основные параметры струи, такие, как давление и температура, контролировались параметрами разряда, такими, как ток и геометрия. Установки для стрельб, включающие пушку, накопитель энергии и систему сбора данных, были подробно описаны в прежних публикациях [6] и не будут снова рассматриваться здесь.

2.ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ПОЛИЭТИЛЕНОМ

Первым кандидатом на рабочую среду был полиэтилен (РЕ) в форме тонких полосок, случайным образом упакованных и загруженных в патрон от 25мм-вой пушки объёмом 100 см³. Геометрическая форма кусочков РЕ была выбрана для оптимизации площади контакта с плазменной струёй. Назначение полиэтиленовых волокон двойственно. Во-первых, ожидается, что пластический материал остудит горячую плазменную струю. Это необходимо, так как температура плазмы, покидающей инжектор, может достигать 10000 К. Такой горячий газ необратимо повредит пушку (путём эрозии патрона и ствола). Ожидается, что диссоциация РЕ понизит температуру газа до нескольких тысяч градусов. Тем не менее, температура будет выше, чем в традиционных пушках. Это значит, что ожидаемый срок службы пушки будет короче, чем у обычных, основанных на метательных веществах, системах. Простые термодинамические расчёты показывают, что полная диссоциация 10 г РЕ-волокон снизит температуру газа до высокого, но приемлемого значения- 4700 К. Второй эффект РЕ-волокон- получение лёгкого газа, который действует как рабочая среда в баллистическом процессе. Кроме того, из простой теоретической оценки и при условии полной диссоциации, скорость звука в газе возрастёт в SQRT(5) раз относительно газа сгорания традиционного метательного вещества. Это поведёт к значительному уменьшению волны разрежения, т.е. градиента давления между казённой частью пушки и днищем снаряда. Алгоритм, использованный для расчёта- программа ХКТС (одномерное двухфазное течение). Способ введения ЕТ- энергии в ХКТС был описан в предыдущих отчётах и не будет обсуждаться здесь. В алгоритме предполагается мгновенная диссоциация полиэтилена с началом ЕТ- импульса. Диссоциация полиэтилена создаёт газ, посредственно определяемый двумя параметрами: молекулярным весом М и адиабатической константой γ. Калибровочная подгонка показала, что полная диссоциация моделируется значениями М=5 г/моль и γ=1,23. Неполная диссоциация моделируется использованием большего молекулярного веса и уменьшением γ.

Таблица 1 представляет результаты моделирования, выполненные для оценки возможности полной диссоциации относительно частичной, и чтобы увидеть, как добавление электрической энергии может компенсировать ухудшение характеристики из-за неполной диссоциации полиэтиленовых волокон. Базисная линия скорости, использованная в улучшенных расчётах- 1330 м/с.

Таблица 1. Результаты моделирования для ЕТ- выстрела из 25 мм-вой пушки с использованием 130 г-вого снаряда.

Эксперименты: результаты и выводы.

Методика достижения максимально допустимого давления (и, будем надеяться, дульной скорости)- постепенное изменение веса снаряда и ЕТ- энергии, вводимой в пушку. Во всех экспериментах наилучшее значение адиабатической константы, которое подходит записанным данным, найдено равным 1,12. Использование высоких энергий не помогло достигнуть более полной диссоциации полиэтилена. Значительная эрозия ствола по причине разбрызгивания патрона плазмой повреждает пушку. Это напрямую коррелирует со слабым разложением полиэтиленовых волокон. Следовательно, плазма не достаточно охлаждается полиэтиленом и серьёзно повреждает металлический патрон. В заключении, результаты были вполне неутешительные: даже когда была введена ЕТ- энергия 550 кДж при мощности 800 МВт, максимальное давление составило только 2600 бар и дульная скорость 1280 м/с. Полная диссоциация должна была привести к максимальному давлению больше 4000 бар. Экспериментальные результаты показывают, что плазмой была вызвана только очень неполная диссоциация полиэтиленовых волокон. Ожидаемый процесс охлаждения не происходил, и струя вызывала тяжёлые повреждения ствола пушки. Сверх того, получающийся газ не был достаточно лёгким для значительного улучшения баллистических характеристик. Наибольшее увеличение скорости, наблюдавшееся для утяжелённого снаряда, не превышало 5%.

Теперь открылись два главных направления: первое- попытаться увеличить диссоциацию полиэтилена путём испытания полиэтиленовых материалов других размеров/форм/марок, что могло, будем надеяться, оптимизировать перенос энергии с плазменной струёй. Второй вариант был- поискать другие материалы, с которыми мы имели опыт работы из прошлых исследований- около 10 лети назад- с водой [11]. Мы решили остановиться на втором варианте.

3.ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ВОДОЙ

Теоретические рассуждения.

Взаимодействие плазменной струи с водой- сложный процесс, который включает энергетику, гидродинамику, неравновесную химию и термодинамику. Взаимодействие происходит на поверхности раздела между струёй и жидкостью. Это означает, что перенос энергии прямо пропорционален поверхности жидкости, подвергаемой действию плазмы. Эта площадь сама по себе является функцией свойств струи, таких как форма, температура и скорость. Общая площадь зависит от образования и развития двух гидродинамических нестабильностей: полость (cavity) Релея- Тейлора (проникновение струи) и эффект Кельвина- Гельмгольца (образование капель из-за поперечной силы) [12]. На поверхности взаимодействия сначала развивается процесс испарения воды. Дальше, если позволяют условия, более полная диссоциация до молекулярных, или даже атомарных водорода и кислорода.

Испарённая вода имеет молекулярный вес 18 г/моль. Газы сгорания традиционных метательных веществ имеют средний молекулярный вес 24 г/моль. Выигрыш в скорости звука становится равен SQR(24/18)= 15%. Это может, по крайней мере, теоретически, компенсировать волну разряжения вдоль ствола. С энергетической точки зрения, легко видеть, что только 4 кДж необходимо для испарения 10 г жидкой воды. Диссоциация 1 моля воды (18 г) на молекулярный водород и кислород требует около 572 кДж энергии, т.е. около 290 кДж для 10 г воды и получения газа со средним молекулярным весом 12 г/моль. Диссоциация на атомы даст средний молекулярный вес 6 г/моль. Однако, оба процесса (испарение и диссоциация) требуют очень эффективных процессов перемешивания, что очень далеко от достигаемого за малое время выстрела. Наконец, подобно случаю с полиэтиленом, охлаждающая способность воды будет зависеть от степени диссоциации: простое испарение воды почти не окажет влияния на температуру плазмы, тогда как полная диссоциация будет сильно охлаждать смесь и «красть» не пренебрежимое количество энергии, которую невозможно больше будет передать снаряду. Реальная смесь будет, наверное, включать все возможные составляющие: водяной пар, некоторое количество молекулярного водорода и кислорода, и, может быть, небольшое количество атомарных составляющих. Точный состав смеси не может быть предсказан, но будет иметь видимое влияние на эрозию патрона/ствола (охлаждающий эффект) и на баллистические характеристики (эффект молекулярного веса).

Эксперименты.

После нескольких тестовых/калибровочных экспериментов мы решили использовать воду в форме пены низкой плотности (около 0,1 г/см³). Снаряд (80 г) был выстрелен с использованием 400 кДж электрической энергии (длительность импульса 1,2 мс при мощности 500 МВТ). 2 г желатинизированной воды было помещено сзади снаряда для предотвращения прямого контакта плазменной струи с днищем снаряда. Было зарегистрировано максимальное давление в казённой части 2600 бар и дульная скорость 1385 м/с. Рисунок 1 показывает кривую давления, записанную вдоль ствола пушки. Сплошные линии- расчёт, пунктирные линии- эксперимент.

Моделирование, в основном, такое же, как и в случае с полиэтиленом. Мы предполагаем, что 10 г инертного газа почти непосредственно создаются при вводе импульса. Этот газ имеет средний молекулярный вес 14 г/моль, он смешивается с плазменной струёй и служит рабочей средой для передачи электрической энергии снаряду. Подобно случаю с полиэтиленом, величина адиабатической константы (γ) будет служить нам индикатором степени диссоциаци. Первое воспроизведение, показанное на рисунке 1, было получено с γ=1,14. Эта величина никогда не была достигнута с полиэтиленовыми волокнами. Несмотря на всё ещё низкое максимальное давление, мы сравнили ЕТ- результат с традиционным эквивалентом (такое же давление в казённой части, используя оптимальную геометрию метательного заряда). Расчётная дульная скорость традиционного варианта достигала 1295 м/с, вместо 1385 м/с для ЕТ- выстрела, т.е. увеличение скорости на 7% и более, чем на 14% кинетической энергии. Расчётные кривые давления вдоль ствола для традиционной и ЕТ- пушки показаны на рисунке 2.

Кривые для традиционного выстрела показывают большую длительность (они медленнее спадают). Это по причине протяжённой геометрии зёрен {пороха}, которые продолжают горение, пока протаскиваются позади снаряда. Этого не может получится с плазменной струёй. С другой стороны, максимальные величины ЕТ- кривых намного выше. Это значит, что механизм передачи энергии от казённой части к днищу снаряда намного лучше в случае электротермического выстрела, вероятно, по причине более высокой скорости звука, достигаемой использованием водяного пара вместо тяжёлых газов сгорания метательного вещества.

Вслед за этим многообещающим анализом, мы решили заниматься с водой, не смотря на то, что мы заметили, что эрозия ствола уже будет иметь критический исход. Целевой выстрел будет включать стандартный снаряд (130 г) и максимальную электрическую энергию, которую можно ввести. Давление должно быть, по меньшей мере, 4000 бар и дульная скорость не ниже 1500 м/с. Конечно же, этот выстрел должен быть сделан с минимальным повреждением патрона/ствола.

Экспериментальные результаты показали, что без решения проблемы эрозии патрона, будет невозможно ввести плазму с энергией больше 500 кДж, в то время, как значительное улучшение баллистических свойств не может быть получено при использовании меньше, чем 750 кДж. Идея была, следовательно, сконструировать новый патрон, в котором может быть применена более подходящая защита. Концепция детально рассмотрена ниже. Была разработана стальная оболочка. Её задняя часть ввинчиваемая. Основная часть может быть снабжена подходящим полым вкладышем {sheath} из твёрдого пластика, который будет защищать металлическую оболочку от разрушения плазмой. Был произведён выстрел с энергией 720 кДж при максимальной мощности 850 МВт. Был использован стандартный снаряд (130 г). Результаты были ободряющими.

Пластиковый вкладыш был почти полностью выжжен плазменной струёй, но он защитил металлическую оболочку от эрозии, исключая самую крайнюю часть, близкую к начальной позиции днища снаряда. Новый стальной патрон был, следовательно, был выбран для конструкции так называемого «элементарного выстрела» {ultimate shot}. Он был сделан в процедуре из двух шагов.

Первый шаг: все параметры оставлены теми же, только электрическая энергия понижена до 500 кДж. Была сделана новая стальная оболочка и более тонкий пластиковый вкладыш был введён в патрон. Записанная кривая давления была гладкой и достигала 4000 бар. Измеренная дульная скорость была равна 1375 м/с. Как показано на рисунке 3, согласие с теорией было хорошее и для скорости, и для давления.

Второй шаг: используя точно такие же параметры моделирования, как и для воспроизведения последнего выстрела, но с импульсом в 750 кДж (показано на рисунке 4 чёрным), прогнозируется давление в казённой части 3800 бар и дульная скорость 1500 м/с. Этот результат эквивалентен увеличению скорости снаряда на 14,3% и кинетической энергии на 30%. Импульс, рассчитанный для оптимального выстрела, не может быть практически реализован в настоящее время. Из-за затягивания импульса мы должны будем снизить мощность таким образом, что максимальное давление 4000 бар не может быть достигнуто. Взамен мы увеличиваем энергию (в сравнении с последним выстрелом) до 720 кДж, увеличивая мощность. Три импульса: последний хороший выстрел, новый выстрел и оптимальный показаны на рисунке 4.

Выстрел был произведён. Вся система вела себя очень хорошо, включая механические части пушки и электрические компоненты. Металлический патрон уцелел по причине защищённости пластиковым вкладышем, который снова выполнил свою функцию отлично. Оболочка {патрона} может быть использована снова. Было измерено давление и показан максимум 4500 бар. Дульная скорость была 1485 м/с. Согласованность с экспериментом показана на рисунке 5. Расчётная дульная скорость 1500 м/с.

Баллистические характеристики, полученные при последнем выстреле, и хорошее согласование между теорией и экспериментом очень важны и очень обнадёживают. Первые результаты, как есть, уже показывают увеличение скорости почти на 10% и кинетической энергии на 20%. Кроме того, мы знаем теперь, что импульс не больше 750 кДж, который реально получить с правильными PFN связями {PFN connections, не понятно, что это}, приведёт нас к желаемому увеличению кинетической энергии снаряда на 30%.

4.ВЫВОДЫ

Был протестирован вариант с полиэтиленом и, по крайней мере, при такой форме тока, был признан непригодным для нашей цели. На основании прошлого опыта, достигнутого в Soreq, мы выбрали воду (в виде пены) в качестве инертной охлаждающей рабочей среды. Было зафиксировано высокое давление в казённой части. Согласуясь с расчётом, это показывает присутствие относительно лёгкого газа, вероятно, смеси водяного пара и молекулярного/атомарного водорода и кислорода. Однако, при высоких энергиях плазмы, охлаждающий эффект воды не был достаточно удовлетворительным для предотвращения эрозии патрона и ствола. Была разработана и успешно помещена в систему новая стальная оболочка, комбинированная с вкладышем из твёрдого пластика. Стандартный снаряд (130 г) был ускорен до 1500 м/с при максимальном давлении в казённой части 4500 бар, используя 720 кДж электрической энергии, введённой импульсом длиной 1 мс. Это уже показывает эффективное увеличение кинетической энергии на 20% по сравнению с оптимальными характеристиками этой пушки в традиционном исполнении. Согласно нашим калиброванным расчётным моделям, подходящий плазменный импульс 1,5 мс- 750 кДж приведёт к увеличению кинетической энергии на 30%.