Testing the Dynamics of Flight for the Products of Explosion for a Warhead with a Weight of 250 kg

This study presents the results of the testing of the explosion process of a warhead with a weight of 250 kg, filled with 87 kg of TNT with 20% of aluminium dust, in two configurations: with horizontal and vertical alignment of the warhead’s longitudinal axis, and with the centre of length of the warhead body located at a height of approx. 1 m above the ground. Four warheads were detonated in each configuration. The horizontal configuration allowed the collection of some amount of the fragments from the ground, with sizes and spatial distribution of the fragments corresponding to the location on the body from which they came, with the largest fragments - from the central part of the shell - measuring approximately 9 × 30 × 280 mm. For the vertical configuration, the warhead’s nose was pointed downwards, with an up-down excitation. In both configurations, the explosion process was recorded from a distance of 300 m using a PHANTOM fast camera with a time resolution (frame interval) of 55 μs to 133 μs: for the horizontal configuration - along the body’s longitudinal axis, for the vertical configuration - perpendicular to this axis. In the vertical configuration, the body’s expansion process was recorded using short-circuit sensors spaced every 5 mm along the flight radius. The sensors sent short-circuit signals to the time meter, whereas the first sensor was installed at a distance of approx. 1 mm from the body surface and was used to initiate the processes of time counting and recording the overpressure diagrams over time at the front of the explosion/shock (FU) wave. The recorded expansion velocity was approx. 1300 m/s, with the shell radius increasing by 20 mm. Overpressure at the front of the FU was measured by PCB “pencil-tip” piezoelectric sensors (CzP). Every sensor had two active surfaces arranged in “tandem” at a distance of 100 mm, which made it possible to determine the local FU velocity. Signals from CzP were recorded every 200 ns using a DEWETRON recorder with software allowing their initial and further processing. Three sensors were spaced 8 m from each other, whereas the first was located 8 m to 10 m from the warhead’s longitudinal axis. Under a row of the sensors a thick-wall steel pipe was placed to protect the sensors from destruction by the fragments. The determined local FU velocities varied from approx. (590 m/s to 740 m/s) at a distance of approx. 8 m from the epicentre up to approx. 370 m/s at a distance of approx. 26 m from the epicentre; the overpressure measured values varied from approx. (230 kPa to 550 kPa) at a distance of approx. 8 m to approx. 22 kPa at a distance of approx. 26 m from the epicentre; satisfying conformance of the velocity and pressure values under the flat FU model was found. The FU trajectory was also taken from the video recording - the velocities measured varied from approx. 2,650 m/s at a distance of 0.3 m to approx. 670 m/s at a distance of 6 m from the epicentre, which corresponds to the CzP data. The fragments flying next to the CzP, generally with the highest mass to effective transverse surface ratio, left traces of their conical FU on the CzP overpressure records, which allowed the determination of average velocities for some of them across the access path to the CzP, whereas these velocities ranged from approx. 1700 m/s at a distance of approx. 8 m and (1500 m/s to 1600 m/s) at a distance of 16 m to approx. 1300 to 1400 m/s at a distance of 26 m from the epicentre. Average access velocities of the selected fragments to the field marks were determined on the basis of the video recording ranged from approx. 1800 m/s at a distance of 5 m to approx. 1500 m/s at a distance of 20 m from the explosion epicentre.

W ramach prezentowanej pracy przedstawiono wyniki badań procesu wybuchu głowicy o wagomiarze 250 kg, wypełnionej 87 kg TNT z domieszką 20% pyłu Al., w dwu konfiguracjach: o poziomym i pionowym umiejscowieniu osi podłużnej głowicy, przy czym w obu wypadkach środek długości korpusu głowicy znajdował się ok. 1 m nad powierzchnią gruntu. W każdej konfiguracji zdetonowano po 4 egzemplarze. Konfiguracja pozioma pozwoliła na zebranie z gruntu pewnej ilości odłamków o rozmiarach i rozkładzie przestrzennym odpowiadającym miejscu w korpusie, z którego zostały wyrwane – największe - ze środkowej części skorupy - miały przybliżone wymiary 9 × 30 × 280 mm. Przy konfiguracji pionowej nos głowicy zwrócony był w dół i pobudzanie następowało od góry. W obu konfiguracjach proces wybuchu filmowano z odległości 300 m przy pomocy szybkiej kamery PHANTOM o wykorzystywanej rozdzielczości czasowej (interwał między kadrami) 55 mikrosekund do 133 mikrosekund: przy poziomej – wzdłuż osi podłużnej korpusu, przy pionowej – prostopadle do niej. W konfiguracji pionowej proces rozpęczania korpusu był rejestrowany za pomocą czujników zwarciowych rozmieszczonych co 5 mm wzdłuż promienia rozlotu, podających sygnał zwarcia na licznik czasu, przy czym pierwszy czujnik znajdował się w odległości ok. 1 mm od powierzchni korpusu i służył do inicjowania procesów: zliczania czasu oraz rejestracji przebiegów czasowych nadciśnienia na froncie fali podmuchowej/ uderzeniowej (FU) wybuchu. Zmierzona prędkość rozpęczania wynosiła ok. 1300 m/s po zwiększeniu promienia skorupy o 20 mm. Nadciśnienie na froncie FU mierzone było za pomocą „ołówkowych” piezoelektrycznych czujników (CzP) firmy PCB, z których każdy zawierał dwie powierzchnie czynne rozmieszczone w układzie „tandem” w odległości 100 mm, co pozwalało na wyznaczanie lokalnej prędkości FU. Sygnały z CzP były zapisywane z krokiem 200 nanosekund na rejestratorze firmy DEWETRON, wyposażonym w oprogramowanie pozwalające na wstępną i dalszą ich obróbkę. Trzy czujniki ustawiano w odległości 8 m od siebie, przy czym pierwszy w odległości 8 m do 10 m od osi podłużnej głowicy. Przed rzędem czujników stawiano grubościenną rurę stalową zabezpieczającą je przed zniszczeniem przez odłamki. Wyznaczone lokalne prędkości FU zmieniały się od ok. (590 m/s do 740 m/s) w odległości ok. 8 m od epicentrum - do ok. 370 m/s w odległości ok. 26 m od epicentrum; zmierzone przy tym wartości nadciśnienia zmieniały się od ok. (230 kPa do 550 kPa) w odległości ok. 8 m, do ok. 22 kPa w odległości ok. 26 m od epicentrum; stwierdzono zadowalającą zgodność prędkości i ciśnień w ramach modelu płaskiej FU. Trajektorię FU odczytywano również z zapisu filmowego – zmierzone tak prędkości zmieniały się od ok. 2650 m/s w odległości 0.3 m do ok. 670 m/s w odległości 6 m od epicentrum, co dobrze się zgadza z danymi z CzP. Przelatujące obok CzP odłamki, na ogół o największym stosunku masy do efektywnej powierzchni poprzecznej, zostawiały na zapisach nadciśnień z CzP ślady swoich stożkowych FU, co pozwalało na wyznaczenie dla niektórych z nich prędkości średnich na trasie dolotu do CzP, które zmieniały się od ok. 1700 m/s w odległości ok. 8 m i (1500 m/s do 1600 m/s) w odległości 16 m do ok. (1300÷1400 m/s) w odległości 26 m od epicentrum. Wyznaczone z zapisu filmowego średnie prędkości dolotu wybranych odłamków do znaczników terenowych zmieniały się od ok. 1800 m/s w odległości 5 m do ok. 1500 m/s w odległości 20 m od epicentrum wybuchu.