Động ngòi mìn bộ binh chống sóng xung kích dựa trên nguyên lý sức cản thủy lực

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 165 ®éng ngßi m×n bé binh chèng sãng xung kÝch dùa trªn nguyªn lý søc c¶n thñy lùc T« §øc Thä, TrÇn Quý §øc Tóm tắt: Hiện nay có rất nhiều loại chủng loại mìn chống bộ binh, cơ giới có ngòi nổ hoạt động theo các nguyên lý khác nhau: mìn từ tính, âm thanh, ra đa, hồng ngoại, mìn chống sóng xung kích có sử dụng ngòi nổ hoạt động theo nguyên lý đàn nhớt cơ học hoặc điện tử... Bài báo nghiên cứu về mô hình phương trình chuyển động của một ngòi nổ dạng đàn-nhớt (Kelvin) và khảo sát phương trình trong các trường hợp tải trọng tác dụng lên mìn khác nhau. Từ khóa: Ngòi nổ, Sóng xung kích, Đàn nhớt, Phương trình chuyển động, Mìn chống bộ binh. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong cuộc chiến tranh xâm lược Việt Nam, Mỹ đã sử dụng hai loại ngòi mìn có khả năng chống được sóng xung kích của lượng nổ thông thường đó là ngòi điện tử MK42MOD3 [5] lắp trên thân bom MK82 (Mỹ gọi là mìn từ tính), Việt Nam thường gọi là bom TN và loại thứ hai lắp trên mìn tai hồng [6]. Đây là loại ngòi nổ cơ học hoạt động theo nguyên lý đàn nhớt của mô hình Kelvin. Trong phạm vi bài báo này, tác giả tập trung nghiên cứu vào loại ngòi mìn cơ học nhằm thiết lập phương trình chuyển động ngòi nổ. Thực tế, theo tài liệu nghiên cứu và ghi chép của lực lượng công binh, mìn tai hồng xuất hiện ở chiến trường 559 từ năm 1968. Loại mìn này thường được rải kết hợp với mìn từ tính chống xe cơ giới nhằm gây khó khăn cho lực lượng khắc phục mìn của ta và không thấy xuất hiện ở các cứ điểm cố định. Các nhà nghiên cứu công binh trong chiến tranh đã gặp loại mìn này và đã có các nghiên cứu để phá nó bằng các lượng nổ nhỏ. Sau đó, thông tin về loại mìn này được chuyển đến các nhà khoa học Nga và nhờ vậy Nga (khi đó là Liên Xô) đã sản xuất được loại ngòi mìn hoạt động trên nguyên lý tương tự có tên là PFM-1[6]. Các loại ngòi này hiện nay đang được nghiên cứu phát triển hơn nữa và vẫn còn giữ tính bảo mật cao. Do vậy, việc đặt ra nghiên cứu về phương trình chuyển động dành cho loại này trở nên cần thiết và làm cơ sở cho các nghiên cứu thiết kế ngòi mìn, thiết kế mìn của ta trong giai đoạn cần có sự tích hợp công nghệ cao trong các hệ thống ngòi mìn hiện nay. Cấu tạo của loại ngòi lắp trên mìn tai hồng như hình 1. Hình 1. Ngòi mìn tai hồng: A. ở trạng thái tĩnh; B. ở trạng thái động. Nguyên lý hoạt động của các loại mìn này như nguyên lý sức cản thủy lực, nghĩa là: khi người dẫm lên, thời gian chân người tồn tại trên mìn thường dao động từ phần chục đến phần giây đủ để độ dịch chuyển  của ngòi đạt tới giá trị giới hạn gh làm cho ngòi hoạt động, gây nổ mìn. Đối với tải trọng nổ thông thường [2]: (1 / )nmP P t     , do  Cơ kỹ thuật & kỹ thuật cơ khí động lực Tô Đức Thọ, Trần Quý Đức, “Thiết lập sức cản thủy lực.” 166 (thời gian tác dụng của pha nén) quá ngắn (thường là phần nghìn đến phân trăm giây) nên độ dịch chuyển của ngòi  không thể đạt tới gh , ngòi không hoạt động. Ngoài loại ngòi lắp cho mìn tai hồng, Mỹ còn loại ngòi khác theo nguyên lý trên lắp cho một số loại mìn khác: Hình 2. Ngòi dạng 2 ở trạng thái tĩnh. Hình 3. Ngòi dạng 2 ở trạng thái hoạt động. Các loại tải trọng tác dụng lên mìn gồm tải trọng tĩnh và tải trọng động [4]: Hình 4. Tải trọng tĩnh. Hình 5. Tải trọng động. 2. MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA NGÒI NỔ 2.1. Lựa chọn mô hình ngòi nổ Sự khác biệt của loại ngòi nổ này với các loại ngòi đè nổ thông thường của mìn PPM2, K58... là ngoài bộ phận đàn tính E,  (nổ tức thời không phụ thuộc thời gian t), thì nó có thêm phần nhớt K, . Do vậy mô hình đàn nhớt Kelvin [1] là phù hợp với mô hình của ngòi nổ để giải bài toán tìm hiểu chuyển động của ngòi. F m E  K  Hình 6. Mô hình ngòi nổ theo mô hình Kelvin. 2.2. Phương trình chuyển động của ngòi nổ Với các thiết kế của mìn thì các ngòi nổ thường nằm ngang nên phương trình chuyển động tổng quát của ngòi nổ có dạng: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 167 2 2 d d F m E K dt dt      (1) trong đó, F là hợp lực tác dụng lên ngòi (kG), m là khối lượng nắp chịu lực (kG.s2/m), E là mô đun đàn hồi của lò xo ngòi (kG/m),  là độ dịch chuyển (m), K là độ nhớt của chất lỏng trong ngòi (kG.s/m) hay còn gọi là độ trễ thời gian. Khi K = 0 mìn trở lại hoạt động thông thường như các loại mìn đè nổ khác như K58, PPM2, 652A... Dưới tác dụng của sóng nổ lên nắp chịu lực S, lực làm cho ngòi chuyển động có dạng [2],[4]: 1 n m t F p S          (2) trong đó: Pm là áp suất lớn nhất trên bề mặt sóng xung kích (kG/m 2) (hình 5),  là thời gian tác dụng của pha nén (s), t là thời gian tác dụng của sóng xung kích lên mặt nắp mìn (s), n là hệ số suy giảm áp suất theo thời gian t, (hình 5), S là diện tích phần (nắp) chịu áp lực nổ (m2). Thay (2) vào (1), vậy phương trình chuyển động của cơ cấu ngòi là: 2 2 1 n m t d d p S m E K dt dt               (3) Thực tế cho thấy, các ngòi loại này có khối lượng nhỏ và phần chịu lực của ngòi nổ cũng có trọng lượng rất nhỏ, (khối lượng chỉ vài gam) vì vậy nếu bỏ qua nó thì không ảnh hưởng nhiều đến quá trình khảo sát biểu đồ (t) trong cả hai trường hợp tĩnh và động nhưng lại rất thuận tiện là việc tính toán trở nên đơn giản hơn nhiều. Bỏ qua m thì phương trình chuyển động của ngòi là: 1 n m t d p S E K dt             (4) 3. GIẢI PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA CƠ CẤU NGÒI VÀ KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ CHÍNH TRONG PHƯƠNG TRÌNH 3.1. Giải phương trình vi phân chuyển động + Với tải trọng tĩnh (n = 0) phương trình (4) có nghiệm là: (1 ) E t m K p S e E     (5) + Với tải trọng động (n = 1) phương trình (4) có nghiệm là: 2 2 1 1 ( ) E t m mK m p S p St K K P S e E E E                     (6) 3.2. Khảo sát mối quan hệ giữa các thông số chính trong phương trình Với kết quả giải tích trên rất khó cho ta quan sát bằng trực quan, vì vậy tác giả đưa các tham số đầu vào với ngòi mìn tai hồng để minh họa cho dễ thấy mối quan hệ dịch chuyển  của ngòi khi chịu tải trọng tĩnh (n = 0) và tải trọng nổ n  1. Cơ kỹ thuật & kỹ thuật cơ khí động lực Tô Đức Thọ, Trần Quý Đức, “Thiết lập sức cản thủy lực.” 168 Với các tham số thời gian nổ  = 2.10-3 s, độ dịch chuyển giới hạn gh = 0,003 m; E = 2000 kG/m; S.Pm = 6 kG; K = 0,5; 1; 2; 3; 4 ứng với n = 0 và n = 1. Ta có các kết quả thể hiện mối quan hệ (m) với t trong các trường hợp khác nhau theo các bảng: B¶ng 1. Quan hÖ  víi t trong tr­êng hîp F tÜnh (n = 0) t(10- 3s) K 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 2,0 200 0,5 0,0024 0,0027 0,0029 0,0029 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 1 0,0016 0,0021 0,0024 0,0026 0,0027 0,0028 0,0029 0,0029 0,003 2 0,001 0,0014 0,0017 0,0019 0,0021 0,0023 0,0024 0,0026 0,003 3 0,0007 0,001 0,0012 0,0015 0,0017 0,0018 0,002 0,0022 0,003 4 0,0005 0,0008 0,001 0,0012 0,0014 0,0015 0,0017 0,0019 0,003 B¶ng 2. Quan hÖ  víi t trong tr­êng hîp F ®éng (n = 1) t(10-3s) K 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 2,0 0,5 0,0021 0,0022 0,002 0,0018 0,00155 0,0013 0,001 0,0004 1 0,0015 0,0017 0,0018 0,0017 0,0016 0,0014 0,0012 0,0007 2 0,001 0,0011 0,0013 0,0013 0,0013 0,0013 0,0012 0,0009 3 0,0006 0,0008 0,001 0,001 0,0011 0,0011 0,001 0,0009 4 0,0007 0,00065 0,00078 0,00086 0,0009 0,00092 0,0009 0,0007 9 Với các tham số đầu vào như vậy ta có bảng các hàm số (t) (m) trong các trường hợp tải trọng tác dụng lên mìn khác nhau và ứng với từng trường hợp của K đã xét ở trên. B¶ng 3. C¸c hµm sè biÓu diÔn mèi quan hÖ (t) trong c¸c tr­êng hîp kh¸c nhau n 0,5 1 2 3 4 0 (tĩnh ) 3(t) 3.10  . .  te 40001  . 1000 3 )( t .  te 20001  .003,0)( t .  te 10001  .003,0)( t .           t e 3 2000 1 .003,0)( t .  te 5001  1 (độn g) 3(t) 3,375.10   . e-4000t -1,5t+ +0,003375 ε(t)= - 0,00375. .e-2000t-1,5t + +0,00375 ε(t)= - 0,0045. .e-1000t-1,5t + +0,0045 ε(t)= - 0,00525. .e-2000t/3-1,5t + +0,00525 ε(t)= - 0,006. .e-500t-1,5t + +0,006 Đồ thị của các hàm số này được thể hiện trên hình 7. Từ kết quả ở các bảng 1, 2 và biểu đồ hình 7 ta có nhận xét: + Cùng một giá trị K, tải trọng động do nổ luôn nhỏ hơn (khó gây nổ mìn) so với tải trọng tĩnh (vì các đường (t) tiệm cận giá trị gh - dễ gây nổ mìn hơn). + Khi K càng lớn thì  cực đại dưới tải trọng nổ càng giảm, việc gây nổ mìn bằng năng lượng nổ càng khó khăn. + Khi tải trọng tĩnh với thời gian t = 0,2 giây (bảng 1), độ dịch chuyển cực đại bằng 0,003 m, giống như ngòi nổ của ngòi mìn thông thường, mìn sẽ nổ. K Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 169 Hình 7. Biểu đồ (t) khi K khác nhau ở các trường hợp tải tĩnh (đường liền) và tải động (đường đứt); (đồ thị các hàm theo thứ tự từ trên xuống dưới). 4. KẾT LUẬN Các phân tích ở phần 3 cho thấy, mìn tai hồng hay các dạng mìn theo nguyên lý đàn nhớt Kelvin có khả năng chống sóng xung kích của nổ thông thường rất tốt nhưng tác nhân dẫm, đạp... của con người thì vẫn gây nổ mìn. Do vậy, việc gây nổ mìn bằng năng lượng nổ (đã có thử nghiệm thực tế) không làm nổ mìn, biện pháp tối ưu là thu gom mìn để hủy. Ngoài ra, kết cấu của ngòi rất nhỏ, gọn và tận dụng được thuốc nổ lỏng và kẽ hở để đạt được ý đồ chiến kỹ thuật mà không ảnh hưởng đến kết cấu của mìn. Tuy nhiên, các loại ngòi mìn này không còn giữ được tác dụng đối với sóng nổ của bom nguyên tử vì thời gian tác dụng pha nén của sóng nguyên tử tương đương với thời gian người dẫm, đạp lên. Qua nghiên cứu này cũng cho thấy, trong chiến đấu ngoài việc dùng lượng nổ để phá mìn thì ta cũng không nên coi nhẹ các biện pháp như: con lăn quét mìn, xe xích đè mìn, dùng đặc công luồn sâu để thu gom... Bằng việc nghiên cứu loại ngòi mìn theo nguyên lý này làm cơ sở cho thiết kế ngòi mìn tương tự, ngòi mìn PEM-1 đã từng dựa trên nguyên lý này [6]. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Lê Văn Trung (nguyên Trưởng phòng Nổ, Vật cản- Viện Kỹ thuật Công binh- Bộ tư lệnh Công binh, giải thưởng Hồ Chí Minh cho cụm công trình về ngòi và nổ, đã nghỉ hưu) đã tận tình hướng dẫn thực hiện nghiên cứu này. Nhờ các tài liệu thực tế quý báu của TS Trung đã làm cho vấn đề nghiên cứu trở nên tường minh hơn và chứng minh được tính đúng đắn của nghiên cứu so với thực tế trong những năm kháng chiến TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Phan Nguyên Di, “Cơ học môi trường liên tục”, Nhà xuất bản quân đội, 2001. [2]. Hồ Sĩ Giao, Đàm Trọng Thắng, Lê Văn Quyển, Hoàng Tuấn Chung, “Nổ hóa học lý thuyết và thực tiễn”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2010. [3]. Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2005. [4]. Tô Đức Thọ, “Nghiên cứu các tham số sóng nổ của lượng nổ trụ dài”, Khoa học và Kỹ thuật (Học viện KTQS), số 135(7-2010), Tr190-200. [5]. Trung tâm công nghệ xử lý bom mìn, “Một số loại bom, mìn, thủy lôi và tên lửa Mỹ đang sử dụng”, Bộ tư lệnh Công binh (2003). Cơ kỹ thuật & kỹ thuật cơ khí động lực Tô Đức Thọ, Trần Quý Đức, “Thiết lập sức cản thủy lực.” 170 [6]. Tổng cục Kỹ thuật, “Sổ tay hướng dẫn sử dụng đạn dược”, Nhà xuất bản quân đội nhân dân, 1987. ABSTRACT ESTABLISHED AND SURVEY ON EQUATION OF MOTION FOR THE FUSE OF ANTI-PERSONEL MINES AGAINST SHOCKWAVE BASED ON RESISTANCE HYDRAULIC'S PRINCIPLE Currently, there are many types of generic anti-infantry, mechanized mine which have fuses base on some different principles: magnetism, sound, radar, infrared, anti-shock wave and a mine has operating fuse under principles of elastic-viscosity mechanical or electronic... This paper studies the model equations of motion fuse as an elastic-viscosity type (Kelvin) and surveys this equation in the different loadings on mine. Keywords: Fuse, Shock wave, Elastic-viscosity, Equations of motion, Anti-infantry. Nhận bài ngày 9 tháng 6 năm 2013 Hoàn thiện ngày 27 tháng 4 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 5 năm 2014 Địa chỉ: T« §øc Thä: NCS K32 Häc viÖn Kü thuËt Qu©n sù . §iÖn tho¹i 0982.375.705 Email: y_tho2006@yahoo.com hoặc ductho352032@gmail.com TrÇn Quý §øc: NCS K32 Häc viÖn Kü thuËt Qu©n sù. §iÖn tho¹i 0974.494.869.