УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕТАНИЯ МАЛЫХ ТЕЛ, ОСНОВАННОЕ НА ЭФФЕКТЕ УСИЛЕНИЯ КУМУЛЯЦИИ УДАРНЫХ ВОЛН В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ
DEVICE FOR THROWING OF SMALL BODIES, BASED ON EFFECT OF AMPLIFIED CUMULATION OF IMPACT WAVES IN POROUS MEDIA

Изобретение относится к области испытания материалов и касается конструкции двухступенчатого взрывного метательного устройства для метания малых тел. Изобретение может быть использовано для физического моделированием воздействия на материалы и конструкции малоразмерных высокоскоростных объектов. Например, может быть использовано для физического моделирования действия микрометеоритов на космические аппараты.
70
70
Исследование высокоскоростных ударных явлений представляет существенный интерес как с научной, так и с практической точки зрения. Широкое применение при проведении подобных исследований в лабораторных условиях получили взрывные метательные устройства (Г.И.Канель, С.В.Разоренов, А.В.Уткин, В.Е.Фортов. «Ударно-волновые явления в конденсированных средах». М.: «Янус-К», 1996, стр.408). Для большинства академических приложений используются устройства, обеспечивающие высокоскоростное метание плоских металлических пластин. Удар плоской металлической пластины по плоской мишени приводит к формированию плоской ударной волны, за фронтом которой в течение некоторого времени исследуемый материал подвергается воздействию высоких давлений и температур. Плоская геометрия нагружения существенно упрощает проведение физических измерений и интерпретацию результатов экспериментов. Например, для проведения ударно-волновых экспериментов с образцами фуллеренов в статьях "V.V.Milyavskiy, T.I.Borodina, S.N.Sokolov, A.Z.Zhuk Shock-induced phase transitions of C fullerite // Diamond and Related Materials. 2005. Vol.14. Issues 11-12. P.1924-1927" и "Vladimir V. Milyavskiy, Konstantin V.Khishchenko, Tatiana I.Borodina. Stepwise shock compression of C fullerene // Carbon. 2011. Vol.49. P. 2345-2351" используются взрывные метательные устройства, обеспечивающие плоскую геометрию нагружения. Взрывное метательное устройство аналогичного типа является также частью устройства, описанного в RU 2006137056.
3
В RU 2006137056, B01J 3/00, опубл. 27.04.2008 описано устройство для синтеза кристаллического карбина, содержащее вертикально смонтированные последовательно на основании корпус с камерой для размещения ампулы сохранения, в которой размещается графитовый материал и над которой размещен ударник в виде металлического диска, а также пиротехнический заряд с инициированием от детонатора для формирования ударной волны в направлении металлического диска, под взрывчатым веществом установлено направляющее стальное кольцо, в полости которого размещен ударник в виде алюминиевого диска, который размещен на расстоянии над полостью, образованной кольцеобразным стальным элементом корпуса, в полости которого установлена стальная ампула сохранения, выполненная из нижней части (основания) и крышки, соединяемых между собой резьбовым соединением, при этом во внутреннем объеме ампулы сохранения размещен вкладыш в виде стального диска с цилиндрическим углублением в центральной части для установки в него диска из фторопласта диаметром, повторяющим диаметр цилиндрического углубления и поверхность которого по всей площади выстлана внахлест расположенными между собой чешуйками фольги графита монохроматорного качества с плотностью не менее 2,2 г/см и толщиной 10-20 мкм, при этом после установки диска из фторопласта с расположенными на нем внахлест относительно друг друга чешуйками цилиндрическое углубление закрыто другим диском из фторопласта и медной пробкой.
В этом устройстве пиротехнический заряд с инициированием от детонатора включает в себя генератор плоской ударной волны из парафина и взрывчатого вещества и само взрывчатое вещество. А базовая плоскость графита совпадает с плоскостью фольги графита, что обеспечивает ориентацию кристаллографической оси "с" графита перпендикулярно плоскости фронта ударной волны.
Принято в качестве прототипа.
Данное устройство совпадает по большему количеству признаков с заявленным устройством и, несмотря на то что не является устройством для метания, содержит в своем составе взрывное метательное устройство, которое может рассматриваться в качестве первой ступени для предлагаемого в данной заявке двухступенчатого взрывного метательного устройства для метания малых тел, основанного на эффекте усиления кумуляции ударных волн в пористых средах.
Как упоминалось выше, взрывные метательные устройства, обеспечивающие плоскую геометрию нагружения, широко применяются при проведении академических исследований. В то же время, для решения ряда практических задач (в частности задачи о пробивании преграды) необходимо проводить прямое физическое моделирование воздействия малоразмерных высокоскоростных объектов на материалы и элементы конструкции. При использовании взрывных метательных устройств плоской геометрии затруднительно обеспечить необходимые для таких экспериментов скорости метания, а метаемый элемент в виде плоской пластины, как правило, не соответствует условиям моделируемого воздействия.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности устройства в части увеличения скорости метания при инициировании заряда одним детонатором и в изменении геометрии метаемого тела.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для метания малых тел, основанном на эффекте усиления кумуляции ударных волн в пористых средах, содержащем вертикально смонтированные последовательно на основании кольцеобразный металлический элемент корпуса с полостью для размещения вкладыша, над которой размещен ударник в виде металлического диска, а также пиротехнический заряд с взрывчатым веществом с инициированием от детонатора для формирования ударной волны в направлении металлического диска, под взрывчатым веществом установлено направляющее металлическое кольцо, в полости которого размещен ударник в виде металлического диска, который размещен над полостью корпуса, прикрытой металлическим экраном в виде пластины, указанная полость выполнена в форме усеченного конуса с размещением ее основания со стороны экрана, вкладыш выполнен из пористого материала в форме усеченного конуса, повторяющей форму полости корпуса, а в вершине полости в форме усеченного конуса в корпусе выполнено сквозное отверстие, ось которого совпадает с осью устройства, в котором размещено малое тело цилиндрической формы, подвергаемое метанию.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 представлена схема двухступенчатого взрывного метательного устройства для метания малых тел, основанного на эффекте усиления кумуляции ударных волн в пористых средах;
фиг.2 - схема метания малого тела;
фиг.3 - расчетная зависимость скорости метания (средней массовой скорости) (сплошные линии) и скорости свободной поверхности (штриховые линии) метаемого цилиндра из алюминия при реализации схемы метания, приведенной на фиг.2.
Согласно настоящему изобретению рассматривается устройство (фиг.1) для метания малых тел, основанное на эффекте усиления кумуляции ударных волн в пористых средах.
Данное устройство для метания малых тел содержит вертикально смонтированные последовательно на основании кольцеобразный металлический элемент корпуса с полостью для размещения вкладыша, над которой размещен ударник в виде металлического диска, а также пиротехнический заряд с взрывчатым веществом с инициированием от детонатора для формирования ударной волны в направлении металлического диска, под взрывчатым веществом установлено направляющее металлическое кольцо, в полости которого размещен ударник в виде металлического диска, который размещен над полостью корпуса, прикрытой металлическим экраном в виде пластины, указанная полость выполнена в форме усеченного конуса с размещением ее основания со стороны экрана, вкладыш выполнен из пористого материала в форме усеченного конуса, повторяющей форму полости корпуса, а в вершине полости в форме усеченного конуса в корпусе выполнено сквозное отверстие, ось которого совпадает с осью устройства, в котором размещено малое тело цилиндрической формы, подвергаемое метанию.
3
На фиг.1 следующими позициями представлены конструктивные элементы устройства: 1 - детонатор; 2 - генератор плоской ударной волны; 3 - взрывчатое вещество; 4 - направляющее кольцо; 5 - ударник А1 Д16Т толщиной 10 мм и диаметром 90 мм (скорость подлета ударника 2.5 км/с); 6 - столбики; 7 - стальной экран (сталь 45) толщиной 5 и диаметром 145 мм; 8 - стальной корпус (сталь 45) с наружным диаметром 145 мм и толщиной 18 мм, с полостью в форме усеченного конуса; 9 - вкладыш из пористого материала в форме усеченного конуса выполнен из пористого (1.65 г/см) фторопласта высотой 14 мм, с диаметром большого основания 25.485 мм и с диаметром малого основания 4 мм; 10 - метаемый цилиндр (А1 Д16Т, ⌀ 4 мм, высота 4 мм).
Вкладыш из пористого материала в форме усеченного конуса изготавливался путем непосредственной запрессовки порошка фторопласта марки Ф4ПН в коническую полость до получения нужной плотности.
В этом устройстве ударник 5 выполнен в виде алюминиевого диска, а пиротехнический заряд (взрывчатое вещество 3) с инициированием от детонатора 1 предназначено для формирования детонационной волны в направлении металлического диска. Под взрывчатым веществом 3 установлено направляющее стальное кольцо 4, в полости которого размещен ударник 5, который размещен над полостью, прикрытой стальным экраном 7 в виде пластины толщиной 5 мм и диаметром 145 мм. В корпусе выполнена полость в форме усеченного конуса для размещения в ней вкладыша из пористого материала в форме усеченного конуса, основание которого размещено заподлицо с наружной поверхностью стального корпуса 8, на которую укладывается стальной экран 9.
В устройстве применялся генератор 2 плоской ударной волны (состав: парафин марки П-1 (ГОСТ 23683-89 - 150 г), взрывчатое вещество (состав A-IX-1, ОСТ 384-636-72 - 150 г) и само взрывчатое вещество 3 (состав A-IX-1, ОСТ 384-636-72 - 600 г).
Ранее (Статья «О сходящихся ударных волнах в пористых средах», авторы А.А.Чарахчьян, И.В.Ломоносов, В.В.Милявский, В.Е.Фортов, А.А.Фролова, К.В.Хищенко, Л.В.Шуршалов, «Письма в ЖТФ», 2004. Т.30, вып.1, стр.72; Статья «Численное исследование сходящихся ударных волн в пористых средах», авторы А.А.Чарахчьян, К.В.Хищенко, В.В.Милявский, В.Е.Фортов, А.А.Фролова, И.В.Ломоносов, Л.В.Шуршалов, «Журнал технической физики», 2005, Т.75, №8, стр.15) авторами расчетным путем был предсказан новый физический эффект - эффект усиления кумуляции сходящихся ударных волн в пористых средах. Эффект состоит в том, что переход от сплошного нагружаемого вещества к пористому в задаче о кумуляции ударных волн для веществ с определенным типом уравнения состояния приводит к существенному увеличению не только температуры, но и давления в объеме нагружаемого материала. Такой характер изменения давления при варьировании пористости качественно отличается от случая плоского ударно-волнового сжатия, для которого увеличение пористости образца при сохранении других условий нагружения практически всегда приводит к уменьшению максимального давления в образце.
3
3
С учетом этих результатов была выполнена серия двумерных численных расчетов с целью определения конкретной конфигурации двухступенчатого взрывного метательного устройства для метания малых тел, основанного на эффекте усиления кумуляции ударных волн в пористых средах, и подбора наиболее эффективного материала-заполнителя полости, выполненной в форме усеченного конуса. Выбранная схема метания малого тела приведена на фиг.2. Установлено, что в предложенной конфигурации двухступенчатого взрывного метательного устройства связанное с эффектом усиления кумуляции сходящихся ударных волн в пористых средах увеличение скорости метания алюминиевого цилиндра, помещенного в вершину усеченного конуса, заполненного в одном случае сплошным (2.2 г/см), а в другом случае пористым (1.65 г/см) политетрафторэтиленом, составляет ~ 1 км/с (скорость метания увеличивается с 5.45 км/с до 6.45 км/с). На фиг.3 представлены графики расчетной зависимости скорости метания (средней массовой скорости) (сплошные линии) и скорости свободной поверхности (штриховые линии) алюминиевого цилиндра от времени при реализации схемы метания, приведенной на фиг.2. Возле кривых указана плотность политетрафторэтилена, заполняющего коническую полость. На фиг.3 также приведены аналогичные зависимости для плоской (одномерной) геометрии метания (показаны под символом 1D).
Настоящее изобретение промышленно применимо, может быть изготовлено с применением известных технологий и материалов. Новизна состоит в использовании пористого вещества с особым типом уравнения состояния (для которых реализуется эффект усиления кумуляции ударных волн в пористых средах) для заполнения конической полости.