Устройство для ослабления ударных волн подводного взрыва
DEVICE FOR ATTENUATION OF SHOCK WAVES OF UNDERWATER EXPLOSION

Изобретение относится к взрывным работам и предназначено для повышения их безопасности за счет ослабления ударных волн (УВ) при подводных взрывах и уменьшения воздействия взрыва на окружающую среду.
Технический результат - ослабление ударных волн подводного взрыва, за счет размещения на пути прохождения ударной волны экранирующей завесы, выполненной в виде сеток или оболочек из водопроницаемой ткани, заполненных пористым закрытоячеистым пенополиэтиленом.
Известен способ защиты подводных инженерных сооружений и морской фауны от разрушающего и поражающего действия ударной волны при подводных взрывах завесой из воздушных пузырьков, создаваемых при прокачивании воздуха под давлением через замкнутый контур труб с отверстиями, описанный в труде «Взрывные работы под водой» авторы Галкин В.В., Гильманов Р.А., Дроговейко И.З., издательство - Недра, Москва, 1987 г.
Недостатком завесы из воздушных пузырьков является то, что при таком способе создаются лишь вертикальные пузырьковые завесы, что исключает возможность защиты от ударной волны объектов, размещенных над зарядом.
Еще недостатками является то, что в реальных условиях эффективность пузырьковой завесы ограничена возможным наличием подводного течения, которое размывает завесу, глубиной места подрыва, ограничением мощности применяемого компрессора. Применение пузырьковой завесы требует работы водолазов как до момента подрыва, для подготовительных работ, установки системы труб и шлангов на значительной площади морского дна, так и после подрыва, для демонтажа установленной системы, что значительно увеличивает время и стоимость работ.
Известен способ локализации подводного взрыва, описанный в патенте RU 2163348 С1, 22.02.2000, заключающийся в создании пузырьковой завесы, поднимающейся со дна водоема до поверхности воды, для чего на дне водоема размещают химические генераторы газа, приводят их в действие и после образования пузырьковой завесы взрывают заряд взрывчатого вещества. В качестве генератора газа используют заряды артиллерийских и ракетных порохов, пороховые и пиротехнические составы для аккумуляторов давления или выброса средств пожаротушения и эквивалентные материалы, способные к самоподдерживающей реакции горения с выделением тепла и газов. Также в качестве генератора газа может использоваться карбид кальция.
Недостатком данного способа является то, что при использовании данного способа применяются различные сложные химические соединения, после приведения в действие которых возможно загрязнение водоема и ухудшение экологической обстановки.
Еще одним недостатком является то, что при таком способе создается лишь вертикальная пузырьковая завеса, что не позволяет защитить от воздействия ударной волны объекты, размещенные непосредственно над зарядом взрывчатого вещества, а при наличии подводного течения пузырьковая завеса будет размываться.
Еще одним недостатком является сложность в монтаже конструкции такой завесы при проведении подготовительных работ.
Известен способ гашения ударной волны при подводном взрыве, описанный в патенте RU 2392579 С1, 31.03.2009, заключающийся в установке завес из воздушных пузырьков, получаемых из полых стеклянных микросфер, которые предварительно смешивают с жидкостью, затем жидкость утяжеляют. В качестве жидкости используют вещество, обладающее после сшивки вязкоупругими свойствами с временем релаксации при деформационном воздействии, по меньшей мере, равным периоду действия гидроударной волны. Затем смесь помещают в мягкий контейнер и устанавливают его над зарядом взрывчатых веществ.
Недостатком данного способа является излишняя материалоемкость и сложность процесса приготовления заполненных воздухом и сшитых между собой вязоупругой жидкостью стеклянных микросфер, а также то, что при использовании данного способа применяются различные сложные химические соединения и стеклянные элементы, после приведения в действие которых возможно загрязнение водоема и ухудшение экологической обстановки.
Известно устройство для гашения ударных волн при подводных взрывах, описанное в патенте RU 2087846 С1, 20.08.1997, представляющее собой размещенную горизонтально сетку, выполненную из материала плотностью меньше плотности воды, по периметру которой закреплены свободно свисающие канаты и шнуры, сгруппированные с переменной плотностью, возрастающей в направлении прохождения ударных волн, и выполненные из материала плотностью больше плотности воды.
Недостатком данного изобретения является то, что в такой экранирующей завесе применяются свободно свисающие канаты и шнуры. При наличии подводного течения канаты и шнуры будут хаотично размываться, образую между собой пустоты, которые позволят ударной волне преодолевать данное устройство с минимальными потерями амплитуды.
Еще одним недостатком данного изделия является применение при изготовлении свободно свисающих канатов и шнуров синтетических материалов и, как следствие, загрязнение водоема элементами устройства после проведения взрывных работ и ухудшение экологической обстановки.
Известно устройство для ослабления ударных волн подводного взрыва, описанное в патенте RU 2112917 С1, 10.06.1998, представляющее собой экран, размещенный вокруг и над зарядом взрывчатого вещества. Экран выполнен из герметичных водонепроницаемых упругих шлангов, в которых размещены шнуры из пористого эластичного материала, и состоит из размещенных над зарядом горизонтальных шлангов и закрепленных по их периметру свободно свисающих вертикальных шлангов, размещенных в шахматном порядке с плотностью, возрастающей в направлении прохождения ударных волн, при этом экран соединен с поплавком.
Недостатком данного изобретения является то, что при использовании данного устройства свободно свисающие вертикальные шланги не достигают дна, а значит подрываемый заряд не будет локализован в полном объеме и часть ударной волны будет распространяться по поверхности дна, разрушая экосистему в месте подрыва.
Еще одним недостатком является то, что при наличии подводного течения, свободно свисающие шланги будут хаотично двигаться, образуя пустоты в экране, тем самым ослабляя ударную волну лишь в отдельных направлениях, а не по всему периметру.
Известно устройство для ослабления ударных волн подводного взрыва, описанное в патенте RU 2112916 С1, 10.06.1997, представляющее собой воздуховодяной экран из водонепроницаемых оболочек, заполненных фрагментами растений, минеральной ватой или смесью этих материалов. Оболочки помещены в сетки и снабжены балластом для регулирования плавучести.
Недостатком изобретения является то, что в качестве наполнителя применяются материалы с нерегламентированной кажущейся плотностью, из элементов, имеющих острые края: древесная стружка, сухие фрагменты растений, сухие морские водоросли. При погружении под воду такой наполнитель может проколоть водонепроницаемую оболочку и нарушить герметичность, а при вытеснении пузырьков воздуха водой из оболочек устройство теряет способность ослабления ударной волны.
Известен способ гашения ударной волны при подводном взрыве, описанный в патенте RU 2087847 С1, 28.12.1995, выбранный авторами в качестве прототипа. Суть данного способа заключается в том, что на пути прохождения ударной волны в воде размещают экранирующую завесу в виде сеток или оболочек из водопроницаемой ткани, заполненных пустотелыми сферами, и/или кусками пенопласта, и/или керамзитовым гравием. При незначительной глубине водоема завесу с положительной плавучестью стабилизируют под водой якорями, а при большей глубине грузами, придающими завесе, удерживаемой поплавками, отрицательную плавучесть.
Недостатком изобретения является то, что в качестве наполнителя сеток или оболочек из водопроницаемой ткани, образующих экранирующую завесу, гасящую ударную волну, применяется пористый материал (пенопласт, керамзит). Применение керамзита в качестве наполнителя, благодаря наличию открытой пористости, позволяет воде проникать внутрь наполнителя, вытесняя при этом пузырьки воздуха. При прохождении ударной волны через экранирующую завесу, заполненную керамзитом, амплитуда ударной волны будет снижаться незначительно, так как чем глубже опускается экранирующая завеса, тем меньше остается пузырьков воздуха в применяемом наполнителе. При применении пенопласта в качестве наполнителя, монтаж завесы будет осложняться тем, что пенопласт легко крошится и при монтаже на неровные поверхности он будет раскрашиваться и терять свои свойства. Кроме того, под воздействием высокой температуры, пенопласт выделяет газ, наносящий значительный вред экосистеме водоема.
Заявленное авторами устройство для ослабления ударных волн подводного взрыва позволяет изолировать очаг заряда, а применение в качестве наполнителя закрытоячеистого пенополиэтилена - ослабить ударную волну подводного взрыва:
- за счет многократного преломления волны на границе вода-воздух;
- за счет сжатия пузырьков воздуха, их колебания и нагрева.
Целью изобретения является всесторонняя локализация очага взрыва, повышение эффективности и надежности ослабления ударной волны при подводных взрывах.
3
Технический результат изобретения достигается за счет размещения в воде, на пути прохождения ударной волны, экранирующей завесы, выполненной в виде сеток или оболочек из водопроницаемой ткани, заполненных пористым закрытоячеистым пенополиэтиленом с кажущейся плотностью от 29 до 70 кг/м.
Выполнение этих условий обеспечивает при проведении подводных взрывов гарантированную локализацию очага взрыва, а следовательно, выполнение данным устройством своей основной функции - надежного ослабления ударной волны при подводном взрыве и снижение воздействия на окружающую флору и фауну.
Устройство для ослабления ударных волн подводного взрыва работает следующим образом.
Обнаруженное взрывное устройство с помощью водолазов накрывают экранирующей завесой таким образом, что она полностью изолирует взрывное устройство от окружающего пространства. При срабатывании накрытого таким образом взрывного устройства, энергия взрыва поглощается пористым закрытоячеистым пенополиэтиленом, находящимся в образующих экранирующую завесу сетках или оболочках из водопроницаемой ткани.
3
Гарантированная эффективность достигается, когда в качестве наполнителя сеток или оболочек образующих экранирующую завесу применяется пористый закрытоячеистый пенополиэтилен с кажущейся плотностью от 29 до 70 кг/м.
Если в качестве наполнителя сеток или оболочек образующих экранирующую завесу использовать пористый открытоячеистый материал, например керамзит, то, независимо от кажущейся плотности, эффективность локализации ударной волны будет невысокой, так как наличие открытых пор позволяет воде беспрепятственно проникать внутрь наполнителя, вытесняя воздух, а эффект подавления ударной волны связан с тем, что завеса с пузырьками воздуха имеет большую сжимаемость чем вода и при прохождении через такой слой возмущение теряет энергию на сжатие пузырьков воздуха, их колебание и нагрев. Пузырьки, в свою очередь, переизлучают поглощенную энергию в виде волн разрежения. Волны разрежения изменяют вид фронта ударной волны от характерного резкого пика с экспоненциальным затуханием, размывая ее и порождая волну с большей длительностью и значительно меньшей амплитудой. Степень изменения зависит от количества воздуха, находящегося в материале, применяемом в качестве наполнителя экранирующей завесы (соотношения объема воздух/вода) и итоговой плотности, а также толщины экрана. Кроме того, при увеличении глубины погружения экранирующей завесы, количество пузырьков воздуха внутри пористого открытоячеистого материала, применяемого в качестве наполнителя, будет снижаться, стремясь к нулю. Таким образом, при увеличении глубины погружения экранирующей завесы с таким наполнителем, эффективность локализации ударной волны будет также снижаться.
3
3
Если в качестве наполнителя сеток или оболочек образующих экранирующую завесу использовать закрытоячеистый пенополиэтилен с кажущейся плотностью менее 29 кг/м, то эффективность по ослаблению ударной волны подводного взрыва будет невысокой, так как с уменьшением кажущейся плотности такого наполнителя происходит увеличение размера ячеек, заполненных воздухом. При увеличении глубины погружения экранирующей завесы, будет происходить сжатие этих ячеек и их разрушение, что приведет к уменьшению количества пузырьков воздуха внутри материала, применяемого в качестве наполнителя. Таким образом, при применении в качестве наполнителя закрытоячеистого пенополиэтилена с кажущейся плотностью менее 29 кг/м при увеличении глубины погружения экранирующей завесы, эффективность локализации ударной волны будет снижаться.
3
Если в качестве наполнителя сеток или оболочек образующих экранирующую завесу использовать закрытоячеистый пенополиэтилен с кажущейся плотностью свыше 70 кг/м, то эффективность по ослаблению ударной волны подводного взрыва будет снижаться, так как с увеличением кажущейся плотности такого наполнителя происходит уменьшение размера ячеек, заполненных воздухом, а значит существенно снижается количество воздуха в таком наполнителе и, следовательно, в воде. Такое незначительное количество воздуха в материале, применяемом в качестве наполнителя, приведет к тому, что при прохождении через экранирующую завесу с наполнителем такой плотности, возмущение будет незначительно терять энергию на сжатие пузырьков, так как эффект подавления зависит от количества воздуха в наполнителе с регламентированной кажущейся плотностью.
3
Таким образом, применение в качестве наполнителя сеток или оболочек из водопроницаемой ткани, образующих экранирующую завесу, пористого закрытоячеистого пенополиэтилена с кажущейся плотностью от 29 до 70 кг/м, позволит локализовать очаг взрыва и гарантированно ослабить ударную волну подводного взрыва.
Для оценки эффективности применения устройств ослабления ударных волн подводного взрыва в период с 10 по 11 октября 2017 года были проведены натурные испытания на водоеме закрытого типа, расположенного на испытательной площадке №2 войсковой части 93268.
Для проведения испытаний на заводе специальных материалов АО «НПО Спецматериалов» были изготовлены четыре опытных образца технического устройства.
Для каждого образца была изготовлена экранирующая завеса, в виде оболочек из водопроницаемой ткани, заполненных соответствующим наполнителем. Перечень образцов представлен в таблице 1.
Взрывчатое вещество устанавливалось на дне водоема на глубине 2 м, для открытого подрыва, а при закрытом подрыве, размещалось на дне водоема и накрывалось сверху экранирующей завесой. Для всех испытаний в качестве источника взрыва использовался заряд аммонита №6 ЖВ неизменной массой 0,8 кг, что эквивалентно по фугасному действию 1 кг ТНТ на расстоянии 1-3 метра на воздухе. Избыточное давление на фронте подводной ударной волны измерялось с помощью пьезоэлектрического датчика гидрофонного типа, который был расположен на глубине 1 м от поверхности воды и на расстоянии 7,7 м от заряда ВВ.
Анализ результатов испытаний показывает, что:
1. Устройство для ослабления ударных волн от подводного взрыва (образец №1) обеспечило снижение амплитуды ударной волны под водой во фронте УВ на расстоянии 7,7 м от заряда аммонита №6 ЖВ массой 0,8 кг (эквивалент по фугасному действию заряду тринитротолуола массой 1,0 кг в условиях воздушного взрыва) в 5 раз в сравнении с открытым подрывом под водой аналогичного заряда.
2. Устройство для ослабления ударных волн от подводного взрыва (образец №2) обеспечило снижение амплитуды ударной волны под водой во фронте УВ на расстоянии 7,7 м от заряда аммонита №6 ЖВ массой 0,8 кг (эквивалент по фугасному действию заряду тринитротолуола массой 1,0 кг в условиях воздушного взрыва) в 37 раз в сравнении с открытым подрывом под водой аналогичного заряда.
3. Устройство для ослабления ударных волн от подводного взрыва (образец №3) обеспечило снижение амплитуды ударной волны под водой во фронте УВ на расстоянии 7,7 м от заряда аммонита №6 ЖВ массой 0,8 кг (эквивалент по фугасному действию заряду тринитротолуола массой 1,0 кг в условиях воздушного взрыва) в 23 раза в сравнении с открытым подрывом под водой аналогичного заряда.
4. Устройство для ослабления ударных волн от подводного взрыва (образец №4) обеспечило снижение амплитуды ударной волны под водой во фронте УВ на расстоянии 7,7 м от заряда аммонита №6 ЖВ массой 0,8 кг (эквивалент по фугасному действию заряду тринитротолуола массой 1,0 кг в условиях воздушного взрыва) в 8 раз в сравнении с открытым подрывом под водой аналогичного заряда.
Результаты проведенных испытаний дают достаточные основания утверждать, что, наибольшую эффективность показали образец №2 и №3.
3
Таким образом, действие заявляемых параметров изобретения позволило обеспечить достижение заявленного технического результата - получение устройства ослабления ударных волн подводного взрыва, которое позволяет полностью локализовать очаг взрыва от окружающего пространства и ослабить ударную волну подводного взрыва за счет применения экранирующей завесы, выполненной из сеток или оболочек из водопроницаемой ткани, заполненных пористым закрытоячеистым пенополиэтиленом с кажущейся плотностью от 29 до 70 кг/м.
Заявленное техническое решение по конструктивным особенностям устройств локализации ударной волны подводного взрыва является новым, так как совокупность отличительных признаков изобретения, в том числе и в частных случаях, неизвестна из литературных данных и практического опыта работ в этой области.
Решение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как предложенное не следует явным образом для специалиста из анализа отечественного и зарубежного уровня техники.