ВЗРЫВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ
EXPLOSIVE APPARATUS FOR DYNAMIC LOADING

Изобретение относится к области взрывных работ, а именно к малогабаритным нагружающим устройствам и предназначено для формирования взрывной волны заданной формы в заряде взрывчатого вещества (ВВ) путем его синхронного (с минимальной разновременностью) подрыва с помощью многоточечного инициирования.
Известно техническое решение, описанное в патенте США №3742859, F42D 1/00, 1973 г., содержащее основной заряд ВВ и узел его инициирования, при этом основной заряд выполняют многослойным и разным по химическому составу. Состав слоев подобран таким образом, что поток продуктов взрыва от менее мощного ВВ идет за потоком продуктов взрыва более мощного ВВ.
Недостатком известного устройства является технологическая сложность изготовления, связанная с выполнением основного заряда из различных по химическому составу ВВ, что требует разделение процесса снаряжения по времени и по различным участкам.
Известно другое взрывное устройство для динамического нагружения (патент России №2113703, МПК: G01N 3/30, дата публикации 20.06.98 г.). Известное устройство включает в себя основной заряд ВВ, выполненный многослойным, ударник и узел инициирования основного заряда. Набор слоев ВВ фиксированного химического состава располагают с уменьшающейся плотностью в сторону нагружаемого объекта. Ударник и узел инициирования размещают по разные стороны основного заряда. Устройство инициирования представляет собой матрицу с промежуточным зарядом ВВ и средство инициирования промежуточного заряда. Промежуточный заряд ВВ представляет собой детонационный канал, а матрица-пенопластовый диск. Таким образом, при помощи устройства инициирования осуществляется процесс одноточечного инициирования основного заряда ВВ. Ударник представляет собой стальную пластину, примыкающую к основному заряду ВВ. В качестве средства инициирования промежуточного заряда ВВ применяют капсюль-детонатор.
Недостатком известного устройства является то, что фронт взрывной волны в основном заряде ВВ, сформированный с помощью одноточечного инициирования, имеет большую площадь боковой разгрузки, и как следствие этого, разгоняемый ударник имеет плоскопараллельный участок только в центре, края его изогнуты, что приводит в дальнейшем к нагружению исследуемого объекта ударной волной, форма которой отличается от плоскопараллельной и усложняет численное моделирование исследуемого процесса.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является взрывное устройство для динамического нагружения, описанное в патенте РФ №2383880, МПК G01N 3/30, F42B 1/00, F42D 3/00, опубл. 10.03.2010 г. Рассматриваемое устройство содержит основной заряд взрывчатого вещества (ВВ), который выполнен многослойным и контактирующим с инертной пластиной из материала, скорость прохождения ударной волны в котором меньше скорости детонации ВВ основного заряда, узел инициирования основного заряда, включающий матрицу с промежуточным зарядом взрывчатого вещества и средством его инициирования, подслой из взрывчатого вещества толщиной h, установленный на выходной поверхности узла инициирования, а в качестве узла инициирования основного заряда использован формирователь многоточечного инициирования, в котором матрица выполнена многослойной, а промежуточный заряд выполнен в виде сети детонационных каналов, проходящих по всем слоям матрицы узла инициирования и имеющих ответвления, причем ответвления концевых участков каналов выходят на поверхность подслоя из ВВ.
К недостаткам известного устройства следует отнести:
- разновременность работы узла инициирования из-за сложности обеспечения равнодлинности путей детонации при большом количестве участков детонационных каналов, проходящих через все слои матрицы;
- сложность в обеспечении и контроле плотности снаряжения, отсутствия зазоров и включений в ВВ в участках детонационных каналов, проходящих через слои матрицы. Наличие зазоров, включений вносит задержки в передаче детонации, и как следствие, увеличивает разновременность ее выхода в детонационных каналах;
- повышенное разрушающее (бризантное) действие устройства на нагружаемый объект по периферии заряда.
Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных возможностей, а именно эффективности задействования, безопасности и надежности устройства.
Технический результат заявляемого устройства заключается в повышении эффективности его работы, за счет предельного уменьшения разновременности (асимметрии) поверхности формируемого в основном заряде детонационного фронта и за счет устранения «режущего» воздействия на нагружаемый объект детонации основного заряда по линии проекции его боковой поверхности.
Указанный технический результат достигается тем, что взрывное устройство для динамического нагружения, содержащее основной заряд взрывчатого вещества (ВВ), который выполнен многослойным и контактирующим с инертной пластиной из материала, скорость прохождения ударной волны в котором меньше скорости детонации ВВ основного заряда, узел инициирования основного заряда, включающий матрицу с промежуточным зарядом взрывчатого вещества и средством его инициирования, подслой из взрывчатого вещества толщиной h, установленный на выходной поверхности узла инициирования, а в качестве узла инициирования основного заряда использован формирователь многоточечного инициирования, в котором матрица выполнена многослойной, а промежуточный заряд выполнен в виде сети детонационных каналов, проходящих по всем слоям матрицы узла инициирования и имеющих ответвления, причем ответвления концевых участков каналов выходят на поверхность подслоя из ВВ, согласно изобретению, снабжено сепаратором, примыкающим к подслою из ВВ и выполненным в виде слоя инертного вещества толщиной Δ (мм), определяемой из соотношения
Δ≥Δ
з
Δ
l
з
где  - запирающий слой сепаратора, со сквозными отверстиями, заполненными ВВ, расположенными с шагом (мм), определяемым из соотношения
l =0,5L,
L
d
где  - шаг сети выходных пазов каналов ответвлений концевых участков формирователя многоточечного инициирования, выходящих на поверхность подслоя из ВВ, и выполненными симметрично относительно этих пазов, при этом диаметр  (мм) этих отверстий определяется из условия
d≥3,5 d
кр
,
d
кр
где - критический диаметр детонации ВВ (мм),
H (мм),
а со второй поверхностью сепаратора контактирует второй подслой ВВ толщиной  определяемый из условия
l≥H≥l/2,
l
где  - шаг расположения отверстий в сепараторе (мм),
h
при этом толщина  (мм) первого подслоя из ВВ определяется из соотношения
h≥3,5d
,
кр
d
кр
где  - критический диаметр детонации ВВ (мм),
а концевые участки детонационных каналов проходят вдоль слоев матрицы узла инициирования и их количество одинаковое на каждом слое, при этом слои матрицы расположены перпендикулярно к основному заряду.
Кроме того, с целью устранения режущего воздействия устройства на нагружаемый объект на периферии основного заряда, боковая поверхность последнего выполнена с расширением в направлении распространения детонации.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».
Изобретение проиллюстрировано на чертежах, где
на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства на виде спереди, совмещенным с фронтальным разрезом, выполненным вдоль боковой поверхности пластины;
на фиг. 2 представлен схематично вид сверху.
На чертеже введены следующие позиции:
1 - основной заряд ВВ;
2 - первый слой основного заряда ВВ;
3 - инертная пластина;
4 - промежуточный заряд ВВ;
5 - многослойная матрица;
6 - первый подслой из ВВ;
7 - сепаратор;
8 - второй подслой из ВВ;
9 - средства инициирования промежуточного заряда ВВ;
10 - крепежные пластины;
11 - отверстие в сепараторе.
Устройство состоит (см. фиг. 1) из двухслойного основного цилиндрического заряда ВВ 1, второй слой основного заряда ВВ 1, представляет собой шашку ВВ; первый слой 2 заряда ВВ контактирует с инертной пластиной 3 - узлом инициирования основного заряда ВВ 1, представляющий собой формирователь многоточечного инициирования с промежуточным зарядом ВВ 4, выполненным из пластичного ВВ в виде сети детонационных каналов, которая имеет общий входной участок, и концевые участки, сепаратора 7 с отверстиями 11, второго подслоя из ВВ 8, средства инициирования промежуточного заряда 9.
Сеть детонационных каналов размещена в многослойной матрице 5, первого подслоя из ВВ 6, слои матрицы собраны вместе с крепежными пластинами 10 в пакет и стянуты винтами с гайками. Каналы общего входного участка объединены в общую начальную точку инициирования, детонационно-связанную со средством инициирования 9 промежуточного заряда ВВ 4.
Минимальную толщину первого подслоя из ВВ 6 h (см. фиг. 1 вид А) выбирают экспериментально из условия обеспечения надежной передачи детонации по подслою из ВВ 6 с целью инициирования ВВ в отверстиях 11 сепаратора 7. Выбор толщины второго подслоя из ВВ 8 из вышеприведенного условия связан с необходимостью оптимального снижения количества непрореагировавшего ВВ в подслое из ВВ 8 на момент достижения детонационными фронтами взрывных волн, инициируемых взрывчатым веществом в отверстиях 11 сепаратора 7, границы с инертной пластиной 3, отделяющей подслой из ВВ 8 от основного заряда 1. Экспериментально выявлено, что вышеприведенное условие является оптимальным и дальнейшее увеличение толщины подслоя из ВВ 8, превышающее расстояние между соседними отверстиями 11 в сепараторе 7, нецелесообразно из-за увеличения габаритов.
Минимальную толщину сепаратора 7 Δ (см. фиг. 1 вид А) определяют экспериментально с целью исключения передачи детонации непосредственно через слой инертного вещества сепаратора 7 на второй подслой из ВВ 8.
Выполнение отверстий 11 в сепараторе 7 с определенным минимальным диаметром d (см. фиг. 1 вид А) выбрано экспериментально из условия обеспечения надежного прохождения детонационного импульса по ВВ в отверстиях 11 сепаратора 7.
Выполнение отверстий 11 в сепараторе 7 с шагом  (см. фиг. 1 вид А) выбрано с целью увеличения количества инициирующих импульсов, передаваемых во второй подслой из ВВ 8 с обеспечением их равномерности распределения по поверхности подслоя и симметричности относительно выходных пазов каналов ответвлений концевых участков формирователя многоточечного инициирования, выходящих на поверхность первого подслоя из ВВ 6.
Первый слой 2 основного заряда 1, примыкающий к инертной пластине 3 выполнен из ВВ, во-первых, с чувствительностью, достаточной, чтобы полноценно детонировать от импульса, выходящего из инертной пластины 3, и, во-вторых, с мощностью, достаточной для полноценного задействования второго слоя основного заряда 1. Толщину первого слоя 2 выбирают также из достаточности для надежного задействования второго слоя основного заряда 1.
Слои матрицы 5 в заявляемом устройстве расположены перпендикулярно к основному заряду 1 (см. фиг. 1). Это связано с тем, что в этом направлении увеличивается число ответвлений каналов концевых участков, выполненных вдоль боковых сторон слоев матрицы 5. Количество ответвлений каналов и слоев матрицы 5 определяется необходимостью обеспечения получения требуемого профиля и заданного направления движения взрывной волны.
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.
При подаче электрического импульса на средство инициирования 9 промежуточного заряда 4, например, капсюль-детонатор, он срабатывает и задействует начальную точку инициирования промежуточного заряда ВВ 4. Детонационный импульс распространяется параллельно по всем каналам его входного участка и без негативного влияния продуктов взрыва от ответвлений каналов друг на друга одновременно передается в каналы концевых участков сети детонационных каналов промежуточного заряда 4, расположенных на боковых поверхностях слоев матрицы 5. Задействуемые одновременно каналы концевых участков промежуточного заряда ВВ 4 работают параллельно без негативного влияния продуктов взрыва от ответвлений каналов друг на друга, обеспечивая одновременный выход детонации из всех каналов ответвлений концевых участков на первый подслой из ВВ 6, по которому детонация разводится к ВВ в отверстиях 11 сепаратора 7, последние обеспечивают в разы увеличенное количество и равномерность распределения инициирующих импульсов по поверхности второго подслоя из ВВ 8. Взрывная волна, сформированная во втором подслое из ВВ 8 с увеличенным количеством инициирующих импульсов, формирует ударную волну в инертной пластине 3, которая в свою очередь, уменьшая и сглаживая разнодинамичность передаваемой взрывной волны, через первый слой основного заряда 2 инициирует основной заряд 1 по всей площади, выравнивая давление на фронте взрывной волны с пониженным разрушающим действием устройства на нагружаемый объект за счет плавного утончения основного заряда ВВ 1 на его периферии.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства является взрывное устройство для динамического нагружения, включающее слои матрицы 5, собранные вместе с крепежными пластинами 10 в пакет, стянутые винтами с гайками и совместно обработанные, в котором последовательно размещены следующие элементы:
- основной заряд ВВ 1, выполненный двухслойным, первый слой 2 которого контактирует с инертной пластиной 3;
- первый слой 2 основного заряда ВВ выполнен из пластичного ВВ толщиной 1,5 мм, удовлетворяющего требования по чувствительности и мощности, изложенным выше;
- второй слой основного заряда ВВ представляет собой шашку ВВ толщиной 6 мм, боковая поверхность которой выполнена с расширением в направлении распространения детонации;
- инертная пластина выполнена из оргстекла толщиной 1 мм;
- узел инициирования основного заряда ВВ представляет собой формирователь многоточечного инициирования с промежуточным зарядом ВВ 4, выполненным из пластичного ВВ в виде сети детонационных каналов, которая имеет общий входной участок, и концевые участки. Каналы общего входного участка объединены в общую начальную точку инициирования, детонационно-связанную со средством инициирования 9 промежуточного заряда ВВ 4.
Формирователь представляет собой многослойную матрицу 5, состоящую из 15 одинаковых слоев, выполненных из пенопласта в форме пластин толщиной 5 мм с пазами для размещения ВВ, которые и образуют детонационные каналы. Слои матрицы 5 расположены перпендикулярно к основному заряду 1. Пазы под концевые участки детонационных каналов, выходящих на подслой из ВВ 6, выполнены на боковой поверхности каждого слоя матрицы 5, перпендикулярной основному заряду 1.
На поверхностях слоев матрицы 5, противоположных основному заряду 1, выполнены при совместной обработке пакета слоев пазы под общий входной участок детонационных каналов с общей начальной точкой инициирования. Здесь же выполнены отверстия для закрепления розетки под электродетонатор. При этом пазы общего входного участка и концевых участков выполнены в виде «шалаша» и имеют один общий паз и 15 параллельных ответвлений от него, при этом расстояние между соседними ответвлениями составляет 3,5 мм, что обеспечивает шаг сетки выходных пазов каналов ответвлений концевых участков формирователя многоточечного инициирования, выходящих на поверхность первого подслоя из ВВ 6 равным 5 мм;
- средство инициирования промежуточного заряда ВВ 9, совмещенное с начальной точкой инициирования, представляет собой капсюль-детонатор, помещенный в розетку, закрепленную на верхней поверхности пакета;
кр
кр
- подслой из ВВ 6, выполнен из пластичного ВВ толщиной 1,3 мм (это значение удовлетворяет условию формулы h≥3.5d для d ВВ, равного 0,3 мм);
з
з
кр
кр
- к подслою из ВВ 6 примыкает сепаратор 7, который изготовлен из полиметилметакрилата (оргстекла) толщиной 1,5 мм со сквозными заполненными ВВ отверстиями 11 диаметром 1,2 мм расположенными с шагом 2,5 мм. Количество отверстий 728 (толщина сепаратора Δ удовлетворяет условию формулы Δ≥Δ при значении Δ=0,8 мм, определенным экспериментально, диаметр d отверстий 11 удовлетворяет условию формулы d≥3,5d для d ВВ, равного 0,3 мм, величина шага расположения отверстий удовлетворяет условию формулы  для выбранного шага сети выходных пазов каналов ответвлений концевых участков формирователя многоточечного инициирования L=5 мм);
- а ко второй (нижней) поверхности сепаратора 7 примыкает второй подслой из ВВ 8 из пластичного ВВ толщиной 1,5 мм (эта толщина Н удовлетворяет условию формулы  при выбранном ).
Предельно низкую для детонационных устройств асимметрию детонационного фронта 30 нс в круге диаметром 70 мм достигают в заявляемом устройстве за счет:
- снижения числа поворотов, вносящих нестабильность в передачу детонации, до двух в каждом канале детонационной сети,
- параллельности детонационных каналов в слоях, исключающей ударно-волновое воздействие друг на друга при сколь угодно близком расположении с целью увеличения числа точек первичного инициирования на заданной площади первого подслоя,
- использования второго каскада симметризации в виде второго подслоя и сепаратора, дающих возможность организации максимально близкого расположения вторичных точек инициирования с увеличением плотности их расстановки.
Устранение «режущего» воздействия детонации основного заряда на нагружаемый объект достигают в устройстве плавным увеличением диаметра заряда от входного торца к выходному, что обеспечивает перевод от нормального детонационного нагружения объекта в основной части заряда к скользящему режиму в рассматриваемой области увеличения диаметра.
Таким образом, заявленное устройство позволяет при минимальной массе ВВ обеспечить повышение эффективности исследования объектов при ударно-волновом нагружении, упрощение дальнейшего численного моделирования исследуемых процессов за счет создания в исследуемом материале плоскопараллельной ударной волны с предельно уменьшенной асимметрией поверхности формируемого в основном заряде детонационного фронта и за счет устранения «режущего» воздействия на нагружаемый объект при обеспечении требуемого уровня нагрузки на объект исследования.
Использование данного изобретения позволит повысить эффективность исследования объектов при ударно-волновом нагружении за счет повышенного симметрийно-динамического качества заявляемого устройства, а также за счет возможности сохранения объектов после их нагружения в связи с отсутствием «режущего» воздействия на них.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений и способность обеспечения достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».