Взрывное устройство для создания ударной волны
EXPLOSIVE DEVICE FOR CREATION OF SHOCK WAVE

Изобретение относится к области экспериментальной отработки прочности конструкций при действии импульсных нагрузок и может быть использовано, в частности, для подтверждения прочности конструкций различных отраслей машиностроения, а также изделий нефтегазовой промышленности, к которым предъявляются требования по прочности в условиях взрывного воздействия.
Известно «Устройство для формирования взрывной волны» (патент на изобретение РФ №2135935), содержащее источник инициирования, решетку из сублимированного взрывчатого вещества (ВВ) с разветвленными концевыми участками, расположенную на основном заряде или на дополнительном слое гибкого взрывчатого вещества, выполняющем роль промежуточного детонатора.
Недостатком устройства является ограничение возможности снижения толщины листового взрывчатого вещества, которая не может быть меньше 0,3 мм.
Известно изобретение «Контактно-секторный заряд из листового взрывчатого вещества» (патент на изобретение РФ №2498200), которое содержит детонатор, систему инициирования, заряд взрывчатого вещества. Заряд выполнен в виде секций с разбиением на сектора с зазором между ними. Система инициирования выполнена в виде полосок ВВ одинаковой длины и минимальной ширины.
Недостаток устройства заключается в отсутствии возможности моделирования малых импульсов. Критическая толщина детонации для современных эластичных ВВ составляет примерно 0,3 миллиметра. Это обстоятельство не позволяет использовать более тонкие ВВ и соответственно формировать малые величины удельного импульса.
Кроме того, входящая в состав устройства система инициирования вносит возмущение в эксперимент за счет создания дополнительного давления со стороны продуктов детонации ее элементов. В ряде случаев созданная неравномерность профиля давления на поверхности изделия может привести к существенному отличию результатов эксперимента от результатов воздействия реальных эксплуатационных нагрузок с точки зрения прочности конструкции. При уменьшении количества элементов системы инициирования увеличивается расстояние между точками инициирования, что влечет рост неравномерности профиля давления во времени.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство «Ленточный заряд из листового взрывчатого вещества» (патент на изобретение РФ №2557298), содержащее секции из лент листового ВВ, наклеенных на внешние полуокружности трубок и расположенных равноудалено от преграды. Ленты листового ВВ имеют поперечный зазор, исключающий взаимодействие детонационных волн в лентах заряда. Практически одновременное начало детонации зарядов достигается с помощью многоточечной лучевой системы инициирования с торцов лент ВВ. Разные по величине импульсы давления на поверхности создаются за счет изменения толщины и ширины лент ВВ и расстояния до преграды. Выравнивание профиля нагрузки по нагружаемой поверхности достигается раскладкой лент и изменением расстояния между ними.
Недостаток устройства заключается в значительной неравномерности пространственного и временного профиля давления на поверхности объекта испытания.
Неравномерность временного распределения обусловлена продолжительным процессом детонации ленточного заряда, что при испытаниях изделий, период собственных колебаний которых сравним, либо меньше продолжительности детонации, приводит к ошибкам в эксперименте.
Кроме того, использование лент вместо точечных зарядов приводит к более грубому моделированию профиля фронта ударной волны. В случае сложной формы поверхности объекта испытания для равномерного покрытия приходится делать ответвления удлиненных зарядов, что создает увеличенный вдвое импульс в зоне ответвления.
Целью изобретения является создание средства отработки конструкций на действие импульсной распределенной нагрузки, обеспечивающего большую равномерность нагрузки по сравнению с известными средствами.
Указанная цель достигается использованием точечных зарядов взрывчатого вещества, корпуса и системы инициирования детонации зарядов (фиг. 1, 2). Корпус выполнен в виде кассеты (1) в форме параллелепипеда, состоящей из крышек, боковых и торцевой планки с установленными на ней зарядами взрывчатого вещества, расположенными в патронах.
Для каждого конкретного вида испытаний выбираются свои характеристики образованной системы точечных зарядов: массы зарядов и их пространственная конфигурация.
Точечные заряды объединены в кассеты (фиг. 2), в состав которых входят: система инициирования точечных зарядов (2), корпус, включающий крышки (3), боковые (4) и торцевую (5) планки и патроны (6), содержащие точечные заряды (7).
Устройство работает следующим образом.
Детонация в системе инициирования передается точечным зарядам, а продукты детонации точечных зарядов создают ударную волну.
На начальной стадии суммарный фронт ударной волны, создаваемой системой точечных зарядов, по форме представляет собой разрозненные сферы. При сложении ударных волн соседних зарядов происходит их взаимодействие и возникает тройная точка Маха с повышенным давлением, скоростью и плотностью газа. За счет более высокой скорости данная зона фронта ударной волны приближается к передней части фронта, в результате чего фронт выравнивается, и его геометрическая неравномерность уменьшается.
При этом распределение удельного импульса по нагружаемой поверхности носит волнообразный характер. Вследствие сферичности фронта каждой ударной волны максимум удельного импульса приходится на поверхность, расположенную непосредственно под точечным зарядом. Одновременно с этим в месте сложения ударных волн также возникает повышенное давление и, соответственно, повышенный удельный импульс. Таким образом, на поверхности объекта испытаний чередуются пики высокого давления. Их соотношение зависит от массы точечных зарядов, расстояния между зарядами и от расстояния между фронтом ударной волны и точечными зарядами. Варьируя перечисленные параметры, можно выравнивать профиль удельного импульса ударной волны до необходимого по условиям испытаний уровня.
С целью исключения влияния ударных волн от системы инициирования точечных зарядов на создаваемую нагрузку система инициирования помещена в корпус кассеты.
Для снижения влияния ударных воздействий на конструкцию корпуса точечные заряды и часть системы инициирования помещены в патроны, выполненные из более прочных видов в стали. В случае значительного деформирования, патроны могут быть заменены. Такая конструкции корпуса обеспечивает его многоразовость и снижает стоимость эксплуатации.
При испытании конструкций на воздействие распределенного импульса для каждого требуемого режима нагружения создают свой профиль фронта ударной волны. Каждому профилю фронта ударной волны соответствует своя пространственная конфигурация точечных зарядов относительно объекта испытания и свои величины масс точечных зарядов.
Для испытания конструкций с развитой формой поверхности используется несколько кассет установленных эквидистантно поверхности испытуемого объекта (фиг. 3, 4). При этом расположение кассет (1), формирующее пространственную конфигурацию расположения точечных зарядов, массы точечных зарядов и расстояние от точечных зарядов до поверхности объекта испытания, выбираются в соответствии с режимом нагружения объекта испытания (8).
Технический результат изобретения заключается в увеличении достоверности и точности результатов эксперимента. Изобретение позволяет увеличить равномерности фронта ударной волны за счет эффекта сложения ударных волн (фиг. 5, 6). По сравнению с прототипом, конструкция устройства исключает удвоение импульса в зонах ответвлений ленточных зарядов и влияние продуктов детонации системы инициирования. Также снижается временная неравномерность, за счет того, что в прототипе временная неравномерность обусловлена продолжительностью детонации достаточно длинных ленточных зарядов, а в заявленном устройстве разностью между приходом к объекту испытания передних и отстающих частей фронта ударной волны (фиг. 5).
Реализация изобретения проводилась на базе взрывной камеры «Большая взрывная камера» комплекса взрывных камер ФГУП ЦНИИмаш. Расстояние между точечными зарядами было выбрано 50 мм. Расстояние между точечными зарядами соседних кассет в наборе соответственно было равно расстоянию между зарядами в кассете. Количество кассет в наборе 4. Количество зарядов в кассете 6. Масса каждого точечного заряда составляла 200 мг. Расстояние до поверхности нагружения 100 мм.
При этом импульс давления, измеренный на баллистическом маятнике И57.619.000, составил 224 Па⋅с. Анализ деформаций образца-свидетеля показал высокую равномерность профиля удельного импульса давления ударной волны.