Устройство для ослабления ударных волн подводного взрыва
APPARATUS FOR ATTENUATING SHOCK WAVES OF AN 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 оболочек из водопроницаемой ткани, заполненных пористым материалом, размещенной на поверхности каркаса в виде решетчатой полусферы, образованной расположенными по сферической поверхности горизонтальными и вертикальными ребрами из металлических стержней.
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 от 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 могут использовать карбид кальция.
Недостатком данного способа является то, 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 от 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 данной конструкции, а также отсутствие возможности разместить завесу равномерно над всей поверхностью заряда взрывчатого вещества из-за отсутствия жесткого каркаса.
Еще одним недостатком является то, 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 от 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 оно имеет положительную плавучесть и для стабилизации его над зарядом взрывчатого вещества необходимо применение большого количества якорей, что приводит к увеличению трудоемкости работы водолазов при подготовке к взрыву, а значит увеличивается время и стоимость работ.
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 от 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 перед использованием, непосредственно на берегу или на корабле, устройство собирается из стандартных модулей, соединяя гибкими связями между собой элементы, образующие экран, что существенно увеличивает время подготовки и выполнения работ, а значит увеличивается и стоимость работ.
Еще одним недостатком данного изделия 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 применение при изготовлении элементов экрана 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 2112916 С1 от 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 конструкция данного устройства представляет собой экраны, соединенные вершинами, образующими купол над зарядом в виде полуцилиндра, а боковые стороны около торцов полуцилиндра защищают дополнительные вертикальные защитные экраны. Данная конструкция не обеспечивает надежную локализацию заряда, достаточно трудоемка и потребует увеличение временных и финансовых затрат при подготовке к подрыву.
Еще одним недостатком является то, что в качестве наполнителя применяются малоплотные материалы из элементов, имеющих острые края: древесная стружка, сухие фрагменты растений, сухие морские водоросли. Такой наполнитель может проколоть водонепроницаемую оболочку и нарушить герметичность, а при вытеснении воздуха водой материал теряет способность экранирования ударной волны. Чтобы избежать этого необходимо применение дополнительных тканевых мешков и различных полиэтиленовых пленок. Данный недостаток приводит к увеличению времени при подготовке к подрыву и стоимости работ.
Известен способ гашения ударной волны при подводном взрыве, описанный в патенте RU 2087847 от 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 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 гасящую ударную волну экранирующая завеса имеет сложную конструкцию, состоящую из большого количества элементов завесы, не имеющих жесткого каркаса, которые скрепляются в сплошную преграду, с помощью различных пряжек и петель. Исходя из этого, такая конструкция не обеспечивает надежную локализацию очага взрыва, и для гарантированного ослабления ударной волны потребуется применение нескольких слоев, расположенных друг над другом скрепленных между собой элементов завесы. Подготовка такого устройства очень трудоемка и потребует больших материальных и временных затрат при сборке устройства на суше и установке его водолазами под водой.
Еще одним недостатком является то, что такая конструкция при наличии течения затрудняет установку экранирующей завесы непосредственно над зарядом взрывчатого вещества.
Заявленное авторами устройство для ослабления ударных волн подводного взрыва включает в себя экранирующую завесу, выполненную в виде оболочек из водопроницаемой ткани, заполненных пористым материалом, размещенную на поверхности каркаса в виде решетчатой полусферы (см. Рис. 1), образованной расположенными по сферической поверхности горизонтальными 1 и вертикальными ребрами 2 из металлических стержней, причем вертикальные ребра прикреплены к нижнему опорному контуру в виде кольца 3.
Целью изобретения является всесторонняя локализация очага взрыва, повышение эффективности и надежности ослабления ударной волны при подводных взрывах.
Технический результат изобретения достигается за счет размещения в воде, на пути прохождения ударной волны, экранирующей завесы, размещенной на каркасе, представляющем собой конструкцию, выполненную в виде решетчатой полусферы, образованной расположенными по сферической поверхности горизонтальными и вертикальными ребрами из металлических стержней, причем вертикальные ребра прикреплены к нижнему опорному контуру в виде кольца с радиусом, равным радиусу полусферы, с расстоянием между вертикальными ребрами у нижнего опорного контура 0,3-0,5 радиуса полусферы и расстоянием между горизонтальными ребрами по дуге окружности составляет 0,3-0,5 радиуса полусферы.
Выполнение этих условий обеспечивает при проведении подводных взрывов гарантированную локализацию очага взрыва, а следовательно, выполнение данным устройством своей основной функции - надежное ослабление ударной волны при подводном взрыве и снижение воздействия на окружающую флору и фауну.
Устройство для ослабления ударных волн подводного взрыва работает следующим образом.
Устройство с помощью водолазов устанавливается непосредственно на обнаруженное под водой взрывное устройство таким образом, что выполненная в нижней части устройства полость позволяет полностью отделить взрывное устройство от окружающего пространства. При срабатывании накрытого таким образом взрывного устройства энергия взрыва поглощается находящимся в оболочках из водопроницаемой ткани пористым материалом.
Гарантированная эффективность достигается, когда расстояние между вертикальными ребрами у нижнего опорного контура составляет 0,3-0,5 радиуса полусферы.
Если расстояние между ребрами у нижнего опорного контура составляет менее 0,3 радиуса полусферы, то расположенные по сферической поверхности ребра, в сочетании с горизонтальными ребрами будут образовывать практически цельнометаллическую полусферу, тем самым утяжеляя конструкцию и существенно затрудняя возможность равномерного крепления к ним оболочек экранирующей завесы. Плохо закрепленные оболочки, имея положительную плавучесть, будут хаотично всплывать к вершине каркаса, тем самым образуя в конструкции устройства так называемые окна. Таким образом применение такой конструкции не позволит надежно локализовать очаг взрыва и гарантированно ослабить ударную волну.
Если расстояние между ребрами у нижнего опорного контура составляет более 0,5 радиуса полусферы, то расположенные по сферической поверхности ребра, будут располагаться на значительном удалении друг от друга и размещенная на них экранирующая завеса, выполненная из оболочек, наполненных пористым материалом, имея положительную плавучесть, не может быть надежно зафиксирована на ребрах. Оболочки экранирующей завесы будут хаотично всплывать, образовывая между собой просветы, что не позволит гарантированно отделить взрывное устройство от окружающего пространства и локализовать ударную волну при подводном взрыве.
Таким образом, оптимальное расстояние между ребрами у нижнего опорного контура составляет 0,3-0,5 радиуса полусферы.
Гарантированная эффективность достигается, когда расстояние между горизонтальными ребрами по дуге окружности составляет 0,3-0,5 радиуса полусферы.
Если расстояние между горизонтальными ребрами по дуге окружности будет меньше 0,3 радиуса полусферы, то в сочетании с вертикальными ребрами, каркас превратится практически в цельнометаллический купол сферической конструкции и закрепить на его поверхности какие-либо элементы экранирующей завесы будет крайне затруднено. Кроме того, такое расстояние между горизонтальными ребрами приведет к значительному увеличению количества этих ребер, а значит и к увеличению массы всего устройства.
Увеличение расстояние между горизонтальными ребрами по дуге окружности больше 0,5 радиуса полусферы, приведет к тому, что конструкция каркаса не будет обладать достаточной жесткостью, прочностью и устойчивостью к воздействию. Такая конструкция существенно затруднит возможность равномерного крепления к ним оболочек экранирующей завесы. Плохо закрепленные оболочки, имея положительную плавучесть, будут хаотично всплывать между горизонтальными и вертикальными ребрами, образуя в конструкции устройства так называемые окна. Таким образом применение такой конструкции не позволит надежно локализовать очаг взрыва и гарантированно ослабить ударную волну.
Таким образом, оптимальное расстояние между горизонтальными ребрами по дуге окружности составляет 0,3-0,5 радиуса полусферы.
При таких условиях экранирующая завеса, выполненная из заполненных пористым материалом оболочек, надежно зафиксированная на поверхности каркаса, довольно проста в установке, практически не подвержена влиянию подводного течения, позволит полностью локализовать очаг взрыва и ослабить ударную волну подводного взрыва.
Для надежного размещения непосредственно над очагом взрыва всей конструкции устройства ослабления ударных волн подводного взрыва и снижения воздействия подводного течения, нижний опорный контур имеет массу, превышающую положительную плавучесть экранирующей завесы.
Для оценки эффективности и кратности 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 три опытных образца технического устройства с различными значениями расстояний между вертикальными ребрами и горизонтальными ребрами по отношению к радиусу полусферы. Перечень образцов представлен в таблице 1.
Для каждого образца был изготовлен полусферический каркас, с размещенной на его поверхности экранирующей завесой, в виде цилиндрических модулей из водопроницаемой ткани, заполненных пористым материалом. Внутренний радиус составил 580 мм.
Взрывчатое вещество устанавливалось на дне водоема на глубине 2 м, для открытого подрыва, а при закрытом подрыве, размещалось в рабочей полости устройства, и затем вся конструкция устанавливалась на дно водоема. 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 м 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 избыточного давления 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 26,8…29,7 раз в сравнении с открытым подрывом под водой аналогичного заряда. Полусферический каркас в результате проведенного эксперимента был сильно деформирован, для повторного использования не пригоден.
2. Устройство для ослабления ударных волн от подводного взрыва (образец №2) обеспечило снижение избыточного давления 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 35…38,8 раз в сравнении с открытым подрывом под водой аналогичного заряда. Конструкция каркаса была деформирована, восстановлена на месте рихтовкой.
3. Устройство для ослабления ударных волн от подводного взрыва (образец №3) обеспечило снижение избыточного давления 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 8,6…9,6 раз в сравнении с открытым подрывом под водой аналогичного заряда. Конструкция каркаса была деформирована, от нижнего опорного контура оторваны два вертикальных ребра. После ремонта с использованием сварочных работ каркас можно использовать повторно.
Результаты проведенных испытаний дают достаточные основания утверждать, что, наибольшую эффективность показал образец №2.
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 оболочек из водопроницаемой ткани, заполненной пористым материалом, размещенной на поверхности каркаса, выполненного в виде решетчатой полусферы, образованной расположенными по сферической поверхности горизонтальными и вертикальными ребрами из металлических стержней.
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.