Устройство для электрического взрыва металлической фольги на конусных поверхностях
DEVICE FOR ELECTRICAL EXPLOSION OF METAL FOIL ON CONICAL SURFACES

Изобретение относится к технике создания импульсного давления посредством электрического взрыва проводника для образования кратковременной ударной волны с высокой амплитудой давления и может быть использовано для испытания образцов конусообразной формы на прочность к импульсному поверхностному воздействию.
Известно устройство для создания низкоинтенсивных импульсных нагрузок короткой длительности с помощью электрического взрыва проводников (ЭВП) [1], состоящее из конденсаторной батареи емкостью С и узла нагрузки, представляющего собой прямой и обратный токопроводы, разделенные пленочным изолятором из лавсана, в качестве прямого токопровода используется взрывающийся проводник, а в качестве обратного - медная фольга, расположенная под прямым токопроводом. Недостатком данного устройства является то, что обратный токопровод влияет на параметры генерируемого механического импульса давления и создает отраженную от электрического взрыва вторую ударную волну на испытываемом образце.
Известно также устройство для электрического взрыва фольги, состоящее из конденсаторной батареи емкостью С в сочетании со взрывомагнитным генератором, и узла нагрузки, представляющего собой прямой и обратный токопроводы, расположенные в одной плоскости, в качестве прямого токопровода используется взрывающийся проводник, а в качестве обратного - две медные шины, расположенные равноудаленно от боковых торцов взрываемой фольги, при этом ток в прямом и обратных токопроводах течет параллельно и в противоположных направлениях [2]. Недостатком данной схемы является то, что она не позволяет обеспечить профилированное распределение импульсной нагрузки на поверхности нагружаемого образца.
Известно устройство для создания механического импульса давления электровзрывом фольги по патенту №2377532 от 25.07.2008 г., в котором специальная конструкция обратного токопровода позволила компенсировать деформирование (скручивание) электровзрываемой фольги при пропускании через нее импульса тока. Обратный токопровод располагается равноудалено от боковых торцов фольги, и ток в нем течет параллельно и в одном направлении с током в фольге. Расстояние до обратного токопровода выбирают исходя из условия равенства нулю значения напряженности магнитного поля на границе фольги с целью получения равномерного распределения механического импульса по поверхности нагружаемого образца при электровзрыве фольги. Недостатком устройства является то, что нагружаемый элементом может быть только плоский образец, хотя основными конструктивными элементами объектов техники являются цилиндрические оболочки (корпуса, отсеки и т.д.).
Известно устройство для создания ударной волны по патенту №2343449 от 21.11.2007 г. на образцах цилиндрической формы, содержащее с целью профилирования (изменения) амплитуды импульса давления по поверхности образца сложной формы диэлектрический корпус, фольговый электрический взрываемый проводник, метаемый диэлектрический слой из полиэтиленового листа и образец, при этом корпус выполнен, по меньшей мере, двухслойным, наружный слой монолитный, а внутренний диэлетрический слой выполнен разной толщины из пористого материала и установлен с зазором к испытываемому образцу. Недостатками данного взрывного устройства являются сложность его реализации, обусловленная трудностью разгона участков полиэтиленового слоя разной толщины и обеспечения одновременности приложения нагрузки на испытываемый образец.
Наиболее близким по техническим признакам к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство для генерирования механического импульса давления электрическим взрывом фольги по патенту 2511027 на образцах цилиндрической формы. Недостатком данного устройства является то, что нагружаемыми элементами могут быть только цилиндрические образцы, хотя часто возникает необходимость в нагружении внешним коротким импульсом давления криволинейных усеченных конусных поверхностей различных конструкций ракетно-космической техники (например, сопел управления ракетных двигателей, которые являются основным конструктивным элементов летательных аппаратов).
Предлагаемое изобретение направлено на получение равномерного по амплитуде распределения генерируемого механического импульса на конусных поверхностях нагружаемого образца.
Технический результат достигается тем, что взрываемая фольга размещается на конусной поверхности и на дополнительных диэлектрических формирующих крыльях (далее - диэлектрические крылья), при этом в прямом направлении тока обеспечивается равное сечение фольги (толщина и ширина фольги), что приводит к равному удельному сопротивлению и, как следствие к равному току и формируемому при взрыве механическому импульсу давления.
1
2
1
Размеры диэлектрических крыльев выбираются из условия обеспечения равенства сечения фольги во всех поперечных плоскостях. Схема расположения диэлектрических крыльев относительно объекта испытаний приведена на Фиг. 1, где 1 - усеченный конус (объект испытаний); 2 - диэлектрические крылья; r - радиус большего основания усеченного конуса; r - радиус меньшего основания усеченного конуса; h - максимальная ширина диэлектрического крыла, при этом максимально широкая часть крыла расположена со стороны меньшего основания усеченного конуса.
При количестве диэлектрических крыльев, равном двум, их размеры выбираются из соотношения:
1
где h - максимальная ширина диэлектрического крыла,
1
r - радиус большего основания усеченного конуса,
2
r - радиус меньшего основания усеченного конуса.
π - число, равное 3, 14
В устройстве взрываемая фольга, расположенная специальным образом на конусной поверхности объекта испытаний и на дополнительных диэлектрических крыльях, обеспечивает равномерное по амплитуде распределение генерируемого механического импульса на конусной поверхности за счет равного сечения взрываемой фольги по ее длине в перпендикулярном направлении тока. Схема реализации предлагаемого устройства представлена на Фиг. 2, где показаны: 1 - усеченный конус, 2 - взрываемая металлическая фольга, 3 - диэлектрические крылья, 4 - большее основание усеченного конуса, 5 - меньшее основание усеченного конуса.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
1
2
1
Вначале вырезают фольгу в форме трапеции с размерами: высотой L, длинной большего основания πr; длинной меньшего основания πr+2h и закрепляют взрываемую фольгу 2 на усеченном конусе 1 и на диэлектрических крыльях 3, осуществляют заряд конденсаторной батареи С от источника напряжения, затем осуществляют срабатывание управляемого разрядника Р и разряд емкости С, создающий ток I, протекающий по фольге 2 и приводящий к электрическому взрыву фольги и генерированию механического импульса давления.
За счет электрического взрыва фольги с равным сечением (удельным сопротивлением) по длине усеченного конуса воспроизводится равномерное распределение механического импульса по внешней поверхности нагружаемого образца (на одной боковой стороне конуса).
Управление электрическим взрывом осуществляется подбором мощности электроразрядной установки, применением сплошной и перфорированной фольги разной толщины, подбором материала фольги. Совокупность приемов позволяет регулировать распределение амплитуды значения импульса на поверхности нагружаемого образца в широком диапазоне.
Достоинством предлагаемого устройства является получение ударных волн электрически взрываемой фольгой, располагаемой в непосредственном контакте с испытываемым образцом. Это позволяет изучить характер деформирования материалов при условиях их работы в реальных конструкциях.
Устройство востребовано для испытаний сопел управления ракет в форме конических преград на воздействие малых импульсов давления, равномерно распределенных по нагружаемой поверхности.
Источники информации
1 Павловский А.И., Кашинцов В.И., Глушак Б.Л., Новиков С.А. Генерирование механического импульса электрическим взрывом проводника. // Физика горения и взрыва. 1983. Т. 19. №3. С. 124-126.
2 Андержанов Э.К., Дивнов И.И., Зотов Н.И., Христофоров Б.Д. Зависимость параметров электровзрыва фольг и последующего разряда в воздухе от подводимой мощности. // Журнал технической физики. 1989. Т. 59. В. 8. С. 17-23.