Способ многоочагового электровзрывного инициирования детонации в бризантном взрывчатом веществе
METHOD OF MULTI-FOCAL ELECTRIC EXPLOSIVE INITIATION OF DETONATION IN BLASTING EXPLOSIVE

Изобретение относится к физике взрыва и физике высоких давлений. Предлагаемый способ предназначен для прямого инициирования одного или синхронно нескольких очагов детонации в бризантном взрывчатом веществе (БВВ) наносекундным электрическим взрывом проводников (ЭВП).
Электрическое инициирование детонационной волны в бризантном взрывчатом веществе может быть реализовано двумя принципиально разными способами: через процесс перехода горения в детонацию или прямым инициированием. В первом способе для воспламенения используется источник с относительно малой энергией, проволочный или фольговый мостик высокого сопротивления нагревается током до температуры воспламенения инициирующего взрывчатого вещества (ИВВ), контактирующего с одной стороны с мостиком, с другой стороны с массивом основного бризантного взрывчатого вещества, а детонационная волна возникает, в результате ускорения волны горения. Вследствие этого, переход горения в детонацию происходит на больших расстояниях от места инициирования и за длительное время. К недостаткам способа также следует отнести то, что в таких системах используются чувствительные к нагреву и механическим воздействиям ИВВ. При ударах или электромагнитных наводках возможно несанкционированное воспламенение заряда.
Во втором способе достаточно мощный источник энергии создает интенсивную ударную волну в бризантном взрывчатом веществе, при этом в области за фронтом ударной волны происходит объемный взрыв, приводящий непосредственно к формированию детонационной волны. Для создания такой ударной волны необходим локализованный источник с высоким энерговкладом. Обычно в качестве источника с такой энергией используются мощный искровой разрядник или электрически взрывающийся проводник. В последнем случае энергия, вложенная в плазму, образовавшуюся при взрыве проволочного мостика, вызывает ударную волну, инициирующую детонацию основного заряда бризантного взрывчатого вещества, которое находится в непосредственном контакте с мостиком. Вместо чувствительных к теплу и механическим нагрузкам зарядов ИВВ в данном случае применяются относительно нечувствительные бризантные взрывчатые вещества. Эти ВВ относительно устойчивы к воздействию механических нагрузок и низкоамплитудных импульсов, так как вероятность того, что проволочка случайно поглотит достаточное для своего взрыва количество энергии мала (ЭВП мостик имеет сравнительно низкое сопротивление порядка 1 Ом).
Одним из наиболее близких аналогов заявляемого способа по технической сущности и достигаемому результату от его использования является способ инициирования детонации бризантного взрывчатого вещества, описанный в книге «Вспомогательные системы ракетно-космической техники» (перевод с английского, издательство «Мир», Москва, 1970, страницы 216÷245). Этот способ электровзрывного инициирования детонации в бризантном взрывчатом веществе содержит взрывающийся элемент, который инициируется мощным электрическим импульсом разряда конденсаторной батареи (напряжением до 2,5÷3 кВ), с амплитудой тока 2÷3 кА. При взрыве проволочного мостика образуется ударная волна, вызывающая детонацию заряда БВВ. Данная система (фиг. 1а и 1б) представляет собой комплекс из трех отдельных, но взаимосвязанных компонентов: электровзрывного устройства, электрического кабеля 2 и блока питания 3. Электровзрывное устройство 1 с замкнутой цепью является концевым элементом системы и содержит проволочный мостик низкого сопротивления (менее 1 Ом), приваренный или припаянный к концевым электродам, которые изолированы друг от друга и от корпуса диэлектрическим материалом, и заряд БВВ, запрессованный в корпус вокруг проволочного мостика.
e
Кратко опишем работу инициатора детонационной волны созданного по способу-аналогу. При подаче электрического импульса металл проволочки в первый период времени нагревается, плавится и переходит в коллоидное состояние (смесь преимущественно нейтрального газа и капель металла), в результате сопротивление разрядного канала резко повышается до приблизительно 10÷15 Ом. Ток разряда уменьшается. Так как энергия, приобретаемая электроном между столкновениями W ~ qEλ, (где q - заряд электрона, Е - напряженность электрического поля, λ - длина свободного пробега электрона между двумя последовательными столкновениями) должна быть достаточной для ионизации газа - необходима длительная временная пауза для расширения канала. При расширении канала плотность газа падает и одновременно возрастает средняя длина свободного пробега электронов в газе, что вызывает интенсивную ударную ионизацию вследствие соударения носителей заряда, принимающую лавинообразный характер. Это так называемая стадия вторичного пробоя. В результате повторного пробоя сопротивление разрядного канала падает ниже 1 Ом и сила тока повышается до уровня, определяемого параметрами генератора (для ЭВП мостика, запитанного от высоковольтного конденсатора - до величины определяемой зарядным напряжением и импедансом разрядного контура). Энергия, вложенная в плазму, образовавшуюся при взрыве проволочного мостика, вызывает ударную волну, инициирующую детонацию основного заряда бризантного взрывчатого вещества.
Недостатки описанного способа:
1) использование короткозамкнутого электровзрывного устройства не предоставляет возможности организовать многоочаговое синхронное инициирование детонации в бризантном ВВ от одного высоковольтного источника электрической энергии.
2) большая временная задержка от момента начала протекания тока по проволочке до формирования устойчивой волны детонации. Это вызвано тем, что:
а) ток в ЭВП - мостике определяется законами разряда RLC - контура (R - резистивное сопротивление, L - индуктивность, С - электрическая емкость), поэтому фаза нагрева и плавления проволочки длится несколько сотен наносекунд,
б) для реализации повторного пробоя необходима длительная пауза, во время которой происходит существенное увеличение диаметра канала (снижение плотности). Кроме временной задержки увеличение диаметра канала приводит к снижению эффективности энерговклада после повторного пробоя, так как электрическое сопротивление плазменного канала обратно пропорционально квадрату радиуса плазменного канала.
Целью изобретения является синхронное инициирование нескольких очагов детонации и уменьшение времени от начала подачи электрического импульса до формирования ударной волны и детонации БВВ.
линии
генератора
Эти цели достигаются за счет того, что взрыв одного или нескольких проводников осуществляется одним электрическим импульсом малогабаритного сильноточного высоковольтного наносекундного генератора, электрический импульс передается от генератора к взрывающимся проводникам по, согласованной с импедансом генератора, двухпроводной передающей линии (ρ ≈ ρ), а взрывающиеся проводники устанавливаются в разрывах электродов этой двухпроводной линии, например, полосковой линии, в точках будущих очагов синхронной детонации. Полосковая линия представляет собой два фольговых электрода определенной ширины, расположенные параллельно и повернутые плоскостями друг к другу. Пространство вокруг взрывающихся проводников заполнено БВВ.
Пример реализации мобильной системы инициирования детонации БВВ по предлагаемому способу представлен на фиг. 2 и включает в себя: высоковольтный генератор, формирующий сильноточный импульс, двухпроводную передающую линию, взрывающиеся проводники и инициируемое бризантное взрывчатое вещество.
линии
генератора
Формирование электрического импульса осуществляется малогабаритным генератором прямоугольных наносекундных импульсов напряжения. Сформированный электрический импульс передается на взрывающиеся проводники с помощью двухпроводной передающей линии с ρ ≈ ρ. Взрывающиеся проводники представляют собой отрезки проволоки длиной около 1 см и диаметром 10÷50 мкм, установленные в разрывах одного или обоих электродов двухпроводной линии в местах планируемых очагов детонации. Пространство вокруг взрывающихся проводников заполнено БВВ.
3
При срабатывании генератора, электрический импульс (напряжением 200÷400 к В с током порядка 10 кА) распространяется по передающей линии, взрывая проволочки диаметром 10÷50 мкм за время 10÷20 не. Таким образом, формируются ударные волны, достаточные для инициирования многоочаговой детонации заряда БВВ. Диаметры отдельных проволочек могут быть выбраны так, чтобы компенсировать запаздывание взрывов отдельных проводников, связанное с пробегом электромагнитной волны по двухпроводной передающей линии и затуханием волны при пробеге от места установки первой проволочки до последней. Для примера, масса медной проволочки диаметром 50 мкм и длиной 1 см приблизительно равна 175 мкг. При энергии сублимации порядка 10Дж/г для взрыва одной такой проволочки потребуется вложить в нее около 0,2 Дж, при энергии в электрическом импульсе несколько десятков джоулей.
Осуществление взрыва проводников электрическим импульсом малогабаритного сильноточного высоковольтного наносекундного генератора с использованием двухпроводной передающей линии имеет следующие достоинства:
1) согласование импеданса передающей линии с выходным импедансом генератора обеспечивает максимальную эффективность передачи энергии из генератора в передающую линию.
2) позволяет устанавливать несколько, расположенных последовательно, взрывающихся проводников, в точках будущих очагов синхронной детонации.
3) при подаче на вход передающей линии электрического импульса напряжением 200÷400 кВ с током порядка 10 кА проволочки диаметром 10÷50 мкм синхронно взрываются (плазма разрядных каналов нагревается до температур более 8000°С за время 10÷20 не) и порождают ударные волны и детонацию заряда БВВ. Такая синхронность дает возможность задействовать параллельно несколько таких систем инициирования (каждая в свою очередь с несколькими ЭВП).
4) при использовании двухпроводной передающей линии с открытым концом, обеспечивает практически стопроцентную защиту от мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ), так как нет замкнутого электрического контура, в который были бы включены взрывающиеся проводники.