ЛОКАЛИЗУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
LOCALIZING DEVICE FOR RESEARCHING FAST HYDRODYNAMIC PROCESSES

Настоящее изобретение относится к области техники взрывных работ и исследования быстропротекающих гидродинамических процессов, в частности к устройствам, обеспечивающим безопасность проведения экспериментов при интенсивных динамических (взрывных) нагрузках, создаваемых нагружающими устройствами с использованием взрывчатых веществ (ВВ), например, при проведении исследования ударно-индуцированного «пыления» - выброса частиц при выходе ударной волны на свободную поверхность образца.
Предложенное локализующее устройство может быть использовано в испытательных комплексах для исследования быстропротекающих гидродинамических процессов и изучения динамических свойств конструкционных, в том числе токсичных и радиоактивных материалов.
Известно локализующее устройство для радиографических исследований взрывных процессов [Патент RU 2367899, МПК F42D 5/04, опубликовано 20.09.2009 в БИ №26]. Устройство содержит взрывную камеру, в корпусе которой выполнены два диаметрально противоположных отверстия для прохождения потока радиографического излучения.
Наиболее близким, по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению, техническим решением является известное локализующее устройство для исследований быстропротекающих гидродинамических процессов [Патент RU 2548462 С1, МПК F42D 5/04, опубл. 20.04.2015, бюл. №11].
Устройство для исследования быстропротекающих гидродинамических процессов содержит наружную герметичную камеру, в которую помещена взрывозащитная камера (ВЗК) (взрывная камера) для размещения исследуемого объекта и взрывного нагружающего устройства, включающая неразрушаемый усиленный корпус, крышку и днище, в усиленном корпусе выполнены, по крайней мере, по одной паре диаметрально противоположных отверстий и соответствующие им отверстия - в корпусе наружной герметичной камеры для формирования вводов, все отверстия закрыты заглушками, прозрачными для оптического и радиографического излучения, а ВЗК снабжена гермопереходами и датчиками регистрации параметров физических процессов.
К общим недостаткам известных аналогов относятся: узкий диапазон применения устройства при динамических (взрывных) нагрузках и невозможность его использования при повышенных динамических (взрывных) нагрузках, что также ограничивает функциональные возможности применения устройства с другими более габаритными объектами исследования, с большим количеством измерительных датчиков и применением дополнительных методик.
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением, является создание устройства широкого диапазона применения, обеспечивающего проведение исследований физических и механических свойств материалов при повышенных динамических (взрывных) нагрузках ударно-волнового типа, создаваемых нагружающим устройством с использованием ВВ, способного надежно локализовать внутри своей полости продукты взрыва и осколки исследуемого объекта.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение взрывостойкости конструкции при более высоких нагрузках, позволяющее увеличить ее прочностную надежность и повысить экологическую, радиационную и взрывобезопасность при проведении экспериментов. Дополнительным техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства из-за изменения конструкции и ее размеров, которые позволяют расширить арсенал объектов исследования, увеличить количество датчиков, применить методики, основанные на разных физических принципах, что также позволяет повысить достоверность и статистику результатов измерений в более широком диапазоне динамических (взрывных) нагрузок.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в локализующем устройстве для исследования быстропротекающих гидродинамических процессов, содержащем наружную герметичную камеру, в которую помещена ВЗК для размещения исследуемого объекта и нагружающего устройства, включающая неразрушаемый усиленный корпус, крышку и днище, в усиленном корпусе выполнены, по крайней мере, по одной паре диаметрально противоположных отверстий и соответствующие им отверстия в корпусе наружной герметичной камеры для формирования вводов, все отверстия закрыты заглушками, прозрачными для оптического и радиографического излучения, а ВЗК снабжена гермопереходами для установки датчиков регистрации параметров физических процессов. Согласно изобретению в полость ВЗК помещена капсула для размещения исследуемого объекта, имеющая, по крайней мере, по одной паре диаметрально противоположных вводов, образованных соответствующими отверстиями в ней, и заглушками, прозрачными для оптического и радиографического излучения, соосными с соответствующими вводами на ВЗК и наружной герметичной камере, при этом крышка, днище и заглушки капсулы выполнены с возможностью разрушения при нагружении исследуемого объекта; нагружающее устройство установлено на крышке капсулы и вокруг него располагается газодинамический отражатель в форме конической обечайки, скрепленный с усиленным корпусом ВЗК и установленный расширением в сторону ее крышки, которая, как и днище ВЗК, выполнены неразрушаемыми, равнопрочными с усиленным корпусом и удаленными от нагружающего устройства на расстояние, не менее одного диаметра корпуса ВЗК.
Применение ВЗК и отдельной капсулы, для размещения исследуемого образца, позволяет уменьшить «прямое» динамическое (взрывное) воздействие на элементы оптических и радиографических вводов ВЗК, что повышает ее взрывостойкость. Также для дополнительной защиты элементов оптических и радиографических вводов используется газодинамический отражатель, который снижает динамическое (взрывное) и осколочное воздействия, что также повышает общую взрывостойкость ВЗК.
Крышка и днище ВЗК удалены от нагружающего устройства на расстояние, не менее одного диаметра корпуса взрывной камеры, такое решение позволяет увеличить объем ВЗК для снижения «общего» динамического (взрывного) воздействия на всю конструкцию ВЗК, что позволяет повысить общую врывостойкость.
Крышка и днище ВЗК, выполнены неразрушаемыми, равнопрочными с усиленным корпусом, а сама камера отделена от капсулы зазором, объем которого вакуумируется для уменьшения давления продуктов взрыва на стенки камеры после разрушения, что в совокупности повышает общую взрывостойкость всей конструкции.
Повышение взрывостойкости конструкции ВЗК дает возможность увеличить функциональные возможности устройства, что в свою очередь позволяет расширить арсенал объектов исследования, их размеры, увеличить количество датчиков, применить методики, основанные на разных физических принципах, что также позволяет повысить достоверность и статистику результатов измерений в более широком диапазоне динамических (взрывных) нагрузок.
Выполненные в капсуле отверстия для вводов, соосных с соответствующими вводами на ВЗК и наружной герметичной камере, служат для применения оптических и радиографических методов регистрации. Крышка, днище и заглушки капсулы выполнены с возможностью разрушения при нагружении исследуемого объекта, это позволяет увеличить диапазон динамических (взрывных) нагрузок, либо увеличить диаметр рабочей поверхности вводов, что повышает информативность и расширяет диапазон измерения физических процессов.
Корпус наружной герметичной камеры для удобства сборки устройства выполнен из нескольких секций.
Сущность изобретения поясняется чертежом. На Фиг. 1 изображено локализующее устройство для исследования быстропротекающих гидродинамических процессов, где:
1 - капсула;
2 - взрывозащитная камера (ВЗК);
3 - наружная герметичная камера;
4 - исследуемый объект;
5 - крышка капсулы;
6 - днище капсулы;
7 - радиографические заглушки;
8 - оптические заглушки;
9 - нагружающее устройство (заряд ВВ);
10 - приемник с измерительными датчиками;
11 - вакуумный датчик капсулы;
12 - верхняя стальная крышка ВЗК;
13 - вентиль ВЗК;
14 - нижняя стальная крышка ВЗК;
15 - гермопереходы ВЗК;
16 - вентиль для вакуумирования капсулы;
17 - подставка капсулы;
18 - усилитель центральной части корпуса ВЗК;
19 - газодинамический отражатель;
20 - оптические заглушки взрывной камеры;
21 - стальные «ножки-подставки»;
22 - основание наружной герметичной камеры;
23 - крышка наружной герметичной камеры;
24 - гермопереходы наружной герметичной камеры;
25 - вентиль наружной герметичной камеры;
26 - трубопроводы для вакуумирования капсулы;
27 - фильтр капсулы (если исследуемый объект радиоактивный или токсичный);
28 - подрывная линия;
29 - измерительная линия.
Локализующее устройство содержит капсулу 1, которая установлена в ВЗК 2, которая, в свою очередь, помещается в наружную герметичную камеру 3. Капсула 1 является одним из герметичных элементов устройства, обеспечивающего экологическую и радиационную безопасность, в котором находится исследуемый объект 4. Капсула 1 включает корпус, крышку 5, днище 6 и заглушки 7 и 8. В стенках неразрушаемого корпуса капсулы имеются диаметрально противоположные сквозные отверстия, в которых установлены герметичные заглушки 7, например, заглушки из алюминиевого сплава, проводящие радиографическое излучение от источника к объекту исследования 4 и далее на регистрирующую аппаратуру. Также в стенках корпуса капсулы выполнена еще одна пара диаметрально противоположных сквозных отверстий, которые закрыты герметичными заглушками 8, например, из органического стекла, прозрачными для оптического излучения. На крышке 5 капсулы с наружной стороны установлено нагружающее устройство 9, содержащее заряд ВВ. Со стороны внутренней полости капсулы на крышке 5 крепится объект исследования 4. На днище 6 капсулы 1 закреплен приемник 10, в котором установлены пьезоэлектрические и (или) лазерно-оптические датчики для регистрации параметров физических процессов (в конкретном примере используется 4 пьезоэлектрических и 12 лазерно-оптических (PDV) датчиков). С наружной стороны корпуса капсулы 1 через штуцер закреплен вакуумный датчик 11, позволяющий контролировать вакуум в полости капсулы. Для вакуумирования полости капсулы на ее корпусе установлен золотник, к которому подключаются трубопроводы системы вакуумирования. Стальная крышка 5 и днище 6 выполнены тонкостенными для разрушения в процессе нагружения исследуемого объекта 4.
ВЗК 2 является основным взрывозащитным контуром, обеспечивающим экологическую и радиационную безопасность динамических (взрывных) экспериментов. Корпус ВЗК 2 выполнен в виде стальной цилиндрической оболочки. На верхнем и нижнем торцах корпуса находятся плоские днища с горловинами, каждое днище усилено ребрами жесткости. Днища ВЗК удалены от нагружающего устройства на расстояние не менее одного диаметра ее корпуса. В верхнюю горловину ВЗК устанавливается стальная крышка 12. На верхней крышке закреплен вентиль 13 для проверки ВЗК 2 на герметичность и вакуумирования ее полости, что способствует снижению воздействия воздушной ударной волны на корпус и элементы оптических и радиографических вводов. В нижнюю горловину ВЗК устанавливается стальная крышка 14. На ней расположены посадочные места под гермопереходы 15 и вентиль 16 для вакуумирования капсулы. Также на нижней крышке 14 закреплена подставка 17, на которой установлена капсула 1. Верхняя 12 и нижняя 14 крышки герметично закрывают горловины ВЗК. В центральном наиболее нагруженном сечении корпуса ВЗК с внутренней стороны находится усилитель 18 в виде дополнительной цилиндрической обечайки. На усилитель 18 установлен газодинамический отражатель 19 в форме конической обечайки. Газодинамический отражатель 19, располагается вокруг крышки 5 капсулы с нагружающим устройством 9, закрывает элементы оптических и радиографических вводов от осколков и прямого газодинамического воздействия продуктов взрыва. Газодинамический отражатель не попадает в поле регистрации процессов. В центральном сечении цилиндрического корпуса ВЗК находятся фланцы двух диаметрально противоположных вводов радиографического метода регистрации, которые закрыты герметичными заглушками, например, из алюминия. Для оптической методики в корпусе ВЗК имеются две диаметрально противоположных втулки (оптические вводы), ось которых перпендикулярна оси радиографических вводов. Оптические вводы герметично закрываются заглушками 20, например, из органического стекла. На нижнем торце корпуса взрывной камеры крепятся три стальных «ножки-подставки» 21, на которых ВЗК 2 устанавливается на основании 22 наружной герметичной камеры 3.
Наружная герметичная камера 3 - второй герметизирующий защитный контур, который при аварийной ситуации (разгерметизация ВЗК 2) должен выдерживать избыточное давление продуктов взрыва, вышедших из ВЗК 2. Конструкция наружной герметичной камеры 3 выполнена в виде стальной оболочки и включает в себя крышку 23, основание 22 и цилиндрический корпус 24, который для удобства и простоты эксплуатации спроектирован из составных частей. На основании 22 находятся гермопереходы 24 для подключения измерительных и подрывных линий связи. Также на крышке установлен вентиль 25 для проверки наружной герметичной камеры 3 на герметичность.
Локализующее устройство для исследования быстропротекающих процессов работает следующим образом.
Исследуемый объект 4 крепится в полости капсулы 1 к поверхности ее крышки 5, после чего крышка 5 герметично закрывается. В днище 6 капсулы предварительно устанавливается приемник с измерительными датчиками 10. Капсула 1 через подставку 17 закрепляется на днище 14 ВЗК 2. Датчики приемника 10 соединяются с гермопереходами 15, установленными в днище 14, при помощи измерительных линий. Вентиль 16 для вакуумирования полости капсулы 1, который установлен на днище 14, соединяется с полостью капсулы через трубопроводы 26 и фильтр 27 (фильтр применяется, если исследуемый объект радиоактивный или токсичный). На наружной поверхности крышки 5 капсулы устанавливается технологическая оснастка, в которой крепиться нагружающее устройство 9 с зарядом ВВ. Подрывная линия 28 соединяется с гермопереходом 15 и электродетонатором нагружающего устройства 9, после чего «сборка» устанавливается в ВЗК 2 таким образом, чтобы их оси оптических и радиографических вводов капсулы и ВЗК совпадали. После окончательной сборки ВЗК 2 через вентиль 13 на крышке 12 проверяется на герметичность и вакуумируется для снижения динамического (взрывного) воздействия воздушной ударной волны. Далее ВЗК 2 закрепляется на основании 22 наружной герметичной камеры 3 через «ножки-подставки» 21. Гермопереходы 15 соединяются подрывной 28 и измерительной 29 линиями с гермопереходами 24 на основании 22 наружной камеры 3. Проводится сборка составных частей наружной герметичной камеры 3 так, чтобы оси оптических и радиографических методов регистрации совпадали, после чего выполняется проверка на герметичность и вакуумируется. ВЗК 2 помещается в наружную герметичную камеру 3 для повышения надежности локализации вредных продуктов взрыва и обеспечения гарантированного непопадания их в окружающую среду. При этом возможные утечки продуктов взрыва из ВЗК не приведут к повышению давления в наружной камере, так как ее объем вакуумируется и превышает более чем в три раза объем ВЗК. Выполняется вакуумирование капсулы и настройка всех измерительных методик. К гемопереходам 24 наружной герметичной камеры подключаются подрывные 28 и измерительные 29 линии, проводится подрыв нагружающего устройства 9. При детонации заряда ВВ в крышке 5 капсулы формируется ударная волна, которая затем распространяется по объекту исследования 4 и создает в нем зону повышенного давления. При выходе ударной волны на свободную поверхность объекта исследования 4, он начинает двигаться. Развитие динамического процесса в объекте исследования 4 при ударно-волновом нагружении и последующем его движении регистрируется радиографическим и оптическим методами, а также с помощью пьезоэлектрических, электроконтактных и лазерно-оптических датчиков.
В заданный момент времени импульсные потоки радиографического и оптического излучений сканируют исследуемую область объекта исследования. При этом потоки проходят через чувствительные к излучению заглушки 7 и 8, слабо поглощающие и рассеивающие данные излучения.
Корпус ВЗК 2 обладает высокой прочностью и жесткостью. Он воспринимает импульсные нагрузки, сохраняя прочность и герметичность, при этом его габаритные размеры позволяют размещать вокруг него измерительную технику и проводить регистрацию физических процессов радиографическим и оптическим методами с высокой точностью. Остальные измерительные методы не зависят от габаритов ВЗК 2, а их датчики размещаются в капсуле 1 и позиционируются относительно объекта исследования 4 в зависимости от особенностей исследуемого процесса.
Создаваемые при взрыве нагрузки (от импульса давления ударной волны газообразных и твердых продуктов взрыва) воздействуют на крышку 5 и днище 6 капсулы 1, за счет чего они разрушаются, далее газообразные продукты взрыва расширяются и распространяются по всему объему взрывной камеры 2, снижаются давление и температура, а значит и нагрузки на корпус взрывной камеры 2 с заглушками 7 и 8. Образующиеся при взрыве осколки, разлетающиеся в плоскости оптических и радиографических вводов, тормозятся и рикошетят в основном газодинамическим отражателем 19 и силовым корпусом ВЗК 2, тем самым почти не воздействуют на заглушки вводов 7 и 8.
В реализованном образце локализующего устройства для исследования быстропротекающих гидродинамических процессов может использоваться максимальная масса взрывчатого вещества 250 г ТЭ.
Работоспособность заявляемого технического решения проверена экспериментально. Заявляемое устройство локализует взрыв нагружающего устройства при исследовании объектов, сохраняя прочность и герметичность всех элементов конструкции, при этом обеспечивается требуемое приближение радиографического источника и регистрирующей аппаратуры к образцу, что позволяет получить качественные изображения высокой точности. При исследованиях физических процессов, использование ВЗК и капсулы позволяет наряду с радиографическим методом также применить оптические, пьезоэлектрические, электроконтактные и лазерно-оптические методы регистрации, что дает возможность повысить информативность экспериментов.