УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЗРЫВЧАТОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ ВВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
DEVICE FOR DETERMINING PARAMETERS OF EXPLOSIVE CONVERSION OF EM IN THERMAL EFFECTS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для регистрации режима взрывчатого превращения взрывчатых веществ (ВВ) (наличия или отсутствия детонационного режима взрывчатого превращения ВВ) и определения давления на фронте детонационной волны при взрыве относительно малой навески ВВ (0,2÷2 г) в результате его нагрева, например, при проведении научно-исследовательских работ.
Существуют взрывные устройства, содержащие небольшие по массе навески ВВ, выполненные, например, из пластичного ВВ, имеющие непосредственный контакт с основным зарядом ВВ и являющиеся инициатором основного заряда ВВ. Как правило, инициирующее ВВ имеет более высокую чувствительность к тепловому воздействию по сравнению с ВВ основного заряда. Нагрев такого ВВ приводит к термодеструкции ВВ с выделением тепла и газообразных продуктов разложения и, как следствие, повышению давления. Последнее обстоятельство приводит к переходу разложения инициирующего ВВ в режим взрывчатого превращения и инициированию взрыва основного заряда ВВ. Инициируемость основного заряда ВВ в этих условиях будет зависеть от режима взрывчатого превращения в инициирующем ВВ и от давления на стыке инициирующего и основного ВВ. В свою очередь режим взрывчатого превращения инициирующего ВВ в условиях нагрева, приводящего к загоранию ВВ, зависит от режима нагрева ВВ, давления разрушения конструкции, плотности заряжания ВВ, интенсивности отвода продуктов термического разложения ВВ. Определение режима взрывчатого превращения (низкоскоростное взрывчатое превращение или нормальная детонация) имеет принципиально важное значение для оценки последствий взрыва инициирующего ВВ, определения режима взрывчатого превращения, возбуждаемого в основном ВВ, определения влияния различных условий нагрева и конструктивных факторов на режим взрыва, отработки технических решений, направленных на снижение тяжести последствий взрыва.
Известно множество методов определения параметров взрывчатого превращения, основанные как на сравнительных подходах, так и на прямых измерениях физических величин параметров взрывчатого превращения. Сравнительные методы используются для определения бризантности ВВ в соответствии с ГОСТ 5984-99 (Вещества взрывчатые. Методы определения бризантности). Стандарт устанавливает методы определения бризантности, основанные на обжатии металлических цилиндров и на определении импульса взрыва на баллистическом маятнике. Масса образца ВВ составляет 50 г. ВВ находится в открытом виде, а подрыв осуществляется с помощью электродетонатора.
Методы, основанные на измерении физических параметров детонации (скорости детонации, давления на фронте детонации и др.) приводятся в литературе (например, Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках: Монография / Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук М.В. Жерноклетова. §8, стр. 314). Известным методом определения параметров детонационной волны конденсированных ВВ, описание которого дано в данной монографии, является метод откола, основанный на регистрации эволюции ударной волны в металлической пластине-преграде. Профиль ударной волны в металле определяют на основании измерения средней скорости движения свободной поверхности металлических пластин различной толщины после прохождения по ним ударной волны, возникающей при выходе детонационной волны на границу раздела заряд ВВ - пластина. Скорость движения свободной поверхности пластины измеряют электроконтактными датчиками, оптическими методами, емкостным датчиком скорости и радиоинтерферометрами. На основе уравнений сохранения массы и количества движения, связывающих давление и плотности ударного сжатия с кинематическими параметрами ударной волны, определяют давление ударного сжатия. В данном случае ВВ находится в открытом виде и непосредственно примыкает к метаемой пластине, а инициирование ВВ осуществляется с помощью детонатора.
Известные методы определения параметров взрывчатого превращения ВВ, в том числе режима взрывчатого превращения, не могут быть использованы для определения режима взрывчатого превращения ВВ в условиях длительного нагрева ВВ из-за отсутствия нагревательного устройства и необходимости применения прочной реакционной камеры, в которой должно располагаться ВВ со степенью заполнения близкой к единице. В рассмотренных методах определение параметров взрывчатого превращения осуществляется по элементу (например, метаемая пластина), который контактирует непосредственно с ВВ, что становится невозможным в случае применения прочной реакционной камеры, в котором находится ВВ.
Известен в качестве прототипа способ определения параметров взрывчатого превращения (патент РФ №2623827, опубл. 29.06.2017), согласно которому с помощью воздействия тепловых средств определяется время до начала самоподдерживающейся реакции в ВВ и давление газообразных продуктов разложения в реакционной камере. В известном способе определения параметров взрывчатого превращения испытательный модуль включает в себя нагревательное устройство, блюмс алюминиевый с расположенным в нем корпусом, где в определенной последовательности установлены образец ВВ и втулка. После установки образца ВВ и втулки в корпус вся сборка затягивается гайкой. Испытательный модуль снабжен термопарами (до 26 штук), формирующими измерительные сигналы, и прибором, преобразующим и обрабатывающим эти измерительные сигналы в аналоговые сигналы посредством математической обработки с использованием расчетно-графического комплекса и ПК. Нагрев образца ВВ осуществляется равномерно со всех сторон. Такое выполнение реакционной камеры дает возможность оптимальным образом задавать и поддерживать температурный режим нагрева исследуемых материалов. Способ может быть использован для определения прямым экспериментальным путем критических условий возникновения теплового взрыва ВВ в условиях теплового воздействия.
Недостатком известного способа определения параметров взрывчатого превращения является ограниченные функциональные возможности, а именно отсутствие возможности регистрации режима взрывчатого превращения (низкоскоростной режим или детонация) и определения давления детонации в случае ее возникновения. Заявленная регистрация давления продуктов разложения в реакционной камере посредством газоотводной трубки позволяет определять изменение давления в процессе разложения ВВ. Такое решение не позволяет определить давление на фронте горения, поскольку давление быстропротекающих процессов невозможно регистрировать через газоотводную трубку. В определенных случаях, например при проведении научно-исследовательских работ в условиях высоких температур, требуется выяснение влияния прочности конструкции на режим взрывчатого превращения в условиях, когда осуществляется односторонний нагрев, что имитирует реальные изделия. Кроме того, в исследовательских целях необходимо варьировать скорость нагрева образца ВВ в широком диапазоне, включая высокие скорости нарастания температуры (более 10°С/мин). Конструкция испытательного модуля в известном способе не удовлетворяет этому требованию. Отсутствие возможности варьирования давления разрушения реакционной камеры также снижает функциональные возможности известного способа с точки зрения возможности исследования влияния этого фактора на режим взрывчатого превращения ВВ в условиях нагрева.
Сложность определения режима взрывчатого превращения ВВ после момента его воспламенения, заключается в том, что в условиях нагрева может реализоваться режим распространения фронта горения как с дозвуковой скоростью, так и со скоростью, превышавшей скорость звука в ВВ. При этом чувствительность ВВ и скорость звука в ВВ в результате физических изменений, происходящих в нем в процессе нагрева, может меняться, особенно в ВВ, подверженном плавлению и насыщению пузырьками газообразных продуктов термического разложения. Поэтому степень заполнения реакционной камеры и условия отвода продуктов разложения из нее будут оказывать влияние на этот процесс. Кроме того, на режим взрывчатого превращения будет оказывать влияние прочность реакционной камеры, определяющая давление разрушения камеры.
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение конструктивно простого устройства, позволяющего регистрировать факт возникновения детонации в ВВ в условиях нагрева и определения давления на фронте детонации, обеспечивающего преимущественно односторонний нагрев ВВ, изменение режима нагрева в широком диапазоне, включая высокие скорости нарастания температуры, изменение давления разрушение реакционной камеры, степени заполнения реакционной камеры и условия отвода продуктов разложения.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве определения параметров взрывчатого превращения при термических воздействиях, содержащее корпус, в котором в определенной последовательности установлены образец ВВ, втулка, нагревательное устройство, термопара, измерительные приборы, соединенные с приборами, преобразующими и обрабатывающими измерительные сигналы, нагревательное устройство установлено на торцевой поверхности корпуса, корпус выполнен составным с образованием полости, в которой установлена чаша с образцом ВВ, закрытая крышкой, имеющей кольцевую проточку закрепления термопары, проходящей в осевом канале нагревательного элемента, установленного в верхней части корпуса, в нижней части корпуса соосно с образцом ВВ установлена втулка измерительная, прижатая одним концом к чаше, в которой размещены чувствительные элементы, к дну чаши прижата метаемая стальная пластинка, соразмерная отверстию втулки, при этом толщина стенки чаши выбрана из следующего соотношения:
ст
вв
20 мм/г>δ/М>15 мм/г, где
ст
δ - толщина стенки чаши со стороны втулки измерительной,
вв
М - масса ВВ в тротиловом эквиваленте.
Измерение скорости пластинки осуществляется с помощью чувствительных элементов, расположенных во втулке измерительной последовательно в направлении оси втулки, регистрирующих время прохождения пластинки в канале втулки. Измерение скорости пластинки может быть осуществлено оптическим методом, при этом во втулке измерительной выполнены каналы в двух плоскостях через 90° под углом от 65° до 80° относительно продольной оси втулки измерительной, в которых помещены измерительные приборы в виде светодиодов и фотодиодов, образующих оптопары. Расположение каналов размещения светодиодов и фотодиодов под углом от 65° до 80° относительно продольной оси втулки измерительной обеспечивает перекрытие светового потока пластинкой на определенном участке и позволяет определять скорость прохождения пластинки на одном рубеже посредством фиксации момента начала закрытия и момента начала открытия светового потока на известной длине участка перекрытия светового потока. Длина участка перекрытия светового потока определяется предварительной калибровкой. Расположение светодиодов и фотодиодов в двух плоскостях через 90° повышает точность регистрации скорости прохождения пластинки в случае ее отклонения от нормального положения относительно продольной оси втулки измерительной.
Метаемая стальная пластинка прижата к дну чаши посредством тонкого листа бумаги, края которого приклеены к упругой прокладке, установленной между дном чаши и торцом втулки.
Чаша и метаемая стальная пластинка выполнены из одной марки стали с известной ударной адиабатой.
Корпус и чаша выполнены из стали, имеющей низкий коэффициент теплопроводности, например, из стали 12Х18Н10Т.
Изложенная сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой изображено устройство регистрации параметров взрывчатого превращения ВВ при термических воздействиях по предлагаемому изобретению, на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема измерительного устройства.
Устройство регистрации параметров взрывчатого превращения ВВ при термических воздействиях состоит из электронагревательного элемента 1, корпуса 2, крышки 3, имеющей кольцевую проточку, чаши 4, заполненную исследуемым ВВ 5 или элементом, содержащим ВВ, кольца резьбового 6, фиксирующего чашу 4, термопары 7, установленной на крышке 3, измерительной втулки 8, прижатой одним концом к чаше 4, содержащая чувствительные элементы, например, светодиоды 9 и фотодиоды 10, регистрирующие скорость полета пластинки 11, установленной между измерительной втулкой 8 и чашей 4 и прижатой к чаше 4 с помощью тонкого листка бумаги 12, приклеенного к резиновой прокладке 13.
Расположение нагревательного элемента 1 позволяет осуществлять направленный односторонней нагрев ВВ, что позволяет моделировать нагрев ВВ в составе конструкций при аварийных термических воздействиях. Режим нагрева и регистрация температуры осуществляется с помощью автоматизированной системы управления нагревом и регистрации температуры (на фиг. не показана).
Соотношение между количеством ВВ и толщиной стенки Б чаши 4 выбрано из условия исключения возможности метания пластинки 11 за счет деформации наружной поверхности стенки чаши 4 давлением продуктов горения ВВ при низкоскоростном режиме взрывчатого превращения. При заданном соотношении метание пластинки 11 осуществляется только ударной волной, вышедшей на наружную поверхность корпуса макета. В случае отсутствия ударной волны, то есть при распространении фронта горения со скоростью менее скорости звука в ВВ, пластинка 11 останется на исходном месте, что будет свидетельствовать об отсутствии даже низкоскоростной детонации.
Корпус 2 устройства выполнен из стали, имеющей относительно низкий коэффициент теплопроводности, например, сталь 12Х18Н10Т. Толщины стенок корпуса 2 должны быть такими, что бы давление разрушения корпуса 2 было существенно выше давления разрушения крышки 3. Конструктивно корпус 2 устройства и фиксация чаши 4 могут быть выполнены иным образом, чем показано на фиг. 1.
С целью снижения уровня разогрева фотодиодов 10 и светодиодов 9, корпус 2 измерительной втулки 8 изготавливается из термостойкого материала, обладающего низкой теплопроводностью, например, из стеклотекстолита.
Посредством изменения глубины кольцевой проточки в крышке 3 варьируется предельное давление, необходимое для разрушения крышки 3. Условия отвода продуктов разложения варьируется посредством изменения диаметра газоотводного отверстия в крышке 3 (на фиг. не показано), сообщающего полость расположения ВВ с внешней средой. Степень заполнения чаши 4 взрывчатым веществом варьируется посредством изменения количества ВВ, заполняемого в чашу 4.
Определение наличия режима распространения фронта со скоростью, превышающей скорость звука в ВВ в заявляемом техническом решении осуществляется посредством идентифицирования наличия ударной волны в стенке чаши 4. Ударная волна может фиксироваться с помощью пластинки 11, прижатой к наружной поверхности чаши 4 посредством регистрации скорости полета пластинки 11. При этом толщина стенки реакционной камеры должна быть таковой, чтобы сгорание ВВ в дозвуковом режиме не приводило к деформации стенки и метанию пластинки 11. Таким образом, по факту сохранения пластинки 11 на исходном месте можно непосредственно осуществлять подтверждение отсутствия нормальной и низкоскоростной детонации без средств регистрации физических факторов.
Определение давления ударной волны основано на методе откола посредством регистрации скорости полета стальной пластинки 11, примыкающей к чаше 4. Давление на фронте ударной волны, вышедшей на тыльную сторону чаши 4, рассчитывается по формуле:
где
3
ρ - плотность материала, кг/м
D- волновая скорость ударной волны, м/с
U- массовая скорость, м/с
W- скорость полета пластинки, м/с.
Массовая скорость U в ударной волне принимается равной U=0,5⋅W, где W - скорость метаемой пластинки 11, полученная из эксперимента (правило удвоение выполняется для относительно слабых ударных волн, при этом отклонение от закона удвоения при степенях ударного сжатия менее 1,4 имеет порядок 1÷2% [4]). Волновая скорость определяется из ударной адиабаты материала чаши и пластинки, например, стали 12Х18Н10Т:
D=4,553+1,482⋅U [км/с], 0,2<U<2,8 км/с, где U - массовая скорость. [Свойства конденсированных веществ при высоких давлениях и температурах. Под редакцией Р.Ф. Трунина. Типография ВНИИЭФ. г. Арзасас-16 Нижегородской обл. 1992 г., 398 с.]
Имея реперное значение ударной волны, возникающей при нормальной детонации, по величине ударной волны, определенной в тепловом эксперименте с помощью заявляемого устройства определяется режим взрывчатого превращения ВВ в условиях нагрева.
Работает устройство регистрации параметров взрывчатого превращения ВВ при термических воздействиях следующим образом.
В процессе нагрева через определенное время происходит воспламенение ВВ образца. В зависимости от степени заполнения и условий отвода продуктов горения будет происходить ускорение фронта горения. Если горение переходит в режим детонации (низкоскоростной или нормальной), то в чаше 4 возникнет ударная волна, которая выйдет на тыльную сторону чаши 4, к которой прижата метаемая пластинка 11. После того, как ударная волна пройдет через пластинку 11, пластинка 11 начнет двигаться со скоростью, соответствующей давлению в ударной волне. Определение режима взрывчатого превращения ВС П-84 в условиях нагрева осуществляется по результатам измерения скорости полета пластинки 11 с опорой на скорость полета пластинки 11 в опыте с нормальной детонацией. Скорость полета пластинки 11 оценивается по времени прохождения либо первой, либо второй оптопары по графику изменения напряжения, снимаемого с фотодиодов 10. Диаграмма изменения напряжения фотодиодов 10 получают с помощью любого осциллографа с частотой опроса не менее 100 МГц, обладающего возможностью записи показаний в память. Давление на фронте ударной волны оценивается по формуле (1). В случае отсутствия детонации в ВВ (низкоскоростной или нормальной) ударная волна в чаше 4 не возникнет и пластинка 11 останется на исходном месте, что будет свидетельствовать об отсутствии детонации в ВВ.
Достоинством заявленного устройства является, возможность непосредственного подтверждения отсутствия нормальной и низкоскоростной детонации без средств регистрации физических факторов. Возможность варьирования режимом нагрева, прочностью крышки, степенью заполнения ВВ и условиями отвода продуктов разложения ВВ, оказывающих влияние на режим взрывчатого превращения (низкоскоростное взрывчатое превращение или нормальная детонация) при термических воздействиях, позволяет отрабатывать технические решения, направленных на снижение тяжести последствий взрыва.
Примером конкретного исполнения служит устройство регистрации параметров взрывчатого превращения ВВ при термических воздействиях, выполненное согласно заявляемому устройству, где чаша 4 и метаемая пластина 11 выполнены из стали 12Х18Н10Т, а измерительная втулка 8 из термостойкого электроизоляционного материала стеклотекстолит марки СТЭФ. Крышка 3 имеет кольцевую проточку и выполнена из алюминиевого сплава АМг6.
Работоспособность устройства регистрации параметров взрывчатого превращения ВВ при термических воздействиях подтверждена тепловыми испытаниями, а также в режиме нормальной детонации с использованием электродетонатора. Испытанию подвергался пластифицированный тэн, представляющий смесь тэна с полиизобутиленом, в количестве менее 1 г и степени заполнения от 0,5 до 1,0. Принципиальная электрическая схема втулки измерительной приведена на фиг 2. Во втулке измерительной использовались четыре светодиода марки TLCR5200 фирмы Vishay и четыре фотодиода BPW24R фирмы Vishay. Диапазон рабочих температур фотодиодов от минус 40 до плюс 125°С. Светодиоды 9 и фотодиоды 10 расположены в двух плоскостях через 90° под углом от 65° до 80° от продольной оси втулки. Для регистрации сигналов фотодиодов использовался осциллограф Tektronix TDS 3034В. Запуск записи осциллографа при прохождении пластинки первого каскада оптопары осуществлялось по заранее настроенному порогу падения напряжения на фотодиодах первого каскада.
Испытания показали, в условиях нагрева со скоростью нарастания температуры крышки 0,5°С/мин в исследованном типе ВВ нормальная детонация не развивается. При этом низкоскоростной режим взрывчатого превращения реализуются только при превышении критического давления газообразных продуктов горения, определяемого глубиной канавки в крышке.