СТЕНД ДЛЯ ЛАЙНЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
STAND FOR LINER STUDIES

Изобретение относится к физике высоких плотностей энергии, в частности к устройствам преобразования энергии взрывчатого вещества в электромагнитную энергию. Устройство может быть использовано для исследования свойств материалов в цилиндрической геометрии при ударном и квазиизэнтропическом нагружении лайнером, приводимым в движение сильным магнитным нолем, при этом обеспечивается сохранность узла нагрузки.
th
В трудах 10-й Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных нолей и родственным экспериментам MEGAGAUSS X: Proceedings of 10 International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics. MG-X. July 18-23, 2004. Berlin, Germany. Edited by M. von Ortenberg. 2005 г. опубликована статья V.K. Chernyshev, B.T. Egorychev, V.V. Vakhrushev, New Possibilities of Liner Implosion Research at 15…20 MA Current: Creation of Diagnostic Stand with Removable Pulsed Power Source. P. 395-398, где представлен диагностический стенд на основе взрывного импульсного источника тока с устройством защиты лайнерной нагрузки от взрывного воздействия источника, содержащим преграду, установленную между источником и нагрузкой. Импульсный источник тока включает спиральный взрывомагнитный генератор (ВМГ), дисковый ВМГ, передающую линию (ПЛ), представляющую собой коаксиальные наружный и внутренний токопроводы с изоляцией между ними.
Преграда представляет собой массивную стальную пластину с отверстием, установленную на наружном токопроводе передающей линии между источником и лайнерной нагрузкой. При взрывной работе импульсного источника тока, подключенного к передающей линии, ударные волны по воздуху и разлетающиеся осколки элементов импульсного источника тока гасятся стальной пластиной-преградой, позволяя зарегистрировать процесс имплозии лайнера и сопутствующие явления образования кумулятивных струй с помощью рентгеновских аппаратов.
Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет предотвратить ударного воздействия на лайнерную нагрузку, передаваемого при детонации зарядов взрывчатого вещества в импульсном источнике тока через токопроводы ПЛ (в сторону нагрузки распространяются по токопроводам ПЛ ударные волны, а внутри внутреннего токопровода ПЛ в осевом направлении к нагрузке распространяется поток продуктов взрыва и осколков), в результате которого при проведении эксперимента нагрузка практически уничтожается или сильно деформируется и становится непригодной для дальнейших исследований.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является стенд для лайнерных исследований (Авдошин В.В. и др. «Экспериментальный стенд на основе спирального ВМГ для исследований механизмов откола в цилиндрической геометрии», сборник докладов «VIII Харитоновские чтения по проблемам физики высоких плотностей энергии», г. Саров. 21-24 марта 2006 г. с. 503-509). В докладе приводится описание стенда со сменным взрывомагнитным импульсным источником тока (источником импульсной мощности) на основе спирального ВМГ с взрывными размыкателем и прерывателем тока.
Импульсный источник тока включает спиральный ВМГ, систему формирования импульса тока (СФИТ) в нагрузке, передающую линию. Передающая линия представляет собой коаксиальные наружный и внутренний токопроводы с изоляцией между ними. Лайнерная нагрузка и передающая линия соединяются при помощи фланцев. Импульсный источник тока устанавливается на бронеплите защитной металлоконструкции.
Магнитный поток от импульсного источника тока, наружный токопровод которого с помощью стальных стержней-шпилек и колец крепятся к бронеплите, по коаксиальной передающей линии передается в лайнерную нагрузку, установленную за бронеплитой, которая обеспечивает защиту узла нагрузки от осколочного повреждения, но не обеспечивает защиту от ударного воздействия.
Для защиты лайнерной нагрузки по цилиндрической полости внутреннего токопровода передающей линии от осколочного и ударного воздействия («пушечный эффект»), возникающего при детонации ВВ в спиральном ВМГ, в размыкателе и прерывателе тока, в ней установлены два массивных стальных отсекателя продуктов взрыва с конусными поверхностями. Первый отсекатель приходит в движение под воздействием продуктов взрыва на обращенную в сторону спирального ВМГ конусную поверхность и при этом своим обратным конусом раздвигает лепестки алюминиевой втулки, установленной на резьбе в полости внутреннего токопровода ПЛ. Происходит деформирование внутреннего и наружного токопроводов ПЛ в радиальном направлении и их заклинивание в преграде, останавливающее движение ПЛ в осевом направлении. Для дополнительного гашения кинетической энергии, приобретенной первым отсекателем, последовательно с ним смонтирован аналогичным образом второй отсекатель. Между ними установлена медная трубка с поперечными сегментарными прорезями, деформация которой помогает гасить кинетическую энергию первого отсекателя. Приобретенный импульс внутренним токопроводом ПЛ с отсекателями передается через радиальную поверхность изолятора ПЛ к торцевой части лайнерной нагрузки, что приводит к ее выталкиванию. Токовый контакт торцевой части токопровода нагрузки с наружным токопроводом ПЛ (скрепленного с бронеплитой) осуществляется по посадке цилиндрических поверхностей с использованием раздавливаемого кольца из мягкого алюминия. Контакт лайнера с внутренним токопроводом ПЛ производится с помощью цанги также по цилиндрической поверхности. Поэтому лайнерная нагрузка легко отделяется от ПЛ и отлетает в мешки с опилками.
Недостатком описанного выше устройства является неполная защита от ударного воздействия узла нагрузки. При падении и ударном воздействии на лайнерную нагрузку исследуемые образцы могут повреждаться, что может исказить результаты эксперимента. Кроме того, при отделении узла нагрузки непременно происходит его разгерметизация и возможное нарушение локализации исследуемых образцов в полости нагрузки. При исследованиях радио - или химически активных веществ данный недостаток является принципиальным.
При создании данного изобретения решалась задача защиты от вредного ударного воздействия на лайнерную нагрузку, передаваемого от импульсного источника тока через токопроводы передающей линии, сохранения нагрузки от несанкционированных воздействий в целостном, не деформируемом виде, пригодном для дальнейших исследований образцов, а также локализации исследуемых материалов в полости лайнерной камеры.
Технический результат при решении этой задачи заключается в снижении ударного воздействия на лайнерную нагрузку, сохранении лайнерной нагрузки без нарушения ее целостности и герметичности с обеспечением локализации исследуемых образцов внутри лайнерной нагрузки.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным экспериментальным стендом, содержащим лайнерную нагрузку, импульсный источник тока, включающий спиральный взрывомагнитный генератор, систему формирования импульса тока, передающую линию, передающая линия представляет собой коаксиальные наружный и внутренний токопроводы с изоляцией между ними, причем в полости внутреннего токопровода размещено устройство защиты лайнерной нагрузки от взрывного воздействия в виде конического отсекателя, обеспечивающее заклинивание внутреннего токопровода с наружным при перемещении конического отсекателя под действием продуктов взрыва, лайнерная нагрузка и передающая линия соединены при помощи фланцев, импульсный источник тока и лайнерная нагрузка установлены на бронеплите защитной металлоконструкции, новым является то, что импульсный источник тока и лайнерная нагрузка установлены на бронеплите защитной металлоконструкции таким образом, что наружный токопровод передающей линии импульсного источника тока непосредственно упирается в бронеплиту, а фланец нагрузки упирается в бронеплиту через, по меньшей мере, один демпфирующий элемент, при этом на наружном токопроводе передающей линии в месте установки конического отсекателя установлен упрочняющий элемент в виде, по меньшей мере, одного кольца, радиальная ширина которого в 1,7-2,3 раза больше, чем толщина наружного токопровода, а на внешней поверхности внутреннего и наружного токопроводов передающей линии равномерно по окружности выполнены продольные канавки.
Демпфирующий элемент может быть выполнен в виде втулки из эластичного материала, например, резины, либо пружинного или сильфонного демпфера.
Для защиты лайнерной нагрузки по внутреннему каналу передающей линии в цилиндрической полости внутреннего токопровода установлен конический стальной отсекатель с возможностью перемещения его вдоль оси по направлению к нагрузке. Отсекатель выполнен с двумя коническими поверхностями: конус отсекателя, обращенный к взрывному источнику, выполнен с центральным углом равным 60°, а обратный конус выполнен с центральным углом равным 15°. Отсекатель фиксируется конической глухой втулкой с продольными прорезями, закрепляемой резьбовой гайкой. На наружном и внутреннем токопроводах передающей линии равномерно по окружности выполнены продольные канавки (пазы-концентраторы). Для локального упрочнения наружного токопровода передающей линии в районе расположения конического отсекателя устанавливается упрочняющий элемент (кольцо).
Устройство защиты, обеспечивающее сохранность лайнерной нагрузки от взрывного и ударного воздействия, возникающего при детонации ВВ в спиральном ВМГ и СФИТ, работает следующим образом. Под действием продуктов взрыва зарядов ВВ, распространяющихся по внутреннему каналу передающей линии и воздействующих на обращенную в сторону импульсного источника тока конусную поверхность, отсекатель приходит в движение и при этом своим обратным конусом (со значительно меньшим, углом раствора) раздвигает лепестки алюминиевой втулки. Происходит необратимое деформирование внутреннего и наружного токопроводов передающей линии в радиальном направлении и надежное заклинивание отсекателя и токопроводов между собой, локализующееся в месте установки упрочняющего наружного токопровода передающей линии кольца. В то же время под воздействием давления продуктов взрыва происходит разрушение внутреннего и наружного токопроводов передающей линии по пазам-концентраторам и быстрый сброс давления, что позволяет снизить амплитуду взрывной нагрузки на элементы передающей линии. Кроме того, конические сопряжения деталей зашиты нагрузки по внутреннему каналу исключают проникновение продуктов взрыва в преднагрузочную полость передающей линии. Наружный токопровод, который в жестком контакте упирается в бронеплиту, при взаимном заклинивании удерживает внутренний токопровод от осевого перемещения в сторону нагрузки и предотвращает возможное его ударное воздействие на торец нагрузки. Воздействующий на элементы передающей линии ударно-волновой импульс по наружному токопроводу передается непосредственно на бронеплиту защитной металлоконструкции, что значительно снижает негативное ударное воздействие на нагрузку. Ударное воздействие на корпус лайнерной нагрузки дополнительно ослабляется демпфирующим элементом, установленным между фланцем корпуса нагрузки и бронеплитой. Ударные волны по воздуху и разлетающиеся осколки элементов импульсного источника тока нейтрализуются бронеплитой и коническим отсекателем. Т.о. лайнерная нагрузка с узлом стыковки с передающей линии импульсного источника тока остается после эксперимента закрепленной на бронеплите защитной металлоконструкции без нарушения целостности и герметичности, обеспечивая локализацию исследуемых образцов в своей внутренней полости. Последующий демонтаж нагрузки осуществляется достаточно просто благодаря применению токовых контактов, осуществляющихся по посадке цилиндрических поверхностей путем раздавливания контактных колец из мягкого материала, например алюминия.
На Фиг. 1 приведен внешний вид заявляемого экспериментального стенда для лайнерных исследований, где:
1 - импульсный источник тока;
2 - защитная металлоконструкция;
3 - спиральный ВМГ;
4 - система формирования импульса тока в нагрузке;
5 - передающая линия;
6 - лайнерная нагрузка.
На Фиг. 2 изображено устройство защиты лайнерной нагрузки от взрывного и ударного воздействия, возникающего при срабатывании систем импульсного источника тока, с фрагментом передающей линии, где:
7 - конический отсекатель;
8 - коническая втулка;
9 - резьбовая гайка;
10 - наружный токопровод передающей линии;
11 - внутренний токопровод передающей линии;
12 - упрочняющий элемент;
13 -бронеплита защитной металлоконструкции;
14 - демпфирующий элемент;
15 - фланец нагрузки;
16 - продольные канавки.
Стенд выполнен на основе импульсного источника тока 1 и защитной металлоконструкции 2. В состав импульсного источника тока входят спиральный ВМГ 3, система 4 формирования импульса тока в лайнерной нагрузке 6 требуемой формы, передающая линия 5, транслирующая ток в лайнерную нагрузку 6 и содержащая элементы защиты от взрывного и осколочного воздействия по цилиндрической полости внутреннего токопровода 11. Импульсный источник тока устанавливается и закрепляется на бронеплите 2 защитной металлоконструкции, обеспечивающей защиту нагрузки и измерительной аппаратуры от осколочного воздействия. Импульсный источник тока и лайнерная нагрузка установлены на бронеплите защитной металлоконструкции таким образом, что наружный токопровод 10 передающей линии 5 импульсного источника 1 тока непосредственно упирается в бронеплиту 2, а фланец 15 нагрузки упирается в бронеплиту 2 через, по меньшей мере, один демпфирующий элемент 14, при этом на наружном токопроводе 10 передающей линии в месте установки конического отсекателя 7 установлен упрочняющий элемент 12 в виде, по меньшей мере, одного кольца, радиальная ширина которого в 1,7-2,3 раза больше, чем толщина наружного токопровода 10, а на внешней поверхности внутреннего и наружного токопроводов 10 и 11 передающей линии выполнены продольные канавки 16.
Исследования на экспериментальном стенде осуществляются следующим образом. От внешнего источника, например при разряде конденсаторной батареи, осуществляется запитка спирального ВМГ 3 начальным током. Спиральный ВМГ 3 преобразует энергию ВВ в энергию магнитного поля и формирует мощный импульс тока в накопительном контуре и, соответственно, в лайнерной нагрузке 6 после ее подключения.
В процессе работы спирального ВМГ 3 ток течет через размыкатель системы 4 формирования импульса тока. При срабатывании размыкателя происходит подключение контура нагрузки, и магнитный поток из импульсного источника 1 тока по коаксиальной передающей линии 5 передается в лайнерную нагрузку 6, содержащую исследуемые образцы. При взрыве зарядов ВВ спирального ВМГ 3 и системы 4 формирования импульса тока происходит полное разрушение импульсного источника 1 тока. При этом возникает ударно-волновой импульс и образуется поле осколков, которые воспринимаются бронеплитой 2 защитной металлоконструкции и элементами защиты по цилиндрической полости внутреннего токопровода 11 передающей линии 5 импульсного источника тока, благодаря чему обеспечивается сохранность лайнерной нагрузки 6. Лайнерная нагрузка с узлом ее стыковки с передающей линии импульсного источника тока остается закрепленной на бронеплите и сохраняется без деформации ее конструктивных элементов и нарушения ее целостности, вследствие чего, нагрузка 6 легко демонтируется и далее передается для постэкспериментальных исследований.
Система 4 формирования импульса тока включает в себя либо только взрывной размыкатель тока, либо взрывные размыкатель и прерыватель тока. Размыкатель тока используется для обострения импульса тока (получение короткого времени нарастания тока) в лайнерной нагрузке 6. Прерыватель тока служит для разрыва контура нагрузки 6 и зануления тока. В первом случае в лайнерной нагрузке формируется импульс тока треугольной формы с длительно спадающим задним фронтом. Применение же в составе системы формирования импульса тока взрывных размыкателя и прерывателя тока позволяет сформировать в нагрузке импульс тока трапецеидальной формы с медленно спадающей вершиной при полной длительности по основанию несколько десятков микросекунд. Это позволяет реализовать различные режимы ударного либо квазиизэнтропического нагружения исследуемых образцов.
2
В примере конкретного выполнения стенд для лайнерных исследований содержал сменный импульсный источник тока, в состав которого входили спиральный взрывомагнитный генератор диаметром 240 мм, система формирования импульса тока, включающая взрывные размыкатель тока и прерыватель тока с взрывной линией задержки для регулирования длительности токового импульса в нагрузке, передающая линия с элементами защиты нагрузки по цилиндрической полости внутреннего токопровода с применением массивного отсекателя и заклинивающего устройства конического типа, к которой пристыковывалась лайнерная нагрузка с исследуемыми образцами. Суммарная масса ВВ, входящего в состав спирального ВМГ и системы формирования импульса тока в нагрузке составила 28,8 кг. Расстояние от заряда ВВ прерывателя тока до вершины конуса стального отсекателя вдоль коаксиальной ПЛ составляла ~ 820 мм. В месте фиксации стального отражателя толщины внутреннего и наружного токопроводов ПЛ составляли 13,5 мм и 14,5 мм соответственно. Отсекатель выполнен с двумя коническими поверхностями: конус отсекателя, обращенный к взрывным системам источника тока выполнен с центральным углом равным 60°, а обратный конус выполнен с центральным углом равным 15°. Отсекатель фиксируется конической глухой втулкой с продольными прорезями, закрепляемой резьбовой гайкой. На наружном токопроводнике на расстоянии ~ 100 мм от большего основания обратного конуса отсекателя устанавливался упрочняющий элемент в виде двух скрепленных между собой стальных колец квадратного сечения со стороной 24,5 мм. На наружной поверхности внутреннего и наружного токопроводников были выполнены равномерно расположенные по окружности продольные канавки сечением 16 мм в количестве 12-16 шт. Расстояние от края канавок до торца упрочняющего элемента составляло ~ 35 мм. Импульсный источник тока устанавливался на защитной металлоконструкции с упором в бронеплиту его наружного токопровода непосредственно в контакте, а фланца лайнерной нагрузки через упругую демпфирующую втулку из набора резиновых колец.
В лайнерной нагрузке в эксперименте был реализован импульс тока с максимальной амплитудой 10,3 МА длительностью ~ 30 мкс. Результатом взрывного эксперимента явилось сохранение в бронеплите защитной металлоконструкции части ПЛ с заклиненным отсекателем и закрепленной на ней лайнерной нагрузкой с исследуемыми образцами.
Таким образом, совокупность предложенных и реализованных технических решений продемонстрировали их эффективность и позволили сохранить лайнерную нагрузку без ее разрушения.