Способ измерения характеристик взрыва заряда взрывчатого вещества в ближней зоне и устройство для его осуществления
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING CHARACTERISTICS OF EXPLOSION OF EXPLOSIVE CHARGE IN THE NEAR ZONE

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения характеристик взрыва боеприпаса или заряда взрывчатого вещества (ВВ) - давления на фронте ударной воздушной волны (УВВ) и импульса, в так называемой ближней зоне от поражаемого объекта (мишени), когда расстояние от боеприпаса/заряда до мишени не превышает 10 калибров.
Известны способ и устройство для измерения характеристик взрыва заряда ВВ, описанные в патенте US №5487298 /1/, основанные на использовании измерительного стержня Гопкинсона, принцип действия которого заключается в измерении посредством тензорезисторов упругой деформации, возникающей в стержне под действием продольной волны напряжения, инициированной импульсным воздействием УВВ на его торец. А затем - определения расчетным путем величины давления УВВ и импульса.
Одним из недостатков данного технического решения является то, что в соответствии с предложенной конструкцией устройства для осуществления способа торец стержня предполагается нагружать УВВ через бронеплиту, к которой он закрепляется сваркой. Таким образом, волна напряжений, возникающая под действием УВВ взрыва, сначала распространяется по материалу бронеплиты, затем по материалу сварочного шва, и наконец непосредственно по материалу измерительного стержня. Каждый из материалов обладает своими физико-механическими характеристиками, прежде всего кристаллической структурой. Поэтому "поведение" волны напряжения при переходе из материала в материал непредсказуемо, возможны эффекты диссипации, частичного отражения, изменение направления и т.п.
Еще одним существенным недостатком является наличие клеевого слоя между тензорезистором и измерительным стержнем. В клеевом слое могут присутствовать неподконтрольные дефекты, например разнотолщинность по площади контакта с тензорезистором или стержнем, газовые включения, - все это приводит к снижению точности измерений. Под действием сопровождающих волну напряжения в стержне упругих деформаций возможно нарушение клеевого слоя - отслоение, хрупкое разрушение и т.п. Вследствие этого велика вероятность того, что измерение будет единичным. Т.е. для повторного эксперимента с использованием устройства потребуется переклейка тензорезисторов, что является достаточно трудоемким процессом.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ, описанный в работе /2/, принцип действия которого также заключается в определении характеристик взрыва заряда ВВ в ближней зоне, - величины давления УВВ и импульса расчетным путем, по замеренным параметрам упругой деформации, возникающей в стержне под действием продольной волны напряжения, инициированной импульсным воздействием УВВ непосредственно на его торец.
Устройство для осуществления данного способа содержит измерительный стержень с закрепленными на нем преобразователями упругой деформации в электрический сигнал, размещенный в защитном кожухе с возможностью малого линейного перемещения. Со стороны нагружаемого торца измерительного стержня кожух имеет головной обтекатель с отверстием под установку стержня с минимальным зазором, а с тыльной стороны внутри - опорную втулку и упругий демпфирующий элемент, фиксируемые резьбовой крышкой. В стенке кожуха имеются отверстия для вывода проводов от преобразователей. Кожух монтируется на телескопической стойке, размещенной на массивном основании.
Недостаток у данного способа и соответственно реализующего его устройства тот же самый, что и у ранее описанного - наличие клеевого слоя между преобразователями упругой деформации в электрический сигнал (тензорезисторами) и измерительным стержнем, т.е. большая вероятность получения неадекватных результатов при повторных измерениях.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков способа и устройства аналога, т.е. обеспечение многократных измерений с одновременным снижением трудозатрат и повышением точности измерений с целью использования автоматизированных систем сбора и обработки информации о характеристиках УВВ в ближней зоне.
Решение задачи достигается тем, что в известном способе определения характеристик взрыва заряда ВВ в ближней зоне с использованием нагружаемого элемента в форме стержня - величины давления УВВ и импульса - по результатам действия на материал стержня продольной волны напряжения, инициированной импульсным воздействием УВВ непосредственно на его торец, в соответствии с изобретением стержень предварительно намагничивают, а результат действия на материал стержня продольной волны напряжения определяют по изменению магнитных характеристик материала стержня.
При этом магнитные характеристики материала нагружаемого элемента (стержня) могут быть определены как минимум двумя различными методами:
1) Непосредственно по изменению величины магнитной индукции материала стержня;
2) Использованием стержня в качестве дополнительного элемента измерительной системы - по изменению полного сопротивления измерительной системы, включающей материал стержня.
Причем для получения более точных результатов измерений целесообразно использовать оба метода последовательно.
Реализация предложенного способа, в свою очередь, достигается тем, что в известном устройстве для определения характеристик взрыва заряда ВВ в ближней зоне, содержащем нагружаемый элемент в форме стержня, размещенного в защитном кожухе с возможностью малого линейного перемещения, в соответствии с изобретением защитный кожух и его элементы выполнены из немагнитных материалов, внутри кожуха вблизи тыльной части стержня размещен чувствительный элемент магнитометрического преобразователя (магнитометра), а в центральной части - соленоид, охватывающий стержень в средней его части с минимальным зазором.
Таким образом, отличительными признаками предлагаемого технического решения, относящимися к способу, являются:
- условие предварительного намагничивания нагружаемого элемента - стержня;
- определение результата действия на материал стержня продольной волны напряжения, инициированной импульсным воздействием УВВ непосредственно на его торец, по изменению магнитных характеристик материала стержня.
А отличительные признаки, касающиеся устройства для его осуществления, заключаются в:
- исполнении защитного кожуха и его элементов из немагнитного материала;
- размещении внутри кожуха вблизи тыльной части стержня чувствительного элемента магнитометрического преобразователя (магнитометра);
- размещении внутри кожуха в центральной части соленоида, охватывающего стержень в средней его части с минимальным зазором.
Предложенные технические решения могут быть пояснены следующим образом.
r
r
Будучи предварительно намагниченным, нагружаемый элемент - стержень исходно содержит определенную магнитно-доменную структуру. При импульсном нагружении торца стержня УВВ в нем генерируется продольная волна напряжений, вызывающая при прохождении вдоль его оси локальные упругие деформации, приводящие к переориентации магнитных доменов, вследствие чего и изменяются магнитные характеристики материала стержня. Например, как показано в работе /3/, от упругой деформации ферромагнетиков зависит величина магнитной проницаемости μ. Кроме того, величина магнитной проницаемости материала μ зависит и от его температуры. При неоднократном прохождении по стержню продольной волны напряжений (прямой и нескольких обратных) за счет диссипации ее энергии осуществляется некоторый нагрев материала стержня, что также приводит к изменению величины его магнитной проницаемости. Также сильное ударное воздействие может привести к размагничиванию /4/.
Таким образом, в результате воздействия УВВ на предварительно намагниченный нагружаемый элемент - стержень изменится величина магнитной проницаемости его материала и соответственно - магнитная индукция стержня, что может быть измерено с помощью известных технических средств - например, магнитометров различного типа /5, 6/.
Исполнение защитного кожуха и его элементов из немагнитных материалов позволит избежать различных неконтролируемых наводок посторонних внешних магнитных полей и повысить точность как предварительных (см. далее), так и окончательных измерений;
Т.к. стержень предполагается предварительно намагничивать до определенной величины магнитной индукции, торцы его, по сути, будут являться полюсами магнита, т.е. областями с «максимальной концентрацией» магнитных силовых линий, поэтому размещение чувствительного элемента магнитометрического преобразователя (магнитометра) вблизи с тыльной частью стержня (фактически вблизи торца) внутри кожуха опять-таки позволит повысить точность измерений.
Соленоид, размещенный внутри кожуха в центральной части и охватывающий стержень в средней его части с минимальным зазором, служит для выполнения нескольких функций:
- является центрирующим элементом для стержня;
- служит элементом системы намагничивания при подключении к сети постоянного тока;
- является дополнительным индуктивным элементом измерительной системы, включающей материал стержня, при измерении ее полного сопротивления в цепи переменного тока (до и после воздействия УВВ), например, с использованием широко распространенных в практике электротехнических измерений амперметров и вольтметров.
В связи с тем, что чувствительный элемент магнитометрического преобразователя (магнитометра) и витки обмотки соленоида с нагружаемым стержнем механической связи не имеют и каким-либо механическим воздействиям при прохождении по нему упругой волны напряжения не подвергаются, данная измерительная система может использоваться многократно, т.е. без замены первичных измерительных элементов.
В качестве примера изобретение иллюстрируется графической информацией, - на фиг. 1 приведена схема устройства для проведения измерений по предлагаемому способу.
Устройство для определения характеристик взрыва заряда ВВ в ближней зоне содержит нагружаемый элемент в форме стержня 1, размещенный в защитном кожухе 2 с возможностью малого линейного перемещения. Внутри кожуха 2 вблизи с тыльной частью стержня 1 размещен чувствительный элемент 3 магнитометрического преобразователя (магнитометра) 4, а в центральной части - соленоид 5, охватывающий стержень в средней его части с минимальным зазором. С фронтальной (передней) части защитный кожух имеет обтекатель 6. Внутри кожуха в передней его части размещена центрирующая втулка 7, форма отверстия которой соответствует форме сечения нагружаемого элемента - стержня 1. С тыльной стороны защитный кожух 2 содержит внутри демпфирующий элемент 8, поджимаемый резьбовой крышкой 9 таким образом, чтобы нагружаемый УВВ торец стержня 1 размещался заподлицо с торцовой поверхностью передней центрирующей втулки 7.
Чувствительный элемент 3 магнитометрического преобразователя (магнитометра) 4 подключается к нему посредством ключа 10.
Выводы обмотки соленоида 5 ключом 11 могут присоединяться к цепи постоянного тока, включающей регулируемый источник 12, вольтметр 13 и амперметр 14, а ключом 15 - к цепи переменного тока, содержащей также регулируемый источник 16, вольтметр 17 и амперметр 18.
Для защиты от воздействии УВВ и продуктов взрыва торца нагружаемого стержня и зазора между стержнем 1 и отверстием в центрирующей втулке 7 перед ними помещена плотно прилегающая экранирующая прокладка 19 из тонкой фольги (0,05…0,1 мм), выполненная из ферромагнитного материала и фиксируемая за счет магнитного взаимодействия с торцем стержня.
Защитный кожух 2 монтируется на телескопической стойке 20, размещенной на массивном основании 21. Также в состав устройства входит стойка (опора) 22, предназначенная для установки испытуемого боеприпаса/заряда ВВ 23 на заданном расстоянии L от торца нагружаемого стержня 1 и на одной с ним высоте.
Работа устройства (реализация способа) происходит в следующей последовательности:
1) Нагружаемый элемент - стержень 1 устанавливают в защитный кожух 2, заводя его сквозь отверстия в центрирующей втулке 7 и размещенном в кожухе соленоиде 5. Поджатием демпфирующего элемента 8 резьбой крышкой 9 нагружаемый УВВ торец стержня 1 устанавливают заподлицо с торцовой поверхностью центрирующей втулки 7.
2) Выводы обмотки соленоида 5 ключом 11 подключают к цепи постоянного тока, включающей регулируемый источник 12, вольтметр 13 и амперметр 14.
Т.к. длина обмотки соленоида 5 значительно превышает ее диаметр, то в его полости при подаче на обмотку постоянного электрического тока порождается магнитное поле, близкое к однородному, вследствие чего стержень 1 намагничивается до заданной величины магнитной индукции. Управление процессом намагничивания осуществляют путем регулировки тока (изменением напряжения) в цепи, а оценку его результата - по показаниям магнитометрического преобразователя (магнитометра) 4, чувствительный элемент 3 которого подключается к нему ключом 10.
3) По завершении процесса намагничивания стержня 1 ключами 10 и 11 отключают соответственно магнитометр от чувствительного элемента 3 и обмотку соленоида 5 от цепи постоянного тока.
4) Выводы обмотки соленоида 5 ключом 15 подключают к цепи переменного тока, включающей регулируемый источник 16, вольтметр 17 и амперметр 18, и определяют сопротивление цепи.
L
Данная цепь содержит как активную составляющую сопротивления R, определяемую характеристиками намоточного провода соленоида, так и индуктивную X=ωL, где ω - круговая частота переменного тока, a L - индуктивность соленоида, определяемая его длиной, диаметром и количеством витков намотки, а также - магнитной проницаемостью сердечника (размещенного в нем намагниченного стержня 1). Сопротивление цепи, определяемое зависимостью , определяется по показаниям приборов 17 и 18.
5) Включение обмотки соленоида 5 в цепь переменного напряжения может привести к некоторому изменению исходных магнитных характеристик стержня 1, поэтому по завершению измерения сопротивления после отключения обмотки соленоида 5 от цепи переменного тока ключом 10 подключают чувствительный элемент 3 к магнитометру 4 и определяют окончательное значение величины магнитной индукции стержня 1.
Стадии 2…5 могут выполняться в автоматическом режиме.
6) На торце нагружаемого стержня 1 (для защиты его и зазора между стержнем и отверстием в передней втулке 7 от воздействии УВВ и продуктов взрыва) фиксируют (за счет магнитного взаимодействия) экранирующую прокладку 19.
7) Телескопическую стойку 20 с закрепленным на ней кожухом 2, размещенную на массивном основании 21, устанавливают на заданную высоту, соответствующую высоте стойки (опоры) 22, и на заданном от нее расстоянии L. На стойку (опору) 22 монтируют испытуемый боеприпас (заряд ВВ) 23, осуществляют ориентацию нагружаемого (фронтального) торца стержня 1 на необходимую область испытуемого боеприпаса и осуществляют подрыв.
В результате подрыва испытуемого боеприпаса (заряда ВВ) 23 генерируемая им УВВ своим импульсным воздействием на торец нагружаемого стержня 1 инициирует в нем продольную волну напряжения, вызывающую при прохождении вдоль его оси локальные упругие деформации, а также нагрев материала стержня, приводящие к изменению его магнитной проницаемости и соответственно - магнитной индукции.
8) Подключают чувствительный элемент 3 к магнитометру 4 и определяют остаточную величину магнитной индукции стержня 1.
9) Выводы обмотки соленоида 5 ключом 15 подключают к цепи переменного тока, включающей регулируемый источник 16, вольтметр 17 и амперметр 18, и определяют остаточное сопротивление цепи (см. п. 4).
10) На основании предварительно выполненных экспериментов и набранного статистического материала по результатам измерений устанавливают значения давления на фронте ударной воздушной волны (УВВ) и импульса.
Стадии 8…10 (как и вышеотмеченные 2…5) также могут выполняться в автоматическом режиме. Т.е. как непосредственно измерения, так и их математическая обработка могут осуществляться с применением современных программно-аппаратных средств, что позволит обеспечить многократные измерения, с одновременным снижением трудозатрат и повышением точности измерений.
Предлагаемые способ измерения характеристик взрыва заряда взрывчатого вещества в ближней зоне и устройство для его осуществления при испытаниях боеприпасов и зарядов ВВ в случае использования многоуровневой аналогово-цифровой системы записи и передачи сигналов на обработку имеет большую точность по сравнению со способом-прототипом. По мере набора статистических данных его применение ускорит создание максимально автоматизированных систем сбора и обработки информации о взрывных процессах, происходящих при испытаниях боеприпасов. Такие системы будут иметь ряд очевидных преимуществ перед существующими в настоящее время, преимущественно основанными на использовании пьезоэлектрических датчиков давления УВВ, поверка и регулировка которых вызывают сложности.
Источники информации, принятые во внимание при описании заявки
1. Патент US №5487298, G02M 7/00, Inertial Hopkinson bar shock sensor, 1996 - аналог.
2. Т. Piehler, A. Birk, R. Benjamin, V. Boyle, E. Summers, S. Aubert, Near-Field Impulse Loading Measurement Techniques for Evaluating Explosive Blast, Proceedings of the 24th International Symposium on Ballistics, New Orleans, LA, 22-26 September 2008 - прототип.
3. Э.С. Горкунов, С.М. Задворкин, А.Н. Мушников, Е.И. Якушенко. Влияние механических напряжений на магнитные характеристики конструкционной стали 15ХН4Д, V Всероссийская конференция. Механика микронеоднородных материалов и разрушение. Институт машиноведения УрО РАН, 2008.
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82
5. Ю.В. Афанасьев, Н.В. Студенцов, А.П. Щелкин. Магнитометрические преобразователи, приборы, установки. - Л.: Энергия, 1972. - 274 с.
6. Е.В. Комаров, А.Д. Покровский, В.Г. Сергеев, А.Я. Шихин. Под ред А.Я. Шихина. Испытание магнитных материалов и систем. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 376 с., ил.