ВЗРЫВНОЙ ЛОГИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ
EXPLOSIVE LOGIC

В технике большое применение находят специальные устройства - дискретные преобразователи, используемые для управления различными приборами и механизмами с помощью определенной последовательности командных выходных сигналов, сформированных комбинацией входных сигналов. Дискретные преобразователи могут быть построены на различных физических принципах: механические и электрические устройства (датчики, переключатели, реле и др.), электронные устройства (диоды, транзисторы, интегральные микросхемы и др.), детонационные устройства на основе взрывчатых веществ. Основными требованиями, предъявляемыми к дискретным преобразователям, являются надежность, быстродействие, технологичность и минимальные размеры.
Особое место в ряду дискретных преобразователей занимают детонационные устройства на основе взрывных логических элементов (ВЛЭ), используемые для формирования выходного детонационного сигнала, сгенерированного комбинацией входных детонационных сигналов. Таким образом, ВЛЭ обеспечивает выполнение логических операций, предназначенных для регулирования режимов срабатывания, обеспечения безопасности и надежности взрывных устройств и т.д. ВЛЭ могут быть использованы в конструкциях взрывных боеприпасов, взрывных устройств гражданского назначения, регулируемых командно-исполнительных устройств для военной, авиационно-космической и морской техники.
Среди ВЛЭ выделяются устройства, предназначенные для реализации логической операции отрицания «НЕ». Особенностью ВЛЭ этого типа является то, что они не формируют собственного сигнала, а лишь запрещают или разрешают передачу детонации по выходному детонационному проводнику.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности передачи детонации по пруткам взрывчатого вещества (ВВ), входящих в конструкцию ВЛЭ при минимально возможных габаритах.
Известна конструкция ВЛЭ «НЕ», заявленная в патенте 3430564 USA [1], [3, стр. 289]. В конструкции данного ВЛЭ реализован деструкционный принцип прерывания детонации, проходящей по прутку взрывчатого вещества за счет разрушения (перебивания) этого прутка взрывным импульсом другого прутка ВВ, примыкающего к первому прутку ВВ под прямым углом. Особенностью рассмотренной конструкции ВЛЭ является то, что в узле примыкания второго прутка ВВ к первому прутку ВВ в первом прутке ВВ выполнено сужение поперечного сечения прутка, обеспечивающего его гарантированное разрушение. Представленный ВЛЭ работает следующим образом. При инициировании детонационного импульса на любом из концов первого прутка ВВ детонация передается на другой конец прутка без помех, с некоторым замедлением скорости детонации в суженном участке. При предварительном (опережающем) инициировании второго прутка ВВ происходит механическое разрушение первого прутка в узле примыкания. Передача детонации по первому прутку ВВ становится невозможной.
кр
кр
К недостаткам рассмотренного технического решения следует отнести сложность конструкции узла примыкания прутков ВВ и невысокую надежность передачи детонации через узел примыкания, связанную с тем, что уменьшение площади сечения первого прутка, приводит к снижению скорости детонации ВВ в месте сужения, что, как следствие, приводит к снижению работоспособности ДЛЭ и надежности передачи детонации, что неприемлемо для дорогостоящей авиационно-космической и военной техники, В соответствии требованиями надежности, принятыми в промышленности, площадь сечения надежно срабатывающих детонационных прутков должна составлять величину не менее (1,5…2)×d, где d - критическая скорость детонации заряда ВВ, из которого изготовлен детонационный пруток.
Другим способом реализации ВЛЭ является использование дифракционного принципа, основанного на «угловом» эффекте [2] - [6]. Угловой эффект возникает, когда пруток ВВ, по которому распространяется детонация, поворачивает на определенный угол. Распространение детонации по прутку ВВ при поворотах сопровождается образованием «темных» зон частично или полностью непрореагировавшего ВВ, примыкающего к угловой кромке. Условия образования «темной» зоны при повороте детонации в прутке ВВ зависят от детонационных характеристик конкретного ВВ, из которого изготовлен пруток, его геометрических характеристик и угла поворота детонации.
Известны конструкции ВЛЭ основанные на использовании углового эффекта. Так в [2], [3, стр. 290], [4, стр. 103] описаны схемы базовых логических элементов дифракционного типа, называемых «детонационный диод». В приведенных конструкциях детонационные прутки, сходящиеся под определенным углом, имеют различные поперечные сечения, определяемые высотой прутков, которая должна быть не менее критической величины, имеющей определенное значение для каждого, применяемого в прутках ВВ, шириной прутка, также зависящей от примененного ВВ и угла поворота детонации. Как правило, высота сходящихся прутков одинакова, а ширина выбирается из условия образования «темных» зон непрореагировавшего ВВ. Предел распространения детонации в прутках ВВ определяется взаимным соответствием двух характерных размеров: ширины прутка и ширины «темной» зоны. Детонация не затухает, если разность указанных величин превышает величину критического диаметра детонации ВВ, из которого изготовлен пруток [3, стр. 281-283], в противном случае наблюдается срыв детонации за счет реализации углового эффекта.
Принцип действия ВЛЭ дифракционного типа «детонационный диод», заключается в следующем. При распространении детонации со стороны более узкого прутка на угловой кромке в более широком прутке образуется зона не прореагировавшего ВВ величиной меньшей, чем ширина самого прутка, что позволяет детонации распространяться далее по оставшемуся в широком канале ВВ. При распространении детонации в обратном направлении, образовавшаяся на угловой кромке узкого прутка «темная» зона непрореагировавшего ВВ больше, чем ширина прутка, что приводит к затуханию детонации.
Известен взрывной логический элемент отрицания «НЕ», принятый в качестве прототипа для настоящего изобретения. Взрывной логический элемент «НЕ» представляет собой два детонационных прутка, соединенных между собой под прямым углом [3, стр. 289]. Первый детонационный пруток используется для передачи детонации через ВЛЭ. Второй пруток, подсоединенный под прямым углом к первому, исключает передачу детонации по первому прутку, при условии подачи инициирующего импульса на вход второго прутка ранее, чем будет подан инициирующий импульс на первый пруток. Угловой эффект дифракции проявляется в первом прутке на угловых кромках в месте подсоединения второго прутка.
Недостатком прототипа является тот же недостаток, который характерен для всех ВЛЭ, построенных на принципе дифракции. Это недостаточная надежность ВЛЭ, связанная с противоречием между необходимостью уменьшения ширины прутка ВВ для обеспечения образования «темной» зоны и необходимостью увеличения ширины прутка ВВ для обеспечения надежности передачи детонации по пруткам ВВ.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности передачи детонации ВЛЭ дифракционного типа путем обеспечения постоянной скорости передачи детонации на всем детонационном пути.
кр
кр
прутка
прутка
кр
кр
кр
кр
Технический результат достигается тем, что взрывной логический элемент выполнен в виде двух детонационных прутков ВВ, первый из которых содержит входной и выходной участки, а второй пруток подсоединен к первому прутку между входным и выходным участками, новым является то, что в месте соединения первого и второго прутка образован дифракционный узел прерывания детонации в первом прутке, при этом входной и выходной участки первого прутка расположены между собой под углом β, выбранном из условия β>180° - α, где α - критический угол (град.) поворота детонационного прутка, при котором отсутствует передача детонации для данного сечения прутка. Второй пруток подсоединен к углу, образованному между входным и выходным участками первого прутка по биссектрисе. Высота прутка h выбирается из условия h=(1,5…2,0)×h где h - критическая высота прутка, при котором отсутствует угловой эффект дифракции передачи детонации, а ширина прутка b выбирается из условия b=(1,5…2,0)×d+δ, где d - критический диаметр детонации ВВ из которого изготовлен пруток, δ - ширина зоны непрореагировавшего ВВ.
Указанные выше диапазоны получены в результате расчетно-экспериментальных исследований. Совокупность отличительных признаков, определяющих рациональные геометрические параметры сечений детонационных прутков ВЛЭ в сочетании с детонационными характеристиками ВВ, из которого изготовлены прутки ВЛЭ, позволяет обеспечить выполнение указанного технического результата и сделать вывод о соответствии заявленного изобретения условию «изобретательский уровень», так как свойства, которые придают изобретению данные признаки, в уровне техники не обнаружены.
Сущность изобретения иллюстрируется схемами, представленными на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6 и фиг. 7.
На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 приведены схемы образования зоны непрореагировавшего ВВ при различных углах поворота детонации в прутке ВВ.
На фиг. 4 приведена топологическая схема и принцип работы ВЛЭ в нормальном режиме.
На фиг. 5 приведена топологическая схема и принцип работы ВЛЭ в режиме отрицания «НЕ».
На фиг. 6 представлена конструкция инертной платы ВЛЭ до снаряжения прутками ВВ
На фиг. 7 представлена конструкция ВЛЭ по настоящему изобретению.
1
кр
2
кр
3
кр
1
1
2
2
3
3
На приведенных схемах представлены следующие позиции и обозначения: 1 - первый пруток ВВ; 2 - входной участок первого прутка ВВ; 3 - выходной участок первого прутка ВВ; 4 - второй пруток ВВ; 5 - входной участок второго прутка ВВ; 6 - дифракционный узел прерывания детонации; 7 - зона непрореагировавшего ВВ («темная» зона); 8 - инертная плата из пенополистирольного пенопласта; 9 - внешний канал; 10 - внутренний канал; 11 - выемка; 12 - усилительные шашки ВВ; β - угол между входным и выходным участками первого прутка ВВ; b - ширина прутков ВВ; h - высота прутков ВВ; α - угол поворота детонации в прутке ВВ; α - угол поворота детонации по величине намного меньшей величины α; α - угол поворота детонации по величине примерно равной величине α; α - угол поворота детонации по величине превышающей величину α; S - ширина зоны непрореагировавшего ВВ; δ - ширина зоны непрореагировавшего ВВ при угле поворота детонации α; δ - ширина зоны непрореагировавшего ВВ при угле поворота детонации α; δ - ширина зоны непрореагировавшего ВВ при угле поворота детонации α; А - угловая кромка между вторым прутком ВВ 4 и выходным участком 3 первого прутка ВВ; Б - угловая кромка между вторым прутком ВВ 4 и входным участком 2 первого прутка ВВ.
кр
кр
кр
Одним из основных геометрических параметров прутка ВВ является его высота, которая должна быть больше критической высоты h слоя характерной для конкретного ВВ, из которого изготовлен пруток. При уменьшении высоты прутка h до детонация не способна изменить направление своего распространения, т.е. в прутке ВВ, имеющем высоту h=h детонация передается только в прямом направлении и не передается при любом, даже малом, угле поворота. С другой стороны, при увеличении высоты прутка ВВ, размеры «темной» зоны при повороте быстро уменьшаются, при этом установлено, что проявление угловых эффектов практически значимо при значениях h<(1,5…2,0)×h.
1
2
3
1
2
3
Кроме этого, известно, что размеры «темной» зоны изменяются в зависимости от угла поворота детонации: чем больше угол поворота, тем больше размеры «темной» зоны [4, стр. 102-103], [5], [6]. Данное утверждение иллюстрируется схемами, приведенными на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. На схемах показано, что детонация передается по прутку ВВ 1 от его входного участка 2 к его выходному участку 3 через дифракционный узел 6, имеющий угол поворота детонации α. При повороте, на острой угловой кромке А дифракционного узла 6 образуется зона 7 непрореагировавшего ВВ шириной δ. Экспериментально определено, что ширина δ зоны непрореагировавшего ВВ увеличивается с увеличением угла поворота, так при α<α<α выполняется условие δ<δ<δ.
прутка
кр
кр
Влияние детонационных характеристик ВВ, из которого изготовлен пруток, на размеры «темной» зоны при повороте детонации определено экспериментально. Известно, что площадь сечения прутка ВВ S, обеспечивающая проявление углового дифракционного эффекта должна быть примерно равна величине площади сечения круглого прутка ВВ диаметром, сравнимом с критическим диаметром детонации d, являющимся одной из детонационных характеристик конкретного ВВ. Величина критического диаметра детонации d определяет границу геометрических размеров прутка ВВ, ниже которой скорость детонации ВВ перестает быть стабильной величиной, что влечет за собой прерывание распространения детонации или снижение надежности передачи детонации по прутку.
кр
На фиг. 4 представлена схема взрывного логического элемента по заявляемому изобретению. Взрывной логический элемент состоит из первого прутка ВВ 1, имеющего входной участок 2 и выходной участок 3, которые расположены по отношению друг к другу под углом β>180° - α. В угловой зоне между входным участком 2 и выходным участком 3 первого прутка 1, по биссектрисе угла β к первому прутку ВВ 1 примыкает второй пруток ВВ 4, образуя таким образом дифракционный узел прерывания детонации б. Угловое позиционирование входного участка 2 и выходного участка 3 первого прутка ВВ 1, позволяет увеличить сечение прутков ВВ и обеспечить площади поперечного сечения прутков ВВ, которые в 1,5…2,0 раза больше площади круглого прутка ВВ с критическим диаметром детонации, что обеспечивает требуемую надежность передачи детонации по пруткам ВВ.
кр
1
3
3
кр
Заявляемый ВЛЭ работает следующим образом (фиг. 4). При подаче инициирующего импульса на входной участок 2 детонация распространяется по первому прутку ВВ 1 в направлении выходного участка 3 минуя дифракционный узел прерывания детонации 6. Так как угол поворота детонации α первого прутка ВВ 1 меньше критического угла поворота детонационного прутка α, при котором отсутствует передача детонации для данного сечения прутка на угловой кромке А дифракционного узла прерывания детонации 6 образуется зона 7 непрореагировавшего ВВ шириной δ, которая меньше ширины b первого прутка 1, что, таким образом, позволяет детонации распространяется далее по оставшемуся в первом прутке ВВ. В месте подсоединения первого прутка ВВ 1 ко второму прутку ВВ 4 на угловой кромке Б дифракционного узла прерывания детонации 6 образуется зона 7 непрореагировавшего ВВ шириной δ, которая равна или больше ширины b второго прутка ВВ 4. Величина δ зоны непрореагировавшего ВВ на угловой кромке Б определена углом поворота детонации α величина которого значительно превышает величину критического угла поворота детонационного прутка α, при котором отсутствует передача детонации для данного сечения прутка. Таким образом, детонация от первого прутка ВВ 1 ко второму прутку ВВ 4 не передается.
кр
3
На фиг. 5 представлена схема работы взрывного логического элемента при подаче инициирующего импульса на входной участок 5 второго прутка ВВ 4. Инициирующий импульс должен быть осуществлен раньше, чем подача инициирующего импульса на входной участок 2 первого прутка ВВ 1. Вследствие того, что угол поворота детонации а в прутках ВВ в дифракционном узле прерывания детонации 6 при распространении детонации от входного участка 5 второго прутка ВВ 4 намного превышает величину критического угла поворота детонационного прутка α, на угловых кромках А и Б дифракционного узла прерывания детонации 6 образуются зоны 7 непрореагировавшего ВВ шириной δ, величина которых равна или больше ширины b первого прутка ВВ 1, обеспечивая тем самым блокирование передачи детонации по первому прутку ВВ 1.
кр
кр
На фиг. 6 и фиг. 7, в качестве примера конкретного выполнения, приведена конструкция ВЛЭ, изготовленного по настоящему изобретению. ВЛЭ представляет собой инертную плату 8 из пенопласта пенополистирольного плиточного ПС-1-350 ТУ 2244-461-05761784-01 толщиной 4 мм, в которой выполнены каналы прямоугольного сечения глубиной 1,0 мм и шириной 1,2 мм. Каналы сходятся между собой под углом, образуя, таким образом, угловой дифракционный узел 6. Внешние каналы 9 образуют между собой угол при вершине β равный 80°. Внутренний канал 10 соединен с углом между внешними каналами 9 по биссектрисе, образуя при этом угловые кромки А и Б. Свободные концы каналов 9 и 10 имеют выемки 11 сечением 2,0×2,0×2,0 мм. Каналы платы из пенопласта пенополистирольного заполнены прутками ВВ сечением 1,0×1,2 мм, изготовленными из пластичного взрывчатого состава ТКФ [3, стр. 768] на основе бризантного ВВ тан (84%) с добавлением полимерного пластификатора (16%). Критический диаметр детонации для ВВ ТКФ составляет d=0,3 мм, а критическая толщина детонации h=0,6 мм. Прямоугольные выемки 11 на свободных концах каналов 9 и 10 заполнены усилительными шашками 12 сечением 2,0×2,0×2,0 мм из пластичного взрывчатого состава ТКФ. После заполнения каналов и выемок инертной платы 8 прутками ВВ ТКФ образуется взрывная логическая цепь состоящая из первого прутка ВВ 1, имеющего входной участок 2 и выходной участок 3, которые расположены во внешнем канале 9 и второго прутка ВВ 4 с входным участком 5, которые расположены во внутреннем канале 10. Первый пруток ВВ 1 и второй пруток ВВ 4 образуют между собой дифракционный узел прерывания детонации 6.
кр
кр
кр
кр
кр
Согласно [3], высота прутков ВВ в канале должна быть не менее (1,5…2,0)×h или h=1,75×h=1,75×0,6=1,05 мм. Известно, что для каналов сечением 0,6×0,6 мм, снаряженных ВВ ТКФ критический угол поворота детонации α, при котором проявляется угловой дифракционный эффект с появлением непрореагировавшей «темной» зоны ВВ, ширина которой больше ширины канала, составляет 120…125°. Соответственно, ширина зоны непрореагировавшей ВВ δ при α=120…125° равна ширине прутка ВВ, снаряженного в канал шириной 0,6 мм, т.е. δ=0,6 мм. Тогда ширина b канала ВЛЭ с прутком ВВ, обеспечивающая проявление углового дифракционного эффекта должна быть равна величине b=(2d+δ)=(2×0,3+0,6)=1,2 мм. Таким образом, в примере конкретного выполнения конструкции взрывного логического элемента на основе ВВ ТКФ реализовано сечение прутков ВВ 1,0×1,2 мм, обеспечивающего надежность передачи детонации.
кр
Исходя из этого внешние каналы должны образовывать между собой угол с углом при вершине β>180° - α=180°-120°=60°. В представленной конструкции ВЛЭ между входным участком 2 и выходным участком 3 первого прутка ВВ 1 реализован угол β=80°.
кр
Таким образом, надежность работы представленной конструкции ВЛЭ обеспечивается величиной сечения прутков ВВ равной 1,0×1,2 мм, что в 1,5…2 раза больше критических сечений, а работоспособность конструкции ВЛЭ обеспечивается углом β=80°>180° - α=60°.
Использованные источники:
1. Pat. 3430564 USA, IC520 F43B 3/10 Explosive gate, diode and switch / D.A. Silvia, R.T. Ramsay, J.H. Spenser. - Publ. 4.03.69.
2. Аттетков A.B., Бойко M.M. Детонационные логические элементы //ФГВ- 1994- №5 - С. 123.
3. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, преработанное. -В 2 т. T. 1. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2020. - 832 с.
4. Резка металлов взрывом / А.В. Аттетков, A.M. Гнускин, В.А. Пырьев, Г.Г. Сагидуллин. -М.: СИП РИА, 2000. - 260 с. С. 101-114.
5. Кобылкин И.Ф., Носенко В.И. Распространение детонационных волн в зарядах ВВ с угловыми границами // Химическая физика. -1998. - №1.
6. Новиков С.А., Шутов В.И. О распространении детонации в полосе, имеющей углы поворота // Физика горения и взрыва. - 1980. Т. 16, №3 - С. 153-154.