ЛОКАЛИЗУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
LOCALISING DEVICE FOR STUDYING FAST HYDRODYNAMIC PROCESSES

Изобретение относится к области техники взрывных работ и исследования быстропротекающих гидродинамических процессов, в частности, к проведению исследований физических и механических свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках, создаваемых нагружающими устройствами, с использованием взрывчатых веществ (ВВ). В этих исследованиях для защиты окружающей среды и оборудования от воздействия продуктов взрыва и осколков применяются локализующие устройства и взрывные камеры.
Известно «Локализующее устройство для радиографических исследований взрывных процессов», патент РФ №2455614 C1, МПК F42D 5/04 (опубликовано 10.07.2012 в БИ №19). Указанное устройство содержит взрывную камеру, корпус которой состоит из центральной части и двух выпуклых днищ, укрепленных изнутри противоосколочными элементами и скрепленных между собой кольцевыми фланцами при помощи шпилек. Шпильки равномерно попарно распределены по радиусу фланцев с интервалом для прохождения потока радиографического излучения. При этом центральная часть выполнена в виде полой слоеной цилиндрической вставки с фланцами, герметично соединенными с фланцами днищ при помощи прижимных колец.
Недостатками устройства являются существенное ослабление и рассеяние многослойной стенкой центральной вставки камеры потока рентгеновского излучения, распространяющегося от источника через образец исследования к регистрирующей системе, что снижает качество регистрируемого изображения исследуемых взрывных процессов.
Кроме того, данное устройство не позволяет использовать некоторые другие методы регистрации процессов, напримероптические методы, которые требуют введение специальных вводов (окон) для подвода к исследуемому образцу оптического излучения и последующего его вывода на регистратор.
То есть отсутствие в локализующем устройстве специальных вводов (окон), которые практически не снижают его прочность и энергию проходящего через них сканирующего излучения, приводит к ограничению функциональных возможностей данного устройства по реализации в нем процесса радиографирования, а также не позволяет применять другие методы регистрации быстропротекающих процессов, например, оптические методы.
Наиболее близким к изобретению техническим решением (прототипом) является «Локализующее устройство для радиографических исследований взрывных процессов», патент РФ №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, в которые введены выступающие за пределы корпуса демпфирующие устройства для снижения взрывной нагрузки. На наружном конце каждого из демпфирующих устройств установлены заглушки, чувствительные к указанному излучению, из материала с малым порядковым номером по таблице элементов, незначительно ослабляющего поток излучения.
Недостатком устройства является низкая точность измерения, вызванная удаленным расположением образца от источника радиографического излучения и регистратора из-за выступающих за пределы корпуса демпфирующих устройств. Для получения контрастного рентгеновского изображения исследуемого образца необходимо повышать дозу излучения, генерируемого рентгеновской установкой, что приводит к размытию изображения и не дает возможности проводить регистрацию процессов в объектах с малой оптической плотностью ρl. При удаленном расположении источника рентгеновского излучения от образца и увеличении мощности дозы, кроме того, возрастает влияние эффектов вторичного и рассеянного излучения, которые ухудшают качество изображения.
Другим путем повышения точности измерения является приближение исследуемого образца к источнику излучения и регистратору за счет уменьшения габаритов демпфирующих устройств. Но при этом для сохранения прочности заглушек и надежной локализации в такой камере продуктов взрыва, содержащих вредные и радиоактивные материалы, необходимо уменьшать нагрузки, а значит, снижать импульс давления, действующий при взрывном нагружении на центральную часть камеры, ослабленную отверстиями, в которых располагаются демпфирующие устройства с заглушками. Это можно реализовать, например, снижением массы заряда ВВ нагружающего устройства. Тогда для того, чтобы получить требуемые параметры нагружающего импульса давления в образце, необходимо либо уменьшать размеры исследуемого образца, что снижает точность измерений, либо ограничивать сверху уровни нагружения образца, а значит, снижать амплитуды давлений и температур, что сужает область проводимых исследований.
При необходимости проведения регистрации процессов с разных ракурсов требуется выполнять несколько специальных окон с заглушками, что снижает прочность и надежность камеры и ограничивает возможности применения многоракурсной радиографии. Кроме того, по той же причине данное устройство не позволяет проводить в нем дополнительные измерения с использованием, например, оптических методов регистрации.
В случае использования известного устройства для исследования образца из радиоактивного материала необходимо образец располагать в технологическом герметичном контейнере. При этом стенки контейнера, через которые проходит сканирующий импульс, будут ухудшать качество регистрируемого радиографического изображения, а при их разрушении будут образовываться высокоскоростные осколки, которые могут пробить заглушки, что приведет к разгерметизации устройства и выходу радиоактивных продуктов взрыва в окружающую среду, а значит, к снижению надежности устройства.
Совокупность приведенных недостатков данного технического решения свидетельствует об ограничениях по возможностям проведения радиографических измерений в таком устройстве, снижении точности этих измерений, невозможности использования некоторых других, например, оптических методов, а при исследовании радиоактивных материалов - о снижении его прочностной надежности.
Решаемой технической задачей является разработка устройства, способного, с одной стороны, надежно локализовать внутри своей полости продукты взрыва исследуемого объекта, содержащего, в том числе, радиоактивные материалы, а с другой стороны, такое устройство должно обеспечить проведение внутри него радиографических, оптических и ряда других измерений с требуемой высокой точностью.
Ожидаемыми техническими результатами от реализации заявленного изобретения являются повышение точности измерений за счет обеспечения возможности приближения сканирующего источника и регистратора к образцу, расширение области исследований физических процессов с обеспечением сохранения несущей способности устройства при требуемых уровнях нагружающих давлений в исследуемых образцах.
Указанные технические результаты достигаются локализующим устройством для исследования быстропротекающих процессов, содержащим взрывную камеру для размещения исследуемого образца, включающую корпус, крышку и днище, при этом камера снабжена, по крайней мере, одной парой диаметрально противоположных вводов радиографического излучения, образованных соответствующими отверстиями в корпусе и заглушками, прозрачными для указанного излучения. Новым является то, что корпус взрывной камеры выполнен усиленным, заглушки установлены в отверстиях корпуса, дополнительно введены верхняя и нижняя камеры, герметично соединенные по кольцевым фланцам с корпусом взрывной камеры, крышка и днище которой выполнены с возможностью разрушения при нагружении объекта, при этом верхняя и нижняя камеры снабжены герметичными крышками.
Усиление корпуса взрывной камеры и установка заглушек в отверстиях корпуса позволяют уменьшить габаритные размеры камеры при требуемой нагрузке и приблизить источник радиографического излучения и регистратор к исследуемому образцу, что существенно расширяет возможности данного метода регистрации, повышает его качество и точность.
При этом для сохранения несущей способности устройства необходимо увеличить объем полости, в который могут распространяться расширяющиеся продукты взрыва, за счет чего происходит снижение суммарного импульса давления, действующего на корпус взрывной камеры в процессе испытаний. Для этого вводятся верхняя и нижняя камеры, герметично соединенные с фланцами корпуса взрывной камеры. Крышка и днище взрывной камеры выполнены с возможностью разрушения от воздействия нагрузок, создаваемых при нагружении образца исследования, например, при детонации заряда ВВ. При их разрушении объем внутренней полости взрывной камеры соединяется с объемами верхней и нижней камер и туда перетекают расширяющиеся продукты взрыва, что резко изменяет характер волновых газодинамических и квазистатических процессов. За счет этого, соответственно, перераспределяется и снижается суммарный импульс давления, действующий на корпус взрывной камеры.
Объемы верхней и нижней камер подбираются таким образом, чтобы установившееся в полости устройства давление газов после испытания, с учетом предварительно создаваемого разрежения во всех полостях, было ниже атмосферного давления, что повышает безопасность испытаний образцов из радиоактивных материалов.
Герметичные крышки, которыми снабжены верхняя и нижняя камеры, позволяют локализовать продукты взрыва и осколки внутри полости устройства и разместить в них элементы технологической оснастки, такие как: гермопереходы подрывной и измерительной магистралей, вентили для вакуумирования полости и стравливания из нее избыточного давления, фильтры и т.д. При открытых крышках производится установка заряда ВВ, демпфирующих устройств, датчиков, измерительных и подрывной магистралей, фильтра и других элементов, требуемых для испытания.
Для повышения информативности и расширения диапазона измерений физических процессов применяются методы, основанные на разных физических принципах. Для применения оптических методов регистрации во взрывной камере выполнена, по крайней мере, одна пара диаметрально противоположных отверстий, закрытых герметичными заглушками, прозрачными для оптического излучения. С этой же целью для использования таких измерительных методов, как пьезоэлектрический, электроконтактный, лазерно-оптический, в днище взрывной камеры установлен, по крайней мере, один из датчиков перечисленных методов.
Защиту герметичных крышек с размещенными в них элементами технологической оснастки обеспечивает демпфирующее устройство, установленное в верхней и/или нижней камерах, локализующее воздействие поражающих факторов, образующихся при разлете продуктов взрыва и осколков исследуемого образца и оснастки.
Для создания нагружающего импульса давления в образце, проведения контроля некоторых параметров газовой среды до и после испытания и ее очистки от радиоактивных аэрозолей в полости камеры в верхней и/или нижней камерах устанавливаются элементы технологической (например, оснастка с зарядом ВВ и системой инициирования, фильтры для очистки газа от радиоактивных аэрозолей) и измерительной (например, датчики температуры) оснастки.
Для вывода из устройства измерительных и подрывных линий, создания в полости камеры избыточного давления при проведении проверок на герметичность после сборки устройства или разрежения перед испытаниями, прокачки газовой среды после испытания в крышке верхней и/или нижней камер устанавливаются элементы измерительной (например, гермопереходы подрывной и измерительных линий) и технологической (вентиль, штуцер систем «накачки», «откачки», и стравливания) оснастки.
При исследовании динамических характеристик образца из радиоактивных материалов для обеспечения экологической и радиационной безопасности в случае нештатной (аварийной) ситуации с разгерметизацией взрывной камеры путем исключения попадания радиоактивных продуктов взрыва в окружающую среду дополнительно введена наружная герметичная камера. Камера имеет днище и крышку, которые герметично закрываются после установки в нее взрывной камеры. Для проведения радиографических и оптических измерений в камере выполнены отверстия, соосные отверстиям во взрывной камере и закрытые заглушками, прозрачными для соответствующего излучения, а в ее днище и крышке установлены элементы измерительной и технологической оснастки.
На фиг.1 изображен один из вариантов предлагаемого устройства в разрезе, на фиг.2 - поперечное сечение А-А. На фиг.3 изображен вариант устройства с наружной герметичной камерой.
Локализующее устройство содержит взрывную 1, верхнюю 2 и нижнюю 3 камеры (фиг.1). Взрывная камера включает корпус 4, крышку 5 и днище 6. Корпус 4 усилен за счет увеличения толщины стенок по сравнению со стенками верхней 2 и нижней 3 камер, выполнения его в виде многогранника из стали с повышенными механическими характеристиками по сравнению с другими силовыми элементами устройства.
В стенках корпуса 4 имеются сквозные диаметрально противоположно расположенные отверстия. В отверстиях А и Б установлены заглушки 7, например, из алюминиевого сплава, проводящие радиографическое излучение от источника к образцу 8 и далее на регистратор. Корпус 4 по кольцевым фланцам герметично соединен с верхней 2 и нижней 3 камерами. На крышке 5 камеры 1 со стороны полости верхней камеры 2 установлено нагружающее устройство 9, содержащее заряд ВВ. Со стороны внутренней полости корпуса 4 на крышке 5 крепится исследуемый образец 8.
Стальная крышка 5 и днище 6 выполнены тонкостенными и разрушаются в процессе нагружения образца 8 и последующего разлета расширяющихся продуктов взрыва. Верхняя 2 и нижняя 3 камеры имеют герметично закрывающиеся крышки 10, 11.
В корпусе 4 взрывной камеры 1 (фиг.2) выполнены две пары диаметрально противоположных отверстий В и Г, Д и Е, которые закрыты герметичными заглушками 12, прозрачными для оптического излучения, например, из стекла.
В днище 6 взрывной камеры 1 установлены пьезоэлектрический и (или) лазерно-оптический датчики 13 для регистрации параметров физических процессов (фиг.1).
Кроме того, в нижней камере 3 установлено демпфирующее устройство 14. Демпфирующее устройство может быть также установлено и в верхней камере 2.
В нижней камере 3 крепится датчик 15 для измерения температуры газовой среды, в верхней камере 2 может устанавливаться электроконтактный датчик для контроля срабатывания нагружающего устройства 9.
В крышке 10 верхней камеры 2 размещается гермопереход 16 подрывной линии, а на крышке 11 нижней камеры 3 - гермопереходы 17 измерительных линий (пьезоэлектрического, лазерно-оптического и температурного датчиков), фильтр 18 и вентиль 19.
В варианте исполнения локализующего устройства для исследования радиоактивных материалов (фиг.3) дополнительно введена наружная герметичная камера, включающая корпус 20, крышку 21 и днище 22. В корпусе 20 выполнены отверстия, соосные отверстиям в корпусе 4 взрывной камеры 1, закрытые заглушками 23, прозрачными для радиографического и оптического излучений. В наружной камере размещены датчики давления и температуры, а при исследовании радиоактивных материалов - детекторы для измерения радиоактивности. В крышке 21 и днище 22 установлены гермопереходы 24 для подрывной линии и соответствующих измерительных датчиков.
Локализующее устройство для исследования быстропротекающих гидродинамических процессов работает следующим образом.
2
Исследуемый образец 8 крепится в полости взрывной камеры 1 к поверхности крышки 5, после чего крышка закрывается. При исследовании радиоактивных материалов образец 8 устанавливается аналогично и закрепляется в полости камеры 1 в специальных условиях, после чего камера 1 герметично закрывается и в ее полости создается разрежение либо туда закачивается газ (CO, аргон и др.).
В днище 6 взрывной камеры 1, а также в верхнюю 2 и нижнюю 3 камеры предварительно устанавливаются измерительные датчики и фильтр. Взрывная камера 1 герметично соединяется по кольцевому фланцу с нижней камерой 3. Измерительные линии соединяются с соответствующими гермопереходами, расположенными в крышке 11 нижней камеры 3, которая герметично закрывается. На наружной поверхности крышки 5 взрывной камеры 1 устанавливается технологическая оснастка, в которой крепится нагружающее устройство 9 с зарядом ВВ. По кольцевому фланцу корпус 4 взрывной камеры 1 соединяется с верхней камерой 2. Подрывная линия связи соединяется с гермопереходом в крышке 10 верхней камеры 2, после чего крышка 10 герметично закрывается.
Взрывная камера 1 устанавливается таким образом, чтобы оси потоков сканирующего излучения совпадали с осями отверстий А и Б, В и Г, Д и Е в ее корпусе 4.
При исследовании радиоактивных материалов взрывная камера 1 крепится на днище 22 наружной камеры. Гермопереходы на крышке 11 нижней камеры 3 и датчики наружной камеры соединяются линиями связи с гермопереходами на днище 22. Корпус 20 наружной камеры устанавливается на днище 22 таким образом, чтобы соосные отверстия, закрытые заглушками 23, были совмещены с соответствующими отверстиями взрывной камеры 1, и герметично закрепляется на нем. Гермопереходы крышки 10 верхней камеры 2 соединяются линиями связи с гермопереходами на крышке 21 наружной камеры, после этого крышка герметично закрывается.
При детонации заряда ВВ в крышке 5 взрывной камеры 1 формируется ударная волна, которая затем распространяется по образцу 8 и создает в нем зону повышенного давления. При выходе ударной волны на свободную поверхность образца 8 он начинает двигаться. Развитие динамического процесса в образце 8 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 образца 8. При этом потоки проходят через чувствительные к излучению заглушки 7, 12, максимально приближенные к образцу 8, слабо поглощающие и рассеивающие данные излучения.
Корпус 4 камеры 1, выполненный из нержавеющей стали в виде многогранника с увеличенной толщиной стенок, 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 камеры, а их датчики позиционируются относительно образца 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 взрывной камеры 1, за счет чего они разрушаются и происходит соединение объемов внутренних полостей взрывной камеры 1 с верхней 2 и нижней 3 камерами. Общий объем полости устройства существенно увеличивается. Продукты взрыва расширяются и распространяются по всему объему, при этом снижаются их давление и температура, а, значит, и нагрузки на корпус 4 камеры 1 с заглушками 7, 12.
Образующиеся при взрыве осколки разлетаются в основном вдоль оси устройства. Они тормозятся и захватываются демпфирующим устройством 14 и не воздействуют на крышку 11 нижней камеры 3. При необходимости возможно аналогичным образом защищать крышку 10 верхней камеры 2.
Для повышения надежности локализации вредных и радиоактивных продуктов взрыва и обеспечения гарантированного непопадания их в окружающую среду устройство помещается в наружную герметичную камеру. При этом возможные утечки газа из локализующего устройства не приведут к повышению давления в полости наружной камеры, так как последняя имеет свободный объем полости, на порядок превышающий суммарный объем устройства.
Возможность реализации технических решений, применяемых в локализующем устройстве, подтверждена экспериментально. Показано, что заявляемое устройство локализует взрыв нагружающего устройства при исследовании образцов, сохраняя прочность и герметичность всех элементов конструкции, при этом обеспечивается требуемое приближение радиографического источника и регистратора к образцу, что позволяет получить качественные изображения высокой точности. Проверено, что использование взрывной камеры с усиленным корпусом позволяет применить при исследованиях физических процессов наряду с радиографическим методом также оптические, пьезоэлектрические, электроконтактные и лазерно-оптические методы регистрации, что дает возможность повысить информативность экспериментов.
Предложенное локализующее устройство может быть использовано в испытательных комплексах для исследования быстропротекающих гидродинамических процессов, в том числе для изучения динамических свойств радиоактивных материалов.