Ударная труба совместного термомеханического действия
JOINT THERMOMECHANICAL ACTION SHOCK TUNNEL

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в наземных испытаниях конструкций летательных аппаратов, подвергающихся в процессе полета нагреву от аэродинамических и сопловых газовых потоков и последующему действию внешнего механического импульса давления от взрыва, потоков излучений и частиц различной физической природы.
В настоящее время известны способы и устройства для разогрева элементов конструкций летательных аппаратов с помощью термохимических генераторов, газоразрядных ламп, газовых горелок [1]. Они не позволяют воспроизводить на фоне разогрева конструкций действие внешнего механического импульса давления, при этом испытания к совместному действию являются необходимыми при создании средств защиты многих типов летательных аппаратов.
Известен также генератор для формирования цуга взрывных волн [2], который содержит небольшие по массе заряды взрывчатого вещества в ударной трубе, расположенные вдоль прямой линии с интервалами между зарядами, систему инициирования, обеспечивающую подрыв зарядов с заданным сдвигом во времени. Данное техническое решение является наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом). Недостатком прототипа является то, что устройство реализует программно-временное задание последовательности генерирования взрывных нагрузок без учета реакции испытываемой преграды на воздействие.
Технический результат изобретения направлен на расширение диапазона воспроизводимых параметров совместного термомеханического действия в ударных трубах взрывного действия.
Технический результат достигается тем, что взрывная камера ударной трубы выполнена из параллельно расположенных стволов и соединена фланцевым соединением с общей переходной камерой, снабженной выходным соплом, расположенным напротив испытываемой конструкции с термопарами, а также снабжена анализатором значений температур и логическим блоком для подрыва зарядов из пиротехнического и взрывчатого составов, установленных с открытого торца взрывной камеры в параллельных стволах.
Схема реализации предлагаемой ударной трубы для воспроизведения совместного импульсного нагрева и давления представлена на Фиг. 1, где 1 - многоствольная ударная труба, которая представляет собой набор из параллельно расположенных стволов 2 в съемной многозарядной взрывной камере 4, которая соединена фланцевыми соединениями 3 с общей переходной камерой 5, снабженной выходным соплом 6, при этом конусность выходного сопла определяет пространственное распределение нагрузки на установленной напротив него испытываемой преграде 7 с термопарами 8.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Взрывная камера с открытого конца снаряжается зарядами из пиротехнического 9 и взрывчатого 10 состава. Сферические заряды взрывчатого вещества размещаются на пенопластовых вкладышах 11 для уменьшения действия взрыва на стенки ударной трубы. Для формирования высокотемпературной струи от продуктов сгорания пиротехнического заряда (повышения темпа нагрева) труба снабжена выходным соплом 6. Затем инициируется капсюлем-воспламенителем 14 пиротехнический заряд. Проводится анализ реакции преграды на тепловое воздействие и по его результатам определяется временной сдвиг между импульсами внешнего нагрева и давления. Параметры разогрева преграды (время, температура, профиль по толщине) регистрируются термопарами 8, соединенные с анализатором значений температуры 12, который управляет через логический блок подрыва 13 моментами инициирования зарядов взрывчатого вещества электродетонаторами 15. Подрыв одного заряда в параллельных стволах взрывной камеры не нарушает сохранность другого заряда, при этом с помощью логического блока задержки сигналов на последующий подрыв заряда определяется интервал времени в тандеме теплового и механического испытательного воздействия. В устройстве разделяется тепловой и взрывной импульсы во времени путем их разновременного подрыва, а профилированный канал трубы используется дважды: сначала для создания высокотемпературной струи продуктов сгорания пиротехнического заряда, обтекающей и нагревающей испытываемую преграду, а затем для формирования ударной волны, воздействующей на ее поверхность.
Выполнение многоствольной взрывной камеры съемной за счет фланцевого соединения с общей камерой позволяет проводить ее замену в разной конфигурации (количеством, длиной, диаметром стволов).
Технология нагрева преград высокотемпературной струей продуктов сгорания пиротехнического состава, обтекающей и нагревающей испытуемый объект, а затем формирование механического импульса давления, воздействующего на поверхность нагрева летательного аппарата, подрывом заряда взрывчатого вещества, прошла экспериментальную проверку. Преимущества пиротехнического нагрева: высокая концентрация энергии и высокая скорость ее выделения и передачи нагреваемой преграде, нагрев материалов до их плавления (изменения фазового состояния) с дозированным подводом тепла от продуктов сгорания к нагреваемой конструкции. Ударная труба с пиротехническим и взрывчатым составом являются гибким средством создания динамического нагрева и импульсных давлений на элементах летательных аппаратов. При этом за счет теплопроводности конструкционных материалов воспроизводится неравномерный по толщине конструкций нагрев с последующим действием механической нагрузки в области повышенной температуры с числом импульсов, определяемых количеством параллельных стволов в сменной взрывной камере трубы. Длительность механического импульса давления изменялась при последовательном синхронизированном подрыве нескольких зарядов взрывчатого вещества в стволах трубы за счет наложения ударных волн. Предложенный компактный термомеханический взрывной генератор существенно расширяет технические возможности существующих ударных труб и позволяет:
1. Моделировать однократное (тепловое или механическое), совместное (одновременное или последовательное термомеханическое) воздействие.
2. Воспроизводить тандем из теплового и механического импульсов с заданным интервалом между ними, а также многократное тепломеханическое действие на преграды.
3. Нагружать материалы в моменты времени соответствующие экстремальным значениям их реакций на тепловое воздействие без предварительного теоретического определения этих характеристик.
4. Проводить наземную стендовую отработку конструкций летательных аппаратов, имеющих сложную форму.
Испытания конструкций к комплексному термомеханическому действию являются необходимыми при создании летательных аппаратов, при этом может быть осуществлено механическое воздействие в моменты их максимального нагрева при отсутствии априорной информации о реакции на нагрев. В ударной трубе использован инновационный подход, основанный на использовании в рамках единой конструкции новейших технологий воспроизведения разогрева пиротехническими составами и взрывной генерации механического импульса, что значительно расширяет возможности решения задач материаловедения.
Источники информации
1. Книга Физика ядерного взрыва, том. 3 Воспроизведение факторов взрыва / М., Физматлит, 2013, 472 с., стр. 393-412.
2. Патент на изобретение №2226259 от 22.04.2002 г. «Генератор воздушной ударной волны».