ВЗРЫВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ
BLASTING DEVICE FOR DYNAMIC LOADING

Изобретение относится к исследованиям поведения веществ при динамическом воздействии на них и может быть использовано в любой области техники, где необходимо создание ударных волн в сплошных средах и знание прочностных свойств перспективных конструкционных материалов при динамических нагрузках.
Одной из актуальных задач, стоящих в рассматриваемой области техники, является упрощение дальнейшего численного моделирования исследуемых процессов. Это напрямую связано с созданием в исследуемом материале плоскопараллельной ударной волны при обеспечении требуемого уровня нагрузки на объект исследования, минимизируя количество взрывчатого вещества (ВВ), используемого в устройстве нагружения.
Известно решение данной задачи из предшествующего уровня техники. Например, в конструкции взрывного устройства для динамического нагружения (патент США №3742859, F42D 1/00, 1973 г.), содержащего основной заряд ВВ и узел его инициирования, при этом основной заряд выполняют многослойным и разным по химическому составу. Состав слоев подобран таким образом, что поток продуктов взрыва от менее мощного ВВ идет за потоком продуктов взрыва более мощного ВВ.
Недостатком известного устройства является технологическая сложность изготовления, связанная с выполнением основного заряда из различных по химическому составу ВВ, что требует разделение процесса снаряжения по времени и по различным участкам.
Известно другое взрывное устройство для динамического нагружения (патент России №2113703, МПК: G01N 3/30, дата публикации 20.06.98 г.), выбранное в качестве прототипа по наибольшему количеству сходных признаков с заявляемым устройством. Известное устройство включает в себя основной заряд ВВ, выполненный многослойным, ударник и узел инициирования основного заряда. Набор слоев ВВ фиксированного химического состава располагают с уменьшающейся плотностью в сторону нагружаемого объекта. Ударник и узел инициирования размещают по разные стороны основного заряда. Устройство инициирования представляет собой матрицу с промежуточным зарядом ВВ и средство инициирования промежуточного заряда. Промежуточный заряд ВВ представляет собой детонационный канал, а матрица - пенопластовый диск. Т.о., при помощи устройства инициирования осуществляется процесс одноточечного инициирования основного заряда ВВ. Ударник представляет собой стальную пластину, примыкающую к основному заряду ВВ. В качестве средства инициирования промежуточного заряда ВВ применяют капсюль-детонатор.
Недостатком известного устройства является то, что фронт взрывной волны в основном заряде ВВ, сформированный с помощью одноточечного инициирования, имеет большую площадь боковой разгрузки, и как следствие этого, разгоняемый ударник имеет плоскопараллельный участок только в центре, края его изогнуты, что приводит в дальнейшем к нагружению исследуемого объекта ударной волной, форма которой отличается от плоскопараллельной и усложняет численное моделирование исследуемого процесса.
Техническим результатом заявляемого устройства является повышение эффективности его работы за счет выравнивания фронта взрывной волны.
Указанный технический результат достигается за счет того, что во взрывном устройстве для динамического нагружения, включающем общие с прототипом признаки, а именно:
- наличие основного заряда ВВ, который выполняют многослойным;
- наличие расположенных по разные стороны основного заряда ударника и узла инициирования основного заряда ВВ;
- выполнение узла инициирования основного заряда ВВ в виде матрицы с промежуточным зарядом ВВ и средством инициирования промежуточного заряда ВВ,
содержит отличительные признаки, а именно:
- между основным зарядом и промежуточным размещают подслой из взрывчатого вещества меньшей плотности, чем плотность основного заряда ВВ;
- в качестве узла инициирования основного заряда ВВ применяют формирователь многоточечного инициирования;
- матрицу формирователя выполняют многослойной;
- промежуточный заряд выполняют в виде сети каналов с ответвлениями, проходящих через все слои матрицы, причем количество ответвлений увеличивается от слоя к слою, в направлении подслоя, на поверхность которого выходят концевые участки каналов;
- на каждый слой основного заряда установлена инертная пластина, выполненная из материала, скорость прохождения ударной волны в котором меньше скорости детонации ВВ основного заряда;
- толщину подслоя h выбирают из следующего условия:L≥h≥L/2, где L - расстояние между соседними концевыми участками детонационных каналов.
Слои матрицы в заявляемом устройстве могут быть выполнены из различных по плотности материалов, с увеличением плотности в сторону подслоя.
Концевые участки каналов могут быть выполнены с расширением.
Использование подслоя из ВВ, который располагают между узлом инициирования и основным зарядом ВВ и выполняют из ВВ меньшей плотности, чем плотность ВВ основного заряда, позволяет увеличить количество инициирующих импульсов передаваемых на поверхность основного заряда ВВ, что дает возможность сгладить фронт взрывной волны, формирующийся в основном заряде ВВ.
Применение формирователя многоточечного инициирования в качестве узла инициирования основного заряда ВВ обеспечивает получение необходимого профиля и задает требуемое направление движения взрывной волны, позволяющее разгоняемому ударнику сохранить плоскопараллельное направление перемещения при разгоне, что приводит в дальнейшем к упрощению численного моделирования исследуемого процесса.
Выполнение промежуточного заряда ВВ в виде сети каналов, концевые участки которых обращены в сторону подслоя, позволяет обеспечить одновременность инициирования подслоя ВВ и уменьшить зону боковой разгрузки взрывной волны в основном заряде ВВ.
Выполнение матрицы многослойной, с прохождением каналов через все слои и увеличением их ответвлений от слоя к слою позволяет разместить на разных слоях длинные ответвления каналов и короткие, что устраняет негативное влияние продуктов взрыва при срабатывании каналов друг на друга и дает возможность увеличить плотность распределения концевых участков каналов.
Разделение слоев основного заряда ВВ инертной пластиной, которую устанавливают на каждый слой и выполняют из материала, скорость прохождения ударной волны в котором меньше скорости детонации ВВ основного заряда, позволяет уменьшить разнодинамичность передаваемой взрывной волны от подслоя к основному заряду и далее от слоя к слою, что выравнивает давление на фронте взрывной волны.
Выбор толщины подслоя из вышеприведенного условия связан с необходимостью оптимального снижения количества непрореагировавшего ВВ между проекциями соседних концевых участков в подслое на момент достижения детонационными фронтами взрывных волн, инициируемых концевыми участками каналов, границы с инертной пластиной, отделяющей подслой от основного заряда. Количество непрореагировавшего ВВ нелинейно уменьшается с увеличением радиуса фронта расходящейся взрывной волны. Экспериментально было выявлено, что вышеприведенное условие является оптимальным и дальнейшее увеличение толщины подслоя, превышающее расстояние между соседними концевыми участками, нецелесообразно из-за увеличения габаритов.
Слои матрицы в заявляемом устройстве могут быть выполнены из различных по плотности материалов, с увеличением плотности в сторону подслоя. Это связано с тем, что в этом направлении увеличивается число ответвлений каналов от слоя к слою, а значит, и плотность их размещения, следовательно, появляется необходимость решения вопроса о повышении прочности слоев матрицы для обеспечения точности соблюдения координатных межосевых расстояний между отверстиями и проточками, которые заполняют впоследствии ВВ и они представляют собой детонационные каналы.
Концевые участки каналов могут быть выполнены с расширением для повышения надежности передачи детонационного импульса каждого концевого участка на подслой.
На чертеже схематично представлен один их примеров конкретного выполнения заявляемого устройства.
Устройство состоит из двухслойного основного цилиндрического заряда ВВ 1, слои которого разделены инертной пластиной 2, промежуточного заряда ВВ 3, выполненного в виде сети детонационных каналов, размещенных в двухслойной матрице 4, подслоя 5, средства инициирования промежуточного заряда 6, демпфера из пенопласта 7, обеспечивающего гарантированный зазор между основным зарядом и ударником, и ударника 8. Все детали устанавлены в корпус 9.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства является взрывное устройство для динамического нагружения, включающее кольцевой корпус из пенопласта, в котором последовательно размещены следующие элементы:
- ударник, представляющий собой стальную пластину, 2 мм;
- основной заряд ВВ, выполнен двухслойным и установлен с зазором 5 мм относительно ударника, зазор обеспечивается с помощью пенопластового кольца, а слои между собой и верхний слой от подслоя отделены инертной пластиной, которая наклеена на слой и выполнена из фторопласта толщиной 2 мм;
- каждый из слоев основного заряда ВВ представляет собой шашку ВВ толщиной 6 мм;
- подслой выполнен из пластичного ВВ толщиной 2 мм;
- узел инициирования основного заряда ВВ представляет собой формирователь многоточечного инициирования с промежуточным зарядом ВВ, выполненным из пластичного ВВ в виде сети детонационных каналов, при этом начальные участки каналов объединены в общую начальную точку инициирования, детонационно-связанную со средством инициирования промежуточного заряда ВВ. Формирователь представляет собой двухслойную матрицу, один слой которой выполнен из пенопласта, а другой - из оргстекла. Слои выполняют в форме дисков с проточками и сквозными отверстиями для размещения ВВ, которые и образуют детонационные каналы. Количество проточек, которые заканчиваются сквозными отверстиями, на слое, выполненном из пенопласта, равно 8, а на слое, выполненным из оргстекла, - 250. Т.о. количество концевых участков детонационных каналов составляет 250 шт., при этом расстояние между соседними концевыми участками составляет 5 мм;
- средство инициирования промежуточного заряда ВВ, совмещенное с начальной точкой инициирования, представляет собой капсюль-детонатор, помещенный в розетку, наклеенную на диск из пенопласта.
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.
При подаче электрического импульса на капсюль-детонатор 6 он срабатывает и задействует начальную точку инициирования промежуточного заряда ВВ 3. Детонационный импульс по сети каналов промежуточного заряда 3 проходит через первый слой матрицы 4, выполненный из пенопласта. Поскольку этот слой содержит более длинные, но немногочисленные ответвления каналов, то без негативного влияния друг на друга при их срабатывании импульс транслируется на следующий слой матрицы 4, который выполнен из оргстекла и содержит многочисленные, но короткие ответвления каналов. По коротким ответвлениям детонационный импульс распространяется к 250 концевым участкам промежуточного заряда ВВ 3 без негативного влияния продуктов взрыва от ответвлений каналов друг на друга и передается в подслой 5, одновременно по всей поверхности задействуя его. Такое одновременное задействование в 250 точках позволяет задать требуемое направление движения взрывной волны. Детонационный импульс, транслируемый каждым каналом на подслой 5, инициирует его под проекцией канала, а также при этом, распространяясь по подслою 5 и сталкиваясь с импульсами от соседних каналов, производит увеличение инициирующих импульсов заряда ВВ в зонах столкновений. Взрывная волна, сформированная в подслое 5 с увеличенным количеством инициирующих импульсов, формирует ударную волну в инертной пластине 2, которая в свою очередь инициирует первый слой основного заряда ВВ 1 по всей площади. Далее процесс передачи детонации на следующий слой заряда ВВ 1 повторяется. Продукты взрыва заряда ВВ 1, равномерно распределяясь в малоплотном пенопластовом демпфере 7, мягко разгоняют метаемый ударник 8 с минимальным уровнем искривления и без откольных явлений. Установка ударника 8 на некотором расстоянии (в данном случае оно равно 5 мм) относительно основного заряда ВВ позволяет снизить бризантное действие продуктов взрыва на него и устранить откольные явления в нем. Таким образом, заявленное устройство позволяет при минимальной толщине основного заряда ВВ обеспечить плавный разгон ударника до требуемой скорости, не вызывая в нем откольных явлений, и нагрузить исследуемое вещество плоской ударной волной, параметры которой позволят наиболее точно определить его прочностные характеристики.