Устройство для нагружения объектов воздушной ударной волной
DEVICE FOR LOADING OBJECTS WITH AIR SHOCK WAVE

Предлагаемое устройство относится к области прикладной газовой динамики, а именно, к устройствам для регулирования параметров избыточного давления воздушной ударной волны (ВУВ) в ударной трубе (УТ) и предназначено для нагружения объектов ВУВ в ударных трубах.
Известно влияние на ВУВ в каналах, горных выработках устройств в виде местных сопротивлений, когда между местным сопротивлением и ВУВ происходит сложный процесс взаимодействия, приводящий чаще всего к ослаблению [1] и реже к усилению [2] ее параметров.
Известно влияние на ВУВ в горных выработках устройств в виде искусственных преград, когда механизм действия ВУВ существенно меняется, если преграда имеет конечные размеры [3].
Недостатком этих устройств является обязательное наличие каналов большой протяженности, что приводит к сложности их реализации. Выполнение местных сопротивлений и преград в каналах требует временных затрат, что приводит к снижению эффективности процесса регулировки параметров избыточного давления ВУВ для нагружения объектов.
Известно устройство, реализующее способ имитации давления ядерного взрыва, описанный в патенте США «Имитатор давления ядерного взрыва», №3495455, G01M 9/00, 17.02.70. Во взрывные камеры, соединенные с УТ (волноводом), помещают заряды ВВ и осуществляют их подрывы или одновременно, или для организации цуга ударных волн с заданным временным интервалом. Расширяясь, газообразные продукты детонации зарядов ВВ затекают в УТ через перфорированную дроссельную пластину, при помощи которой понижают давление и выравнивают по сечению в ней скорость и расход газа, формируя, таким образом, плоские фронты ударных волн с выраженной положительной фазой. Размещением на открытом торце ударной трубы заглушки в форме сеточных экранов (волногасителя) обеспечивает спад давления в волноводе и исключает отражение ударных волн и влияние на них атмосферы со стороны открытого торца ударной трубы.
К недостаткам данного устройства, реализующего способ, можно отнести отсутствие возможности регулирования сеточных экранов (волногасителя) и как следствие формирование заданного избыточного давления ВУВ для нагружения объектов.
В качестве прототипа выбрано «Устройство для нагружения объектов ВУВ» (Патент 2217723 от 27.11.2003 г.), содержащее УТ с открытым и закрытым торцами для размещения объекта испытаний, источник ВУВ, экран, выполненный в виде гибких элементов закрепленных вертикально и горизонтально, заслонки, перекрывающие поперечное сечение расположенные на открытом торце УТ для гашения ВУВ а так же парус, установленный на заданном расстоянии от открытого торца ударной трубы, и соединенный стропами с заслонками для быстродействия их закрытия.
Недостатком является то, что прототип обладает подвижными, под действием ВУВ, гибкими элементами экрана, заслонками, парусом. Это усложняет как изготовление, так и эксплуатацию устройства, снижает эффективность процесса регулировки положительной фазы избыточного давления ВУВ с помощью экрана для достижения заданного характера нагружения объекта.
Технической проблемой является создание устройства для нагружения объектов в канале УТ при увеличении эффективности регулировки положительной фазы избыточного давления ВУВ и расширения диапазона регулировки положительной фазы избыточного давления ВУВ при помощи экрана с целью нагружения объекта ВУВ с заданными параметрами, а также, упрощения устройства.
Технический результат предлагаемого решения достигается тем, что в известном устройстве регулировка положительной фазы избыточного давления ВУВ осуществляется перекрытием открытого торца УТ экраном состоящим из гибких элементов, подвижных заслонок и паруса, а особенностью предлагаемого устройства является то, что экран выполнен в виде жестких пластин закрепленных со стороны открытого торца УТ перпендикулярно ее оси, при этом в пластинах выполнены соосные УТ, равные внутреннему контуру УТ отверстия, а дальняя от открытого торца УТ пластина отверстия не имеет, кроме того, пластины закреплены с зазором между собой и от открытого торца УТ.
Увеличение эффективности процесса регулировки положительной фазы избыточного давления ВУВ, в отличие от прототипа где процесс регулировки связан с перекрытием, после воздействия первой ВУВ на объект, открытого торца УТ экраном, является следствием многостадийности ударно-волновых процессов связанных с взаимодействием прямых и отраженных волн с неподвижными пластинами экрана и друг с другом, а так же за счет явления диссипации части энергии ВУВ через зазоры экрана.
Расширение диапазона регулировки положительной фазы избыточного давления ВУВ с помощью экрана осуществляется как за счет изменения величины его зазоров, так и за счет изменения толщины и количества пластин с отверстиями.
Упрощение устройства достигается за счет исключения подвижных, под действием ВУВ, гибких элементов экрана, заслонок, паруса и заменой их неподвижными, во время прохождения ВУВ, пластинами со стороны открытого торца УТ.
Пример осуществления устройства изображен на фиг 1. УТ диаметром 80 мм представлена источником ударной волны - камерой высокого давления 1 с закрытым торцом, камерой низкого давления 3 с открытым торцом разделенные мембраной 2 выполненной из лавсановой (майларовой) пленки толщиной 40 мкм. Экран, за открытым торцом УТ, представлен в виде четырех пластин с отверстиями 4 и пластины без отверстия 5, расположенных с зазором L с помощью жестких связей - шпилек и датчиком 6 для регистрации параметров ВУВ в месте расположения объекта испытаний.
Работает устройство следующим образом. При подаче и достижении давления газа Р, подаваемого в камеру высокого давления 1, величины ограниченной прочностью мембраны 2, мембрана разрушается. Разрушение мембраны приводит к соединению камер высокого и низкого давлений, что приводит к возникновению в экране ударно-волновых процессов и процесса диссипации энергии ВУВ, которые формируют ВУВ с заданными параметрами избыточного давления для нагружения объекта.
Технический результат - нагрузить объект с заданными параметрами избыточного давления ВУВ и упрощение устройства с помощью предлагаемого решения. На Фиг. 2 представлены примеры эпюр изменения параметров избыточного давления ВУВ полученные с помощью предлагаемого решения. В результате применения предлагаемого решения получены заданные параметры избыточного давления, длительности фазы избыточного давления, с наполнением фазы избыточного давления ВУВ в фиксированной точке от открытого конца ударной трубы на расстоянии 100 мм, регулируемые расстояниями L между четырьмя пластинами толщиной 8 мм, уровни которых заданы от 1 до 6 мм с шагом 1 мм, при прочих равных начальных условиях.
При попадании ВУВ в экран, в отличие от прототипа, происходят сложные ударно-волновые процессы и процесс диссипации энергии ВУВ, приводящие к эффектам в одном случае, увеличения длительности и наполнения положительной фазы избыточного давления воздействующей на объект испытания ВУВ при неизменном избыточном давлении - эпюры при расстоянии L между пластинами и открытым торцом ударной трубы 6, 5, 4 и 3 мм, в другом как увеличения длительности и наполнения положительной фазы избыточного давления воздействующей на объект испытания ВУВ так и увеличения избыточного давления - эпюры при расстоянии L между пластинами и открытым торцом ударной трубы 1 и 2 мм.
Таким образом, меняя осевые размеры экрана, предлагаемое решение позволяет нагружать объекты в ударной трубе ВУВ с заданными параметрами избыточного давления, при увеличении эффективности процесса регулировки положительной фазы избыточного давления ВУВ, расширении диапазона регулировки положительной фазы избыточного давления ВУВ и упрощении, при его применении.
Источники информации
1. В.Н. Архипов и др. Механическое действие ядерного взрыва. М., Физматлит, 2003 г., С. 369.
2. А.А. Гурин. Управление ударными воздушными волнами при взрывных работах. М., «Недра», 1978 г., С. 24.
3. Там же. С. 56.