СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЦУГА ВОЗДУШНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН И УДАРНАЯ ТРУБА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO FORM TRAIN OF AIR IMPACT WAVES AND IMPACT PIPE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для создания цуга воздушных ударных волн (ВУВ), подобных возникающим в атмосфере при взрыве сосредоточенных зарядов ВВ, профиль каждой из которых характеризуется крутым ударным фронтом, положительной фазой, в которой давление больше атмосферного, и отрицательной фазой, в которой давление меньше атмосферного.
Преимущественная область использования - исследование воздействия формируемых через заданные интервалы времени ВУВ на различные объекты.
Известен способ создания ВУВ, описанный в статье «Импульсные газодинамические установки для испытаний РАВ на воздействие поражающих механических факторов» (сборник докладов научной конференции Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения»: авторы Бичегов В.И., Залесский В.В. и др., Саров, ВНИИЭФ, 2000 г., стр.235-237). Внутри ударной трубы монтируют заряд взрывчатого вещества и производят его подрыв, в результате которого формируют направленную воздушную ударную волну.
К недостаткам данного способа следует отнести:
- невозможность воспроизведения цуга воздушных ударных волн;
- неполное соответствие формы ВУВ и несоответствие давления и массовой скорости в отрицательной фазе, создаваемой воздушной ударной волной, этим параметрам в ВУВ, возникающей в атмосфере при взрыве сосредоточенного заряда ВВ;
- загрязнение воздушной среды в трубе продуктами взрыва.
Известен способ имитации давления ядерного взрыва, описанный в патенте США «Имитатор давления ядерного взрыва», №3495455, G01M 9/00, опубл. 17.02.70, выбранный в качестве прототипа для заявляемого способа формирования цуга воздушных ударных волн. Во взрывные камеры, соединенные с ударной трубой (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 ударную трубу 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) обеспечивают спад давления в волноводе и исключают отражение ударных волн и влияние на них атмосферы со стороны открытого торца ударной трубы.
К недостаткам данного способа можно отнести:
- ограниченные возможности регулирования формы ВУВ и ее неполное соответствие параметрам ВУВ, возникающей в атмосфере при взрыве сосредоточенного заряда ВВ, из-за отсутствия в воспроизводимой волне отрицательной фазы;
- загрязнение воздушной среды в трубе продуктами взрыва.
7
Известно «Устройство для нагружения объектов воздушной ударной волной», патент RU 2217723 С1, МПК  G01M 9/00, 7/08, опубл. 27.11.03, бюлл. №33. Устройство содержит ударную трубу (волновод) с открытым и закрытым торцами для размещения объекта испытаний, источник ударной волны в виде взрывной камеры с размещенным в ней зарядом ВВ и экран для гашения ударной волны, выполненный в виде гибких элементов, закрепленных вертикально и горизонтально на открытом торце ударной трубы, и содержащий заслонки в виде прямоугольных листов, установленных на горизонтальных гибких элементах с возможностью поворота относительно них.
К недостаткам данного устройства следует отнести:
- невозможность воспроизведения цуга ударных волн;
- ограниченные возможности регулирования формы ВУВ;
- отсутствие в воспроизводимой волне отрицательной фазы;
- искажение формы ВУВ из-за низкого быстродействия экрана для гашения ударной волны;
- загрязнение воздушной среды в трубе продуктами взрыва.
Известен «Имитатор давления ядерного взрыва», патент США №3495455, G01M 9/00, опубл. 17.02.70, выбранный в качестве прототипа для заявляемой ударной трубы. Устройство представляет собой взрывные камеры с размещенными в них зарядами ВВ и источниками их инициирования, соединенные через дроссель, выполненный в виде перфорированной пластины (генератор ударных волн), с ударной трубой (волноводом), на открытом торце которого расположена перфорированная заглушка (волногаситель).
К недостаткам данного устройства можно отнести:
- ограниченные возможности регулирования формы ВУВ и ее неполное соответствие параметрам ВУВ, возникающей в атмосфере при взрыве сосредоточенного заряда ВВ, из-за отсутствия в воспроизводимой волне отрицательной фазы;
- загрязнение воздушной среды в трубе продуктами взрыва.
Решаемой технической задачей является создание способа и реализующего его устройства, позволяющих моделировать повторяющиеся с заданным временным интервалом воздействия ВУВ на различные объекты исследований.
Ожидаемый технический результат при использовании заявляемых способа и устройства заключается в создании приближенных к натурным условий нагружения объектов исследований путем реализации положительной и отрицательной фаз в профиле формируемых ВУВ и исключения загрязнения воздушной среды в трубе продуктами взрыва, а также более низкой стоимости проведения экспериментальных работ за счет использования значительно меньшего количества взрывчатых материалов.
Технический результат достигается за счет применения способа, заключающегося в генерировании перемещающейся по волноводу ударной трубы ударной волны с плоским фронтом и выраженной положительной фазой с последующим спадом давления в волноводе и повторении с требуемым временным интервалом указанного цикла, отличающегося от прототипа тем, что:
- в волновод ударной трубы устанавливают с возможностью заданного продольного перемещения относительно друг друга перфорированный диск и мембрану, расположенную на заданном расстоянии перед диском по направлению к выходу из волновода, при этом генерирование положительной фазы ударной волны осуществляют разгоном диска с последующим присоединением к нему мембраны и их совместным движением по волноводу до остановки в крайнем переднем положении;
- дополнительно реализуют отрицательную фазу в профиле ударной волны путем перемещения диска с мембраной в обратном направлении со знакопеременным ускорением до полной остановки в крайнем заднем положении;
- перед остановкой диска с мембраной в крайнем заднем положении их вновь разводят на заданное расстояние друг от друга.
Установка в волновод ударной трубы с возможностью заданного продольного перемещения относительно друг друга перфорированного диска и мембраны, расположенной на заданном расстоянии перед диском по направлению к выходу из волновода, разгон диска с последующим присоединением к нему мембраны и их совместное движение по волноводу до остановки в крайнем переднем положении обеспечивают формирование положительной фазы ВУВ, характеризующейся крутым ударным фронтом.
Дополнительная реализация отрицательной фазы в профиле ударной волны путем перемещения диска с мембраной в обратном направлении со знакопеременным ускорением до полной остановки в крайнем заднем положении позволяет обеспечить полное соответствие создаваемой с помощью ударной трубы воздушной ударной волны параметрам ВУВ, возникающей в атмосфере при взрыве сосредоточенного заряда ВВ.
Разведением диска и мембраны перед их остановкой в крайнем заднем положении подготавливается следующий цикл воспроизведения ВУВ.
Технический результат достигается также за счет применения ударной трубы, содержащей волновод с установленными на одном его конце генератором ударной волны, а на противоположном конце - волногасителем, отличающейся от прототипа тем, что:
- генератор ударной волны выполнен в виде перфорированного диска и мембраны, размещенных в волноводе с возможностью перемещения вдоль него, установленного на торце волновода магазина с пиромеханическими толкателями, расположенными в нем в ряд в вертикальной плоскости и снабженными подвижными звеньями, упора и возвратной пружины;
- перфорированный диск с тыльной стороны снабжен штоком, поочередно контактирующим с подвижными звеньями пиромеханических толкателей;
- мембрана размещена перед диском по направлению к выходу из волновода с возможностью фиксации ее исходного положения относительно диска и изменения расстояния между ними;
- мембрана соединена механическими связями, симметрично проходящими через перфорационные отверстия в диске, с одним концом возвратной пружины, другой конец которой соединен с неподвижной опорой;
- магазин установлен в направляющих на торце волновода с возможностью перемещения по ним вниз под собственным весом до совпадения осей штока диска и подвижного звена очередного пиромеханического толкателя, при этом упор установлен на одной из направляющих и выполнен с возможностью ограничения перемещения магазина до срабатывания очередного толкателя;
- шток диска со стороны магазина может быть снабжен магнитной вставкой, а контактирующие с ним подвижные звенья пиромеханических толкателей при этом выполнены из ферромагнитного материала;
- мембрана может быть выполнена многослойной.
Выполнение генератора ударной волны в виде перфорированного диска и мембраны, размещенных в волноводе с возможностью перемещения вдоль него, установленного на торце волновода магазина с пиромеханическими толкателями, расположенными в нем в ряд в вертикальной плоскости и снабженными подвижными звеньями, упора и возвратной пружины, есть конструктивное исполнение механизма, обеспечивающего возвратно-поступательное движение диска с мембраной по заданному закону, создающему условия формирования воздушных ударных волн, характеризующихся крутым ударным фронтом, положительной фазой, в которой давление больше атмосферного, и отрицательной фазой, в которой давление меньше атмосферного.
Снабжение перфорированного диска с тыльной стороны штоком, поочередно контактирующим с подвижными звеньями пиромеханических толкателей, обеспечивает передачу толкающего усилия от толкателей диску.
Размещение мембраны перед диском по направлению к выходу из волновода с возможностью фиксации ее исходного положения относительно диска и изменения расстояния между ними в процессе перемещения диска позволяет обеспечить практически мгновенный разгон мембраны из состояния покоя до скорости, приобретенной диском на момент их соединения.
Соединение мембраны механическими связями, симметрично проходящими через перфорационные отверстия в диске, с одним концом возвратной пружины, другой конец которой соединен с неподвижной опорой, позволяет перемещать диск с мембраной в волноводе по заданному закону, обеспечивающему получение требуемых параметров воспроизводимой ВУВ.
Размещение магазина в направляющих на торце волновода с возможностью перемещения по ним вниз под собственным весом до совпадения осей штока диска и подвижного звена очередного пиромеханического толкателя, а также установка на одной из направляющих упора, выполненного с возможностью ограничения перемещения магазина до срабатывания очередного толкателя, обеспечивают перезарядку ударной трубы для последующего цикла.
Снабжение штока диска со стороны магазина магнитной вставкой и выполнение контактирующих с ним подвижных звеньев пиромеханических толкателей из ферромагнитного материала обеспечивают исключение удара подвижного звена толкателя по штоку при разгоне диска, который может иметь место в случае наличия зазора между ними, а также для фиксации положения толкателя и штока.
Выполнение мембраны многослойной позволяет повысить ее изгибную жесткость и задемпфировать ее собственные колебания, инициируемые в момент удара по ней диска, которые могут привести к искажению формы воспроизводимой ударной волны.
Изобретение поясняется рисунками. На фиг.1 приведена схема ударной трубы, реализующей способ формирования цуга воздушных ударных волн, на фиг.2 изображено взаимодействие подвижных звеньев пиромеханических толкателей с упором, на фиг.3-6 показаны последовательные стадии работы ударной трубы.
Ударная труба (см. фиг.1) содержит волновод 1 с установленными на одном его конце генератором ударной волны 2, на противоположном конце - волногасителем 3.
Генератор ударной волны 2 выполнен в виде перфорированного диска 4 и мембраны 5, размещенных в волноводе 1 с возможностью перемещения вдоль него, установленного на торце волновода 1 магазина 6 с пиромеханическими толкателями 7, расположенными в нем в ряд в вертикальной плоскости и снабженными подвижными звеньями 8, упора 9 и возвратной пружины 10. Количество пиромеханических толкателей 7 равняется числу рабочих циклов ударной трубы.
Перфорированный диск 4 с тыльной стороны снабжен штоком 11, поочередно контактирующим с подвижными звеньями 8 пиромеханических толкателей 7.
Мембрана 5 размещена перед диском 4 по направлению к выходу из волновода 1 с возможностью фиксации ее исходного положения относительно диска 4 и изменения расстояния L между ними в процессе перемещения диска 4 и соединена механическими связями 12, симметрично проходящими через перфорационные отверстия 13 в диске 4, с одним концом возвратной пружины 10, другой конец которой соединен с неподвижной опорой 14.
Магазин 6 установлен в направляющих 15 на торце волновода 1 с возможностью перемещения по ним вниз под собственным весом до совпадения осей штока 11 диска 4 и подвижного звена 8 очередного пиромеханического толкателя 7. В данном положении подвижное звено 8 до срабатывания пиромеханического толкателя 7 своей боковой поверхностью касается размещенного на одной из направляющих 15 упора 9, исключающего перемещение магазина 6 вниз.
Шток 11 диска 4 со стороны магазина 6 может быть снабжен магнитной вставкой 16, а контактирующие с ним подвижные звенья 8 пиромеханических толкателей 7, взаимодействующие со штоком 11, при этом выполнены из ферромагнитного материала.
Мембрана 5 может быть выполнена многослойной.
Работа ударной трубы, реализующей способ формирования цуга воздушных ударных волн, поясняется рисунками 1-6 и заключается в следующем.
В волновод 1 (см. фиг.1 и 3) помещают объект исследований 17. В направляющие 15 устанавливают магазин 6 со снаряженными пиромеханическими толкателями 7 до касания боковой поверхностью подвижного звена 8 нижнего толкателя 7 упора 9. Диск 4 с мембраной 5 располагают в волноводе 1 таким образом, чтобы шток 11 диска 4 упирался в подвижное звено 8 пиромеханического толкателя 7 и фиксировался в таком (заднем) положении, в том числе и с помощью магнитной вставки 16. При этом конструктивно обеспечивают зазор L между диском 4 и мембраной 5 несколько больший, чем рабочий ход подвижного звена 8 толкателя 7. Усилие F натяжения возвратной пружины 10 в исходном состоянии определяют исходя из требований к форме воспроизводимой ВУВ. При требовании асимптотического приближения избыточного давления к нулю в конце отрицательной фазы устанавливают F=0.
При выдаче сигнала на запускающий механизм 18, например, боек с электромеханическим приводом, запускающим механизмом 18 инициируют срабатывание заряда 19 соответствующего пиромеханического толкателя 7, подвижное звено 8 которого разгоняет посредством штока 11 перфорированный диск 4 (см. фиг.4). Скорость диска 4 задают исходя из того, чтобы после присоединения к нему неподвижной мембраны 5 их совместная скорость в момент контакта соответствовала требуемой массовой скорости в генерируемой воздушной ударной волне. Перфорация в движущимся диске 4 позволяет исключить возникновение воздушной подушки между ним и неподвижной мембраной 5 вплоть до их соприкосновения (в противном случае мембрана 5 начнет движение до контакта с нею диска 4). В момент касания диском 4 мембраны 5 она практически мгновенно страгивается с места и продолжает движение вместе с диском 4, генерируя перед собой воздушную волну сжатия, которая при своем движении по волноводу перерождается в ВУВ с крутым плоским фронтом и выраженной положительной фазой.
0
При перемещении мембраны 5 на расстояние ΔХ происходит растяжение пружины 10, жесткость К которой выбирают исходя из массы диска 4 с присоединенной к нему мембраной 5, их начальной совместной скорости движения и заданного профиля ударной волны. В результате действия избыточного давления на мембрану 5 и возрастающего усилия пружины F=К(Х+ΔХ) скорость диска 4 с мембраной 5 постепенно снижается. На фиг.5 представлен момент времени, соответствующий максимальному их смещению в крайнее переднее положение. После остановки диска 4 с мембраной 5 в крайнем переднем положении за счет накопленной энергии пружиной 10 начинается их движение назад со знакопеременным ускорением, в результате чего осуществляется формирование отрицательной фазы ВУВ.
После срабатывания пиромеханического толкателя 7 (см. фиг.2) боковая поверхность подвижного звена 8 в результате его перемещения теряет контакт с упором 9, и магазин 6, разблокируясь, под собственным весом смещается вниз. Очередной снаряженный толкатель 7 занимает место отработавшего.
При возвращении диска 4 в крайнее заднее положение (см. фиг.1 и 6) его скорость падает практически до нуля, мембрана 5 останавливается в первоначальном положении, а перфорированный диск 4, пройдя расстояние L, упирается штоком 11 в подвижное звено 8 снаряженного толкателя 7, переместившегося на место отработанного, и фиксируется в этом положении.
Воздушная ударная волна, пробегая по каналу волновода 1, нагружает исследуемый объект 17 и продолжает движение до волногасителя 3, который исключает ее отражение и компенсирует влияние атмосферы.
Производя повторные пуски ударной трубы через установленные интервалы времени, получают цуг воздействующих на испытываемый объект ВУВ.
Предложенные способ формирования цуга воздушных ударных волн и реализующая его ударная труба обладают существенными положительными качествами по отношению к прототипу, позволяющими в лабораторных условиях проводить исследования реакции различных объектов на воздействие формируемых через заданные интервалы времени ВУВ без загрязнения рабочего газа и окружающей среды продуктами взрыва.