УДЛИНЕННЫЙ КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА "КВАЗАР" Российский патент 1996 года по МПК F42B1/02 

Изобретение относится к области взрывного дела и может найти применение в различных областях промышленности, использующих взрывные технологии, например, для разделения (резки, разрушения) объектов (материалов, преград, конструкций) взрывом, в частности, при разделке на металлолом громоздких металлических конструкций (отслуживающих надводных и подводных кораблей, паровозов, танков, самолетов и пр.), для дробления горных пород накладными или шпуровыми (скважинными) кумулятивными зарядами и пр.

Из многочисленных типов удлиненных кумулятивных зарядов (УКЗ) самое широкое распространение имеют заряды в металлических )мель, алюминий0 серебро) оболочек с ВВ твердого агрегатного состояния (гексоген, октоген) [1,2]
Известно [3] что эффективность реза УКЗ при работе по одной и той же преграде растет с увеличением плотности материала оболочки. Следовательно, УКЗ, например, в алюминиевой оболочке при прочих равных условиях менее эффективен, чем УКЗ в медной оболочке.

Эффективность использования единицы массы ВВ зависит от его плотности. Технология изготовления УКЗ с ВВ твердого агрегатного состояния предусматривает уплотнение ВВ, что достигается волочением, обжатием, прессованием, прокаткой. Очевидно, что для ВВ жидкого агрегатного состояния подобные технологии не представляют интереса.

Еще одним параметром, от которого зависит эффективность использования единицы массы ВВ, является форма заряда. Известно, что далеко не вся масса ВВ УКЗ расходуется на формирование режущего преграду "кумулятивного ножа", т.е. значительная ее часть, особенно со стороны, противолежащей кумулятивной выемке, составляет так называемую "пассивную массу" (см. поз.9 на фиг.1), энергия которой расходуется на нежелательные побочные эффекты, локализация которых требует дополнительных затрат, например, установки защитных экранов. В безоболочечных зарядах "пассивная масса" достигает 70 процентов массы ВВ [4] Использование прочной и инерционной оболочки позволяет снизить долю "пассивной массы" ВВ до 0,4-0,5. Примером могут служить заряды, изображенные на фиг. 1-5 описания патента [2] однако у заряда, изображенного там же на фиг. 7, доля "пассивной массы" ВВ, очевидно, существенно больше. Увеличение диаметра заряда сопровождается увеличением доли "пассивной массы" и соответственно снижением эффективности УКЗ.

Известен УКЗ с относительно небольшой долей "пассивной массы" ВВ, содержащий оболочку, размещенные в ней ВВ и средство взрывания, при этом поперечное сечение оболочки представляет собой фигуру, внешний контур которой образован несколькими одинаковыми лепестками, формирующими кумулятивные выемки, а каждый лепесток образован двумя сопряженными между собой отрезками прямых (см. например, [5] фиг.6). Указанное техническое решение является наиболее близким аналогом предполагаемого изобретения.

К недостаткам УКЗ в металлических оболочках с ВВ твердого агрегатного состояния можно также отнести:
высокую стоимость ВВ и металлической оболочки;
сложность (многооперационность) технологии изготовления;
высокую степень опасности при изготовлении, транспортировке, подгонке при установке на месте подрыва;
сложность размещения заряда по требуемому контуру преграды;
необходимость защиты от металлических осколков оболочки, достигающих больших скоростей;
наличие следов инородного материала (металла оболочки) в сечении реза, например, стальной разделяемой преграды.

Ряд недостатков может быть устранен при использовании в УКЗ ВВ жидкого агрегатного состояния. Особенно привлекательны ВВ, представляющие из себя жидкие смеси двух или нескольких компонентов, изготавливаемые на месте использования. В этом случае изготовителем ВВ выступает, как правило, производитель работ, нет необходимости иметь завод по производству такого ВВ, отпадает необходимость в транспортировке и хранении ВВ. Наиболее перспективны ВВ, получаемые из порознь взрывобезопасных компонентов.

Известен [6-10] ряд удлиненных, в том числе кумулятивных, зарядов, использующих жидкие (текучие) ВВ. Примеры использования таких ВВ в удлиненных зарядах показаны в описании патента [6] (водонаполненные ВВ на основе нитратов аммония) и патента [7] (смеси нитрометана или мононитроэтиленгликоля с аминами). В описании патента [8] представлена конструкция УКЗ, которую можно использовать для резки металлических труб, в том числе и под в 2о 0дой. В качестве ВВ в УКЗ используют жидкое ВВ типа "Астролит Т". К недостаткам такого ВВ можно отнести его достаточно высокие чувствительность и стоимость.

Патенты [9,10] в какой-то мере развивают идею УКЗ для подводных работ, причем в [9] в качестве компонентов предложено использовать смесь гидразина, нитрата гидразина и нитрата аммония в соответствии с патентом [11] либо смеси нитропарафинов (нитрометана, нитропопана) с диамином (или бензиламином), при этом схлопывающиеся поверхности УКЗ выполнены из металлического материала (сталь, медь, алюминий или сплав из перечисленных металлов).

В описании патента [12] проанализирована возможность применения различных жидких и полужидких (желеобразных) ВВ, защищенных патентами [13-17] Сделан вывод, что запатентованные смеси ограничены в своем применении или из-за их стоимости, или чувствительности, или дороговизны транспортного оборудования, или неустойчивости детонационных характеристик. В этом патенте предлагается состав жидкого ВВ из двух компонентов нитроэтана и азотной кислоты, при этом кислота содержит от 25% до 40% воды. Если концентрация кислоты превышает 70% то чувствительность ВВ чрезвычайно резко возрастает.

Важным классом жидких ВВ являются панкластиты ВВ на основе четырехокиси азота N₂O₄ (окислитель) и углеводородов. Подобные ВВ известны давно [18] и в качестве горючих углеводородов содержат сероуглерод либо нитробензол. Еще в пору создания панкластитов отмечались их положительные качества, связанные с образованием большого количества газообразных продуктов взрыва и выделением большого количества тепла при химическом превращении компонентов смеси. Компоненты панкластитов порознь взрывобезопасны, перевозятся отдельно и на месте использования смешиваются в заданных пропорциях.

Однако, несмотря на многообразие ВВ, "все еще существует потребность в недорогом, безопасном, эффективном и надежном ВВ, компоненты которого могут по отдельности транспортироваться к месту использования и смешиваться там без специального снаряжения" [12]
С целью устранения недостатков УКЗ, указанных в разделе 2, предлагаются УКЗ, названные квазар-зарядами.

Форма оболочки этих зарядов обеспечивает прилегание основной части ВВ к схлопывающимся поверхностям кумулятивных выемок, что позволяет заметно повысить долю активной части ВВ. Оболочка представляет собой однополостный цилиндрический контейнер, поперечным сечением которого является фигура, образуемая из нескольких (от 2 до 5) одинаковых сопряженных между собой лепестков, формирующих кумулятивные выемки. Оптимизация большого количества изученных зарядов позволила определить геометрические параметры таких оболочек.

Внешний контур каждого из лепестков оболочки квазар-заряда (см.фиг.2) образован двумя отрезками прямых (сторонами) угол между которыми ((β)) составляет от 0^o (отрезки параллельны) до 25^o и дугой сопряжения с радиусом r в пределах от 0,15 до 0,35 длины лепестка l. В свою очередь, соседние лепестки формируют (см. фиг. 3,4 и 5, на которых представлены варианты поперечного сечения оболочек УКЗ) кумулятивные выемки с углом раствора ((α)) от 70 до 130^o и радиусом сопряжения образующих ((ρ)))) в пределах (0,05-0,3)•l. Дуга сопряжения лепестков вне кумулятивной выемки (см.фиг.3) имеет радиус R в интервале (0,15-0,6)•l. Толщина стенки оболочки h составляет (0,05-0,2)•l.

Квазар-заряд содержит ВВ из класса панкластитов, причем горючим компонентом служат продукты нефтепереработки (крегинга нефти) керосины или дизельные топлива различных марок. Это ВВ названо ВВЖИМИ (Взрывчатое Вещество Жидкое, Изготавливаемое на Месте Использования).

Экономическим основанием для выбора ВВ послужили следующие обстоятельства. Во-первых, для производства и окислителя, и горючего имеется огромная сырьевая и разветвленная производственная базы. Во-вторых, из известных горючих компонентов предлагаемые являются наиболее широко распространенными, относительно дешевыми и наименее токсичными (достаточно сказать, что маршруты поставки таких горючих компонентов, как правило, в любой организации отработаны, а продукты нефтепереработки приблизительно в 30 раз менее токсичны, чем сероуглерод, и в 100 раз, чем нитробензол). В-третьих, разоруженческие процессы ставят вопросы утилизации компонентов ракетных топлив, а N₂O₄ является таковым.

В результате проведенных исследований было установлено, что ВВЖИМИ является мощным бризантным ВВ, характеризуемым высокой скоростью детонации D (до 6700 м/с), достаточно большим количеством газообразных продуктов взрыва (W 750 л/кг), малым содержанием в них токсичных продуктов (в несколько раз меньшим, чем при взрыве тротила или аммиачной селитры), высоким значением теплоты взрыва (Q_взр 1500 ккал/кг), низкими (на уровне тротила) значениями чувствительности к механическим импульсам, в частности, к удару и трению, очень низкой степенью опасности к заряду электростатического электричества.

Оптимальные взрывчато-технические характеристики ВВЖИМИ достигаются при стехиометрических соотношениях компонентов в смеси (нулевом кислородном балансе). Поскольку на практике по различным причинам состав может иметь отклонения от стехиометрии, то были определены пределы возможных отклонений. На графике фиг. 6 представлена зависимость скорости детонации ВВЖИМИ отс соотношения компонентов в смеси. Из графика видно, что диапазон устойчивой детонации надежно обеспечивается при объемном соотношении компонентов (окислитель/горючее) в интервале от 0,9 до 9,0. Значительная ширина указанного интервала позволяет на практике гарантировать качественность приготовления ВВ в полевых условиях, не предъявляя жестких требований к дозировочным узлам заливочного устройства.

Оболочки квазар-зарядов могут быть выполнены из металлов и сплавов (например, стали, меди, алюминия), пластиков и других материалов, достаточно стойких к ВВЖИМИ.

Проведенные эксперименты показали, что УКЗ в полимерной оболочке с плотностью менее 1 кг/дм³ (например0 полиэтилен без наполнителя) заметно менее эффективен, чем УКЗ в оболочке из полимера с плотностью более 1 кг/дм³ (например, ПВХ или полиэтилен с наполнителем).

Для решения некоторых задач с целью повышения эффективности УКЗ в полимерной оболочке во все или некотоpые кумулятивные эффективности УКЗ в полимерной оболочке во все или некоторые кумулятивные выемки оболочки заряда могут быть вставлены (вложены) без зазора металлические вкладыши, имеющие форму кумулятивной выемки, как показано на фиг.7 и 8 (где 1 оболочка, 2 - ВВЖИМИ, 3 металлические вкладыши).

Для обеспечения выставления заряда с одной кумулятивной выемкой на заданном фокусном расстоянии от стенки шпура (скважины) на его двухлепестковой оболочке со стороны, противоположной кумулятивной выемке, выполняют прилив (упор), как показано на фиг.9, где 1 оболочка заряда, 2 ВВЖИМИ, 5 - разрушаемый массив, 7 кумулятивная выемка, 8 прилив.

С целью обеспечения эффективности взрывных работ в обводненных шпурах (скважинах= каждую кумулятивную выемку заполняют материалом, сдерживающим до подрыва заряда поступление в нее воды и при этом обеспечивающим формирование кумулятивного ножа, например, пенопластом (см.фиг.10, где 1 оболочка УКЗ, 2 ВВЖИМИ, 3 металлический вкладыш, 4 материал (пенопласт), 5 разрушаемый массив, 6 шпур (скважина) с водой).

Изготовление оболочек и производство компонентов ВВЖИМИ для формирования квазар-зарядов, очевидно, вполне осуществимо на существующей технологической базе промышленности. Подрыв этих зарядов можно осуществлять штатными электродетонаторами.

НПЦ "КВАЗАР-ВВ" в лабораторных условиях провел большое число испытаний квазар-зарядов в полимерных условиях и металлических оболочках, которые подтвердили их достаточно высокую эффективность, в частности, при разделке (резке) металлических преград (плит).

Источники
1. Патент США N 4297946.

2. Патент Великобритании N 2038453.

3. Лаврентьев М.А. Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. М. Наука, 1973.

4. Баум Ф.А. Станюкович К.П. Шехтер Б.И. Физика взрыва. М. Наука, 1959.

5. Патент США N 4407468.

6. Патент США N 3610089.

7. Патент США N 4034672.

8. Патент Великобритании N 1367011.

9. Патент Великобритании N 1556859.

10. Патент Великобритании N 1471663.

11. Патент Великобритании N 1212582.

12. Патент Великобритании N 2199317.

13. Патент США N 3132060.

14. Патент США N 3133844.

15. Патент США N 3242022.

16. Патент США N 3442728.

17. Патент США N 3454438.

18. Брокгауз Ф.А. Эфрон И.А. Энциклопедический словарь. Петербург, 1897. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ЫЫЫ8

Использование: разделение объектов взрывом. Сущность изобретения: удлиненный кумулятивный заряд содержит оболочку 1 с поперечным сечением в виде фигуры, внешний контур которой образован несколькими одинаковыми лепестками, формирующими кумулятивные выемки с углом раствора 70^o-130^o, радиусом сопряжения образующих 0,05-0,3 длины лепестка и радиусом сопряжения лепестков вне кумулятивной выемки 0,15-0,6 длины лепестка. Лепесток образован двумя сопряженными между собой отрезками прямых с углом между ними 0^o-25^o и радиусом сопряжения 0,15-0,35 длины лепестка. Толщина оболочки 0,05-0,2 длины лепестка. В оболочке размещено взрывчатое вещество в виде смеси четырехокиси азота с продуктами нефтепереработки в объемном соотношении 0,9-9:1. Оболочка может быть выполнена из полимерного материала с плотностью > 1,0 кг/дм³. В выемки может быть установлен металлический вкладыш. Выемки могут быть заполнены пенопластом. 5 з.п. ф- лы, 10 ил.

1. Удлиненный кумулятивный заряд взрывчатого вещества, содержащий оболочку, размещенные в ней взрывчатое вещество и средство взрывания, при этом поперечное сечение оболочки представляет собой фигуру, внешний контур которой образован несколькими одинаковыми лепестками, формирующими кумулятивные выемки, а каждый лепесток образован двумя сопряженными между собой отрезками прямых, отличающийся тем, что кумулятивные выемки сформированы с углом раствора α= 70 130° и радиусом сопряжения образующих ρ= (0,05 - 0,3)l, а радиус R сопряжения лепестков вне кумулятивной выемки равен (0,15 - 0,6)l, при этом в каждом лепестке угол β между образующими отрезками составляет 0 25°, а радиус сопряжения r (0,15 0,35)l, оболочка выполнена толщиной h (0,05 0,2)l где l длина лепестка, а в качестве взрывчатого вещества использовано жидкое взрывчатое вещество, изготавливаемое на месте использования в виде смеси окислителя четырехокиси азота с горючим - продуктами нефтепереработки (крекинга нефти) керосином или дизельным топливом различных марок, причем объемное соотношение между окислителем и горючим составляет (0,9 9) 1. 2. Удлиненный кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что соотношение между окислителем и горючим соответствует стехиометрическому составу смеси (составу с нулевым кислородным балансом). 3. Удлинненный кумулятивный заряд по п.I, отличающийся тем, что в качестве материала оболочки использована полимерная композиция с плотностью не менее I,0 кг/дм3. 4. Удлиненный кумулятивный заряд по п.3, отличающийся тем, что он снабжен металлическими вкладышами, установленными без зазора во все или некоторые кумулятивные выямки. 5. Удлиненный кумулятивный заряд по п.I, отличающийся тем, что на двухлепестковой оболочке со стороны, противоположной кумулятивной выемке, выполнен прилив для обеспечения выставленния заряда на заданном фокусном расстоянии от стенки шнура. 6. Удлиненный кумулятивный заряд по п.I, отличающийся тем, что каждая кумулятивная выемка заполнена материалом, сдерживающим до подрыва заряда поступление в нее воды и при этом обеспечивающим формирование кумулятивного ножа, например, пенопластом.