ЭЛЕКТРОДЕТОНАТОР Российский патент 2000 года по МПК F42C19/12 F42B3/10 

Электродетонатор относится к мостиковым детонаторам, в частности к электродетонаторам, безопасным в силу отсутствия в их составе инициирующего взрывчатого вещества, далее ИВВ.

Известны электродетонаторы со взрывающейся проволочкой, в которых возбуждение детонации в заряде бризантного взрывчатого вещества, далее БВВ, осуществляется ударный волной, сформированной "взрывом" проволочки мостика (см. , например, Г. Кнопфель "Сверхсильные импульсные магнитные поля", М., Изд-во "МИР", 1972 г., фиг. 10.12 (1), и "Физика взрыва" под редакцией К.П. Станюковича, М., Наука, 1975 г., стр. 61 (2).

Однако эти детонаторы требуют для своего инициирования электрический импульс током до 10³ А при крутизне переднего фронта до 10¹¹ А/сек. Формирование такого токового импульса достаточно сложно и требует применения специальных электрорадиоэлементов с малой собственной индуктивностью.

По своей сути наиболее близким техническим решением (прототипом) является известный из патента RU 2071590 C1, кл. F 42 B 3/10, 3/12, F 42 C 19/12, C 06 C 7/00, 10.01.97 (3) электродетонатор без инициирующего взрывчатого вещества, содержащий гильзу и размещенные в ней усилительный заряд и инициатор, имеющий колпачок с частью вторичного взрывчатого вещества около мостика накаливания.

Недостатком известного электродетонатора является его недостаточно высокая надежность срабатывания, сложность в изготовлении.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности, упрощение конструкции.

Для этого в электродетонаторе без инициирующего взрывчатого вещества, содержащем гильзу и размещенные в ней усилительный заряд и инициатор, имеющий колпачок с частью вторичного взрывчатого вещества около мостика накаливания, другая часть вторичного взрывчатого вещества заключена в тонкостенную гильзу инициатора, толщина донышка которой выбрана из соотношения:

где P_кр - критическое давление для инициируемого взрывчатого вещества,
d_кр - критический диаметр инициируемого взрывчатого вещества,
σ_пч - предел прочности материала тонкостенной гильзы,
за донышком гильзы размещена шайба с центральным отверстием, имеющим диаметр, равный критическому диаметру инициируемого взрывчатого вещества, а усилительный заряд запрессован в гильзу детонатора с усилием, составляющим 0,9 от усилия запрессовки заряда взрывчатого вещества в гильзу инициатора.

Кроме того, мостик накаливания выполнен в виде, по меньшей мере, четырех параллельно включенных проволочек.

Предлагаемый электродетонатор не содержит ИВВ, а возбуждение детонации в его заряде осуществляется при прочностном разрушении заряда, как это описано в монографии (2, 7,3). В нормальных условиях у БВВ температура плавления Т_пл ниже температуры воспламенения Т_в, что исключает возгорание БВВ при его механической обработке и прессовании. Однако, если быстро сжать БВВ до так называемого критического давления Р_кр, то Т_пл станет выше Т_в, т.е. теперь нагрев ВВ при его сжатии и разрушении не будет ограничиваться температурой плавления. На этом принципе созданы системы инициирования БВВ от механического действия. Это может быть удар или иной способ создания давления на БВВ.

Одним из возможных способов сжатия заряда БВВ может быть его локальное воспламенение. С этой целью навеску БВВ, например ТЭНа, при массе превосходящую критическую, размещают в замкнутом объеме, у которого в одной из стенок гильзы имеется ослабленное сечение, разрушающееся при давлении больше Р_кр для типа снаряженного ВВ. Так, для ТЭНа Р_кр. ≥ 4,8•10⁸ Н/м². В навеске БВВ размещен мостик накаливания. Таким образом, при пропускании тока через мостик, достаточного для воспламенения БВВ, окружающего мостик, за счет образования газообразных продуктов сгорания, начнется сжатие еще не сгоревшего БВВ. При достижении давления внутри объема, превышающего прочность ослабленного сечения, произойдет его разрушение, а в еще не прореагировавшей части заряда БВВ возникнут сдвиговые процессы, приводящие к образованию "горячих" точек, термохимическое разложение ВВ в которых перейдет в детонацию за время не более 10^-5 сек. Таким образом, возникнет детонационный процесс в БВВ без использования ИВВ. Эта схема возбуждения детонации в БВВ путем нагрева его некоторой части и положена в основу создания электродетонатора без инициирующего взрывчатого вещества.

На чертеже изображен электродетонатор, имеющий гильзу 1 детонатора, гильзу инициатора 2, колодочку 3, мостик 4, колпачок 5, заряд инициатора воспламенительный 6, тонкостенную гильзу 7 инициатора, заряд инициирующий 8, шайбу 9, заряд детонатора усилительный 10, колпачок 11 донышка, выводы 12, компаунд 13.

Основные части электродетонатора: инициатор и заряд 10 усилительный, размещенные в гильзе 1, закрытой колпачком 11 донышка.

Инициатор состоит из колодочки 3 с выводами 12 и мостиком 4. Колодочка 3 установлена в колпачок 5, в котором запрессован заряд воспламенительный (навеска ТЭНа) 6. Колодочка 3 с колпачком 5, снаряженным ТЭНом поз. 6, размещена в гильзе инициатора 7, снаряженной зарядом инициирующим (ТЭНом) поз. 8. В свою очередь, эта сборка размещена в гильзе инициатора 2, куда установлена шайба 9 с отверстием d.

Работает детонатор так.

При подаче импульса тока на мостик 4 по выводам 12, мостик разогревается и воспламеняет окружающий его заряд инициатора воспламенительный 6. В результате горения заряда инициатора воспламенительнго 6 образуются газы, которые создают избыточное давление, которое давит через донышко колпачка 5 на заряд инициирующий 8. При достижении давления сжатия ВВ заряда инициирующего 8 до давления потери прочности донышка гильзы инициатора тонкостенной 7, происходит срез донышка гильзы 7 по контуру отверстия d шайбы 9. Сжатое ВВ заряда инициирующего 8 будет перемещено в отверстие шайбы 9, при этом на участках сдвига ВВ произойдет разогрев ВВ и образование так называемых "горячих" точек, в которых горение перейдет в детонационный процесс. Возникшая детонация в очаге возбуждения передается в ВВ заряда детонатора усилительного 10, где детонация выйдет на предельный режим, т.е. состоится срабатывание детонатора с выдачей инициирующего импульса.

Приведенная на чертеже конструктивная схема детонатора относится к осколочной, т.е. возбуждение детонации в инициируемом детонатором заряде будет обеспечиваться ударом осколком-донышком колпачка 11. Глубина колпачка 11 такова, чтобы обеспечить полный разгон донышка колпачка 11.

Срабатывание детонатора, естественно, возможно только при достаточно высокой интенсивности нагрева мостика 4, для исключения падения давления в зоне горения ВВ заряда инициатора воспламенительного 6.

Выполнить расчет процесса нарастания давления при воспламенении ВВ заряда инициатора воспламенительного 6 довольно сложно, т.к. плотность заряжения равна единице, следовательно, давление будет зависеть только от податливости колпачка 5 и гильз 7, 2 и 1. Но интенсивность нагрева мостика до температуры вспышки ВВ заряда инициатора воспламенительного 6 должна быть такова, чтобы время индукции было минимальным. Известно, что температура вспышки при малом времени индукции существенно выше стационарной. Этот вопрос слабо изучен, нет источников информации, содержащих данные о времени индукции при высокоинтенсивных локальных нагревах ВВ.

Можно остановиться на нагреве мостика до температуры плавления вещества мостика, т. к. дальнейший нагрев будет связан с существенным увеличением подводимой энергии из-за необходимости затрат на плавление вещества мостика.

Расчет энергии, необходимой для нагрева мостика до температуры плавления его вещества при допущении отсутствия тепловых потерь в окружающую его среду довольно прост и выполнен ниже.

Для расчета примем мостик с размерами по диаметру d_м = 0,02 мм при длине l_м = 1 мм, материал мостика - нихром марки Х20Н80, плотность γ = 8,4[г/см³], удельное сопротивление ρ = (1,07-1,12)+8,5•10^-5t[Ом мм²/м], температура плавления t_пл - 1400^oC, теплоемкость C_р=0,105 [ккал/кг ^oC].

Объем мостика V равен:

При массе мостика m = V•γ = 0,3•10^-6•8,4 = 2,6•10^-6г.
Количество тепловой энергии, потребное для нагрева мостика до температуры плавления t_пл равно
q_пл = m • C_р • t_пл = 2,6 • 10^-6 • 0,105 • 1400 = 0,39 • 10^-3 кал. или ~1,6 мдж.
Такая энергия может быть запасена при напряжении U_с = 10 В в емкости C, определенной по известному соотношению

а при U_с = 100 В соответственно 0,31 • 10^-6F.

С целью повышения стойкости к воздействию электромагнитного излучения целесообразно увеличить диаметр мостика, например, как это сделано в электродетонаторах высоковольтных ЭДВ, описанных в (2, стр. 61), у которых диаметр мостика равен 80 мк. Это повысит потребную энергию на разогрев мостика в 16 раз. Это приемлемо, однако, более целесообразно выполнить мостик не из одной проволочки, а нескольких, включенных параллельно. Дело в том, что для детонатора со "взрывом" проволочки надо иметь компактный мостик, а для детонатора с воспламенением вторичного ВВ лучше иметь более высокий теплообмен. Поэтому с целью повышения эффективности воспламенения окружающего мостик БВВ, его лучше выполнить в виде нескольких параллельно включенных мостиков. Например, при четырех мостиках диаметром 20 мк, удельная площадь S_бок контакта будет равна при l_м = 1

У мостика с диаметром по сечению, равным четырем мостикам при диаметре 0,02 мм получим средний диаметр, равный

а удельную площадь, равную

Как видно, общая боковая поверхность у четырех мостиков ⊘ 0,02 мм в 2 раза больше, чем у одного мостика ⊘ 0,04 мм, следовательно, и теплообмен с окружающей средой будет в 2 раза больше.

Таким образом, с целью повышения стойкости к воздействию ЭМИ и улучшения условий работоспособности, выгодно мостик выполнить из нескольких параллельно включенных проволочек, чем из одной.

Как уже отмечалось, возбуждение детонации в БВВ при прочностном разрушении возможно только в том случае, если до момента разрушения ВВ было сжато до давления P больше P_кр. Следовательно, толщина "б" донышка гильзы 7 инициатора, ее материал и диаметр отверстия d в шайбе 9 должны быть определены из следующих соотношений:
F_ср ≤ F_сж,

δ•τ_cp≤ P_крd/4,

d - диаметр отверстия, который должен соответствовать критическому диаметру, инициируемому ВВ. Примем соотношение d=d_кр.

Тогда получим при τ_cp= 0,5σ_пч соотношение для определения толщины донышке в следующем виде:

Для примера выполним расчет для ТЭНа, у которого d_кр≈ 1 мм, P_кр ≥ 4,8 • 10⁸ [Н/м²] (см. (2), стр. 169) и гильза, выполненная из сплава алюминиевого с σ_пч= 3,5•10⁸[н/м²], толщина донышка будет равна:

Естественно, эти цифры являются приближенными, т.к. в отличие от обычных прочностных расчетов, где главная задача в том, чтобы изделие выдержало нагрузки, в рассмотренном случае разрушение является нормой. Исходя из этого, табличные значения допустимых напряжений не пригодны, т.к. в них заложен коэффициент запаса, мало кому известный. Таким образом, расчеты следует принять как ориентировочные, а истинные значения определяющих параметров, например толщины донышка гильзы инициатора, должны быть уточнены на основе экспериментов.

Работа детонатора будет обеспечена в том случае, если гарантируется перемещение части ВВ заряда инициирующего 8 после среза донышка гильзы 7. Это возможно, когда поджог заряда ВВ поз. 10 не столь велик. С этой целью усилие запрессовки заряда усилительного 10 делается, по крайней мере, на 10% меньше, чем заряда инициируемого 8.

Исходя из изложенного, можно констатировать, что поставленная задача в создании быстродействующего электродетонатора без инициирующего взрывчатого вещества, обладающего достаточно высокой стойкостью к электромагнитному излучению, может быть реализована на основе прочностного разрушения предварительно сжатого бризантного взрывчатого вещества путем локального воспламенения заряда и выполнения мостика из нескольких параллельно включенных проволочек.

Изобретение относится к области боеприпасов, взрывных работ, а именно к мостиковым детонаторам, например к электродетонаторам безопасным в силу отсутствия в их составе инициирующего взрывчатого вещества. В гильзе электродетонатора размещен усилительный заряд и инициатор, в котором имеется колпачок с частью вторичного взрывчатого вещества около мостика накаливания. Другая часть вторичного взрывчатого вещества заключена в тонкостенную гильзу инициатора, за донышком которой расположена шайба с центральным отверстием. Усилие запрессовки в гильзу усилительного заряда составляет 0,9 от усилия запрессовки заряда взрывчатого вещества в гильзу инициатора. Мостик накаливания выполнен в виде, по меньшей мере, четырех параллельно включенных проволочек. Изобретение позволяет обеспечить пожаробезопасность, стойкость к воздействию электромагнитной индукции, надежность эксплуатации. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Электродетонатор без инициирующего взрывчатого вещества, содержащий гильзу и размещенные в ней усилительный заряд и инициатор, имеющий колпачок с частью вторичного взрывчатого вещества около мостика накаливания, отличающийся тем, что другая часть вторичного взрывчатого вещества заключена в тонкостенную гильзу инициатора, толщина донышка которой выбрана из соотношения

где P_кр - критическое давление для инициируемого взрывчатого вещества;
d_кр - критический диаметр инициируемого взрывчатого вещества;
σ_пч - предел прочности материала тонкостенной гильзы,
за донышком гильзы размещена шайба с центральным отверстием, имеющим диаметр, равный критическому диаметру инициируемого взрывчатого вещества, а усилительный заряд запрессован в гильзу детонатора с усилием, составляющим 0,9 от усилия запрессовки заряда взрывчатого вещества в гильзу инициатора. 2. Электродетонатор по п.1, отличающийся тем, что мостик накаливания выполнен в виде, по меньшей мере, четырех параллельно включенных проволочек.