СПОСОБ ФОТОРЕГИСТРАЦИИ КУМУЛЯТИВНОЙ СТРУИ Российский патент 2005 года по МПК G03B39/00 G03B41/00 

Изобретение относится к области исследований быстропротекающих процессов, а конкретно к фоторегистрации кумулятивных струй.

В качестве аналога заявляемого способа и устройства можно принять способ и устройство фоторегистрации быстропротекающих процессов из описания к авторскому свидетельству "Установка для фотографирования быстропротекающих процессов" (а.с. SU №1486978 А1, МПК⁶ G 03 В 41/00, приоритет 18.06.87, опубл. 15.06.89, бюл. №22). Известный способ фоторегистрации включает в себя установку лазера для освещения рабочей зоны быстропротекающих процессов и регистрацию отраженного излучения с помощью фоторегистратора. Устройство фоторегистрации содержит источник освещения в виде импульсного твердотельного лазера с призменным модулятором добротности, оптический расширитель лазерного пучка, фоторегистратор и блок управления. Известный способ решает задачу повышения надежности и расширения эксплуатационных возможностей аппаратуры, предназначенной для высокоскоростной фотосъемки. Недостатком приведенного выше источника известности является то, что при регистрации в качестве быстропротекающего процесса кумулятивной струи требуются дополнительные приспособления для определения траектории кумулятивной струи. Кроме того, в указанном устройстве не предусмотрено отсекание продуктов взрыва при регистрации быстропротекающих процессов, протекающих при подрыве взрывчатого вещества.

Наиболее близким по решаемой задаче и количеству сходных признаков к заявляемому объекту является способ и устройство фоторегистрации кумулятивной струи (M.Held "The Orthogonal Synchro-Streak Technique as a Diagnostic Tool, Particularly for Shaped Charge Jets", Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 11, 170-175, 1986). Данный известный способ с устройством принят в качестве прототипа. Способ включает в себя установку лазера соосно кумулятивному заряду и перед формированием кумулятивной струи определение траектории ее движения к мишени по положению лазерного луча в пространстве. Устройство содержит кумулятивный заряд (КЗ), соосно которому установлен источник лазерного излучения, мишень, расположенную на заданном расстоянии от заряда, и фоторегистратор. В указанном способе для определения положения (КЗ) и струи в пространстве служит лазер, устанавливаемый на мишени, луч которого направлен от мишени к КЗ в центр основания последнего. Для того, чтобы направление движения кумулятивной струи совпадало с направлением луча лазера, КЗ выставляется соосно лучу. Расстояние от основания КЗ до плоскости фоторегистрации определяется с помощью дополнительного измерительного устройства.

Фоторегистрация струи в ближней зоне, на расстоянии до девяти диаметров заряда от его основания, затруднена продуктами взрыва, которые экранируют струю. Для устранения продуктов взрыва в прототипе используется отсекатель, представляющий собой толстую, толщиной ~50 мм, стальную плиту, располагающуюся перпендикулярно оси КЗ на расстоянии ~2 диаметров заряда перпендикулярно траектории движения струи. В плите, по оси движения струи, имеется отверстие, в которое свободно проходит кумулятивная струя. Вплотную к толстой плите со стороны заряда устанавливается тонкая металлическая пластина с диаметром отверстия меньшим, чем в толстой плите. Тонкая пластина разрушается при прохождении струи.

Указанный прототип имеет следующие недостатки. По лучу лазера, который направлен от мишени в центр основания заряда, не представляется возможным установить ось КЗ соосно лучу лазера, вследствие чего нельзя определить реальную траекторию струи в пространстве. В результате возможны отклонения струи в плоскости регистрации, что повлияет на качественные и количественные характеристики фоторегистрации. В высокоскоростной фоторегистрации используются светосильные объективы с полностью открытыми диафрагмами. При этом глубина резкости оптической системы минимальная. Поэтому небольшие отклонения (~30-40 мм) траектории струи в плоскости, определяемой лучом лазера и осью оптической системы, приводит к “размытию” изображения кумулятивной струи на фотопленке. При отклонении луча в плоскости, перпендикулярной указанной выше, струя будет зарегистрирована не параллельной краям фотопленки, что приводит, во-первых, к затруднению обработки полученного изображения и, во-вторых, к потере части изображения струи, которая может оказаться за пределами фотопленки. Поскольку луч лазера невидим, возникают затруднения как при определении расстояния от основания КЗ до плоскости фоторегистрации, так и при фокусировке оптического фоторегистратора на траекторию струи в предположении, что эта траектория совпадает с лучом лазера. В случае, когда траектория струи не совпадает с лучом, определение указанных величин может быть только приблизительным, ориентировочным.

Взаимодействие струи с тонкой пластиной влияет на количественные характеристики струи, то есть регистрироваться будет видоизмененная в некоторой мере струя. Фрагменты разрушенной пластины будут увлекаться струей и попадут в область регистрации.

Диаметр кумулятивной струи существенно различен вдоль ее оси и увеличивается от носика к хвосту, поэтому толстая плита должна иметь отверстие, превышающее максимальный диаметр струи. Продукты взрыва затекают в отверстие толстой плиты вместе с передней более тонкой частью струи и фрагментами тонкой пластины и после прохождения этой плиты более ничем не задерживаются, экранируют струю, мешая качественно проводить фоторегистрацию в ближней зоне наблюдения, которая может достигать девяти диаметров основания заряда. Следовательно, реально толстая плита может отсекать продукты взрыва, текущие только вне отверстия в плите. Таким образом, устройство устранения продуктов взрыва, описанное в прототипе, не позволяет регистрировать кумулятивную струю в любой точке траектории.

Задачей, на решение которой направлено большинство разработок в рассматриваемой области техники, является повышение качества фоторегистрации и устранение негативного влияния продуктов взрыва на качество изображения.

Техническим результатом, который может быть получен при использовании заявляемого изобретения, является повышение эффективности фоторегистрации путем повышения контрастности.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в способе фоторегистрации кумулятивной струи, включающем установку лазера соосно КЗ и перед формированием кумулятивной струи определение траектории движения кумулятивной струи к мишени по положению лазерного луча в пространстве, лазерный луч направляют от основания кумулятивного заряда к мишени, а положение лазерного луча в пространстве определяют путем соединения следа луча на мишени с местом выхода луча из лазера при помощи нити. Причем перед фоторегистрацией для повышения контрастности можно отсечь продукты взрыва. А в устройстве фоторегистрации кумулятивной струи, содержащем КЗ, соосно которому установлен лазер, фоторегистратор, мишень, отсекатель продуктов взрыва, лазер устанавливают у основания КЗ и дополнительно используют средство фиксации положения луча в пространстве, выполненное в виде нити, соединяющей след луча на мишени с местом выхода луча из лазера, а отсекатель продуктов взрыва может быть выполнен из набора пластин, установленных с зазором относительно друг друга.

Установка лазера у основания КЗ позволяет направить лазерный луч от основания кумулятивного заряда к мишени и определить траекторию кумулятивной струи в пространстве с большой точностью. Сначала выбирают лазер так, чтобы линия образующей его внешней цилиндрической поверхности и направление луча были строго параллельны, а технологическое приспособление изготавливают так, чтобы его внутренняя цилиндрическая поверхность, прилегающая к внешней образующей КЗ, и центральное цилиндрическое отверстие, куда устанавливается лазер, имели минимальную несоосность относительно друг друга. Реально эту несоосность можно выполнить не хуже 0,05 мм, при этом отклонение реальной траектории струи от луча лазера на расстоянии, например, 10 м от КЗ не будет превышать 1 см.

Определение места на траектории кумулятивноой струи, на которое необходимо фокусировать оптическую систему фоторегистратора, производят по положению лазерного луча в пространстве, которое, в свою очередь, определяют путем соединения следа луча на мишени с местом выхода луча из лазера при помощи нити, поскольку сам луч невидим в чистом воздухе. Кроме того, на нити размещают реперные метки (проволочки), которыми определяется масштаб изображения на фотопленке.

Отсекание продуктов взрыва, мешающих качественной фоторегистрации, обеспечивается отсекателем, выполненным в виде последовательно установленных с зазором относительно друг друга пластин с соосными отверстиями для прохождения кумулятивной струи, диаметр которых не менее расчетного максимального диаметра кумулятивной струи. Отсекатель устанавливается на расстоянии 2-3 диаметра заряда от основания КЗ. Диаметры струи в различных ее сечениях определяются расчетным путем. Расстояния между пластинами и их количество определяются из условия, что количество продуктов взрыва, оставшихся со струей после прохождения отсекателя, не превышает ~10% от затекших в отверстие первой пластины, что вполне достаточно для надежной фоторегистрации кумулятивной струи.

Для конкретизации этого используется решение Прандтля-Майера задачи обтекания угла сверхзвуковым течением. В нашем случае угол является прямым (пластина перпендикулярна течению). Угол поворота течения α определяется по формуле:

где Δρ - избыточное давление в продуктах взрыва, затекших в отверстие пластины; ρ₀, c₀ - плотность и скорость звука в воздухе; М - число Маха в продуктах взрыва (отношение скорости потока к местной скорости звука).

Задаваясь расчетными значениями параметров в формуле, можно определить, что реально угол α принимает значение ~10°. При этом, чтобы количество продуктов взрыва после прохождения отсекателя не превышало 10% от затекших в отверстие первой пластины, минимальное расстояние между пластинами должно быть не менее диаметра отверстия в пластине. При соблюдении указанных условий (диаметры отверстий в пластинах и расстояния между пластинами) получим, что необходимое количество пластин ~8 штук. При большем расстоянии между пластинами и (или) увеличении количества пластин условия отсекания продуктов взрыва улучшаются. Однако неразумно занимать большую область вдоль оси кумулятивной струи, необходимую для фоторегистрации.

На чертеже изображена схема расположения основных элементов, используемых в заявляемом изобретении, поясняющая способ фоторегистрации.

Здесь: 1 - кумулятивный заряд; 2 - технологическое приспособление для установки лазера; 3 - лазер; 4 - нить; 5 - пластины отсекателя; 6 - фоторегистратор; 7 - мишень.

Примером конкретного выполнения устройства, поясняющего заявляемый способ, представляет собой устройство фоторегистрации, включающее кумулятивный заряд 1 диаметром 63 мм, на котором крепится технологическое приспособление 2 для установки лазера 3 соосно КЗ 1, представляющее собой цилиндрический стакан, в дне которого по оси сделано отверстие для установки в нем лазера 3. Цилиндрическая поверхность технологического приспособления 2, которая располагается на цилиндрической поверхности КЗ 1, и центральное отверстие в приспособлении для лазера 3 выполнены с несоосностью, не превышающей 0,05 мм, что приводит к отклонению луча лазера от оси КЗ на расстоянии от КЗ, равном 10 м, не превышающему 10 мм. Лазер 3 имеет вид цилиндра диаметром 10 мм и длиной 60 мм. Диаметр луча равен 3 мм с длиной волны излучения λ=756·10^-9 м. Нить 4 из искусственного шелка диаметром 1 мм закреплена на стальных стойках, которыми можно регулировать положение нити в пространстве так, что нить точно устанавливается по лучу, начиная от его выхода из лазера 3 до следа (пятна) на мишени 7. На нити крепятся реперные проволочки для определения масштаба изображения кумулятивной струи на фоторегистраторе 6. На расстоянии ~2 диаметров заряда от его основания устанавливают 8 пластин отсекателя 5, выполненных из листовой стали толщиной 3 мм, размером 500×500 мм² и скрепленных между собой. Диаметр центральных соосных отверстий в пластинах, через которые проходит луч лазера, равен 11 мм, что примерно на 1 мм превышает расчетное значение диаметра последнего (наибольшего) элемента струи для данного заряда.

Фоторегистрацию проводят следующим образом. Устанавливают КЗ 1, закрепляют на нем технологическое приспособление 2 с лазером 3. На расстоянии ~2 диаметров заряда от его основания устанавливают отсекатель 5 так, чтобы луч лазера 3 проходил точно по оси отверстий пластин отсекателя 5. Сквозь отверстия в пластинах пропускают нить 4, крепят ее на стойках так, чтобы нить соединяла след луча на мишени 7 с местом выхода луча из лазера 3. Нить 4 натягивают, чтобы свести к минимуму ее провисание. Всю систему (кроме мишени 7) регулируют так, чтобы нить 4 изображалась на фотопленке параллелно ее краям, а реперные метки (проволочки) оказались в области фоторегистрации. После этого убирают технологическое приспособление 2 с лазером 3 и нить 4, производят подрыв и фоторегистрацию.

Проведенные сравнительные эксперименты показали, что на расстоянии от КЗ, равном 20 диаметрам заряда, то есть там, где продукты взрыва не успевали экранировать кумулятивную струю, контрастность изображения при использовании заявляемого изобретения увеличилась на 12-16%. На расстоянии от КЗ, равном 6 диаметрам заряда, где влияние продуктов взрыва существенно, контрастность изображения повысилась 80-84%.

Использование: для исследования быстропротекающих процессов. Сущность: способ заключается в том, что соосно кумулятивному заряду устанавливают лазер и перед формированием кумулятивной струи определяют траекторию ее движения к мишени по положению лазерного луча в пространстве, после чего фокусируют оптическую систему фоторегистратора на выбранное место траектории. Лазерный луч направляют от основания кумулятивного заряда к мишени, а положение лазерного луча в пространстве определяют при помощи нити путем соединения следа луча на мишени с местом выхода луча из лазера. Технический результат - повышение эффективности фоторегистрации. 1 ил.

Способ фоторегистрации кумулятивной струи, заключающийся в том, что соосно с кумулятивным зарядом устанавливают лазер и перед формированием кумулятивной струи определяют траекторию ее движения к мишени по положению лазерного луча в пространстве, после чего фокусируют оптическую систему фоторегистратора на выбранное место траектории, отличающийся тем, что лазерный луч направляют от основания кумулятивного заряда к мишени, а положение лазерного луча в пространстве определяют при помощи нити путем соединения следа луча на мишени с местом выхода луча из лазера.