Способ поддержания детонации вдоль пластины взрывчатого вещества посредством её экранирования инертным материалом Российский патент 2024 года по МПК F42B3/00 G01N33/22 

Изобретение относится к подрывным зарядам в оболочке плоской или ленточной формы. Более конкретно, к зарядам взрывчатого вещества в виде двух -или трехслойного сэндвича: один слой активный - взрывчатое вещество (ВВ), один или два других слоя - подложка-экран из инертного материала. Изобретение может быть использовано в различных технических процессах взрывного типа, где предъявляются особые требования к материалам, что бы ВВ и материал экрана были подобраны так, что Сэкр>Dвв. Это может быть упрочнение металлов, сварка, чеканка, штамповка и подобные перечисленному процессы.

Влияние экранов на критическую толщину детонации ВВ исследовалось в ряде работ. Обобщение результатов исследований дано в монографии "Физика взрыва" под редакцией Л.П. Орленко, том 1; Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2002, выбранной в качестве аналога.

Признаки аналога, совпадающие с признаками заявляемого способа следующие:

- устанавливают сборку для взрывов из детали исследуемого ВВ в форме клиновидной пластины,

- регистрируют результаты эксперимента (детонационную способность по следовому отпечатку на блюмсе),

- используют практически один и тот же состав ВВ на основе ТАТБ (РВХ 9502);

- используют форму детали исследуемого ВВ - клиновидная пластина,

- инициируют исследуемое ВВ по всей треугольной боковой поверхности в стационарном режиме,

- детонационная волна в скользящем режиме относительно экрана проходит от одной треугольной боковой грани клиновидной пластины к грани противоположной системы инициирования,

- прикладывают экраны к плоским сторонам исследуемого ВВ,

- используют экраны, сжимаемость материалов которых больше или меньше сжимаемости заряда ВВ,

- повторяют эксперимент с разными материалами экранов,

- повторяют эксперимент с разной толщиной экранов,

- регистрируют место прекращения детонации,

- строят зависимость критической толщины детонации от жесткости экрана.

Основные результаты сводятся к следующему. Характерны три типа плоских зарядов ВВ: без экранов, с односторонним экраном, с двусторонним экраном. Соотношения критических толщин ВВ в этих зарядах таковы: h₀/h₁=0,5, h₂/h₁=0,3, h₂/h₀=0,15. Отсюда видна экономия использования ВВ благодаря экранам. Так, при двухсторонней экранизации для осуществления устойчивой детонации толщину ВВ можно уменьшить в 1/0,15=6,7 раза по сравнению с зарядом без экрана. Роль экрана сводится к следующему. С увеличением акустической жесткости экрана критическая толщина h_кp уменьшается. Под акустической жесткостью понимается величина (ρ⋅С), где ρ-плотность материала экрана, С-скорость звука в экране.

Недостатком аналога является то, что не исследовался вопрос газодинамического эффекта уменьшения толщины h_кp детонирующего ВВ, который возникает, когда скорость звука С материала экрана превышает скорость детонации D, т.е., когда выполняется неравенство С>D.

Из известных работ прототипом является статья «EFFECT OF CONFINEMENT ON FAILURE IN 95 TATB/5 KEL-F», автор John B. Ramsay, материалы конференции The Eighth Symp.(Intern.) on Detonation, прошедшей в Albuquerque, New Mexico, 1985; стр. 6-11.

Наиболее близко описана реализация исследуемого способа.

Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого способа следующие:

- устанавливают сборку для взрывов из детали исследуемого ВВ в форме клиновидной пластины,

- регистрируют результаты эксперимента (детонационную способность по следовому отпечатку на блюмсе),

- используют практически один и тот же состав ВВ на основе ТАТБ (РВХ 9502);

- используют форму детали исследуемого ВВ - клиновидная пластина;

- прикладывают экраны к плоским сторонам исследуемого ВВ,

- инициируют исследуемое ВВ по всей треугольной боковой поверхности в стационарном режиме,

- детонационная волна в скользящем режиме относительно экрана проходит от одной треугольной боковой грани клиновидной пластины к грани противоположной системы инициирования,

- регистрируют место прекращения детонации,

- повторяют эксперимент с разными материалами экранов,

- строят зависимость критической толщины детонации от жесткости экрана.

В предлагаемом способе регистрация по следовому отпечатку на блюмсе была факультативной. Базовые измерения были получены с помощью фотохронографической методики.

Недостатком прототипа является то, что не исследовался вопрос газодинамического эффекта уменьшения толщины h_кp детонирующего ВВ, который возникает, когда скорость звука С материала экрана превышает скорость детонации D, т.е., когда выполняется неравенство C>D.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа поддержания детонации за счет достижения предельно малой толщины взрывчатого вещества, устойчиво детонирующего в скользящем режиме.

Технический результат, достигаемый при решении этой задачи, заключается в использовании материалов экрана со скоростью звука С_экр, превышающей скорость детонации D_вв контактируемого ВВ, т.е. при реализации неравенства С_экр>D_BB.

Технический результат достигается тем, что в способе поддержания детонации вдоль пластины взрывчатого вещества посредством ее экранирования инертным материалом, включающем в себя установку сборки для взрыва из пластины исследуемого ВВ имеющей сечение не превышающее ее критическую толщину детонации, использование одинакового по составу ВВ на основе ТАТБ, инициирование исследуемого ВВ по всей боковой поверхности в стационарном режиме, чтобы детонационная волна в скользящем режиме относительно экрана проходила от одной боковой грани пластины к противоположной грани, регистрацию места прекращения детонации, построение зависимости критической толщины детонации от жесткости экрана, согласно изобретению, используют материал экрана, скорость звука в котором превышает скорость детонации исследуемого взрывчатого вещества. Тем самым обеспечивают образование в экране опережающих детонацию волн сжатия с плавным фронтом, которые увеличивают жесткость экрана. Вследствие этого волна-предвестник уплотняет пограничный слой исходного ВВ. Это увеличивает скорость детонации в области контактной границы между ВВ и экраном, а так же способствует распространению неразгруженного фронта детонации на границе ВВ-экран.

Таким образом, для каждого поперечного сечения клина, в котором распространяется детонация, реализуется разная толщина ВВ (в том числе такие толщины, где детонация распространяться не может). Это в свою очередь позволяет определить место прекращения детонации и, как следствие, критическую толщину детонации. Полученный результат позволяет построить зависимость критической толщины детонации от жесткости и толщины экрана.

В описании использованы следующие сокращения:

ВВ - взрывчатое вещество,

ТАТБ - триаминотринитробензол,

ТНТ - тринитротолуол,

D_BB - скорость детонации взрывчатого вещества,

С_экр - скорость звука в экране,

ВВ-медь - экспериментальный узел, в котором материал экрана изготовлен из меди,

ПММА - полиметилметакрилат.

На фиг. 1 показана схема экспериментального узла.

На фиг. 2 показана форма исследуемой детали из низкочувствительного ВВ на основе ТАТБ, место инициирования и направление распространения детонации.

На фиг. 3 показана типичная картина течения волн когда C_экр<D_BB в схеме ВВ-медь.

На фиг. 4 показана типичная картина течения волн для случая C_экр>D_вв в схеме ВВ-бериллий кремния.

На фиг. 5 показан фрагмент фотопленки с фронтами скользящей детонации ВВ и ударных волн в экране из А1 для разных сечений клиновидной детали из низкочувствительного ВВ на основе ТАТБ. Лучевая развертка справа налево, Vp=2,25 мм/мкс по фотопленке.

На фиг. 6 графически представлены результаты опытов с материалами экранов различной динамической жесткости в виде зависимости h_кp от ρС.

На фиг. 7 показана логарифмическая зависимость h_кp (критической толщины детонирующего ВВ, контактирующего с экраном) от lnх (импеданса одностороннего материала - ограничителя), где х=ρС/(ρС)₀, (ρС)₀=25⋅10⁵ кг/м²⋅с - значение импеданса ПММА.

Для подтверждения наличия газодинамического эффекта при течении волн когда скорость звука превышает скорость детонации, то есть C_экр>D_BB используют экспериментальный узел, представленный на фиг. 1.

Для подтверждения газодинамического эффекта (снижение критической толщины детонации) в рассматриваемом способе использовали ВВ 2 - ТАТБ, D_BB=7,6±0,3 км/с, с плотностью ρ=1,903-1,915 г/см³. ВВ 2 выполненное в форме клина с углом 3°. Эксперимент с использованием тонкой пластины в виде клина подтверждает возможность использования любой пластины ВВ постоянного сечения. ВВ имеет сечение не превышающее его критическую толщину детонации. Критическая толщина - это такая толщина слоя ВВ, меньше которой открытый заряд ВВ (при отсутствии экрана) не детонирует.

Особенностью сборки является то, что детонация клиновидной детали из ВВ осуществляется по всей треугольной поверхности плосковолновой системой инициирования. Таким образом, для каждого поперечного сечения клина, в котором распространяется детонация, реализуется разная толщина ВВ (в том числе такие толщины, где детонация распространяться не может). Это в свою очередь позволяет определить место прекращения детонации и, как следствие, критическую толщину детонации. Полученный результат позволяет построить зависимость критической толщины детонации от жесткости и толщины экрана.

Нижняя поверхность клина ВВ 2 закрыта металлическим экраном 3, скорость звука в котором больше скорости детонации. Верхняя поверхность клина ВВ 2 прикрыта пенопластом 6. Роль пенопласта 6 второстепенная. Он является технологической подложкой, обеспечивающей изготовление клина ВВ 2. Таким образом, исследованию подвергалась композиция ВВ 2 с односторонним прикрытием экраном 3. Диагностика осуществляется оптической методикой с помощью растра 5. Наблюдают картину выхода детонации на противоположном боковом торце клина ВВ 2 через прозрачную пластину 4 из ПММА.

ВВ 2 инициируют с помощью плосковолновой системы инициирования 1 одновременно по всей боковой поверхности клина ВВ 2, как показано на фиг. 2.

В схеме ВВ-медь (фиг. 3) получена типичная картина течения волн для случая C_экр<D_BB. Имеются две связанные между собой волны: детонационная волна 7 в ВВ 2 и косая ударная волна 8 в экране 3 из меди.

В варианте ВВ-бериллий экран 3 из бериллия (материал со скоростью звука С_экр, превышающей скорость детонации D_BB контактируемого ВВ) прикладывают к одной из боковых поверхностей пластины в форме клина из ВВ 2 на основе ТАТБ. Инициирование осуществляется таким образом, что стационарная детонация распространяется в скользящем режиме вдоль контактной границы ВВ-бериллий от одной грани клиновидной пластины из ВВ 2 к грани противоположной системе инициирования.

В варианте ВВ-бериллий (фиг. 4) течение аномальное, поскольку C_экр>D_BB. В экране 3 из бериллия образуются волны сжатия 9 с плавным фронтом. Фронт волн сжатия 8 выдвинут вперед по отношению к фронту скользящей детонации 7. Благодаря этому обстоятельству формируется волна-предвестник 10 в ВВ 2 вблизи контактной границы между ВВ 2 и экраном 3 из бериллия. Эта волна-предвестник 10 небольшой амплитуды уплотняет пограничный слой исходного ВВ 2, но сам взрыв не производит. Волна-предвестник 10 увеличивает скорость детонации в области контактной границы между ВВ 2 и экраном 3 на величину, равную снижению скорости детонации в этой области вследствие бокового разлета продуктов взрыва

Известно, что с ростом плотности ВВ 2 возрастает скорость детонации D_BB. Так что в пограничном слое ВВ 2 должно быть опережение фронта детонации 7.

Однако боковая разгрузка, как паразитное явление, "съедает" это опережение. Автономное действие боковой разгрузки сводится к краевому отставанию фронта детонации 7. Комплексное же действие двух источников (опережения в результате действия предвестника 10 (фиг. 4) и отставания в результате действия боковой разгрузки) нивелирует краевые эффекты и способствует распространению неразгруженного фронта детонации на границе ВВ-экран. Картина течения становится подобна той, которая реализуется в варианте скользящей детонации 6 при наличии абсолютно жесткого экрана.

Двухслойные течения C_экр>D_BB изучали многие ученые: Е.И. Забабахин, И.А. Балаганский, и др. Если заглянуть в еще более глубокое прошлое, то особенность двухслойного течения C₂>C₁ была рассмотрена в книге Теоретическая физика: в 10 т./ Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - М.: Физматлит, т.6: Гидродинамика. - 2001. -736 с.

Внимание ученых уделялось исследованию структуры волн опережающего типа в двухслойной среде. Ни в одной из известных работ не было показано, что условие C_экр>D_BB может служить инструментом минимизации критической толщины h_кр детонации ВВ. Наша работа первая, обратившая внимание на полезность данного условия.

Если ВВ и материал экрана подобраны так, что C_экр>D_BB, то проявляется скачкообразное повышение эффективности влияния экрана. Далее этот эффект называем газодинамическим. Описание газодинамического эффекта с пояснением физической сути и экспериментальное подтверждение его реализации составляет основу предлагаемого изобретения. Следует подчеркнуть, что данный эффект проявляет себя при сочетании любых ВВ и материала экрана, если выполняется условие C_экр>D_BB.

Неравенство C_экр>D_BB легче всего выполнить для ВВ с пониженной скоростью детонации:

ТАТБ, D_BB=7,66 км/с, ρ=1,847 г/см³; ТНТ, D=6,95 км/с, ρ=1,64 г/см³ и др. Материалы экранов должны иметь, наоборот, повышенную скорость звука: Аl, C_экр≥5,33 км/с, Be, C_экр≥8,06 км/с, керамика (В₄С, SiC и др.).

Типичная растрограмма приведена на фиг. 5. Способ определения h_кр состоит в том, что регистрируется место прекращения детонации 11, характеризующееся потерей свечения в растровых линиях 5. Дополнительными данными являются:

- развертка справа налево, V_p=2,25 мм/мкс на фотопленке,

- шаг между линиями растра s=5 мм,

- изменение толщины клина на одном шаге Δh=sα=0,26 мм - разрешение методики,

- формула вычисления критической толщины h_кр=h₀-nsα=13-nsα, где n-количество зафиксированных шагов растра.

Клиновая методика по сравнению с неклиновой позволяет для конкретного экрана в одном опыте измерить критическую толщину h_кр детонирующего ВВ 2.

Результаты опытов графически в виде зависимости h_кр(ρC) представлены на фиг. 6. Минимальная критическая толщина детонации ВВ h_кр=3,8±0,4 мм получена при наличии экрана из Be (С_экр≥8 км/с). Эффект стал возможным благодаря C_экр>D_BB. Для других экранов имело место C_экр<D_BB и h_кр=5,6-7,0 мм. Таким образом, результаты подтвердили существование газодинамического эффекта.

В обобщенном виде результаты опытов представлены зависимостью h_кр(lnx) (фиг. 7). Здесь х=ρс/(ρс)₀ - относительная жесткость, (ρс)₀=2,5⋅10⁶ кг/м²с - наименьшая жесткость исследуемых материалов экрана.

Построение графика на фиг. 7 осуществлялось следующим образом. На плоскость h_кр-lnx наносились экспериментальные точки, соответствующие "дозвуковым" опытам (C_экр<D_BB) с экранами из ПММА, Mg, Аl, Сu. Получена линейная зависимость. Эта зависимость экстраполировалась до пересечения с горизонталью с h_кр=3,8 мм ("сверхзвуковые" опыты C_экр>D_BB). Точка пересечения определила эффективную жесткость бериллия, равную lnх=5,5. Реальная жесткость бериллия lnх=1,8. Вверху кривая линия показывает для наглядности переход от реальной жесткости бериллия к эффективной.

Таким образом, условие C_экр>D_BB обеспечило эффективную жесткость экрана из Be в ln5,5/ln1,8=40 раз больше реальной. Это еще одно подтверждение газодинамического эффекта при манипулировании акустической жесткостью экрана. В перечисленных случаях достигается экономия ВВ.

Это позволяет решить задачу создания способа достижения предельно малой толщины h_кр для ВВ, устойчиво детонирующего в скользящем режиме.

Описываемое техническое решение было реализовано из имеющихся материалов известными на сегодняшний день способами. Изобретение может найти применение в различных технических процессах взрывного типа: упрочнение металлов, сварка, чеканка, штамповка. Это подтверждает его промышленную применимость.

Изобретение относится к исследованиям подрывных зарядов в оболочке плоской или ленточной формы. Способ поддержания детонации вдоль пластины взрывчатого вещества (ВВ) посредством ее экранирования инертным материалом относится к двух - или трехслойным зарядам взрывчатого вещества плоской или ленточной формы. Способ поддержания детонации включает установку сборки для взрыва исследуемого ВВ на основе ТАТБ, выполненного в форме клиновидной пластины, имеющей сечение, не превышающее ее критическую толщину детонации. Нижнюю поверхность пастины закрывают инертным экраном. Инициируют исследуемое ВВ по всей треугольной боковой грани плосковолновой системой инициирования в стационарном режиме, при котором детонационная волна в скользящем режиме относительно экрана проходит от одной треугольной боковой грани пластины к противоположной грани. Регистрируют места прекращения детонации. Строят зависимости критической толщины детонации от жесткости экрана. В качестве материала экрана используют материал скорость звука в котором превышает скорость детонации исследуемого ВВ, чем обеспечивают образование в экране опережающих детонацию волн сжатия с плавным фронтом и уплотнение пограничного слоя исходного исследуемого ВВ. Технический результат заключается в использовании материалов экрана со скоростью звука С_экр, превышающей скорость детонации D_вв контактируемого ВВ. 7 ил.

Способ поддержания детонации вдоль пластины взрывчатого вещества (ВВ) посредством ее экранирования инертным материалом, включающий установку сборки для взрыва исследуемого ВВ на основе ТАТБ, выполненного в форме клиновидной пластины, имеющей сечение, не превышающее ее критическую толщину детонации, нижнюю поверхность которой закрывают инертным экраном, инициируют исследуемое ВВ по всей треугольной боковой грани плосковолновой системой инициирования в стационарном режиме, при котором детонационная волна в скользящем режиме относительно экрана проходит от одной треугольной боковой грани пластины к противоположной грани, регистрируют места прекращения детонации, строят зависимости критической толщины детонации от жесткости экрана, отличающийся тем, что в качестве материала экрана используют материал скорость звука в котором превышает скорость детонации исследуемого ВВ, чем обеспечивают образование в экране опережающих детонацию волн сжатия с плавным фронтом и уплотнение пограничного слоя исходного исследуемого ВВ.