Способ воспроизведения механического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы конструкционных материалов Российский патент 2025 года по МПК G01N3/313 F42D1/45 

Воздействие рентгеновского излучения ядерного взрыва на объект вызывает взрывообразное испарение поверхностных слоев элементов конструкции и формирование на поверхности объекта механического импульса давления, который качественно подобен импульсу возникающему при взрыве [1]. Изобретение относится к технике моделирования механического импульса давления рентгеновского излучения ядерного взрыва посредством электрического взрыва токопроводящего слоя фольги, установленного на испытываемой преграде, и может быть использовано для определения характера деформирования современных конструкционных материалов аэрокосмической техники при испытаниях на прочность к воздействию поверхностного нагрева и внешнего импульса давления.

В настоящее время известен способ для создания совместного теплового и силового нагружения летательных аппаратов посредством контактных нагревателей с источниками регулируемого напряжения и системой силового нагружения [2]. Наиболее близким по достигаемому техническому результату (прототипом) является способ, в котором для совместного нагрева и последующего создания механического импульса давления используется контактный поверхностный нагрев преграды токопроводящей пластиной и разряд через электропроводящую фольгу импульса электрического тока, приводящий к взрыву фольги [3]. Недостатки прототипа - искажение нагревающей пластиной параметров механического импульса давления, сообщенной испытываемой преграде, из-за возникновения отраженной от пластины ударной волны при взрыве фольги, а также не плотный контакт нагревательной пластины с поверхностью преграды из-за ее неровностей.

Технический результат предлагаемого изобретения направлен на расширение возможностей воспроизведения совместного теплового действия аэродинамического нагрева и механического импульса давления рентгеновского излучения посредством совмещения контактного нагрева и взрыва фольги от двух синхронизированных установок (электронагревательной и электроразрядной), срабатывающих с задержкой относительно друг друга, равной времени установления требуемого аэродинамического распределения профиля температуры в материале. Резкий градиент температуры по толщине преграды из композитного материала достигается использованием для поверхностного нагрева фольги с большим удельным сопротивлением (нихрома, вольфрама). Обеспечение аэродинамического распределения температуры в приповерхностном слое преграды приводит к уменьшению ее прочности к действию внешнего импульсного давления за счет изменения физико-механических свойств материала.

Технический результат достигался тем, что используется новое конструктивное решение по включению контактного нагревателя с резистивным элементом (клейкой фольги) в электронагревательную цепь установки, при этом токопроводящий слой располагается на поверхности испытываемой преграды и используется дважды: сначала для разогрева поверхностного слоя преграды, приближающий распределение температуры в образце к формируемому при действии аэродинамического нагрева, а затем электрического взрыва его на преграде.

Новизна технического решения - более точное воспроизведение аэродинамического профиля температуры по толщине теплонапряженного элемента самолета, ракеты, что достигается подключением фольги к электронагревателю и электроразрядной установке, срабатывающей с задержкой относительно друг друга, при этом первая стадия нагрева фольги осуществляется электронагревателем импульсом тока малой амплитуды большой длительности, а при достижении требуемого профиля нагрева в материале, подключают установку с высокой скоростью ввода энергии, в результате чего формируется механический импульс давления при электровзрыве фольги.

Для воспроизведения теплового действия аэродинамического нагрева в способе предложен новый подход, состоящий в том, что к токопроводящему слою, установленному на преграде подключают нагревательную установку и пропускают по слою ток в течение заданного времени, причем величину тока I в воздействии осуществляют подбором времени нагрева токопроводящего слоя посредством ввода дополнительных сопротивлений в цепь нагрева. Изменяя силу тока и время его пропускания можно воспроизводить различные режимы аэродинамического теплового воздействия, расширяя тем самым возможности имитации малых температурных нагрузок. Разогрев проводится по заданному программатором режиму (регулировкой электрической мощности), подаваемой на токопроводящий слой клейкой фольги, при этом сопротивление нагревательной цепи рассчитывается из соотношения:

,

где R_S - поверхностное сопротивление токопроводящего слоя фольги (Ом), - длина токопроводящего слоя (см), d - ширина токопроводящего слоя (см).

В предлагаемом способе моделируется аэродинамический нагрев с резким градиентом профиля температуры по толщине испытываемой преграды посредством пропускания по фольге тока по определенному закону (медленный нагрев фольги в начале разогрева с последующим разогревом фольги в форсированном режиме).

Схема реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 1, где показаны: 1 - блок нагружения; 2 - электронагреватель, включающий фольгу, источник питания Е, ключ К₂, реостат R₂, программатор ПР; 3 - электроразрядная установка емкостью С₃, индуктивностью L₃, сопротивлением R₃, коммутирующий разрядник К₃.

Способ осуществляется следующим образом. Вырезают и закрепляют клейкую фольгу на поверхности нагружаемого образца для обеспечения нагрева и дальнейшего взрывного нагружения нагретой преграды, пропускают ток по фольге. В результате прохождения через фольгу тока происходит ее омический нагрев (нагрев тем больше, чем больше удельное сопротивление материала), а последующий импульс тока вызывает взрыв фольги, создающих механический импульс давления. Подбором интенсивности ввода энергии в испытываемые образцы удается достичь удовлетворительного согласия в требуемых и получаемых температурных профилях. Управление электрическим взрывом осуществляется подбором мощности электроразрядной установки, применением сплошной и перфорированной фольги разной толщины для изменения удельного импульса давления в широких пределах. Для пробивки в листе фольги отверстий с определенным шагом используется перфоратор, при этом размер отверстий перфорации определяется опытным путем. Контактный нагрев преграды проводится с помощью автоматического регулирования нагрева через электронный программатор-ноутбука. Совокупность приемов позволяет регулировать распределение амплитуды импульса давления по поверхности нагружаемого образца в широком диапазоне.

Экспериментально опробован гибкий нагреватель с резистивным элементом из алюминиевой фольги, при этом моделировался аэродинамический нагрев преграды. Апробация способа позволила моделировать прогрев материала на некоторую толщину с практически непрогретой тыльной поверхностью. С целью получения градиента температуры по толщине преграды проводилась регулировка эпюры пропускаемого тока во времени (темпа нагрева). На фиг. 2 представлены три варианта зависимости плотности тока нагревателя во времени для получения разных профилей температуры по предлагаемому способу (фиг. 3). Видно, что изменяя темп нагрева можно воспроизводить различные профили температуры по толщине преграды: приповерхностный нагрев (см. фиг. 3 поз. 1); объемный неравномерный нагрев (см. фиг. 3 поз. 2); равномерный нагрев (см. фиг. 3 поз. 3). Таким образом, предложен универсальный способ воспроизведения профиля температуры в образцах конструкционных материалах.

Достоинством предлагаемого способа является получение ударных волн посредством электрически взрываемой гибкой фольги, располагаемой в тесном контакте с испытываемым образцом, что позволяет изучить характер деформирования материалов при условиях их работы в реальных конструкциях. Способ применим для испытаний на прочность элементов конструкций летательных аппаратов (сопел управления, экранов) к совместному тепловому и механическому воздействию потоков излучений и частиц различной физической природы.

Источники информации

1. Максимов А.Ю., Осоловский В.С, Острик А.В., Чепрунов А.А., Фортов В.Е. Воспроизведение механического и теплового действий рентгеновского излучения на элементы конструкций объектов, монография «Физика ядерного взрыва»: в 5-ти томах, том 3 Воспроизведение факторов взрыва: М., Физматлит, 2013, с. 350-386.

2. Патент на изобретение №2519053 от 25.12.2012 г. «Стенд теплопрочностных испытаний».

3. Патент на изобретение №2502996 от 8.08.2012 г. «Способ воспроизведения термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы конструкционных материалов».

Изобретение относится к технике моделирования механического импульса давления рентгеновского излучения ядерного взрыва посредством электрического взрыва токопроводящего слоя фольги, установленного на испытываемой преграде, и может быть использовано для определения характера деформирования современных конструкционных материалов аэрокосмической техники при испытаниях на прочность к воздействию поверхностного нагрева и внешнего импульса давления. Сущность: закрепляют клейкую фольгу на испытываемом образце, подключают фольгу к регулируемому по мощности электронагревателю, проводят последующий синхронизированный электрический разряд, приводящий к взрыву фольги с задержкой относительно нагрева, равной времени установления требуемого профиля температуры в материале образца, и нагружению образца механическим импульсом давления от взрывной ударной волны. Технический результат: расширение возможностей воспроизведения совместного теплового действия аэродинамического нагрева и механического импульса давления рентгеновского излучения. 3 ил.

Способ воспроизведения механического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы конструкционных материалов, включающий закрепление взрываемой фольги на образец, контактный приповерхностный нагрев материала образца, последующий электрический разряд импульса электрического тока через фольгу и нагружение образца механическим импульсом давления, отличающийся тем, что закрепляют клейкую фольгу на испытываемом образце, подключают фольгу к регулируемому по мощности электронагревателю, проводят последующий синхронизированный электрический разряд, приводящий к взрыву фольги с задержкой относительно нагрева, равной времени установления требуемого профиля температуры в материале образца, и нагружению образца механическим импульсом давления от взрывной ударной волны.