Способ определения критических условий разрушения оболочек детонирующих удлиненных зарядов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к бортовой и наземной пироавтоматике летательных аппаратов, в частности к зарядам-трансляторам детонационных команд. Может быть использовано при проектировании цепей и систем разведения детонационных импульсов боеприпасов основного назначения.

Заряды-трансляторы играют существенную роль в повышении защищенности систем пироавтоматики от случайных паразитных сигналов и несанкционированного воздействия на системы, в частности летательный аппарат или наземную инфраструктуру в целом (за счет резкого уменьшения количества точечных средств инициирования, главным образом, электрического типа), в существенном улучшении энергомассовых характеристик аппарата (за счет снижения потребной емкости бортовых источников тока, их массы, а также массы бортовой кабельной сети и значительного ее упрощения), в повышении эффективности ракетно-космического или иного комплекса.

Их назначение - надежная передача детонационного импульса от защищенного блока средств инициирования детонации исполнительным устройствам и механизмам пироавтоматики (разрывным болтам, замкам, чекам, газогенераторам и т.д.), не содержащим электрических мостиков накаливания или взрывающихся мостиков и первичных (инициирующих) взрывчатых веществ (для низковольтных средств инициирования с мостиками накаливания). При этом сами трансляторы при их срабатывании должны оказывать минимальное вредное воздействие на близлежащие узлы, механизмы, агрегаты, научные приборы и служебную аппаратуру. Это - отсутствие продуктов детонации взрывчатого вещества (ВВ), каких-либо осколков (обломков), минимальный уровень ударно-волновых нагрузок. Основу всех конструкций трансляторов детонации составляет детонирующий удлиненный заряд (ДУЗ) высокобризантного ВВ (чаще всего - кристаллического, эластичного или пластичного, реже - жидкого, пластизольного) в металлической (медной, алюминиевой, латунной) оболочке круглого сечения. Для полного «запирания» образующихся при детонации ВВ (в специальной литературе часто встречается понятие «снаряжение ДУЗ») и отсутствия металлических осколков оболочка ДУЗ должна быть неразрушаемой при взрыве. Заряд-транслятор может быть либо ДУЗ в абсолютно неразрушаемой однослойной оболочке, либо для существенного снижения массы и габаритов устройства - в многослойной (двух, трех и более) абсолютно или условно неразрушаемых оболочках из материалов с различными акустическими жесткостями (импедансами) [см. например, патент РФ №2554166 С1, МПК F42D 12/00, опубл. 27.06.2015]. В любом случае при проектировании заряда-транслятора необходимо знать критические условия разрушения (или неразрушения; иными словами - сохранения сплошности) оболочки ДУЗ при детонации его ВВ с тем лишь отличием, что окружающей средой для оболочки является воздух (либо вакуум) или плотная среда (материал внешних слоев, надетых на оболочку ДУЗ).

С точки зрения теории прочности материалов при импульсных режимах нагружения разрушение оболочки ДУЗ произойдет при превышении возникших на ее внешней поверхности напряжений значения некого динамического предела текучести для данного материала.

Однако здесь нельзя не учитывать ряд особенностей.

Особенностями процесса расширения оболочки под действием скользящей детонации, реализующейся при взрыве снаряжения ДУЗ, являются:

1. Высокий уровень напряжений и скоростей и кратковременность процесса; амплитудные значения напряжений достигают 10÷30 ГПа, радиальные скорости оболочек - до 2000 м/с, скорости деформаций .

2. Доминирующая роль инерционных сил и второстепенная роль прочностных эффектов в процессе деформации оболочки.

3. Значительное влияние на процесс расширения оболочки волновых процессов.

4. Сравнимость радиальных напряжений по величине с тангенциальными и меридианальными.

К сожалению, надежных методов определения динамических характеристик материалов (особенно при взрывных скоростях нагружения) в настоящее время нет; количественное определение динамического предела текучести для каждого материала оболочки при указанных выше скоростях деформации - задача чрезвычайно сложная.

Из общедоступных источников информации известно, что на практике при проектировании зарядов-трансляторов детонационных команд критические условия разрушения оболочек ДУЗ определяют после прикидочных расчетов (например, в гидродинамическом приближении по теории прочности Мизеса) экспериментально [Горовцов В.В., Котомин А.А., Душенок С.А. Методика расчета неразрушаемых трансляторов детонации систем разделения КА // Актуальные вопросы проектирования автоматических космических аппаратов для фундаментальных и прикладных научных исследований: Сб. статей / Составитель В.В. Ефанов - Химки. Издатель ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», 2015. - 352 с. - С. 215-222].

Сущность известного способа заключается в том, что готовят серию отрезков ДУЗ, в оболочках из одного материала, снаряженных одним и тем же ВВ, одинаковой плотности и линейной массы, но с различными толщинами оболочки; в этом диапазоне толщин должно находиться предварительно рассчитанное ориентировочное значение толщины неразрушаемой при взрыве оболочки ДУЗ. Пристыковывают к каждому испытуемому заряду по схеме «в торец» средство инициирования детонации, как правило, через передаточный заряд (для уменьшения негативного воздействия средства инициирования детонации и повышения чистоты эксперимента), монтируют взрывную сеть (в случае использования электрических средств инициирования детонации - электродетонаторов, взрывных патронов, например, собирают электровзрывную сеть; в случае применения неэлектрических средств инициирования детонации, например, капсюлей-детонаторов - взрывную сеть из огнепроводного шнура с воспламенителем) и подрывают испытуемые заряды. В качестве передаточных зарядов могут быть использованы отрезки широко используемых на практике штатных ДУЗ меньшего (по сравнению с испытуемыми зарядами) наружного диаметра (калибра), шнуровые заряды эластичных взрывчатых веществ (ЭВВ), трубки-волноводы с торцевыми усилительными зарядами и т.д.

По результатам серии взрывных испытаний находят минимальную толщину оболочки, которая претерпев в результате детонации чисто упругие или упруго-пластические деформации сохранила свою сплошность (целостность). Сведений об установлении при этом каких-либо количественных показателей разрушения оболочек (критических напряжений, деформаций, ударных давлений, скоростей и др.) в доступных источниках информации не обнаружено.

Данный способ по технической сущности и достигаемому результату является наиболее близким.

Устройством, реализующим наиболее близкий к заявленному способ, является набор отрезков ДУЗ круглого сечения, представляющих собой цилиндрические оболочки разной толщины, заполненные одним и тем же ВВ, с одной плотностью и линейной массой, с пристыкованными к ним в торец передаточными зарядами и средствами инициирования детонации.

Данный известный способ малоэффективен. Он является сильно затратным по финансовым и временным параметрам: требует проведения большого количества на сегодняшний день дорогостоящих, требующих выполнения значительного объема подготовительных операций и опасных взрывных испытаний. При замене в ДУЗ типа ВВ, его диаметра, плотности снаряжения (для порошкообразных, кристаллических ВВ), материала оболочки необходимо повторять серии экспериментов. Кроме того, способ дает чисто качественную картину - разрушение или неразрушение оболочки данной толщины без установления количественных показателей, характеризующих критические условия ее разрушения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка универсального эффективного способа определения количественных показателей разрушения оболочек ДУЗ под действием взрывных нагрузок, реализуемых в результате детонации его снаряжения, при существенном снижении материально-технических и временных затрат.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении эффективности и универсальности известного способа, существенном снижении материально-временных затрат, уменьшении объема особо опасных с точки зрения охраны труда взрывных испытаний, расширении функциональных возможностей способа.

Указанный технический результат по объекту «способ» достигается тем, что в отличие от наиболее близкого известного в способе по предлагаемому изобретению оболочку (корпус) детонирующего удлиненного заряда с переменной по длине заряда толщиной стенки снаряжают одним из известных способов бризантным взрывчатым веществом, пристыковывают, как и в указанном выше известном способе, по схеме «в торец» передаточный заряд, средство инициирования детонации, собирают взрывную сеть и подрывают детонирующий удлиненный заряд, после чего, в отличие от известного способа, замеряют минимальную толщину оболочки, на которой не произошло разрушения, принимают ее за критическую толщину, рассчитывают по известным зависимостям начальное давление на контактной поверхности «ВВ-оболочка», ударное давление на внешней поверхности оболочки для найденной критической толщины, принимая его за критическое давление разрушения, и соответствующую ему критическую массовую скорость во фронте ударной волны.

Снаряжение оболочки (корпуса) кристаллическим, пластичным, эластичным или пластизольным взрывчатым веществом производят таким образом, чтобы исключить образование пустот и обеспечить равномерную плотность ВВ по всей длине заряда. При заполнении канала оболочки ДУЗ жидким ВВ торцы ее герметизируют заглушками.

Начальные параметры (давление р_х и массовая скорость u_x) ударной волны на контактной поверхности «ВВ-оболочка» для случая скольжения детонационной волны вдоль преграды однозначно определяются решением известной в физике взрыва [Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, перераб. - В 2 т. Т. 1 - М: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 832 с. - С. 438] системы двух уравнений

;

,

где ρ_ос - начальная плотность невозмущенной среды-преграды (материала оболочки ДУЗ);

A, m - параметры ударной сжимаемости материала оболочки в форме Тэта;

D - скорость детонации ВВ при соответствующей плотности ρ_в;

n - показатель изоэнтропы продуктов детонации ВВ;

p_H - детонационное давление Гюгонио (в плоскости Чепмена-Жуге), рассчитываемое по очевидной зависимости .

Критическое давление р_кр разрушения оболочки рассчитывают по известной [Кузин Е.Н., Загарских В.И., Ефанов В.В. Закономерности затухания осесимметричных ударных волн в оболочках детонирующих удлиненных зарядов // Вестник НПО им. С.А. Лавочкина. - 2015. - №4. С. 23-30] аппроксимирующей зависимости р_вн/р_х=ехр[-а(δ/r₀)^b], где р_вн - давление на внешней поверхности оболочки; r₀ - радиус снаряжения (ВВ) ДУЗ; δ - толщина оболочки; a, b - эмпирические коэффициенты, характеризующие материал оболочки, подставив в данную зависимость вместо δ значение δ_кр (критическую толщину разрушения оболочки) и приравняв при этом давления р_кр и р_вн. Ему будет соответствовать однозначное значение массовой скорости u_кр.

Для нахождения критических условий разрушения ДУЗ в многослойных (в двух-, трех - и более слойных) оболочках, выполненных из разных конструкционных материалов [см. патент РФ №2554166 С1, МПК F42B, опубл. 26.07.2015], детонирующий удлиненный заряд с переменной толщиной оболочки плотно, без воздушного зазора размещают в массивной обойме, выполненной из материала наружного слоя, контактирующего с оболочкой ДУЗ, которую после подрыва разрезают вдоль образующей; после извлечения оболочки ДУЗ замеряют δ_кр, рассчитывают р_кр и соответствующую ему скорость u_кр.

Указанный технический результат по объекту «устройство» достигается тем, что устройство, представляющее удлиненный заряд, включает оболочку (корпус) из конструкционного прочного металлического или неметаллического материала с наружной конической поверхностью с углом конусности и с осевым цилиндрическим каналом, заполненным взрывчатым веществом (снаряжением). Как и в известном наиболее близком устройстве к ДУЗ в стык смонтирован передаточный заряд со средством инициирования детонации. Снаряжение ДУЗ может быть выполнено из кристаллического (порошкообразного) индивидуального, либо смесевого ВВ, из пластичного, эластичного, пластизольного или из жидкого бризантного взрывчатого вещества. При использовании в качестве снаряжения жидкого ВВ устройство дополнительно снабжено герметизирующими торцевыми заглушками из тонкого конструкционного металлического или неметаллического материала.

Снаряженный ДУЗ в конической оболочке может быть размещен внутри массивной обоймы с осевым каналом той же конусности, что и у оболочки, и с толщиной стенки, превышающей не менее чем в 10 раз минимальную толщину оболочки ДУЗ.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы – устройство - предназначен для осуществления другого заявленного объекта группы - способа определения критических условий разрушения оболочек ДУЗ при их детонации. При этом оба объекта направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата. Между существенными признаками изобретения и заявленным техническим результатом существует причинно-следственная связь.

Изобретение поясняется иллюстративным материалом, где на фиг. 1 схематично представлено устройство для определения критических условий (критического давления р_кр и скорости u_x) разрушения оболочки ДУЗ на воздухе или в вакууме (схема реализуется при проектировании однослойного неразрушаемого заряда-транслятора), на фиг. 2 - аналогичное устройство для случая детонации ДУЗ в плотной среде (схема реализуется при проектировании двухслойного заряда-транслятора детонационных команд), на фиг. 3 - фотография устройства после срабатывания на воздухе, на фиг. 4 - после срабатывания внутри обоймы из прочного материала.

Устройство для определения критических условий разрушения оболочек ДУЗ на воздухе или в вакууме (фиг. 1) содержит корпус в форме удлиненной конической оболочки 1, с цилиндрическим осевым каналом, заполненным бризантным взрывчатым веществом 2 (в совокупности образуют детонирующий удлиненный заряд), передаточный заряд 3 и средство инициирования детонации 4. При определении критических условий разрушения оболочки ДУЗ в плотной среде в состав устройства (фиг. 2) дополнительно включена массивная обойма 5 из материала слоя, контактирующего с оболочкой ДУЗ. Остальные обозначения фиг. 2 соответствуют обозначениям фиг. 1.

Способ посредством устройства осуществляют следующим образом.

Осевой канал в корпусе устройства, представляющего собой детонирующий удлиненный заряд в конической оболочке, снаряжают бризантным ВВ, пристыковывают по схеме «в торец» передаточный заряд и средство инициирования детонации, монтируют взрывную сеть и подрывают ДУЗ. После подрыва замеряют критическую толщину оболочки, при которой сохраняется сплошность (целостность) оболочки. Рассчитывают давление на внутренней поверхности оболочки (контактной поверхности «ВВ-оболочка») для случая скользящей детонации, рассчитывают давление на внешней поверхности оболочки при замеренной критической ее толщине, используя закон затухания радиальной осесимметричной ударной волны в оболочке в координатах р_вн, δ/r₀ (δ - толщина оболочки; r₀ - радиус снаряжения ДУЗ) и приравняв р_вн=р_кр, которому будет соответствовать и однозначная скорость u_кр. При использовании для снаряжения ДУЗ жидких ВВ торцы заряда до пристыковывания передаточного заряда со средством инициирования закрывают герметизирующими заглушками из тонкого конструкционного металлического или неметаллического материала. Для получения исходных данных (критических условий разрушения оболочки ДУЗ для проектирования зарядов-трансляторов в многослойной (для определенности - в двухслойной) оболочке конический ДУЗ плотно, без воздушного зазора, размещают в массивной обойме из материала внешней оболочки, из которой его извлекают после подрыва, а давление р_вн=р_кр рассчитывают с учетом известного в физике взрыва перехода ударной волны из одной плотной среды (оболочки ДУЗ) в другую (обойму).

Применение изобретения позволяет существенно снизить количество дорогостоящих и опасных экспериментов. При его использовании отпадает необходимость в проведении новых серий опытов в случае замены типа ВВ, изменения его плотности, диаметра (иными словами - массы ВВ). Достаточно провести лишь одну серию экспериментов для одного материала оболочки ДУЗ, снаряженного одним любым взрывчатым веществом.

Так, заявляемым расчетно-экспериментальным способом определены нами, к примеру, критические давления разрушения ДУЗ на воздухе в медных и алюминиевых оболочках, равные 1,96 и 1,77 ГПа соответственно.