Способ измерения характеристик взрыва заряда взрывчатого вещества в ближней зоне и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам и устройствам для измерения характеристик взрыва боеприпаса или заряда взрывчатого вещества (ВВ), - давления на фронте ударной воздушной волны (УВВ) и импульса, в так называемой ближней зоне от поражаемого объекта (мишени), когда расстояние от боеприпаса/заряда до мишени не превышает 10 калибров.

Известен ряд способов и, соответственно, реализующих их устройств, для измерения импульса взрыва /1/, основанных на перемещении тел известной массы с заданной поверхностью, подвергаемых воздействию УВВ.

Исходя из известной массы тела и измеренной величины его перемещения под действием взрыва из исходной позиции расчетным путем определяют соответственно импульс и давление на фронте УВВ.

К недостаткам указанных технических решений следует отнести то, что здесь предполагается плоско-параллельное перемещение метаемого тела, в то время как под действием УВВ оно может приобрести в процессе перемещения и вращательное движение относительно нескольких собственных осей, на которое будет расходоваться некоторая часть энергии/импульса взрыва, что приводит к снижению точности измерений, и, как следствие, последующих расчетов.

Известны также способ и устройство, описанные в патенте US №5487298 /2/, основанные на использовании измерительного стержня Гопкинсона, принцип действия которого заключается в измерении посредством тензорезисторов упругой деформации, возникающей в стержне под действием продольной волны напряжения, инициированной импульсным воздействием УВВ на его торец. А затем расчетным путем - величину давления УВВ и импульс. Одним из недостатков данного технического решения является то, что в соответствии с предложенной конструкцией устройства для осуществления способа, торец стержня предполагается нагружать УВВ через бронеплиту, к которой он закрепляется сваркой. Таким образом волна напряжений, возникающая под действием УВВ взрыва сначала распространяется по материалу бронеплиты, затем по материалу сварочного шва, и наконец непосредственно по материалу измерительного стержня. Каждый из материалов обладает своими физико-механическими характеристиками, прежде всего, кристаллической структурой. Поэтому "поведение" волны напряжения при переходе из материала в материал непредсказуемо, возможны эффекты диссипации, частичного отражения, изменение направления и т.п.

Вторым недостатком является наличие клеевого слоя между тензорезистором и измерительным стержнем. В клеевом слое могут присутствовать неподконтрольные дефекты, например, разнотолщинность по площади контакта с тензорезистором или стержнем, газовые включения, - все это приводит к снижению точности измерений. Под действием сопровождающих волну напряжения в стержне упругих деформаций возможно нарушение клеевого слоя - отслоение, хрупкое разрушение и т.п. Вследствие этого велика вероятность того, что измерение будет единичным. И для повторного эксперимента потребуется переклейка тензорезисторов. Приклейка же к стержню тензорезистора процесс достаточно трудоемкий.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ, описанный в работе /3/, принцип действия которого также заключается в определении характеристик взрыва заряда ВВ в ближней зоне, - величины давления УВВ и импульса расчетным путем, по замеренным параметрам упругой деформации, возникающей в стержне под действием продольной волны напряжения, инициированной импульсным воздействием УВВ непосредственно на его торец.

Устройство для осуществления данного способа содержит измерительный стержень с закрепленными на нем преобразователями упругой деформации в электрический сигнал, размещенный в защитном кожухе с возможностью малого линейного перемещения. Со стороны нагружаемого торца измерительного стержня кожух имеет головной обтекатель с отверстием под установку стержня с минимальным зазором, а с тыльной стороны внутри - опорную втулку и упругий демпфирующий элемент, фиксируемые резьбовой крышкой. В стенке кожуха имеются отверстия для вывода проводов от преобразователей. Кожух монтируется на телескопической стойке, размещенной на массивном основании.

Недостаток у данного способа и, соответственно, реализующего его устройства тот же самый, что и у ранее описанного - наличие клеевого слоя между преобразователями упругой деформации в электрический сигнал (тензорезисторами) и измерительным стержнем, т.е. большая вероятность получения неадекватных результатов при повторных измерениях.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков способа и устройства аналога, т.е. - обеспечение многократных измерений, с одновременным снижением трудозатрат и повышении точности измерений с целью использования автоматизированных систем сбора и обработки информации о характеристиках УВВ в ближней зоне.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе определения характеристик взрыва заряда ВВ в ближней зоне с использованием измерительного стержня Гопкинсона, - величины давления УВВ и импульса расчетным путем по замеренным параметрам упругой деформации, возникающей в стержне под действием продольной волны напряжения, инициированной импульсным воздействием УВВ непосредственно на его торец, в соответствии с изобретением, стержень предварительно намагничивают, а параметры его упругой деформации определяют по кратковременному изменению магнитных характеристик материала стержня в заданном сечении.

Для более же точных результатов измерений параметры упругой деформации стержня по кратковременному изменению магнитных характеристик материала целесообразно определять последовательно в нескольких заданных сечениях.

Реализация предложенного способа, в свою очередь, достигается тем, что в известном устройстве для определения характеристик взрыва заряда ВВ в ближней зоне, содержащем измерительный стержень с закрепленным на нем преобразователем упругой деформации в электрический сигнал и размещенным в защитном кожухе с возможностью малого линейного перемещения, в соответствии с изобретением на стержне размещена цилиндрическая обмотка из электропроводящего материала, с возможностью временного подключения ее концов к источнику постоянного напряжения, а минимум одного или нескольких близкорасположенных витков обмотки - к измерительно-регистрирующему прибору, при этом обмотка выполнена с возможностью линейного перемещения по стержню.

Для обеспечения более точных результатов измерений параметров упругой деформации стержня по кратковременному изменению магнитных характеристик его материала в нескольких заданных сечениях целесообразно к измерительно-регистрирующему прибору подключать несколько одиночных или групп близкорасположенных витков, размещенных на заданном расстоянии друг от друга в разных сечениях обмотки.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого технического решения, касающиеся способа, являются:

- условие предварительного намагничивания измерительного стержня;

- определение параметров его упругой деформации по кратковременному изменению магнитных характеристик материала стержня в заданном сечении.

И, касающиеся устройства для его осуществления:

- размещение на измерительном стержне цилиндрической обмотки из электропроводящего материала;

- обеспечение возможности временного подключения ее концов к источнику постоянного напряжения, а минимум одного или нескольких близкорасположенных витков обмотки - к измерительно-регистрирующему прибору;

- выполнение обмотки с возможностью линейного перемещения по стержню.

Предложенный способ базируется на эффекте Виллари или магнитоупругом эффекте - явлении обратном магнитострикции, заключающемся в изменении намагниченности магнетика под действием механических деформаций.

Будучи предварительно намагниченным, измерительный стержень содержит определенную магнитно-доменную структуру. При импульсном нагружении его с торца УВВ в стержне генерируется волна напряжений, вызывающая при прохождении вдоль его оси локальные упругие деформации. В зоне упругих деформаций происходит некоторая переориентация магнитных доменов, вследствие чего здесь изменяются магнитные характеристики и соответственно - магнитный поток, проходящий через сечение стержня и витки расположенной на нем обмотки.

При этом согласно закону Фарадея, электродвижущая - сила (ЭДС) индукции E_i в контуре витка обмотки будет прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф (потока вектора магнитной индукции В) через поверхность S, ограниченную этим контуром, т.е.:

Скорость изменения магнитного потока может быть представлена как

или же при постоянной S:

Вектор магнитной индукции B в свою очередь определяется выражением:

Где μ₀ - магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума;

μ - магнитная проницаемость вещества;

Н - напряженность магнитного поля, Тл.

Тогда при постоянной напряженности магнитного поля Н (в локальном сечении стержня), скорость изменения магнитного потока будет определяться как

В работе /4/ приведена графическая экспериментальная зависимость между нормальными напряжениями в материале σ и его магнитной проницаемостью μ для конструкционной стали 15ХН4Д, которая может быть описана и аналитически:

С другой стороны, по закону Гука:

где Е - модуль Гука, МПа;

ε - относительная линейная деформация.

Следовательно, выражение (5) может быть представлено в виде физической зависимости:

или же в виде обратной математической зависимости:

Тогда в случае использования, например как показано в /3/, мостовой схемы измерений, выходное напряжение, генерируемое за счет изменения магнитного потока и снимаемое с одного или нескольких близкорасположенных витков обмотки в данном сечении материала стержня будет определяться зависимостью:

где U - выходное напряжение, В;

U₀ - напряжение на мосту Уинстона, В;

k - постоянная измерительной цепи.

По измеренному значению U определяется величина относительной линейной деформации ε (фактически ε=ε(μ)) сечения материала стержня, подвергнутого кратковременной упругой деформации.

При проведении измерений в нескольких сечениях стержня, при известном расстоянии между ними одновременно может быть определена скорость распространения волны напряжения в стержне C_m, м/с. А далее с помощью зависимости /3/:

- и скорость частиц материала стержня u, м/с;

Величина давления на фронте УВВ определяется опять же по известной зависимости /3/:

где Р - давление, ГПа;

ρ - плотность материала стержня, кг/м³.

А величина импульса может быть определена также по известным зависимостям, приведенным в работе /5/.

Цилиндрическая обмотка из электропроводящего материала, помещенная на стержне, служит для выполнения нескольких функций:

- при временном подключении ее концов к источнику постоянного напряжения осуществляется предварительное намагничивание материала измерительного стержня до заданной напряженности Н;

- один или несколько близкорасположенных витков обмотки, подключаемых к измерительно-регистрирующему прибору, образуют контур (далее по тексту - измерительный контур), в котором генерируется ЭДС индукции E_i, т.е. по сути являются первичными измерительными датчиками;

- выполнение обмотки с возможностью линейного перемещения по стержню позволяет располагать измерительный контур на заданном расстоянии от фронтального или тылового торца стержня, т.е. в том его сечении, где волна напряжений (прямая или отраженная) имеет (по предварительным экспериментальным оценкам) установившийся характер;

- подключение нескольких измерительных контуров, размещенных на заданном расстоянии друг от друга в разных сечениях обмотки к измерительно-регистрирующему прибору при известном расстоянии между ними и замеренном интервале времени между регистрируемыми значениями ЭДС индукции позволяет для конкретного материала стержня точно определять величину скорости распространения волны напряжения в стержне.

Также следует особо отметить, что витки обмотки с измерительным стержнем механической связи не имеют, каким-либо механическим воздействиям при прохождении по нему упругой волны напряжения не подвергаются, потому данная измерительная система может использоваться многократно, т.е. без замены первичных измерительных элементов (одного или нескольких измерительных контуров, размещенных в разных сечениях обмотки).

В качестве примера изобретение иллюстрируется графической информацией:

на фиг. 1 приведена схема устройства для проведения измерений по предлагаемому способу,

на фиг. 2 - принципиально осуществимый результат измерений с одновременным измерением скорости распространения волны напряжения в стержне.

Устройство для измерения характеристик взрыва заряда ВВ в ближней зоне содержит измерительный элемент (стержень) 1, на котором расположена обмотка для намагничивания 2, с возможностью временного подключения ее концов 3 к источнику постоянного напряжения 4. Несколько измерительных контуров 5, размещенных в разных сечениях обмотки на заданном расстоянии L_ИБ имеют возможность подключения к измерительно-регистрирующему прибору 6. Для обеспечения линейного перемещения по стержню обмотка 2 размещена на катушке 7, внутренний диаметр которой равен диаметру измерительного стержня. Концы обмотки 3 временно подключаются к источнику постоянного напряжения 4 посредством ключа 8, а измерительные контуры 5 - к измерительно-регистрирующему прибору ключами 9. Измерительный стержень 1 помещен в защитный кожух 10, имеющий в передней части обтекатель 11. Внутри кожуха 10 в передней и тыльной его частях размещены центрирующие втулки 12, диаметр отверстий которых позволяет устанавливать в них измерительный стержень 1 с минимальным зазором. С тыльной стороны кожух 10 содержит демпфирующий элемент 13, поджимаемый резьбовой крышкой 14 таким образом, чтобы нагружаемый УВВ торец измерительного стержня 1 размещался заподлицо с торцовой поверхностью передней центрирующей втулки 12. Для защиты от воздействий УВВ и продуктов взрыва нагружаемого торца измерительного стержня и зазора между стержнем и отверстием в передней втулке 12 перед ними размещена плотно прилегающая экранирующая прокладка 15 из тонкой фольги (0,05…0,1 мм). Защитный кожух 10 монтируется на телескопической стойке 16, размещенной на массивном основании 17. Также в состав устройства входит стойка (опора) 18, предназначенная для установки испытуемого боеприпаса/заряда ВВ 19 на заданном расстоянии L от торца измерительного стержня 1 и на одной с ним высоте.

Работа устройства (осуществление способа) происходит следующим образом. Измерительный стержень 1 с обмоткой 2 на катушке 7 устанавливают в центрирующих втулках 12 защитного кожуха 10. Катушку 7 с обмоткой 2 предварительно размещают в средней части измерительного стержня 1. К концам 3 расположенной на катушке обмотки ключом 8 на заданное время подключают источник постоянного напряжения 4. Т.к. длина обмотки 2 значительно превышает ее диаметр, то в полости катушки 7 при подаче на обмотку постоянного электрического тока порождается магнитное поле, близкое к однородному, вследствие чего измерительный стержень 1 намагничивается (до заданной величины напряженности Н). После чего источник постоянного напряжения 4 от концов 3 обмотки 2 отключают, и катушку перемещают (при необходимости) по измерительному стержню 1 в такую позицию, чтобы ближайший к нагружаемому торцу измерительный контур 5 располагался на заданном расстоянии от фронтального или тылового торца стержня, т.е. в том его сечении, где волна напряжений (прямая или отраженная) имеет (по предварительным экспериментальным оценкам) установившийся характер.

Путем поджатая демпфирующего элемента 13 резьбой крышкой 14 нагружаемый УВВ торец измерительного стержня 1 устанавливают заподлицо с торцовой поверхностью передней центрирующей втулки 12, и для защиты его и зазора между стержнем и отверстием в передней втулке 12 от воздействии УВВ и продуктов взрыва перед ними закрепляют с плотным прилеганием экранирующую прокладку 15 из тонкой фольги.

Телескопическую стойку 16 с закрепленным на ней кожухом 10, размещенную на массивном основании 17 устанавливают на заданную высоту, соответствующую высоте стойки (опоры) 18, и на заданном от нее расстоянии L. На стойку (опору) 18 монтируют испытуемый боеприпас (заряд ВВ) 19 и осуществляют ориентацию нагружаемого (фронтального) торца измерительного стержня 1 на необходимую область испытуемого боеприпаса.

Измерительные контуры 5 посредством ключей 9 подключают к измерительно-регистрирующему прибору 6, а его - к электросети.

При последующем подрыве испытуемого боеприпаса (заряда ВВ) 19 генерируемая им УВВ своим импульсным воздействием на торец измерительного стержня 1 инициирует в нем продольную волну напряжения, вызывающую при прохождении вдоль его оси локальные упругие деформации, приводящие к изменению магнитных характеристик материала стержня, в первую очередь - магнитной проницаемости μ. Магнитный поток, проходящий сквозь измерительный контур 5, изменяется, и в нем генерируется ЭДС индукции, величина которой фиксируется (фиг. 2) измерительно-регистрирующим прибором 6 (например, осциллографом).

Так, если обмотка 2 выполнена с двумя измерительными контурами 5, разнесенными друг от друга на расстояние L_ИБ, то на дисплее измерительно-регистрирующего прибора (или при автоматической распечатке результатов измерений) отобразится информация, аналогичная представленной на фиг. 2. Здесь U₁ и U₂ - соответственно величины ЭДС, последовательно зарегистрированные измерительными контурами 5, разноудаленными от нагружаемого торца измерительного стержня. По измеренным значениям U_i определяется величина относительной линейной деформации ε (фактически ε=ε(μ)) сечения материала стержня, подвергнутого кратковременной упругой деформации, а затем с помощью вышеприведенных несложных зависимостей - рассчитываются величины давления на фронте УВВ и ее импульс.

При известных значениях расстояния между измерительными контурами L_ИБ и величины временного промежутка между фиксацией ЭДС U₁ и U₂ с использованием зависимости

при необходимости одновременно может быть определена скорость распространения волны напряжения в измерительном стержне, что в итоге приведет к повышению точности последующих расчетов.

Причем как непосредственно измерения, так и их математическая обработка могут осуществляться с применением современных программно-аппаратных средств, что позволит обеспечить многократные измерения, с одновременным снижением трудозатрат и повышением точности измерений с целью использования автоматизированных систем сбора и обработки информации о характеристиках УВВ в ближней зоне.

Источники информации

1. М. Held, Blast Load Diagnostic, Propellents Explos. Pyrotech. 2009, 34, 194 - 209 - аналоги.

2. Патент US №5487298, G02M 7/00, Inertial Hopkinson bar shock sensor, 1996.

3. T. Piehler, A. Birk, R. Benjamin, V. Boyle, E. Summers, S. Aubert, Near-Field Impulse Loading Measurement Techniques for Evaluating Explosive Blast, Proceedings of the 24^th International Symposium on Ballistics, New Orleans, LA, 22-26 September 2008 - прототип.

4. Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Мушников А.Н., Якушенко Е.И. Влияние механических напряжений на магнитные характеристики конструкционной стали 15ХН4Д, V Всероссийская конференция. Механика микронеоднородных материалов и разрушение. Институт машиноведения УрО РАН, 2008.

5. Орленко Л.П. Физика взрыва и удара: Учебное пособие для вузов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 304 с.