Устройство для квазистационарного гиперзвукового ударного сжатия малоплотных сред, основанное на эффекте усиления кумуляции ударных волн при цилиндрическом схождении в среде с уменьшающейся плотностью

Настоящее изобретение относится к области исследования ударной сжимаемости и оптических свойств материалов за сильными ударными волнами при числах Маха более 5, а также открывает возможность организации плоского квази изоэнтропического режима сжатия материала преграды.

Основные газодинамические идеи создания гиперзвуковых газовых потоков при использовании энергии взрыва достаточно полно на середину восьмидесятых годов прошлого столетия представлены в обзоре (Б. Минцев, В.Е. Фортов, Взрывные ударные трубы, ТВТ, 1982, том 20, выпуск 4, стр. 745-764).

Из существующего к тому времени уровня техники выделялся генератор Сильвестрова (В.В. Сильвестров. Взрывной ускоритель микрочастиц на жидком водороде. Физика горения и взрыва. 1979 год, номер 6 Страницы: 104-108), обеспечивающий в жидком водороде скорость ударной волны 20 км/с. Более высокие параметры газового потока достигались в генераторе Войтенко (А.Е. Войтенко, Ускорение газа при его сжатии в остроугольной геометрии. ПМТФ, №4, 1966, стр. 112-116), который позволял генерировать в воздухе атмосферного давления ударную волну со скоростью 60 км/с.

Высокие скорости газовых потоков создавались в первом случае за счет одновременного воздействия на внешнюю поверхность полусферы продуктами детонации полусферического заряда, последующей сферической кумуляцией ударной волны в водороде и истечении сжатого водорода через выходную трубу, первоначально закрытую диафрагмой и помещенную в центре плоского основания полусферы. Во втором случае, разогнанный в газовой атмосфере плоский ударник сжимает многократно газ в сегменте полусферы, а выходная труба с диафрагмой располагаются на оси в вершине сферического сегмента.

В обоих случаях течение газа в трубе существенно не стационарно и не одномерно. Попытки разгона плоских ударников, помещаемых в трубу вблизи диафрагмы, такими устройствами приводят к их разрушению на начальной стадии разгона (Sawle D.R. Characteristics of the Voitenko high-explosive-driven gas compressor. - Astronaut. Acta, 1969, v. 14, N5, p. 393B).

Более однородный и плотный поток газов обеспечивают взрывные генераторы с полым цилиндрическим кумулятивным зарядом, позволяющие достичь скорости истечения в атмосферу продуктов детонации цилиндрического заряда с отверстием на оси до 1.8-2 величины скорости детонации (Б. Минцев, В.Е. Фортов, Взрывные ударные трубы, ТВТ, 1982, том 20, выпуск 4, стр. 745-764).

Инициируя детонацию по боковой поверхности полого цилиндрического или конического кумулятивного заряда можно создать в нем вблизи центральной оси состояния с давлениями в десятки раз больше давления продуктов в нормальном режиме (F. Zhang, S.B. Murray, A.J. Higgins Super compressed detonation method and device to effect such detonation. Patent US 20090255432 A1).

Интерес к высокоскоростным взрывным метательным системам, использующим цилиндрические заряды взрывчатого вещества с центральным каналом, не ослабевает до настоящего времени. Результаты такого рода исследований описаны в серии работ Марча и Тана (Steele R.D., Tan Т.-Н. Fast shock tube assemblies Shock Waves in Condensed Matter - 1987 / Ed. by S.C. Schmidt, N.C. Holmes; American Physical Society. - Amsterdam: North-Holland Physics Publishing, 1988. - P. 661-664.; Tan T.-H., Fritz J.N., Marsh S.P., McQueen R.G., Steel R.D. Characterization of simple explosively driven particle acceleration // Shock Waves in Condensed Matter - 1987 / Ed. by S.C. Schmidt, N.C. Holmes; American Physical Society. - Amsterdam: North-Holland Physics Publishing, 1988. - P. 665-667.; Marsh S.P., Tan T.-H., Hypervelocity plate acceleration // Shock compression of condensed matter - 1991 / Ed. by S.C. Schmidt, R.D. Dick, J.W. Forbes, D.G. Tasker; American Physical Society. - Amsterdam: Elsevier Science Publishers В. V., 1992. - P. 1033-1039.; Zerwekh W.D., Marsh S.P., Tan T.-H. Phase detonated shock tubes (PDST) // High-Pressure Science and Technology - 1993 / Ed. by S.C. Schmidt, J.W. Shaner, G.A. Samara, M. Ross; American Physical Society. - New York: AIP Press, 1994. - P. 1877-1880) начала девяностых годов прошлого столетия, в патенте США (F. Zhang, S.B. Murray, A.J. Higgins Super compressed detonation method and device to effect such detonation. Patent US 20090255432 A1), в работах группы американских авторов (Menikoff R., Lackner K.S, et al. Shock wave driven by a phased implosion. Phys. Fluids A, Vol. 3, No. 1, p. 201-218, 1991; Kerrisk J.F., Meier J.K. Comparisons between fast shock tube calculations and tests // Shock compression of condensed matter - 1991 / Ed. by S.C. Schmidt, R.D. Dick, J.W. Forbes, D.G. Tasker; American Physical Society. - Amsterdam: Elsevier Science Publishers В. V., 1992. - P. 1049-1052), а также в последних по времени работах, посвященных созданию гиперзвуковой метательной установки в Канаде (Loiseau J., Szirti D., Higgins A.J., Tanguay V. Experimental technique for generating fast high-density shock waves with phased linear explosive shock tubes. Shock waves. 2012, Vol. 22. pp. 85-88; Loiseau J., Huneault J., D., Higgins A.J., Development of linear implosion-driven hypervelocity launcher. Procedia Engineering 2013, Vol. 58, pp. 77-87; Huneault J., Loiseau J., D., Higgins A.J., Development of an accelerating piston implosion-driven launcher. Journal of Physics^∧ Conference Series. 2014, Vol. 500, p. 142019).

Наиболее близким к заявленному техническому решению является генератор плоского ударного сжатия, использующий схождение конических ударных волн (Nikolaev D., Ternovoi V., Kim V., Shutov A. Plane shock compression generators, utilizing convergence of conical shock waves. Journal of Physics: Conference Series. - ISSN 1742-6588. - 2014. - V. 500. - №14. - PP. 1-5). Работа ударно-волнового генератора давления основана на нерегулярном маховском отражении ударных волн в конической геометрии. Ударная волна в слоистом цилиндрическом центральном сердечнике создается при его взаимодействии со сжимающимся коническим ударником. Конический ударник формируется из первоначально трубчатого лайнера расположенного вдоль оси полого цилиндрического заряда взрывчатого вещества, который сжимается, и ускорятся внутрь полости продуктами конической детонационной волны. Для изменения геометрии формируемого конического ударника используется система последовательного многоточечного инициирования детонации заряда взрывчатого вещества. Основной частью испытанного устройства является полый цилиндрический заряд конденсированного взрывчатого вещества (флегматизированный гексоген, ρ₀=1.65 г/см³, скорость детонации D₁=8.4 км/с) с внешним диаметром 150 мм и длиной 150 мм. Заряд изготавливался прессованием, его общая масса была 3.8 кг; заряд состоял из трех отдельных дисков для уменьшения массы прессуемого взрывчатого вещества и достижения однородности и высокой плотности таблеток. В цилиндрическую полость на оси заряда была вставлена стальная труба с внешним диаметром 50.5 мм и толщиной стенки около 2 мм. На оси заряда располагалась нержавеющая стальная труба с внутренним диаметром 20 мм и толщиной стенки 2 мм, заполненная дисками из органического стекла. Заряд был окружен модулями системы многоточечного инициирования детонации.

Система последовательного многоточечного инициирования детонации заряда взрывчатого вещества, аналогичная описанной в (Nikolaev D., Ternovoi V., Kim V., Shutov A. Plane shock compression generators, utilizing convergence of conical shock waves. Journal of Physics: Conference Series. - ISSN 1742-6588. - 2014. - V. 500. - №14. - PP. 1-5), использовалась для изменения геометрии формируемого конического ударника. Описанный в работе генератор позволил создавать в плексигласовом стержне область плоского течения за диском диаметром 12 мм, движущуюся со скоростью около 16,7 км/с. Размеры этой области уменьшаются до диаметра 7 мм при увеличении скорости до 21,5 км/с. Давление ударного сжатия плексигласа в последнем случае составило около 360 ГПа. Как показали гидродинамические расчеты, «толщина» плексигласового «диска» с такими параметрами примерно равна его радиусу.

Прямое использование такого «диска» для одномерного плоского сжатия жидкого дейтерия позволяет достичь давления за ударной волной около 100 ГПа.

Повышение скорости инициирования детонации основного заряда до 25 км/с привело к уменьшению диаметра маховского диска до 2-3 мм, что затрудняет его практическое использование.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании устройства сжатия, с помощью которого можно получить высокотемпературные (единицы электроновольт) высокоскоростные (со скоростями 30 км/с и выше) близкие к стационарным потоки газа в плоской геометрии при размерах области с максимальными параметрами течения на уровне 0,5-1 см³. Это позволяет достигать при торможении на преграде терапаскальных давлений, генерировать плотную высокотемпературную плазму с температурами в десятки электроновольт.

В генераторе - прототипе скорость подлета стального ударника составляла около 4 км/с, а предельная скорость диска диаметром 12 мм в плексигласе - 16,7 км/с. Коэффициент увеличения скорости - около 4,2 раза.

Следует отметить, что возможность усиления давления ударного сжатия при цилиндрическом схождении за счет уменьшения текущего радиуса детонационной или ударной волны при уменьшении радиуса на порядок не превышает 4 раз от исходного значения давления за волной (Tyl J., Wlodarczyk Е. Analysis of imploding shock waves by the Chester-Chisnell-Whitham method. Journal de Physique. 1984, Tome 45, p. C8-267 - C8-272).

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявленного изобретения, заключается в формировании близкого к стационарному высокоскоростного потока материала с малой плотностью (газа) в канале центрального стержня устройства с использованием для усиления ударных волн при цилиндрическом схождении среды с уменьшающейся плотностью.

Устройство для гиперзвукового ударного сжатия малоплотных сред посредством формирования квазистационарного Маховского режима отражения от оси, содержащее полый цилиндрический заряд, на оси которого размещен трубчатый лайнер, имеющий центральную полость, заполняемую сжимаемой средой, отличающееся тем, что с целью повышения параметров сжатия используются гиперзвуковая по отношению к ВВ система внешнего инициирования заряда и лайнер, состоящий из внешней металлической трубы и внутренней слоистой системы с убывающей плотностью.

Устройство конструктивно состоит (фиг. 1) из заряда взрывчатого вещества (1) цилиндрической формы с центральным отверстием, инициируемого последовательно с гиперзвуковой для взрывчатого вещества скоростью вдоль внешней боковой поверхности системой последовательного инициирования детонации. На внутренней поверхности заряда располагается трубчатый металлический лайнер (2). На оси отверстия лайнера помещается слоистая трубчатая конструкция из слоев материалов с уменьшающейся динамической сжимаемостью и центральным каналом, заполняемой материалом с малой плотностью. При последовательной детонации заряда взрывчатого вещества происходит метание лайнера к оси заряда, его взаимодействие со слоистой внутренней оболочкой. В слоистой структуре организуется увеличением скорости падающей на ось ударной волны (Лаптев В.И., Тришин Ю.А. Увеличение начальной скорости и давления при ударе по неоднородной преграде // ЖПМТФ. - 1974. №6. - С. 128-132.; Иванов А.Г., Коротченко М.В., Новицкий Е.З. и др. Разгон пластин до гиперзвуковых скоростей. Устройство // ЖПМТФ. - 1982. - №2. - С. 86-90.; Высокоскоростное взаимодействие тел / В.М. Фомин, А.И. Гулидов, Г.А. Сапожников и др. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 1999. - 600 с.), что приводит к увеличению угла падения при заданной скорости инициирования детонации. Это позволяет реализовать Маховский режим отражения от оси с большим относительно прототипа диаметром области плоского ударного сжатия при скоростях, в два-три раза превышающих параметры аналога без слоистой внутренней оболочки.

При использовании медного метаемого лайнера (2) слоистая система может состоять из слоев алюминия (3) и органического стекла (4). Внешняя металлическая труба позволяет брать сжимаемый газ при давлениях до 20 МПа, что повышает начальную его плотность в сотни раз относительно нормальной плотности.

Сущность изобретения поясняется рисунком (фиг. 1) схемы испытанного генератора со скоростью инициирования детонации - 40 км/с. В его конструкции для удержания газа при начальном давлении 60 бар имеются торцевые гайки с отверстиями для откачки и напуска газа (5, 6) и для крепления составного окна (7). Окно склеивалось из кристалла фтористого лития толщиной около 5 мм и кристалла сапфира толщиной 4 мм для наблюдения собственного свечения газа и материалов окна при ударном сжатии. Окно из монокристалла фтористого лития позволяет определить давление торможения потока материала центральной области на нем по регистрации температуры за проходящей ударной волной (Hicks D.G., Celliers P.M., Collins G.W., Eggert J.H., Moon S.J. Shock-induced transformation of Al2O3 and LiF into semiconducting liquids // Phys. Rev. Letters. 2003, Vol. 91. No 3. pp. 035502.20; Clerouin J., Laudernet Y., Recoules V. Ab initio study of optical properties of shocked LiF. Physical Review B. 2005. Vol. 72, pp. 155122). Для проведения измерений скорости ударной волны на расстоянии 19,95 мм от окна была закреплена алюминиевая фольга (8) толщиной 0,015 мм. В устройстве для центрирования и крепления узлов системы инициирования и основного устройства была использована пластина из древесно-волокнистой плиты (9), аналогичная показанной на фото фиг. 1. Примерное положение фронта детонации при заданной скорости ее инициирования к определенному моменту выделено треугольником (10).

Результаты выполненного испытания генератора представлены на фиг. 2. Скоростным пирометром определялась яркостная температура и средняя скорость потока ударно сжатого гелия и фтористого лития вблизи оси генератора, а наблюдение плоскостности и однородность течения проводилось с помощью высокоскоростной фоторегистрирующей установки в режиме фоторегистратора со скоростью развертки изображения щели на пленке - 3 мм/мкс. Диаметр центрального составного стержня и окна приведены на рисунке. Наблюдается достаточно плоское (перекос не более 50 нc по времени, это дает при определенной базисным методом скорости ударной волны 45 км/с величину 10 градусов) однородное с нарастанием на 20 процентов по яркостной температуре течение. Рост наблюдаемой скорости частично связан с торможением потока материалом фольги (8, фиг. 1), ограничивающей наблюдаемую область газа. Значение температура ударно сжатого фтористого лития вблизи 32 кК позволяет оценить давление - около 900 ГПа (Hicks D.G., Celliers P.M., Collins G.W., Eggert J.H., Moon S.J. Shock-induced transformation of Al2O3 and LiF into semiconducting liquids // Phys. Rev. Letters. 2003, Vol. 91. No 3. pp. 035502).

Выполненные испытания показывают работоспособность устройства и достижение заявленных задач изобретения.