Результат интеллектуальной деятельности: Способ подавления взрывного султана подводного взрыва

Способ подавления взрывного султана подводного взрыва относится к технике взрывных работ и может быть использован при испытаниях на прочность и взрывостойкость различных узлов и элементов конструкций надводных кораблей и подводных лодок, разрабатываемых новых боеприпасов, взрывчатых веществ, при принятии на вооружение новых видов образцов вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ), а также при исследованиях влияния процессов старения на энергетику взрывчатого вещества, и решении других задач, связанных с использованием подводных взрывов.

При проведении на акватории испытаний ВВСТ с использованием систем нагружения, при которых обязательным условием является взрыв зарядов взрывчатого вещества (ВВ) на глубинах меньше камуфлетных, возникает ряд поверхностных явлений, в частности взрывной султан.

На практике при проведении испытаний ВВСТ на акватории с использованием взрыва, возникают задачи, при решении которых необходимо устранить, или минимизировать выход султана на поверхность.

Известен способ локализации подводного взрыва, описанный в патенте RU №2163348, МПК F42D 5/045, опубл. 20.02.2001 Бюл. №5 [1]. Способ предлагается использовать для поглощения или демпфирования взрывных волн при подводных взрывах зарядов взрывчатых веществ. Для локализации подводного взрыва применяется пузырьковая завеса, поднимающейся со дна водоема до поверхности воды, которая создается химическими генераторами газа, установленными на дне водоема. Генераторы газа приводят в действие, и после образования пузырьковой завесы, взрывают заряд взрывчатого вещества. Однако этот способ не позволяет подавить взрывной султан, выходящий на поверхность.

Известен способ локализации подводного взрыва, описанный в патенте RU №2163346, МПК F42D 5/045, опубл. 20.02.2001 Бюл. №5 [2]. Способ использует систему из зарядов ВВ и заключается в том, что на пути прохождения гидравлических ударных волн между зарядом взрывчатого вещества и защищаемым объектом размещают экранообразующие заряды, взрывают их, и после образования в воде полостей из газообразных продуктов взрыва экранообразующих зарядов, взрывают основной заряд взрывчатого вещества. Экранообразующие заряды могут компоновать из шнуров или лент взрывчатого вещества, размещая их на расстоянии друг от друга с образованием заряда в виде сетки. Однако и этот способ не предотвращает образование взрывного султана, а скорее усиливает его за счет подрыва экранирующих зарядов.

Известен метод направленного взрыва, который отрабатывался СЕ. Николаевым при пробивке канала в припайном льду Антарктиды [3]. Применяется сдвоенный заряд. Меньший по массе вспомогательный заряд ВВ устанавливается под водой ближе к поверхности льда. Больший по массе основной заряд ВВ устанавливается ниже вспомогательного под углом к вертикали, проходящей через центр вспомогательного заряда. Первым взрывается вспомогательный заряд, газовый пузырь которого создает искусственную свободную поверхность, более близкую к центру основного заряда, чем свободная поверхность воды. Через 0,025 секунды подрывают основной заряд. За это время газовая полость, образованная взрывом вспомогательного заряда, достигает максимальных размеров, а давление в ней снижается до атмосферного. При взрыве основного заряда основное давление газов и сжатой взрывом воды устремляется по лини наименьшего сопротивления в сторону газовой сферы, образованной взрывом вспомогательного заряда. В результате работы газов основного заряда, раздробленный лед выбрасывается вместе с водой под некоторым углом на значительное расстояние от места залегания зарядов. Этот способ решает задачу обратную подавлению поверхностных явлений действия взрыва, а именно - усиление эффекта формирования мощного водонасыщенного наклонного взрывного султана, выбрасывающего ледовые осколки из образующейся полыньи в нужную сторону.

Вместе с тем, источник [3] имеют общие признаки с заявляемым техническим решением: использование системы из двух зарядов ВВ и их разновременный подрыв. Поэтому выбираем его в качестве прототипа.

Проблемой, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является расширение арсенала технических средств при проведении испытаний ВВСТ на акватории с использованием взрывных методов нагружения.

Техническим результатом изобретения является подавление взрывного султана при взрывах зарядов ВВ на глубинах меньше камуфлетных.

Подводная ударная волна (ПУВ), имеющая сферический фронт, воздействует не только на испытываемую конструкцию, но и взаимодействует со свободной поверхностью. При падении фронта подводной ударной волны на свободную поверхность акватории формируется волна разрежения, распространяющаяся вглубь воды. Она имеет форму части сферической поверхности, очерченной радиусом, проведенным из центра, расположенного над поверхностью воды на высоте, равной глубине установки заряда Н_зар. Эта схема известна как схема зеркального отображения источника и стока [4].

Схема формирования взрывного султана при подводном взрыве представлена на фиг.1, где: - 1 - центр взрыва; 2 - фронт подводной ударной волны; 3 - фронт волны разрежения; 4 - поверхность газового пузыря; 5 - взрывной султан; V₁ - скорость частиц воды за фронтом подводной ударной волны; V₂ - аналогичная скорость частиц воды за фронтом волны разрежения; V_∑ - суммарная скорость движения частиц воды.

В отличие от ударной волны 2, под действием которой частицы воды движутся в направлении распространения ее фронта со скоростью V₁, в волне разряжения 3 частицы воды движутся в направлении противоположном направлению ее распространения со скоростью V₂. В результате сложения этих скоростей V_∑ и дополнительного движения воды вследствие расширения и подъема газового пузыря под действием Архимедовой силы взрывная полость разгерметизируется, и в районе эпицентра взрыва образуется вертикальный выброс в верхнее воздушное полупространство, при этом формируется взрывной султан.5. При камуфлетных глубинах взрывная полость не разгерметизируется, а в момент остановки расширения полости давление в ней практически равно нулю, и полость можно считать "пустой" [5, с. 387]. Под действием гидростатического давления полость схлопывается, оставаясь "пустой" значительную часть этого полупериода, и в конце схлопывания формирует волну сжатия (первая пульсация газового пузыря).

Предлагаемый способ основан на подрыве системы из двух зарядов -основного и дополнительного, взрываемых разновременно. Заряды размещают под водой на одной вертикали, проходящей через их центры. Меньший по массе дополнительный заряд размещают ниже основного. Схемы, иллюстрирующие формирование газовых пузырей от взрывов основного и дополнительного зарядов, а также их взаимодействие между собой представлены на фиг.2, где: 6 - основной заряд; 7 - вспомогательный заряд; 8 - газовый пузырь от взрыва вспомогательного заряда; 9 - газовый пузырь от взрыва основного заряда; 10 - диспергированный гидропоток от взрыва основного заряда.

Физическая сущность способа заключается в создании в водной среде перед взрывом основного заряда 6 газовой полости от взрыва дополнительного заряда 7 с низким, порядка нескольких сотых долей атмосферы, давлением продуктов взрыва, имитирующей свободную поверхность, которая расположена ближе к основному заряду 6, чем естественная свободная поверхность акватории.

Основной заряд 6 массой G₁, кг устанавливают на глубине Н₁, дополнительный заряд 7 массой G₂, кг, устанавливают на глубине Н₂ большей, чем H₁, по одной вертикали с основным. Первым подрывают дополнительный заряд 7. Когда давление в газовом пузыре от взрыва дополнительного заряда уменьшится до значений (0,01…0,02) кг/см², подрывают основной заряд 6. В результате взаимодействия подводной ударной волны, сформированной взрывом основного заряда 6, с волной разряжения, возникающей при ее падении на поверхность газового пузыря, образованного взрывом дополнительного заряда 7, происходит формирование гидропотока, движущегося не вверх, в сторону свободной поверхности акватории, а вниз - по направлению от центра заряда 6 к центру заряда 7. Гидропоток, проходя через газовую полость с низким давлением продуктов взрыва, созданную вспомогательным зарядом, переформировывается в веерообразный, расходящийся, мелко диспергированный водно-газовый поток, энергия которого относительно быстро гасится нижерасположенной массой воды. Взрывной султан при таком взрыве не образуется. На поверхности воды в районе эпицентра наблюдается относительно невысокий пенящийся купол брызг, возникающий от воздействия верхней части фронта подводной ударной волны от взрыва основного заряда 6, и последующего истечения продуктов взрыва в атмосферу.

Как уже отмечалось, время задержки подрыва основного заряда 6 относительно подрыва дополнительного 7, вычисляют из условия достижения давления в газовом пузыре от взрыва дополнительного заряда величины (0,01…0,02) кг/см². Известно, что такое давление возникает при достижении максимального размера газового пузыря за время t_макс.

В соответствии с [6, с. 624] время расширения газового пузыря дополнительного заряда до максимального размера при первой пульсации находят из выражения:

N = 4350 - для тротила;

кг/см² - гидростатическое давление на глубине установки дополнительного заряда;

- атмосферное давление;

м - глубина установки дополнительного заряда;

м - радиус шарового заряда массой G₂, равного по массе дополнительному, кг;

с₀ = 1500 м/с - скорость звука в воде.

Исходя из практических соображений, глубина установки основного заряда определяется соотношением:

- максимальный радиус газового пузыря от взрыва основного заряда массой G₁, м.

Глубина установки дополнительного заряда Н₂, должна обеспечивать выполнение условия, при котором имитируемая газовым пузырем от взрыва дополнительного заряда массой G₂ свободная поверхность находится ближе к центру основного заряда чем свободная поверхность акватории, а эффект по формированию нисходящего гидропотока от взрыва основного заряда максимален. Глубину установки Н₂ дополнительного заряда находят из выражения:

- максимальный радиус газового пузыря от взрыва дополнительного заряда массой G₂, м;

- радиус шарового заряда, массой G₁, равного по массе основному, кг;

β = 3…5 - значение определено опытным путем.

Максимальные радиусы газовых пузырей от первой пульсации для основного и дополнительного зарядов рассчитываются по формуле [6, с. 624]:

М = 30,7 - для тротила;

- максимальный радиус газового пузыря первой пульсации (основного или дополнительного), м;

- радиус шарового заряда (основного или дополнительного), м. Работоспособность заявляемого способа подавления взрывного султана, гарантирующая стабильность формирования процесса, подтверждена в экспериментах при значениях соотношения масс основного и дополнительного зарядов G₁/G₂ = (6÷30).

Использование системы из двух зарядов разной массы и их разновременный подрыв - общее, что объединяет заявляемый способ и прототип.

Первое принципиальное отличие заявляемого изобретения от прототипа заключается в расположении дополнительного заряда ниже основного на одной вертикальной линии, проходящей через центры обоих зарядов. Такое расположение при подрыве сначала дополнительного, потом основного зарядов приводит к формированию гидропотока в жидкости, направленного вертикально "сверху-вниз" от центра взрыва основного заряда к центру взрыва дополнительного заряда.

Второе отличие от прототипа связано с выбором временем задержки взрыва основного заряда относительно взрыва дополнительного t_зад, при котором давление в газовом пузыре от взрыва дополнительного заряда становится много меньше атмосферного (порядка нескольких сотых долей атмосферы).

Третьим отличием от прототипа является выбор глубины установки дополнительного заряда Н₂, обеспечивающей выполнение условия, при котором имитируемая газовым пузырем от взрыва дополнительного заряда свободная поверхность находится ближе к центру основного заряда, чем свободная поверхность акватории.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку в общедоступных источниках нет сведений о способе подавления взрывного султана при проведении взрывных работ на глубинах меньше камуфлетных.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций приводит к достижению заявляемого технического результата.

Промышленная применимость предлагаемого технического решения не вызывает сомнений, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование, приспособления и материалы.

Технический результат достигается при выполнении всех признаков изобретения.

Список источников

1. Способ локализации подводного взрыва, патент RU №2163348, МПК F42D 5/045, опубл. 20.02.2001 Бюл. №5.

2. Способ локализации подводного взрыва, патент RU №2163346, МПК F42D 5/045, опубл. 20.02.2001 Бюл. №5.

3. Николаев С.Е. Опыт разрушения морского льда направленным взрывом. - Труды ДАНИИ, 1971, т.300, с. 177 - 195.

4. Р. Коул Подводные взрывы. - М.: Изд. Иностранной литературы, 1950. - 494 с.

5. Кедринский В.К. Гидродинамика взрыва: эксперимент и модели. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 2000. - 435 с.

6. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, испр. - В 2 т.Т. 1. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 832 с.