Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СОЗДАНИЯ НАПРАВЛЕННОГО ВЗРЫВА

Описание изобретения

Изобретение относится к области создания направленных взрывов и может быть использовано для создания подводных ударных волн.

Подводная ударная волна представляет собой резкое сжатие воды. Переднюю границу подводной ударной волны называют фронтом. Здесь давление имеет максимальное значение.

В момент прихода фронта подводной ударной волны в данную точку давление воды в этой точке мгновенно увеличивается от гидростатического до максимального, находящийся здесь объект испытывает резкий удар.

Область техники

Известен способ [1] создания направленного взрыва, основанный на кумулятивном эффекте.

Кумулятивный эффект - усиление действия взрыва путем его концентрации в заданном направлении, достигаемое применением заряда с выемкой, противоположной местонахождению детонатора и обращенной в сторону поражаемого объекта. Кумулятивная выемка, обычно конической формы, покрывается металлической облицовкой, толщина которой может варьироваться от долей миллиметра до нескольких миллиметров.

Кумулятивный эффект применяется в исследовательских целях (возможность достижения больших скоростей вещества - до 90 km/s), в горном деле, в военном деле (бронебойные снаряды).

После взрыва капсюля - детонатора, находящегося на противоположной по отношению к выемке стороне заряда, возникает детонационная волна, которая перемещается вдоль оси заряда.

Волна, распространяясь к боковым образующим конуса облицовки, схлопывает ее стенки навстречу друг другу, при этом в результате соударения стенок облицовки давление в ее материале резко возрастает. Давление продуктов взрыва, достигающее порядка 10¹⁰ Pascal (10⁵ kg/cm²), значительно превосходит предел текучести металла, поэтому движение металлической облицовки под действием продуктов взрыва подобно течению жидкости, однако обусловлено не плавлением, а пластической деформацией.

Аналогично жидкости, металл облицовки формирует две зоны - большую по массе (порядка 70-90%), медленно движущуюся и меньшую по массе (порядка 10-30%), тонкую (порядка толщины облицовки) гиперзвуковую металлическую струю, перемещающуюся вдоль оси симметрии заряда. Скорость этой струи зависит от скорости детонации взрывчатого вещества и геометрии воронки. При использовании воронок с малыми углами при вершине, возможно, получить крайне высокие скорости, но при этом возрастают требования к качеству изготовления облицовки, так как повышается вероятность преждевременного разрушения струи. В современных боеприпасах используются воронки со сложной геометрией (экспоненциальные, ступенчатые и др.) с углами в диапазоне 30-60 градусов; скорость кумулятивной струи при этом достигает 10 km/s.

Поскольку при встрече кумулятивной струи с броней развиваются очень высокие давления, на один-два порядка превосходящие предел прочности металлов, то струя взаимодействует с броней в соответствии с законами гидродинамики, то есть при соударении они ведут себя как идеальные жидкости. Прочность брони в ее традиционном понимании в этом случае практически не играет роли, а на первое место выходят показатели плотности и толщины бронирования.

При схлопывании конической оболочки скорости отдельных частей струи оказываются различными и струя в полете растягивается. Поэтому небольшое увеличение промежутка между зарядом и мишенью увеличивает глубину пробивания за счет удлинения струи. Однако при значительных расстояниях между зарядом и мишенью непрерывность струи нарушается, что снижает бронебойный эффект. Наибольший эффект достигается на так называемом «фокусном расстоянии»; для выдерживания этой дистанции используют различные типы наконечников соответствующей длины.

Теоретическая пробивная способность кумулятивных снарядов пропорциональна длине кумулятивной струи и квадратному корню отношения плотности облицовки воронки к плотности брони. Практическая глубина проникновения кумулятивной струи в монолитную броню у существующих боеприпасов варьируется в диапазоне от 1,5 до 4 калибров.

Таким образом, направленный взрыв, основанный на кумулятивном эффекте, имеет принципиальный недостаток - малую дальность распространения кумулятивной струи.

Известен способ [2] создания направленных ударных волн с помощью взрывающихся проволочек. Взрыв осуществляется путем разряда заряженной батареи конденсаторов через группу проволочек, расположенных в пространстве определенным образом, например по окружности. Батарея состоит из специальных малоиндуктивных конденсаторов, при этом соединительные провода должны быть тщательно подобраны таким образом, чтобы их индуктивность была минимальной. Так же тщательно должен быть сконструирован и коммутатор конденсаторной батареи на нагрузку.

При пропускании тока через проволочки они нагреваются, плавятся и испаряются за столь короткий промежуток времени [3], что за это время их форма не успевает измениться. Разогретый газ расширяется, возникает яркая вспышка света и формируется ударная волна.

Этот способ создания направленной взрывной волны является наиболее близким к заявляемому способу и может быть выбран за прототип.

Недостатки прототипа

Однако прототип имеет принципиальный недостаток - малое энерговыделение взрыва. Этот недостаток связан с тем, что плотность запасенной энергии в конденсаторах электрической батареи в сотни раз меньше плотности энергии, содержащейся во взрывчатых веществах. Причем если к проволочкам энергию от конденсаторной батареи надо передавать по специальным проводникам, то во взрывчатых веществах энергия запасена внутри и требуется только инициировать взрыв, ее высвобождающий.

Связь отличительных признаков с положительным эффектом

Указанный недостаток устраняется тем, что форма взрывчатого вещества и его расположение выбирают такими, чтобы в результате взрыва образовался вогнутый сферический фронт ударной волны, так что в результате взрыва часть его энергии сфокусируется в заранее выбранной точке, на заданном расстоянии от взрывчатого вещества.

Сущность настоящего изобретения заключается в том, что в способе создания направленного взрыва, включающего взрыв первоначальных источников и создание ударной волны, в качестве первоначальных источников используют взрывчатое вещество, формируемое в виде спиралей с переменными шагом и радиусом намотки, которые располагают в пространстве веером, образуя круговой прямой конус, в котором угол при вершине Θ связан со скоростями взрывной волны V_вз.в и ударной волны V_зв.в соотношением: Θ=arccos (V_зв.в/V_вз.в), с последующим подрывом конуса со стороны вершины.

На Фиг.1 схематически показано взаимное расположение элементов. Треугольником АВС показано продольное сечение конуса с углом Θ при вершине В. Боковая поверхность конуса (на чертеже отрезки ВА и ВС) выложена гексогеновыми нитями, свернутыми в спираль. Всего таких спиралей n=36, и они расположены по азимуту через равные угловые промежутки, в данном случае ΔΘ=10°. Угол при вершине конуса Θ, шаг и радиус намотки спирали выбирают такими, чтобы проекция скорости распространения взрывной волны на высоту конуса была равна скорости распространения звука в воде. Тогда звуковая волна от разрыва любой точки спирали, придет одновременно на все основание конуса, в проекции в точки A, D и С. Если спирали намотать с переменными шагом и радиусом намотки, то можно сформировать сферический вогнутый фронт взрывной волны, сечение которого на чертеже показано точками А, Е, С.Такая сферически сходящаяся звуковая (ударная) волна сфокусируется в точке О, находящейся на радиусе r от конуса. При угле сходимости Θ', много меньшем Θ, радиус фокусировки будет много больше, чем высота конуса.

Выбор основных параметров

1. Динамика взрыва

Для воды коэффициент сжимаемости равен [4], стр.71, k_воды=5*10^-5 atm^-1. Для давлений, меньших 10³ atm, плотность воды в ударной волне мало отличается от плотности при нормальных условиях и скорость ударной волны примерно равна скорости звука: V_зв.в≈1.5 km/s, [4], стр.83.

2. Выбор раствора угла при вершине конуса

Поскольку скорость детонационной волны в гексогене V_д.в.=8.36 km/s, [5], значительно превосходит скорость звука в воде V_зв.=1.5 km/s, то для создания плоского фронта ударной (звуковой) волны надо выбрать угол раствора конуса равным:

Соответствующий угол между скоростью детонационной волны и скоростью звука при этом равен: Θ_{пл.фр 1}=80°.

Пусть диаметр основания такого конуса составляет:

D_кон=150 m, а сам он имеет толщину Δh_кон=1 cm, тогда, считая что длина стороны конуса примерно равна половине диаметра основания, найдем, что площадь боковой поверхности конуса примерно равна площади основания: объем, занимаемый гесогеном: V_кон=700 m³, считая плотность гексогена, [5], равной: ρ_гек=1.8 g/cm³, найдем, что его общая масса будет равна: М_гек=ρ_гек*V_кон=1260 tons.

При подрыве такого конуса со стороны вершины в плоскости его основания образуется плоский фронт ударной волны. Однако использование такого количества взрывчатки кажется чрезмерным и длительность фронта, длительность нарастания давления во взрывной волне при этом будет чрезмерно короткой: τ_взр=Δh_кон/V_д.в.≈1 µs, что приведет к очень быстрой диссипации энергии взрывной волны за счет затухания, [6]. Как показано в [6], дальность распространения звука с частотой f_зв=4/τ_взр=0.25 MHz составляет величину меньше 1 километра.

В то же время расстояние, на котором звук с частотой f_зв=2.5 kHz уменьшает свою интенсивность в 10 раз за счет затухания, составляет величину порядка 100 km, [6]. Чтобы увеличить на 2 порядка длительность фронта взрыва, пришлось бы увеличить толщину Δh_кон конуса, что приведет к увеличению на 2 порядка массы взрывчатого вещества, которая и так, в данном варианте распределения, представляется чрезмерной.

Выберем угол раствора конуса равным: Θ_{пл.фр 2}=45°.

3. Формирование плоского фронта звуковой волны конусом с углом при вершине, равным: Θ_{пл.фp 2}=45°

Чтобы получить такой угол между направлением взрывной волны и скоростью звука в воде, необходимо замедлить скорость распространения взрывной волны. Это можно сделать, если «выложить» боковую поверхность конуса гескогеновыми нитями, свернутыми в спираль. Пусть всего таких нитей будет n=36, то есть по азимуту они будут равномерно расположены через каждые 10 градусов.

Процесс замедления взрывной волны в спирали носит чисто геометрический характер: собственно детонационная волна распространяется по спирали со скоростью V_д.в.=8.36 km/s, скорость распространения взрывной волны вдоль оси спирали при этом меньше, она равна:

где h_сп - шаг намотки спирали, r₀ - радиус спирали.

Выберем радиус намотки спирали равным: r₀=25 cm. Тогда диаметр такой гексогеновой спирали равен d_сп=50 cm. Чтобы угол между скоростью взрывной волны и скоростью звуковой волны составлял: Θ_{пл.фр 2}=45°, скорость взрывной волны, скорость распространения детонационной волны вдоль оси спирали, должна составлять V_вз.в=2.14 km/s и шаг спирали должен быть равен:

Пусть диаметр каждой гексогеновой нити составляет: d_нити=1 cm. Длина образующей конуса примерно в полтора раза превышает половину диаметра конуса, которую мы выбрали равной: D_кон=150 m,

Вдоль образующей умещается n=l_обр/h_сп=267 витков спирали, так что общая ее длина, при длине витка 2πr₀=1.57 m, составит: l_сп=420 m.

Объем каждой спирали, при диаметре гексогеновой нити, равном: d_нити=1 cm, будет равен: m³.

Масса одной гексогеновой нити будет равна:

М_нити=ρ_гек*V_сп=60 kg, общая масса гексогена в n=36 спиралях, расположенных по боковой поверхности конуса, будет равна: М_гекс=М_нити*36=2.16 тонны. Энерговыделение гексогена при взрыве равно, [5], 1.37 kcal/kg или 5.75 GJ/ton. Такое количество взрывчатого вещества, расположенного на боковой поверхности конуса, кажется приемлемым.

4. Пространственная и временная длительности фронта ударной волны

Временная длительность фронта такой волны будет короткой, порядка τ_фр=πr₀/V_д.в.≈0.1 ms. Это связано с тем, что различные участки спирали взрываются последовательно, и проекция скорости взрывной волны на высоту треугольника как раз равна скорости звука. От двух точек, расположенных на диаметре, на одинаковом расстоянии от фокуса, взрывная волна, распространяющаяся вдоль высоты треугольника, придет с задержкой τ_фр=πr₀/V_д.в.≈0.1 ms.

Считая величину τ_фр половиной периода соответствующей этой длительности звуковой волны, найдем, что период волны Т₀ равен: Т₀=4*τ_фр=0.4 ms. Частота звуковой волны при этом равна: f_звук=2.5 kHz и расстояние, на котором звук такой частоты уменьшит свою интенсивность в 10 раз, составляет величину порядка 100 km, [6].

Такой частоте звуковой волны f_звук=2.5 kHz соответсвует длина волны: λ_зв=V_зв/f_звук=0.6 m.

5. Распространение плоского фронта звуковой волны конусом с углом при вершине, равным: Θ_{пл.фр 2}=45°

Рассмотрим распространение звуковой волны, сформированной плоским фронтом. Дифракционный предел, минимальный угол расходимости такого плоского фронта будет равен:

а размер области, занимаемой звуковой волной, будет равен:

где F - расстояние до точки наблюдения, в нашем случае F=20 km.

Подставляя цифры в формулу (6): λ_зв=0.6 m, D_кон=150 m, (λ_зв/D_кон)=4*10^-3, получим Δy=Θ_взр*F=(λ_зв/D_кон)*F=80 m.

Энергия взрыва гексогеновой спиральной будет равномерно распределена по телесному углу 4π, и в пространственном минимальном угле расходимости будет сосредоточена лишь соответствующая малая часть всей энергии взрыва.

6. Давление на фронте звуковой волны

Оценим давление, на фронте звуковой волны исходя из следующих соображений. Общее энерговыделение взрыва равно:

При длительности импульса, равной τ_фр=0.1 ms, мощность взрыва будет равна:

Таким образом, интенсивность звуковой волны на фронте можно оценить как

давление в звуковой волне будет равно:

Такое давление, на расстоянии F=20 km от точки взрыва, представляет практический интерес для ряда применений.

7. Формирование вогнутого сферического фронта звуковой волны конусом с углом при вершине, равным Θ_{пл.фp 2}=45°

Если при точечном взрыве можно получить только выпуклый сферический фронт, то при взрыве конуса, боковая поверхность которого выложена гексогеновыми нитями спиральной формы, можно получить как плоский, так и вогнутый сферический фронт.

Для получения плоского фронта надо, чтобы скорость распространения взрывной волны была постоянна и превосходила скорость распространения звука в воде, формула (2). Для получения вогнутого сферического фронта потребуется создать переменную, увеличивающуюся по мере распространения взрыва, скорость распространения взрывной волны.

Найдем условия, при которых время прихода фронта звуковой волны в точку фокуса О будет одним и тем же при разрыве любой точки на спирали, то есть любой точки, лежащей на отрезке АВ или ВС на боковой поверхности конуса.

Обозначим отрезок ВО - от вершины конуса до фокуса сферического фронта величиной l₀. Расстояние АВ мы обозначили величиной l_обр, тогда:

обозначим время, за которое звуковая волна пройдет расстояние l₀ как t₀, так что

За такое же время t₀ звуковая волна должна доходить до точки О от любой точки, находящейся на спирали. Обозначим расстояние от точки В - вершины конуса, до этой некоей точки как х. Тогда расстояние от этой точки х до точки О - центра сферы - равно r₁:

При удалении точки фокуса О на расстояние, много большее, чем высота или боковая сторона конуса, вогнутый сферический фронт волны будет почти плоским, то есть скорость распространения взрывной волны V (х) вдоль боковой поверхности конуса будет почти равной V_зв.в. Представим V(x)=V_вз.в+δV, где δV<<V_вз.в.

Найдем δV из соотношения

Для времени, соответствующего прохождению взрывной волной боковой поверхности конуса t_бок=l_обр/V_вз.в, разница между V(x)*cosΘ*t_бок и V_вз.в*cosΘ, равная δV*cosΘ*t_бок, равна а - высоте хорды:

откуда:

Зависимость скорости распространения взрывной волны V_x (x) слабая и можно выбрать, например, δV₁=δV*x/l_oбp, таким образом, чтобы при х=l_обр добавка к скорости δV₁ была равной δV.

Если скорость взрывной волны V_вз.в(х) будет изменяться при распространении вдоль боковой поверхности конуса в соответствии с законом, V(x)=V_вз.в+δV, δV₁=δV*x/l_oбp, , то время прихода звуковой волны (фронта взрывной волны) в точку О будет одним и тем же для всех точек, расположенных на боковой поверхности конуса.

Изменять скорость распространения взрывной волны вдоль боковой поверхности конуса можно шагом и радиусом намотки спирали в соответствии с формулой (2).

8. Фокусное расстояние

Если скорость распространения звуковой волны вдоль высоты конуса с углом раствора при вершине, равным Θ_{пл.фр 2}=45°, будет меньше скорости взрывной волны, распространяющейся вдоль оси спирали по боковой поверхности конуса, то в основании конуса образуется вогнутый фронт звуковой волны.

Сделаем поперечное сечение конуса, получим треугольник. Обозначим точками А и С точки, лежащие в основании треугольника, а точкой В - его вершину. Точка D пусть лежит на пересечении основания треугольника с его высотой, тогда точка Е, лежащая на одной и той же окружности радиуса r, что и точки А и С, находится внутри треугольника АВС. Обозначим величиной а расстояние ED - разницу между плоским и вогнутым фронтом на оси, величиной b - расстояние AD - половину ширины основания конуса. Точкой О обозначим центр окружности радиуса r, проходящей через точки AED, угол АОЕ обозначим величиной Θ'.

Тогда: (r-a)/r=sinΘ', b/r=cosΘ', запишем тождество:

sin²Θ'+cos²Θ'=1, в виде:

откуда найдем радиус окружности:

и, учитывая, что а<<b, получим:

Так, если мы хотим сфокусировать взрывную волну на расстоянии r=20 km, для b=D_кон/2=75 m, мы должны будем выдержать: а=b²/r≈0.3 m.

Давление в фокусе такой сходящейся звуковой волны будет, по крайней мере не меньше, чем давление на фронте плоской звуковой волны: Р>2 atm.

Время, за которое взрывная волна распространится от конуса на расстояние r=20 km, составит чуть больше 13 секунд.

Источники информации

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Кумулятивный_эффект

2. http://journals.ioffe.ru/jtf/2007/05/p35-40.pdf

3. В.Г. Чейс. Взрывающиеся проволочки, УФН, т.85, вып.2, стр.381, 1965.

4. Таблицы физических величин. Справочник под ред. И.К. Кикоина, Москва, Атомиздат, 1976.

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Гексоген

6. http://www.akin.ru/spravka/s_ocean.htm