СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАРЯДА ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА И СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ СВОЙСТВ ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА

Изобретение относится к области исследования материалов радиографическими методами с применением высокоинтенсивных ударных воздействий, в частности к способам и устройствам исследования материалов при ударно-волновом нагружении с помощью протонной радиографии, к способам моделирования различных динамических систем, характеризующихся протекающими в них сложными процессами и явлениями, и может быть использовано для исследования уравнений состояния материалов, например, во взрывных экспериментах, изучения поведения объектов и различных материалов, определения их структуры и т.д.

Известен способ исследования материалов при ударно-волновом нагружении, например, по патенту RU 2250434 (публикац. 20.04.2005), включающий непрерывную регистрацию положения, профиля и скорости перемещающегося под воздействием продуктов взрыва нагружаемого элемента в виде поверхности. При этом используют, по крайней мере, два резистивных датчика коаксиальной конструкции, которые устанавливают изолированными концами вплотную и перпендикулярно исследуемой поверхности, а другие концы резистивных датчиков закрепляют неподвижно и подключают их к своим измерительным трактам без образования тока в резистивных датчиках, предварительно измерительные тракты калибруют с целью получения зависимостей их выходных напряжений от эталонных резисторов, осуществляют высокоскоростное воздействие перемещающейся поверхности на каждый резистивный датчик, используя информационные сигналы с измерительных трактов и калибровочные зависимости, строят графики перемещения отдельных частей поверхности во времени, первые производные от которых характеризуют скорости этих частей, по графикам перемещения определяют в любой фиксированный момент времени регистрации как положения отдельных частей поверхности, так и ее профиль в целом.

Применение контактных датчиков вносит дополнительные возмущения и неточности из-за взаимодействия с перемещаемой поверхностью. Кроме того, способ имеет ограниченные функциональные возможности, которые не позволяют проводить измерения асимметрии и динамики движущихся сферических, цилиндрических, параболических или других сложных форм поверхностей.

Известен другой способ исследования характеристик заряда взрывчатого вещества (ВВ), в частности, его метательной способности по патенту RU 2069837 (публикац. 27.11.1996), выбранный в качестве ближайшего аналога заявляемому способу исследования характеристик заряда ВВ. Способ включает ударно-волновое нагружение металлической круглой пластины при подрыве исследуемого заряда ВВ, при котором с помощью проникающего излучения, используя многокадровую регистрирующую систему, производят рентгеноимпульсную съемку нагружаемого элемента в процессе его перемещения под воздействием продуктов взрыва. Инициирование цилиндрического заряда ВВ осуществляют с торца. Одновременно с пластиной перемещают набор концентрических колец, установленных вокруг пластины у торца заряда, причем предварительно производят на пленку статический снимок пластины, колец и реперов и затем реперы удаляют перед подрывом заряда, а динамический снимок производят на ту же пленку. Полученные кадры обрабатывают и используют для определения характеристик заряда ВВ.

Известный способ позволяет исследовать метательную способность различных ВВ по измерению дифференциального распределения импульса и энергии в центре и равноудаленных кольцевых зонах нагружаемых элементов, а также и интегрального импульса продуктов взрыва, но не позволяет зарегистрировать положение фронта детонационной волны, фронта отраженной волны в продуктах взрыва, что снижает точность исследований и информативность способа.

Известно устройство исследования характеристик заряда ВВ (Tarver С.М., Forbes J.V., Garcia F., Urtiev P.A., Manganin Gauge and Reactive Flow Modeling Study of the Shock Initiation of PBX 9501//Shock Compressed of Condensed Matter// 2001), в частности для измерения давления волны на стадии возбуждения детонации ВВ. Устройство включает ударник в виде алюминиевой пластины и образец исследуемою ВВ. В опытах производился удар алюминиевой пластины по образцу ВВ с манганиновыми датчиками, регистрирующими давление проходящей волны.

Данное устройство позволяет определить параметры только для определенной стадии развития процесса детонации.

Известно другое устройство для определения параметров ВВ (Explosive equation of state determination by the AWRE method. Cylinder Test Wall Velocity: Experimental and Simulated Data: (Report); Menikoff Ralph, Scovel Christina Α., Shaw Milton S.; LA-UR-13-23630, Los Alamos, New Mexico, 17.05.2013)), выбранное в качестве ближайшею аналога заявляемому устройству исследования характеристик заряда ВВ. Известное устройство включает исследуемый заряд ВВ и нагружаемый элемент, который выполнен в виде медной толстостенной цилиндрической трубы, установленной с возможностью перемещения под воздействием продуктов взрыва исследуемого заряда ВВ, источник излучения, оптическую однокадровую и лазерную системы регистрации и источник инициирования, детонационно соединенный с исследуемым зарядом ВВ. Исследуемый заряд ВВ размещен внутри трубы. Источник инициирования размещен с одного из торцов заряда ВВ и инициирует его по кольцу. Осуществляют регистрацию изображения разлета трубы на некоторый момент времени. С помощью лазера производят измерение скорости разлета трубы в некоторых контрольных точках.

Основным недостатком известного устройства использование однокадровой системы регистрации, обеспечивающей получение изображения на один из моментов времени. Лазерная система обеспечивает регистрацию только скорости трубы при разлете. Системы регистрации не позволяют получать форму отраженной от нагружаемого элемента ударной волны, распространяющейся в продуктах взрыва, что снижает информативность исследований и точность полученных результатов.

Известен способ идентификации свойств материалов при больших деформациях и неоднородном напряженно-деформированном состоянии по патенту RU 2324162 (публикац. 10.05.2008). Способ включает проведение испытаний образцов материалов на растяжение, сжатие, кручение, твердость, далее из экспериментов определяют зависимости интегральных параметров нагружающих усилий от перемещений, после чего производят идентификацию результатов экспериментов с помощью численною моделирования процесса деформирования лабораторных образцов или элементов конструкции, и в результате определяют истинную диаграмму деформирования на основе итерационной корректировки интенсивности напряжений на диаграмме пропорционально отношению значений нагружающих усилий в расчете и эксперименте при одинаковых перемещениях до совпадения их с заданной точностью.

Данный способ применим для исследования свойств материалов в области упругопластических воздействий и не подходит для ударно-волнового нагружения.

Известен другой способ идентификации, в частности свойств ВВ (Explosive equation of slate determination by the AWRE method. Cylinder Test Wall Velocity: Experimental and Simulated Data: (Report); Menikoff Ralph, Scovel Christina Α., Shaw Milton S.; LA-UR-13-23630, Los Alamos, New Mexico, 2013-05-17), принятый в качестве ближайшего аналога заявляемому способу. Известный способ идентификации свойств ВВ включает предварительное определение свойств исследуемого ВВ по регистрации разлета нагружаемого элемента - медной толстостенной длинной трубы под воздействием продуктов взрыва цилиндрического заряда, установленного в трубе и выполненного из исследуемого ВВ. При этом выбирают участки трубы, так называемые контрольные точки, и с помощью лазерной методики PDV измеряют скорость их разлета в фиксированный момент регистрации, затем осуществляют обработку данных с последующим сравнением результатов эксперимента и расчетных данных. Для газодинамического расчета при использовании пожаробезопасного состава ВВ используют следующие значения параметров Жуге: для плоских сборок Р_ж=26 ГПа, для длинных цилиндрических зарядов разного диаметра (до ∅20 см), размещенных в толстых медных трубах Р_ж=30 ГПа. Параметром сравнения в данном способе идентификации является скорость разлета, которую изображают графически как по результатам эксперимента, так и по расчетным данным. По графику определяют соответствие расчетных параметров экспериментальным результатам.

Данный способ позволяет судить о соответствии расчетных параметров экспериментальным результатам только по скорости разлета контрольных точек, что недостаточно для получения формы нагружаемого элемента на большом временном интервале. Недостатком данного способа идентификации является недостаточная точность и информативность.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является определение с более высокой точностью параметров ВВ.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности и информативности.

Указанный технический результат достигается за счет того, что:

- в способе исследования характеристик заряда ВВ, включающем ударно-волновое нагружен и е элемента при подрыве исследуемого заряда, при котором с помощью проникающего излучения, используя многокадровую регистрирующую систему, производят съемку процесса перемещения нагружаемого элемента под воздействием продуктов взрыва, полученные кадры обрабатывают и используют для определения характеристик заряда ВВ, новым является то, что в качестве проникающего излучения используют протонное излучение, сформированное в виде отдельных банчей, при ударно-волновом нагруженне осуществляют сжатие нагружаемого элемента, формируют теневые протонные изображения, при этом дополнительно регистрируют фронт детонационной волны и фронт отраженных от нагружаемого элемента ударных волн, распространяющихся в продуктах взрыва;

- в устройстве исследования характеристик заряда ВВ, содержащем динамическую сборку с исследуемым зарядом ВВ и нагружаемым элементом, который выполнен в виде оболочки, установленной с возможностью перемещения под воздействием продуктов взрыва исследуемого заряда, источник излучения, систему регистрации и источник инициирования, детонационно соединенный с исследуемым зарядом, новым является то, что динамическая сборка размещена во взрывозащитной камере, снабженной радиографическими окнами для прохождения излучения, при этом оболочка выполнена осе симметричной формы, исследуемый заряд размещен вокруг оболочки, а источник инициирования соединен с исследуемым зарядом через одноточечный инициатор, причем в качестве источника излучения используют источник протонов, ускоряемых в синхрофазотроне, а в качестве системы регистрации - многокадровую систему регистрации протонных изображений, сформированных с помощью магнитооптической системы;

- в способе идентификации свойств ВВ, включающем определение свойств исследуемого ВВ по регистрации перемещения нагружаемого элемента под воздействием продуктов взрыва заряда, выполненного из исследуемого ВВ, с последующей обработкой результатов эксперимента и сравнения с расчетными данными по выбранному параметру сравнения, новым является то, что нагружаемый элемент выполняют сферической формы, осуществляют многокадровую регистрацию нагружаемого элемента при сжатии с формированием теневых изображений, по которым определяют форму нагружаемого элемента, профиль детонационной волны и отраженных от нагружаемого элемента ударных волн, которые выбирают в качестве параметров сравнения, а расчетные данные по этим параметрам получают в результате численного моделирования процесса ударно-волнового нагружения элемента, состоящего из построения компьютерной модели сжатия нагружаемого элемента, физических факторов, воздействующих на него, задания граничных условий и параметров расчета.

Нагружаемый элемент может быть выполнен из нескольких оболочек, при этом их выполняют с общим центром и примыкающими друг к другу.

Применение в качестве проникающего излучения протонного излучения, сформированного в виде отдельных банчей, обеспечивает получение экспериментальных данных по процессу формирования детонационной волны и отраженных ударных волн.

Процесс, происходящий при сжатие нагружаемого элемента во время ударно-волнового нагружения, является неустойчивым процессом, что позволяет более точно определить параметры исследуемого ВВ, по сравнению с ближайшим аналогом, где осуществляют процесс разлета.

Формирование теневых протонных изображений позволяет регистрировать форму нагружаемого элемента при сжатии, фронт детонационной волны и фронт отраженных от нагружаемого элемента ударных волн, распространяющихся в продуктах взрыва, что обеспечивает получение полного набора газодинамических параметров, позволяющих однозначно определить все параметры исследуемого вещества.

Размещение сборки нагружаемый элемент - исследуемый заряд ВВ во взрывозащитной камере, снабженной радиографическими окнами, позволяет снизить импульсное воздействие от продуктов взрыва, осколков и ударной волны, возникающих при проведении экспериментов и осуществить проведение многокадровой импульсной радиографической съемки взрывных процессов.

Выполнение оболочки осесимметричной формы упрощает обработку результатов.

Выполнение нагружаемого элемента из нескольких оболочек позволяет исследовать динамику движения оболочек из различных материалов, что обеспечивает повышение информативности исследований.

Размещение исследуемого заряда ВВ вокруг оболочки, позволяет осуществить процесс ее сжатия.

Соединение источника инициирования с зарядом ВВ через одноточечный инициатор позволяет обеспечить требуемую симметрию распространения детонационной волны.

Использование многокадровой системы регистрации протонных изображений, сформированных с помощью магнитооптической системы, позволяет получить динамические характеристики процесса нагружения (многократно регистрировать положение фронта детонационной волны, определять скорость распространения, сжатия и т.д.) и формировать теневые протонные изображения области исследования с получением большего объема информации о происходящих там процессах.

Выполнение нагружаемого элемента сферической формы позволяет упростить ее изготовление и использовать двумерные расчеты.

Осуществление многокадровой регистрации формы нагружаемого элемента при сжатии позволяет получить больше информации о процессе, в том числе о продуктах взрыва.

Определение по результатам эксперимента - теневым протонным изображениям, например, с помощью преобразования Абеля или методом компенсации формы нагружаемого элемента, профиля детонационной волны и отраженных от нагружаемого элемента ударных волн, которые принимают за параметры сравнения, позволяет обеспечить точность обработки и анализа.

Получение расчетных данных в результате численного моделирования процесса ударно-волнового нагружения элемента, состоящего из построения компьютерной модели нагружаемого элемента, физических факторов, воздействующих на него, задания граничных условий и параметров расчета, позволяет обеспечить адекватное описание напряженно- деформированного состояния. Кроме того дает возможность идентификации параметров, которые используются в вычислительных программах, например, МИМОЗА (Софронов И.Д., Афанасьева Е.А., Винокуров О.А., Воропинов А.И., Змушко В.В., Плетенев Ф.А., Рыбаченко П.В., Сараев В.А., Соколова Н.В., Шамраев Б.Н. «Комплекс программ МИМОЗА для решения многомерных задач механики сплошной среды на ЭВМ Эльбрус-2», ВАНТ. сер. Математическое моделирование физических процессов, 1990, Вып. 2 с. 3-9) и IZOMIM (Змушко В.В. «Программа графической обработки двумерных задач в комплексе программ МИМОЗА», сборник докладов на Международный семинар супервычислений и математического моделирования, г. Саров, 2002), ANSYS (ANSYS для инженеров. Справочное пособие. А.В. Чигарев. А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк Издательство: Машиностроение I, 2004) и многих др., что обеспечивает хорошую согласованность расчетных значений с экспериментальными.

На фиг. 1 схематично изображено устройство исследования характеристик заряда ВВ.

На фиг. 2 изображена схема размещения устройства исследования характеристик заряда ВВ с элементами протонографического комплекса (ПРГК) в канале инжекции ускорителя У-70.

На фиг. 1, 2: 1 - источник инициирования; 2, 3 - исследуемый заряд ВВ; 4, 5 - оболочка из меди в виде двух полусфер: 6 - оболочка из алюминиевого сплава; 7 - опорный диск; 8, 9, 10 - фиксирующие элементы, 11, 12 - корпус сборки; 13 - переходник: 14 - детонационный столбик; 15 - малогабаритная взрывозащитная камера (МВЗК); 16 - магнитные линзы системы формирования протонных изображений; 17 - коллиматор; 18 - поворотное зеркало; 19 - сцинтилляционный конвертер; 20 - токовый детектор: 21 - цифровые камеры системы регистрации протонных изображений.

На фиг. 3, 5, 7, 9 представлены протонные радиограммы процесса развития детонации в начальный момент времени, подученные экспериментально и с последующей оцифровкой.

На фиг. 4, 6, 8, 10 представлены протонные радиограммы процесса развития детонации в начальный момент времени, полученные расчетным путем.

На фиг. 11, 13, 15, 17 представлены протонные радиограммы динамики сжатия полости, ограниченной оболочками, полученные экспериментально.

На фиг. 12, 14, 16, 18 представлены протонные радиограммы динамики сжатия полости, ограниченной оболочками, полученные расчетным путем.

На фиг. 20, 22, 24, 26 представлены протонные радиограммы процесса сжатия оболочек, полученные экспериментально.

На фиг. 21, 23, 25, 27 представлены протонные радиограммы процесса сжатия оболочек, полученные расчетным путем.

На фиг. 28, 29, 30, 31 - сопоставление положения внешней и внутренней границ оболочек в эксперименте и смоделированных изображениях.

Устройство исследования характеристик заряда ВВ включает динамическую сборку, состоящую из стального сферического корпуса, в котором размещен нагружаемый элемент, выполненный из двух оболочек сферической формы (одна из меди M1, одна - алюминиевый сплав Д20), окруженных исследуемым зарядом ВВ, соединенным с электродетонатором через детонационный столбик, выполненный в переходнике.

В качестве примера конкретной реализации устройства, позволяющего осуществить заявляемые способы, может служить устройство, которое выполнено на основе действующего синхрофазотрона У-70, построенного в г. Протвино [Новости и проблемы фундаментальной физики, №1(5), 2009 г., с. 32-42], и включает камеру МВЗК с динамической сборкой, содержащей исследуемое ВВ, системы формирования и регистрации протонного изображения. Система формирования протонного изображения представляет собой магнитооптическую систему, состоящую из магнитных линз и коллиматора. Система регистрации состоит из сцинтилляционного конвертера, зеркала и цифровых камер.

Способ осуществляется следующим образом. Изготавливают динамическую сборку путем снаряжения корпуса, состоящего из двух полусфер 11 и 12, выполненных из оргстекла, исследуемым ВВ 2, 3, которое размещают вокруг нагружаемого элемента, состоящего из двух сферических оболочек 4, 5, 6. Полусферы с помощью фиксирующих элементов 8, 9, 10 скрепляют, устанавливают предварительно снаряженный переходник 13 для соединения заряда ВВ с электродетонатором 1. Сборку с опорными дисками 7, выполненными из капролона, помещают в МВЗК 15, установленную в тоннеле канала инжекции ускорителя У-70. Проводят два опыта. В первом опыте в течение 4,8 мкс исследуют процесс развития детонации в начальный момент времени. Второй опыт проводят для исследования процесса сжатия оболочек - формирования профиля плотности оболочек вблизи максимального сжатия. Для чего осуществляют одноточечное инициирование исследуемого заряда ВВ путем передачи импульса по детонационному столбику 14 от электродетонатора 1. Стадию формирования детонационной волны, форму оболочек при сжатии, положение фронта ударной волны и отраженных от оболочек волн определяют с помощью протонной радиографии. Используя многокадровость, можно определить скорость движения ударной волны. Протоны для просвечивания от источника подаются сгустками через строго определенные интервалы времени, что позволяет за время движения ударной волны сделать несколько десятков кадров системой регистрации, состоящей из сцинтилляционного конвертера 19, зеркала 18 и цифровых камер 21. Система формирования протонных изображений включает коллиматор 17 и магнитные линзы 16, апертура которых соответствует ширине сформированного протонного пучка. Многократно регистрируется положение фронта детонационной волны, количество кадров может доходить до 30, а регистрация ведется в течение ~5 мкс, временной интервал между сгустками 0.165 мкс. По результатам проведенных опытов было получено 26 кадров (по 13 на каждый опыт) хорошего качества. Полученную информацию в электронном виде отправляют на компьютер для обработки с помощью программ МИМОЗА.

После обработки экспериментальные изображения использовались и могут в дальнейшем использоваться для сравнения с расчетами и расчетными протонными радиограммами. На экспериментальных протонных радиограммах фиг. 3, 5, 7, 9 (были выбраны для примера 4 кадра из 13) была проведена оцифровка фронта детонационной волны, отраженных ударных волн в продуктах взрыва (ПВ), отраженных ударных волн от металлических оболочек 4, 5, 6 и от внешнею корпуса 11, 12. Все эти волны выделены (поставлены крестики). Для идентификации полученных данных осуществляли сравнение с расчетной моделью, содержащей комплекс газодинамических расчетов сжатия оболочек и параметры материалов, входящих в сборку. Начальная постановка расчета включает описание начальной геометрии с привязкой ко всем физическим областям соответствующих веществ. Были проведены двумерные расчеты детонационной волны и отраженных ударных волн. На фиг. 4, 6, 8, 10 представлены результаты, полученные расчетным путем.

Во втором опыте были проведены исследования динамики сжатия полости и сферических оболочек. Полученные экспериментальные протонные радиограммы были использованы для восстановления профиля плотности с помощью преобразования Абеля. Для сопоставления формы полости и положения границ оболочек на разные моменты времени было выбрано для представления также из 13 кадров - 4 кадра. На фиг. 11, 13, 15, 17 представлены экспериментальные кадры динамики сжатия полости после преобразования Абеля, на фиг. 12, 14, 16, 18 - поля плотностей из расчета. На фиг. 20, 22, 24, 26 представлены экспериментальные, а на фиг. 21, 23, 25, 27 смоделированные прогонные радиограммы формы сферических оболочек при сжатии во втором опыте.

Для наглядности на фиг. 28, 29, 30, 31 представлено положение внешней и внутренней границ медной оболочки в эксперименте (линия с треугольниками) и в смоделированных изображениях (линия с шариками) для некоторых кадров второго опыта.

Как видно из сравнительного анализа расчетные и экспериментальные данные хорошо согласованы.

Заявляемое изобретение позволяет получить большой объем информации при исследовании свойств ВВ путем осуществления многокадровой протонографической регистрации быстропротекающих процессов в динамических системах. При этом, по сравнению с известными аналогичными способами и устройствами заявляемое изобретение обладает рядом существенных преимуществ: многократная регистрация положения фронта детонационной волны, положения фронта и формы оболочки при сжатии, формы отраженной от оболочки ударной волны, распространяющейся в продуктах взрыва, позволяет обеспечить точность обработки полученных результатов и анализа.