Устройство для регистрации состояния, симметрии и динамики движения лайнеров в газовой среде

Изобретение относится к области исследований квазиизэнтропической сжимаемости газов в мегабарной области давлений.

Использование экспериментальной техники мощных ударных волн для изучения экстремальных состояний изотопов водорода, как одного из элементов энергетики будущего, является сегодня основным источником информации о поведении сильно сжатой плазмы в области высоких температур и давлений мегабарного уровня. Существенно большие давления, превышающие почти на порядок соответствующие значения однократного ударно-волнового сжатия при значительном снижении эффектов необратимого нагрева, реализуются при квазиизэнтропическом сжатии веществ последовательностью ударных волн.

Существующие цилиндрические устройства и сферические устройства квазиизэнтропического сжатия содержат заряд мощного взрывчатого вещества (ВВ), охватывающий металлическую камеру высокого давления с газовой полостью. Для повышения уровня достигаемых давлений и чистоты исследуемого газа при снижении его необратимого нагрева такие камеры выполняют многокаскадными, а между камерой и зарядом ВВ могут располагаться прокладки из материалов с низким динамическим импедансом – оргстекло, полиэтилен и др. При этом верификация уравнений состояния различных газов и их смесей осуществляется сравнением расчетной и экспериментально измеренной диаграмм сжатия газовой полости. Критерием корректности проводимых расчетов является воспроизведение динамики движения ударных волн и лайнеров на всех стадиях работы устройства вплоть до момента, когда сжимающий лайнер начинает свое торможение на исследуемом газе. Расчеты калибруют с использованием экспериментальных данных по динамике движения ударных волн и лайнеров, регистрируемых в специально сконструированных макетах.

Известно устройство для регистрации движения ударной волны по элементам конструкции (М.А. Мочалов, Р.И. Илькаев, В.Е. Фортов и др., Измерение квазиизэнтропической сжимаемости гелия и дейтерия при давлениях 1500-2000 ГПа, ЖЭТФ 142, стр. 696-709, 2012 г.), содержащее полусферический заряд ВВ, установленный на стальном основании в виде кольца, в полости которого осесимметрично последовательно установлены полусферические прокладка из плексигласа (материала с низким динамическим импедансом) и стальной лайнер. На наружной и внутренней границах прокладки установлены электроконтактные датчики. В указанном устройстве регистрируют время и разновременность выхода детонационной и ударной волн на наружную и внутреннюю границы прокладки из плексигласа соответственно.

Недостатком такого устройства является ограниченная применимость получаемых результатов ввиду отсутствия в его конструкции камеры высокого давления.

Известно устройство для регистрации динамики движения стальной оболочки-лайнера (М.А. Мочалов, Р.И. Илькаев, В.Е. Фортов и др., Исследование квазиизэнтропической сжимаемости дейтерия и гелия при давлениях 1500-5000 ГПа, ЖЭТФ 146, стр. 169-185, 2014 г.), выбранное в качестве наиболее близкого аналога, содержащее размещенные на основании в виде кольца полусферический заряд ВВ, в полости которого осесимметрично последовательно установлены полусферические прокладка из материала с низким динамическим импедансом и стальной лайнер, электроконтактные датчики, размещенные на внутренней границе лайнера, измерительный приемник с датчиками-коллиматорами лазерной доплеровской диагностики (PDV-датчиками), установленными симметрично относительно оси устройства по схеме гетеродин – интерферометра.

В устройстве, выбранном в качестве наиболее близкого аналога, регистрируют время и разновременность выхода ударной волны на внутреннюю границу лайнера, и его подлета к радиусу расположения датчиков измерительного приемника. Одновременно с этим измеряют скорость движения внутренней границы лайнера.

Недостатком такого устройства является его низкая информативность: недоступны для регистрации времена выхода ударных волн на границы прокладки из оргстекла, отсутствуют газовое наполнение и возможность измерения динамики движения второго стального лайнера.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении информативности измерений динамики и симметрии движения лайнера при проведении эксперимента.

Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в получении в одном эксперименте всей совокупности данных, необходимых для калибровки газодинамических расчетов.

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемое устройство для регистрации состояния, симметрии и динамики движения лайнеров в газовой среде, содержащее размещенные на основании полусферический заряд ВВ, в полости которого осесимметрично последовательно установлены полусферические прокладка из материала с низким динамическим импедансом и первый стальной лайнер, электроконтактные датчики, размещенные на одной из границ первого лайнера, измерительный приемник с датчиками-коллиматорами, установленными симметрично относительно оси устройства по схеме гетеродин - интерферометра, в отличие от прототипа снабжено вторым, установленным осесимметрично в полости первого лайнера, полусферическим стальным лайнером с отверстиями, электроконтактные датчики дополнительно установлены на наружной границе прокладки, основание выполнено из стали сплошным, на его поверхности под вторым лайнером симметрично относительно оси устройства герметично закреплено выпуклостью в основание полусферическое оптическое окно из кварцевого стекла с образованием полости, предназначенной для напуска в нее газа под высоким начальным давлением, при этом датчики измерительного приемника установлены в основании по нормали к поверхности окна вплотную к нему.

Использование всей совокупности признаков заявляемого устройства позволяет наиболее близким образом смоделировать устройство квазиизэнтропического сжатия: осуществить наполнение полостей между первым и вторым лайнерами (первого и второго каскадов) газом с заданными начальными параметрами.

Установка датчиков измерительного приемника в стальном основании по нормали к поверхности окна в виде герметично закрепленного симметрично относительно оси устройства полусферического оптического окна из кварцевого стекла, вплотную к нему, совместно с выполнением отверстий во втором лайнере, позволяет в эксперименте непрерывно регистрировать диаграмму скорости W(t) движения внутренних границ обоих металлических лайнеров. По W(t) диаграммам можно сделать заключение о состоянии лайнеров (наличие откола, «пыления»), степени чистоты исследуемого газа, симметрии и динамике их движения.

Изобретение поясняется фигурой, на которой схематично изображено заявляемое устройство.

Устройство для регистрации состояния, симметрии и динамики движения лайнеров в газовой среде содержит размещенные на основании 1 полусферический заряд ВВ 2, в полости которого осесимметрично последовательно установлены полусферические прокладка 3 из материала с низким динамическим импедансом (например, из плексигласа) и первый стальной лайнер 4. Электроконтактные датчики 5, размещены в данном примере выполнения на наружной границе первого лайнера 4 и наружной границе прокладки 3. Датчики-коллиматоры 6 (PDV-датчики) измерительного приемника установлены симметрично относительно оси устройства по схеме гетеродин-интерферометра.

Второй, полусферический стальной лайнер 7 с отверстиями 8 осесимметрично установлен в полости первого лайнера 4.

Основание 1 выполнено из стали сплошным, на его поверхности под вторым лайнером 7 симметрично относительно оси устройства герметично закреплено выпуклостью в основание 1 полусферическое оптическое окно 9 из кварцевого стекла с образованием полости, предназначенной для напуска в нее газа 10 под высоким начальным давлением, при этом датчики 6 измерительного приемника установлены в основании 1 по нормали к поверхности окна 9 вплотную к нему.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

После срабатывания системы инициирования 11 происходит детонация ВВ 2 и возникает сферическая ударная волна, которая, последовательно проходя по элементам устройства, транслируется в газ 10, находящийся в полостях, образованных лайнерами 4, 7 и основанием 1. Ускорение второго лайнера осуществляется системой ударных волн, циркулирующих между первым 4 и вторым 7 лайнерами, и происходит без заметного набора энтропии – квазиизэнтропически. При этом с контактной границы между основанием 1 и зарядом ВВ 2 будет распространяться волна разрежения, так что охваченные ею слои устройства приобретут параметры нагружения, отличные от сферически симметричных. На момент начала движения внутренней границы второго лайнера 7 центральный угол, соответствующий сферически симметричному схождению, не превосходит 45º. Данное обстоятельство определяет количество датчиков PDV 6 и угол их расположения относительно оси устройства.

Установка электроконтактных датчиков 5 на одной из границ первого лайнера 4 и на наружной границе прокладки 3, установка датчиков-коллиматоров 6 в основании 1 по нормали к поверхности окна 9 вплотную к нему совместно с выполнением отверстий 8 во втором лайнере 7 и использованием полусферического оптического окна 9 из кварцевого стекла, герметично закрепленного на поверхности основания 1 из стали под вторым лайнером 7 симметрично относительно оси устройства, позволяет в эксперименте измерять время и разновременность начала движения прокладки 3 и первого лайнера 4, непрерывно регистрировать диаграмму скорости W(t) движения внутренних границ обоих металлических лайнеров 4 и 7. По W(t) диаграммам можно сделать заключение о состоянии лайнеров 4 и 7 (наличие откола, «пыления»), степени чистоты исследуемого газа, симметрии и динамике их движения.

Таким образом, конструкция заявляемого устройства позволяет регистрировать следующую информацию: время и разновременность выхода детонационной и ударной волн на наружную и внутреннюю границы прокладки из материала с низким динамическим импедансом, состояние, симметрию и динамику движения внутренних границ обоих металлических лайнеров.