Результат интеллектуальной деятельности: Удлиненный кумулятивный заряд и способ его изготовления

Изобретение относится к области взрывного дела, в частности к зарядам для взрывных работ, а именно - для взрывной резки, разрушения и разделения массивных, толстостенных металлических, бетонных и железобетонных конструкций различной конфигурации (формы). Оно направлено на повышение эффективности работ, снижение их трудоемкости и стоимости, повышение безопасности и экологичности при демонтаже, в первую очередь, крупногабаритных сооружений, объектов, а также при утилизации выводимой из эксплуатации тяжелой военной техники и вооружений.

Общеизвестно (Резка металлов взрывом / А.В. Аттетков, A.M. Гнускин, В.А. Пырьев, Г.Г. Сагидуллин. - М.: СИП РИА, 2000. - с. 131-142.) использование удлиненных кумулятивных зарядов (УКЗ) для решения задач разделения различных и, прежде всего, металлических преград. При многообразии названий (УКЗ, ДУЗ, ТСн, КУЗ, ЛКЗ, УКЗ-Л, ШКЗ, КУКЗ, УЖЗ, ЗК-Л, ЗКЛБ, УККЗ и др.) и конструкций общим для них всех является наличие профилированного и распределенного по длине заряда взрывчатого вещества (ВВ). Использование кумулятивной выемки позволяет концентрировать энергию взрыва в нужных направлениях (местах), повышая КПД взрыва.

Отметим сразу, что, несмотря на огромное количество разработанных на сегодняшний день и выпускаемых различными организациями в промышленных масштабах, и малыми опытными партиями УКЗ, для решения поставленных выше задач пригодны далеко не все из них. Прежде всего, по таким параметрам, как эффективность (под эффективностью УКЗ принято понимать обеспечение максимума глубины реза (разрушения) преграды при минимуме массы ВВ на единице длины заряда), технологичность изготовления, стоимость, безопасность в обращении, экологичность, удобство в работе в любых климатических условиях и др.

Известны (ТУ 3-2650-92. Удлиненные кумулятивные заряды прокатанные. Технические условия, Сам ПИ, 1992) удлиненные кумулятивные заряды, прокатанные - УКЗ-П, представляющие собой линейные заряды высокобризантного кристаллического ВВ (гексогена) в металлической оболочке (медной, алюминиевой, латунной) с профилированной вдоль образующей кумулятивной выемкой. Благодаря примененной прогрессивной технологии изготовления таких зарядов производительность процесса превосходит практически все остальные, применяемые при производстве корпусных (в металлической оболочке) удлиненных кумулятивных зарядов. Максимальная толщина перерезаемой стальной (сталь 3) преграды выпускаемыми на сегодняшний день такими зарядами составляет 35…40 мм (для УКЗ-П-50) при массе ВВ в таких зарядах 1200 г/м. В принципе, дальнейшее увеличение калибра УКЗ-П не должно представлять большой технической сложности, но это приведет к существенному увеличению массы ВВ в таких зарядах, а, следовательно, и к их удорожанию, что сделает процесс, в первую очередь, утилизации металла экономически не выгодным.

Кроме того, как и для всех цельнокорпусных УКЗ достаточно сложно обеспечить выгибание зарядов больших калибров (наружных диаметров) по радиусам кривизны преграды, особенно переменным без дополнительной оснастки и приспособлений. Большие трудности возникают также с надежным креплением таких зарядов, да еще и на «фокусном» расстоянии к вертикальным поверхностям разрезаемых преград, а также расположенным под различными углами наклона к горизонту.

При монтаже на разрезаемой преграде зарядов больших калибров резко повышается опасность работ для персонала.

Известны (патент РФ №2282817, 27.08.2006) УКЗ, изготавливаемые также прокатной пластичной металлической трубной заготовки, заполненной порошкообразным высокобризантным ВВ, через несколько последовательно расположенных клетей, состоящих из двух (верхнего и нижнего) приводных роликов. Профилируется заряд, имеющий в сечении форму сегмента. Таким образом предлагается изготавливать заряды диаметром до 1230 мм и длиной до 10 м. Расчетная величина уплотнения ВВ в таких УКЗ (по заверениям авторов) может достичь величины 1,7 и больше. Однако, из-за использования в качестве снаряжения в таких зарядах в большом количестве мощных высокобризантных индивидуальных ВВ (гексогена, октогена) стоимость УКЗ будет чрезмерно высокой. Кроме того, не оптимальная форма кумулятивной выемки не может обеспечить получение высокой эффективности заряда.

Также как и для предыдущего аналога не снимаются ограничения по технологичности монтажа таких зарядов на преградах сложного профиля и безопасности работ.

Известны (Средства поражения и боеприпасы: Учебник / А.В. Бабкин, В.А. Вельданов, Е.Ф. Грязнов и др.; Под общ. Ред. В.В. Селиванова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008, с. 504, табл. 6.11) и широко применяются на практике для решения задач взрывной резки различных металлических конструкций шнуровые кумулятивные заряды (ШКЗ) и их модернизированные варианты - ШКЗ-М, представляющие собой профилированный пруток эластичного взрывчатого вещества типа ЭГ-85 на основе гексогена с кумулятивной выемкой вдоль образующей заряда, облицованной гибкой лентой из металлизированного состава или с металлополимерным покрытием. Металлопласт, применяемый для облицовки выемки - вещество на полимерной основе, содержащее значительное (примерно 85%) количество порошкообразного железа или меди также как и ВВ обладает свойством эластичности. ШКЗ выпускаются шести марок (от ШКЗ-1 до ШКЗ-6), отличающихся друг от друга наибольшим размером поперечного сечения - калибром (соответственно - массой взрывчатого вещества (ВВ) на единице длины заряда) и длиной (от 1 до 50 метров). В поперечном сечении они имеют профиль, близкий к полуэллиптическому (принимая за большую полуось высоту Н заряда, а за малую - полуширину В/2, при этом Н≈В) с параболической кумулятивной выемкой. Максимальная толщина разрезаемой стальной преграды изменяется от 4 до 25 мм (для ШКЗ-1 и ШКЗ-6 соответственно); масса ВВ (без облицовки) при этом колеблется от (65±15) г/м до (730±40) г/м. ШКЗ-М выпускаются семи типоразмеров, пробивной способностью обладают той же, что и ШКЗ, но немного дешевле последних. Преимуществом ШКЗ (ШКЗ-М) является простота в обращении с ними, удобство при раскладке их по преградам сложного профиля (минимальный радиус кривизны преграды - от 5 до 25 мм).

Недостатками таких зарядов являются не достаточно большая толщина перерезаемой преграды (до 25 мм по стали 3), небольшой гарантийный срок хранения, затрудненность работы с ним при отрицательных температурах окружающей среды, трудности закрепления на вертикальных поверхностях большой протяженности и очень высокая их стоимость. Как и для предыдущих аналогов сохраняется и относительно высокая опасность работы с ними при монтаже их на разрезаемой поверхности.

Известны (Жегров Е.Ф., Милехин Ю.М., Берковсая Е.В. Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т .1. Химия: Монография - М.: РИЦ МГУП им. И. Федорова, 2011, с. 373-377, фиг. 135-139, табл. 111) заряды кумулятивные линейный на баллиститной основе - ЗКЛБ на основе мощного взрывчатого баллиститного состава типа РТГ (скорость детонации 7400-7500 м/с, критический диаметр детонации менее 10 мм). Внешне они схожи с описанными выше ШКЗ (ШКЗ-М) с теми отличиями, что профиль кумулятивной канавки имеет вид как параболы, так и уголка, а металлополимерное покрытие наносится либо только на кумулятивную выемку, либо на весь заряд. Отработана технология изготовления ЗКЛБ диаметром от 20 до 110 мм (ЗКЛБ-20…ЗКЛБ-110) с массой заряда от 358 до 10930 г/м и с пробивной способностью от 1 до 55 мм (по стали 3). Несмотря на то, что ЗКЛБ разрабатывались специально для ведения демонтажных работ и разделки металлоконструкций в металлолом, практического применения эти заряды не получили из-за чрезвычайно высокой их стоимости. Другим недостатком ЗКЛБ являются мощные ударно-волновые воздушные и сейсмические нагрузки, возникающие при их подрывах. Сохраняются и другие недостатки, перечисленные выше для ШКЗ (ШКЗ-М) и связанные со сложностями их монтажа на вертикальных поверхностях, потерей эластичности при отрицательных температурах, высокой опасностью при раскладке их по разрезаемой поверхности.

Известно (патент РФ №2011144, 15.04.94) линейное режущее кумулятивное устройство на основе эластичного или пластичного ВВ в корпусе из магнитоэластичного или магнитопластичного материала на основе магнитотвердых соединений с высокой величиной коэрцитивной силы и магнитной энергии.

За счет приливов в корпусе устройства обеспечивается надежное крепление его на «фокусном» расстоянии к поверхностям разрезаемых металлических конструкций, имеющих переменный радиус кривизны и расположенных под различными углами наклона от горизонтали.

Однако это преимущество заявленного устройства реализуется только при взрывной резке стальных преград (и только из намагничиваемых сталей). При этом преграда должна быть относительно чистой, устройство перед работой необходимо подвергнуть намагничиванию постоянным магнитным полем. Стоимость таких зарядов также чрезвычайно высокая не только из-за используемых в них ВВ (например, эластитов типа ЭЛ-2, ДЛЗ-20, ЭВВ-22 и др.), но и из-за материалов корпусов, куда входят дорогостоящий на сегодня дивинилстирольный каучук марки ДСГ и чрезвычайно дорогой порошок феррита бария двух фракций. При отрицательных температурах воздуха такие заряды, как и предыдущие, заметно теряют свою эластичность и охрупчиваются. Гарантийный срок хранения их чрезвычайно мал. Не снимается и ограничение по высокой опасности при работе с такими устройствами.

Снятие последнего ограничения может быть достигнуто в конструкциях УКЗ, где ВВ размещается внутри профилированной полой оболочки или на облицовке кумулятивной выемки (для оболочечных зарядов) после изгибания по профилю разрезаемой преграды и монтажа на ней оболочки или облицовки кумулятивной выемки.

Известен (патент РФ №2065559, 20.08.96) удлиненный кумулятивный «Квазар-заряд» - УККЗ, заполняемый жидким ВВ непосредственно на месте ведения взрывных работ после выгибания полой оболочки по контуру разрезаемой преграды с использованием гибочного оборудования и монтажа на преграде с применением обычного арсенала средств и устройств, в том числе прострелочно-сварочного, пневмо-ударного др. оборудования. УККЗ представляет собой полую оболочку - однополостный цилиндрический контейнер, поперечным сечением которого является фигура, образуемая сопряжением нескольких одинаковых лепестков, формирующих кумулятивную выемку. В качестве материалов оболочек используются металлы и сплавы, а также полимерные композиции с плотностью не менее 1,0 кг/дм³. В качестве снаряжения (взрывчатого вещества) таких зарядов используют жидкие ВВ класса панкластитов, представляющие собой смесь жидких окислителя (азотнокислотного) и горючего (углеводородного), хранящихся в отдельных емкостях. Оба компонента не являются по отдельности взрывчатыми вещества. Смешивание их происходит непосредственно перед применением УККЗ в соотношении 3:1 (окислитель : горючее).

Существенным недостатком УККЗ является то, что для снаряжения его используется ВВЖИМИ (Взрывчатое Вещество Жидкое, Изготавливаемое на Месте Использования) по ТУ7276-001-17582644-93, в котором в качестве окислителя применяется высокотоксичное соединение - тетраоксид азота N₂ O₄ (окислитель жидких ракетных топлив - AT или «амил»). Пары N₂ О₄ - кровяной яд. Вдыхание в течение одного часа воздуха, содержащего 0,5 мг/л тетраоксида азота, вызывает опасное для жизни отравление. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) его в воздухе составляет 0,005 мг/л в пересчете на N₂O₅. В дополнение к этому AT имеет очень низкий температурный интервал эксплуатации: от -10°С до +20°С (температура плавления его составляет -11,2°С, температура кипения - +21,1°С), что весьма затрудняет работу с ним в зимнее время.

Кроме того, недостатком УККЗ является то, что заливку полой оболочки заряда производят после дополнительной операции смешивания компонентов уже достаточно чувствительным бризантным жидким взрывчатым веществом - ВВЖИМИ. Большие неудобства в работе с УККЗ доставляет несовершенство способа заполнения оболочек ВВЖИМИ. Для заделывания открытых торцов оболочек применяют либо пластилин, либо парафин. По опыту работы с УККЗ пластилин даже после его замораживания до температуры -15…-20°С обеспечивает герметичность торцов не более 10 минут. Парафин же необходимо плавить и заливать им торцы постепенно слой за слоем. Помимо этого для заполнения оболочек взрывчатым веществом в них необходимо предварительно высверлить по два отверстия, одно для заливки, другое (с противоположного торца) - для удаления газообразных продуктов, образующихся при кипении AT, и для контроля полноты заполнения ВВ оболочки, которые в последующем используются для установки средств инициирования детонации (электродетонаторов, капсюлей-детонаторов). Для герметизации их также используют пластилин.

Наконец, дополнительным недостатком УККЗ является относительно не высокая их эффективность и потребность в дополнительном технологическом оборудовании для хранения компонентов ВВЖИМИ на месте выполнения работ и заполнения ими оболочек.

Известен (патент РФ №2091697, 27.09.97) линейный кумулятивный заряд (ЛКЗ), реализующий заявленный в этом же патенте способ взрывной резки конструкций. Линейный кумулятивный заряд представляет собой заряд ВВ в виде эластичного профилированного прутка с продольной кумулятивной выемкой с облицовкой кумулятивной выемки. Поперечное сечение заряда имеет вид симметричной трапеции с кумулятивной выемкой со стороны большего основания, представляющей в сечении треугольник с высотой h=0,45-0,55 В, где В - основание треугольника (ширина кумулятивной выемки). Облицовка выполнена из тяжелого пластичного материала (мягкая листовая сталь или оцинкованное железо) с профилем, соответствующим профилю кумулятивной выемки.

Способ изготовления данного известного устройства следует из заявленного способа взрывной резки и заключается в предварительном изготовлении металлической облицовки, выгнутой по профилю разрезаемой преграды и монтируемой на ней, с последующим закреплением на облицовке с помощью скоб, липкой или киперной ленты, шпагата, магнитов и т.п. профилированного прутка эластичного ВВ (другое часто встречающееся название - эластит).

Данный линейный кумулятивный заряд является наиболее близким аналогом заявляемого устройства и способа его изготовления, совпадающим с ним по назначению и по общим существенным конструктивным признакам.

Преимуществом данного заряда также, как и предыдущего аналога - УККЗ, является повышенная безопасность проведения с ним работ (изгибание кумулятивной облицовки по профилю разрезаемой преграды, монтаж на преграде практически любого произвольного профиля, из любого материала, с любым углом отклонения от горизонтали), удешевление взрывных работ за счет разделения работ с применением ВВ и без него. Дополнительным достоинством известного наиболее близкого к заявляемому устройства по отношению к ближайшему к нему аналогу - УККЗ является отсутствие необходимости транспортирования, хранения и заполнения полых труб-оболочек на месте ведения взрывных работ таким токсичным веществом, как окислитель жидких ракетных топлив - AT. Достоинством описанного в патенте №2091697 ЛКЗ по сравнению со всеми предыдущими аналогами, в том числе и с УККЗ, является также наличие в его конструкции специальных крепежных элементов (поз. 3 фиг. 1), жестко скрепленных с металлической облицовкой (поз. 2 фиг. 1) и позволяющих достаточно просто и надежно устанавливать заряд на «фокусном» расстоянии от преграды.

Тем не менее, известный наиболее близкий к заявленному заряд имеет следующие технические недостатки:

1) недостаточно высокая эффективность за счет возможности не плотного прилегания заряда ВВ к металлической облицовке, особенно при «нижнем» расположении ЛКЗ относительно толстостенной преграды;

2) относительно высокая стоимость профилированного прутка эластичного ВВ из-за нынешней дороговизны как самого ВВ, так и необходимого для формирования зарядов прессового оборудования и оснастки;

3) необходимость заблаговременного изготовления зарядов ВВ требуемого профиля в заводских условиях;

4) не достаточно продолжительный срок хранения зарядов из эластичного ВВ; не израсходованные в полном объеме при проведении работ заряды не подлежат переделке и уничтожаются;

5) трудность надежного крепления заряда к металлической оболочке при малых радиусах погиба, соответствующих обводам конструкции, особенно при резке толстостенных преград и к тому же при отрицательных температурах воздуха.

Эти ограничения снимаются в заявляемом устройстве.

Решаемой технической задачей является разработка простой и надежной конструкции удлиненного кумулятивного заряда, обеспечивающего возможность эффективной взрывной резки крупногабаритных конструкций из высокопрочных материалов (металлических, бетонных, железобетонных), имеющих, в общем случае, непрямолинейные обводы и толщины стенок до 40-100 мм по металлам и до 600 мм по бетону (железобетону), а также способа изготовления заряда, обеспечивающего высокую технологичность процесса, снижение временных и энергетических затрат, использование возвратных ресурсов, расширение его использования.

Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности применения заявляемого устройства, упрощении и удешевлении конструкции заряда и способа его изготовления, расширении области применения.

Для достижения указанного технического результата устройство по предлагаемому изобретению содержит, как и наиболее близкое ему известное, заряд взрывчатого вещества, облицовку кумулятивной выемки в виде равностороннего уголкового профиля высотой h=0,45÷0,55 В, где В - основание (ширина) выемки, выполненного из тяжелого пластичного материала (например, из листовой стали или железа) толщиной от 0,5 до 1,5 мм, и скрепленных жестко с облицовкой крепежных элементов, обеспечивающих надежную установку облицовки заряда на разрезаемой преграде.

В отличие от известного наиболее близкого устройства в предлагаемом устройстве заряд взрывчатого вещества выполнен из пластичного взрывчатого вещества (в литературе часто встречается термин - пластит) в виде полос (лент) прямоугольного сечения требуемой высоты (толщины). На практике обычно ограничиваются толщинами 10…15 мм (в зависимости от калибра заряда). Ширина полос соответствует ширине полки уголка облицовки с учетом толщины слоя ВВ; между облицовкой и зарядом ВВ размещен взрывчатый клеевой слой, представляющий собой раствор того же или другого пластичного ВВ в галогенсодержащем производном низших алканов (с числом атомов углерода до четырех).

В порядке решения поставленной задачи заявленное устройство может характеризоваться дополнительным конструктивным признаком (при сформулированной выше основной совокупности признаков).

Для повышения эффективности (пробивной способности) заряд может иметь наружную оболочку из прочного пластичного материала (например, из металла уголкового типа и того же профиля, что и у облицовки и размещенную над зарядом ВВ вплотную к нему.

Предлагаемый взрывчатый клеевой состав, обладая хорошей адгезией к металлам, обеспечивает гарантированно плотное (без воздушных зазоров) прилегание заряда ВВ к облицовке кумулятивной выемки при различных радиусах ее гиба. Этим самым обеспечивается повышенное по сравнению с известным наиболее близким к заявленному устройством качество удлиненного кумулятивного заряда и его эффективность.

Применение в качестве материала заряда пластичного ВВ дает ряд преимуществ по сравнению с эластичным ВВ, предлагаемом в наиболее близком аналоге. Во-первых, пластичные ВВ изготавливаются в больших объемах, широко используются во взрывных работах, и они имеют существенно меньшую стоимость по сравнению с эластичными ВВ.

Пластит поставляется в виде бесформенных кусков, из которых достаточно просто сформировать заряды любого профиля прямо на месте ведения взрывных работ. Все «отходы» пластита, получаемые при изготовлении зарядов требуемого профиля, идут вновь в производство; часть их идет на приготовление взрывчатого клеевого состава (композиции). Этот процесс может быть практически бесконечным.

Заряды же эластита формуют только в заводских условиях строго определенного профиля и размеров. Переработке и повторному использованию не использованные в работе прутки эластичногно ВВ и их отходы при монтаже на кумулятивной облицовке не подлежат; их надлежит уничтожать.

Способ изготовления, как последовательность операций, заявленного устройства состоит в раскатывании из массы пластичного ВВ листов требуемой толщины, разрезании их на полосы (ленты) прямоугольного сечения требуемой ширины, нанесении равномерным сплошным слоем на очищенную от грязи, ржавчины и обезжиренную внешнюю поверхность металлической облицовки кумулятивной выемки заблаговременно приготовленного взрывчатого клеевого состава, быстром (не дожидаясь высыхания клеевого слоя) приклеивании на облицовку полосок пластичного ВВ с разглаживанием их (равномерным прижатием к приклеиваемым поверхностям) с целью исключения непроклея и образования воздушных полостей. Для повышения эффективности (пробивною действия) заявляемого УКЗ без увеличения массы ВВ поверх полос пластита вплотную к ним может быть установлен металлический уголок с профилем, повторяющим профиль облицовки кумулятивной выемки, но с большей толщиной стенки. Этот уголок играет роль наружной прочной оболочки УКЗ, которая будет в начальный момент взрыва сдерживать боковой разлет продуктов детонации ВВ, тем самым повышая к.п.д. взрыва, а в конечном результате - эффективность действия УКЗ по разрезаемой преграде.

Для изготовления зарядов ВВ в виде полос могут быть использованы вертикальные вальцы с вращающимися валками, применяющиеся в производстве баллиститных порохов. При необходимости раскатывание массы ВВ в лист можно производить и вручную, однако при этом трудно обеспечить равномерную толщину листа по всей его площади. Толщина раскатанного листа и, следовательно, полос ВВ определяется и регулируемым зазором между валками, а ширина - установкой ножей в приемном лотке вальцев. В производстве могут использоваться дисковые, формовочные или иные ножи. Обрезки листа пластита подают вновь на вальцевание вместе с очередной порцией ВВ.

Вальцы по сравнению с прессовым оборудованием, используемым в производстве зарядов эластичных ВВ (в виде прутков требуемого профиля), имеют существенно меньшие габариты, массу; могут быть смонтированы в кузове автомобиля или прицепа, не требуют дополнительно сложной и дорогостоящей оснастки. Таким образом, способ формования зарядов из пластичных ВВ существенно дешевле, чем из эластичных. К тому же, эти операции могут осуществляться на месте ведения взрывных работ.

Способ изготовления заявляемого взрывчатого клеевого состава (композиции) состоит в следующем. Пластичное ВВ (то же самое, что используется в конструкции заявляемого УКЗ, или другое) помещают в емкость и заливают растворителем - галогенопроизводным соединением низших алканов. При экспериментальной отработке способа изготовления заявленного УКЗ использовались хлорпроизводные алканов: метиленхлорид (дихлорметан), дихлорэтан, четыреххлористый углерод в соотношении «ВВ : растворитель» примерно 4:1. В качестве ВВ использовалось пластичное ВВ ПВВ-7. Массу тщательно перемешивают и оставляют на сутки для набухания. После набухания полученную композицию вновь перемешивают; при необходимости добавляют растворитель (до получения консистенции, пригодной для работы). Хранят клеевую композицию в плотно закрытой таре. После высыхания в нее можно вновь добавить растворитель.

Работоспособность и эффективность предлагаемого устройства подтверждена серией лабораторных испытаний по разрезанию плит из высоколегированных сталей марок АК-29 и 10ХСНД толщиной 40 мм, а также натурным экспериментом, проведенным в ходе плановой модернизации одного из типов командных пунктов шахтного типа.

Среди известных устройств и способов их изготовления не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с поставленной задачей.

На фиг. 1 и фиг. 2 схематично представлены сечения заявленного устройства. Здесь: 1 - заряд пластичного ВВ; 2 - слой взрывчатого клеевого состава; 3 - облицовка кумулятивной выемки; 4 - крепежные элементы; 5 - наружная оболочка удлиненного кумулятивного заряда.