Способ магнитно-импульсной раздачи проводящих оболочек и устройство для его реализации

 

Использование: магнитно-импульсная обработка материалов, в частности, при утилизации (расснаряжении) боеприпасов. Сущность изобретения: на наружной поверхности оболочки создают магнитное поле, сначала возрастающее до значений магнитной индукции B ≥ B_о, а затем - быстро исчезающее за время t_с. Устройство содержит соленоид (индуктор) 4 с полостью 3 для размещения металлического корпуса 1 с взрывчатым веществом 2. Соленоид соединен с конденсаторной батареей 5 через коммутатор 6 и быстродействующий (например, взрывной) размыкатель 7. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике магнитно-импульсной обработки материалов и может быть использовано при утилизации (расснаряжении) боеприпасов.

Известны способ расснаряжения боеприпасов посредством вымывания из корпуса взрывчатого вещества струей воды и установка для его осуществления, включающая насос, устройство повышения давления жидкости, головку с форсункой.

Недостатком такого способа является его малая производительность, экологическая вредность, невозможность использования извлеченного из корпуса взрывчатого вещества без дополнительных мероприятий по его выделению из образующейся суспензии.

Известны способ магнитно-импульсной раздачи проводящих оболочек и установка для его осуществления, являющиеся наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности и принимаемые за прототип [1] Способ заключается в создании на внутренней поверхности оболочки импульсного магнитного поля со временем нарастания магнитной индукции до максимального значения, меньшим времени диффузии магнитного поля через оболочку. Следствием этого является расширение (раздача) оболочки. Установка включает последовательно электрически включенные конденсаторную батарею, коммутатор электрической цепи и индуктор для размещения во внутренней полости оболочки.

Недостатком известных способа и установки для его реализации является невозможность их использования при расснаряжении боеприпасов со взрывчатым веществом в связи с наличием в полости корпуса наполнителя, исключающего возможность размещения в нем индуктора и создание импульсного магнитного поля на внутренней поверхности корпуса.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей способа магнитно-импульсной раздачи проводящих оболочек посредством обеспечения его применимости для оболочек с непроводящим наполнителем и конкретным использованием для извлечения взрывчатого вещества из металлических корпусов боеприпасов при их утилизации.

Задача решается за счет того, что в известном способе магнитно-импульсной раздачи проводящих оболочек, включающем создание переменного магнитного поля на поверхности оболочки, магнитное поле создают на наружной поверхности оболочки, при этом сначала обеспечивают его медленное возрастание до значений магнитной индукции B≥B_о, а затем быстрое исчезновение за время t_с, при этом минимально необходимое значение индукции магнитного поля зависит от μ_o, Y, r_о, δ и составляет где μ_o 1,256·10^-6 Гн/м магнитная постоянная, Y - предел текучести материала оболочки, r_о внутренний радиус оболочки, δ толщина оболочки, τ=μ_o·σ·r_o·δ/2 характерное время изменения магнитного поля внутри оболочки, σ проводимость материала оболочки.

Предлагаемый способ реализуется за счет того, что в известной установке для магнитно-импульсной раздачи проводящих оболочек, содержащей последовательно электрически соединенные конденсаторную батарею, коммутатор электрической цепи и индуктор для взаимодействия с оболочкой, в ней индуктор выполнен с обеспечением охвата оболочки, а в электрическую цепь дополнительно включен быстродействующий размыкатель.

Создание магнитного поля на наружной поверхности при обеспечении медленного его возрастания до максимального значения магнитной индукции B за время t_н необходимо для исключения скин-эффектов. При времени нарастания t_н, существенно большем времени t_д диффузии, магнитное поле проникает (диффундирует) в глубину оболочки и в ее полость. Конкретное значение t_н определяется по известным правилам электродинамики [2] При значительно более быстром (в предельном случае мгновенном) исчезновении внешнего магнитного поля начинается процесс, обратный диффузии (выход магнитного поля из корпуса и его полости). При этом в корпусе возникают индукционные токи , взаимодействие которых с магнитным полем приводит к появлению радиальных растягивающих электромагнитных сил.

Возникающие в материале оболочки электромагнитные силы F зависят одновременно от значений индукции магнитного поля B и плотности индукционных токов j. В свою очередь, плотность тока j зависит от степени неравномерности пространственного распределения индукции магнитного поля . Степень же неравномерности распределения магнитной индукции по толщине оболочки находится в обратной зависимости от времени t_с исчезновения магнитного поля на наружной поверхности. Например, при очень медленном спаде магнитное поле внутри корпуса за счет процесса обратной диффузии будет уменьшаться почти синхронно с наружным полем. В такой ситуации индукционные токи будут малы, и возникающие в материале корпуса электромагнитные силы не смогут преодолеть сопротивление внутренних прочностных сил и обеспечить радиальное деформирование оболочки даже при очень большом значении индукции B предварительно созданного в корпусе и в его полости магнитного поля. Напротив, при быстром исчезновении магнитного поля на наружной поверхности, магнитное поле не успевает "выходить" из оболочки, и индукционные токи велики. При достаточно большом значении индукции B предварительно созданного магнитного поля электромагнитные силы смогут преодолеть прочностное сопротивление оболочки и обеспечить ее радиальное деформирование.

Минимально необходимое для обеспечения раздачи оболочки корпуса значение индукции магнитного поля B_о определяется в зависимости от геометрических параметров оболочки, физико-механических и электрофизических характеристик ее материала и времени спада из решения уравнения движения несжимаемой жесткопластической оболочки [3] совместно с уравнениями Максвелла. Необходимость обеспечения магнитной индукции в соответствии с соотношением (1) подтверждается также результатом численного решения одномерной нестационарной задачи магнитной динамики сжимаемой упругопластической среды. Условие B B_о соответствует условию "страгивания" оболочки. При B ≥ B_о оболочка деформируется в радиальном направлении, отрываясь от наполнителя, а получаемая деформация тем больше, чем больше превышение созданного магнитного поля над минимально необходимым.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемые способ магнитно-импульсной раздачи оболочек и устройство для его осуществления соответствуют требованию новизны. Заявляемый способ отличается от известного технического решения местом приложения магнитно-импульсной нагрузки, параметрами режимов и обеспечивает возможность раздачи оболочек с непроводящим наполнителем, например корпусов расснаряжаемых боеприпасов. Заявляемое устройство отличается от известного формой выполнения индуктора, обеспечивающего охват проводящей оболочки, и включением в электрическую цепь дополнительного элемента быстродействующего размыкателя.

Известны технические решения в области магнитно-импульсной обработки материалов и ряде смежных областей, использующие создание магнитного поля на наружной поверхности оболочки с индуктором, охватывающим оболочку. Однако предлагаемые в найденном техническом решении параметры режимов (время нарастания и спада магнитного поля, значение индукции B магнитного поля), а также включение в электрическую цепь взаимодействующего с оболочкой индуктора быстродействующего размыкателя в своей совокупности не обнаружены ни в одном из известных технических решений. Это указывает на соблюдение требования изобретательского уровня предлагаемого технического решения.

На чертеже показана схема реализации предлагаемого способа магнитно-импульсной раздачи проводящих оболочек применительно к расснаряжению боеприпасов с металлическим корпусом и заполняющим его взрывчатым веществом.

Боеприпас с металлическим корпусом 1 и заполняющим его непроводящим наполнителем взрывчатым веществом 2 размещается в устройстве, создающем внешнее по отношению к боеприпасу аксиальное магнитное поле, например в полости 3 соосного с корпусом 1 соленоида 4, соединенного с источником электрической энергии конденсаторной батареей 5 через коммутатор (замыкатель) 6 и быстродействующий (например, взрывной) размыкатель 7.

Для определенности в качестве примера рассмотрим расснаряжение корпуса основного детонатора взрывательного устройства, представляющего собой стальную оболочку (σ 11,3·10⁶ 1/(Ом·м), Y 0,2 ГПа) с внутренним диаметром около 20 мм и толщиной стенки около 1 мм, заполненную взрывчатым веществом.

Характерное время изменения магнитного поля внутри такой оболочки составляет t 70 мкс. Минимально необходимое для раздачи данной оболочки значение B_о индукции магнитного поля зависит от обеспечиваемого быстродействующим размыкателем 7 времени t_с исчезновения магнитного поля на наружной поверхности оболочки. Рассмотренный в качестве примера взрывной размыкатель обеспечивает значение t_с ≈50 мкс. В этом случае соотношения (1) (2) определяют необходимое значение индукции предварительно создаваемого в оболочке и в ее полости магнитного поля как B ≥ B_о 8,6 Тл.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В исходном состоянии коммутатор 6 разомкнут, а быстродействующий размыкатель 7 замкнут. После зарядки конденсаторной батареи 5 до необходимого напряжения замыкается коммутатор 6. Конденсаторная батарея 5 разряжается на соленоид 4, и в полости соленоида 4 создается внешнее по отношению к металлическому корпусу 1 аксиальное магнитное поле. Параметры электрической цепи выбираются по известным правилам [2] исходя из необходимости обеспечения времени нарастания разрядного тока (а следовательно, и индукции магнитного поля в полости соленоида) до максимального значения, существенно большего времени диффузии магнитного поля в корпус оболочки, например t_н>10·τ=700 мкс. Магнитное поле проникает в корпус 1 и его внутреннюю полость и достигает своего максимального по времени значения B ≥ B_о 8,6 Тл. При таком относительно медленном нарастании внешнего магнитного поля обеспечивается близкое к однородному распределение магнитного поля по толщине и в полости корпуса 1. После достижения внешним магнитным полем максимального по времени значения B размыкается взрывной размыкатель 7, обеспечивая резкое (в течение десятков микросекунд, t_с ≈ 50 мкс) уменьшение до нуля разрядного тока в цепи и индукции магнитного поля в полости 3 соленоида 3 и на наружной поверхности корпуса 1. Возникающие после исчезновения внешнего магнитного поля пондеромоторные силы достаточны для деформирования и раз рушения корпуса 1 при сохранении неразрушенным заряда взрывчатого вещества 2. При этом получаемый в итоге результат зависит от степени превышения значения индукции B создаваемого магнитного поля над минимально необходимым значением B_о. Согласно проведенным оценкам, при B 1,15B_о рассматриваемая в качестве примера оболочка отрывается от снаряжения и получает примерно 20% радиальную деформацию. При B 1,4B_о оболочка получит радиальное расширение более чем в 1,5 раза, что повлечет за собой не только отрыв ее от снаряжения, но и разрушение корпуса [3] Использование предлагаемого способа позволит повысить безопасность расснаряжения боеприпасов, особенно малого калибра и содержащих высокочувствительные взрывчатые вещества (средства инициирования), повысить производительность расснаряжения и упростить технологию этого процесса.

Формула изобретения

1. Способ магнитно-импульсной раздачи проводящих оболочек, включающий создание внешнего переменного магнитного поля на поверхности оболочки с последующим ее движением и деформированием, отличающийся тем, что внешнее магнитное поле создают на наружной поверхности, при этом сначала обеспечивают его медленное возрастание до значений магнитной индукции B ≥ B₀, а затем быстрое исчезновение за время t_с, причем минимальное необходимое значение магнитной индукции B₀ выбирают в зависимости от времени исчезновения t_с, предела текучести Y и проводимости σ материала оболочки, ее внутреннего радиуса r₀ и толщины d где


t=μ_o·σ·r_o·δ/2
μ_o=1,256·10^-6 Гн/м магнитная постоянная.

2. Устройство для магнитно-импульсной раздачи проводящих оболочек, включающее последовательно электрически соединенные конденсаторную батарею, коммутатор электрической цепи и индуктор для взаимодействия с оболочкой, отличающееся тем, что в нем индуктор выполнен охватывающим оболочку, а в электрическую цепь дополнительно включен быстродействующий размыкатель.

РИСУНКИ

Рисунок 1