Ускоритель высокоскоростной струи

 

Использование: в физических исследованиях как средство интенсивного импульсного нагружения, генерации импульсного давления, высокоскоростного сжатия мишеней. Сущность изобретения: ускоритель содержит корпус с расположенным на его наружной поверхности взрывчатым веществом с капсюлем-детонатором напротив вершины схождения стенок корпуса, струеобразующий материал в конденсированном состоянии и приемник струи. Струеобразующий материал располагается сосредоточенно в вершине угла схождения стенок корпуса, а изменение угла наклона стенок выполнено в соответствии с соотношением. Струеобразующий материал выбирается с вязкостью, меньшей вязкости материала стенок. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройствам формирования высокоскоростной струи и может найти применение в физических исследованиях как средство интенсивного импульсного нагружения, генерации импульсного давления, высокоскоростного сжатия мишеней.

Известен кумулятивный заряд, содержащий цилиндрический заряд взрывчатого вещества (ВВ), в котором выполнена коническая полость, облицованная металлом. При схлопывании конической облицовки часть ее материала выбрасывается по оси вперед в форме струи со скоростью 15 20 км/с [1] К недостаткам кумулятивного заряда относится большой разброс по скоростям материала струи, что приводит к уменьшению ее плотности. Это, в сочетании с остронаправленной игольчатой формой струи, снижается импульсное давление, генерируемое при воздействии струи на образец. Поэтому кумулятивная струя, эффективная как средство прожигания или проникновения в преграду, малоэффективна как средство импульсного нагружения материала преграды.

Известна аппаратура для генерации коллимированных высокоскоростных струй, содержащая корпус, заряд взрывчатого вещества, расположенный по внешней поверхности корпуса, средства инициирования взрывчатого вещества, газовую среду внутри полости корпуса. Корпус выполнен осесимметричным и на одном конце переходит в канал ствола для приема струи, формируемой из газовой среды [2] В данной аппаратуре после подрыва ВВ взрыв осуществляет сжатие стенок корпуса и с его помощью газовой среды, стягивая полость корпуса непрерывным образом к каналу ствола и вытесняя в него газ в виде высокоскоростной коллимированной струи.

К недостаткам аппаратуры относятся недостаточно высокая плотность и большой разброс по скоростям материала в формируемой струе. Это обусловлено тем, что проходящие по газу ударные волны значительно опережают стенки сжимаемого корпуса, поэтому газ вытекает из полости в приемный канал в течение длительного времени, формируемая струя имеет большой разброс по скоростям и низкую плотность газовой среды. Это уменьшает давление генерируемое при воздействии такой струи на преграду.

Задача изобретения расширение функциональных возможностей за счет повышения плотности и уменьшения разброса по скоростям материала в струе.

Это достигается тем, что в ускорителе высокоскоростной струи, содержащем корпус с расположенным на его наружной поверхности слоем взрывчатого вещества, инициирующее устройство и струеобразующий материал, корпус по длине выполнен с переменным углом наклона стенок к продольной оси от угла не менее 45^o в вершине до обратного наклона в противоположной вершине стороне корпуса, при этом струеобразующий материал в конденсированном состоянии с вязкостью, меньшей вязкости материала стенок, сосредоточенно размещен в вершине угла схождения стенок корпуса. А также тем, что корпус выполнен прямоугольного сечения, при этом изменение угла наклона стенок выполнено в соответствии с соотношением: И также тем, что корпус выполнен кругового сечения, при этом изменение угла наклона стенок выполнено в соответствии с соотношением: где ϕ угол наклона стенок; j расчетный угол разлета, равный U_ст/D_вв; U_ст расчетная скорость движения стенки, м/c; D_вв скорость детонации взрывчатого вещества, м/с;
a_o угол наклона стенок в вершине корпуса ускорителя;
γ плотность струеобразующего материала, кг/м³;
M приведенная масса струеобразующего материала на единицу ширины покрытых взрывчатым веществом стенок корпуса, кг/м;
m масса струеобразующего материала, кг;
К_пр плакируемый коэффициент превышения давления стенок при их соударения над гидродинамическим давлением струеобразующего материала;
r плотность материала стенок корпуса, кг/м³;
D_ст скорость звука материала стенок корпуса, м/с;
X расчетная координата вершины угла схлопывания стенок корпуса, м;
Сосредоточенное размещение струеобразующего материала в конденсированном состоянии в вершине угла схождения стенок обеспечивает высокую плотность материала струи на старте его разгона.

Изменение угла наклона стенок корпуса к плоскости (или оси) симметрии по длине корпуса по соотношению в указанных пределах обеспечивает ускоренное перемещение вершины угла схождения схлопывающихся стенок корпуса. Это позволяет обеспечить оптимальный режим ускорения материала струи, при котором введенный инжектором в корпус ускорителя струеобразующий материал захватывается в угол схождения стенок и увлекается в ускоренное движение перед вершиной угла схождения стенок.

При угле наклона стенок не менее 45^o на стартовом участке корпуса скорость струеобразующего материала не превышает скорость стенок корпуса более, чем в 1,4 раза. Это уменьшает разброс по скоростям в материале струи на старте разгона. Обратный наклон стенок на конечном участке корпуса более U_ст/D_ст делать нецелесообразно, т.к. при этом значении наклона фазовая скорость вершины угла схлопывания стенок стала бы бесконечной.

Согласованное изменение указанных параметров по длине ускорителя в соответствии с соотношением (1) или (2) обеспечивает оптимальный режим повышения фазовой скорости перемещения угла схлопывания стенок, в котором давление в ускоряемом материале струи не превышает уровня давления, приводящего к остановке схлопывающихся стенок корпуса, и соответственно, обеспечивается полное без потерь увлечение материала в поступательное ускоренное перемещение перед динамическим контактом схлопывающихся стенок.

Режим следующий из соотношений (1), (2), обеспечивает непрерывное ускорение вершины угла схлопывания стенок, и соответственно, непрерывность ускорения захваченного в угол схлопывания разгоняемого материала струи. Причем ускорение материала сонаправлено с его перемещением. Непрерывность ускорения и его сонаправленность с поступательным движением создают поле инерционных сил, обеспечивающих сдерживание от расширения и сохранение высокой плотности материала в течение всего его разгона.

Компактность материала, поступательность движения и сонаправленность движения и ускорения обеспечивают также малый разброс по скоростям материала струи.

Возможность осуществления режима поступательного разгона материала компактных струй обеспечивается при условии малой вязкости струеобразующего материала относительно вязкости материала стенок корпуса.

Уровень ограничения вязкости материала определяется из сопоставления ускоряющих и тормозящих сил при ускорении материала струи.

Из необходимого для ускорения материала соотношения сил при наличии касательных сил вязкости
(P^эф_ст^ф·l·α)>2lσ_τ (3)
где P^эф_ст^ф эффективное давление стенок на материал струи;
(P^'a_ст^a·l·α) равнодействующая толкающих сил;
σ_τ касательные напряжения, обусловленные вязкостью (фиг. 1), принимая a=U_ст/v и значение P_ст максимально возможным, соответствующего остановке границы стенки: ρ_ст=ρU_стD_ст, для максимального значения скорости, ограниченного вязкостью, получим:
v≅v_пред=ρU²_стD_ст/σ_τ (4)
Применим (4) для традиционного кумулятивного заряда, в котором струя формируется непосредственно из материала облицовки, выполненной из меди (1). При этом s_t 2·10⁹Н/м², r 8,9·10³ кг/м³, U_обл=4·10³ м/с и (4) дает U_пред 30 км/с, что согласуется с наблюдаемой скоростью струи кумулятивного заряда, т. е. в обычном кумулятивном заряде отрицательное влияние касательных напряжений от сил вязкости велико.

В ускорителе струй используется материал малой вязкости относительно вязкости схлопывающихся стенок корпуса. Влияние вязкости, в соответствии с (4), мало при использовании материала с вязкостью ниже 100 Па·c, а если использовать материал с вязкостью воды (≈10^-3 Па·c), то, как следует из (4), влияние вязкости на разгон струи не проявляется вплоть до скорости ≈500 км/с. Таким образом, малая вязкость струеобразующего материала позволяет уменьшить ее влияние на поступательный разгон материала, уменьшить потери кинетической энергии поступательного движения материала струи, повысить (по сравнению с кумулятивным зарядом (1) достигаемую скорость струи.

На фиг. 1 приведен эскиз действия сил на струеобразующий материал с учетом касательных напряжений от сил вязкости; на фиг. 2 эскиз предлагаемого ускорителя высокоскоростных струй в продольном сечении; на фиг. 3 поперечное сечение ускорителя с прямоугольным ускорительным каналом; на фиг. 4 - поперечное сечение ускорителя с круговым ускорительным каналом; на фиг. 5 - расчетная зависимость скорости материала струи v(x).

Ускоритель содержит корпус ускорительного канала, образованного деформируемыми стенками 1 и пассивными боковыми стенками 2. Деформируемые стенки покрыты зарядами ВВ 3, которые снабжены инициирующим взрыв капсюлем-детонатором (КД) 4, расположенным напротив вершины угла схождения деформируемых стенок 1. Наклон деформируемых стенок 1 к плоскости симметрии изменяется от угла не менее 45^o у капсюля детонатора до обратного наклона не превышающего 15^o. Струеобразующий материал 5 в конденсированном состоянии высокой текучести, например, в жидком, расположен сосредоточенно (в кювете), в вершине угла схождения стенок корпуса 1 у КД 4. Остальной объем полости целесообразно вакуумировать для устранения предимпульса давления на объект воздействия струи. Изменение наклона деформируемых стенок 1 по длине корпуса выполнено в соответствии с соотношением (1).

Приемником струи может быть метаемая фольга 6 из тяжелого элемента, например, из тантала.

При работе ускорителя инициируется КД 4 и волна детонации распространяется по зарядам ВВ 3, вдоль стенок корпуса.

Профилирование угла наклона стенок 1 по длине корпуса ускорителя в соответствии с соотношением (1) обеспечивает такой режим соударения стенок 1 волной детонации ВВ 3, при котором вершина динамического контакта перемещается непрерывно по поверхности схлопывающихся стенок с ускорением при выполнении условия, что давление в разгоняемом струеобразующем материале 5, находящемся в вершине угла схождения стенок 1, не превосходит уровня давления, приводящего к остановке схлопывающихся стенок 1 корпуса ускорителя.

Действительно, давление, развиваемое при остановке стенок в ударной волне на границе стенок равно r (Зельдович Я.Б. Райзер Ю.П. Физика и ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. Физматгиз, 1963). Поэтому условие, что давление в струеобразующем материале не превышает давления остановки стенок записывается в виде
gahk=ρU_стD_ст (5)
где h высота струеобразующего материала в вершине угла схождения стенок;
a ускорение вершины угла схождения стенок;
K>1 обозначенный выше планируемый коэффициент превышения давления, генерируемого стенками при их остановке, реализуемое при их соударении в вершине угла схлопывания, над гидравлическим давлением в струеобразующем материале.

Выражая U через угол подлета стенки к плоскости симметрии в момент соударения
v=U_ст/α (6)
h через приведенную массу струеобразующего материала из соотношения:
M=γh²α (7)
(5) можно переписать в виде:
-K_пр·γ^1/2M^1/2α¹_x/α^7/2=ρD_ст/U_ст (8)
Отсюда, интегрируя, получим

Несложно показать, что α с углом начального наклона стенки к плоскости симметрии v и углом отлета стенки от начального положения j= U_ст/D_вв связан соотношением:
α=ϕ+Ψ (10)
(9) и (10) приводят к соотношению (1).

Отметим, что аналогично обосновывается соотношение (2) для ускорителя с осесимметричным корпусом кругового сечения.

Таким образом, согласованное профилирование параметров ускорителя по его длине в соответствии с соотношением (1) обеспечивает ускоренное перемещение вершины схлопывание в ускоряемом материале, создаваемое инерционными силами, не превышает уровня давления остановки стенок.

При выполнении этого условия струеобразующий материал полностью увлекается в поступательное движение перед вершиной угла схождения стенок и ускоряется до высоких скоростей. Подходя к мембране 6, материал разгоняет ее, и мембрана, ударяя по объекту импульсного воздействия (на фиг. 2 не показан), генерирует в нем импульс высокого давления.

На начальном участке у КД 4 угол схождения стенок 1 относительно велик, более 90^o, при этом скорость перемещения вершины угла схождения и материала струи перед вершиной превышает скорость стенок не более, чем в 1,4 раза. В средней части корпуса и на конечной стадии его сжатия угол схождения стенок непрерывно уменьшается. При уменьшении α до 5^o скорость вершины схлопывания в десятки раз превышает скорость стенок.

Ускорение увлекаемого материала струи сонаправлено с его движением. Это обуславливает существование поля инерционных сил, сохраняющих высокую плотность материала струи в течение всего периода разгона, малый разброс по скоростям в струе и также резкая граница (высокий градиент плотности) переднего фронта струи.

Формируемая струя (фиг. 2) имеет форму пирамиды, основанием, обращенным по направлению движения, по мере разгона вытягивающейся по высоте, как видно из (6) и (7) пропорционально .

Отметим, что при планировании коэффициента К в пределах от 1 до 3 в соотношениях (1) и (2) для согласованного выбора параметров ускорителя обеспечивается не остановка, но эффективное торможение стенок давлением ускоряемого материала струи обусловленным инерционными силами в нем, и, соответственно, эффективный отбор кинетической энергии от стенок в энергию поступательного движения ускоряемого материала.

При оптимальном выборе параметров ускорителя могут достигаться весьма высокие параметры формируемой струи. При протяженности корпуса ускорительного канала 0,6 м, стенок канала из стали (ρ 7,8·10³ кг/м³, толщине ВВ 20 мм, стенок 2 мм, скорости стенок 1,7 км/с. К 1,5 достигается скорость струи 27 км/с при ее поперечном сечении 10 мм, высотой h по направлению движения 65 мм, плотностью материала в струе 1 г/см³. Это соответствует давлению при воздействии струи на образец ≈6·10⁶ атм, плотности потока энергии, переносимого струей ≈10¹⁶ Вт/м², плотности энергии в струе 3·10¹¹ Дж/м³ (более, чем у ВВ в ≈100 раз).

Такие параметры, достигаемые при использовании обычных ВВ, относятся к рекордному уровню. Угол наклона стенок корпуса по длине ускорителя профилируется по длине корпуса от 1,5 до 0,125 рад в соответствии с (1).

В ускорителе за счет сосредоточенного размещения струеобразующего материала в конденсированном состоянии на стартовом участке и поступательного движения материала, сонаправленного с его ускорением, обеспечивается малый разброс по скоростям материала в струе и, за счет постоянного существования поля инерционных сил обеспечивается высокая плотность материала струи в течение всего его разгона.

Это повышает эффективность формируемой струи как средства импульсного нагружения, обеспечивает повышение импульсного давления при воздействии струи на образец.

По сравнению с кумулятивным зарядом, формирующим струю из материала металлической облицовки конической полости заряда ВВ ускоритель струи, за счет малой динамической вязкости струеобразующего материала и отмеченного выше поступательного разгона, обеспечивает другую форму струи и позволяет достигать более высоких скоростей.

Струя кумулятивного заряда имеет на фронте остроочерченную игольчатую форму, обеспечивающую эффективное прожигающее действие (1). В ускорителе формируется струя в форме пирамиды (или конуса), основанием, направленным по направлению движения к объекту с резким изменением плотности на ее переднем фронте. Струя такой формы создает на объекте импульс давления (в приведенном примере ≈10⁷ атм) с малым фронтом нарастания, позволяет передавать энергию на малой базе сжатия объекта, обеспечивая достижение в нем высоких плотностей энергии. Это обеспечивает возможность решения с помощью струйных потоков, формируемых в ускорителе, научных и технических задач по исследованию свойств материалов при высоких плотностях энергии, экспериментальных работ по термоядерному синтезу, высокоскоростному метанию и др.

Формула изобретения

1. Ускоритель высокоскоростной струи, содержащий корпус с расположенным на его наружной поверхности слоем взрывчатого вещества, инициирующее устройство и струеобразующий материал, отличающийся тем, что корпус по длине выполнен с переменным углом наклона стенок к продольной оси от угла не менее 45^o в вершине до обратного наклона в противоположной вершине стороне корпуса, при этом струеобразующий материал в конденсированном состоянии с вязкостью, меньшей вязкости материала стенок, сосредоточенно размещен в вершине угла схождения стенок корпуса.

2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен прямоугольного сечения, при этом изменение угла наклона стенок выполнено в соответствии с соотношением

3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен кругового сечения, при этом изменение угла наклона стенок выполнено в соответствии с соотношением

где ϕ угол наклона стенок;
j расчетный угол разлета стенки, равный U_ст/D_ВВ;
U_ст расчетная скорость движения стенки, м/с;
D_ВВ скорость детонации взрывчатого вещества, м/с;
a_o угол наклона стенок в вершине корпуса ускорителя;
γ плотность струеобразующего материала, кг/м³;
M приведенная масса струеобразующего материала на единицу ширины покрытых взрывчатым веществом стенок корпуса, кг/м;
m масса струеобразующего материала, кг;
K_np планируемый коэффициент превышения давления стенок при их соударении над гидродинамическим давлением струеобразующего материала;
r плотность материала стенок корпуса, кг/м³;
D_ст скорость звука материала стенок корпуса, м/с;
X расчетная координата вершин и угла схлопывания стенок корпуса, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5