Устройство для образования кольцевой кумулятивной струи

 

Изобретение относится к методам генерации высокоскоростных кумулятивных струй различными способами и может найти применение как средство высокоэффективного импульсного нагружения в физических исследованиях. Технический результат - получение высокоскоростной струи в виде кольца в поперечном сечении. Изобретение заключается в том, что с помощью заряда взрывчатого вещества формируют высокоскоростную кумулятивную струю в виде кольца в поперечном сечении. Новым является принцип формирования кумулятивной струи при косом взаимодействии металлической пластины, движущейся с большой скоростью в конической полости, образованной в металлической детали. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к методам генерации высокоскоростных кумулятивных струй различными способами, при помощи различных устройств и может найти применение как средство высокоэффективного импульсного нагружения в физических исследованиях, в исследованиях процессов движения и разрушения астероидов и ядер комет в атмосферах планет и при их взаимодействиях с поверхностью планет, для высокоскоростного метания и в промышленности для создания новых технологий металлообработки и добычи полезных ископаемых, а так же для синтеза при высоких давлениях высокоплотных, высокотвердых материалов. Известны различные способы получения высокоскоростных кумулятивных струй.

Известен способ образования кумулятивной струн [1], заключающийся в том, что на кумулятивный элемент, расположенный в кумулятивной полости, выполненной в виде тела вращения в заряде взрывчатого вещества (ВВ), воздействуют детонационной волной с узким фронтом, получаемой при взрыве ВВ, при этом кумулятивный элемент представляет собой тонкую металлическую облицовку кумулятивной полости. Под действием высокого давления продуктов детонации формируется металлическая струя, которая распространяется с высокой скоростью и обладает большой пробивной способностью. К недостаткам этого способа можно отнести то, что отдельным частицам струи сообщаются скорости, уменьшающиеся от головной части струи к хвостовой, вследствие чего струя при полете разрывается на фрагменты, невозможность создания кумулятивной струи в виде трубы, остронаправленная иглообразная форма струи не способна сильно сжимать материал преграды, что не позволяет использовать такие струи, как средство импульсного нагружения в исследованиях в области физики высоких плотностей энергии и в других областях.

В качестве прототипа выбран способ формирования высокоскоростной струи [2] , включающий создание импульса давления и сжатие ускоряющей оболочки с последующим воздействием на ускоряемый материал, размещаемый в зоне первоначального схлопывания стенок оболочки, отличающийся тем, что с целью повышения плотности и уменьшения разброса по скоростям материала в струе, в нем сжатие ускоряющей оболочки осуществляются с возрастающей по ее длине скоростью. В качестве ускоряемого материала необходимо использовать материал с динамической вязкостью, меньшей динамической вязкости материала стенок ускоряемой оболочки, и не позволяет получать струи из многих металлических материалов. Именно поэтому авторы [2] в качестве характерного примера использования, предложенного способа, выбрали разгон воды с помощью ускоряемой медной оболочки. Недостатком, предложенного в [2], способа является также невозможность получения, кроме высокоскоростной струи в компактной форме, также удлиненных струй с заданным градиентом по длине. Недостатком рассматриваемого способа является также невозможность получения высокоскоростной кольцевой струи.

Изобретение предназначено для получения высокоскоростных кольцевых кумулятивных струй из различных металлических и неметаллических материалов в форме труб с поперечным сечением в виде окружности или многоугольников как не имеющих градиента скорости по длине струи, так и с положительным градиентом скорости по длине струи.

Поставленная цель достигается тем, что способ формирования кольцевой кумулятивной струи, включающий воздействие на кумулятивный элемент детонационной волной распространяющейся в заряде взрывчатого вещества (ВВ), осуществляют, используя кумулятивный элемент, выполненный из плоской пластины и тела, изготовленных из высокопластичного материала, с выполненной в нем кольцевой кумулятивной полостью, заглубляя плоскую пластину в кольцевую кумулятивную полость со скоростью 1-5 км/с при косом соударении последних, используя плоскую детонационную волну.

Предлагаемый способ осуществляют с помощью устройств, описываемых ниже. Показанное на фиг. 1 устройство осуществляется следующим образом: капсюль-электродетонатор 1 располагается на генераторе плоской детонационной волны, состоящим из двух деталей: заряда ВВ-2 с большой скоростью детонации и заряда 3 с малой скоростью детонации. Генератор плоской детонационной волны (2 и 3) располагается на плоской верхней поверхности основного заряда ВВ-4, состоящего, например, из ТГ-50 или А-1Х-1. Основной заряд 4 и генератор плоской волны 2, 3 помещены в корпус 5а и 5б. Кумулятивное тело состоит из плоской пластины 6 и двух деталей 8 и 9, расположенных так, чтобы образовать кольцевую коническую полость 7 и кольцевую трубку 10, предназначенную для выхода кольцевой кумулятивной струи. Устройство, показанное на фиг. 1 работает следующим образом. При срабатывании капсюля злектродентонатора 1 инициируется генератор плоской детонационной волны 2. Угол β детали 3 генератора плоской детонационной волны выбирается из соотношения большой (деталь 2) и малой (деталь 3) скоростей детонации так, чтобы на поверхность "А" детонационная волна вышла одновременно по всей поверхности. Плоская детонационная волна генератора плоской волны инициирует в основном заряде 4 плоскую детонационную волну "B", распространяющуюся по основному заряду 4 со скоростью "D". При выходе детонационной волны "B" на поверхность плоской пластины 6, она получает скорость "Vo" и внедряется в кольцевую полость 7 кумулятивного тела, состоящего из деталей 8 и 9. Во все время движения пластины 6 в кольцевой полости 7, она остается плоской. При этом происходит ее взаимодействие с коническими берегами кольцевой полости E(E') под углом γ = 90-α/2, где α центральный угол кольцевой полости. Если скорость пластины превышает некоторую предельную величину, например, для пары медь (пластина) и сталь (деталь 8 и 9) она должна быть выше 2 км/с, то в угловых точках их соударения "C" образуется кольцевая кумулятивная струя. Во время движения пластины 6 в кумулятивной полости 7 от верхнего большего ее основания к нижнему малому, длина кумулятивной струи увеличивается и достигает длины образующей конуса E(E'). Так как скорость пластины 6 во все время ее движения остается постоянной, то кольцевая кумулятивная струя не имеет градиента по ее длине. В связи с уменьшением сечения кумулятивной полости 7, толщина кумулятивной струи увеличивается. Кольцевая, кумулятивная струя, образовавшаяся на поверхностях E и E' соударяется под углом α/2 в точке "K". При этом происходит вторая стадия кумуляции и скорость образовавшейся таким образом кольцевой кумулятивной струи соответственно увеличивается.

Теория кумуляции разработана как для симметричных соударений под углом, когда оба соударяющихся тела движутся, так и для несимметричных соударений под углом, когда одно из соударяющихся тел движется, а другое неподвижно.

Скорость кумулятивной струи в нашем случае можно определить по следующей формуле [3]: где V'_стр скорость первичной кумулятивной струи; V_o- скорость пластины; γ - скорость соударения пластины.

Такая скорость кумулятивной струи будет при движении пластины в концентрической конической полости. При этом кумулятивная струя будет двигаться вдоль поверхностей E и E'. Ее сечение будет уменьшаться, а толщина увеличиваться. В точках K, K' произойдет вторичное взаимодействие струй под углом γ и формирование новой, более скоростной кумулятивной струи V''. Окончательная скорость кумулятивной струи может быть определена по следующей формуле: Таким образом, будет сформирована высокоскоростная кольцевая кумулятивная струя, диаметр которой по оси будет d_K2, а ее скорость V''. Из формулы (2) видно, что скорость кольцевой кумулятивной струи зависит от скорости пластины V_o и она линейно увеличивается с ростом V_о, а в еще большей степени она увеличивается с уменьшением угла γ. Однако, при уменьшении угла γ = 90-α/2 уменьшается масса кумулятивной струи (4), которая определяется следующим соотношением: где масса кумулятивной струи; m - масса кумулятивной оболочки.

Нами были проведены эксперименты по действию кумулятивных струй, полученных в устройстве по фиг. 1, при изменении угла γ от 80^o до 30^o. Во всем этом диапазоне углов были получены кумулятивные струи при использовании пары: пластина-медь, концентрическое тело-сталь. Однако, наиболее эффективным (глубина и диаметр каверны в преграде из стали) оказался угол γ = 60^o. В зависимости от поставленных целей, а именно получение максимально большой скорости или максимальной глубины каверны, могут изменяться соответственно скорость пластины V_о и угол соударения γ.
В табл.1 приведены расчетные характеристики кумулятивных струй в зависимости от угла соударения γ при скорости пластины V_о=3 км/с.

В таблице 1 обозначено:
γ - угол соударения пластины,
V' - скорость первичной кумулятивной струи,
V'' - скорость вторичной кумулятивной струи,
m - масса пластины,
m_c - масса кумулятивной струи.

При изменении скорости пластины V_о, скорости V' и V'' линейно изменяются.

В табл. 2 приведены результаты пробития стальной преграды кумулятивными струями устройства по фиг. 1 в зависимости от угла конуса между берегами кумулятивной выемки E и E'. Детали 8 и 9 были выполнены из стали, а деталь 6 из меди толщиной 0,8 мм. Ширина кольцевого отверстия во всех опытах была равна 12 мм, а длина образующей была во всех опытах равна 20 мм. Толщина основного заряда 4 была всегда 20 мм.

В таблице 2 обозначено: L - глубина выбоины в преграде, D - ширина кольцевой выбоины в преграде, d_o- ширина кольцевого отверстия.

На фиг. 2 показано устройство для получения кольцевой кумулятивной струи с увеличенной скоростью и массой. Это устройство отличается от устройства, показанного на фиг. 1 тем, что кумулятивное тело выполняют из плоской пластины 6 и кольцевой конической оболочки 11, на внешней боковой поверхности которой располагают дополнительные кольцевые заряды 12, 13. В том случае, когда толщина дополнительного заряда 12, 13 постоянна (δ₁ = δ₂), скорость, сближающейся к оси, оболочки 11 будет постоянной. Так как скорость соударения пластины 6 с конической оболочкой 11 возрастает, а угол несколько уменьшится, скорость и масса кольцевой кумулятивной струи возрастут. Устройство показанное на фиг. 2, работает так же, как и устройство, показанное на фиг. 1. При этом плоская детонационная волна B, распространяющаяся по заряду 4, инициирует заряды 12 и 13. Детонационная волна в них сообщает оболочке 11 скорость, при которой оболочка 11 сжимается к оси.

В том случае, когда толщина дополнительных зарядов увеличивается к вершине конической оболочки 11, т.е. когда δ₂ > δ₁, как показано на фиг. 2, скорость конической оболочки 11 возрастает от ее основания к вершине. Образовавшаяся кольцевая кумулятивная струя будет иметь градиент скорости так, что ее хвостовая часть будет иметь большую скорость, чем головная. Наоборот, при δ₁ > δ₂ кольцевая кумулятивная струя будет иметь противоположный градиент, т.е. головная часть кольцевой кумулятивной струи будет иметь большую скорость, чем хвостовая ее часть.

Для образования кольцевой кумулятивной струи различного сечения в устройстве на фиг. 1, входное и выходное отверстия в кумулятивной полости 8 и 9 выполняют в форме многоугольника, например треугольника, квадрата, прямоугольника, ромба или других многоугольников, а не окружности.

Источники информации
1. Е. М. Вицени "Кумулятивный заряд для перфорации нефтяных скважин". Авторское свидетельство N 189370 от 30.11.66, МКИ F 42 B 1/02.

2. В. А. Васюков, В. К. Чернышов "Способ формирования высокоскоростной струи". Патент Советского Союза N 1784123, МКИ6 F42 B 1/02.

3. Ф.А.Баум, К.П.Станюкевич, Б.И.Шехтер "Физика взрыва" Государственное издательство физико-математической литературы. Москва, 1959, с.500.

4. К. К. Андреев, А. Ф. Беляев. "Теория взрывчатых веществ". М.: Государственное научно-техническое издательство Оборонгиз. 1960, с. 485.

Формула изобретения

1. Устройство для образования кольцевой кумулятивной струи, содержащее корпус с размещенным в нем соосно друг другу детонатором, основным зарядом ВВ, кумулятивным элементом с кумулятивной полостью, отличающeеся тем, что устройство снабжено установленным между детонатором и основным зарядом ВВ и соосно с ним генератором плоской детонационной волны, а кумулятивный элемент состоит из плоской пластины и тела из высокопластичных материалов, в котором выполнена соосно кольцевая кумулятивная полость в виде тела вращения трапеции, заканчивающейся кольцевой трубкой вокруг оси симметрии, при этом большое основание трапеции примыкает к пластине, а внутренняя поверхность кольцевой полости выполнена с возможностью косого соударения ее с пластиной.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для увеличения скорости кольцевой кумулятивной струи и ее массы кумулятивное тело содержит соосно выполненную кольцевую кумулятивную полость, имеющую форму оболочки, как тела вращения трапеции, на внешней поверхности которой расположен дополнительный кольцевой заряд ВВ постоянной толщины, который инициируют одновременно с основным зарядом ВВ и с помощью его детонации сжимают к оси коническое кумулятивное тело со скоростью 2,5-3,5 км/с.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что для создания градиента скорости по длине кольцевой кумулятивной струи дополнительный кольцевой заряд ВВ, расположенный на внешней поверхности кольцевой кумулятивной полости, выполняют переменной толщины, обеспечивающей переменную по длине образующей скорость радиального обжатия кумулятивного тела.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для образования кольцевой кумулятивной струи различного поперечного сечения входное и выходное отверстия кумулятивной полости имеют форму многоугольника, например треугольника, квадрата, прямоугольника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4