Способ формирования ударной волны и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области техники получения и формирования ударных волн при разработке устройств для многоточечного инициирования зарядов взрывчатого вещества (ВВ) и может быть использовано в различных областях технической физики, например в спиральных взрывомагнитных генераторах (СВМГ) для генерации энергии мегаджоулевого уровня и во взрывных обострителях тока (ВОТ) для формирования мультимегаамперных импульсов тока с временем нарастания в микросекундном диапазоне. Предложен способ формирования ударной волны, включающий возбуждение детонации, распространение ее и формирование ударной волны в подвижном проводнике, его ускорение, а также устройство для формирования ударной волны, содержащее заряд взрывчатого вещества, детонационный распределитель, подвижный проводник и инициатор, при этом распространение организуют последовательно по времени с формированием ударной волны со ступенчато изменяющимся фронтом вдоль проводника. Изобретение направлено на обеспечение заданной скорости сжатия магнитного потока путем формирования требуемого профиля разлета подвижного проводника и соответственно скорости вывода электромагнитной энергии в нагрузку. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области получения и формирования ударных волн при разработке устройств для многоточечного инициирования зарядов взрывчатого вещества (ВВ) и может быть использовано в различных областях технической физики, например в спиральных взрывомагнитных генераторах (СВМГ) для генерации энергии мегаджоулевого уровня и во взрывных обострителях тока (ВОТ) для получения мультимегаамперных импульсов тока со временем нарастания в микросекундном диапазоне.

Известны способ формирования ударной волны и устройство для его осуществления, в работе "Предельные возможности коаксиального взрывомагнитного генератора с осевым инициированием заряда" (Е.И. Жаринов и др. Труды III Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. Новосибирск, 1983 г. Сб. Сверхсильные магнитные поля. М.: Наука, 1984, с.298) описаны способ и устройство, в котором ударная волна формируется для ускорения цилиндрического подвижного проводника с последующей компрессией магнитного потока, предварительно созданного в электрическом контуре. Детонацию распространяют одновременно, а фронт ударной волны формируют цилиндрическим. Устройство для формирования такой формы ударной волны состоит из цилиндрического заряда ВВ, инициирование которого осуществляется цепочкой электродетонаторов (ЭД), расположенных последовательно вдоль оси заряда ВВ. Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является невозможность регулирования скорости вывода электромагнитной энергии в нагрузку при одновременном распространении детонации в заряде ВВ с последующей компрессией магнитного потока летящим подвижным проводником цилиндрического профиля и выводом сжатого магнитного потока в нагрузку, Наиболее близким к заявляемому является способ формирования ударной волны и устройство для его осуществления, описанные в работе Г. Кнопфеля "Сверхсильные импульсные магнитные поля". М.: Мир, 1972 г., с.212-217, фиг. 8.11е. Способ формирования ударной волны по прототипу включает возбуждение детонации, распространение ее, формирование фронта ударной волны в подвижном проводнике и его ускорение. Данным способом формируется плоский фронт ударной волны в подвижном проводнике (лайнере). Устройство для создания такой формы ударной волны состоит из заряда ВВ, детонационного распределителя (ДР), примыкающего к подвижному проводнику, и инициатора. Инициатор представляет собой капсюль-детонатор, установленный на одном из торцов детонационного распределителя, который выполнен в виде плоского профилированного заряда ВВ с толщиной, увеличивающейся к другому торцу. Это обеспечивает одновременное ускорение подвижного проводника во всех его точках. Недостатками способа и устройства по прототипу являются ограничения, связанные с регулированием скорости сжатия магнитного потока в контуре подвижного проводника под действием ударной волны и соответственно ограничения по регулированию скорости вывода электромагнитной энергии.

При создании данного изобретения решалась задача - разработать взрывной импульсный источник тока, который может обеспечить ток амплитудой 10...16 МА в индуктивной нагрузке величиной 50...280 нГн с характерным временем нарастания 6...30 мкс, и способ формирования ударной волны ступенчатой формы, который позволяет обеспечить указанные параметры.

При решении данной задачи техническим результатом является регулирование скорости сжатия магнитного потока в контуре подвижного проводника и соответственно скорости вывода электромагнитной энергии в способах и устройствах с использованием данного изобретения.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом формирования ударной волны, включающим возбуждение детонации, распространение ее, формирование фронта ударной волны в подвижном проводнике и его ускорение, новым является то, что детонацию распространяют последовательно по времени, а ударную волну формируют со ступенчато изменяющимся фронтом и распространяют ее вдоль подвижного проводника со средней скоростью от 10 до 100 км/с. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для формирования ударной волны, содержащим заряд ВВ взрывчатого вещества, детонационный распределитель, подвижный проводник и инициатор, новым является то, что детонационный распределитель (ДР) выполнен в виде секций, к нему примыкает заряд ВВ с подвижным проводником с одной стороны, а с другой дополнительно содержащаяся взрывная линия синхронизации (ВЛС), которая выполнена в виде группы отрезков взаимосвязанных детонационных каналов, концевые участки которых в одной точке примыкают к начальным участкам секций детонационного распределителя. Длина детонационных каналов взрывной линии синхронизации от торца до каждого последующего концевого участка выполнена изменяющейся на одну и ту же величину по отношению к предыдущей. Отношение массы заряда ВВ к массе подвижного проводника (лайнера) на единицу его поверхности составляет от 1 до 6. Инициатор выполнен в виде капсюля-детонатора, расположенного на одном из торцов взрывной линии синхронизации и примыкающего к начальному участку ВЛС. Секции детонационного распределителя выполнены в виде взаимосвязанных групп отрезков детонационных каналов, выполненных в инертном материале, заполненных ВВ и связанных с взрывной линией синхронизации.

Формирование ударной волны в подвижном проводнике последовательно ступенчато обеспечивает ее распространение вдоль подвижного проводника со средней скоростью от 10 до 100 км/с. Это достигается за счет того, что ударная волна в подвижном проводнике создается зарядом ВВ с помощью детонационного распределителя, выполненного в виде секций, а детонация в каждой секции распределителя возбуждается с помощью дополнительно содержащейся взрывной линии синхронизации, которая выполнена в виде группы отрезков взаимосвязанных детонационных каналов, концевые участки которых примыкают к начальному участку распределителя, причем длина детонационных каналов взрывной линии синхронизации от торца до каждого последующего концевого участка выполнена изменяющейся на одну и ту же величину по отношению к предыдущей. Детонационный распределитель возбуждает в заряде ВВ детонацию, распространяющуюся с фазовой скоростью от 10 до 100 км/с. Такая фазовая скорость распространения детонации в сочетании с выбранной массой ВВ обеспечивает создание ударной волны в подвижном проводнике, которая позволяет разогнать его для сжатия потока в контуре ВМГ в оптимальном режиме. При меньшей фазовой скорости детонации в заряде ВВ и иных соотношениях между массой ВВ и лайнером не обеспечиваются условия вывода энергии в нагрузку за требуемое регулируемое время 6...30 мкс. При большей фазовой скорости возбуждения детонации в заряде ВВ при сжатии магнитного потока подвижным проводником между витками спирали возникает высокое напряжение и происходит межвитковый пробой изоляции витков, что приводит к потерям магнитного потока и уменьшению накапливаемой в ВМГ энергии.

На фиг.1 изображена схема устройства для формирования ударной волны для реализации заявляемого способа.

На фиг. 2 изображена схема одной секции детонационного распределителя - элемента устройства для формирования ударной волны.

На фиг. 3 изображен пример 1 для реализации заявляемого способа и устройства для формирования ударной волны во взрывомагнитном генераторе.

На фиг. 4 изображен пример 2 для реализации заявляемого способа и устройства для формирования ударной волны во взрывном обострителе тока.

Устройства по фиг.1...4 содержат: 1 - заряд ВВ, 2 - детонационный распределитель и его секции, 3 - подвижный проводник, 4 - инициатор, 5 - взрывную линию синхронизации, 6 - каналы ВЛС, 7 - концевые участки ВЛС, 8 - начальный участок ВЛС,
9 - первый канал ДР,
10 - инертный материал, в котором выполнены каналы ДР,
11 - начальный участок секции ДР,
12 - концевой участок секции ДР,
13 - спираль ВМГ,
14 - источник запитки ВМГ,
15 - нагрузку ВМГ,
16 - струеформирователь обострителя тока,
17 - разрушаемый проводник,
18 - струегаситель,
19 - наружный токопровод.

Способ формирования ударной волны включает возбуждение детонации от инициатора (4), распространение ее через ВЛС (5) и ДР (2) последовательно, возбуждение детонации в заряде ВВ (1), создание ударной волны со ступенчато изменяющимся фронтом в подвижном проводнике (3) и его ускорение. Ударную волну распространяют вдоль подвижного проводника (1) со средней скоростью в диапазоне от 10 до 100 км/с.

Устройство для формирования ударной волны содержит заряд (1) ВВ, детонационный распределитель (2), подвижный проводник (3) и инициатор (4). Детонационный распределитель (2) выполнен в виде секций. Детонационный распределитель примыкает к дополнительно содержащейся взрывной линии синхронизации (5), которая выполнена в виде групп отрезков взаимосвязанных детонационных каналов (6), концевые участки которых в одной точке примыкают к начальному участку каждой секции детонационного распределителя. Длина детонационных каналов (6) ВЛС (5) от торца до каждого последующего концевого участка выполнена изменяющейся на одну и ту же величину по отношению к предыдущей. Отношение массы заряда ВВ (1) к массе лайнера (3) на единицу поверхности лайнера составляет от 1 до 6. Инициатор (4) выполнен в виде капсюля-детонатора, расположенного на одном из торцов взрывной линии синхронизации и примыкающего к начальному участку ВЛС. Секции детонационного распределителя (2) выполнены в виде взаимосвязанных групп отрезков детонационных каналов, выполненных в инертном материале, заполненных ВВ и связанных с ВЛС (5).

Пример 1. Способ и устройство формирования ударной волны, реализованные во взрывомагнитном генераторе.

На фиг. 3 схематично изображен взрывомагнитный генератор, использующий предлагаемый способ, и устройство формирования ударной волны в подвижном проводнике, с помощью которой он ускоряется. Во взрывомагнитном генераторе подвижный проводник (3) выполнен в форме цилиндрической трубы. Внутри подвижного проводника находится цилиндрический заряд ВВ (1), к заряду примыкает детонационный распределитель (2), состоящий из секций. Внутри распределителя размещается взрывная линия синхронизации (5) с детонационными каналами. Возбуждение детонации в каналах производится с помощью капсюля-детонатора (4). Этот генератор обеспечивает в нагрузке (15) индуктивностью 200 нГн импульс тока амплитудой 16 МА при характерном времени нарастания 25-30 мкс. Диаметр спирали составляет 800...1000 мм и длина спирали равна 700...1000 мм. Цилиндрический заряд ВВ (1) имеет длину 1000 мм, внутренний диаметр 100 мм, наружный - 300. ..400 мм; возбуждение детонации в заряде ВВ (1) происходит с помощью детонационного распределителя (2), состоящего из 10 секций по 100 мм длиной каждая. Детонационный распределитель задействуется с помощью взрывной линии синхронизации (5) так, что в каждой последующей секции начальный участок детонационного канала инициируется относительно предыдущего с задержкой 1 мкс. Это достигается за счет того, что длина детонационного канала в зависимости от состава ВВ, заполняющего каналы, увеличивается по отношению к предыдущему на одну и ту же величину в пределах допуска 40...50 мм; таким образом, распространение детонации происходит последовательно по времени, а формирование ударной волны производится со ступенчато изменяющимся фронтом. Толщина подвижного проводника - трубы (3) из меди или алюминия выбирается так, чтобы отношение массы подвижного проводника к массе заряда на единицу площади составляло ≅1,8...2. За счет формирования ударной волны, распространяющейся вдоль подвижного проводника со скоростью 14...16 км/с, и выбора массы подвижного проводника в отношении 1,8...2,0 к массе заряда ВВ подвижный проводник подлетает к поверхности витков спирали (13) ВМГ со скоростью 2,3 км/с с углом подлета 9^o. Это обеспечивает быстрый ввод энергии в нагрузку за характерное время 25...30 мкс, и максимальная величина напряжения в витках спирали не превышает 100 кВ. Эта величина напряжения является вполне приемлемой. Использование пленочной изоляции позволяет избежать межвитковых электрических пробоев. При использовании ВМГ со сжатием потока стенками цилиндрического подвижного проводника, ускоряемого ударной волной от заряда, который инициируется с торца без использования ВЛС и детонационных распределителей, величина напряжения составила бы 200...300 кВ. Для такого ВМГ разработать изоляцию витков спирали невозможно. Применение ВМГ со сжатием магнитного потока стенками цилиндрического подвижного проводника, ускоряемого ударной волной от заряда, который бы инициировался одновременно вдоль оси, например, с помощью цепочки последовательных капсюлей-детонаторов, также приводило бы к возникновению высокого напряжения между витками (300 кВ). Проведенные расчеты показали, что при начальной запитке спирали (13) с начальной индуктивностью 4. ..6 мкГн от источника (14) током амплитудой 1 МА с помощью сжатия магнитного потока подвижным проводником (3), ускоренного ударной волной от заряда ВВ (1), в конечном контуре (нагрузке) (15) индуктивностью 220...280 нГн можно сформировать импульс тока амплитудой 14,6 МА с характерным временем 25...30 мкс.

Пример 2. Способ и устройство для формирования ударной волны, реализованные во взрывном обострителе тока.

На фиг.4 схематично изображен обостритель, в конструкции которого реализован предлагаемый способ, и устройство для формирования ударной волны. В этом взрывном обострителе подвижный проводник (3) выполнен в виде цилиндрической трубы, внутри которой коаксиально расположены заряд ВВ (1), взрывная линия синхронизации (5), на торце которой находится капсюль-детонатор (4). Над подвижным проводником (3) находится струеформирователь (16), который относительно подвижного проводника (3) может располагается как с зазором (воздушным или заполненным каким-либо диэлектриком), так и без зазора. Вплотную к струеформирователю (16) коаксиально установлен разрушаемый проводник (17). Снаружи разрушаемого проводника (17) коаксиально установлены струегаситель (18) и наружный токопровод (19). В обострителе масса заряда ВВ (1) к массе лайнера (3) составила 1:6. Длина обострителя была равна 840 мм, диаметр 400 мм. Детонационный распределитель (см. фиг.2) состоял из 4 секций с длиной каждой секции по 210 мм. Каждая секция детонационного распределителя задействуется с помощью взрывной линии синхронизации (5). Детонация в ВЛС возникает при срабатывании капсюля-детонатора (4). ВЛС выполнена в виде группы отрезков взаимосвязанных детонационных каналов, концевые участки которых примыкают в одной точке к начальным участкам секций детонационного распределителя. Длина детонационных каналов ВЛС от торца до каждого последующего концевого участка выполнена уменьшающейся по отношению к предыдущей на 15...25 мм. Такое выполнение ВЛС обеспечивает формирование ударной волны вдоль подвижного проводника со скоростью 70...100 км/с. Детонационный распределитель вплотную примыкает к заряду ВВ (1) и вызывает в заряде ВВ детонационную волну, которая формирует в подвижном проводнике (лайнере) ударную волну, распространяющуюся со скоростью 70...100 км/с. Давление ударной волны начинает ускорять подвижный проводник (лайнер) (3), который сжимает магнитный поток, заключенный в объеме между подвижным проводником (лайнером) (3) и разрушаемым проводником (17). Заранее в этом объеме с помощью источника запитки ВМГ (14) был создан начальный магнитный поток (в качестве источника магнитного потока для обострителя использовался спиральный ВМГ диаметром 400 мм). Взрывной обостритель тока был запитан током амплитудой 15 МА, энергия в нем составляла 15 МДж. За счет сжатия магнитного потока подвижным проводником (лайнером) амплитуда тока возросла до 28 МА, а величина электромагнитной энергии возросла до 25 МДж. В струеформирователе (16) выполнены кумулятивные выемки. При ударе подвижного проводника (лайнера) (3) о струеформирователь (16) в нем возникает ударная волна, которая приводит к схлопыванию стенок кумулятивных выемок и к образованию диэлектрических кумулятивных струй, которые разрезают разрушаемый проводник (17), выполненный в виде пустотелого цилиндра из алюминия толщиной 2 мм. За счет разрушения проводника (17) в нагрузке (15) формируется импульс тока амплитудой 15 МА с характерным временем нарастания 8...10 мкс, при этом величина напряжения на входе нагрузки составила 130...150 кВ, что позволяет использовать данный детонационный распределитель во взрывном обострителе.

Уменьшение разницы в длине детонационных каналов взрывной линии синхронизации от торца до каждого последующего концевого участка с 15...25 мм до 4. . .8 мм, как показали эксперименты (при остальных одинаковых параметрах), привели к сокращению времени формирования импульса тока в нагрузке с 8...10 мкс до 4...5 мкс.

Таким образом, заявляемый способ и устройство для его реализации позволяют регулировать скорость сжатия магнитного потока в контуре подвижного проводника и соответственно скорость вывода энергии в нагрузку, как показано в примерах.

Формула изобретения

1. Способ формирования ударной волны, включающий возбуждение детонации, ее распространение, формирование фронта ударной волны в подвижном проводнике и его ускорение, отличающийся тем, что детонацию распространяют последовательно по времени, а ударную волну формируют со ступенчато изменяющимся фронтом вдоль проводника.

2. Способ формирования ударной волны по п.1, отличающийся тем, что ударную волну распространяют вдоль подвижного проводника со средней скоростью от 10 до 100 км/с.

3. Устройство для формирования ударной волны в подвижном проводнике, содержащее заряд взрывчатого вещества, детонационный распределитель, подвижный проводник и иницииатор, отличающееся тем, что детонационный распределитель выполнен в виде секций, к нему примыкает заряд взрывчатого вещества с подвижным проводником с одной стороны, а с другой - дополнительно содержащаяся взрывная линия синхронизации, которая выполнена в виде групп отрезков взаимосвязанных детонационных каналов, концевые участки которых в одной точке примыкают к начальным участкам секций детонационного распределителя, причем детонационные каналы взрывной линии синхронизации от ее торца до каждого последующего концевого участка выполнены длиной, изменяющейся на одну и ту же величину по отношению к предыдущей.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что отношение массы заряда взрывчатого вещества к массе подвижного проводника на единицу поверхности составляет от 1 до 6.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что иницииатор выполнен в виде капсюля-детонатора, расположенного на одном из торцов взрывной линии синхронизации и примыкающего к начальному участку взрывной линии синхронизации.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что секции детонационного распределителя выполнены в виде взаимосвязанных групп отрезков детонационных каналов, выполненных в инертном материале, заполненных взрывчатым веществом и связанных с взрывной линией синхронизации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4