Способ имитации термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы конструкционных материалов

Изобретение относится к технике создания кратковременных интенсивных импульсов давления и может быть использовано для испытаний образцов конструкционных материалов на прочность к действию ударных ядерного взрыва (ЯВ), в частности рентгеновского излучения (РИ). Способ имитации термомеханического действия РИ ЯВ на образцы конструкционных материалов включает закрепление взрываемой фольги на испытываемый образец, приводящий к взрыву фольги разряд импульса электрического тока и результирующее нагружение образца механическим импульсом давления от взрывной ударной волны. При этом предварительно определяют толщину сублимированного в натурном процессе слоя вещества нагружаемого образца и удаляют его с поверхности любым из известных способов. Затем проводят неравномерный нагрев по толщине образца. Изобретение позволяет приблизить воспроизводимые условия к натурному состоянию испытываемого образца при термомеханическом действии РИ ЯВ. 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к технике создания кратковременных интенсивных импульсов давления и может быть использовано для испытаний образцов конструкционных материалов на прочность к действию ударных нагрузок ядерного взрыва (ЯВ), в частности рентгеновского излучения (РИ).

Известен способ воспроизведения механического импульса давления РИ, основанный на нанесении и подрыве тонкого слоя бризантного взрывчатого вещества (ВВ) по поверхности испытываемого образца (Физика взрыва. / Под ред. Орленко Л.П. Т.2. М. Физматлит. 2002. С.536-541). Недостатками способа являются: неодновременность приложения нагрузки, создаваемой скользящей детонацией тонкого слоя ВВ, трудность реализации по созданию импульса давления малой амплитуды, определяемой критической для детонации толщиной ВВ и невозможность создания импульса давления малой длительности, соответствующей воздействию РИ.

Наибольшую опасность для образцов конструкционных материалов представляет тепловое и механическое (термомеханическое) действие РИ ЯВ, которое вызывает нагрев преграды неравномерно по толщине и создает механический импульс давления (Грибанов В.М., Острик А.В., Слободчиков С.С. Тепловое и механическое действие рентгеновского излучения на материалы и преграды. // Монография. Физика ядерного взрыва. Т.2. Действие взрыва. М.: Наука. Физматлит.1997. С.131-195). При превышении энерговыделения в результате поглощения излучения энергии сублимации материала в преграде возникает ударная волна от реактивного импульса разлетающихся частичек конструкционного материала и откол с поверхности. Это приводит к уменьшению толщины несущего слоя и, как правило, к снижению прочности испытываемого образца из композитного материала (КМ) (Пространственно армированные композиционные материалы. Справочник / Тарнопольский Ю.М., Жигун И.Г., Поляков В.А. - М.: Машиностроение. 1987. 224 с.). В этой связи становятся актуальными вопросы как адекватного воспроизведения теплового состояния преграды перед импульсным нагружением, так и сам способ нагружения механическим импульсом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ генерирования механического импульса электрическим взрывом проводника, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что заряжают экспериментальную установку, состоящую из конденсаторной батареи емкостью С₀ с собственной индуктивностью L₀ и узла нагрузки, включающего взрываемый проводник (фольгу), и затем разряжают емкость С_о на узел нагрузки (Герасимов А.И., Золотев В.А., Кульгавчук В.В. Электровзрывной имитатор ударного нагружения при воздействии на вещество интенсивного импульсного излучения. // Вопросы атомной науки и техники. Серия физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Вып.3-4. 2005. С.97-101; Павловский А.И., Кашинцов В.И., Глушак Б.Л., Новиков С.А. Генерирование механического импульса электрическим взрывом проводника. // Физика горения и взрыва. 1983. Т.19. №3. С.124-126). Недостатком данного способа применительно к действию рентгеновского излучения является то, что он не учитывает неравномерный нагрев по толщине преграды от воздействия РИ и возможное уменьшение ее толщины за счет испарения материала объекта испытания. В данном способе отсутствует связь между моделируемым импульсом давления, параметрами излучения (длиной волны λ и плотностью энергии излучения W) и свойствами материала (плотностью ρ и энергией сублимации Q_s). Основной технической задачей изобретения является приближение состояния объекта при испытаниях на термомеханическое действие РИ к натурному, что позволит создавать низкоинтенсивные импульсные нагрузки малой длительности и воспроизводить волновые процессы в конструкционных материалах.

Технический результат предлагаемого способа достигается тем, что предварительно рассчитывают профиль энерговыделения в испытываемом образце при воздействии спектра РИ ЯВ, учитывая основные процессы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом (релеевское и комптоновское рассеяния, фотопоглощение и флуоресценцию). Затем определяют толщину сублимированного в натурном процессе слоя вещества нагружаемого объекта из решения уравнения гидродинамики с учетом перераспределения энергии между разлетающимися частичками вещества и затрат энергии на разрыв межмолекулярных связей композиционного материала преграды в результате поглощения излучения в приповерхностном слое, затем удаляют данный слой с поверхности любым из известных способов и воспроизводят профиль температуры за границей сублимации или откола. Неравномерный нагрев испытываемого образца проводят с помощью поверхностного нагрева плотно прилегающей пластиной с током, изменяющегося по заданному закону, максимально приближающего профиль температуры, рассчитанный с использованием экспериментально подобранного коэффициента теплоотдачи пластины к профилю, характерному натурному процессу, при этом температурное поле находится из решения уравнения переноса энергии твердой фазы с заданным распределением температуры поверхности в любой момент времени T_w(t)=J(t), в качестве которого берется температура нагрева пластины ft=Т(1), определяемая из решения уравнения теплового баланса проводника с током с учетом потери тепла теплоотдачей и переизлучением

где j - плотность тока в пластине;

ρ, γ, c_р, δ, α, ε - удельное электросопротивление, плотность, теплоемкость, толщина, коэффициенты теплоотдачи и черноты пластины, соответственно;

σ_в - постоянная Больцмана;

T_s - температура окружающей среды.

При достижении в образце заданного распределения температуры через электропроводящую фольгу пропускают импульс электрического тока, приводящий к взрыву фольги и нагружению объекта импульсом давления от взрывной ударной волны.

Схема реализации предлагаемого способа представлена на фиг.1, где показаны: 1 - электроразрядная установка емкостью С1, индуктивностью L1, сопротивлением R1 и коммутирующий разрядник К1; 2 - блок нагружения, включающий плоскую металлическую фольгу; 3 - нагреватель, включающий нагреваемую пластинку, источник питания Е, ключ К2, амперметр А, и реостат R2.

Способ осуществляется следующим образом.

Вначале устанавливают и закрепляют взрываемую фольгу в блоке нагружения 2, осуществляют заряд накопительной емкости С1 электроразрядной установки 1, затем замыкают ключ К2 нагревателя и пропускают по пластине ток с заданным законом изменения плотности, регулируя его величину реостатом R2, затем проводят разряд электроразрядной установки 1 на взрываемую фольгу.

Реализация разработанного способа проводилась с использованием установки ФГУ «12 ЦНИИ МО РФ» «Зенит-К» с характеристиками: емкость установки C=288 мкФ, индуктивность разрядного контура L=5 мкГн, сопротивление разрядного контура R=23 мОм и нагревателя «Контакт» с характеристиками: материал пластины - нихром, площадь нагрева 5×5 см, максимальный пропускаемый ток - 10 А. На фиг.2 показан закон изменения плотности тока пластины нагревателя по времени, а на фиг.3 - требуемый профиль температуры преграды, устанавливающийся при действии спектра РИ ЯВ (пунктирная линия) и его воспроизведение предлагаемым способом поверхностного нагрева (сплошная линия). На фиг.4 представлены результаты воздействия механического импульса на холодный (а) и нагретый (б) образцы КМ. По результатам расчетов и экспериментов установлено, что за счет изменения физико-механических свойств материала при повышенных температурах импульс давления, безопасный для холодного образца, вызывает его разрушение при температурах, характерных для воздействия РИ в натурных процессах.

Предлагаемый способ воспроизведения термомеханического действия РИ ЯВ позволяет оценить прочность образцов конструкционных материалов в условиях, максимально приближенных к требуемым, а именно:

- связать воспроизводимый импульс давления с параметрами излучения (длиной волны λ и плотностью энергии излучения W) и свойствами материала (плотностью ρ и энергией сублимации Q_s);

- уменьшить толщину испытываемого образца за счет сублимации материала в натурном процессе;

- воспроизвести неравномерный нагрев, приближающий распределение температуры в испытываемом образце к требуемому.

Способ имитации термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы конструкционных материалов, включающий закрепление взрываемой фольги на испытываемый образец, разряд через электропроводящую фольгу импульса электрического тока, приводящий к взрыву фольги и нагружению образца механическим импульсом давления от взрывной ударной волны, отличающийся тем, что предварительно определяют толщину сублимированного в натурном процессе слоя вещества нагружаемого образца и удаляют его с поверхности любым из известных способов, а затем проводят неравномерный нагрев по толщине образца.