Способ формирования высокоскоростного металлического компактного элемента и метающее устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к области экспериментальной физики и может быть использована для исследования высокоскоростного взаимодействия тел, например, для моделирования воздействия метеорно-техногенных частиц на защитные системы космических аппаратов. Способ включает инициирование заряда взрывчатого вещества (ВВ), снабженного притупленной осевой кумулятивной выемкой с металлической облицовкой с соосно размещенным в выемке вкладышем, разгон металлической облицовки притупленной осевой кумулятивной выемки под действием продуктов взрыва заряда ВВ, формирование высокоскоростной кумулятивной струи из разогнанной металлической облицовки. Вкладыш выполняют из высокоплотного материала, снабжают сквозным осевым каналом, в котором на заданном расстоянии от его начала размещают метаемый элемент в виде пластины, имеющей прогиб, направленный в сторону кумулятивной выемки. Канал со стороны металлической облицовки до метаемого элемента заполняют гомогенным материалом с низкой акустической жесткостью. Кумулятивной струей из разогнанной металлической облицовки сжимают гомогенный материал с низкой акустической жесткостью, которым разгоняют установленный за ним метаемый элемент. Канал во вкладыше может быть выполнен сужающимся в направлении метания или выполнен ступенчатым, при этом метаемый элемент установлен в части с меньшим сечением. Технический результат заключается в обеспечении проведения исследований высокоскоростного взаимодействия компактного элемента с преградами в расширенном диапазоне скоростей. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Группа изобретений относится к области экспериментальной физики и может быть использована для исследования высокоскоростного взаимодействия тел, например, для моделирования воздействия метеорно-техногенных частиц на защитные системы космических аппаратов. Для решения данной задачи требуется разработка метающих устройств, позволяющих получать гиперскоростные металлические компактные элементы (КЭ), размеры массы и скорости которых соответствуют диапазонам возможных условий столкновений.

Известен способ формирования высокоскоростного металлического компактного элемента, реализуемый при работе кумулятивного метающего устройства, описанного в патенте РФ RU 2383849 C1, 10.03.2010, Бюл. №7, МПК FP42B 1/028(2006.01), «Кумулятивное устройство». Кумулятивное устройство содержит цилиндрический заряд взрывчатого вещества (ВВ) с осевой кумулятивной выемкой в форме полусфера-цилиндр с металлической облицовкой, детонационное устройство. В полости кумулятивной выемки заряда соосно с ней установлен металлический вкладыш в виде стакана с осевой кумулятивной выемкой в форме полусфера-цилиндр и с фланцем со ступенчатой торцевой поверхностью, обращенной к заряду. Вкладыш присоединен к торцевой поверхности облицовки торцевой поверхностью ступени фланца с меньшим диаметром наружной боковой поверхности, а ступень фланца с большим диаметром наружной боковой поверхности, равным или большим диаметра наружной боковой поверхности заряда, расположена с заданным зазором относительно ближе расположенного торца заряда.

Кумулятивное метающее устройство работает следующим образом. При помощи детонатора подрывают заряд ВВ. Под действием продуктов взрыва заряда ВВ происходит разгон, затем схлопывание металлической облицовки кумулятивной выемки. При схлопывании облицовки в определенный момент времени на ней образуется плоский участок, который при ударе о вкладыш генерирует в материале последнего мощную ударную волну, под действием которой кумулятивная выемка вкладыша схлопывается, формируя высокоскоростную кумулятивную струю. Подобрав параметры кумулятивной выемки вкладыша (радиус полусферической части и высоту цилиндрического участка) получают утолщенную безградиентную по скорости головную часть струи, которую можно рассматривать как высокоскоростной компактный элемент. Данное устройство и способ, реализуемые при его работе выбраны в качестве прототипов для заявляемых способа и устройства.

Основным недостатком этих способа и устройства являются физические ограничения на скорость метания - около двух скоростей звука в материале вкладыша.

Решаемой технической задачей является создание способа и устройства, позволяющих реализовать метание металлических компактных элементов с повышенной по сравнению с прототипом скоростью.

Ожидаемый технический результат - проведение экспериментальных исследований высокоскоростного взаимодействия тел в расширенном диапазоне скоростей, формирование высокоскоростного металлического компактного элемента.

Технический результат достигается за счет того, что в заявляемом способе формирования высокоскоростного металлического компактного элемента (КЭ), включающем инициирование заряда взрывчатого вещества (ВВ), снабженного притупленной осевой кумулятивной выемкой с металлической облицовкой с соосно размещенным в выемке вкладышем, разгон металлической облицовки кумулятивной выемки под действием продуктов взрыва заряда ВВ, формирование высокоскоростной кумулятивной струи из разогнанной металлической облицовки, в отличие от прототипа, вкладыш выполняют из высокоплотного материала, снабжают сквозным осевым каналом, в котором на заданном расстоянии от его начала размещают метаемый элемент в виде пластины, имеющей прогиб, направленный в сторону кумулятивной выемки, канал со стороны металлической облицовки до метаемого элемента заполняют гомогенным материалом с низкой акустической жесткостью, кумулятивной струей из разогнанной металлической облицовки сжимают гомогенный материал, которым разгоняют установленный за ним метаемый элемент.

Технический результат достигается также за счет того, что в заявляемом метающем устройстве, содержащем цилиндрический заряд взрывчатого вещества, выполненную в нем притупленную осевую кумулятивную выемку с металлической облицовкой, соосно размещенный в выемке вкладыш, средство инициирования, в отличие от прототипа, вкладыш выполнен из высокоплотного материала, снабжен сквозным осевым каналом, в котором на заданном расстоянии от его начала размещен метаемый элемент в виде пластины, имеющей прогиб, направленный в сторону кумулятивной выемки, канал со стороны металлической облицовки до метаемого элемента заполнен гомогенным материалом с низкой акустической жесткостью.

Канал во вкладыше может быть выполнен сужающимся в направлении метания или выполнен ступенчатым, при этом метаемый элемент установлен в части с меньшим сечением.

В результате использования всей совокупности признаков заявляемых способа и метающего устройства обеспечивается формирование высокоскоростного металлического компактного элемента путем сжатия кумулятивной струей из разогнанной металлической облицовки - массивным «тяжелым» поршнем гомогенного материала с низкой акустической жесткостью - «легкого» материала и разгона им относительно тонкого металлического метаемого элемента до гиперзвуковой скорости. В процессе набора скорости изначально тонкий метаемый элемент формируется в компактный.

Применение гомогенного материала с низкой акустической жесткостью позволяет с минимальными затратами передать импульс от кумулятивной струи к метаемому элементу обеспечив его высокую скорость движения.

Повышение скорости метания элемента обеспечивается эффектом усиления сжатия гомогенного материала в сужающемся канале. Формирование из метаемого элемента компактного элемента (КЭ) обеспечивается выполнением в нем прогиба, направленного в сторону гомогенного («легкого») материала. Это позволяет придать периферийным участкам метаемого элемента радиальную составляющую скорости, под действием которой они сойдутся к оси, придав элементу компактность.

Группа изобретений поясняется чертежом.

Метающее устройство содержит средство инициирования 1 (например, электродетонатор), цилиндрический заряд 2 взрывчатого вещества, выполненную в нем притупленную осевую кумулятивную выемку (например, в форме полусферы-цилиндра или сферический сегмент-конус), с металлической облицовкой 3 (первый каскад), соосно размещенный в выемке вкладыш 4 (второй каскад).

Вкладыш 4 выполнен из высокоплотного материала, (что позволяет вкладышу выполнить функцию ствола, внутри которого давление более 100 ГПа), снабжен сквозным осевым каналом 7, в котором на заданном расстоянии от его начала размещен метаемый элемент 6 в виде пластины, имеющей прогиб, направленный в сторону кумулятивной выемки. Канал 7 со стороны металлической облицовки 3 до метаемого элемента заполнен гомогенным материалом 5 с низкой акустической жесткостью (например, полимером).

Канал 7 во вкладыше 4 может быть выполнен сужающимся в направлении метания или выполнен ступенчатым при этом метаемый элемент 6 установлен в части с меньшим сечением. Обе конфигурации позволяют увеличить количество «легкого» материала, участвующего в разгоне метаемого элемента, что способствует увеличению его скорости.

Заявляемый способ формирования высокоскоростного металлического компактного элемента реализуется с помощью заявляемого метающего устройства следующим образом. При помощи средства инициирования 1 подрывают заряд ВВ 2. Под действием продуктов детонации из облицовки 3 формируют высокоскоростную кумулятивную струю. Притупленная форма облицовки 3 способствует формированию струи с относительно большим поперечным размером (относительно «толстой» струи). Эта струя, имея высокую скорость (несколько километров в секунду) и поперечный размер не менее диаметра канала 7 вкладыша 4, взаимодействует с гомогенным материалом 5, исполняя роль массивного поршня и сжимая его до высокого (более 100 ГПа) давления. В свою очередь, гомогенный материал 5, исполняя роль толкающей среды, разгоняет метаемый элемент 6 до высокой (более 11 км/с) скорости. Благодаря прогибу метаемого элемента 6, он в процессе движения формируется в КЭ. Форма метаемого элемента 6 (сферический сегмент, тупой конус, гиперболоид вращения, параболоид вращения, и т.п.) и величина прогиба влияют на распределение радиальной составляющей скорости в его материале, а, следовательно, и на форму КЭ. Эти параметры подбираются по результатам предварительных численных расчетов.

Использование сужающегося канала 7 позволяет повысить скорость метания за счет использования эффекта усиления сжатия вещества в сужающемся канале.

Таким образом, решается задача формирования высокоскоростного металлического элемента и обеспечения проведения исследований высокоскоростного взаимодействия тел в расширенном диапазоне скоростей.

1. Способ формирования высокоскоростного металлического компактного элемента (КЭ), включающий инициирование заряда взрывчатого вещества (ВВ), снабженного притупленной осевой кумулятивной выемкой с металлической облицовкой с соосно размещенным в выемке вкладышем, разгон металлической облицовки притупленной осевой кумулятивной выемки под действием продуктов взрыва заряда ВВ, формирование высокоскоростной кумулятивной струи из разогнанной металлической облицовки, отличающийся тем, что вкладыш выполняют из высокоплотного материала, снабжают сквозным осевым каналом, в котором на заданном расстоянии от его начала размещают метаемый элемент в виде пластины, имеющей прогиб, направленный в сторону притупленной осевой кумулятивной выемки, канал со стороны металлической облицовки до метаемого элемента заполняют гомогенным материалом с низкой акустической жесткостью, кумулятивной струей из разогнанной металлической облицовки сжимают гомогенный материал с низкой акустической жесткостью, которым разгоняют установленный за ним метаемый элемент.

2. Метающее устройство для формирования высокоскоростного металлического компактного элемента (КЭ), содержащее цилиндрический заряд взрывчатого вещества, выполненную в нем притупленную осевую кумулятивную выемку с металлической облицовкой, соосно размещенный в притупленной осевой кумулятивной выемке вкладыш, средство инициирования, отличающееся тем, что вкладыш выполнен из высокоплотного материала, снабжен сквозным осевым каналом, в котором на заданном расстоянии от его начала размещен метаемый элемент в виде пластины, имеющей прогиб, направленный в сторону притупленной осевой кумулятивной выемки, канал со стороны металлической облицовки до метаемого элемента заполнен гомогенным материалом с низкой акустической жесткостью.

3. Метающее устройство по п. 2, отличающееся тем, что канал во вкладыше выполнен сужающимся в направлении метания.

4. Метающее устройство по п. 2, отличающееся тем, что канал во вкладыше выполнен ступенчатым, при этом метаемый элемент установлен в части с меньшим сечением.