ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 5, с. 739-745
УДК 533.6.011
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЗРЫВНОЙ ВОЛНЫ С РАЗРУШАЕМЫМ ЭКРАНОМ ИЗ ГРАНУЛИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА
© 2014 г. А. Л. Котельников, О. А. Мирова, В. В. Голуб, Т. В. Баженова, Д. А. Ленкевич
Объединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН), Москва E-mail: andrei@ihed.ras.ru Поступила в редакцию 01.07.2013 г.
В работе приведены результаты экспериментального исследования трех случаев взаимодействия ударной волны с экранами из легко разрушаемого материала. Получена зависимость коэффициента ослабления от толщины и места расположения экрана.
DOI: 10.7868/S0040364414040140
ВВЕДЕНИЕ
Образующаяся в результате взрыва в воздухе ударная волна высокой интенсивности вызывает разрушение строений и поражает людей на большом расстоянии от эпицентра взрыва. Кроме того, после взрыва заряда образуются осколки его оболочки, которые разлетаются с большой скоростью (образование шрапнели) и могут вызывать вторичные поражения. Существующие в настоящее время взрывозащитные устройства имеют ограниченные возможности и не могут полностью решить задачу безопасности людей при использовании взрывных устройств, особенно с дистанционным радиоуправлением.
В [1, 2] предлагаются различные материалы для изготовления защитных экранов, ослабляющих взрывную волну для защиты людей и техники от внешнего взрыва.
Основными поражающими факторами взрывной волны являются избыточное давление на ее фронте и длительность фазы сжатия. Для того чтобы избежать или хотя бы уменьшить их воздействие на людей и конструкции, использовались разнообразные ослабляющие устройства, такие, как конструкции из бетона; разнообразные решетки; ослабляющие устройства с использованием гранулированных материалов и пены, заключенных в эластичную оболочку; насыпные преграды.
Поведение бетона под воздействием динамической нагрузки подробно исследовано в работе [3]. В момент, когда фронт взрывной волны и осколки достигают поверхности бетонной плиты, в глубь бетона начинает двигаться волна сжатия. Из-за малой эластичности бетона волна сжатия вызывает растрескивание или даже разрушение задней поверхности бетонной плиты. Осколки и фрагменты при взаимодействии с бетоном образуют кратеры или пронизывают насквозь всю его
толщу. Стрессовая нагрузка в месте первичного соприкосновения поверхности плиты с осколком на несколько порядков превосходит предел прочности бетона. Бетон широко используется для создания заградительных экранов, ослабляющих устройств и конструирования убежищ. Этот материал вследствие своей прочности и массивности препятствует распространению взрывной волны и задерживает (при достаточной толщине) осколки и фрагменты разрушенных взрывом зданий. В [3] предлагается конструировать защитные убежища из бетонных плит с усилением их стальной формой с углами. Автор приводит результаты эксперимента в сравнении с расчетными данными.
В работе [4] проводилось численное исследование влияния ослабляющего устройства в виде решетчатой преграды. Предполагалось, что проходящая ударная волна с числом Маха M; = 5 возникает в результате взрыва сферического TNT заряда. Было установлено, что по мере увеличения площади перекрытия потока ударная волна ослабления больше, скорость проходящей ударной волны уменьшается и, соответственно, увеличивается время, за которое ударная волна доходит до конца области расчета. Эти эффекты проявляются сильнее в случае решетки с прутьями квадратной формы, особенно для больших площадей перекрытия.
Одним из способов ослабления взрывной волны служит помещение источника взрыва в среду, включающую в себя несколько разных фаз. В качестве мультифазной среды предлагалось использовать водяную пену или газовые пузырьки в водном растворе. Оболочка изготавливалась из разнообразных пористых материалов, например слюды, стекловолокна, снега, песка, полиуретановой пены. Однако осадка материалов, из которых создаются такие ослабляющие устройства, сильно затрудня-
ет их изготовление и делает их поведение непредсказуемым.
В работе [5] предлагается использовать в качестве ослабляющего устройства жидкость, например, воду с пузырьками воздуха, заключенную в резиновую оболочку. Ослабляющее устройство оформлено в виде корзины с двойными стенками и дном. Оболочка изготавливалась из полиэтилена, резины или резины с полиуретановой пеной и наполнялась жидкостями: водой; водным раствором хлорида кальция. Для того чтобы изменить плотность и вязкость жидкости, в нее добавлялся глицерин. В некоторых случаях жидкость заменялась песком. Эксперименты показали, что эффективность ослабления взрывной волны жидкостью в эластичной оболочке сравнима с эффективностью наполнения оболочки водяной пеной или наполненной газом средой. Эластичная оболочка способствует лучшему рассеянию энергии.
В [6] было обнаружено быстрое затухание ударных волн в насыпных и гранулированных средах. Это позволило предположить, что такие среды могут служить эффективным средством гашения волн. Теоретическое и численное исследования поведения гранулированных сред под воздействием ударно-волнового нагружения были проведены в работе [7]. В [8] были получены эмпирические соотношения, позволяющие рассчитать параметры ослабления ударной волны при взаимодействии ее с гранулированным фильтром в зависимости от его механических характеристик. Кроме того, эффективным способом ослабления действия взрывной волны является помещение источника взрыва в среду, включающую в себя несколько разных фаз, например водяную пену или газовые пузырьки в водном растворе.
Несмотря на наличие большого количества разработок, все они имеют недостатки, ограничивающие область их применения. Бетон при разрушении образует крупные осколки, разлет которых представляет серьезную опасность, более того, при обрушении убежища из столь тяжелого материала неизбежно массовое поражение находящихся внутри людей. Пена или жидкость внутри эластичной оболочки не может служить материалом для создания крупномасштабных ослабляющих устройств, кроме того, эти субстанции крайне чувствительны к перепадам температуры. Особенности взаимодействия ударной волны с гранулированными материалами недостаточно изучены, а приведенная в [9] теоретическая формула для вычисления коэффициента ослабления взрывной волны насыпной средой применима только для одномерного случая (взрыв в шахте).
Взаимодействию ударных волн с гранулированным материалом посвящено достаточно много исследований, однако среди них нет комплексного решения задачи об ослаблении ударной вол-
ны и разрушении оболочки без образования осколков. В данной работе исследованы три случая взаимодействия ударной волны с легко разрушаемым материалом: ослабление ударной волны, выходящей в открытое пространство при взрыве внутри объема, ограниченного стенками из легко разрушаемого материала; ослабление ударной волны, отраженной от стенки из легко разрушаемого материала; уменьшение действия ударной волны на стенку, защищенную экраном из легко разрушаемого материала.
УМЕНЬШЕНИЕ АМПЛИТУДЫ ДАВЛЕНИЯ НА ФРОНТЕ УДАРНОЙ ВОЛНЫ, ВЫХОДЯЩЕЙ В СВОБОДНОЕ ПРОСТРАНСТВО
В эксперименте исследовались процессы, происходящие в пространстве при разрушении цилиндра, изготовленного из смеси песка и цемента в пропорции 15 : 1 после взрыва внутри него [10]. Такой состав смеси был подобран в связи с тем, что материал должен быть легко разрушаемым (при разрушении не образовывать крупных осколков), но при этом достаточно прочным для того, чтобы хорошо держать форму изготовленных из него конструкций. Цилиндрическая форма ослабляющего устройства была выбрана для придания задаче симметрии и удобства дальнейшей интерпретации данных. Кроме того, такая форма удобна и для практического использования разработки. Предполагалось, что ослабляющее устройство такого рода нейтрализует или хотя бы ослабит поражающие факторы взрывной волны: избыточное давление на ее фронте (АР) и длительность фазы сжатия (T+) — и позволит избежать образования шрапнели.
Постановка эксперимента
Эксперимент проводился в цилиндрической стальной камере VBK-2, рассчитанной на взрыв мощностью до 20 кг TNT. Ее размеры: диаметр — 4.5 м и длина — 7 м. Заряд помещали в центр полого цилиндра, изготовленного из смеси песка и цемента в пропорции 15 : 1 (рис. 1). Цилиндр располагали на высоте 0.95 м над уровнем пола на листе брони. Зарядом служили аммонит или гек-соген массой 0.200 кг. Исследовалось распространение взрывной волны, возникающей в окружающем пространстве после взрыва и разрушения цилиндра.
Методы проведения измерений
Для измерения избыточного давления на фронте взрывной волны использовались ножевые пьезоэлектрические датчики. Датчики располагались на различном расстоянии от эпицентра
взрыва, примерно на высоте заряда. Сигнал, поступающий с датчика, усиливался повторителем, после чего регистрировался осциллографом.
Время А? прихода возмущения к месту расположения датчиков определялось по осциллограммам записи сигналов давления от датчиков. Для замера времени прихода песчаной массы, распространяющейся вслед за взрывной волной, дополнительно использовались торцевые пьезоэлектрические датчики. Состояние продуктов разрушения цилиндра определялось по фотографиям, сделанным после взрыва.
Проведение экспериментов
В каждом эксперименте измерялись максимальное избыточное давление АР на фронте взрывной волны и время А? прихода возмущения в точку расположения датчика. Эти данные получали по результатам анализа осциллограмм давления. Кроме того, в каждом эксперименте рассчитывался коэффициент ослабления взрывной волны К. Для этого при одинаковых условиях проводилось два взрыва — во внешнем пространстве и внутри песоч-но-цементного цилиндра. Коэффициент ослабления взрывной волны К определялся по формуле АРоа/АРс, где АР0А и Рс — избыточное давление в точке расположения датчика при взрыве в открытом пространстве и внутри цилиндра соответственно.
Было проведено две серии экспериментов. В первой исследовалось влияние толщины стенок цилиндра на величину коэффициента ослабления. Для этого при постоянной высоте и внутренне
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.