научная статья по теме ЗАЩИТА СТАЛЬНЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ ОТ РАЗРУШАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОДУКТОВ ДЕТОНАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ В ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ПУЛЬСИРУЮЩИХ ВЗРЫВНЫХ УСТРОЙСТВАХ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ЗАЩИТА СТАЛЬНЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ ОТ РАЗРУШАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРОДУКТОВ ДЕТОНАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ В ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ПУЛЬСИРУЮЩИХ ВЗРЫВНЫХ УСТРОЙСТВАХ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 1, 2015

УДК 621.43.056; 629.7.036.5-67:624.131.34

© 2015 г. Соловьев В.О., Кельнер М.С.

ЗАЩИТА СТАЛЬНЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ ОТ РАЗРУШАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

ПРОДУКТОВ ДЕТОНАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХСЯ В ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ПУЛЬСИРУЮЩИХ ВЗРЫВНЫХ УСТРОЙСТВАХ

Предлагается концепция защиты стальных отражателей энергоаккумулирующи-ми материалами от разрушающего воздействия продуктов детонации при инициировании зарядов твердых взрывчатых веществ на их поверхности, и приводятся результаты экспериментальной проверки данной концепции.

Еще в 1940 г. было доказано [1], что по термодинамическим показателям режим детонационного горения топливной смеси более выгоден, чем режим дефлаграционного горения. В современных условиях, когда энергетические возможности химических топлив практически достигли своего предела, разработчики ищут новые подходы и пути повышения КПД энергосиловых установок.

В отличие от режима детонационного горения газовых смесей, детонация твердых промышленных взрывчатых веществ является устойчивым процессом и протекает в любых средах и зарядах различной формы. Применение твердых взрывчатых веществ по сравнению с газовыми смесями позволяет в 2,5 раза поднять показатель политропы; на 1 кг взрывчатых веществ выделять от 700 до 1000 л газа (при детонации газообразных продуктов дополнительные объемы газа не выделяются, а в ряде случаев первоначальный объем газа уменьшается); в 9 раз увеличить скорость детонации (до 9+10 км/с) и достичь скорости сверхскоростной кумуляции 100+120 км/с [2; 3]; на 4 порядка увеличить давление продуктов детонации (ударное давление продуктов взрыва при сверхскоростной кумуляции может достигать 108 Бар, при этом температура при ударе достигает 300000 К [2]; обеспечивать высокий КПД, до 90% при правильной организации процесса [2]; обеспечить мощности, достижение которых с помощью других преобразователей энергии требует громоздких конструкций и дорогостоящих конструкционных материалов (например, при инициировании патрона скального аммонита № 3 массой 200 г, мощность взрыва составляет «17000 МВт, что превышает мощность средней гидроэлектростанции [3]).

Приведенные факты свидетельствуют о широких возможностях взрывных процессов, применение которых позволяет решать многие технологические, физические и химические задачи. Однако в конструкционных материалах, находящихся в соприкосновении с продуктами взрыва, могут возникать или возникают необратимые процессы, приводящие к потере их функциональных свойств [2; 3].

С увеличением плотности взрывчатых веществ возрастает скорость детонации, следовательно мощность и плотность выделяемой энергии и термический КПД, т.е. возрастает эффективность твердотопливных пульсирующих взрывных устройств и существенно расширяется область их применения. Одновременно возникают серьезные проблемы, связанные с живучестью конструкций, находящихся в непосредственном контакте с продуктами взрыва и воздействием ударных волн.

К классу твердотопливных пульсирующих взрывных устройств относятся: твердотопливные детонационные ракетные двигатели (ТДРД), устройства для разрушения и бурения горных пород — безоткатные взрывореактивные установки, взрывные экстру-деры, взрывогенераторы различного целевого назначения.

Известны опытные образцы.

1. ТДРД, тяга которых создается серией последовательных взрывов зарядов взрывчатых веществ, размещенных в одноразовых отражателях (кассетах). После каждого взрыва очередной отражатель формирует продукты взрыва в направленный поток, при этом сам отражатель частично разрушается и отбрасывается от изделия последующим взрывом [4; 5].

2. Взрывоактивные установки — безоткатное устройство, состоящее из набора одноразовых кассет, каждая из которых оснащена: отражателями с забойными зарядами взрывных веществ (разрушающие породу на забое) и отражателями с прижимными зарядами этих веществ (прижимающие изделие к забою и дорасширяющие скважину). При этом после направленного истечения продуктов взрыва из очередной кассеты она разрушается и ее элементы выбрасываются из скважины отраженными ударными волнами и расширяющимися газами [6; 7].

Исследования показали, что для твердотопливных пульсирующих взрывных устройств калибром менее 250 мм целесообразно применять кассетную систему заряжания, используя набор одноразовых отражателей.

Для изделий большего калибра целесообразно использовать систему раздельного заряжания с применением неразрушаемого многоразового отражателя.

Концепция защиты многоразового отражателя от разрушения продуктами детонации. Для повышения эффективности пульсирующих взрывных устройств калибром более 250 мм предлагается концепция защиты многоразовых отражателей от разрушения продуктами детонации за счет оснащения зарядов взрывчатых веществ тонкостенными корпусами и/или днищами, выполненными из энергоаккумулирующих материалов, стенки которых поглощают избыточное тепло и давление, воздействующее на отражатель в зоне их контакта с зарядом.

Для защиты стальных отражателей от деформаций и разрушений был предложен способ защиты с помощью сборки из энергоаккумулирующих материалов, основу которой должны составлять легкоплавкие материалы. Тонкий слой (слои) такого материала размещают на поверхности отражателей под днищем инициируемых зарядов взрывчатых веществ. Идея заключалась в поглощении избыточного давления и тепловой энергии продуктов взрыва и ударных волн энергоаккумулирующих материалов [8].

В качестве легкоплавкого материала для исследований был выбран свинец. Выбор обусловлен доступностью данного металла и знанием его физико-механических характеристик при динамических нагрузках.

Для изучения зависимости разлета продуктов взрыва для различных типов взрывчатых веществ при разных массах заряда и количестве свинцовых пластин была проведена серия экспериментов. Схема и внешний вид стенда для изучения защиты отражателей сборкой из энергоаккумулирующих веществ от разрушающего воздействия на них продуктов взрыва при контактном взрыве, представлены на рис. 1.

На плоский стальной отражатель (сталь 20) диаметром 500 мм и толщиной 13 мм устанавливали различные наборы свинцовых пластин диаметром 140 мм. Для совокупной оценки теплового и механического воздействия продуктов взрыва на свинец и стальной отражатель, были проведены соответствующие экспериментальные исследования. В экспериментах использовали свинцовые пластины толщиной 2, 3 и 4 мм, число пластин в сборке варьировали от 1 до 3 штук. Суммарная толщина сборок соответствовала 2, 3, 4, 6 и 9 мм. Сверху в центр верхней пластины устанавливали заряд взрывчатых веществ в виде цилиндра с диаметром, равным высоте, внутрь которого вставляли электрический детонатор мгновенного действия ЭД-202. В качестве взрывчатых веществ использовали гексоген, тротил и скальный аммонит № 3, масса заряда составляла 18, 12 и 6 г. Плотность заряда составляла 1 г/см3.

А

Г-

3

' 2

Рис. 1. Стенд для изучения защиты отражателей электроаккумулирующих веществ от разрушений и расширения ПД на его поверхности: 1 — заряд взрывчатых веществ; 2 — корпус из алюминиевой фольги; 3 — электрический детонатор; 4 — состав крепежный; 5 — сборка из легкоплавких материалов; 6 — отражатель плоский; 7 — стол неподвижный

6

После каждого взрыва фиксировали размеры пробоин или вмятин в сборках, а также выбитую из них массу свинца, а на поверхности отражателей размеры полученных вмятин.

Для сопоставления дополнительно были проведены исследования по деформации стального отражателя продуктов взрыва при использовании аналогичных зарядов взрывчатых веществ без защитных сборок. На рис. 2 показана вмятина от воздействия заряда тротила массой 12 г, а на рис. 3 разлет продуктов взрыва с поверхности кратера отражателя. Известно, что с повышением температуры до 700° для конструкционных марок стали модуль Юнга падает от 40 до 25% [9].

Экспериментальные данные позволили установить закономерности (рис. 4) между приведенной к толщине свинцовой сборки массы выбитого из сборок свинца Mp/8 и приведенной мощностью зарядов взрывчатых веществ W/8, где W — мощность зарядов взрывчатых веществ, тВт; Mp — масса выбитого взрывом из сборки свинца, кг; 8 — толщина свинцовой сборки, м.

В результате исследований была получена эмпирическая зависимость, которая показывает, что ниже описываемой ею кривой лежит область, где исключается пластическая деформация стальных отражателей Mp/8 = 0,083e0,234W/s.

Внешний вид формы кратера на поверхности стального отражателя от воздействия продуктов взрыва заряда тротила массой 12 г

Рис. 3. Покадровая съемка с временным интервалом 4 мкс разлета продуктов взрыва с поверхности кратера, образованного на поверхности стального отражателя, при использовании заряда тротила массой 12 г

Из рис. 4 видно, что защита отражателей обеспечивается для приведенной мощности заряда взрывчатых веществ при W/8 < 7,5 тВт/м. В данный диапазон попали заряды с рвв = 1 г/см3: скальный аммонит № 3 с массой до 18 г и 8 < 4 мм; гексоген с массой до 6 г и 8 < 9 мм; тротил с массой до 12 г и толщиной сборки свинцовых пластин в разных комбинациях от 3 до 9 мм. Установлено, что для W/8 > 7,5 тВт/м защита стальных отражателей не обеспечивалась при использовании сборок толщиной 2 < 8 < 9 мм. В этот диапазон попали наиболее мощные взрывчатые вещества, в том числе ТГ 50/50 с рвв = 1,68 г/см3, при инициировании которого температура на фронте ударной волны превышает температуру плавления свинца.

Все заряды оснащались ЭД-202, энергию и мощность которого не учитывали. Разлет продуктов взрыва фиксировали скоростной фотокамерой СФР-2 на 35 мм фотопленку DELTA 3200 PROFESSIONAL, временной интервал между съемками составлял 4 мкс. Запуск начала съемки синхронизировали с моментом подачи напряжения на детонатор мгновенного действия ЭД-202. Для каждой серии снимали до 60 кадров (рис. 5).

В дальнейшем снимки переводили в цифровой формат. Далее на каждом кадре измеряли радиус разлета продуктов взрыва для угла от 0° до 180° с шагом 10°. Для этого использовали программу MB-Ruler-5.1, позволяющую по экранному изображению через каждые 10° измер

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»