Влияние физико-химических превращений на распространение ударных волн в конденсированных веществах

Оглавление
Введение...............................................................5
I. Экспериментальные методы генерации и диагностики ударных волн в
конденсированных веществах.........................................8
1.1. Введение........................................................8
1.2. Взрывные генераторы ударных волн...............................10
1.2.1. Взрывные генераторы для метания плоских пластин............14
1.2.2. Взрывной трубчатый ускоритель ИХФ РАН......................20
1.3. Диагностика ударных волн в конденсированных средах.............29
1.3.1. Дискретные методы измерения скоростей ударных и детонационных волн.............................................30
1.3.2. Методы непрерывной диагностики параметров ударного сжатия.. 34
1.3.3. Измерение динамических давлений с помощью ПВДФ - датчиков . 39
1.4. Метод исследования горения ТРТ при ударно-волновом воздействии 53
II. Оптическая пирометрия физико-химических превращений
конденсированных веществ при ударном сжатии и детонации............63
2.1. Элементы оптической пирометрии.................................63
2.2. Электронно-оптические пирометры................................69
2.2.1. Двухканальный фотоэлектрический пирометр...................71
2.2.2. Оптико-электронный пятиканальный пирометр..................75
2.3. Температура прозрачных веществ на фронте детонационных и ударных волн......................................................77
2.4. Оконная методика определения температуры непрозрачных материалов........................................................83
2.5. Индикаторный метод.............................................86
2.5.1. Индикаторы.................................................88
2.5.2. Определение скоростей звука в ударно-сжатых материалах 94
2.5.3. Определение скоростей вторичных ударных волн (волн сжатия).. 101
2.5.4. Индикаторная методика для определения профиля давления в продуктах детонации...........................................104
2.5.5. Ударно-волновое инициирование жидких ВВ....................114
III. Превращения органических соединений при ударном сжатии...........127
3.1. Ударное сжатие и превращения галогенпроизводных метана.........128
3.1.1. Четыреххлористый углерод................................. 128
3.1.2. Бромоформ..................................................141
3.2. Ударное сжатие ацетонитрила....................................147
3.3. Ударное сжатие растворов гексана и тетрахлорметана.............155
IV. Скорость звука и затухание ударных волн в твердых веществах и смесях 166
4.1. Определение скоростей звука в ударносжатых материалах..........166
4.1.1. Скорости волновых возмущений за фронтом ударной волны в дюралюминии и меди............................................166
4.1.2. Скорость звука в керамических материалах...................171
4.2. Передача динамических давлений через пористые металлы..........180
4.3. Размывание ударного фронта в смесях твердых веществ............192
4.4. Затухание ударных волн.........................................203
4.4.1. Методика исследования затухания ударных волн...............204
4.4.2. Влияние пористости и сжимаемости материалов на затухание 211
4.4.2. Влияние физико-химических превращений на затухание ударных волн..........................................................216
4.4.3. Затухание в смеси корунд-плексиглас........................225
V. Ударно-индуцированные химические реакции и горение в смесях
окислитель-горючее................................................232
5.1. Введение.......................................................232
5.2. Возможные механизмы распространения детонации в смесях твердых веществ...................................................234
5.3. Характеристики исходных компонентов............................244
5.4. Пирометрические исследования химических реакций в смесях твердых веществ..................................................250
5.5. Детонационно-подобный процесс в смеси AI/S....................262
5.5.1. Эксперименты с плотными образцами AI/S....................262
5.5.2. Детонационно-подобные процессы в малоплотных смесях AI/S ... 263
5.6. Механохимическая активация смесей окислитель-горючее..........276
5.6.1. Химическая активация при механической обработке материалов 276
5.6.2. Методика получения механоактивированных энергетических композитов....................................................281
5.6.3. Структура механоактивированных композитов окислитель -горючее.......................................................287
5.7. Взрывное горение механоактивированных смесей :................307
5.7.1. Скорости горения механоактивированных смесей..............307
5.7.2. Температура продуктов горения механоактивированных смесей. 315
5.7.3. Результаты рентгеноструктурного анализа продуктов горения 324
5.7.4. Затухающий высокоскоростной процесс в МАЭК А1/Мо03 и Mg/МоОз.......................................................328
VI. Детонация в механоактивированных композитах на основе фторопласта331
6.1. Ударно-индуцированные реакции в смесях с металл-фторопласт 331
6.1.1. Фторопласт и его смеси с металлами........................331
6.1.2. Температура ударно-сжатых смесей AI + фторопласт..........337
6.1.3. Измерения скорости звука в смеси AI + фторопласт..........340
6.2. Детонация в МАЭК AI + фторопласт..............................341
6.3. Детонация в МАЭК Mg + фторопласт..............................349
Основные результаты и выводы.........................................354
Список литературы...................................................357
4
ВВЕДЕНИЕ
Исследования поведения конденсированных веществ при ударном сжатии и детонации имеют большое значение для решения задач по прогнозированию взрывных воздействий на различные объекты, создают научные основы новых технологий в оборонной технике и промышленности. Ударно-волновые и детонационные явления имеют общие теоретические основы, а также экспериментальные и расчетные методы изучения этих процессов. В обоих случаях одной из основных целей исследований является прогнози-руемость действия взрыва, высокоскоростного удара и других интенсивных импульсных воздействий на материалы и конструкции. Изучению состояния веществ при высоких давлениях и температурах посвящено достаточно большое количество исследований. Накопленный объем измерений основных параметров ударного сжатия и детонации позволяет проводить расчетное моделирование различных процессов для широкого круга наиболее распространенных материалов. Однако в ряде случаев ударное сжатие вызывает в веществах различные физико-химические превращения, закономерности которых невозможно предсказать без проведения специальных исследований. Актуальной задачей в настоящее время является переход от простой фиксации основных кинематических параметров к углубленному изучению свойств и закономерностей физико-химических превращений веществ при высоких давлениях и температурах, что невозможно без развития современной экспериментальной техники.
Целью данной работы было решение двух взаимосвязанных актуальных задач: 1) разработка методов генерации ударных волн и диагностики состояния конденсированных веществ при ударном сжатии и детонации в диапазоне давлений 0,1-100 ГПа, позволяющих изучать различные физикохимические превращения, протекающие при высоких давлениях и температурах; 2) изучение влияния физико-химических превращений и химических реакций в конденсированных веществах на закономерности раснростране-
5
ния и затухания ударных и детонационных волн, поиск путей получения детонационно-подобных режимов в твердофазных смесях.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Результаты оптимизации взрывных генераторов для разгона металлических ударников до скоростей от 2 до 8 км/с, в том числе взрывной трубчатый ускоритель с метанием ударников продуктами взрыва пересжатой детонации нитрометана, детонирующего в трубчатой оболочке из состава на основе октогена.
2. Результаты разработки конструкции фотоэлектрического пирометра и оптимизации пирометрических методов для определения параметров состояния веществ при детонации и ударном сжатии (индикаторная и оконная методики).
3. Экспериментальный метод исследования горения твердого топлива при ударно-волновом воздействии.
I
4. Результаты измерений температуры и скорости звука в ударносжатых галоген производных метана, получены доказательства протекания диссоциации за фронтом ударной волны в тетрахлорметане и бромоформе при достижении определенных температур (2600 °К и 2000 °К).
5. Результаты измерений ударных адиабат, температуры и скорости звука для ацетонитрила и растворов тетрахлорметана с гексаном.
6. Результаты комплексного исследования по измерениям скоростей звука и затухания ударных волн в твердых веществах и смесях. Показано существенное увеличение эффективности ослабления амплитуды ударных волн при использовании веществ или смесей, претерпевающих полиморфные превращения или химические реакции с уменьшением удельного объема. Обнаружено размывание ударных фронтов в смесях компонентов с сильно различающимися сжимаемостями.
7. Способ механохимической активации смесей окислитель-горючее- для получения механоактивированных энергетических нанокомпозитов с
повышенной реакционной способностью.
6
8. Результаты изучения ударно-индуцированных химических реакций и детонации в механоактивироваиных смесях окислитель-горючее с твердыми конечными продуктами. Механизм распространения детонации в таких смесях развивается эстафетным способом за счет передачи реакции высокоскоростными потоками продуктов взрыва от одного очага к другому.
Основные результаты, выносимые на защиту, обладают научной новизной и имеют существенное практическое значение: - разработанные методы генерации и диагностики ударного сжатия позволяют проводить лабораторные исследования в широком диапазоне динамических давлений; - разработанный метод исследования горения твердого топлива при ударно-волновом воздействии рекомендован в качестве лабораторного экспресс-метода для проведения испытаний устойчивости горения новых ТРТ при импульсных нагрузках; - результаты исследований по измерениям скоростей звука и затухания ударных волн в конденсированных веществах и смесях показали существенное увеличение эффективности ослабления амплитуды ударных волн при использовании веществ или смесей, претерпевающих полиморфные превращения или химические реакции с уменьшением удельного объема, что может быть использовании при создании конструкций, предназначенных для защиты объектов от взрывных и ударно-волновых воздействий; - разработанный способ мсханохимической активации смесей окислитель-горючее позволяет получать механоактивированные энергетические нанокомпозиты с повышенными скоростями энерговыделения, которые могут использоваться в качестве компонентов быстрогорящих пиротехнических смесей и взрывчатых составов с высокотемпературными продуктами.
7
I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ И ДИАГНОСТИКИ УДАРНЫХ ВОЛН В КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВАХ
1.1. Введение
Ударное сжатие веществ широко используется в фундаментальных научных исследованиях для изучения термодинамических свойств вещества в области высоких и сверхвысоких давлений, реологических свойств материалов в условиях высокоскоростного деформирования, исследований химических превращений веществ в ударных и детонационных волнах. С практической точки зрения определение параметров физико-химических процессов при воздействии на материалы интенсивных динамических нагрузок, понимание физической сущности и последующее построение математических моделей необходимы для решения разнообразных задач прикладной физики взрыва.
Целенаправленные исследования свойств конденсированных веществ в экстремальных состояниях активно развиваются в России и за рубежом с конца 40-х годов 20 века. К настоящему времени накоплена обширная экспериментальная информация по состоянию веществ при высоких давлениях и температурах, что стало возможным благодаря существенному прогрессу в разработке и применении техники создания высокоинтенсивных нагрузок и целого ряда дискретных и непрерывных методов диагностики быстропротекшощих ударно-волновых процессов. Существенное повышение амплитудного и временного разрешения в результате разработки современных методов диагностики позволяет исследовать свойства веществ в условиях небольших лабораторных установок.
В настоящее время для генерации ударных волн в лабораториях наибольшее распространение получили метательные устройства пушечного типа (пороховые пушки, легкогазовые ускорители ударников (ЛГУ), баллистические ударные трубы) и взрывные устройства на основе зарядов мощных взрывчатых веществ (ВВ). Помимо указанных устройств в последнее время все чаще стали использоваться также такие генераторы импульсных нагрузок, как электрические и электромагнитные ускорители, лазеры, ускорители электронных и ионных пучков, а также различные комбинированные типы ускорителей, использующие несколько источников энергии.
8
В зависимости от конкретной задачи исследования может использоваться тот или иной тип генератора, обеспечивающий необходимый диапазон параметров давления, скоростей и длительности импульса. Кроме того, немаловажным параметром, определяющим использование ускорителя, является стоимость эксперимента, поскольку, например, стоимость хорошего ЛГУ, обеспечивающего скорость ударника массой 20 I' на уровне 8-10 км/с, вместе с необходимым диагностическим оборудованием может превышать несколько миллионов долларов.
Существенной особенностью экспериментальной диагностики ударных волн в конденсированных средах является кратковременность пребывания вещества в ударно-сжатом состоянии, а также необратимость процессов с невозможностью возврата в исходное состояние. Так, характерные времена некоторых процессов
А о
(например, химических реакций в детонационных волнах) составляют 10 -10' с при изменении давления и температуры от комнатных в исходном состоянии до нескольких сотен тысяч атмосфер и нескольких тысяч градусов в конечном состоянии. Кратковременность регистрируемых процессов и их импульсный характер накладывает повышенные требования к используемой регистрирующей аппаратуре и применяемым методам измерения по временному и амплитудному разрешению, помехоустойчивости и др. Для измерений кинематических (массовой и волновой скоростей, скорости звука) и физических параметров (давления, плотности и температуры) используются специально разработанные оптические, электрические и рентгенографические методы.
Методы возбуждения и регистрации ударно-волновых импульсов в конденсированных средах, используемые для получения информации о сжимаемости вещества, его механических и кинетических свойствах достаточно подробно описаны в большом количестве оригинальных работ, обзорах [1-3] и монографиях [4-9|. В данной главе описаны взрывные способы генерации ударных волн и методы диагностики состояния ударно-сжатых веществ, которые используются в исследованиях лаборатории физики взрыва конденсированных систем ИХФ РАН, некоторые из них были разработаны либо усовершенствованы автором в процессе работы.
9
1.2. Взрывные генераторы ударных волн
Один из самых простых способов создания в исследуемом образце конденсированного вещества ударной волны с амплитудой давления до нескольких десятков ГПа является подрыв заряда ВВ, находящегося в непосредственном контакте с образцом, или отделенным от образца тонкой прослойкой из другого материала. Главное достоинство такого метода нагружения - простота постановки эксперимента. Величина давления в образце зависит от веса и типа ВВ в заряде, динамической сжимаемости образца и направления распространения фронта детонационной волны по отношению к поверхности образца. Наиболее часто используются прессованные или литые цилиндрические заряды ВВ, по оси которых распространяются плоские детонационные волны, что упрощает проведение измерений и интерпретации результатов.
Для расчетов начальных параметров ударной волны в образце обычно используются известные соотношения для ударных адиабат материалов и изоэнтроп продуктов взрыва. Поскольку эти соотношения будут неоднократно использоваться в дальнейшем, приведем их здесь. Для случая плоской стационарной ударной волны связь между давлением Р, плотностью р (объемом V), скоростью ударной волны Д массовой скоростью вещества за фронтом и и внутренней энергией Е можно записать в виде [4]:
Р = Р0+ройи Р - Ро 0/(0-и) Е-Ео =0,5 (Р + /у (У0 - V) (1.1) индекс 0 относится к начальному состоянию покоящегося вещества. При достаточно больших величинах Р, давлением Р0 в начальном состоянии обычно пренебрегают
Р-ройи (1.2)
Для ударных адиабат различных материалов имеются данные по зависимостям 0(и) которые наиболее часто записываются в виде линейных или квадратичных зависимостей 0= со + Ьи - с/и2, где с0, Ь, и с! -константы. Уравнение (1.2) описывает ударную адиабату вещест ва в координатах (Р-и).
Для случая нагружения образцов при прямом набегании плоской детонационной волны можно достаточно точно определить параметры ударного сжатия с использованием следующих соотношений. Для продуктов взрыва многих ВВ в
10
первом приближении справедлив изоэнтропийный закон расширения, связывающий давление и плотность:
Р=Арп, (1.3)
где п - константа, показатель политропы. Параметры для нормальной детонации в точке Чепмена-Жуге связаны соотношениями:
ии=Г),/(п+1), Си = пО,/(п+1), р„=р0(п+1)/п, Рп=р0Ои2/(п+1) (1.4)
где индекс Я относится к параметрам продуктов детонации, Оц- постоянная скорость детонации, С]/ — скорость звука. В зависимости от относительного положения точки Чепмена-Жуге и ударной адиабаты среды начальные параметры определятся точкой пересечения ударной адиабаты материала образца либо с ударной адиабатой продуктов взрыва, уравнение которой имеет вид [4]:
и(р)=ин
Г Л -1
1 - -/2 л
н
+ («-!)
0-5)
либо с изоэнтропой продуктов взрыва
и[р) = и„
1+2л-/7-1
(л
1 -\Р/
ЛУ л
/2 п
Я/
(1.6)
УУ
или по другому
Р{и)=Р„ 1 ~{и-и„)
л-1 2 С,
(1.7)
\ —я у
При нагружении материалов скользящей детонационной волной с распространением фронта детонации вдоль поверхности контакта в уравнении (1.7) можно использовать г/// =0 , при нагружении уходящей детонационной волной в
(1.7) следует использовать -иц [9]. При других углах взаимодействия детонационного фронта с поверхностью преград требуется решение более сложных задач.
Пример определения состояния в дюралюминиевой преграде при нагружении продуктами взрыва заряда тринитротолуола (ТИТ) плотностью 1,59 г/см3 показан на Р-и диаграмме (рис.1.1.). В практике лаборатории физики взрыва ИХФ РАН при небольших степенях расширения и сжатия продуктов взрыва принято использовать показатели политропы п ~ 2,8 для ТНТ, п = 2,7 для гексогена, окто-
11
гена и ТГ (тротил - гексогеи). Показатели политропы были определены по измерениям давления в различных преградах по методу, описанному в [10]. Эти значения несколько ниже показателей политропы, определенных различными «внутренними» методами (см., например, [11]), но неоднократно подтверждались измерениями давлений, создаваемых продуктами взрыва в металлах и различных органических материалах. При определении зависимостей изменения параметров на ударных адиабатах (1.5) или изоэн-тропах (1.6) продуктов взрыва помимо п для определения Ри и ин необходимо также знать величину DH.
Для D// использовались экспериментальные значения скоростей детонации, а при их отсутствии для зарядов некоторых плотностей использовались расчетные значения по зависимостям D(po) от начальной плотности ВВ. Для ТНТ использовалась зависимость (1,53< рп <1.63 г/см3) D = 1,873+3,187рп- 25,102(ро~ 1,534)2 + 115,05б(р0 -1,534)3 [12], для гексо-гена - D(po) = 5,71 +3,79(рп - 1) (по данным И.М. Воскобойникова, см. [11]), для зарядов октогена при ро>1,7 г/см3 - D(po) = 2,736 + 3,34р0 [13].
11ри проведении измерений параметров ударного сжатия в образцах обычно используется нагружение с помощью зарядов ВВ с илосковолновыми генераторами (ПВГ), позволяющие создавать в зарядах детонационные волны с плоским фронтом. Чаще всего в качестве ПВГ используются конические взрывные линзы (рис. 1.2), принцип действия которых основан на использовании элементов с различной скоростью детонации или ударной волны. Подобные взрывные линзы состоят из наружного конического заряда ВВ с высокой скоростью детонации и вкладыша из ВВ с низкой скоростью детонации (обычно - смесь бариевой селитры с ТНТ - барагол) или инертного материала (обычно - свинец или парафин). Высокоскоростная детонация в наружном конусе возбуждает во вкладыше дстонацион-
12
и. км/с
Рис. 1.1. Р-и диаграмма к определению состояния в экране. 1 - ударная адиабата дюралюминия Д16, 2 - ударная адиабата продуктов взрыва заряда ТНТ плотностью 1,59 г/см по (1.5), 3 - изо-эт ропа продуктов взрыва для случая скользящей детонации, 4 - то же для случая уходящей детонационной волны.
ную или ударную волну, наклоненную к образующей конуса под некоторым углом, определяемым соотношением волновых скоростей в наружном и внутреннем элементах. Угол раствора конуса выбирается таким, чтобы на основание вкладыша выходила плоская волна.
4
3
Рис. 1.2. Плосковолновой генератор конструкции ВНИИЭФ [141: 1 —детонатор; 2 - фронт расходящейся детонационной волны; 3 - фронт расходящейся ударной волны; 4 - инертная выравнивающая линза; 5 - плоский фронт детонационной волны.
В практике лаборатории физики взрыва ИХФ РАН, где автором проводилась
Рис.1.3. Плосковолновой генератор ИХФ РАН с пустотелой линзой с медной облицовкой: 1 — детонатор; 2 - линза ВВ; 3 - медная облицовка; 4 - основной заряд; 5 - образец.
наибольшая часть взрывных экспериментов, использовалась схема ПВГ с пустотелой конической выемкой с медной облицовкой (рис. 1.3). Угол в основании конической выемки- 17°. Заряд ВВ диаметром 40 мм - прессованный состав ТГ 50/50 с плотностью 1,65 г/см^ весом 35 г, или флегматизированный гексоген (А-IX-I) с плотностью 1,67 г/см3 весом 37 г. Облицовка изготавливалась из отожженной листовой меди толщиной 0,3 мм. Генератор создает плоскую детонационную волну с разновременностью выхода фронта на поверхность плотных зарядов ВВ диаметром 40 и высотой 50 мм не более 0,02 мке на диаметре 38 мм.
Помимо постановки опытов с генерацией давления в образце, находящемся в непосредственном контакге с зарядом ВВ, также проводились опыты, когда между образцом и зарядом имелся воздушный зазор, толщина которого регулировалась стальными кольцами с внутренним диаметром 38 мм. При толщине зазора до 9 мм удавалось сохранить плоский профиль ударного фронта в образце. На рис.
1.4 показана фоторсгистрограмма опыта с нагружением пакета из плексигласовых пластин продуктами взрыва заряда ТНТ (1,60 г/см3) через зазор 4,05 мм. Регистрация проводилась с помощью щелевой фоторазвертки на СФР-1 при скорости 3,75
13
мм/мкс. Высвсты воздушных зазоров между пластинами показывают сохранение плоского ударного фронта на диаметре более 35 мм в образцах толщиной до 7 мм.
Большая часть взрывных экспериментов проводилась во взрывной камере с максимально допустимой массой зарядов ВВ 500 г. В большинстве опытов общий вес зарядов вместе с ПВГ
составлял менее 200 г. Основные заря- _ , . .
г Рис. 1.4. Фоторегистрограмма высветов воз-
ды генераторов изготавливались ХО- душных промежутков в пакете из плексигласовых пластин при создании ударной лодным прессованием порошков ВВ до волны продуктами взрыва заряда ТНТ через зазор 4,05 мм. (опыт 64).
нужной плотности. Диаметр большинства зарядов составлял 40 мм при высоте от 10 до 100 мм.
1.2.1. Взрывные генераторы для метания плоских пластин
При генерации в материалах ударных волн контактным взрывом зарядов ВВ создаются волны со спадом давления за фронтом вследствие разлета продуктов взрыва. Для обеспечения в течение некоторого времени постоянных параметров ударной волны используется нагружение с помощью удара плоских ударников. Метание ударников осуществляется расширяющимися продуктами взрыва зарядов ВВ, с помощью пороховых или пневматических пушек или других устройств. Во взрывных генераторах наиболее часто осуществляется метание плоских металлических дисков, разгоняемых до необходимых скоростей на определенном расстоянии от торцов цилиндрических зарядов ВВ.
При нагружении исследуемой среды ударом пластины ударная волна является плоской, а ее профиль трапецеидальным, с быстрым нарастанием давления на фронте волны до некоторого постоянного значения и последующим относительно медленным спадом за счет волн разрежения. Для обеспечения одномерности движения среды в течение времени, необходимого дія проведения измерений необходимо использовать достаточно большие поперечные размеры ударника и образца, поскольку одномерность процесса нарушается волнами разгрузки, распространяющимися от боковых поверхностей ударника и образца. Кроме того, при ис-
14
пользовании тонких пластин, может произойти искривление ударника в процессе разгона, что приводит снижению времени существования постоянных параметров ударного сжатия в образце.
В момент соударения в ударнике и образце возбуждаются ударные волны, расходящиеся от поверхности соударения. Параметры ударной волны в образце и отраженной волны в ударнике определяются из условия равенства давлений и массовых скоростей по обе стороны от поверхности соударения и их соответствия ударным адиабатам ударника и образца. На рис. 1.5 показан пример к определению параметров в случае соударения ударника и мишени из дюралюминия Д16.
а)
ІІ.КЯҐС
Рис. 1.5. Пример Р-и (а) и х-1 (путь-время) (Ь) диаграмм к определению состояния в образце из дюралюминия Д16 при создании ударной волны ударом пластины Д16 толщиной Ио со скоростью ^=3,2 км/с. 1 - ударная адиабата торможения ударника Д16, 2 - ударная адиабата Д16, 3- ударная адиабата плексигласа.
На Р-и - диаграмме конечное состояние соответствуют точке пересечения ударных адиабат материалов образца и ударника, разогнанного до скорости \У (рис. 1.5а). На тыльной поверхности ударника происходит огражение ударной волны. Появляется волна разрежения, распространяющаяся со скоростью звука С по движущемуся с массовой скоростью и веществу (рис. 1.5Ь). Таким образом, в течение времени циркуляции волн в ударнике на поверхности соударения поддерживается постоянное давление. В образце, по которому производится удар, постоянные параметры поддерживаются в течение времени //, пока волна разрежения с тыльной поверхности не догонит ударный фронт на расстоянии Н от поверхности соударения. Это время зависит от соотношений скоростей ударной волны и волны разрежения в материале образца.
15
Рис. 1.7. Модифицированный генератор и поста-Рис. 1.6. Взрывной генератор для метания новка опытов по определению скорости и плоско-
пластин ИХФ РАН: 1 — ПВГ; 2 - основной стности удара. 1 — ПВГ; 2 - основной заряд ВВ; 3
заряд ВВ; 3 - пластина; 4 - охранное кольцо - пластина; 4 - прокладка из ПММ А (плексиглас);
с креплениями; 5 - образец. 5 - образец; 6 - набор плексигласовых пластин; 4 -
зеркало.
Рис. 1.8. Регистрограмма высветов воздушных промежутков при метании пластины дюралюминия 0 38 мм зарядом гексогена 100 г (1,70 г/см3) на базе разгона 19 мм. (опыт 146)
Рис. 1.9. Регистрограмма высветов воздушных промежутков при метании пластины дюралюминия 0 38 мм зарядом ТНТ 100 г (1,64 г/см3) в модифицированной постановке опытов на базе разгона 5 мм. (опыт 612)
На рис. 1.6 приведена типичная схема малогабаритного взрывного генератора ИХФ РАН для метания металлических пластин. Для зарядов обычно использовались ВВ: ТНТ, гексоген, октоген, флегматизированный гексогсн (А-1Х-1) или смесь ТГ 50/50. Диаметр зарядов ВВ - 40 мм, метаемого диска - 38 мм при толщине пластины 1-3 мм. При толщинах менее 0,5 мм пластины изгибаются, теряют устойчивость и велика вероятность их разрушения. В основном генератор использовался для разгона металлических (дюралюминиевых, медных или стальных) пластин до скоростей 1-5 км/с. Максимальная скорость ~6 км/с достигалась при метании дюралюминиевых дисков толщиной 0,9 мм зарядом октогена 100 г плотностью 1,81 г/см3 на базе разгона 19 мм.
16
Схема генератора с метанием дисков имеет недостаток, который в ряде случаев может быть существенным. В процессе разгона плоские ударники сохраняют форму только в центральной части, поскольку из-за радиального разлета продуктов взрыва давление на периферии заряда надает быстрее, чем у его оси. Небольшая коррекция импульса давления, действующего на край ударника, может достигаться за счет помещения на торец заряда металлической трубы, которая снижает спад давления на периферии заряда при отражении дегонационной волны и приводит к дополнительной фокусировке продуктов взрыва в полость под ударником.
В процессе выполнения работы для ряда исследований возникла необходимость создания плоских ударных волн с достаточно длительным (1-2 мке) сохранением постоянного давления за ударным фронтом в исследуемых образцах. Имевшиеся ранее в ИХФ РАИ взрывные генераторы не обеспечивали требуемых параметров, поскольку ударники имели достаточно высокую кривизну, и в момент соударения с мишенью плоский участок не превышал 5-10% от начального диаметра. На рис. 1.8 показан пример фоторегистрограммы высветов воздушных промежутков в случае использования обычного генератора ИХФ с базой разгона пластины 19 мм. В результате проведения дополнительных исследований был разработан ряд модифицированных генераторов, в которых база разгона была уменьшена до 4-8 мм. Дополнительно была увеличена толщина охранного кольца, а зазор между усилителем кольца и диском ударника был сведен к минимуму, так чтобы диск вставлялся в кольцо с натягом. Для уменьшения разрушений тыльной поверхности диска продуктами взрыва между дисками и зарядом ВВ в ряде генераторов использовались тонкие (1-1,5 мм) прокладки из плексигласа. В некоторых генераторах также использовалась схема с искусственным отколом, когда между дюралюминиевым диском и зарядом ВВ помещалась пластина из меди. Фоторсги-строграмма опыта с одним из модифицированных генераторов показана на рис. 1.9. Плоский участок ударника сосгавлял более 50% от начального диаметра.
В таблице 1.1 приведены данные по скоростям ударников для ряда отработанных генераторов, указаны тип ВВ и масса основного заряда (М), Л/ и Л* — толщины ударника и прокладки перед ним, На - база разгона, IV - скорость ударника и - диаметр плоского участка в процентах от исходного диаметра ударника. Жирным шрифтом в таблице выделены генераторы, которые использовались в по-
17
следующих экспериментах наиболее часто. Для определения IV проводились эксперименты в постановке, показанной на рис. 1.9. По фоторегистрации на СФР определялось время между высветами зазоров в пакете плексигласовых пластин и, соответственно, скорость ударной волны О в плексигласе, а затем по известным ударным адиабатам материалов - скорость IV (см. рис. 1.5). Использовались ударные адиабаты материалов из [15]:
Дюралюминий Д16 £> = 5,385 + 1,316 и - 0,0101 и2 ро = 2,78 г/см3 ПММА (плексиглас) й = 3,020 + 1,339 и - 0,0018 и2 р0 = 1,18 г/см3 Медь О = 3,899 + 1,534 и - 0,0129 и2 р0 = 8,93 г/см3 Сталь 3 О — 3,600 + 1,687 и ро = 7,82 г/см3
Таблица 1.1. Данные по скоростям метания пластин-ударников, разогнанных продуктами взрыва зарядов ВВ диаметром (0) 40 мм (средняя ошибка определения скорости 0,05 км/с)
Ударник Прокладка Н*, ММ \У, км/с СІ,%
мате- риал Ьь мм 0, мм материал 115, ММ
ТИТ, ро= = 1,35 г/см3, М= 100 г. •
Д16 1,83 32 ПММЛ 0,9 5,0 2,74 >50
ТНТ, ро= = 1,45 г/см3, М = 100 г.
Д16 1,90 32 ПММА 1,5 5,0 2,86 >50
ТНТ, ро = 1,61 г/см3, М = 50 г.
Д16 1,88 32 Г1ММА 0,9 5,0 ■ 3*20 >50
ТНТ, ро = 1,61 г/см3, М = 100
Д«6 0,93 38 Медь 1,9 4,0 2,08 >50
Діб 1,90 32 ПММА 1,9 5,0 3,14 >50
Діб 1,88 32 ПММА 1,5 7,0 3,30 >50
Діб 1,85 38 - - 2,7 3,52 >50
Діб 1,90 32 - - 5,0 3,70 >50
ТГ 50/50, р0= 1,67 г/см3, М = 50 г.
Діб 1,88 38 ПММЛ 1,3 8.0 3,64 >50
ТГ 50/50, ро= 1,67 г/см3, М = 100 г.
Діб 1,90 32 ПММА 2,0 5,0 3,50 >50
Гексоген флегматизированный (Л-ІХ-1), ро= 1,68 г/см3, М=60 г.
Діб 1,85 38 ПММА 3,0 4,0 3,88 12
діб 1,85 38 - - 3,2 4,06 50
Діб 0,98 38 - - 4,0 5,60 >50
Гексоген флегматизированный (А-ІХ-І), р0= 1,68 г/см3, М = 90 г.
Діб 0,94 38 Медь 2,9 4,5 2,74 30
Діб 1.85 38 ПММЛ 3,0 4,0 3,88 12
Діб 1,85 38 - - 3,0 4,06 >50
18
Л16 2,89 40 - - 5,5 4,14 45
Д16 1,85 40 - - 5.0 4,58 40
Д16 1,85 38 - - 9,3 4,75 15
Медь 1,97 40 - - 5,5 2,50 10
Гексоген флегматизированный (А-1Х-1), р0= 1,68 г/см3, М = 100 г.
Д16 0,94 38 Медь 2,9 4,5 2,80 30
Д16 1,88 38 - - 4,5 4,28 35
Д16 0,91 38 ПММА 1,9 4,5 5,48 40
Медь 1,96 38 ПММА 1,4 3,0 2,42 20
Медь 0,96 38 ПММА 1,4 4,0 3,70 15
Гексоген, ро=* 1,71 г/см3 М = 100 г.
Д16 1,88 38 - - 19.0 4,58 <5
Октогсн, ро= 1,81 г/см3, М = 50 г.
Д16 1,85 40 ПММА 1,5 10.0 4,52 >50
Октогсн, ро^ 1,81 г/см3, М= 100 г.
Д16 1,88 38 - - 19,0 4,78 <5
Д16 1,85 40 ПММА 1,5 10,0 4,80 >50
Д16 1,88 38 ПММА 1,4 14,0 4,96 35
Д16 0,92 38 - - 19,0 6,14 <5
Составной заряд Октогсн (р0= 1,81 г/см3, М = 50 г.) + ТГ50/50 (ро= 1,67 г/см3, М = 20 г.)
Д16 1,95 38 ПММА 2,8 ! 10,0 | 4,02 >50
В рамках выбранной конструкции генераторов \У изменяется в зависимости от типа используемого ВВ, его плотности, веса, материала и толщины ударника. Предельная скорость при торцевом метании ограничивается скоростью истечения продуктов взрыва, которая примерно равна скорости детонации [4]. Хотя для наиболее мощных ВВ эта величина превышает 8 км/с, реально такие скорости метания при доступных размерах зарядов недостижимы. В случае толстых ударников этому препятствует ограниченность времени действия давления продуктов взрыва, а тонкие ударники в процессе разгона теряют устойчивость.
Увеличение скоростей метания можно получить на взрывных системах, использующих принцип кумуляции. В 1948 г. принцип одномерного многокаскадного разгона пластин был рассмотрен и обоснован Е.И. Забабахиным (см. [8]). По схеме рис. 1.10. пластина 4 разгоняется продуктами взрыва заряда 1 до скорости \У|, ударяет по заряду 2 и создает в нем пересжатую детонационную волну, продукты которой разгоняют более тонкую пластину 5 до скорости \Уг >">^1. Процесс прогрессирующего разгона можно продолжить в последующих каскадах.
19
При экспериментальной реализации такого метода [16] удается достичь скоростей 9-11 км/с при толщине металлических ударников 0,1-0,5 мм. Таким образом, при увеличении числа каскадов возможно повышение скорости ускоряемой пластины при соответствующем уменьшении ее
»г.
Рис. 1.10. Схема [2] одномерного многокаскадного района пластин: 1-3 - заряды ВВ первого, второго и третьего каскадов,4-6 - пластины первого, второго и третьего каскадов.
толщины. Однако с ростом скорости увеличивается ударно-волновой разогрев и снижение прочности ускоряемой пластины, что приводит к ограничению максимально достижимых скоростей, когда пластина еще движется в компактном состоянии. Кроме того, многокаскадные заряды требуют использования значительного количества ВВ (заряды весом до десятков килограмм) и неприменимы в малогабаритных лабораторных взрывных камерах.
Дополнительную по сравнению с плоским движением концентрацию энергии можно получить с помощью взрывных генераторов при использовании кумуляции в сходящихся детонационных волнах. Во ВНИИЭФ (Саров) и ВНИИТФ (Сне-жинск) разработаны разнообразные конструкции взрывных генераторов с использованием кумуляции при конической, цилиндрической, полусферической и сферической геометрии зарядов ВВ [1,2,8,16], которые позволяют получать рекордные на сегодняшний день параметры ударного сжатия вещества. Также сверхвысокие скорости ударников (до 16 км/с) получены в Сандийской лаборатории США с использованием многоступенчатой схемы ускорения в легкогазовой установке [17]. Однако, подобные схемы ускорения недоступны в условиях небольших лабораторий и непригодны для массового использования.
1.2.2. Взрывной трубчатый ускоритель ИХФ РАН
Для использования в лабораторных взрывных камерах, когда допустимый вес зарядов ВВ не превышает 1-2 кг, для высокоскоростного метания ударников с массой в несколько грамм часто используются заряды ВВ с цилиндрической кумуляцией. При детонации полого цилиндрического заряда ВВ в центральной полости возникает поток продуктов взрыва (ПВ), движущийся в направлении детонационной волны, при этом за счет сжатия в сходящемся потоке массовая ско-
20
рость ПВ может значительно превышать скорость детонации. Использование этого явления в различных типах взрывных ускорителей позволяют разгонять компактные элементы до скоростей порядка 10 км/с при значительно меньших затратах по сравнению с легкогазовыми установками.
При взрывном метании в лабораторных условиях наибольшие скорости элементов достигаются при использовании взрывных трубчатых ускорителей с цилиндрическими каналами. Гак, в Институте гидродинамики СО РАН было разработан взрывной трубчатый ускоритель (ВТУ) для метания кумулятивным взрывом [18-20], позволяющее разгонять твердые тела размером 0,1—10 мм до скоростей 8—14 км/с. Газокумулятивный заряд представлял из себя полый цилиндр ВВ, инициируемый с одного из концов вспомогательной шашкой, метаемое тело помещалось на оси канала на некотором удалении от выходного отверстия. При взрыве полого цилиндрического заряда в полости образуется кумулятивная струя, скорость которой на выходе из заряда достигает свыше 13 км/с. Помещая на пути струи твердое тело, можно ускорить его до высоких скоростей. С помощью таких зарядов удавалось успешно метать тела из металлов, керамики и стекла. Отношение веса заряда к весу тела составляло 105—106. Наиболее высокие скорости (порядка 14 км/с) получаются при разгоне металлических шариков размером ~0,1 мм. Максимальная скорость истечения продуктов детонации получается при соотношении внутреннего и внешнего диаметров -0,3, в этом случае скорость потока составляет 10—11 км/с при плотности продуктов в струе 0,1—0,15 г/см3. К недостаткам таких устройств следует отнести сильное воздействие газокумулятивной струи на метаемое тело, что приводит к его значительной деформации и возможному разрушению в процессе разгона, а также невозможность разгона плоских элементов для последующего создания плоских ударных волн и измерения параметров ударного сжатия в исследуемых веществах.
Другой тип ВТУ был разработан в США (Fast Shock Tube - FST) [21-23] для исследований в физике высоких динамических давлений и процессов, протекающих при высокоскоростном ударе. Простейший FST (см. рис. 1.11) состоит из системы инициирования, удлиненного полого цилиндра из мощного ВВ и сердцевины — цилиндра из низкоплотного вспененного полимерного материала. После инициирования по мере распространения по заряду ВВ детонационной волны в
21
сердцевине в результате кумуляции в сходящейся конической ударной волне формируется так называемый «маховский» диск.
В результате сжатия и i 2
сильного нагрева происходит деструкция материала пены и образуется рабочее тело — сжатый газ с высокой температурой и плотностью. Расширяющийся газ сообщает им- ,, Л _ с
г Рис. 1.11. Один из вариантов Fast Shock Tube [23J:
пульс метаемому телу, нахо- 1 - система инициирования; 2 - вставка из пористого полистирола, р = 0,7 г/см3; 3 - заряд ВВ; 4 - сердцевина из дящемуся в непосредственном пенополистирола, р = 0,52 г/см3.
контакте с зарядом либо на некотором удалении в стволе. FST позволяют ускорять металлические диски до скоростей 8—9 км/с при соотношении веса заряда и веса метаемого тела ЮМ О4. В качестве наполнителей использовались различные полимерные материалы. Наилучшие результаты по скорости и сохранению в процессе разгона элементов получены при использовании материалов с высокой однородностью ячеистой структуры пены с мелкими размерами пор при плотности 0,3—0,4 г/см3. Увеличение плотности пены приводит к снижению скорости ударной волны во внутреннем канале, а уменьшение — к схлопыванию внутреннего канала и оттоку части продуктов в обратном направлении. Также было установлено существенное влияние относительного содержания водорода в молекулярной структуре полимера. С увеличением количества водорода улучшаются качества рабочего тела, и повышается скорость истечения продуктов, образующихся при деструкции материала пены в результате сжатия в конически сходящейся волне. В [22] было показано, что существенное значение в процессе ускорения элемента имеет плоскостность ударной волны в продуктах превращения пены. Нарушение плоскостности приводит к неоднородному воздействию на элемент и вследствие этого — к быстрому его разрушению на первых нескольких миллиметрах полета. К недостаткам FST следует отнести достаточно высокие требования к качеству пенистого наполнителя (требуется высокая однородность пористой структуры) и достаточно большой расход ВВ. Кроме того, конструкция заряда приводит к оттоку части газообразных продуктов в обратном направлении.
22
Автором был разработан и исследован новый тип ВТУ с взрывчатым наполнителем (ВТУВ), который позволил при относительно высокой скорости метания металлических дисков значительно снизить вес заряда ВВ по отношению к весу метаемого тела. Если в FST импульс метаемому телу сообщает сжатый газ, образовавшийся из вспененного полимерного материала, заполняющего сердцевину заряда, т. е. часть энергии ВВ расходуется на сжатие полимера и его деструкции, то в предложенном ВТУВ разгон метаемого тела осуществляется принципиально другим путем. Сердцевина ВТУВ состоит из ВВ с относительно высоким содержанием водорода, которое детонирует в перссжатом режиме, скорость которого определяется скоростью детонации оболочки, что позволяет повысить скорость метания при снижении расхода ВВ (уменьшении отношения веса заряда ВВ к весу метаемого тела). Ускоритель включает в себя полый цилиндр из мощного ВВ (MBB), сердцевина которого заполнена составным зарядом, состоящим из легкого (ЛВВ) с высоким содержанием водорода, и тяжелого (ТВВ) высокой плотности, расположенного непосредственно после инициирующей системы перед зарядом JIBB. Метаемое тело — металлический диск — разгоняется в специальном стволе.
В основе предложенной схемы ВТУВ лежат экспериментальные исследования детонации жидких ВВ, помещенных внутрь полых цилиндров из более мощных взрывчатых составов (ИХФ РАН, Гогуля М.Ф., Демченко Н.Г. и др. [24, 25]). Эти исследования показали возможность создания в жидких ВВ стационарных режимов пересжатой детонации с параметрами, намного превышающими параметры нормальной детонации. Были определены оптимальные условия формирования плоского маховского диска на фронте волны в заряде сердцевины. На начальной стадии после инициировании в сердцевине распространяется плоская нормальная детонационная волна, а в пристеночной области формируется конически сходящаяся к центру более мощная волна. На следующей стадии происходит взаимодействие в конической волне, которое заканчивается формированием стационарного комплекса из конусообразной волны в пристеночной области и плоского диска в центре. Весь комплекс распространяется со скоростью детонации заряда оболочки. Размеры диска зависят от соотношений параметров детонации ВВ. Так, при детонации нитрометана с плотностью 1,14 г/см-5 и скоростью нормальной детонации 6,3 км/с в цилиндрическом канале диаметром 20 мм заряда
23
из смеси ТГ (тротил/гексоген 50/50 плотности 1,67 г/см3), формирование махов-ской конфигурации происходит на первых 20 мм, диаметр плоского диска в центре 10 мм. Установившаяся конфигурация стационарна и распространяется со скоростью нормальной детонации тротил/гексоген — 7,65 км/с.
При увеличении мощности внешнего заряда увеличивается степень перссжа-тия ПД внутреннего заряда, однако при этом уменьшаются размеры маховского диска. Так, при увеличении скорости детонации во внешнем заряде до 8,4 км/с диаметр маховского диска падает с 10 до 7 мм. Для метания плоских дисков необходимо учитывать возможность искривления диска в конической волне. Косые волны при воздействии на метаемый элемент приводят к быстрому его разрушению в процессе разгона, поэтому диаметр метаемого диска d не должен превышать диаметра плоского маховского диска d,„. С увеличением скорости детонации заряда оболочки (МВБ) увеличивается и скорость метания, однако, при этом уменьшается dm, что приводит к необходимости уменьшения диаметра и массы метаемого тела. Было установлено оптимальное соотношение скоростей нормальной детонации МВБ и заряда сердцевины, которое в случае JIBB - нитрометана составляло 1 к 0,7—0,8.
При выборе JTBB для заполнения сердцевины могут использоваться различные ВВ и составы с высоким содержанием в ПД компонентов с наименьшим молекулярным весом (водород и вода), поскольку снижение молекулярного веса приводит к увеличению скорости метаемого тела. С точки зрения метания использование пересжатой детонации нитрометана имеет существенные преимущества по сравнению с более мощными ВВ, поскольку молекулярный вес ПД существенно ниже, и, соответственно, следует ожидать более высокой скорости истечения продуктов при одинаковой скорости детонации. Кроме того, за счет сильного пс-ресжатия ИД имеют более высокую температуру и давление по сравнению с нормальной детонацией. Давление пересжатой детонации нитрометана в маховском диске примерно в 3 раза превышает давление нормальной детонации [25].
Для предотвращения оттока части продуктов детонации JIBB в обратном направлении и дополнительного увеличения степени их сжатия сердцевина ВТУ содержит дополнительный заряд из ТВВ. Заряд ТВВ должен иметь высокую плотность, и располагается непосредственно перед J1BB. ТВВ приводит к дополни-
24
тельному увеличению скорости метания подобно двухступенчатой схеме ускорения элементов в легкогазовых пушках, когда легкий газ второй ступени сжимается тяжелыми пороховыми газами первой. Таким образом, в предложенном ускорителе совмещаются два типа кумуляции: в конически сходящейся детонационной волне и за счет уменьшения динамических импедансов продуктов взрыва при переходе от ТВВ к ЛВВ.
Рис. 1.12. Схема взрывного трубчатого ускорителя с взрывным наполнителем
2 3 4 3 6 7 8
Рис. 1.13. Фотография и схема кратера в стальной мишени после воздействия стального
ударника.
Схема ВТУВ показана на рис. 1.12. В'ГУВ состоит из полого цилиндрического заряда МВВ (2), с сердцевиной из составного заряда, состоящего из зарядов ЛВВ (4) и ТВВ (3). Весь заряд в целом инициируется капсюлем-детонатором через дополнительную линзу ВВ (1). Метаемое тело — металлический диск (7) диаметром с! разгоняется в коротком стальном стволе (8), конструкция которого обеспечивает погружение диска внутрь ЛВВ на глубину, при которой маховский диск в ЛВВ еще не разрушается из-за волн разгрузки со свободной поверхности заряда МВВ. Для уменьшения повреждающих воздействий метаемое тело может помещаться в поддон из пластмассы (6). Для дополнительного увеличения скорости
метания весь заряд может помещаться в металлическую оболочку (5).
25
Ускоритель работает следующим образом. После подрыла детонатора с помощью линзы ВВ в ВТУВ создается плоская детонационная волна. По мере распространения но заряду детонационный фронт в МВВ обгоняет детонацию в сердцевине и обеспечивает создание в ней стационарной конфигурации конически сходящейся детонационной волны с «маховским» диском в центре, распространяющейся со скоростью £>/, равной скорости детонации оболочки. Продукты детонации ЛВВ (представляющие собой 1дз с относительно низким молекулярным весом, сжатый до высокой плотности в сходящейся волне и дополнительно поджатый продуктами взрыва ТВВ), расширяясь, разгоняют металлический диск, находящийся в стволе.
Для проверки применимости предложенного в работе взрывного трубчатого ускорителя с взрывчатым наполнителем (ВТУВ) были проведены эксперименты по измерению скорости метаемых элементов и по взаимодействию этих элементов с металлическими мишенями.
Размеры испытанного ВТУВ были следующие. Основной трубчатый заряд МВВ диаметром 62 и высотой 78 мм изготавливался методом литья из смеси ок-тогепа и ТНТ в весовом соотношении 64/36. Плотность отливки составляла 1,76 г/см3 при максимальной расчетной 1,79 г/см3. Внутри заряда в канале диаметром 20 мм располагался внутренний заряд из ТВВ, который изготавливался прессованием из смеси октоген/вольфрамовый порошок 50/50, плотность заряда 3,13 г/см3 при максимальной расчетной 3,45 г/см3. Сверху в канал заливалось ЛВВ — нитрометан. Весь заряд находился в стальной оболочке с толщиной стенок 3 мм. Снизу заряда помещалась линза плосковолнового генератора. Ударник разгонялся в стволе с внутренним диаметром 10 мм. Для уменьшения повреждения во время разгона ударник помещался в поддон из плексигласа диаметром 10 мм с толщиной дна 0,8 мм. Конструкция ствола обеспечивала погружение ударника внутрь слоя нитрометана на глубину 11 мм. Метаемые ударники представляли собой диски диаметром 8 мм и толщиной около 2 мм, изготовленные из листового дюралюминия или стали (максимальная масса 0,8 г). Общий вес ВВ составлял 380 г.
Выбор ВВ определялся из следующих соображений. Нитромстан (СНзМОг) отличается от других ВВ относительно высоким содержанием водорода и, кроме того, достаточно доступен для исследований. Заряды ММВ и ТВВ выбирались та-
26
ким образом, чтобы создать в нитрометане устойчивую пересжатую детонацию с маховской конфигурацией при достаточно большом диаметре плоского диска в центре, т. е. чтобы скорость детонации МВВ превышала скорость детонации нитрометана в соотношении 1/0,8, а скорость детонации ТВВ была близка к скорости детонации нитрометана. Были произведены необходимые расчеты. Для расчета скорости детонации в смесевом заряде МВВ и ТВВ использовались соотношения из [26]. Полученная скорость детонации для МВВ составляла 8,2 км/с, ТВВ — 6,5 км/с, что удовлетворяло требуемым оптимальным соотношениям.
Был проведен ряд экспериментов с фоторегистрацией процесса соударения метаемых дисков с различными мишенями. Для регистрации использовался скоростной фоторегистратор СФР-1 в режиме щелевой развертки со скоростью 3,0 -3,75 мм/мкс. Вид фоторегиезраций показывает, что время ускорения и полета ударники деформируются и приобретают форму мениска с выгнутой в сторону метания центральной частью и отстающими краями. Скорость ударника измерялась с помощью метода вспыхивающих промежутков. Для определения скорости в этом методе используются составные мишени, состоящие из металлического экрана и последующих пластин из прозрачного материала с хорошо известными ударными адиабатами (как на рис. 1.5). В этих экспериментах в составных мишенях использовались медь и плексиглас, а ударники были из дюралюминия и стали 3 (вид ударных адиабат материалов из [15], использовавшиеся при обработке результатов, приведены в разделе 1.2.1). После удара метаемого диска по медному экрану в нем образуется ударная волна и распространяется по плексигласовым пластинам, расположенным одна за другой за экраном. Плексигласовые пластины разделены тонкими воздушными промежутками, которые по мере прохождения ударной волны дают короткие по времени, но достаточно яркие вспышки. При съемке в режиме щелевой фоторазвертки, можно определить время прохождения ударной волны, а зная толщину пластин - определить скорость волны в плексигласе. По известным ударным адиабатам материалов рассчитывались сначала параметры ударной волны в медном экране, а затем - скорость ударника. Усредненные по нескольким опытам скорости ударных волн в плексигласе составляли соответственно 8,8=0,1 км/с для дюралюминиевых ударников и 10,2±0,1 км/с для стальных. Для определения скоростей ударников использовалось приближение
27
«зеркальности» ударной адиабаты и изоэнтропы расширения в координатах давление - массовая скорость. С учетом разброса в опытах и отклонения от «зеркальности» измеренные скорости составили для дисков толщиной 2 мм и диаметром 8 мм из дюралюминия Діб IV = 8,0±0,3 км/с, для ет&тьных - IV = 7,0±0,4 км/с.
Дополнительно были проведены эксперименты по взаимодействию стального ударника с дюралюминиевой (Діб) и стальной (Ст.З) мишенями. Мишень была в форме цилиндра. Во избежание повреждения осколками оболочки она отделялась от В ГУ многослойной защитой с каналом для пролета ударника. Для защиты от вторичных осколков, образующихся при разрушении ствола, использовался по-лукольцевой заряд ВВ, инициируемый от основного заряда с задержкой. Общее расстояние между мишенью и срезом ствола составляло 53 мм.
В опыте с дюралюминием мишень (цилиндр диаметром 50 и высотой 170 мм) была разрушена на мелкие осколки со стороны воздействия ударника на глубину более 70 мм. В результате опыта со сталью в мишени был получен кратер конусообразной формы (рис. 1.13) е диаметром основания 20±2 мм и глубиной от выступающей кромки кратера 40=2 мм км/с. Кромка поднималась над поверхностью мишени на 2,5±0,5 мм. Общий объем кратера, определенный по объему залитой воды - 5,4 см3. Конусообразная форма кратера свидетельствует о неполной отсечке потока продуктов взрыва и частиц вольфрама из заряда ТВВ от метаемого диска. Образование полного кратера проходило в две стадии. Сначала по мишени ударил диск, и образовался начальный кратер с диаметром 20 мм с глубиной ~ 15 мм. Форма начального кратера близка к полусферической (рис. 1.13, б). Вслед за ударником в мишень с начальным кратером ударила струя, сформировавшаяся из вольфрама, находившегося в заряде ТВВ, которая и образовала дополнительное конусообразное углубление до 40 мм.
Проведенные эксперименты показали применимость ВТУВ для высокоскоростного метания металлических дисков. При сравнительно невысоком соотно-шении веса ВВ к весу метаемого тела (5* 10 ) стальной диск разгоняется до скорости 7 км/с, диск из Д16 до 8 км/с. Недоста тком разработанной схемы является наличие дополнительной струи вольфрама, летящей вслед за основным ударяющим элементом и производящей дополнительное разрушение мишени. Для исследования ударного сжатия веществ или динамики внедрения высокоскоростного эле-
28
мента на начальной стадии это дополнительное воздействие не имеет значения, поскольку происходит уже после окончания воздействия лидирующего элемента, однако дополнительный кратер может помешать на стадии изучения мишени после проведения экспериментов. В принципе нет особых сложностей в том, чтобы разработать схему отсечки вторичной струи с помощью специальных зарядов, но это приведет к дополнительному увеличению расхода ВВ. Дальнейшее повышение скорости метания возможно при использовании в заряде JIBB веществ с более высоким содержанием водорода и более мощных составов для зарядов MBB.
На разработанный ВТУВ был получен патент [27], а результаты опубликованы в работах J28-30).
1.3. Диагностика ударных волн в конденсированных средах
Физико-химические процессы в конденсированных средах при ударном сжатии отличаются очень коротким временем протекания, высоким давлением и температурой. В большинстве случаев эти процессы необратимы и сопровождаются разрушением исходных образцов, что накладывает определенные требования к методам измерений парамегров состояния. Для диагностики ударных и детонационных волн разработано большое количество специальных методов, позволяющих получать необходимую информацию с достаточно высоким амплитудновременным разрешением [1,3,4,6-9,31].
Экспериментальные методы можно разделить на два основных типа: дискретные, когда измерения проводятся однократно в определенном месте, например, на определенной толщине образца; и непрерывные, когда запись изменения какого-либо параметра, например давления, регистрируется во времени. По месту регистрации также можно выделить внутренние, когда датчик регистрирует изменение параметров внутри образца, однако при этом может оказывать воздействие на исследуемый процесс, и внешние, когда такого воздействия нет, но информация о внутренних процессах поступает по внешним проявлениям. По способам регистрации основные методы различаются на электрические, когда физическое воздействие на датчик преобразуется в электрический сигнал, и оптические (фото-1рафические, рентгенофафические, элекфонно-оптичсские).
29
1.3.1. Дискретные методы измерения скоростей ударных и детонационных волн
11аибольшая часть экспериментальных данных по параметрам ударноволнового сжатия конденсированных веществ получена с использованием измерений кинематических параметров - скоростей ударных волн О и массовых скоростей и. Причем, как правило, и определяется не напрямую, а с использованием измерений скоростей свободных поверхностей или скоростей ударников XV. Остальные параметры (давление Р, плотность р и энергия Е) определяются на основании законов сохранения массы, импульса и энергии (1.1).
Скорости О и IV определяются по измерениям интервалов времени, за которые ударные волны или поверхносги ударников проходят известные расстояния. Приход волн фиксируется с помощью датчиков или других устройств, обеспечивающих возникновение электрических сигналов или световых отметок, записываемых скоростной электронной аппаратурой или фоторегистраторами. Наибольшее распространение получили элекгроконтактные датчики, срабатывающие в результате пробоя изоляции между контактами. Датчики располагаются на заданных расстояниях на пути распространения ударной волны или летящей пластины. Контакты датчиков находятся под электрическим напряжением достаточно высоким для пробоя изоляции в момент ударноволнового воздействия. В зависимости от конструкции датчиков разброс их срабатывания может составлять 1-10 не. Как правило, в одном эксперименте используется несколько электрокот актных датчиков, расположенных в нескольких точках по глубине образца.
Используемые конструкции датчиков зависят от условий проведения экспериментов. Простейшим датчиком для измерения скорости ударных или детонационных волн является датчик, изготовленный из двух витых проводов с эмалевой изоляцией диаметром 0,1 -0,2 мм с толщиной изоляции около 0,01 мм (рис. 1.14а). Дат'! и к такой конструкции использовался в работе для измерения скоростей детонации в низкоплотных зарядах ВВ достаточно больших размеров с расстоянием между датчиками порядка 30 мм. При меньших базах измерения в прессованных зарядах использовались датчики из тонкой медной фольги (20-30 мкм). Датчики устанавливались на поверхность между таблетками ВВ (рис. 1.146). Зазор между электродами 0,3-0,5 мм. В случае металлизированных ВВ с проводящей поверхно-
30
стью фольговые датчики дополнительно изолировались тонкой пленкой. Для измерений скорости полета металлических пластин использовались игольчатые датчики, которые замыкаются самой летящей пластиной (рис. 1.14в). Для измерений скоростей полета на больших базах использовались также датчики из тонкой медной проволоки натянутой поперек направления полета.
б)
а)
Рис. 1.14. Вид различных электроконтактных датчиков для измерения скоростей ударных и детонационных волн (а, б) и скорости полета пластины (в).
Сим от дат<апсоа
!■ пуое
К пленнику і мглой
Кдачику <>_
К1
=С1
К2 Г Ї
о——
-о
КАІІІ
Время, МКС
Рис. 1.16. Характерная осциллограмма вы-Рис. 1.15. Схема питания электроконтактно- ходных импульсов с электроконтактных дат-го датчика чиков
Один из вариантов схемы питания электроконтактных датчиков приведен на рис. 1.15. Обычно для надежности срабатывания на электроды датчиков подавалось напряжение около 300 В. Конденсатор С1 заряжается от источника питания через резисторы Я1 и Я2. После воздействия ударной или детонационной волны происходит пробой изоляции или зазора датчика, и электрической схемой вырабатывается импульс тока.
Длительность импульсов определяется емкостью С/ и сопротивлением ЯЗ. Делитель, образованный резисторами Я4 и Я5, понижает напряжение выходного импульса до заданной величины. Напряжение на резисторе Я5 (75 или 50 Ом) регистрируется с помощью высокоскоростного осциллографа или аналого-цифрового преобразователя (АЦГ1). В ряде экспериментов интервалы времени
31
между сигналами пары датчиков измерялись также с помощью частотомеров типа ЧЗ-34Л. При использовании записи сигналов от нескольких датчиков на одном канале осциллофафа величины емкостей и сопротивлений в электрической схеме подбирались таким образом, чтобы при замыкании датчика формировался сигнал амплитудой несколько вольт и продолжительностью менее 1 мкс. По полученным осциллофаммам определялисЕ» промежутки времени Л/,- между моментами срабатывания нескольких датчиков, установленных на пути ударной волны в образце или на т раектории движения свободной поверхности.
С помощью таких датчиков определялась средняя скорость распространения процесса по заданной базе Д- = Ь/А1,. Пример записи измерения скорости детонации в насыпном заряде ВВ с использованием витых датчиков показан на рис. 1.16. Замыкание первого датчика, создает сигнал измсрителЕшой схемы, который поступает ЕЕа вход сиЕЕхронизации аналого-цифрового преобразователя и запускает регистрацию на АЦП. Время между сигналами от датчиков, расположсшЕых па известном расстоянии (база измерения) позволяет определить среднюю скорость распространения процесса на данной базе. Пофешность измерения в среднем около 1% складывается из пофешности вносимой размерами датчика приводящая к неопределенности момента замыкания датчика ударио-волновым комплексом и разброса срабатывания электронной аппаратуры.
Как показывает практика, электроконтактпые датчики надежно срабатывают при интенсивности ударЕЕых воле1 выше 5 ГПа, в области низких дэвлсееий используются друЕие типы дагчиков, в частости датчики на основе пьезоэлсмснтов, принцип действия которых основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте: возникновении поляризации в нецентросимметричных диэлектриках при действии на них механического напряжения [321. Также достаточно эффективными отметчиками времеЕЕи служат датчики ееэ осЕЮве сегнстоэлектриков типа пьезокерамики (цирконататитанат свинца - ЦТС) и пьезополимера - поливинилиденфторида -11ВДФ [33-35]. Дополнительным преимуществом этого типа датчиков является достаточно высокая надежность срабатывания и отсутствие необходимости внешних источников питания.
ДискретЕЕые измерения скоростей с помощьео фоторегисфирующих приборов - механических фоторсгистраторов, фотодиодов, фотоэлементов и электрон-
32
но-оптических преобразователей - основаны на фиксации изменения интенсивности свечения ударной волны в газе, находящемся или в зазорах прозрачных мишеней, или но отсечкам свечения на реперных фольгах при торможении летящего ударника. В данной работе, как было уже упомянуто ранее, использовался метод вспыхивающих зазоров (см. рис. 1.7). Газ в зазорах пакета прозрачных пластин под действием ударной волны, выходящей из образца, адиабатически сжимается и нагревается. Вспышки газа в зазорах фиксируются скоростным фоторегистратором с вращающимся зеркалом, работающим в режиме щелевой развертки [36]. В этой методике имеется возможность наряд}' с измерениями скорости контролировать отклонение от одномерности газодинамического течения. В настоящей работе использовался скоростной фоторсгистратор СФР-1М при скорости движения луча по фотопленке до 3,75 км/с. В качестве мишеней обычно использовались пакеты из пластин органического стекла (ПММА) толщиной 1-3 мм с воздушными зазорами 0,05-0,08 мм.
Помимо метода вспыхивающих зазоров есть несколько аналогичных дискретных методов с использованием регистрации движения ударных волн в пакетах пластин. В методе ЛИВС (лазерный измеритель волновых скоростей) [37] используется регистрация изменения интенсивности лазерного излучения отраженного от контактной поверхности образца с пакетом из тонких прозрачных пластинок, когда пластины, разделенные малыми промежутками, смыкаются иод действием движущейся ударной волны. За счет уменьшения количества отражающих поверхностей интенсивность лазерного излучения изменяется, что фиксируется с помощью ФЭУ. Аналогично скорость ударной волны в пакете тонких металлических пластин, может быть измерена за счет фиксации ступенчатого изменения контактного сопротивления [38].
Среди различных способов записи оптических сигналов в последнее время широко используются различные системы с волоконно-оптическими линиями. Такие системы позволяют проводить фиксацию времени по началу свечения процессов как снаружи, так и изнутри образцов. В данной работе световоды использовались для регистрации скоростей, как детонации, так и переходных процессов. Световоды вводились внутрь насыпных зарядов ВВ в определенных местах. Приход детонационных волн регистрировался по началу интенсивного свечения с по-
33
мощыо рч-п фотодиодов и скоростных осциллографов. В работе использовались кварц-полимерные световоды с диаметром светопроводящий жилы 0,4 мм.
/.3.2. Методы непрерывной диагностики параметров ударного сжатия
Методы непрерывной диагностики позволяют получать информацию о кинетике процессов, протекающих в конденсированных веществах при ударном сжатии. Наиболее часто с помощью этих методов проводятся измерения массовой скорости или давления за фронтом ударной волны, что же касается температуры и плотности, то эти параметры определяются в экспериментах значительно реже. Непрерывное измерение изменения температуры вещества на ударном фронте в прозрачных средах в настоящее время проводится по регистрации интенсивности излучения ударною фронта через слой несжатого вещества с использованием методов оптической пирометрии. Особенности использования пирометрических методов рассмотрены в главе II. Что же касается измерений плотности, то здесь разработанные методы не позволяют получать результаты с достаточной степенью точности. Степень сжатия конденсированных веществ может определяться с помощью методов импульсной рентгенографии по поглощению рентгеновского из-лучения в момент просвечивания образца короткими 10 -10* с импульсами [39, 40]. Прошедшее через объект излучение регистрируется на фотопленке или детекторе, в результате чего получается изображение исследуемого объекта в определенный момент времени. По своей сути подобные методы следовало бы отнести к дискретным методам, однако они позволяют получать пространственную картину изменения плотности в пределах ширины рентгеновского импульса до нескольких см. Некоторые надежды но повышению точности измерений плотности связаны с активно развиваемым в последнее время методом измерений малоуглового рентгеновского рассеяния синхротронного излучения [41, 42].
Из внутренних методов непрерывной диагностики состояния ударно-сжатого вещества наиболее развиты методы измерения массовой скорости и давления. Первым по времени был предложен электромагнитный (или магнитоэлектрический) метод регистрации профилей массовой скорости и(0 в диэлектрических материалах [1,43,44]. Идея этого метода, разработанного Е.К. Завойским, заключается в использовании ЭДС возникающей в проводнике, движущемся в магнитном поле. Электромагнитный датчик в виде П-образной полоски из тонкой металличе-
34
ской фольги помещается в исследуемый образец из непроводящего материала, а сам образец устанавливается в однородном магнитном поле стационарного электромагнита или одноразового соленоида. Датчик устанавливается таким образом, чтобы его перекладина, являющаяся чувствительным элементом, была направлена перпендикулярно силовым линиям поля и параллельно фронту ударной или детонационной волны. При прохождении ударной или детонационной волны по веществу датчик вовлекается в движение вместе с окружающим его веществом или продуктами взрыва; ЭДС, возникающая в датчике в результате пересечения магнитных силовых линий, записывается на осциллографе. Временное разрешение записей зависит от скорости вовлечения в поток чувствительного элемента, а, следовательно, от материала и толщины датчика. Экспериментальная проверка [44,
45] показала, что для измерений массовой скорости в продукгах взрыва (ПВ) оптимальными являются алюминиевые датчики толщиной -0,1 мм. Дальнейшее уменьшение толщины нецелесообразно, так как менее тонкие датчики быстро разрушаются. Временное разрешение электромагнитного метода зависит от ряда факторов: материала датчика, его толщины, расстояния между выводами, кривизны набегающего ударного или детонационного фронта. В работе [46] с датчиками толщиной 25 мкм при тщательной сборке устройств удалось достигнуть временного разрешения ~ 10 не. Среди других электрических методов измерения скорости движения ударно-сжатого вещества несколько меньшее распространение получили индукционный и емкостной (конденсаторный) методы [47,48].
Для получения информации о давлении и напряженном состоянии ударносжатых твердых тел разработан ряд методов непрерывных измерений с использованием датчиков давления, работающих на разных физических принципах. Одним из основных методов непрерывной регистрации механических напряжений или давления в диапазоне от 10 ГПа, соответствующем давлениям при контактном взрыве конденсированных ВВ, в настоящее время является метод манганиновых датчиков [6, 49-53]. Применение манганиновых датчиков основано на высокой чувствительности удельного электросопротивления манганина (сплав на основе меди, содержащий 10-12 % Мп и 3-4 % N1) к давлению при низкой чувствительности к изменениям температуры и близкой к линейной зависимости относительного изменения сопротивления АЛ/Ко от напряжения о (давления Р): АЯ/Л0=К а, где
35