Поле течения продуктов взрыва трубчатого заряда ВВ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЛЕ ТЕЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ ВЗРЫВА ТРУБЧАТОГО ЗАРЯДА ВВ

Прууэл Э.Р.,

Мержиевский Л.А.,

Тен К.А.,

Лукьянчиков Л.А.,

Титов В.М.

Давно известно, что детонация удлиненных зарядов взрывчатых веществ (ВВ) с полостями, заполненными воздухом, другим газом или вакуумированными, сопровождается своеобразными «канальными» явлениями [1, 2]. Прежде всего, отмечается, что внутри канала возникает и распространяется ударная волна, значительно опережающая детонационный фронт, максимальная скорость которой может в 1.5 - 2 раза превышать скорость детонации сплошного заряда [1-3]. Это может приводить как к затуханию детонации вследствие изменения структуры и плотности ВВ перед детонационным фронтом, так и к увеличению скорости детонации из-за сжатия или даже инициирования ВВ опережающей ударной волной [3, 4]. Было подмечено, что в определенных условиях при детонации полого цилиндрического (трубчатого) заряда ВВ в полости образуется и распространяется кумулятивная струя продуктов детонации (газокумулятивная струя, ГКЗ), движущаяся со сверхдетонационной скоростью. Данное явление широко используется для разгона твердых компактных частиц до скоростей космического диапазона [5, 6]. Известны и другие применения ГКЗ, например, для генерации мощных световых и электрических импульсов, упрочнения внутренних поверхностей металлических деталей и т.д. Особенности формирования и распространения газокумулятивных струй анализировались численно [7] и в косвенных экспериментах [4, 8-10]. При этом вопрос о распределении газодинамических параметров струи до сих пор остается открытым. Имеются только оценки средних значений параметров (плотности, скорости) и отдельные попытки измерения или расчета распределения скорости и плотности вдоль струи [7, 8, 11]. Применение методики измерения параметров продуктов детонации с помощью синхротронного излучения (СИ) [12] позволяет провести непосредственное (in situ) измерение распределения параметров газокумулятивной струи. В данной работе методика была использована для исследования поля продуктов детонации полого цилиндрического заряда.

Постановка экспериментов

Использование СИ позволяет реализовать невозмущающий внутренний метод измерения пространственного распределения плотности продуктов детонации конденсированных ВВ, в том числе - в полости ГКЗ. Детальное изложение методики исследования детонационных и ударно-волновых процессов с помощью синхротронного излучения приведено в [13], поэтому здесь остановимся только на описании постановки экспериментов. Использованная схема (рис.1) позволяет применить принципы рентгеновской томографии и восстановить распределение плотности в продуктах детонации.

Исследовались трубчатые заряды из смеси тротила с гексогеном в массовой пропорции 50% на 50% двух размеров: внешний диаметр 12 мм, внутренний 5 мм, длина 70 мм и 16 мм на 9 мм на 60 мм соответственно.

По имеющимся представлениям, выбранная длина зарядов достаточна для формирования кумулятивного течения внутри полости. Зондирование процесса проводилось сформированным плоским лучом СИ, представляющим собой пучок рентгеновского немонохроматического излучения с длительностью вспышки 10^-9 с и жесткостью 10-30 кэВ.

Измерение распределения интенсивности прошедшего луча по радиусу осуществлялось с помощью линейного микрострипового газового детектора DIMEX, состоящего из 256 чувствительных элементов, расположенных с шагом 0.1 мм, и имеющего возможность запоминать 32 кадра, следующих через 0.5 мкс при времени экспозиции ~ 1 нс [13].

В результате экспериментов получаются распределения интенсивности прошедшего через исследуемый образец излучения по радиусу на различные моменты времени. Отношение интенсивностей прошедшего и исходного излучений характеризует поглощающую способность среды. В общем случае ослабление интенсивности определяется многофакторным взаимодействием излучения с веществом: зависимостью коэффициента поглощения от длины волны, упругим и неупругим рассеянием, ионизационными потерями, искривлением хода луча на границе заряд - воздух и внутри исследуемого образца на градиентах плотности и т.д. На результат дополнительно накладываются нелинейности детектора и его сложная спектральная чувствительность. В итоге даже при неполном учете всех факторов, энергия, зафиксированная детектором от проходящего через объект луча, определяется сложным интегральным соотношением, включающим несколько трудно рассчитываемых или измеряемых функций [12].

При существенных упрощениях постановки задачи предположениями о том, степень ослабления прошедшего излучения зависит только от интеграла плотности по отрезку, занятому продуктами взрыва, а сам луч распространяется прямолинейно, удается получить решение задачи о восстановлении плотности в квадратурах, однако использовать полученную формулу для корректного восстановления плотности среды не удается. Проблема в том, что её применение требует дифференцирования экспериментально определяемой функции, определяемой с погрешностями в дискретном наборе точек, поэтому требуется разработка и реализация сложных алгоритмов регуляризации массива экспериментальных данных.

Для упрощения процедуры восстановления был предложен относительно простой расчетно-экспериментальный метод, базирующейся на использовании экспериментально определяемой калибровочной кривой, связывающей падение интенсивности с массой вещества на луче [12].

Эксперименты проводились в двух постановках. В первом случае заряд располагался так, что его ось совпадала с плоскостью луча (рис.1, а). Полученные при этом данные позволяют получить распределение средней по сечению плотности по оси заряда. Во втором случае заряд располагался перпендикулярно плоскости луча, рис 1, б, что дает возможность восстановить распределение плотности по радиусу в фиксированном сечении в данный момент времени.

А б

Рис. 1: Схема эксперимента.

Рис. 2 Рентгеновская тень от газокуммулятивной струи.

Рис. 3. Распределение средней по сечению плотность по времени (длине заряда).

Результаты и их обсуждение

Результаты измерений, выполненные в первой постановке для зарядов с внешним диаметром 12 мм и отверстием 5 мм, приведены на рис. 2 в форме зависимости изменения относительной интенсивности прошедшего I и исходного I₀ излучения вдоль оси заряда. В данном случае для увеличения контрастности внутрь трубки помещался кусочек фольги, которая разрушалась и увлекалась струей.

Рассматривалась область перед фронтом детонации. Данные показывают наличие струи (падение интенсивности относительно исходного уровня), опережающей фронт детонации, и позволяют вычислить скорость переднего фронта струи, которая в этом случае равна ~11 км/с. Естественно, что скорость такой «утяжеленной» струи будет меньше, чем у обычной струи.

Для чистой газокумулятивнной струи, без искусственно увеличенной контрастности, получена зависимость средней по радиусу плотности от времени для фиксированного сечения заряда рис. 3. Полученные результаты хорошо соотносятся с экспериментальными данными других методик [8, 11].

Более полные и детальные данные получены в экспериментах второго типа, в которых зондирующий луч направлялся оси заряда, рис.1, б. В этом случае каждый кадр дает информацию о распределении плотности по радиусу полости заряда. В предположении стационарности процесса кумуляции газообразных продуктов детонации набор кадров, полученных в последовательные моменты времени, эквивалентен пространственному распределению исследуемого параметра (плотности). Результат измерения пространственного распределения плотности показан на рис. 4. При пересчете результатов измерений интенсивности в плотность был использован описанный выше метод [12].

Рис. 4. Пространственное распределение плотности в детонирующем газокумулятивном заряде.

Эти же данные в виде проекции на (r-t)-плоскость приведены на рис. 5. В таком ракурсе измеренное распределение плотности можно сравнить с обычной рентгенограммой, рис. 6. Несмотря на различия в геометрических параметрах зарядов (на рис.5 приведена рентгенограмма для заряда с внешним диаметром 28 и диаметром полости 20 мм), наблюдается однозначное качественное согласие приведенных картин разлета продуктов детонации. К сожалению, рентгеновский снимок не фиксирует самой кумулятивной струи из-за относительно её малой плотности по сравнению с плотностью непрореагировавшего ВВ.

Полученные результаты позволяют детализировать пространственное распределение плотности разлетающихся продуктов, в том числе и для газокумулятивной струи. На рис. 7 приведены полученные распределения плотности на оси, при радиусе, соответствующем середине стенки заряда (рис. 7, а) и отдельно - на оси заряда в струе (рис. 7, б).

а б

Рис. 7. Распределение плотности. а - на оси и при радиусе, соответствующем середине стенки заряда; б - на оси в области струи.

Результаты находятся в хорошем качественном и количественном согласии с данными [8, 11]. Они показывают плавное нарастание плотности струи от её передней кромки до некоторого максимума, после чего по мере приближения к фронту детонации уменьшается и опять нарастает в области столкновения волн разрежения на оси. Подобная особенность в распределении плотности отмечалась как в [8, 11], так и в других расчетных работах. Плотность продуктов детонации в струе изменяется в диапазоне 0.05 - 0.2 г/см³, что тоже хорошо согласуется с проводившимися ранее косвенными экспериментальными и расчетными оценками. Измеренная скорость передней кромки струи ~14 км/с, что согласуется с результатами [8, 9].

Заключение

В работе с помощью синхротронного излучения впервые проведено непосредственное (in situ) измерение пространственного распределения плотности при детонации трубчатого заряда из смеси тротила с гексогеном 50/50. Определена скорость струи. Сравнение средних значений измеренных параметров с данными по их определению, полученными ранее с помощью косвенных методов или газодинамических расчетов, показало, что в целом развитые ранее представления о механизме формирования и распространения газокумулятивной струи достаточно хорошо соответствуют реальности.

Результаты работы еще раз продемонстрировали широкие возможности и перспективность применения методов, основанных на использовании синхротронного излучения, для исследования взрывных и ударно-волновых процессов.

газокумулятивный струя тротил гексоген

Список литературы

1. D.W. Woodhed. Velocity of detonation of a tubular charge of explosive. Nature, 1947, vol. 160, No. 4071, p. 644.

2. D.W. Woodhed, H. Titman. Detonation phenomena in tubular charge of explosive. Explosivstoffe, 5, 1965, No. 5, pp. 113--123; No. 6, pp. 141-155.

3. В.В. Митрофанов. О сверхскоростной детонации в зарядах с продольными каналами. ФГВ, 1975, № 1, с. 73-81.

4. Л.В. Дубнов, Л.Д. Хотина. О механизме канального эффекта при детонации конденсированного ВВ. ФГВ, 1966, № 4, с. 97-104.

5. В.М. Титов, Ю.И. Фадеенко, Н.С. Титова. Разгон твёрдых частиц кумулятивным взрывом. ДАН СССР, 1968, т. 180, № 5, с. 1051-1052.

6. Л.А. Мержиевский, В.М. Титов, Ю.И. Фадеенко, Г.А. Швецов. Высокоскоростное метание твердых тел. ФГВ, 1987, № 5, с. 77-91.

7. В.Ф. Лобанов, Ю.И. Фадеенко. Кумуляция продуктов детонации полого цилиндрического заряда. ФГВ, 1974, № 1, с.119-124.

8. А.С. Загуменнов, Н.С. Титова, Ю.И. Фадеенко, В.П. Чистяков. Детонация удлиненных зарядов с полостью. ПМТФ, 1969, №2, с.79-83.

9. Г.В. Пряхин, В.М. Титов, Г.А. Швецов. Исследование высокоскоростных потоков газа электромагнитным методом. ПМТФ, 1971, № 3, с. 137-140.

10. Е.Г. Баранов, И.И. Клочко, Э.А. Петелин. О разлете продуктов взрыва в газокумулятивных зарядах. ФГВ, 1991, № 6, с. 127-131.

11. В.В. Сильвестров, В.П. Урушкин. Метод определения плотности высокоскоростных газовых струй. ДСС, 1971, в. 7, с. 125-129.

12. Э.Р. Прууэл, Л.А. Мержиевский, К.А. Тен, П.И. Зубков, Л.А. Лукьянчиков, Б.П. Толочко, А.Н. Козырев, В.В. Литвенко. Распределение плотности разлетающихся продуктов стационарной детонации тротила. ФГВ, 2007, № 3, с. 121-131.

13. А.Н. Алешаев, П.И. Зубков, Г.Н. Кулипанов и др. Применение синхротронного излучения для исследования детонационных и ударно-волновых процессов // Физика горения и взрыва, 2001, т.37, № 5, с.104 - 113.

Размещено на Allbest.ru