детонационный элемент и

Формула изобретения

1. Детонационный элемент И, содержащий взрывные цепи, узлы разветвления взрывных цепей и взрывные вентили, первый из которых расположен в первой взрывной цепи между первым взрывным разветвлением, соединенным с первым входом детонационного элемента И, и выходом детонационного элемента И, второй взрывной вентиль расположен во второй взрывной цепи между первым взрывным разветвлением и управляющим входом первого взрывного вентиля, управляющий вход второго взрывного вентиля соединен третьей взрывной цепью с вторым входом детонационного элемента И, причем время прохождения детонационного сигнала между первым взрывным разветвлением и первым вентилем по первой взрывной цепи больше времени прохождения детонационного сигнала по второй взрывной цепи на заданную величину, отличающийся тем, что содержит дополнительный узел разветвления на третьей взрывной цепи, соединенный через дополнительную взрывную цепь с управляющим входом первого взрывного вентиля, при этом в случае поступления детонационных сигналов на первый и второй входы элемента И в заданные моменты времени детонационный сигнал, поступающий по дополнительной цепи на управляющий вход первого вентиля, приходит после прохождения взрывного сигнала по первой взрывной цепи через указанный вентиль через данное время.

2. Элемент И по п.1, отличающийся тем, что в дополнительную взрывную цепь введено устройство задержки времени прохождения детонационного сигнала.

3. Элемент И по пп.1 и 2, отличающийся тем, что между узлом разветвления первой и второй взрывных цепей и взрывными вентилями соответствующих цепей введены устройства задержки времени прохождения взрывного сигнала.

4. Элемент И по пп.1 и 2, отличающийся тем, что во взрывную цепь между первым входом элемента и узлом разветвления первой и второй взрывных цепей введено устройство задержки времени прохождения взрывного сигнала.

5. Элемент И по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в дополнительную взрывную цепь и во взрывную цепь между узлом разветвления взрывных цепей, задействованных от второго входа детонационного элемента И, и взрывным вентилем, расположенным во второй взрывной цепи, введены устройства задержки времени прохождения детонационного сигнала.

6. Элемент И по пп.1 и 2, отличающийся тем, что во взрывную цепь между вторым входом детонационного элемента И и узлом разветвления взрывных цепей, задействуемых от второго входа элемента И, введено устройство задержки времени прохождения детонационного сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к логическим устройствам, а именно, к устройствам, реализующим логические операции с помощью взрыва, в частности к детонационным элементам И.

Детонационные элементы И могут быть использованы в качестве элементной базы детонационных логических устройств, предназначенных для обработки по заданному алгоритму информации, представленной в двоичном коде, например, преобразователей двоичных кодов в десятичный - дешифраторов, которыми в ряде случаев целесообразно заменить электронные логические устройства, а также могут быть использованы в качестве устройств, выполняющих защитные функции, например, в пиротехнических системах, вместо механических или электротехнических устройств того же назначения.

Преимущества детонационных устройств защиты заключаются в том, что они имеют малое число элементов, просты в изготовлении, надежны, относительно недороги, обладают высоким быстродействием, высокой стойкостью к внешним воздействиям и т.д.

Известен детонационный двухвходовой элемент И (см., например Аттетков А. В., Бойко М.М. "Детонационные логические элементы". ФГВ, 1994, т.30, N 5, с. 123-126).

Принцип функционирования этого элемента основан на использовании так называемого "углового" эффекта. Использование "углового эффекта" для построения взрывных логических устройств рассмотрено в описании к патенту США N 3496868, кл. F 42 B 3/00, 1970 г.

"Угловой эффект" проявляется в линейных зарядах взрывчатого вещества (ВВ), имеющих повороты, и заключается в том, что при распространении взрывного процесса в таких зарядах в области вершины угла поворота имеется зона непрореагировавшего ВВ конечных геометрических размеров (см. фиг. 1). Если разность между шириной слоя используемого ВВ и характерным размером указанной зоны превышает критическую толщину слоя этого ВВ, детонация не затухает (фиг. 1a), в противном случае детонация на повороте затухает.

На использовании этих закономерностей основано функционирование двухвходового элемента И, условное изображение которого приведено на фиг. 2a, где A и B - входы элемента И, D - его выход.

Детонационные цепи элемента И могут быть выполнены в виде, например, лент или полос из пластичного ВВ, расположенных на плате из инертного материала, либо в виде каналов (пазов), заполненных ВВ (см., например, патенты США N 3496868, кл. F 42 B 3/00, N 3973499, кл. F 42 C 19/08, N 4412493, кл. F 42 B 15/00).

Ширина взрывного канала (см. фиг. 2б) CD в окрестности точки C выбирается таким образом, чтобы распространение детонации по взрывному каналу AB от точки A к точке B (фиг. 2б) или от точки B к точке A (фиг. 2в) не приводило благодаря "угловому эффекту" к возбуждению детонации в канале CD, а следовательно, и к появлению детонационного импульса (логической 1) на выходе D.

Логическая 1 на выходе элемента И (y = x₁ x₂ = 1) появится только в том случае, если будут инициированы оба входа (фиг. 2г), т.е. x₁ = 1 и x₂ = 1, причем входы должны быть задействованы в такой временной последовательности, чтобы встреча фронтов детонационных волн, распространяющихся от точки A к точке C и от точки B к точке C, произошла напротив торца взрывного канала C.

Недостаток элемента И (фиг. 2) заключается в том, что, как известно, одной из важнейших характеристик устройства, реализующего функцию логического умножения, является его время разрешения _p - временной интервал, в пределах которого должны быть задействованы входы устройства для получения сигнала на выходе. Для обеспечения надежного задействования устройства, реализующего функцию логического умножения точность t одновременного задействования его входов не должна превышать времени разрешения _p

t < _p (1)

Время разрешения _p элемента И (см. фиг.2) определяется отношением полуширины канала CD в окрестности точки C к скорости детонации используемого ВВ. Исходя из известных значений этих параметров, величина времени разрешения не превышает 0,05 мкс.

Таким образом, если длины взрывных каналов элемента АС и ВС имеют одинаковые значения, входы А и В должны быть задействованы одновременно с точностью t < 0,05 мкс; если длины АС и ВС взрывных каналов имеют различные значения, необходимо обеспечить соответствующую разности длин каналов задержку T инициирования одного входа по отношению к другому, причем точность t реализации величины T также не должна превышать величины 0,05 мкс.

Однако известные средства инициирования (СИ), в том числе быстродействующие, например высоковольтные СИ на основе взрывающихся проволочек, для которых гарантированный уровень разновременности составляет 0,5 мкс, не в состоянии обеспечить такую точность с приемлемым уровнем надежности.

Таким образом, даже без учета таких технологических факторов, как разброс длин взрывных каналов, разброс плотности ВВ по длине взрывного канала, приводящий к разбросу скорости распространения взрывного процесса, задача надежности обеспечения встречи фронтов детонационных волн напротив торца взрывного канала CD является принципиально трудноразрешимой, что исключает в настоящее время практическое использование рассмотренного элемента И.

Известен детонационный элемент И, выполненный с применением взрывных вентилей; выполняющих функцию разрушения детонационного канала (см., например, упоминавшиеся выше патенты США N 3973499 и n 4412493 и патенты США N 3430564, кл. F 42 B 3/10, 69 г., N 3669021; кл. F 42 C 15/00, 72 г., и N 3753402, кл. F 42 D 1/04, 73 г.

Условное схематическое изображение взрывных цепей детонационного элемента И приведено на фиг. 3.

Детонационный элемент И образован парой взрывных каналов AB и CD и функционирует следующим образом:

1. В случае отсутствия задействования взрывного канала CD в точке D и при инициировании ВВ в точке A или точке B взрывной процесс распространяется по каналу AB без возбуждения детонации в канале CD.

При инициировании ВВ в точке D детонационный импульс, распространяясь по каналу CD, разрушает канал AB в окрестности точки C без возбуждения детонации в этом канале. В дальнейшем распространении детонации от точки A к точке B и от точки B к точке A становится невозможным.

Взрывные цепи вентилей конструируются путем помещения ВВ в пазы, выполненные в платах из инертного материала (см. патенты США N 3496868, 3728965, 3430564) или на основе пластичных детонационных шнуров (см. патент США N 3669021).

Схематическое условное изображение взрывных цепей двухвходового элемента И приведено на фиг. 4.

Входами элемента являются точки A и B, выходом - точка C. Элемент И содержит два взрывных вентиля и функционирует следующим образом: при инициировании ВВ в точке A детонационный процесс распространяется к точке D, где он разветвляется и распространяется по двум взрывным цепям - DEF и DGF. Длина детонационной цепи DEF меньше длины цепи DGF, поэтому детонация по первой цепи придет в точку F и, тем самым, разрушит цепь GFC раньше, чем детонация по цепи GFC пройдет через точку F.

Таким образом, при подаче сигнала только на вход A детонационный сигнал на выходе элемента И будет отсутствовать.

При инициировании ВВ в точке B детонационный процесс распространяется по взрывной цепи BE к точке E и разрушает цепь DEF без возбуждения в ней детонации. В этом случае на выходе элемента детонационный импульс также будет отсутствовать.

Детонационный импульс на выходе элемента будет иметь место только в случае инициирования обоих входов, причем входы элемента должны быть задействованы таким образом, чтобы детонация, распространяющаяся по взрывной цепи BE, приходила в точку E раньше, чем детонация, распространяющаяся по цепи ADEF, придет в эту точку. В этом случае взрывная цепь DEF будет разрушена в точке E, поэтому детонация от точки A пройдет к точке C по взрывной цепи ADGFC.

Как уже было отмечено, одной из важнейших характеристик любого элемента И является время разрешения _p. Величина _p играет существенную роль в решении задачи снижения вероятности срабатывания элемента И при ложном задействовании входов. При условии, что события, возникновения которых приводят к задействованию входов, являются случайными, т.е. подчиняются закону распределения Пуассона, для двухвходового элемента И эта вероятность определяется выражением:

P = P_V P_t, (2)

где



пространственная составляющая вероятности, а именно, вероятность задействования входов элемента в результате возникновения событий;



временная составляющая вероятности, а именно, вероятность того, что входы элемента будут задействованы в пределах временного интервала _p;

- пространственная составляющая интенсивности потока случайных событий, т. е. число событий, возникающих в пределах единицы площади (или объема);

- временная составляющая интенсивности потока случайных событий, т.е. число событий, возникающих в единицу времени в пределах рассматриваемой площади (или рассматриваемого объема);

V₁, V₂ - условные площади (или объемы) входов элемента.

Выражение (1-e^-V ) есть вероятность того, что при интенсивности потока случайных событий в пределах площади (или объема) V произойдет по крайней мере одно событие, а выражение есть вероятность того, что при интенсивности потока случайных событий в пределах временного интервала _p произойдет по крайней мере два события.

Из выражения для вероятности



следует, что для одних и тех же значений параметров потока случайных событий и вероятность тем меньше, чем меньше время разрешения _p элемента И.

При инициировании точки B элемента И, представленного на фиг. 4, и последующем разрушении взрывной цепи DEF для получения детонационного сигнала на выходе элемента второй вход (точка A) может быть задействован через сколь угодно продолжительный промежуток времени. Это означает, что время разрешения _p элемента И бесконечно большое.

Тогда при любом 0 временная составляющая вероятности P_t(, _p) = 1, т.е. вероятность срабатывания элемента И в случае ложного задействования его входов не зависит от времени и временной интенсивности потока случайных событий и определяется выражением P = P_V(, V).

Очевидно, что P P.

Более высокая вероятность ложного срабатывания не имеет существенного значения в случае применения элемента И в качестве базового для построения устройств, реализующих те или иные логические функции, однако является существенным недостатком, если элемент используется в качестве устройства, выполняющего защитные функции.

Наиболее близким техническим решением является двухвходовой взрывной элемент И (см., например, патент США N 3973499, кл. F 42 C 19/08, публ. 76 г. ).

Этот элемент принят за прототип.

Двухвходовой взрывной элемент И по патенту США (см.фиг. 5) содержит взрывные цепи ADE, BED, BEG, FI HC и FGH, узлы разветвления взрывных цепей E и F и взрывные вентили D, G, H, расположенные в взрывных цепях ADF, FGHC и FIHC соответственно. Инициирующие сигналы X₁ и X₂ подаются на входы A и B элемента И. Детонационный сигнал Y = X₁ X₂ снимается с выхода C элемента И.

При инициировании в отдельности каждого из входов элемента И детонационный сигнал на его выходе не появится. Для обеспечения прохождения детонации к выходу элемента И длины взрывных цепей и временная последовательность задействования входов должны быть таковы, чтобы одновременно выполнялись следующие условия.

1. Детонация, распространяющаяся по взрывному каналу BED от точки B, должна приходить в точку D позже, чем детонация, распространяющаяся по каналу ADF от точки A, пройдет эту точку.

2. С целью предотвращения разрушения взрывного канала FIHC в окрестности точки H детонацией, распространяющейся по каналу FGH, детонация, распространяющаяся по каналу BEG от точки B, должна приходить в точку G и разрушать канал FGH раньше, чем в точку G придет детонация, распространяющаяся от точки A по каналу ADFGH.

Длины взрывных каналов элемента И, описанного в пат. США N 3973499, таковы, что при инициировании точки B в момент времени t₀ для прохождения детонации к точке C, точка A должна быть синициирована в момент времени t₀ + 2 мкс, а допустимое отклонение времени инициирования от номинального 1 мкс, что означает, что время разрешения элемента И _p = 1 мкс.

Точность инициирования входов элемента t < 1 мкс может быть надежно обеспечена с помощью известных средств инициирования (СИ), например с помощью быстродействующих СИ на основе взрывающейся проволочки (см., например, статью "Состояние и тенденции совершенствования систем инициирования зарядов взрывчатых веществ за рубежом". Горное дело: обзорная информация, М., 1989, вып. 2).

Надежность срабатывания элемента И определяется не только точностью соблюдения допустимого отклонения времени инициирования от номинального при задействовании входов, но и надежностью взрывных вентилей. Уменьшение числа взрывных вентилей, входящих в состав элемента И, ведет к повышению надежности его функционирования.

Повышение надежности функционирования детонационного элемента И за счет уменьшения числа взрывных вентилей и является одной из задач, решаемых данным изобретением.

Для этого в детонационный элемент И, содержащий взрывные цепи, узлы разветвления взрывных цепей и взрывные вентили, первый из которых расположен в первой взрывной цепи между первым взрывным разветвлением, соединенным с первым входом детонационного элемента И, и выходом детонационного элемента И, второй взрывной вентиль расположен во второй взрывной цепи между первым взрывным разветвлением и управляющим входом первого взрывного вентиля, управляющий вход второго взрывного вентиля соединен третьей взрывной цепью с вторым входом детонационного элемента И, причем время прохождения детонационного сигнала между первым взрывным разветвлением и первым вентилем по первой взрывной цепи больше времени прохождения детонационного сигнала по второй взрывной цепи на заданную величину, содержит дополнительный узел разветвления на третьей взрывной цепи, соединенный через дополнительную взрывную цепь с управляющим входом первого взрывного вентиля, при этом в случае поступления детонационных сигналов на первый и второй входы элемента И в заданные моменты времени детонационный сигнал, поступающий по дополнительной цепи на управляющий вход первого вентиля, приходит после прохождения взрывного сигнала по первой взрывной цепи через указанный вентиль через заданное время.

Область использования элемента И может быть расширена за счет обеспечения возможности регулировки времени разрешения t_р элемента И. В этом случае для задействования элемента И можно использовать любые средства инициирования как быстродействующие высоковольтные, так и низковольтные, имеющие по сравнению с высоковольтными большее время срабатывания, а, следовательно, и больший разброс времени срабатывания t. Обязательно должно выполняться условие t < _p (1).

Для этого в дополнительную взрывную цепь введено устройство задержки времени прохождения взрывного сигнала.

Устройство задержки времени прохождения взрывного сигнала может быть включено между узлом разветвления первой и второй взрывных цепей и взрывными вентилями соответствующих цепей, либо во взрывную цепь между первым входом элемента И и узлом разветвления первой и второй взрывных цепей, либо в дополнительную взрывную цепь и во взрывную цепь между узлом разветвления взрывных цепей, задействуемых от второго входа элемента И, и взрывным вентилем, расположенным во второй взрывной цепи, либо во взрывную цепь между вторым входом элемента И и узлом разветвления взрывных цепей, задействуемых от второго входа элемента И.

Введение дополнительных устройств задержки позволяет также уменьшить вероятность случайного срабатывания элемента И за счет случайного срабатывания СИ, задействующих его входы.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 6 дано схематическое изображение детонационного элемента И, на фиг. 7 приведена временная диаграмма его функционирования, на фиг. 8-10 показаны модификации детонационного элемента И, отличающиеся введением элементов задержки детонационного сигнала в различные детонационные цепи.

Предлагаемый детонационный элемент И (см. фиг. 6) содержит взрывные цепи AFKIC, FGHI, BDC, DEHI, узлы разветвления F, D и H взрывных цепей и взрывные вентили G и I. На входы A и B детонационного элемента И поступают инициирующие сигналы X₁ и X₂, детонационный сигнал Y = X₁X₂ снимается с выхода C элемента И.

При инициировании в отдельности любого из входов элемента И детонационный импульс на выходе не появится: при инициировании входа B детонация проходит к узлу разветвления D и разветвляется; детонация, распространяющаяся по взрывной цепи DG, приходит на взрывной вентиль G и разрушает цепь FGH без возбуждения в ней детонации; детонация, распространяющаяся по цепи DEHI, приходит на взрывной вентиль I и разрушает цепь FKIC без возбуждения в ней детонации; при инициировании входа A детонация проходит к узлу разветвления F и разветвляется; длина взрывной цепи FGHI меньше длины цепи FKI; детонация к выходу элемента И по взрывной цепи FKIC не пройдет, т.к. эта цепь будет разрушена взрывным вентилем I, управляемым детонационным сигналом, распространяющимся по цепи FKIC.

Для обеспечения прохождения детонации к выходу элемента И длины детонационных цепей, скорости распространения детонации используемых ВВ и временная последовательность задействования входов должны быть таковы, чтобы выполнялись следующие условия.

1. Детонация, распространяющаяся от входа A по взрывной цепи AFGH, должна приходить к взрывному вентилю G позже детонации, распространяющейся от входа B по цепи BDG и разрушающей цепь FGHI вентилем G.

2. Детонация, распространяющаяся от входа A по взрывной цепи AFKIC, должна приходить к взрывному вентилю I раньше детонации, распространяющейся от входа B по цепи BDEHI.

Как следует из вышеизложенного, предлагаемый детонационный элемент И реализует функцию логического умножения, используя меньшее количество взрывных вентилей по сравнению с прототипом, а, следовательно, обладает более высокой надежностью.

На фиг. 7 приведена временная диаграмма функционирования элемента И.

Зафиксируем момент времени t₀ инициирования входа B. Пусть вход A инициируется одновременно с входом B. Моменты времени t^G_B и t^J_B - моменты времени прихода детонации от входа B к взрывным вентилям G и I, соответственно; моменты времени t^G_A и t^J_A - моменты времени прихода детонации к этим же вентилям от входа A. Для обеспечения прохождения детонационного сигнала на выход C элемента И, как уже отмечалось, должны выполняться условия - t^G_A > t^G_B и t^J_A < t^J_B, т.е. временной интервал должен лежать внутри временного интервала (t^G_B; t^J_B).

Пусть длины взрывных цепей элемента И таковы, что центры временных интервалов (t^G_A; t^J_A) и (t^G_B; t^J_B) совпадают. Тогда величины временных интервалов (t^G_B; t^G_A) и (t^J_A; t^J_B) равны.

Обозначим их через _p

t^G_A-t^G_B = t^J_B-t^J_A = _p.

Таким образом, если вход A будет инициирован в пределах временного интервала (t_o-_p; t_o+_p), то интервал (t^G_A; t^J_A) не выйдет за пределы интервала (t^G_B; t^J_B), т. е. детонационный сигнал пройдет на выход элемент И. Это означает, что временной интервал _p есть время разрешения элемента.

Пусть СИ, а задействующие входы A и B, срабатывают одновременно.

Если СИ, задействующее вход B, срабатывает в фиксированный момент времени t₀, то СИ, задействующая вход A, срабатывает в интервале (t_o-t; t_o+t), где t - разброс времени срабатывания СИ, являющийся характеристикой применяемых средств инициирования. Очевидно, что для обеспечения надежного задействования элемента И временной интервал (t_o-t; t_o+t), должен лежать внутри временного интервала (t_o-_p; t_o+_p), т.е. должно выполняться условие t < _p (1).

Зафиксируем величину временного интервала (t^G_A; t^J_A) выбором длин соответствующих взрывных цепей элемента И. Будем увеличивать величину временного интервала (t^G_B; t^J_B), например, увеличением t^J_B. С этой целью во взрывную цепь BDEHI (см. фиг. 6) введем устройство задержка (УЗ), как это показано на фиг. 8.

Пусть при этом длины взрывных цепей элемента И таковы, что центры временных интервалов (t^G_B; t^J_B) и (t^G_A; t^J_A) совпадают и что t^G_A-t^G_B = t^J_B-t^J_A. Увеличение временного интервала (t^G_B; t^J_B) приведет к увеличению интервалов (t^G_B; t^G_A) и (t^J_A; t^J_B), т.е. к увеличению величины времени разрешения _p элемента И.

Таким образом, выбором длин соответствующих взрывных цепей величину _p можно изменять в широком диапазоне: практически от нуля до десятков, сотен микросекунд и более.

Из этого следует, что для задействования элемента И помимо быстродействующих, например, высоковольтных СИ могут быть использованы и низковольтные, которые имеют по сравнению с высоковольтными гораздо больший разброс времени срабатывания. К тому же для построения элемента И могут использоваться взрывные цепи, имеющие относительно нестабильные временные характеристики. В этом случае требование (1) может быть легко выполнено выбором соответствующей величины задержки УЗ.

Таким образом, возможность регулировать время разрешения элемента И в широком диапазоне значений позволяет применять для его задействования любые средства инициирования СИ с любой величиной разброса времени срабатывания, что существенно расширяет область применения детонационного элемента И. Кроме того, реализация минимальной величины времени разрешения _p без нарушения при этом условия (1) позволяет свести к минимуму вероятность случайного задействования элемента И.

На фиг. 6 и 8 приведены взрывные цепи элементов И, для срабатывания которых необходимо одновременное задействование входов. Однако существуют единичные случайные события, например, электромагнитный импульс, возникновение которых может привести к ложному одновременному (с учетом разброса t ) срабатыванию СИ и, тем самым, к ложному срабатыванию элемента И.

С целью предотвращения ложного срабатывания элемента И при случайном одновременном срабатывании СИ в его взрывные цепи вводится УЗ с временем задержки T. Взрывные цепи, в которые необходимо ввести УЗ, и величина задержки T должны быть выбраны таким образом, чтобы при одновременном (с учетом разброса t ) срабатывании СИ имело место пересечение временных интервалов (t^G_B; t^J_B) и (t^G_A; t^J_A).

На фиг. 9 и 10 приведено в качестве примеров возможное размещение УЗ.

Пусть вход B инициируется в фиксированный момент времени t₀. Для срабатывания элемента И (см. фиг. 9а и 9б) вход A должен быть задействован в момент времени t₀ - T, а для срабатывания элемента И (см. фиг. 10а и 10б) вход A должен быть задействован в момент времени t₀ + T.

Для гарантированного обеспечения пересечения временных интервалов (t^G_B; t^J_B) и (t^G_A; t^J_A) при случайном одновременном срабатывании СИ величина задержки T должна выбираться из условия T > t, где t - разброс времени срабатывания СИ.

Таким образом, введение устройств задержки с временем задержки распространения детонационного сигнала T > t позволяет снизить вероятность случайного задействования элемента И, в том числе гарантированно предотвратить его срабатывание при случайном одновременном срабатывании СИ.