взрывной трубчатый ускоритель

Формула изобретения

Взрывной трубчатый ускоритель, включающий полый цилиндр из мощного ВВ, сердцевину из другого материала, систему инициирования детонации, метаемое тело, ствол для его разгона, составной заряд, состоящий из легкого ВВ с содержанием водорода не ниже, чем в нитрометане (5 вес.%) и тяжелого ВВ плотностью 3,13 г/см ³, расположенного непосредственно после инициирующей системы перед зарядом легкого ВВ, при этом соотношение скоростей нормальной детонации мощного ВВ и сердцевины равно 1:(0,7-0,8), диаметр сечения цилиндрической сердцевины равен 1,5-3d, диаметр сечения всего трубчатого ускорителя 5-7 d и длина основного ускорителя 7-9 d, где d - диаметр метаемого тела, металлическую оболочку для размещения заряда и с возможностью размещения метаемого тела внутри легкого ВВ на глубине, при которой еще не начинается разрушение “маховского” диска в центральной части сердцевины, отличающийся тем, что в нем ствол выполнен с внутренним осевым цилиндрическим каналом ступенчатой формы, числом ступеней не менее трех, диаметры ступеней постепенно увеличиваются к выходному краю ствола, на торцах ступеней размещены диски ВВ и металла, предназначенные для передачи импульса и повышения скорости метаемых тел в направлении к выходному краю ствола, на крайней ступени ствола размещено ВВ двухступенчатой цилиндрической формы, на которое опираются метаемые защитная оболочка из пластмассы и пробойник из металла с коническим оголовком и хвостовиком трубчатой формы с размещенной внутри него ступенью ВВ меньшего диаметра, защитная оболочка пробойника предназначена для снижения трения, уплотнения зазора между пробойником и стволом и повышения коэффициента полезного действия суммарного заряда ВВ, корпус ствола выполнен составным, содержащим казенник для размещения основного заряда, ступенчатый ствол для размещения на ступенях зарядов ВВ и метаемых тел, предназначенных для их дополнительного разгона, передающих в конечном итоге дополнительный импульс пробойнику, дополнительные, не менее одного, заряды ВВ, расположенные впереди пробойника и находящиеся в состоянии ожидания его подлета и размещенные в карманах конической формы в насадках ствола, перемежаемых смежными насадками ответной формы, скрепляемые жестко друг с другом в единый ствол с помощью стальной обоймы с буртом к верхней части казенника резьбовым соединением, вершины продолжения срединных конических поверхностей дополнительных зарядов ВВ расположены на оси составного ствола, каждый дополнительный заряд ВВ снабжен автономной системой инициирования детонации с системой задержки детонации во времени, система задержки детонации для каждого дополнительного заряда ВВ содержит ряд каналов Г-образной формы, равномерно распределенных своими входными отверстиями в поперечном сечении ствола на его внутренней поверхности, а выхлопными каналами связаны с капсюлями-детонаторами дополнительного заряда ВВ, причем первые входные каналы до места пересечения имеют меньший диаметр, чем вторые каналы после их места пересечения, а внутри каждого канала большего диаметра размещен в его нижней части с опорой на стенку канала меньшего диаметра боек с возможностью перемещения вверх до ударного контакта с капсюлем-детонатором при приложении к нему ударной нагрузки, система задержки детонации предназначена для того, чтобы пробойник успел занять положение внутри ствола выше дополнительного заряда ВВ до момента его взрыва, принимая затем на себя дополнительную энергию детонации ВВ своим нижним краем в момент его взрыва, получая дополнительное ускорение, путем размещения ряда таких дополнительных зарядов ВВ на пути движения пробойника можно добиться максимально возможной его скорости, при этом детонация их производится в след ему автоматически, резко упрощая конструкцию ВТУ, аналогично размещают дополнительные заряды ВВ по пути следования ударного ядра в стволе при подрыве кумулятивного заряда ВВ с металлической облицовкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для метания кумулятивным взрывом, предназначено для высокоскоростного метания твердых тел и может быть использовано для лабораторных исследований и испытаний материалов в области высоких динамических давлений, при разработке конструкций противометеоритной защиты и защиты от высокоскоростных осколков.

В Институте гидродинамики СО РАН было разработано устройство для метания кумулятивным взрывом (см. Титов В.М., Фадеенко Ю.Н., Титова Н.С. Разгон твердых частиц кумулятивным взрывом. Доклады АН СССР, 1968, т.180, №5, с.1051-1052), позволяющее разгонять твердые тела размером 0,1-10 мм до скоростей 8-14 км/с. Газокумулятивный заряд представлял из себя полый цилиндр взрывчатого вещества (ВВ), инициируемый с одного из концов вспомогательной шашкой, метаемое тело помещалось на оси канала на некотором удалении от выходного отверстия. С помощью таких зарядов удавалось успешно метать тела из металлов, керамики и стекла. Отношение веса заряда к весу тела составляло 10⁴-10⁶.

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 большой расход ВВ.

Известны взрывчатые трубчатые ускорители (ВТУ). Простейший ВТУ (см. Под ред. Златина Н.А. Физика быстропротекающих процессов. М., Мир, 1971, т.2, с.271) состоит из системы инициирования, удлиненного полого цилиндра из мощного ВВ, полость которого заполнена газом, метаемого тела и ствола для его разгона. После инициирования, по мере распространения по заряду ВВ детонационной волны, в сердцевине в результате кумуляции в сходящейся конической ударной волне формируется так называемый "маховский диск". Происходит сжатие и сильный нагрев рабочего тела, находящегося в сердцевине газа. Расширяющийся газ сообщает импульс метаемому телу, находящемуся в непосредственном контакте с зарядом либо на некотором удалении в стволе. Подобные устройства позволяют ускорять металлические диски до скоростей 8-9 км/с при отношении веса заряда и веса метаемого тела 10³-10⁴.

К недостаткам этого устройства следует отнести достаточно большой расход ВВ. Кроме того, конструкция заряда приводит к оттоку части газообразных продуктов в обратном направлении.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому устройству является ВТУ (см. Долгобородов А.Ю., патент РФ №2072501, М.кл. 6 F 42 B 1/02, опубл. 27.01.97 БИ №3), включающий полый цилиндр из мощного ВВ, сердцевину из другого материала, систему инициирования детонации, метаемое тело и ствол для его разгона, в котором дополнительно сердцевина заполнена составным зарядом, состоящим из легкого ВВ с содержанием водорода не ниже, чем в нитрометане (5 массовых %), и тяжелого ВВ с плотностью 3,13 г/см³, расположенного после инициирующей системы перед зарядом легкого ВВ, при этом соотношение скоростей нормальной детонации мощного ВВ и сердцевины равно 1:(0.7-0.8), диаметр сечения цилиндрической сердцевины равен (1.5-3.0)d, диаметр сечения всего трубчатого ускорителя равен (5-7)d и длина ускорителя равна (7-9)d, где d - диаметр метаемого тела; полый цилиндр из мощного ВВ, а с ним и весь ускоритель помещены в металлическую оболочку; метаемое тело расположено внутри легкого ВВ на глубине, при которой не начинается разрушения "маховского" диска в центральной части сердцевины.

К недостаткам этого устройства относится отсутствие возможности, в случае необходимости, дополнительного наращивания ускорения метаемого тела, а также его незначительная масса порядка 0.8 г.

Задачей изобретения является создание такого взрывного трубчатого ускорителя, который позволил бы более надежно повышать скорость метания до максимально возможной, снижать вес заряда ВВ по отношению к весу метаемого тела. Решение поставленной задачи достигается предлагаемым взрывным трубчатым ускорителем, включающим полый цилиндр из мощного ВВ, сердцевину из другого материала, систему инициирования детонации, метаемое тело, ствол для его разгона, составной заряд, состоящий из легкого ВВ с содержанием водорода не ниже, чем в нитрометане (5% по весу), и тяжелого ВВ плотностью 3.13 г/см³, расположенного непосредственно после инициирующей системы перед зарядом легкого ВВ, при этом соотношение скоростей нормальной детонации мощного ВВ и сердцевины равно 1:(0.7-0.8), диаметр сечения цилиндрической сердцевины равен (1.5-3.0)d, диаметр сечения всего трубчатого ускорителя (5-7)d и длина основного ускорителя (7-9)d, где d - диаметр метаемого тела, металлическую оболочку для размещения заряда и с возможностью размещения метаемого тела внутри легкого ВВ на глубине, при которой еще не начинается разрушение "маховского" диска в центральной части сердцевины, дополнительно оснащенным стволом с внутренним осевым цилиндрическим каналом ступенчатой формы, числом ступеней не менее трех, диаметры ступеней постепенно увеличиваются к выходному краю ствола, на торцах ступеней размещены диски ВВ и металла, предназначенные для передачи импульса и повышения скорости метаемых тел в направлении к выходному краю ствола, на крайней ступени ствола размещено ВВ 2-ступенчатой цилиндрической формы, на которое опираются метаемые защитная оболочка из пластмассы и пробойник из металла с коническим оголовком и хвостовиком трубчатой формы с размещенной внутри него ступенью ВВ меньшего диаметра, защитная оболочка пробойника предназначена для снижения трения, уплотнения заряда между пробойником и стволом и повышения коэффициента полезного действия суммарного заряда ВВ, корпус ствола выполнен составным, содержащим казенник для размещения основного заряда, ступенчатый ствол для размещения на ступенях зарядов ВВ и метаемых тел, предназначенных для их дополнительного разгона, передающих в конечном итоге дополнительный импульс пробойнику, дополнительные не менее одного заряды ВВ, расположенные впереди пробойника и находящиеся в состоянии ожидания его подлета и размещенные в карманах конической формы в насадках ствола, перемежаемых смежными насадками ответной формы, скрепляемые жестко друг с другом в единый ствол с помощью стальной обоймы с буртом к верхней части казенника резьбовым соединением; вершины продолжения срединных конических поверхностей дополнительных зарядов ВВ расположены на оси составного ствола; каждый дополнительный заряд ВВ снабжен автономной системой инициирования детонации с системой задержки детонации во времени; система задержки детонации для каждого дополнительного заряда ВВ содержит ряд каналов Г-образной формы, равномерно распределенных своими входными отверстиями в поперечном сечении ствола на его внутренней поверхности, а выхлопными каналами связаны с капсюлями-детонаторами дополнительного заряда ВВ, причем первые входные каналы до места пересечения имеют меньший диаметр, чем вторые каналы после их места пересечения, а внутри каждого канала большего диаметра размещен в его нижней части с опорой на стенку канала меньшего диаметра боек с возможностью перемещения вверх до ударного контакта с капсюлем-детонатором при приложении к нему ударной нагрузки; система задержки детонации предназначена для того, чтобы пробойник успел занять положение внутри ствола выше дополнительного заряда ВВ до момента его взрыва, принимая затем на себя дополнительную энергию детонации ВВ своим нижним краем в момент его взрыва, получая дополнительное ускорение; путем размещения ряда таких дополнительных зарядов ВВ на пути движения пробойника можно добиться максимально возможной его скорости, при этом детонация их производится вслед ему автоматически, резко упрощая конструкцию ВТУ; аналогично размещают дополнительные заряды ВВ по пути следования ударного ядра в стволе при подрыве кумулятивного заряда ВВ с металлической облицовкой.

Анализ аналогов ВТУ показывает, что предлагаемый нами ВТУ обладает по сравнению с ними рядом отличительных признаков, к которым относятся следующие:

- ВТУ оснащен стволом с внутренним осевым цилиндрическим каналом ступенчатой формы, число ступеней не менее трех, диаметры ступеней постепенно увеличиваются к выходному краю ствола,

- на торцах ступеней размещены таблетки ВВ и металла, предназначенные для передачи импульса и повышения скорости метаемых тел в направлении к выходному краю ствола,

- на крайней ступени ствола размещено ВВ 2-ступенчатой цилиндрической формы, на которое опираются метаемые защитная оболочка из пластмассы и пробойник из металла с коническим оголовком и хвостовиком трубчатой формы с размещенной внутри него ступенью ВВ меньшего диаметра, защитная оболочка пробойника предназначена для снижения трения, уплотнения зазора между пробойником и стволом и повышения коэффициента полезного действия суммарного заряда ВВ,

- корпус ствола выполнен составным, содержащим казенник для размещения основного заряда, ступенчатый ствол для размещения на ступенях зарядов ВВ и метаемых тел, предназначенных для их дополнительного разгона, передающих в конечном итоге дополнительный импульс пробойнику, дополнительные не менее одного заряды ВВ, расположенные впереди пробойника и находящиеся в состоянии ожидания его подлета и размещенные в карманах конической формы в насадках ствола, перемежаемых смежными насадками ответной формы, скрепляемые жестко друг с другом в единый ствол с помощью стальной обоймы с буртом к верхней части казенника резьбовым соединением;

- вершины продолжения срединных конических поверхностей дополнительных зарядов ВВ расположены на оси составного ствола,

- каждый дополнительный заряд ВВ снабжен автономной системой инициирования с системой задержки детонации во времени,

- система задержки детонации для каждого дополнительного заряда ВВ содержит ряд каналов Г-образной формы, равномерно распределенных своими входными отверстиями в поперечном сечении ствола на его внутренней поверхности, а выхлопными каналами связаны с капсюлями-детонаторами дополнительного заряда ВВ, причем первые входные каналы до места пересечения имеют меньший диаметр, чем вторые каналы после их места пересечения, а внутри каждого канала большего диаметра размещен в его нижней части с опорой на стенку канала меньшего диаметра боек с возможностью перемещения вверх до ударного контакта с капсюлем-детонатором при приложении к нему ударной нагрузки,

- система задержки детонации предназначена для того, чтобы пробойник успел занять положение внутри ствола выше дополнительного заряда до момента его взрыва, принимая затем на себя дополнительную энергию детонации ВВ своим нижним краем в момент его взрыва, получая дополнительное ускорение,

- путем размещения ряда таких дополнительных зарядов ВВ на пути движения пробойника можно добиться максимально возможной его скорости, при этом детонация их производится вслед ему автоматически, резко упрощая конструкцию ВТУ,

- аналогично размещают дополнительные заряды ВВ по пути следования ударного ядра в стволе при подрыве кумулятивного заряда ВВ с металлической облицовкой.

Считаем, что перечисленные выше отличительные признаки предлагаемого нами ВТУ могут составить предмет изобретения.

На фиг.1 изображен ВТУ, содержащий ствол с внутренним осевым цилиндрическим каналом ступенчатой формы; на фиг.2 - ВТУ фиг.1, оснащенный дополнительным зарядом ВВ с системой инициирования детонации и с системой ее задержки во времени; на фиг.3 - ВТУ, оснащенный кумулятивным зарядом с металлической облицовкой для формирования ударного ядра и дополнительным зарядом ВВ с системой инициирования детонации и системой ее задержки во времени.

Устройство (фиг.1) содержит казенник 1, во внутренней полости которого размещен трубчатый заряд 2 мощного ВВ, внутри полости которого в нижней ее части размещен заряд 3 тяжелого ВВ, выше верхнего края которого размещен металлический диск 4, предназначенный для метания в стволе, выше диска 4 расположен заряд 5 легкого ВВ; заряды ВВ 2, 3, 5 образуют в казеннике 1 основной суммарный заряд ВВ; под нижним краем зарядов 2, 3 ВВ размещена линза ВВ 6 с капсюлем-детонатором 7, предназначенными для инициирования детонации основного заряда ВВ (2, 3, 5); к верхнему краю казенника 1 жестко примыкает ступенчатый ствол 8 под действием резьбового соединения стальной обоймы 9 с буртом. На ступенях 10 ступенчатого ствола 8 размещены таблетки 11 ВВ и металла 12, предназначенные для передачи импульса и повышения скорости метаемых тел в направлении к выходному краю ствола. Внутри ствола 8 с осевым цилиндрическим каналом ступенчатой формы расположено не менее трех ступеней 10, причем диаметры ступеней постепенно увеличиваются к выходному краю ствола. На крайней ступени 10 ствола размещено ВВ 13 двухступенчатой цилиндрической формы, на которое опираются метаемые защитная оболочка 14 из пластмассы и пробойник 15 из металла с коническим оголовком и хвостовиком трубчатой формы с размещенной внутри него ступенью ВВ 13 меньшего диаметра, защитная оболочка 14 предназначена для снижения трения, уплотнения зазора между пробойником 15 и стволом и повышения коэффициента полезного действия суммарного заряда ВВ. Известно, что при соударении двух таблеток металла и ВВ в получающей импульс таблетке ВВ скорость детонации в ней возрастает и, следовательно, контактирующая с ней таблетка металла получает большую начальную скорость по сравнению с тем, если бы получаемого импульса не было. Для реализации этого эффекта и был предложен ступенчатый ствол 8. Увеличение числа ступеней ведет к асимптотическому поведению величины наращиваемой скорости последнего метаемого тела - пробойника 15. Эффективное число ступеней устанавливают экспериментально.

Для дальнейшего повышения скорости метаемого пробойника необходимо установить дополнительные не менее одного заряды ВВ 16 (фиг.2), расположенные впереди пробойника и находящиеся в состоянии ожидания его подлета и размещенные в карманах 17 конической формы в насадках 18 ствола, перемежаемых смежными насадками 19 ответной формы, скрепляемые жестко друг с другом в единый составной ствол с помощью стальной обоймы 9 с буртом к верхней части казенника 1 резьбовым соединением. Вершины продолжения срединных конических поверхностей дополнительных зарядов ВВ должны располагаться на оси составного ствола. На фиг.2 показан один дополнительный заряд 16 ВВ, аналогично монтируются и другие дополнительные заряды с помощью указанных насадок 18, 19 составного ствола. Каждый дополнительный заряд 16 ВВ снабжен автономной системой инициирования детонации, включающей кольцевую линзу 20 ВВ и ряд капсюлей-детонаторов 21, равномерно расположенных по окружности снизу кольцевой линзы 20 ВВ, и системой задержки детонации во времени. Система задержки детонации во времени для дополнительного заряда 16 ВВ содержит ряд каналов 22 Г-образной формы, их число равно количеству капсюлей-детонаторов 21. Причем входные отверстия Г-образных каналов равномерно распределены в поперечном сечении ствола на его внутренней поверхности, а выхлопные связаны с капсюлями-детонаторами 21. Первые части Г-образных каналов от входа в них до места пересечения имеют меньший диаметр, чем вторые части от места пересечения до капсюлей-детонаторов. Благодаря этому можно создавать дополнительное сопротивление потоку продуктов детонации из ствола в Г-образные каналы, что является благоприятным условием для системы задержки детонации дополнительного заряда 16 ВВ.

Во вторых частях Г-образных каналов большего диаметра размещены бойки 23, которые по обоим своим краям имеют заостренную форму. Верхняя заостренная форма бойка предназначена для удара по капсюлю-детонатору 21, когда он находится в крайнем верхнем положении второй части Г-образного канала. Нижняя заостренная форма бойка предназначена для его опоры на стенку первой части Г-образного канала в состоянии ожидания подлета пробойника 15.

Взрывной трубчатый ускоритель ВТУ (фиг.2) работает следующим образом. При срабатывании капсюля-детонатора 7 происходит инициирование детонации основного заряда ВВ, включающего заряды 6, 2, 3, 5. Продукты детонации устремляются к выходу составного ступенчатого ствола 8. На своем пути они встречают последовательно таблетки 11 ВВ и металла 12, которые при последовательных взрывах таблеток 11 ВВ получают все большее ускорение. На крайней последней ступени 10 ступенчатого ствола 8 подрывается заряд 13 ВВ двухступенчатой цилиндрической формы, в результате чего защитная оболочка 14 из пластмассы и пробойник 15 из металла получают свою предельную скорость от основного заряда и зарядов, расположенных на ступенях составного ступенчатого ствола 8. После пролета элементов 14 и 15 мимо входных отверстий в Г-образные каналы 22 часть продуктов детонации устремляется в них и встречает на своем пути бойки 23, которые в свою очередь получают ударный импульс, резко поднимаясь вверх, сообщая ударный импульс капсюлям-детонаторам 21, в результате чего происходит инициирование детонации кольцевой линзы 20 заряда ВВ и дополнительного заряда 16 ВВ, продукты детонации которого сосредоточены в нижний край пролетевших мимо защитной оболочки 14 и пробойника 15, еще более ускоряя их, придавая максимально возможную скорость. Число дополнительных зарядов 16, необходимое для достижения заданной скорости, устанавливают экспериментальным путем. Время задержки детонации дополнительных зарядов 16 регулируют путем расчета или подбора нужных диаметров первой и второй частей Г-образных каналов. Метаемые диски 4, 12 внутри ступенчатого ствола создают необходимый подпор продуктам детонации, увеличивая их КПД.

Предлагаемая конструкция ВТУ обеспечивает ее простоту в изготовлении и эксплуатации, а также позволяет добиться максимально заданной скорости пробойника за счет размещения ряда дополнительных зарядов 16 ВВ впереди пробойника в конструкции составного ступенчатого ствола, при этом детонация их производится вслед пробойнику автоматически, что немаловажно при быстро протекающих процессах.

Аналогично размещенные дополнительные заряды ВВ по пути следования ударного ядра после схлопывания облицовки 15 в стволе при подрыве кумулятивного заряда ВВ должны давать похожий эффект (фиг.3).

Задаваясь, например, массой М=10 г, диаметром 15 мм метаемого пробойника (фиг.2), учитывая массу основного заряда и его размеры, данные в прототипе, можно дать прикидочные оценки получаемой скорости при его разгоне в ступенчатом стволе. Она может составить не менее 8 км/с. Формула расчета скорости метаемого диска приведена в отчете (см. Научно-технический отчет по теме “Разработка средств метания и изучение эффектов, возникающих при пробитии и проникании. Этапы 2 и 3. Шифр “Удар”, Тема - 4592, 1615Т308-2002, с.34, 2 марта 2003, ИМ СО РАН, г. Новосибирск).

Объем Г-образного канала без объема бойка составляет Q_i. Скорость V истечения через боковое отверстие, когда диаметр отверстия d<<D диаметра отверстия ствола, продуктов детонации, в котором их давление составляет величину P₁, плотность ₁

где р_о - давление газа в Г-образном канале,

- отношение теплоемкостей при постоянном давлении и при постоянном объеме (х=1,405).

Время истечения газа в Г-образный канал составит t_i (см. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика, часть I, с.118, 119 и часть II, с.69, 54, 174-190, Госуд. изд. Физико-матем. литературы, М., 1963)

Если через один канал заполнять объемы в количестве i Г-образных каналов, то время заполнения общего их объема Q _o увеличится в i раз и составит i·t_i. Оно может оказаться больше, чем это требуется. Поэтому время истечения газа из ствола через боковые отверстия можно варьировать их диаметром или количеством Г-образных каналов, сообщающихся напрямую с внутриствольным пространством ступенчатого ствола.

Если внимательно посмотреть на фиг.2 в продольном разрезе, то легко видеть, что путь пробойника в стволе от поперечного сечения ствола с входными отверстиями в Г-образные каналы до поперечного сечения верхнего края дополнительного заряда ВВ составляет как бы одну сторону воображаемого треугольника, а путь продуктов детонации через Г-образный канал и глубину конусообразного кармана, в котором размещается дополнительный заряд ВВ, - две другие стороны воображаемого треугольника. Учитывая, что пробойник при подлете к дополнительному заряду ВВ набирает скорость в ступенчатом стволе, сравнимую со скоростью детонации, отсюда становится ясным, что время прохождения волны детонации по обходному пути будет больше, чем по прямому пути пробойника в стволе. Это как раз нам и необходимо, чтобы пробойник успел занять свое положение выше дополнительного заряда ВВ, энергия взрыва которого даст дополнительный импульс и повышение скорости пробойника.

После производства выстрела ВТУ перезаряжают, снимая стальную обойму и монтируя основной заряд, затем диски зарядов ВВ и металла, включая пробойник, на ступенях ступенчатого ствола и дополнительные заряды ВВ с помощью соответствующих насадок и жестко скрепляют элементы составного ствола стальной обоймой.