ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА МАХОВСКОМ ОТРАЖЕНИИ УДАРНЫХ ВОЛН. Д.Николаев, В.Терновой, В.Ким, А. Шутов, А.Жарков Институт Проблем. - презентация

1 ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА МАХОВСКОМ ОТРАЖЕНИИ УДАРНЫХ ВОЛН. Д.Николаев, В.Терновой, В.Ким, А. Шутов, А.Жарков Институт Проблем Химической Физики РАН, Черноголовка Существуют два принципиально отличающихся механизма нерегулярного отражения УВ, реализующихся в виде конфигураций одиночного и двойного маховских отражений. Для применения во взрывных устройствах важно, что за фронтом маховской УВ в конфигурациях одиночного маховского отражения профиль давления острый, с быстрым падением давления как вдоль фронта, так и вверх по течению. В конденсированных средах для реально доступных в эксперименте интенсивностей сталкивающихся волн, отражения происходят только в таком режиме, и поэтому измерения, необходимые для изучения свойств веществ в условиях экстремально высоких динамических давлений, должны производиться на очень малых базах (~100 мкм) в районе основания ножки Маха на площадке в несколько миллиметров. Для конфигураций двойного маховского отражения во всей области за маховской и первой отраженной волнами давление и плотность почти постоянны. [1]. Механизм образования двойной маховской конфигурации по [1]: i,r,m – фронты падающей, отраженной и маховской УВ, s – контактные разрывы, X-X – плоскость симметрии, R – точка контакта падающей УВ с отражающей поверхностью, Т – «тройная» точка, М 1 – поток за падающей УВ. На рис. б ниже плоскости симметрии показана конфигурация одиночного маховского отражения, типичная для отражений УВ в конденсированных средах, выше плоскости X-X показано, как ее можно преобразовать в конфигурацию двойного маховского отражения, организовав отражение через слой вещества меньшей плотности, чем перед падающей УВ. [1]. Жарков А.П., Шутов А.В., Крюков Б.П. Использование эффекта двойного маховского отражения для генерации мощных ударных волн в металлах. // Физика экстремальных состояний вещества-2004 / под ред. Фортова В.Е. И др. Черноголовка, ИПХФ РАН, 2004 меньшая сжимаемость большая сжимаемость

2 Конструкция перспективного взрывного генератора высоких динамических давлений: 1,5 – внешняя металлическая оболочка и оболочка основного заряда ВВ, 2 – точка инициирования детонации, 3 – слой ВВ, разводящий детонацию, 4,7 – метаемые лайнеры, 6 – основной заряд ВВ, 8 – образец, 9 – оболочка образца, 10 – место установки мишени. [3] Постановка задачи на расчет параметров ударного нагружения (по методу Годунова, без прокладки из ПММА) и метания (расчет методом индивидуальных частиц) Fe образца в коническом генераторе двойного маховского отражения УВ.. Параметры вещества за фронтом маховской УВ: давление ~ 1.65 ТПа, плотность ~18.7 г/см3, массовая скорость ~ 10.9 км/с [1] Экспериментальное устройство из работы [2], реализующее одиночное Маховское отражение. Полностью коническая геометрия. Медный лайнер метается продуктами детонации, и соударяется с коническим центральным телом из меди. Достигнутые параметры в меди: D = 12.1 км/с, P = 600 ГПа. Переход к цилиндрической геометрии центрального тела, введение жесткой оболочки и мягкой сердцевины для реализации режима двойного Маховского отражения: [3] Генераторы высоких импульсных давлений на основе маховского отражения ударных волн. Осесимметричное схождение ударных волн. Жарков А.П.*, Крюков Б.П. // Физика экстремальных состояний вещества-2004 / под ред. Фортова В.Е. И др. Черноголовка, ИПХФ РАН, 2004 [2]. Experimental investigation of the thermodynamics of dense plasmas formed from metals at high energy concentrations. B.L.Glushak, A.P.Zharkov, et.al. Zh.Eksp.Teor.Fiz.96, (1989)

3 Детонационная разводка. Два подхода 1. Метание тонкой пластины скользящей детонацией 2. Эквидистантные каналы в пластине, заполненные пластическим ВВ Инициирование плоской волны Инициирование наклонной волны Протестированные генераторы

4 Сборка генераторов Прессование конического заряда. Для получения свода 6 см заряд выполнялся составным из двух частей. Общая масса 3.6 кг Готовый заряд с детонационной разводкой из 18-ти модулей эластит - сталь Изготовление модулей из 6-мм МДФ на фрезерном станке с ЧПУ Сборка заряда. Три таблетки с отверстием по центру. Общая масса – 3.8 кг. Каналы модулей разводки 2х2 мм заполнены пластитом. Готовый заряд с детонационной разводкой из 18-ти плоских модулей + + Стальной лайнер

5 D1D1 D2D2 (cos – sin ) / D 1 = sin / D 2, где D 1 - скорость детонационной волны в пластиковом ВВ в каналах модуля, D 2 – скорость детонационной волны в основном заряде ВВ. Расчет и тестирование модуля детонационной разводки Кадр СФР, временная развертка Тестирование модуля: щель СФР наводилась на плоскость выхода детонационной волны из модуля; измерялась разновременность выхода детонации из каналов модуля dt/dx Экспериментально определенная dt/dx = 0,473 мкс/см при угле a = 30.2 соответствует скорости детонации пластита 7.63 км/с (по паспорту – 7.6 км/с). Поправка – 30 м/с; в дальнейшем использовалась для пересчета геометрии мдулей.

6 Конструкция центрального тела Сердечник – ПММА, 20 или 17 мм Оболочка – алюминий 1.5 мм, сталь 4 мм. Сердечник – алюминий, 20 мм Оболочки нет. На переднем торце – два диска из фторида лития и стеклянное окно. Центральные тела со стальной оболочкой ПММА с алюминиевой оболочкой Алюминий без оболочки

7 Диагностика: метод вспыхивающих промежутков В центральном теле из ПММА выполнены 50 мкм зазоры, заполненные воздухом. Регистрация – СФР, фоторегистратор с вращающимся зеркалом. Расстояние между промежутками – около 10 мм, скорость УВ D 16 км/с, 0.6 мкс между вспышками 1.8 мм на пленке. Временного разрешения СФР достаточно. Направление развертки 20 мм Результат - таблица «координата зазора – время вспышки» для трех сечений. 1, 3 – скорость точки контакта лайнера и центрального тела 2 – скорость вершины конической УВ. После появления Маховского диска – скорость плоской УВ. Можно построить x-t диаграмму и рассчитать скорости СФР

8 Результаты Конический заряд, ЦТ – ПММА+сталь X-t диаграмма. Линейная интерполяция дает среднюю скорость Маховского диска 12.5 км/с; максимальную – 15 км/с Динамика роста Маховского диска. Зависимость скорости, диаметра и свечения фронта ударной волны в ПММА от координаты. развертка по времени

9 Результаты Цилиндрический заряд, ЦТ – ПММА + алюминий. Угол детонации 30 о развертка по времени Линейная интерполяция по X-t диаграмме дает среднюю скорость Маховского диска км/с; максимальную – 16.6 км/с Сравнение скоростей УВ в двух экспериментах. Показаны координаты стыков таблеток ВВ и частей лайнера.

10 Результаты Цилиндрический заряд, ЦТ – алюминий без оболочки. Угол детонации 38 о развертка по времени Выполнено два эксперимента. Линейная интерполяция по X-t диаграмме дает среднюю скорость Маховского диска в таблетках из фторида лития и км/с, диаметр – 17 мм. (диаметр центрального тела – 20 мм). Для примера: эксперимент, в котором угол конической УВ в центральном теле (ПММА + алюминий) меньше критического. Цилиндрический генератор, угол модуля 30.2 о, угол детонации 22 о. Диск вырос только до 9.5 мм. Скорость D = 16.2 км/с.

11 Точка с D=16.38 км/с, P = 197 ГПа Двукратное сжатие ПММА разгрузка ПММА ударная адиабата стали Разгрузка стали Вторая реверберация в стали Точка с Р=438 ГПа, U = 4.7 км/с 9.4 км/с 14 км/с Точка с D=15 км/с, P = 297 ГПа Двукратное сжатие алюминия разгрузка алюминия ударная адиабата стали Разгрузка стали Вторая реверберация в стали Точка с Р = 479 ГПа, U = 4.95 км/с 9.9 км/с13.1 км/с Возможности метания пластин. Как пример, взято метание стальной пластины, толщина которой позволяет пропустить две реверберации ударных волн до момента падения параметров Маховской УВ ПММА: 14 км/с Алюминий: 13.1 км/с Данные по ударной адиабате ПММА из 1. Ya. B. Zel'dovich et al I. C. Skidmore and E. Morris A. A. Bakanova et al W. H. Isbell et al R. G. McQueen et al M. N. Pavlovskii M. van Thiel (Ed.) 1977 Значительно выше только точка с D = 25.2 км/с из работы: 10. R. F. Trunin, Shock compressibility of condensed matters in strong shock waves caused by underground nuclear explosions, Usp. Fiz. Nauk 164(11), (1994)

12 Гидродинамическое моделирование. Центральное тело: оболочка из алюминия 1.5 мм, сердцевина из ПММА 17 мм. Стальной лайнер, угол метания 16.5 о, скорость 4 км/с

13 Созданы две системы детонационной разводки с варьируемым углом детонации. Разводка с модулем «пластина с каналом» показала отличную стабильность результата. Отработано метание конического стального лайнера Испытаны генераторы Маховской волны в различных конфигурациях детонационной разводки, заряда и лайнера. Преимуществами схемы генератора с цилиндрическим зарядом является: - применение только цилиндрических деталей, отсутствие конического заряда и конического лайнера, сложных в изготовлении - масштабируемость по длине - возможность варьировать угол модулей детонационной разводки, и, таким образом, изменять угол метания лайнера - возможность экспериментировать с центральным телом с различными сочетаниями материалов оболочки и центра и с различной геометрией. Достигнутые параметры для цилиндрического генератора: Алюминиевый сердечник, угол детонации 38 о : D = 14.7 км/с, Р = 300 ГПа; Сердечник из ПММА, угол детонации 30 о : D = км/с, P = 197 ГПа, Фронт УВ плоский и заполняет собой весь цилиндр (диаметр - 20 и 17 мм соответственно). Это величины соответствуют параметрам стального ударника со скоростью 9.9 и 9.4 км/с Возможно достигнуть давления многократного сжатия в сборке сталь-сапфир 350 и 320 ГПа (оценка) Возможно метание стальных ударников расширяющимся сердечником до скоростей 13.1 и 14 км/с (оценка) Выводы

14 Спасибо за внимание!