Диссертация (Расчетно-экспериментальные методы исследования прочности трансформируемых модулей орбитальных станций при воздействии осколочно-метеороидной среды), страница 5

Такая установка позволяет ускоритьчастицу массой (0,1–5,0) г до скоростей (0,1–2,0) км/с [41]. Для достиженияскоростей (2,0–4,0) км/с используется двухступенчатая пороховая установка,где в качестве первой ступени используется одноступенчатая ПБУ, а вкачестве второй – отсекатель поддонов, который дополнительно ускоряетчастицу-ударник [41]. В среднескоростном диапазоне (3,0–7,0) км/с – 2СГУ –двухступенчатые легкогазовые установки (ЛГУ), позволяющие ускорятьударники заданной формы массой (0,1–10,0) г до скоростей (3,0–7,5) км/с[55–60].

Достоинством этих установок является стабильность рабочихрежимов; к недостаткам необходимо отнести высокую трудоемкостьэкспериментов и их высокую стоимость.Электростатические устройства (ЭСУ) [61–64] способны разгонятьмикрочастицы с массами (10–10–10–16) г до скорости 18 км/с. Температура в343точке удара частицы достигает (10 –105)К при давлении несколько десятковГПа.В электромагнитных установках (ЭМУ) (рельсотронные установки [65–67]) ударник ускоряется силой Лоренца, которая действует в магнитном полена метаемый элемент (металлический или сгусток плазмы электрическогоразряда), который замыкает ток в проводящих рельсах (рисунок 1.16).Рисунок 1.16 - Схема рельсотронного ускорителя твердых тел:1 – источник энергии; 2 – фольга; 3 – ударник; 4 – электроды; 5 – изоляторыУскорение ударника происходит за счет ускорения плазмы, котораяобразуется за счет взрыва металлической фольги при протекании тока вцепи.Теоретическииспользованиеэлектромагнитныхускорителейпозволяет получить скорости, значительно превышающие достигнутыедругими методами.

На практике же проведенные эксперименты указываютна существенное (возможно определяющее) влияние эрозии электродов наразрушение ударника.При использовании лазерного метода ускорения макротел за счетимпульсного испарения материала метаемой частицы [68] для частицыразмеров 20 мкм получены скорости до 20 км/с [69]. В работе [70]предлагается схема ускорителя макрочастиц на основе электростатическойабляции для контейнера массой (10–2–1) г до скорости (100–1000) км/с прилинейныхразмерахэкспериментальнойустановки(100–1000)м.По-видимому, электрофизические методы в обозримом будущем не смогутзанять сколь-нибудь существенную нишу в испытательной практикеракетной техники.Электротермический способ ускорения (ЭТУ) подобен принципуработы легкогазовой пушки (ЛГУ) и отличается от нее исходнымсостояниемрабочеготела.ВЭТУэтоконденсированное35водородосодержащее вещество, превращающееся в газ под действиемплазмы, которая образуется при разряде емкостного накопителя (U~ 20 кВ,I~600кА)наисточникплазмы(например,углероднуюнить).Экспериментально достигнуты скорости до (3,0-4,0) км/с.

Теоритическиеоценки указывают на возможность достижения скоростей метания частицыдо 8,0 км/с [71].В работе [72] рассмотрен метод разгона метаемого теля в стволе пушкиспомощьюреактивноготвердотопливногоракетногодвигателя.Теоритически данный метод позволяет достигнуть любой скорости метания,так как разгон тела происходит с почти постоянным ускорением. Но данныйметод имеет свои существенные недостатки: большая длина ствола пушки,топливо должно обладать высокой скоростью горения, а также опасностьдетонации топлива в стволе установки.В высокоскоростном диапазоне ( V  7 км/с) в настоящее времяприменяются, в основном взрывные метательные устройства кумулятивноготипа. Метаемая частица в таких устройствах представляет собой отсеченнуюголовную часть кумулятивной струи, которая по условиям испытанийдолжна иметь компактную форму, то есть соотношение габаритных размеровне более 2,0–2,5.

В отличие от ЛБУ, где ускоряемый ударник имеет заданнуюформу, в ВМУ ударник формируется в процессе ускорения и основнойзадачей является создание таких условий его формирования, при которомчастица удовлетворяет требованиям компактности. Скорость метаемойчастицыприэтомнеможетбытьбольшеудвоеннойскоростираспространения детонации во взрывчатом веществе [4, 73]. Рассмотримизвестные схемы взрывных метательных устройств кумулятивного типа.Газокумулятивные устройства (ГКУ) позволяют разгонять частицымассой порядка 0,01 г до скоростей 12 км/с. Для метания элемента массойпорядка одного грамма до скорости (6,0–8,0) км/с требуемая масса заряда ВВможет достигать 100 кг [74, 75].Принципиальная схема газокумулятивных устройств приведена нарисунке 1.17.36Рисунок 1.17 – Схема газокумулятивного устройства:1 – детонатор; 2 – трубчатый заряд ВВ; 3 – частицаСхема газовой кумуляции с использованием дополнительного зарядаВВ представлена на рисунке 1.18 [35].

Данная схема позволяет разогнатьстальной элемент диаметром 24 мм и массой 20 г до скорости 4,9 км/с примассе основного заряда ВВ 1,65 кг.Рисунок 1.18 – Схема метательного устройства, использующего газовую кумуляцию:1 – детонатор; 2 – заряд ВВ с кумулятивной полостью; 3 – дополнительный заряд ВВ;4 – детонатор; 5 – детонирующий шнур; 6 – детонирующее устройство; 7 – метаемыйэлемент; 8 – трубаИспользованиекомбинацииЛБУ+ГКУпозволяетрасширитьвозможности газовой кумуляции (рисунок 1.19) [76].

Сферический метаемыйэлемент разгоняется с использованием ЛБУ, затем попадает в ГКУ, гдедополнительно подгоняется струей газа. Для разгона шарика из стали массой2,1 г до скорости 8,5 км/с потребовалась масса ВВ 6,9 кг. По расчету можно37получить скорость метания элемента (7,0–11,0) км/с массой (20,0–1,0) г приувеличении заряда ВВ до 32 кг.Рисунок 1.19 – Метательное устройство комбинированного типаСхемадвухкаскадноговзрывногометательногоустройствапредставлена на рисунке 1.20 [76]. В первом каскаде ударник достигаетскорости до 4,5 км/с. При его ударе по заряду ВВ второго каскада в немвозбуждается пересжатая детонационная волна, которая одновременноразгоняет оболочку и формирует компактный элемент. Для железногоэлемента с массой (0,8–3,0) г получены скорости (6,8–8,0) км/с.Рисунок 1.20 – Схема двухкаскадного взрывного метательного устройства:1 – заряд ВВ первого каскада; 2 – металлический ударник; 3 – заряд ВВ второго каскада;4 – сегментальная сферическая оболочка; 5 – вакуумная камераНа рисунке 1.21 представлена схема компрессора Войтенко [77–79].Метание тела происходит за счет сжатия газа при помощи взрывчатоговещества.

В экспериментах метаемое тело разрушалось под действиемосколков, образующихся в результате разрушения стенок камеры; при этомскорости осколков достигали (8–14) км/с.Рисунок 1.21 – компрессор Войтенко:1 – камера со смесью O2+Н2; 2 – метаемая частица; 3 – ствол; 4 – диафрагма; 5 – заряд ВВ38Принцип разгона, аналогичный компрессору Войтенко используется впушке Флэгга и Гласса (рисунок 1.22). Детонирующая смесь газа О2+Н2инициируется в центре полусферы. По газовой смеси распространяетсяполусферический фронт детонационной волны, который затем одновременнопо всей полусфере инициирует слой ВВ. В процессе детонации заряд ВВсимметрично сжимает газовую смесь.

При достижении определенногодавления в газовой смеси происходит прорыв мембраны и начинается разгонметаемой частицы. В эксперименте для снаряда весом 0,35 мг достигнутаскорость 5,3·км/с [73, 80,81].Рисунок 1.22 – Пушка Флегга и Гласса:1 – камера со смесью O2+Н2, 2 – метаемая частица, 3 – ствол, 4 диафрагма,5 – заряд ВВНа рисунке 1.23 показана схема метательного устройства, основаннаяна использовании кумулятивного заряда (КЗ) [82]. Из кумулятивнойоблицовки образуется кумулятивная струя, от которой с помощьюдополнительного устройства отсекается элемент. Данная схема позволяетполучить удлиненные метательные элементы.Рисунок 1.23 – Схема высокоскоростного метания с использованием КЗ:1 – детонационное устройство, 2 – заряд ВВ, 3 – кумулятивная облицовка, 4 – вкладыш,5 – металлическая пластина, 6 – дополнительный заряд ВВ,7 – детонирующий шнур39Комбинация баллистической установки (БУ) и кумулятивного зарядапредставлена на рисунке 1.24 [76]. В отличие от комбинации ЛБУ+ГКУ, всхеме БУ+КЗ, заряд в поддоне выстреливается из БУ, например,крупнокалиберной легкогазовой установки, инициируется при пролете черезотверстиевотсекателеспомощьюустройстваинициирования,расположенного в поддоне, и затем, в результате действия КЗ, формируетсяметательный элемент.

Экспериментально получен стальной элемент массой8,0 г с суммарной скоростью 5,8 км/с при массе заряда ВВ – 0,9 кг. Порасчетам, схема БУ+КЗ позволяет метать массу (3,5–20,0) г со скоростью(9,0–6,0) км/с.Рисунок 1.24 – Схема двухступенчатой метательной установки:1 – заряд ВВ; 2 – корпус заряда; 3 – поддон; 4 – устройство инициированияСхема метательного устройства с использованием цилиндрическойкумуляции представлена на рис 1.25 [83]. В экспериментах при массе зарядаВВ около 1,4 кг масса алюминиевого элемента составляла около 1 г, асредняя скорость порядка 11 км/с.