CC BY
31
УДК 533.6.011.72:53.08
С.Ю. Кулев (инженер-программист ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай»)
В.Н. Шалюта (начальник лаборатории ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай»)
Е.А. Петров (доктор технических наук, начальник отдела ФГУП «Федеральный научнопроизводственный центр «Алтай», профессор Бийского технологического института)
Методические аспекты оценки эффективности действия зарядов взрывчатых веществ
Предложен метод повышения точности измерений параметров воздушных ударных волн при оценке эффективности штатных и новых взрывчатых веществ.
Ключевые слова: ЗАРЯД, ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО, УДАРНАЯ ВОЛНА, МЕТОДЫ, ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
Разработка рецептур новых взрывчатых веществ (ВВ) и отработка передовых образцов зарядов требуют проведения испытаний по оценке эффективности их действия.
В настоящее время для экспериментальной оценки эффективности (работоспособности) ВВ на практике используются следующие методы [1]: проба Трауцля, баллистического маятника или баллистической мортиры, по объему воронки выброса грунта. Все эти методы являются количественными, и точность их невелика.
Так, результаты испытаний при использовании свинцовой бомбы по Трауцлю зависят от качества свинца и забивки. Работоспособность ВВ определяют по изменению объема канала бомбы после взрывания. Данная зависимость имеет нелинейный характер.
Метод баллистического маятника или мортиры также имеет большую погрешность измерения в силу нелинейности, которую вносят трения механических соединений и сила тяжести, действующая на маятник.
Метод по объему воронки выброса грунта, в отличие от предыдущих методов, пригоден для испытаний образцов, критический диаметр которых превышает 20 мм. На погрешность метода влияет точность измерения объема образовавшейся воронки, плотность и структура грунта, глубина установки образца ВВ.
Наиболее информативным, наряду с рассмотренными выше, является метод по оценке работоспособности ВВ измерением параметров воздушных ударных волн (ВУВ). Широкое применение этот метод получил с развитием электронной техники, в связи с чем стало возможным повысить точность измерений. Все работы по созданию измерительных комплексов сводились в ос-
новном к попытке обеспечить регистрацию пикового давления на фронте ударной волны [2, 3] пьезоэлектрическими датчиками. Данный подход не обеспечивает требуемой точности измерений и объясняется искажением профиля ударной волны, который может быть описан уравнением вида
1+ - длительность фазы сжатия.
Причина искажения профиля ударной волны - в широкополосности процесса по частоте. Если нижняя частота по диапазону составляет единицы-десятки герц, то верхняя определяется
частот исследуемого процесса к настоящему времени не существует. То есть давление на фронте ударной волны, регистрируемое аппаратурой, необходимо восстанавливать математическим путем по результатам измерения текущего значения давления в ВУВ [5]. Для этого необходимо определять импульс фазы сжатия 3+.
Пьезоэлектрические датчики, на которые ранее в основном ориентировались разработчики из-за их более высокочастотных характеристик, не удовлетворяют данным требованиям. Во-первых, они не могут отследить текущий профиль ударной волны, а именно волны разгрузки. Следовательно, они не могут дать достоверную информацию об импульсе фазы сжатия. Во-вторых, пьезоэлектрические датчики требуют динамической градуировки их чувствительности. Ни один из методов динамической градуировки, а это ударная труба или подрыв «эталонного» тротилового заряда, как в [6], не может характеризовать, с метрологической точки зрения, их чувствительность и тем более погрешность в измерениях реально воздействующего на него профиля ударной волны. В лучшем случае это оценка переходной характеристики преобразователя.
Для решения проблемы предлагается использовать тензодатчики мембранного типа. Эти датчики, хотя и имеют собственную частоту всего лишь в десятки килогерц, позволяют регистрировать полный импульс ВУВ, что удовлетворяет поставленным условиям. И самое главное, что тензодатчики градуируются по давлению статически на образцовом оборудовании с точностью до сотых долей процента, а многоуровневая калибровка тензодатчиков при реальной температуре их эксплуатации снижает погрешность в измерениях по нелинейности, гистерезису и температуре до минимума.
На рисунке 1 изображены кривые импульсов, полученные различными методами. Кривая 1 получена восстановлением значения давления по уравнению (1). Эта кривая представляет собой истинную форму кривой давления ударной волны во времени. Под номерами 2 и 3 изображены кривые давления, зарегистрированного с помощью тензометрического и пьезометрического датчиков соответственно.
[4]:
(1)
где Ар (1) - текущее давление ВУВ; АРт - давление на фронте волны;
толщиной переднего фронта ударной волны, равной длине свободного пробега молекул газа 10-4 -10-5 см, и составляет десятки гигагерц. Средств прямых измерений по верхнему уровню диапазона
■к____
МКС
Рисунок 1 - Схематические виды кривой импульса давления
Максимальное давление, зафиксированное кривой пьезодатчика, ближе к истинному по сравнению с кривой, полученной с использованием тензодатчика, но данные смещены по времени из-за емкостных свойств датчика, а также отсутствия перехода в фазу разгрузки, необходимого для расчета параметров импульса. Эти факторы исключают возможность их применения в восстановлении пикового давления на фронте ударной волны. Тензодатчик, несмотря на менее точное воспроизведение пикового давления, лишен вышеперечисленных недостатков пьезодатчика. Он обеспечивает прямое измерение импульса ВУВ с инструментальной погрешностью, что позволяет провести математическое восстановление пикового давления на фронте ударной волны.
В математическом описании профиля ВУВ давление на фронте - это разрыв первого рода. Если имеем достаточно достоверное прямое измерение импульса положительной фазы сжатия и обеспечиваем при испытании зарядов ВВ условия, удовлетворяющие описанию профиля ВУВ (1), то проблема в определении пикового давления на фронте ударной волны математически является разрешимой практически с достаточной погрешностью определения импульса. Уравнение (1) представляет собой профиль воздушной ударной волны в идеальном газе, что не может быть получено на практике. Для того чтобы свести к минимуму ошибки моделирования, необходимо исключить влияние продуктов детонации на датчик. Достигается это установкой датчиков вне зоны ионизации и диссоциации молекул газа и сильного воздействия продуктов взрыва заряда на средство измерения [4], то есть при ЛРш < 106 Па. При этом границы установки датчиков должны удов-
т1/3
летворять условию А > —> В , где А и В - числовые коэффициенты, определяющие границы
размещения 1-точек регистрации с расстояниями Я; от образца взрывчатого вещества. Данные коэффициенты рассчитываются по ожидаемым значениям пикового давления в точках регистрации [4].
Из изложенного выше следует, что в качестве первичного преобразователя - датчика ВУВ необходимо использовать тензометрический датчик, способный зафиксировать профиль действующей на него ударной волны, т.е. текущее значение давления ВУВ в реальном времени. Данный тип датчиков способен четко регистрировать момент перехода ударной волны из положительной
фазы в отрицательную. Этим определяется точность измерения интегрального значения энергетического воздействия исследуемого заряда, т.е. импульса ВУВ.
Что касается вторичного измерительного оборудования аналогового преобразования регистрируемого сигнала, сбора и цифровой обработки информации, то современная техника вполне соответствует необходимым для данных измерений требованиям. На рисунке 2 представлена схема регистрирующей аппаратуры комплекса.
Датчик ВУВ
Тензодатчик
Предусилитель
Расстояние до 1 км
Нормирующий
усилитель
Расстояние до 5 м
Персональный
компьютер
Аналого-цифровой
преобразователь
Программное обеспечение для расчета параметров воздушной ударной волны
Рисунок 2 - Схема регистрирующей аппаратуры
Предусилитель обеспечивает предварительное усиление сигнала с тензодатчика и согласованный режим работы датчика на длинную линию связи с постом регистрации, что позволяет снизить соотношение «сигнал - шум» и тем самым повысить точность измерений. Нормирующий усилитель устанавливается на посту регистрации и обеспечивает:
- подавление синфазной составляющей помехи, наводимой на длинную линию связи;
- нормированное усиление сигнала регистрации с датчика в диапазоне работы аналогоцифрового преобразователя (АЦП).
АЦП переводит аналоговый сигнал в цифровой для обработки его компьютером. Вся регистрация и обработка сигнала проводится в автоматическом режиме по параметрам, заданным на этапе подготовки к опыту.
В настоящее время на предприятии ФГУП «ФНПЦ «Алтай» создан опытный образец тен-зометрического датчика, который способен почти полностью исключить влияние на сигнал, передаваемый на расстояние до 1 км.
Отработка в полевых условиях и внедрение его в экспериментальную практику позволит существенно повысить точность измерения параметров ВУВ при оценке эффективности штатных и новых ВВ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Взрывчатые вещества: учеб. пособие / под общей ред. Р.И. Илькаева. - Т. 2. Взрывчатые вещества. Основные свойства. Технология изготовления и переработки / под ред. Л.В. Фомичевой.
- Саратов: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2007. - 452 с.
2 Шалюта, В.Н. Измерение давления на фронте воздушной ударной волны / В.Н. Шалюта, П.А. Тютюнников // Боеприпасы. - 1986. - № 8. - 248 с.
3 Рогозин, Ю.Н. К вопросу измерения параметров ВУВ / Ю.Н. Рогозин // Вестник специального машиностроения. - 1977. - Сер I. - Вып. 2. - 218 с.
4 Станюкович, К.П. Физика взрыва /К.П. Станюкович. -М.: Наука, 1975. - 704 с.
5 Румшинский, Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента /Л.З. Румшин-ский. - М.: Наука, 1971. - 192 с.
6 Брагин, А.А. Основные проблемы метрологического обеспечения динамических измерений в ИИС // А.А. Брагин, А.Л. Семенюк / Сб. науч. тр. - Львов: ВНИИМИУС, 1981. - 187 с.
METHODICAL ASPECTS OF EXPLOSIVES CHARGES ACTION EFFICIENCY EVALUATION
S.Yu. Kulev, V.N. Shaliuta, Ye.A. Petrov
Method of air shock waves parameters measurement accuracy increase while evaluating conventional and new explosives efficiency is suggested.
Key words: EXPOLSIVE, SHOCK WAVE, METHODS, EFFICIENCY, STRAIN GAUGE
Кулев Сергей Юрьевич E-mail: [email protected]. Шалюта Владимир Николаевич Тел. (3854) 30-14-20 Петров Евгений Анатольевич Tел. (3854) 30-59-22
