способ имитации термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы конструкционных материалов

Формула изобретения

Способ имитации термомеханического действия рентгеновского излучения ядерного взрыва на образцы конструкционных материалов, включающий закрепление взрываемой фольги на испытываемый образец, разряд через электропроводящую фольгу импульса электрического тока, приводящий к взрыву фольги и нагружению образца механическим импульсом давления от взрывной ударной волны, отличающийся тем, что предварительно определяют толщину сублимированного в натурном процессе слоя вещества нагружаемого образца и удаляют его с поверхности любым из известных способов, а затем проводят неравномерный нагрев по толщине образца.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к технике создания кратковременных интенсивных импульсов давления и может быть использовано для испытаний образцов конструкционных материалов на прочность к действию ударных нагрузок ядерного взрыва (ЯВ), в частности рентгеновского излучения (РИ).

Известен способ воспроизведения механического импульса давления РИ, основанный на нанесении и подрыве тонкого слоя бризантного взрывчатого вещества (ВВ) по поверхности испытываемого образца (Физика взрыва. / Под ред. Орленко Л.П. Т.2. М. Физматлит. 2002. С.536-541). Недостатками способа являются: неодновременность приложения нагрузки, создаваемой скользящей детонацией тонкого слоя ВВ, трудность реализации по созданию импульса давления малой амплитуды, определяемой критической для детонации толщиной ВВ и невозможность создания импульса давления малой длительности, соответствующей воздействию РИ.

Наибольшую опасность для образцов конструкционных материалов представляет тепловое и механическое (термомеханическое) действие РИ ЯВ, которое вызывает нагрев преграды неравномерно по толщине и создает механический импульс давления (Грибанов В.М., Острик А.В., Слободчиков С.С. Тепловое и механическое действие рентгеновского излучения на материалы и преграды. // Монография. Физика ядерного взрыва. Т.2. Действие взрыва. М.: Наука. Физматлит.1997. С.131-195). При превышении энерговыделения в результате поглощения излучения энергии сублимации материала в преграде возникает ударная волна от реактивного импульса разлетающихся частичек конструкционного материала и откол с поверхности. Это приводит к уменьшению толщины несущего слоя и, как правило, к снижению прочности испытываемого образца из композитного материала (КМ) (Пространственно армированные композиционные материалы. Справочник / Тарнопольский Ю.М., Жигун И.Г., Поляков В.А. - М.: Машиностроение. 1987. 224 с.). В этой связи становятся актуальными вопросы как адекватного воспроизведения теплового состояния преграды перед импульсным нагружением, так и сам способ нагружения механическим импульсом.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ генерирования механического импульса электрическим взрывом проводника, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что заряжают экспериментальную установку, состоящую из конденсаторной батареи емкостью С ₀ с собственной индуктивностью L₀ и узла нагрузки, включающего взрываемый проводник (фольгу), и затем разряжают емкость С_о на узел нагрузки (Герасимов А.И., Золотев В.А., Кульгавчук В.В. Электровзрывной имитатор ударного нагружения при воздействии на вещество интенсивного импульсного излучения. // Вопросы атомной науки и техники. Серия физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Вып.3-4. 2005. С.97-101; Павловский А.И., Кашинцов В.И., Глушак Б.Л., Новиков С.А. Генерирование механического импульса электрическим взрывом проводника. // Физика горения и взрыва. 1983. Т.19. № 3. С.124-126). Недостатком данного способа применительно к действию рентгеновского излучения является то, что он не учитывает неравномерный нагрев по толщине преграды от воздействия РИ и возможное уменьшение ее толщины за счет испарения материала объекта испытания. В данном способе отсутствует связь между моделируемым импульсом давления, параметрами излучения (длиной волны и плотностью энергии излучения W) и свойствами материала (плотностью и энергией сублимации Q_s). Основной технической задачей изобретения является приближение состояния объекта при испытаниях на термомеханическое действие РИ к натурному, что позволит создавать низкоинтенсивные импульсные нагрузки малой длительности и воспроизводить волновые процессы в конструкционных материалах.

Технический результат предлагаемого способа достигается тем, что предварительно рассчитывают профиль энерговыделения в испытываемом образце при воздействии спектра РИ ЯВ, учитывая основные процессы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом (релеевское и комптоновское рассеяния, фотопоглощение и флуоресценцию). Затем определяют толщину сублимированного в натурном процессе слоя вещества нагружаемого объекта из решения уравнения гидродинамики с учетом перераспределения энергии между разлетающимися частичками вещества и затрат энергии на разрыв межмолекулярных связей композиционного материала преграды в результате поглощения излучения в приповерхностном слое, затем удаляют данный слой с поверхности любым из известных способов и воспроизводят профиль температуры за границей сублимации или откола. Неравномерный нагрев испытываемого образца проводят с помощью поверхностного нагрева плотно прилегающей пластиной с током, изменяющегося по заданному закону, максимально приближающего профиль температуры, рассчитанный с использованием экспериментально подобранного коэффициента теплоотдачи пластины к профилю, характерному натурному процессу, при этом температурное поле находится из решения уравнения переноса энергии твердой фазы с заданным распределением температуры поверхности в любой момент времени T_w(t)=J(t), в качестве которого берется температура нагрева пластины ft=Т(1), определяемая из решения уравнения теплового баланса проводника с током с учетом потери тепла теплоотдачей и переизлучением

где j - плотность тока в пластине;

, , c_р, , , - удельное электросопротивление, плотность, теплоемкость, толщина, коэффициенты теплоотдачи и черноты пластины, соответственно;

_в - постоянная Больцмана;

T _s - температура окружающей среды.

При достижении в образце заданного распределения температуры через электропроводящую фольгу пропускают импульс электрического тока, приводящий к взрыву фольги и нагружению объекта импульсом давления от взрывной ударной волны.

Схема реализации предлагаемого способа представлена на фиг.1, где показаны: 1 - электроразрядная установка емкостью С1, индуктивностью L1, сопротивлением R1 и коммутирующий разрядник К1; 2 - блок нагружения, включающий плоскую металлическую фольгу; 3 - нагреватель, включающий нагреваемую пластинку, источник питания Е, ключ К2, амперметр А, и реостат R2.

Способ осуществляется следующим образом.

Вначале устанавливают и закрепляют взрываемую фольгу в блоке нагружения 2, осуществляют заряд накопительной емкости С1 электроразрядной установки 1, затем замыкают ключ К2 нагревателя и пропускают по пластине ток с заданным законом изменения плотности, регулируя его величину реостатом R2, затем проводят разряд электроразрядной установки 1 на взрываемую фольгу.

Реализация разработанного способа проводилась с использованием установки ФГУ «12 ЦНИИ МО РФ» «Зенит-К» с характеристиками: емкость установки C=288 мкФ, индуктивность разрядного контура L=5 мкГн, сопротивление разрядного контура R=23 мОм и нагревателя «Контакт» с характеристиками: материал пластины - нихром, площадь нагрева 5×5 см, максимальный пропускаемый ток - 10 А. На фиг.2 показан закон изменения плотности тока пластины нагревателя по времени, а на фиг.3 - требуемый профиль температуры преграды, устанавливающийся при действии спектра РИ ЯВ (пунктирная линия) и его воспроизведение предлагаемым способом поверхностного нагрева (сплошная линия). На фиг.4 представлены результаты воздействия механического импульса на холодный (а) и нагретый (б) образцы КМ. По результатам расчетов и экспериментов установлено, что за счет изменения физико-механических свойств материала при повышенных температурах импульс давления, безопасный для холодного образца, вызывает его разрушение при температурах, характерных для воздействия РИ в натурных процессах.

Предлагаемый способ воспроизведения термомеханического действия РИ ЯВ позволяет оценить прочность образцов конструкционных материалов в условиях, максимально приближенных к требуемым, а именно:

- связать воспроизводимый импульс давления с параметрами излучения (длиной волны и плотностью энергии излучения W) и свойствами материала (плотностью и энергией сублимации Q_s);

- уменьшить толщину испытываемого образца за счет сублимации материала в натурном процессе;

- воспроизвести неравномерный нагрев, приближающий распределение температуры в испытываемом образце к требуемому.