CC BY
91
УДК 623.541
ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ВЗРЫВНОГО ТИПА НА ОСНОВЕ ГИПЕРКУМУЛЯТИВНОГО ЗАРЯДА
Олег Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Владилен Федорович Минин
Доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, e-mail: [email protected]
Игорь Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Рассмотрено устройство выключателя электрического тока взрывного типа на основе гиперкумулятивного заряда, формирующего диэлектрическую кумулятивную струю с повышенной скоростью и разрушающей способностью.
Ключевые слова: диэлектрическая кумулятивная струя, гиперкумулятивный заряд.
THE SWITCH OF EXPLOSIVE TYPE ON THE BASIS OF THE HYPERCUMULATIVE CHARGE
Oleg V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, head of a department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Vladilen F. Minin
Dr. Sci. Tech., professor, the winner of the State premium of the USSR, e-mail: [email protected]
Igor V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., doctor of technical sciences, professor of the department of metrology and optical technology, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
The device of switch electrical current on the basis of the explosive hypercumulative charge, forming dielectric cumulative jet at high speed and destructive power are considered.
Key words: a dielectric cumulative jet, a hypercumulative charge.
В промышленности необходимы устройства для экстренного отключения высоковольтных и сильноточных цепей. Известно взрывное устройство выключателя электрического тока [1], содержащее диэлектрическую подложку ци-
линдрической формы с кольцевой выемки поверхности, аналогичной поверхности однополосного гиперполоида вращения, наложенной на ее поверхность металлической фольги, подключенной к источнику импульсного тока, а поверхность фольги облицована покрытием из электроизоляционного газообразующего синтетического полимерного материала, например, полиэтилена, капролактама.
Действие выключателя взрывного типа основано на явлениях высокоэнергетического воздействия в виде электрического взрыва проводника при протекании по нему высоковольтного тока большей силы и кумулятивного эффекта с образованием газовой кумулятивной струи из материала облицовки.
Достоинством данного устройства является использование в качестве энергетического материала металлическую фольгу, безопасность его использования. Недостатком устройства является недостаточная разрушающая способность потока газообразных продуктов, обусловленная ее малой плотностью и малое быстродействие устройства, вызванное медленным процессом сгорания облицовки.
Известен выключатель взрывного типа [2] содержащий полую токоведу-щую шину, детонатор, дисковый заряд взрывчатого вещества с кольцевой кумулятивной выемкой по периферии заряда облицованной диэлектриком и расположенного внутри токоведущей шины. При инициировании заряда взрывчатого вещества из диэлектрической облицовки формируется пест и диэлектрическая кумулятивная струя имеющая форму дисков и со скоростью струи порядка 10 км/с, которая пробивает токоведущую шину. Однако этот выключатель взрывного типа имеют недостаточные быстродействие и разрушающую способность.
В данной работе решается техническая задача по созданию устройства, формирующего диэлектрическую кумулятивную струю с повышенной скоростью и разрушающей способностью, при этом осуществляется повышение быстродействия выключателя взрывного типа [3].
Технический результат достигается путем использования выключателя взрывного типа, содержащего полую токоведущую шину, детонатор, дисковый заряд взрывчатого вещества с кольцевой кумулятивной выемкой по периферии заряда облицованной диэлектриком и расположенного внутри токоведущей шины. В устройстве [3], в отличие от известных устройств, предложено выполнять кумулятивную выемку со сферически-цилиндрической формой в сечении и с облицовкой выполненной в виде трубчатой части из диэлектрика и составного дна, выполненного из пластины с диаметром не менее максимального диаметра трубчатой облицовки и присоединенной к ней выпуклой пластины в сторону противоположной токоведущей шины, с диаметром равным диаметру плоского дна и с максимальным прогибом по оси не более 0.2 диаметра трубчатой облицовки, при этом плотность материала плоской части дна превышает плотность материала выпуклой части дна. Кроме того, кумулятивная выемка может иметь форму усеченного конуса.
Из технической литературы хорошо известно, что глубина пробития преграды кумулятивной струей пропорционально длине кумулятивной струи
и корню квадратному из плотности материала струи [4], а диаметр кратера пропорционален энергии кумулятивной струи, т.е. квадрату ее скорости и плотности материала струи [4].
Кроме того, для каждого материала кумулятивной облицовки существует максимальная газодинамическая скорость формируемой кумулятивной струи, превышение которой ведет к разлету материала струи по ее радиусу, или к «внутреннему взрыву». Максимальная скорость конденсированной КС, которая может быть достигнута, составляет согласно [4]:
Ус<2.41с0, (1)
где с0 скорость звука в материале кумулятивной облицовке.
Создание необходимой повышенной скорости кумулятивной струи за счет энергии составного дна до столкновения элементов облицовки на оси симметрии заряда, и во время формирования струи, позволяет снять это ограничение. Это позволяет образовывать сверхскоростную без пестовую кумулятивную струю без её разрушения.
На рис. 1 показана конструкция выключателя взрывного типа в разрезе. Выключатель взрывного типа содержит токоведущую шину 1, детонатор 2, дисковый заря взрывчатого вещества 3 с кумулятивной выемкой 4, диэлектрическую кумулятивную облицовку 5 с составным донышком 6-7, выполненного из пластины 6 с диаметром не менее максимального диаметра трубчатой облицовки 5 и присоединенной к ней выпуклой пластины 7 в сторону противоположной токоведущей шины 1. Диаметр выпуклой пластины 7 равен диаметру плоского дна и с максимальным прогибом по оси не более 0.2 диаметра трубчатой облицовки, при этом плотность материала плоской части дна 6 превышает плотность материала выпуклой части дна 7. Кроме того, кумулятивная выемка может иметь форму усеченного конуса. При выполнении вышеприведенных соотношений обеспечивается эффективное функционирование устройства.
При срабатывании детонатора 2 детонационная волна распространяется по взрывчатому веществу 3, при этом выпуклая часть донышка 7 ускоряется продуктами детонации взрывчатого вещества в падающей волне и материал донышка 7 падает на плоскую часть донышка 6. Материал трубчатой диэлектрической трубчатая облицовки 5 ускоряется продуктами детонации взрывчатого вещества в скользящей волне. Это обеспечивает более скоростной режим движения дна.
Выполнение пластины донышка 6 с диаметром не менее максимального диаметра облицовки 5 предотвращает попадания продуктов детонации во внутрь облицовки и разрушения формируемой кумулятивной струи. Диаметр выпуклой пластины донышка 7 выполняется равным диаметру плоского донышка 6. Пластина донышка 7 выполняется с небольшим прогибом по высоте в центральной части и выпуклой в сторону противоположной токоведущей шины 1, в форме, например, сферического или конического сегмента. Прогиб пластины донышка 7 больший чем 0.2 диаметра трубчатой облицовки 5, приводит к струеобразованию из материала донышка 7 и разрушению плоской части до-
нышка 6. Плотность материала плоской части донышка 6 превышает плотность материала выпуклой части донышка 7, в этом случае выпуклая часть донышка 7 может ускориться до большей скорости и не разрушить плоскую часть донышка 6.
Рис. Устройство выключателя взрывного типа на основе гиперкумулятивных зарядов
При сжатии и метании продуктами детонации диэлектрической облицовки 5 ее материал взаимодействует с материалом составного донышка 6-7 и увеличивает угол схлопывания материала, что ведет к увеличению массы формируемой кумулятивной струи, одновременно с приобретением дополнительной осевой скорости метания. Имея большую плотность материала составного дна 6-7 по сравнению с плотностью продуктов детонации процесс передачи энергии материалу облицовки 5 происходит более длительное время.
В качестве материала облицовки 5 могут применяться различные диэлектрические материалы, например, полиэтилен, парафин, органическое стекло,
фторопласт и т.д. В качестве материалов составного дна могут использоваться различные инертные материалы, например, металлы и сплавы металлов, например, железо, медь, алюминий, магний, висмут, титан или пористые композитные материалы, например, пористого железа или их смеси, например, песка и нитроклетчатки, песка и парафина.
Подобрав параметры кумулятивной выемки 4 (диаметр), диэлектрической облицовки 5 (материал, толщину стенок), составного донышка 6-7 (радиус полусферической части, толщину, материал донышка 7 и толщину и материал донышка 6), можно получить высокоскоростную без пестовую диэлектрическую кумулятивную струю с плотностью материала струи порядка плотности материала облицовки и с максимальной скоростью превышающей газодинамический предел для этого материала. Например, максимальная скорость струи из органического стекла может превышать 20-25 км/с и минимальной скоростью порядка 10 км/с [5-8].
Таким образом, решается задача создания устройства, формирующего диэлектрическую кумулятивную струю с повышенной по сравнению с известными техническими решениями скоростью и разрушающей способностями.
Работа частично поддержана грантом РФФИ 15-03-00691.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент РФ № 2479062.
2. А С. СССР № 418141.
3. Патент РФ 148766, «Выключатель взрывного типа».
4. Минин И. В., Минин О. В. Максимальная скорость сплошной кумулятивной струи // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 3 (23). - С. 128-137.
5. Минин В.Ф., Минин И.В., Минин О.В. Физика гиперкумуляции и комбинированных кумулятивных зарядов. Новосибирск: ООО «Новополиграфцентр», 2013 - 272 с.
6. Патент 2412338 Российская Федерация, МПК Е43/117, F42B1/02. Способ и устройство (варианты) формирования высокоскоростных кумулятивных струй для перфорации скважин с глубокими незапестованными каналами и с большим диаметром / Минин В.Ф., Минин И.В., Минин О.В.; заявл. 07.12.2009; опубл. 20.02.2011, Бюл. №5. - 46 с.
7. Computational fluid dynamics. Technologies and applications / Ed. By Igor V. Minin and Oleg V. Minin. Croatia: INTECH- 2011. - 396 p. V. F. Minin, I.V. Minin, O.V. Minin Calculation experiment technology, pp. 3- 28.
8. Минин И.В., Минин О.В. Кумулятивные заряды / Новосибирск, СГГА, 2013, 199 с.
© О. В. Минин, В. Ф. Минин, И. В. Минин, 2015
