Астронет | Картинка дня | Обзоры astro-ph | Новости | Статьи | Книги | Карта неба | Созвездия | Переменные Звезды | Глоссарий

Физика космоса | Биографии | Словарь | Ключевые слова | Астрономия в России | Форумы | Семинары | Сверхновые

О взрыве и о том, какая от него польза

С.А.Новиков(Филиал N 4 Московского инженерно-физического института, Саров (Арзамас-16) Нижегородской обл.)
Опубликовано в Соросовском образовательном журнале, N 7, 1996 г. Содержание

---

Взрывные технологии обработки материалов

Различают технологии, основанные на взрыве в контакте с материалом (контактные) и основанные на работе продуктов взрыва (взрыв на расстоянии).

Взрывная резка (контактная)

Один из основных методов взрывной резки материалов основан на использовании явления образования кумулятивных струй. Схема кумулятивного заряда с конической выемкой и металлической облицовкой приведен на рисунке 1а. Схема формирования металлической кумулятивной струи показана на рисунке 1б. При схождении металла к оси заряда возникают огромные (до нескольких десятков гигапаскалей) давления в узкой зоне (явление кумуляции), расплавленный металл в виде тонкой струи с большой скоростью "выплескивается" по оси заряда. При взаимодействии этой струи с преградой происходит ее пробитие на большую глубину (именно так кумулятивные снаряды поражают танковую броню). Схема пробития преграды струей показана на рисунке 1в. Глубина пробития оценивается по формуле где L - длина струи, определяемая длиной кумулятивной выемки, p_c - плотность материала струи, p_n - плотность преграды.

Рис. 1. Действие кумулятивного заряда. а - Схема кумулятивного заряда с конической выемкой и металлической облицовкой этой выемки; б - схема формирования кумулятивной струи; в - схема пробивания преграды кумулятивной струей.

Небольшие заряды такого типа широко используются для пробивания отверстий на большой глубине в трубах (перфорации) при добыче нефти и газа (такие заряды называются перфораторами). Если заряд сделать не осесимметричным, а удлиненным в одном направлении (такие заряды и получили название удлиненных кумулятивных зарядов УКЗ), то образующаяся в виде лезвия ножа кумулятивная струя позволяет разрезать листы металла толщиной до 100 мм. Обычно такие УКЗ изготавливают с применением пластичных ВВ, что позволяет располагать заряды на любой криволинейной поверхности, что является существенным при разрезке различных конструкций (корабли, самолеты, вагоны и т.п.). Тщательно отработанные УКЗ позволяют даже проводить разборку боеприпасов без взрыва находящегося в них заряда ВВ. Это является очень существенным фактором с точки зрения экологии и позволяет утилизировать как ВВ, так и дорогостоящие конструкционные материалы. Для разрезки массивных стальных конструкций толщиной много больше 100 мм в последние два года применялся способ, основанный на взаимодействии так называемых ударных волн разрежения (УВР) в железе и стали, нагруженных ударных волн с давлением, превышающим давление фазового перехода в железе. Немного об УВР. Профиль давления в обычной ударной волне показан на рисунке 2а : он состоит из скачкообразного увеличения давления на фронте ударной волны и плавного его уменьшения в волне разрежения.

Рис. 2. Профиль импульса давления с ударным фронтом (а) и профиль импульса давления, включающий ударную волну разрежения (б).

В ряде веществ, в частности в железе, при давлении ~ 130 ГПа происходит мгновенная перестройка кристаллической решетки железа из кубической в гексагональную, что приводит к значительному изменению плотности железа. При снятии давления в волне разрежения происходит, соответственно, обратный фазовый переход. Это приводит к тому, что профиль давления в ударной волне значительно изменяется (рис. 2б): образуется область скачкообразного уменьшения давления, то есть формируется ударная волна разрежения. Это явление экспериментально было обнаружено Я.Б. Зельдовичем, А.Г. Ивановым и автором и зарегистрировано в качестве открытия (Диплом ? 321). При взаимодействии (столкновении) УВР в очень узкой зоне шириной несколько ангстрем возникают растягивающие напряжения, значительно превышающие прочность железа и стали. Происходит разрушение стальной конструкции на две части с очень ровными поверхностями разрушения. Такой способ практически не имеет ограничений по толщине металла и требует существенно (в десятки раз) меньшего количества ВВ по сравнению с обычным методом (взрыв большого количества ВВ в контакте с конструкцией), что особенно существенно при подводных взрывах. На этом принципе разработан метод фрагментации морских и океанических нефтяных платформ. На рисунке 3 представлена фотография, иллюстрирующая этот метод.

Взрывная сварка

Сварка взрывом обеспечивает надежное соединение двух пластин (двухслойный материал) и нескольких пластин (многослойный материал). Пластины могут быть из различных металлов (не свариваемых с помощью обычной сварки), геометрические размеры пластин могут достигать нескольких метров. Механизм сварки напоминает образование кумулятивной струи, образующейся в зоне соударения пластин.

Компактирование взрывом

К числу контактных взрывных технологий относится взрывное компактирование. Одним из наглядных примеров таких операций является взрывное компактирование ультрадисперсных алмазов (УДА). УДА с размерами частиц 2-20 нм получаются во взрывных экспериментах за счет углерода, входящего в состав ВВ. Однако для практических целей частицы таких малых размеров не нужны. Для создания, например, абразивных инструментов требуется алмазный порошок с размерами более 10 мкм. Спекание (компактирование) УДА до таких размеров - сложная технологическая задача. В последние годы разрабатываются эффективные способы ее решения. Один из очевидных путей - создание давлений ~ 10 ГПа (10 ГПа - прочность алмаза) для пластического спекания порошка. Основная трудность этого направления - обеспечить отсутствие обратного перехода (алмаз-графит), который неизбежно начинается при таких давлениях ударного сжатия. Второй путь, недавно освоенный экспериментаторами, - создание сравнительно небольших ударных давлений, но действующих большое время (~100-400 мкс). При этом из-за малой температуры ударного сжатия не происходит указанного обратного перехода и получается > 90% прозрачных алмазных частиц с размерами до 1 мм, что дает возможность использования их и для декоративных целей. Оба этих направления реализованы в разработанных в последние годы специальных взрывных устройствах, позволяющих сохранять укрупненные алмазные частицы после нагружения.

Рис. 3. Фотография стального цилиндра диаметром ~ 500 мм, разрезанного с помощью ударных волн разрежения.

Можно привести еще много примеров использования "контактных" взрывов ВВ в народном хозяйстве. Завершим этот раздел совсем необычным примером: взрыв рисует.

Рис. 4. Фотография отпечатка ветки рябины на медной пластине при детонации тонкого слоя взрывчатого вещества.

Некоторые из конденсированных ВВ, например, изготовленные на основе мелкодисперсных порошков или жидкие ВВ, обладают очень малым критическим диаметром, о котором говорилось выше, то есть детонируют в виде очень тонких слоев (десятые доли миллиметра). Кратковременность импульса давления, передаваемая при этом преграде, на которой располагается тонкий слой ВВ, приводит к тому, что величину давления в ударной волне можно легко регулировать, размещая под ВВ тонкие слои инертных материалов (например, бумага и т.п.), что позволяет изменять при детонации ВВ глубину отпечатка на поверхности пластичной преграды (медь, алюминий). Этот метод взрывной гравировки применяется для изготовления прекрасных рисунков на металле. (См., например, рис. 4, где представлен отпечаток листьев рябины.)

Назад | Вперед

Публикации с ключевыми словами: взрыв - детонация - ядерный взрыв - кумулятивный эффект Публикации со словами: взрыв - детонация - ядерный взрыв - кумулятивный эффект
См. также: Группа исследований сверхновых звезд, ГАИШ МГУ Тунгуска.ру