Соболев В.В., Шиман Л.Н. Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

Разработана технологически простая и экономически приемлемая тех-

нология получения одного из этих веществ – калиевой соли – КСАУК. Учи-

тывая невысокую стоимость КСАУК (около $15 за 1 кг), можно считать но-

вые вещества конкурентами других известных порошков противопожарного

применения и твердых топлив специального назначения. Для эффективного

продолжения работ по предлагаемому классу веществ авторы продолжают

экс-

периментальные исследования по усовершенствованию технологии получения

и дальнейшему снижению стоимости продукции для обеспечения широкого

внедрения в различных отраслях промышленности.

Предложенные вещества помогут решить проблемы борьбы с пожарами в

особо сложных условиях (в т.ч. в обитаемых закрытых помещениях, в шахтах,

во время лесных пожаров), при эксплуатации техники и борьбе с

терроризмом.

Литература

1. Калиевая соль азидоуксусной кислоты в качестве компонента огне-

тушащих составов / Кумченко Я.А., Кумченко А.Я., Шишкин А.М., Кошо-

ков А.Б., Андреев В.В. / Патент РФ 2043335, МПК С 07 С 247/12, 1993,

БИПМ №25 10.09.95.

2. Кумченко Я.А., Коновалов В.И., Спицкий В.И. Нетрадиционный ис-

точник энергии газовоздушного пуска танкового двигателя

типа ВГМ при

аварийных ситуациях // Вестник двигателестроения. – 2008. – № 3. – С. 56.

УДК 621.454

ДВА СПОСОБА РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ

И АРТИЛЛЕРИЙСКИХ ТОПЛИВ В "МЯГКИХ" ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

УСЛОВИЯХ

Я.А. Кумченко

, В.В. Бутковский

, А.Я. Кумченко

, В.И. Коновалов

А.А. Березняк

Научно-производственное предприятие "КАШТУЛ",

ул. Чернышевского, 15/33, г. Днепропетровск, 49005, Украина

Главное управление МЧС в Днепропетровской области

e-mail: zoe@signweb.com.ua

Проанализированы возможности разрушения твердотопливных зарядов утилизируемых

ракет и артиллерийских систем с целью извлечения их из корпусов и измельчения для

дальнейшего вторичного использования. Приведены результаты эксперимента, подтвер-

дившие возможность уменьшения энергетических затрат.

Высокоэнергетическая обработка материалов

Potentialities of destruction of hard fuel charges of utilizable rockets and artillery systems are

analyzed with the purpose of extraction them from and grinding down for the further . The re-

sults of experiment, confirming possibility of power expenses diminishing, are resulted.

На складах в Украине находится более 450 тыс.т. устаревших и спи-

санных боеприпасов, в т.ч. твердотопливных ракет, которые должны быть

утилизированы в ближайшие годы в соответствии с принятой Правительст-

вом программой. В них содержится более 80 тыс.т. твердых топлив, являю-

щихся высокоэнергетическими веществами, которые целесообразно исполь-

зовать, а не бесполезно

(и с вредом для окружающей среды) сжигать на воз-

духе. Хранение их связано с опасностью возгорания и отравления больших

территорий продуктами неконтролируемого горения больших масс топлива,

а вторичное полезное применение – с большими затратами энергии на выем-

ку из корпусов и измельчение на основе известных и принятых технологий.

Американской фирмой "Thiokol" предложено

разрушать крупные твер-

дотопливные заряды снятых с вооружения ракет типа "Сатана" струями воды

под высоким давлением – порядка 700 – 1000 атмосфер [1]. Поскольку часто-

та турбулентных пульсаций воды отличается от собственных частот частиц

топлива на много порядков, эффективность воздействия чрезвычайно мала.

Кроме того, получается смесь очень мелких частиц топлива и воды, имеющая

большую влажность, вторичное

использование которой затруднительно.

Предложенная нам НАТО на основе этой технологии помощь в утилизации

указанных зарядов не является приемлемой ни по затратам, ни по срокам

реализации. А вопрос измельчения артиллерийских зарядов топлива вообще

не решается, т.к. нет программы их использования в дальнейшем.

Из работы [2] следует, что максимальный КПД установки, в

частности,

для разрушения твердого тела, достигается тогда, когда это разрушение про-

изводится в резонансном режиме и при локальном приложении волновой

энергии.

Целью исследования является нахождение и доведение до промыш-

ленного использования эффективной по энергетическим затратам технологии

освобождения корпусов от топлива и его дальнейшего дробления.

Авторы предлагают два альтернативных способа разрушения зарядов –

электрогидродинамическим импульсным воздействием (разрядом тока в во-

де) и ультразвуком при передаче его энергии заряду через жидкость со спе-

циально подобранными

свойствами. Оба эти способа осуществляются в "мяг-

Высокоэнергетическая обработка материалов

ких" с точки зрения энергетики условиях, т.е., при низких температуре, дав-

лении и расходе энергии.

Электрогидродинамическое разрушение материалов общеизвестно, но

для подобных пластмассам твердых топлив ранее не использовалось. Авто-

рами был проведен эксперимент [3] на образце в виде кольца твердого бал-

листитного топлива артиллерийского применения. При подводе кратковре-

менного импульса

оно разрушалось на 3 части, плоскости разрушений нахо-

дились под углом 120° друг к другу (см. рис.1), как и положено при внутрен-

нем нагружении.

Рис. 1. Разрушение топлива электрогидроимпульсом

При массе топлива 10 г расходовалось около 80 Дж энергии. Это значит,

что при массе заряда 10 т потребуется всего 25 кВт

⋅час электроэнергии, т.е. с

небольшими финансовыми затратами в короткие сроки можно будет утилизи-

ровать необходимый объем топлива, превратив его в средних размеров куски,

которые можно удалить из корпуса, к тому же, пригодные к переработке.

Второй возможный путь решения проблемы – воздействие ультразвуко-

выми колебаниями. На рис. 2 показан стенд с двигателем в

соответствии с про-

ектом фирмы "Thiokol", но с ультразвуковым рабочим органом. Следует учиты-

вать, что размеры получаемых частиц будут зависеть от частоты излучения, по-

этому свойства жидкости, применяемой как его проводник, должны выбираться

такими, чтобы в ней было наименьшее поглощение волн. Подбирая эту частоту,

можно получить желаемый размер частиц, который в

наибольшей степени

удовлетворял бы требуемому, исходя из необходимости, в первую очередь, раз-

борки двигателя, а также предполагаемого применения топлива.

Высокоэнергетическая обработка материалов

Известно, что требуемая мощность излучения увеличивается с ростом

его частоты; но, с другой стороны, она падает при уменьшении сопротивле-

ния жидкости:

N = R v

где: N – мощность, R – сопротивление, v – скорость акустических колебаний.

Сопротивление, в свою очередь, существенно зависит от режима, на-

пример, при кавитации оно становится на порядок меньше [4].

Чтобы задать частоту колебаний, следует принять необходимый размер

получаемых частиц, поскольку известно, например, что резонансный размер

капель жидкости, вылетающих из емкости под действием на нее ультразвука

(

см. рис. 3), находится как

рез

= λ / 2,

где: d

рез

– диаметр капли, λ – длина волны.

Рис. 2. Стенд для деструкции заряда топлива излучением

Рис. 3. Выброс капли из сосуда ультразвуком

Высокоэнергетическая обработка материалов

Таким образом, авторы считают, что имеется возможность провести

разрушение твердотопливных зарядов ракет и артиллерийских систем, под-

лежащих утилизации, с минимальными энергетическими (и поэтому финан-

совыми) затратами, используя представленные их предложения, при этом

обеспечив возможность дальнейшего полезного применения топлива в ре-

зультате последующего механического дробления полученных кусков на ос-

нове известных

технологий, применяющихся, например, в горной и химиче-

ской отраслях промышленности.

Для дальнейших исследований по доведению данных предложений до

промышленных технологий авторам необходимо:

Скорейшее признание их перспективности в свете обеспечения вы-

полнения программы утилизации боеприпасов.

Официальное предоставление образцов топлив различных рецептур

для экспериментов.

Решение о направлениях вторичного использования топлив с целью

установления в связи с этим необходимых размеров частиц после различных

способов разрушения (эти направления неоднократно освещались авторами,

есть их положительный опыт использования топлив).

Литература

1. Тухватуллин З.А. Утилизация твердотопливных ракет стратегиче-

ского назначения в Удмуртии. Технология корпорации "Локхид Мартин". –

Воткинс: Удмуртия, 1999. – 39 с.

2. Кумченко Я.А. Резонаторная природа разрушения (деструкции)

энергоаккумулирующих веществ // Авиационно-космическая техника и тех-

нология. – 2005. – № 8(24). – С. 77–80.

Нетрадиционный способ деструкции (разрушения) твердых ракет-

ных топлив баллистических ракет типа "Сатана" в "мягких" энергетических

условиях / А.Я. Кумченко, Я.А. Кумченко, В.И. Коновалов, А.А. Березняк //

Збірник тез Х Міжнар. молод. конф. "Людина і космос". – 2008. – С. 61.

4. Ломской Д.А., Никитин П.А., Калинина Н.Е. Распространение ульт-

развуковых

колебаний в расплаве // Збірник тез VI Міжнар. молод. конф.

"Людина і космос". – 2004. – С. 17.

Высокоэнергетическая обработка материалов

УДК Б39.1

ОЦЕНКА ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

УДАРНОЙ ВОЛНЫ В МЕТАЛЛАХ

В.П. Куринной

Национальный горный университет Украины,

пр. К. Маркса, 19 г. Днепропетровск, 49000, Украина

e-mail: nmu@nmu.org.ua

Выполнена оценка необходимой величины давления для возбуждения ударной волны в металлах.

The valuation of the pressure for excitation of the percussion wave in metals are exceed.

Вступление. При использовании взрыва важно знать, возникает ли

ударная волна (УВ) в веществе. Механизм разрушения вещества в ударной

волне существенно отличается от механизма разрушения в волне напряже-

ний. Все величины, описывающие состояние вещества, во фронте УВ испы-

тывают скачок. Можно утверждать, что невозможно рассмотреть ни один

технологический процесс с использованием

взрыва, не определив, возникает

ударная волна или нет [1].

Известные уравнения для прямой плоской УВ (скорость вещества пе-

ред фронтом волны равна нулю) [2] формально применимы при давлении,

большем чем р

()

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

−=

ppu ;

−

;

()

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

+=−

1212

ppEE

, (1)

где u – скорость вещества за фронтом УВ; p

, p

– соответственно давление за

и перед фронтом УВ;

, ρ

– соответственно плотность за и перед фронтом

волны; D – скорость УВ; E

, E

– соответственно внутренняя энергия едини-

цы массы вещества за и перед фронтом волны.

Записаны эти уравнения для жидкости и давление p

за фронтом УВ

обеспечивает лишь приращение импульса вещества за единицей площади

фронта волны. Очевидно, что УВ может возникнуть лишь при давлениях, ко-

гда наблюдаются нелинейные эффекты, т.е. скорость волны сжатия зависит

от амплитуды волны. Согласно Бриджмену [3], металлы подчиняются закону

Высокоэнергетическая обработка материалов

Гука до давления p

≈ 1 ГПа. Т.е. давление, необходимое для возбуждения УВ

в металле, заведомо больше 1 ГПа.

Цель работы: оценить давление для возбуждения ударной волны в ме-

таллах.

Изложение. Пусть ударная сжимаемость металла подчиняется закону,

записанному в форме Тэта [4]

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

= 1

Ap , (2)

где A, m – постоянные для данного металла величины; ρ

, ρ – соответственно

плотность металла при нормальном давлении и при давлении p.

"Заметим, что закон сжимаемости в форме Тэта представляется удоб-

ным для большинства расчетов по оценке параметров ударно-волнового сжа-

тия. Точность расчетов при этом достаточно высокая" ([2], стр. 295). Ско-

рость волны напряжений С можно определить по известной формуле

pAm

−−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

+≈

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

, (3)

где

ρ= AmC − скорость волны напряжений при атмосферном давлении

(

р >> 0,1 Мпа).

Пусть на поверхность металла, образующего полупространство, оказы-

вается давление

p ≈ kt, где t – время; k – коэффициент. Коэффициент k, опре-

деляющий скорость возрастания давления, можно оценить, если положить,

что во фронте детонационной волны (ДВ) давление p ~ 10 ГПа, а время реак-

ции разложения взрывчатого вещества

τ ~ 0,1 мкс, k = p/τ ~ 10

Па/с. Про-

цесс возбуждения волны напряжений раскладываем на элементарные про-

цессы. Пусть каждую терасекунду (

Δt) давление возрастает на Δp.

Если ось ОХ направить перпендикулярно поверхности металла внутрь

его и начало оси поместить на поверхности ненагруженного металла, то пер-

вая элементарная волна в момент времени

t достигнет точки x

= C

t. n-ая

элементарная волна в этот момент достигнет точки

= C

(t − nΔt), где C

–

скорость

n-ой элементарно волны

Высокоэнергетическая обработка материалов

tnk

)1(

−−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Δ−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

. (4)

Ударная волна начнет формироваться, когда передний фронт волны на-

пряжений начнет превращаться в часть плоскости, параллельной поверхности

металла (превращается в ступеньку). Т.е., когда последующие элементарные

волны будут догонять предыдущие. Это условие можно записать в виде

htnt

tnk

CtC

+Δ−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Δ−

−

)(

)1(

, (5)

где

h – смещение поверхности металла при действии давления.

При записи формулы (5) не учитывалось поглощение энергии в эле-

ментарной волне напряжений, что допустимо при учете малого расстояния,

проходимого волной (~ 0,1 мм) [2]. Смещение

h можно оценить, если учесть,

что при формировании УВ напряжения замыкаются в зоне образования вол-

ны и давление в ней будет примерно одинаковым. Тогда можно записать

)(

hxx −ρ=ρ , где ρ − средняя плотность металла в зоне образования УВ

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Δ−

+−=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

−

tkn

tCxh

)1(

111 . (6)

Подстановка (6) в (5) дает

tnk

tnt

tnk

)1(

1)(

)1(

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Δ−

+=Δ−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Δ−

+ . (7)

После преобразования (7) можно получить

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

Δ−

+−Δ==

−

tnk

tknktp

)1(

11 , (8)

где p

– давление, необходимое для образования ударной волны; t

– время

формирования УВ.

Высокоэнергетическая обработка материалов

При проведении численных расчетов оказалось, что k(n-1)Δt/A на не-

сколько порядков меньше единицы, т.е. двучлен в знаменателе можно разло-

жить в ряд, взяв два первых члена. n >> 1, поэтому давление, необходимое

для образования ударной волны в веществе, можно записать в виде

. (9)

По формуле (8) численно определялись давления p

для различных ме-

таллов при скоростях нагружения k = 10

÷10

Па/с и Δt = 10

-9

÷10

-17

Результаты численных расчетов и расчетов по формуле (9) совпали

(табл. 1).

Таблица 1

Давление, необходимое для образования ударной волны

для некоторых металлов

Металл

10 кг/м

10 ГПа

Бериллий 1,845 3,2 3,75 5,71

Алюминиевый сплав 2,785 4,2 1,97 3,1

Титан 4,51 3,8 2,60 4,12

Железо 7,84 5,5 2,15 3,64

Кадмий 8,64 6,3 0,77 1,33

Медь 8,9 4,8 3,02 5,0

Молибден 10,20 3,8 7,29 11,54

Свинец 11,34 5,3 0,86 1,45

Тантал 16,46 4,0 4,58 7,33

Золото 19,24 5,7 3,16 5,38

Платина 21,37 5,3 5,39 9,07

Значения давления во фронте УВ, полученные экспериментально, дос-

таточно часто меньше давления p

. Как это можно пояснить? В работе [4] по-

лучено, что ударная волна в граните образуется при давлении р >> 3,3 ГПа.

Теоретическое значение p

= 3,76 ГПа. Но необходимо учесть, что давление

измеряется косвенными методами.

Заключение. При давлении p >> p

генерируется плоская прямая ста-

ционарная ударная волна. Когда давление, вызывающее волну, уменьшается,

давление во фронте УВ становится меньше p

. Действительно, заряды, взры-

Высокоэнергетическая обработка материалов

ваемые в лаборатории, имеют небольшие размеры. Давление продуктов

взрыва возрастает в течение времени τ ~ 0,1 мкс, а затем начинает умень-

шаться за счет волн разрежения и разгрузки. Ударная волна быстро затухает.

При снижении давления в полости взрыва, ударная волна некоторое время

продолжает распространяться за счет кинетической энергии вещества за ее

фронтом.

Когда давление во фронте УВ достигает динамического предела

прочности вещества, она вырождается в волну напряжений. Так как парамет-

ры ударной волны определяются не в точке, а на промежутке, то среднее

давление всегда меньше p

Если вещество гетерогенное или кристаллическая решетка при высо-

ких давлениях перестраивается, функция, описывающая ударную сжимае-

мость, становится кусочно-гладкой. В этом случае значений p

несколько.

Для каждой особой точки функции будет свое значение p

Таким образом, в работе произведена оценка давления, необходимого

для возбуждения ударной волны в металлах. Полученная формула позволяет

оценить возможность возникновения УВ в веществе при взрыве.

Литература

1. О механизме разрушения горных пород в ударной волне / И.П. Гарку-

ша, В.П. Куринной, В.Д. Петренко, В.А. Никифорова // Высокоэнергетическая

обработка материалов. Сб. научн. трудов. – НГАУ. – 1999. – №8. – С. 156-160.

2. Физика взрыва / Ф.А. Баум, Л.П. Орленко, К.П. Станюкович и др. –

М.: Наука, 1975. – 704 с.

3. Бриджмен П.В

. Новейшие работы в области высоких давлений. – М.:

ИЛ, 1948. – 230 с.

4. Ададуров Г.А. Дремин А.Н., Рябинин Ю.А. О поведении некоторых

веществ при ударном сжатии // ПМТФ. – 1964. – №6. – С. 115-119.