Статьи конференции HEMs-2014. Часть 2.

II. ДЕМИЛИТАРИЗАЦИЯ, УТИЛИЗАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
II. DEMILITARIZATION, UTILIZATION, ENERGY SYSTEMS ECOLOGY
ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ НАПОЛНЕННЫХ КОМПОЗИТОВ
ПРИ ВИБРОУДАРНЫХ НАГРУЖЕНИЯХ
И.И. Анисимов, В.И. Десятых, Р.В. Тучков, Р.А. Загородников
ОАО «Федеральный научно-производственный центр «Алтай», г. Бийск, Россия
В различных отраслях промышленности возникает необходимость прогнозирования
и обеспечения работоспособности многослойных конструкций из наполненных полимерных композитов (НПК) при длительном воздействии виброударных нагрузок. Достоверность решения подобных задач в значительной мере определяется особенностями механического поведения НПК в условиях многоцикловой периодической нагрузки.
Это связано с многофакторностью и сложным характером вибронагрузок, различающихся частотными параметрами, соотношением амплитудной и статической составляющей нагрузки, наличием эффектов нестационарности, сложного напряжённого состояния и стеснённого контактного взаимодействия в элементах конструкции.
В настоящем докладе обсуждаются результаты исследования влияния указанных
факторов на закономерности деформирования и разрушения НПК на основе полиуретанового каучука, формулируются принципы назначения форсированных (по времени)
режимов виброиспытаний, моделирующих условия длительной штатной эксплуатации.
Виброиспытания проводились на установке Instron 5556 (Англия) и вибростенде
LDS V650 PA1000L (Англия) c использованием образцов, позволяющих реализовать
одноосное и сложное (трёхосное) напряжённое состояние [1], до разрушения в режиме
виброползучести (t )   0   a  с варьированием частоты (f=1…100 Гц), параметров

цикла  K 

 min
 max

 , интенсивности и нестационарности вибронагрузки. В процессе экс
периментов измерялось усилие, продольная и поперечная деформации, позволяющие
оценить эффекты изменения формы и объёма образца.
Установлено (см. рисунок), что при 0   a   const в области f=1…100 Гц амплитуда продольной и поперечной деформации снижается более чем в 10 раз, время до разрушения существенно возрастает, а при f→100 Гц амплитуда продольной и поперечной
деформации практически «вырождается».
Уменьшение доли амплитудной составляющей нагрузки (Кц>0) увеличивает время
до разрушения (вибропрочность) исследуемого композита.
Введение нестационарности (ударных импульсов) также существенно снижает время до разрушения материала.
73
εпрод, %
Статика
Вибро(1 Гц)
20
Частотная зависимость огибающей разрушений
Вибро(10 Гц)
110с
Вибро(100 Гц)
90с
16
3650 с
500с
Режим силового вибронагружения
12
8
Kц=min/max=0
Кц 
4
min
 max
0
0+a=2,3 кгс/см2
 0   a  2,3
кгс
см 2
до
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
tр, с
Влияние частоты вибронагружения на деформирование и время до разрушения
исследуемого композита
Полученные экспериментальные данные позволили сформулировать основные положения методики назначения форсированного режима виброиспытания, базирующиеся на использовании методов математического моделирования и теорий длительной
прочности.
Сущность методологии форсирования состоит в реализации равноопасных значений
накопленной повреждаемости π(t, T) при форсированных (кратковременных) и эксплуатационных (длительных) нагружениях [2, 3]:
tøò
 [(t øò
 τ ) (
n
øò
0

øò
a
 sin )
 (1 n )
tô
]dτ   [(t ô  τ) n ( ô0   ôa  sin )  (1 n ) ]dτ . (1)
0
0
Особенность соотношения (1)  использование нелинейного варианта теории
накопления повреждений, параметры которого (α, n) определяют из экспериментов в
режиме вибронагружения. Коэффициент подобия штатного (шт) и форсированного (ф)
режимов нагружения K 
 ô0
 ôà
находят из соотношения (1).

 øò
 øò
0
à
В заключении обсуждается практическое применение полученных результатов, связанное с возможностью экспресс-оценки влияния длительных вибронагрузок на параметры механического состояния и ресурс прочности композита на последующих (финальных) этапах эксплуатации.
74
Список литературы
1. Пат. Способ определения прочности клеевого соединения резиноподобного покрытия с основой. Заявка № 2012152733/28(083996) от 06.12.2012.
2. Ильюшин А.А., Победря Б.Е. Основы математической теории термовязкой упругости.  М.: Наука, 1970.
3. Москвитин В.В. Сопротивление вязкоупругих материалов.  М.: Наука, 1972.
FEATURES OF MECHANICAL BEHAVIOUR OF FILLED COMPOSITES UNDER VIBRATIONAL
AND SHOCK LOADING
I.I. Anisimov, V.I. Desyatykh, R.V. Tuchkov, R.A. Zagorodnikov
JSC Federal Research & Production Center «ALTAI», Biysk, Russia
The problem of predicting and providing the workability of multi-layer constructions from
filled polymer materials under long effect of vibrational and shock loads arises in different
industries. The confidence of solving the similar problems is largely defined by the features of
mechanical behavior of filled composite under multistage (cycle) periodic load. This is connected with the multi-factor and complicated character of vibrational loads differing in frequency parameters, amplitude-static constituent of load relation, instability effect available,
complicated stressed state and restricted contact interaction in construction elements.
The investigation results of the influence stated parameters on the regularity of strain and
destruction of filled polymer compositions based on polyurethane rubber have been discussed
in this paper. Principles of setting forced (in time) modes of vibrational tests that model conditions of long-term normal service have been stated.
Vibrational tests were performed using the Instron 5556 (UK) and the vibrator LDS V650
PA 1000L (UK), the samples making it possible to realize uniaxial and complicated (threeaxial) stressed state [1].
Experiments were performed up to the destruction in the mode of vibrational creep
(σ(t)=σ0+σa), varying in frequency (f=1…100 Hz), cycle parameters (K=σmin/σmax), intensity
and instability of vibrational load. Force, longitudinal and lateral strain were measured and
made it possible to evaluate effect of changing a sample in its form and volume.
It has been found (Figure) that at (σ0+σa)=const in the range f=1…100 Hz, the amplitude
of longitudinal and lateral strain reduces more than 10-fold and the time before destruction
essentially increases. At frequencies f→100 Hz the amplitude of longitudinal and lateral strain
practically «degenerates».
Reduction in amplitude constituent part of load (Kц>0) increases the time before destruction (vibration strength) of the composite investigated.
The instability applied (shock impulses) also essentially reduces the time before material
destruction.
75
εlong, %
Static
Vibro(1 Hz)
20
Destruction vs frequency envelope
Vibro(10 Hz)
110s
Vibro(100 Hz)
90s
16
3650 s
500 s
12
Pressure force vibrational loading
8
Кц 
 min
0
 max
4
0  a  2,3
kgf
cm 2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
tр, s
Strain vs time before destruction of the composite investigated under vibrational loading
Experimental results found assisted to state the main items of the procedure for applying
forced (sped up) mode of vibration test based on the use of methods of mathematical modeling and the theories of long-term strength.
The essence of methodology of forcing (speeding up) lies in realization of equally dangerous values of the accumulated vulnerability to damage π(t, T) at forced (short-term) and operation (long-term) loadings [2, 3].
tøò
 [(tøò
 τ ) (
n
øò
0

øò
a
 sin )
 (1 n )
tô
]dτ   [(tô  τ) n ( ô0   ôa  sin )  (1 n ) ]dτ .
0
(1)
0
The relation (1) is distinguished by the use of nonlinear version of the accumulated damage theory, which parameters (α, n) are determined from experiments under vibrational load
 0f  àf
mode. The similarity coefficient of normal and forced mode of loading K  n  n is de0 à
termined from the relation (1).
Conclusion
Practical application of the found results connected with the possibility of express evaluation of long-term vibration loads influence on the parameters of mechanical state and composite operating life at the following (final) stages of service life has been discussed.
References
1. Application RU No 2012152733 dd 06.12.2012. Method to define the adhesive bonding
strength of rubber-like coating with base.
2. Il’yushin A.A., Pobedrya B.E. Bases (principles) of mathematical theory of thermoviscous elasticity.  M.: Nauka, 1970.
3. Moskvitin V.V. Strength of viscoelastic materials.  M.: Nauka, 1972.
76
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ВИБРОУДАРНОГО НАГРУЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
ПРИ ИХ ТРАНСПОРТИРОВКЕ
А.В. Кобяков, И.А. Драничников, Р.Н. Торопчин, Н.А. Кудряшов, Д.Е. Торопов,
В.И. Степанов, Н.М. Карманов
ОАО «Федеральный научно-производственный центр «Алтай», г. Бийск, Россия
Для разрабатываемых энергетических установок (ЭУ) возможна длительная транспортировка при помощи различных средств перевозки. Транспортировка характеризуется высоким уровнем виброударных нагрузок и возможными проявлениями резонансных явлений. Подобные нагрузки приводят к изменениям геометрических параметров изделия, а также уровней напряженно-деформированного состояния в прикорпусных и внутрикорпусных областях.
Для определения различных параметров при виброударном нагружении ЭУ в
ФНПЦ «Алтай» на базе LTR-крейтов разработан автоматизированный измерительновычислительный комплекс (ИВК) «S-B» (рисунок 1). Комплекс имеет более сотни каналов сбора данных и позволяет измерять виброускорения, которым подвергается изделие; изменения внутреннего диаметра канала; нормальные и сдвиговые нагрузки,
воздействующие на топливо; изменения торцевых зазоров относительно корпуса.
Регистратор
Ноутбук
SSD-диск
Коммутатор
Крейт 1
A (x, y, z)
Крейт 2
Крейт 3
Крейт 4
ТЗ
НиСН
Н
ОИ
Структурная схема ИВК «S-B»: ОИ – объект измерения; А(x, y, z) – акселерометры,
устанавливаемые по трем осям воздействия нагрузок; ТЗ – СВЧ-датчики перемещения для измерения
изменений торцевых зазоров; НиСН – тензометрические датчики нормальных и сдвиговых напряжений;
Н – потенциометрические датчики (нутромеры) для измерения диаметра внутреннего канала
77
ИВК «S-B» обеспечивает ввод исходных данных, необходимых для проведения
работ; проверку, контроль и настройку измерительных каналов; калибровку
измерительных каналов; регистрацию измерительной информации; первичную и
вторичную обработку результатов испытаний; графическое и табличное представление
результатов и их документирование; хранение всей информации в базе данных.
Лабораторная отработка ИВК «S-B» при транспортировке ЭУ по железной дороге и
в грузовом автомобиле на тысячи километров показала его полную работоспособность
и высокую надежность.
Список литературы
1. Жарков А.С., Литвинов А.В., Анисимов И.И. и др. Мобильный комплекс для диагностики состояния и свойств твердотопливных энергетических установок: Тезисы IV
Международной конференции HEMs-2008 (3–5 сентября 2008 г., г. Белокуриха). –
Бийск: ФГУП «ФНПЦ «Алтай». -2008.– С. 167–170.
2. Кобяков А.В., Литвинов А.В., Лушев В.П. и др. Радиоволновая система определения текущей толщины свода топливного элемента при огневых стендовых испытаниях
(5–7 сентября 2012 г., Горный Алтай). – Бийск: Изд-во АлтГТУ. – 2012.– С. 79–80.
AUTOMATED MEASUREMENT SYSTEM FOR DEFINING PARAMETERS OF VIBRATIONAL
SHOCK LOADING OF PROPULSION SYSTEMS ON THEIR TRANSPORTATION
A.V. Kobyakov, I.A. Dranichnikov, R.N. Toropchin, N.A. Kudryashov, D.E. Toropov,
V.I. Stepanov, N.M. Karmanov
JSC Federal Research&Production Center «ALTAI», Biysk, Russia
Long-term transportation with the help of various means of transport characterizing with a
high level of vibrational shock loads and possible appearance of resonance phenomena is regulated in technical specification for developing propulsion system (PS). The similar loads
cause changes in geometrical parameters of article and levels of stress-strain state in the near
and inside case areas.
Automated measuring system (AMS) «S-B» based on LTR-crates has been developed at
FR&PC «ALTAI» (see Figure) for determining various parameters under vibrational shock
loading of PS.
The system has got more than a hundred channels for collecting data and makes it possible
to measure the vibrational acceleration an article is subjected to; changes in the inner port diameter; normal and shear loads acting on the filler of PS; changes in end gaps relative to the
case.
AMS «S-B» provides the input of initial data necessary for operation; check, control and
adjustment of measuring channels; their calibration; recording of measuring information; primary and secondary processing of test results; their plotting, tabulation and documenting;
storage of all information in database.
78
Laboratory working out and application of AMS «S-B» on transporting a propulsion system by rail and by road at a distance of thousand kilometers showed its complete workability
and high safety.
Operator
Notebook
SSD-disk
Switch hub
Crate 1
Crate 2
Crate 3
Crate 4
A (x, y, z)
EG
NorSS
С
OM
Flow diagram of AMS «S-B»: OM – object to be measured; A(x, y, z) – accelerometers, set up along three
axes of loads; EG – microwave displacement sensors for measuring end gaps; NorSS – strain gauges of normal
and shear stresses; C – potentiometric gauges (calipers) for measuring inner port diameter
References
1. Zharkov A.S., Litvinov A.V., Anisimov I.I. et al. Mobile System for Diagnostics of
State and Properties of Solid Propellant Propulsions // Abstracts of HEMs-2008. – Biysk,
FR&PC «ALTAI», 2008. – P. 167–170.
2. Kobyakov A.V., Litivinov A.V., Lushev V.P. et al. Radio wave system to define current
web thickness of propellant element on bench firing tests // Abstracts of HEMs-2012 – Biysk,
FR&PC «ALTAI».– 2012. – P. 79–80.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ВОЗДУШНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН
А.В. Кобяков, Г.А. Бубнов, А.С. Соколов, В.П. Филиппов, В.И. Абрамова, Л.Д. Цой,
С.Н. Перехода
ОАО «Федеральный научно-производственный центр «Алтай», г. Бийск, Россия
Для определения параметров воздушных ударных волн (ВУВ) разработана автоматизированная информационно-измерительная система (ИС).
79
Она необходима для оценки эффективности действия взрывчатых веществ (ВВ) –
важного показателя при отработке новых составов ВВ. Для этого подрывают их образцы и измеряют величину давления, возникающего при прохождении поверхностной
ВУВ.
В ИС давление определяется тензометрическим методом, основанным на преобразовании измеряемого параметра в изменение сопротивления тензорезисторов с последующим преобразованием в аналоговый электрический сигнал, который далее в измерительном блоке (ИБ) преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и поступает в системы цифровой записи, обработки и отображения информации.
В состав ИС входят тензометрические датчики, измерительный блок и опциональные периферийные устройства. Структурная схема ИС определения ВУВ представлена
на рисунке 1.
ВУВ
Образец
ИБ
Тензодатчик
и
LTR 20-10
АЦП
Канал 1
Канал 2
Канал 3
…
Канал 8
Цифровые
выходы
Портативный
ПК
Блоки
питания
Wi-Fi
Ethernet
DVI
USB
Блок
контроля
Периферийные
устройства
Рисунок 1 – Структурная схема ИС определения ВУВ
Измерительный блок включает в себя АЦП (с частотой опроса до 2,5 МГц на канал), портативный компьютер, блок контроля и блоки питания, выполнен в форме автономного законченного прибора с внешним питанием от ~220 В и не имеет устройства
вывода визуальной информации, поэтому для взаимодействия с пользователем допускается подключение периферийных устройств по DVI- и USB-интерфейсу либо удаленное подключение по Wi-Fi и Ethernet.
Используемый АЦП имеет цифровые выходы, которые можно применять для подачи сигналов ТТЛ-логики на внешние устройства. В роли внешнего устройства АЦП в
ИБ выступает блок контроля состояния измерительных линий. При помощи разработанного программного обеспечения и блока контроля достигнута возможность дистанционной проверки состояния измерительной линии (порядок подключенных датчиков,
целостность подкидных линий, наличие питания датчиков).
К числу оцениваемых параметров относятся:
– импульс фазы сжатия ВУВ в заданных точках регистрации;
80
– избыточное (пиковое) давление на фронте ВУВ в заданных точках регистрации
Δpm;
– средняя скорость распространения фронта ВУВ между двумя точками регистрации по лучу измерения.
Оценка качества измерения параметров ВУВ заключается в оценке профиля ВУВ,
который, учитывая высокую динамичность регистрируемого процесса, на выходе измерительного канала искажен наложением колебаний с собственной частотой датчика. На
рисунке 2 показаны расхождения между регистрируемым сигналом (пунктирная линия)
и ожидаемым (сплошная линия).
p(t)
pm
t+
Рисунок 2 – Идеализированный профиль ВУВ
t
На основании полученных результатов обработки профиля ВУВ определяется тротиловый эквивалент испытываемого ВВ.
Достоинства системы:
– тензодатчики новой конструкции (объединены усилители сигнала с датчиком в
одном корпусе, добавлено устройство контроля измерительных линий);
– высокая частота опроса измерительных каналов (выросла с 10 кГц до 1 МГц);
– возможность беспроводного управления программным обеспечением (используется Wi-Fi подключение);
– восемь измерительных линий;
– мобильность системы (габариты снижены до размеров переносного устройства);
– автономность работы (время автономной работы ограничено емкостью жесткого
диска и составляет около двух часов непрерывной работы).
Список литературы
1. Кулев С.Ю., Шалюта В.Н., Абрамова В.И. и др. Автоматизированный аппаратнопрограммный комплекс измерения параметров воздушных ударных волн при испытаниях высокоэнергетических составов и изделий на их основе // Высокоэнергетические
материалы: Демилитаризация, антитерроризм гражданское применение: Тезисы VI
Международной конференции HEMs-2012 (5–7 cентября 2012., Горный Алтай).–
г. Бийск: Изд-во Алт гос. ун-та, 2012. – С. 7778.
81
2. Кулев С.Ю., Шалюта В.Н., Абрамова В.И. и др. Автоматизированный измерительный комплекс для определения параметров воздушной ударной волны // Высокоэнергетические материалы: Демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение: Тезисы V Международной конференции HEMs-2010 (8–10 cентября 2010.,
г. Бийск). – Бийск: Изд-во Алт. гос. ун-та, 2010.
IMPROVEMENT OF THE MEASURING SYSTEM FOR DETERMINING PARAMETERS OF AIR
SHOCK WAVES
A.V. Kobyakov, G.A. Bubnov , A.S. Sokolov, V.P. Filippov, V.I. Abramova, L.D. Tsoi,
S.N. Perekhoda
JSC Federal Research & Production Center «ALTAI», Biysk, Russia
Automated data-measuring system (AMS) has been developed to determine parameters of
air shock waves (ASW). Test results are necessary to evaluate the performance of explosives
that is important when working out new compositions and special articles. Articles are blasted
and the pressure value to be formed on passing ASW is determined and evaluated.
In the AMS pressure is determined by the tensometric method based on converting the parameter to be measured into resistance change of strain gauges with the following conversion
into analog electric signal that further in the AMS is converted by analog digital converter
(ADC) and comes into the system of digital readout, processing, and displaying.
The AMS consists of strain-gauges, measuring unit (MU) and option interface devices.
The MU including ADC (with sampling frequency up to 2.5 MHz/channel), a portable PC
and power supply units is made as independent separate device powered from ~220 V. It does
not include a device for visual information output, therefore peripherals plugged-in via DVI
and USB-interface or remote connection via Wi-Fi and Ethernet are allowed.
Flow diagram of AMS to determine ASW parameters is given in Figure 1.
ASWs
Sample
MU
Strain-gauges
LTR 20-10
ADC
Channel 1
Channel 2
Channel 3
…
Channel 8
Digital
outputs
Portable PC
Power Supply
Units
Wi-Fi
Ethernet
DVI
USB
Control
Unit
Operator’s
interface
Figure 1 – Flow diagram of AMS for determining ASW parameters
Parameters to be evaluated:
– impulse of the ASW data compression phase in the given record points;
82
– excessive (peak) pressure on the ASW front in the given record points;
– average rate of ASW propagating between two points of recording along the measurement path.
The measurement accuracy of ASW parameters is defined by the evaluation of shock
wave profile. Taking into account high/fast dynamics of the process recorded the ASW profile
(shape) at the output from measuring channel is distorted by the superposition of oscillations
with own frequency of the gage. Divergence between the recorded (dotted line) and expected
signal (solid line) is shown in Figure 2.
p(t)
___________________ pm
Figure 2 – Ideal ASW
profile
___________________
t+
t
TNT equivalent of the explosive tested is determined on the base of processing results of
the ASW profile.
Advantages of the system:
– strain-gauges of new construction;
– control unit for measuring channels;
– high frequency of measuring channels inquiry;
– wireless control of software;
– 8 measuring channels;
– system mobility;
– independence of work.
References
1. Kulev S.Yu., Shalyuta V.N., Abramova V.I. et al. Automated Hardware – Program System to Determine Parameters of Air-Shock Waves of High-Energy Compositions when Testing and Items on Its Base // Collection of Abstracts of V-th International Workshop HEMs2010. – Biysk, FR&PC «ALTAI», 2010. – P. 55–62.
2. Kulev S.Yu., Shalyuta V.N., Abramova V.I. et al. Automated measuring system for determing air shock wave // Collection of abstracts of V-th International Workshop HEMs2012,. – P. 77–78.
83
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ЧАСТИЦ АГЛОМЕРАТОВ
В ДВУХФАЗНОМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ ПОТОКЕ МЕТОДОМ ОТБОРА ПРОБ
А.С. Лебедев, В.В. Елесин, П.И. Калмыков
ОАО «Федеральный научно-производственный центр «Алтай», г. Бийск, Россия
Приведены и проанализированы опытные данные по эволюции частиц агломератов
при горении высокоэнергетического конденсированного материала (ВЭМ), содержащего в качестве горючего порошок алюминия в количестве 20 %. Характеристики частиц
агломератов в продуктах сгорания (ПС) получены при сжигании образцов в приборе
постоянного давления. Пробы частиц конденсированной фазы (агломераты алюминия
диаметром более 60 мкм) из потока ПС ВЭМ отбирали на четырех различных расстояниях от поверхности горения до входного отверстия пробоотборника L = 10, 40, 80 и
120 мм. Для испытаний использовали образцы ВЭМ диаметром 36/0 – 15 мм. Образцы
зажигали по одному из торцов. Другой торец и боковую поверхность бронировали составом на основе эпоксидной смолы. Испытания образцов с отбором проб частиц агломератов из потока ПС проводили при заданных значениях давления p = 0,5; 2,0; 6,0 и
10,0 МПа в камере модельной установки. Закон скорости горения ВЭМ от давления
u  0,807 p 0,663 . Для каждого заданного значения L проводили два испытания. Пробы
конденсированной фазы подвергали дисперсно-массовому и химическому анализам.
Были получены следующие результаты.
1. Оценка влияния расстояния отбора частиц от поверхности горения образца ВЭМ
на массовое содержание частиц агломератов в ПС (рисунок 1) показала закономерное
снижение массового содержания частиц агломератов в ПС с увеличением расстояния
отбора. При р=2…6 МПа реализуется самая сильная зависимость массового содержания частиц агломератов от давления, близкая к прямо пропорциональной.
z60
0,15
0,12
0,12
0,09
0,09
0,06
0,06
0,03
0,03
00
0
20
20
40
60
80
80
100
100
L, мм
120
Рисунок 1 – Экспериментальные зависимости массового содержания частиц
агломератов в ПС ВЭМ от расстояния отбора при p=0,5 МПа ( ); 2,0 ( );
6,0 ( ); 10,0 ( )
84
2. При определении влияния расстояния отбора частиц от поверхности горения образца ВЭМ на среднемассовый диаметр частиц агломератов в ПС (рисунок 2) установлено закономерное возрастание среднемассового диаметра частиц агломератов в ПС с
увеличением расстояния отбора.
d43, мкм
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
00
20
20
0
40
40
60
80
80
100
100
L,120
мм
Рисунок 2 – Экспериментальные зависимости среднемассового диаметра
частиц агломератов в ПС ВЭМ от расстояния при p=0,5 МПа ( ); 2,0 ( );
6,0 ( ); 10,0 ( )
3. Из опытных интегральных и дифференциальных функций распределения частиц
агломератов в ПС ВЭМ, полученных при L = 10, 40, 80 и 120 мм и р = 0,5 МПа (рисунок 3), видно характерное снижение дисперсности частиц агломератов при увеличении
L. Такое поведение функций распределения можно объяснить тем, что с его увеличением в спектре частиц уменьшается содержание частиц мелких фракций, время выгорания которых значительно меньше, чем частиц крупных фракций. Можно отметить, что
влияние расстояния отбора на спектр частиц невелико. Аналогичные результаты получаются и при р = 2; 6 и 10 МПа.
g
1
0,8
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
00
0
300
300
600
600
900
900
а
85
1200
1200
d,1500
мкм
f, мкм–1
0,0016
0,0012
0,0012
0,0008
0,0008
0,0004
0,0004
00
600
600
б
300
300
0
900
900
1200
1200
d, мкм
1500
Рисунок 3 – Сравнение интегральных (а) и дифференциальных (б) функций
распределения частиц агломератов по размерам, полученных при р=0,5
МПа и L=10 мм ( ); 40 ( ); 80 ( );120 ( )
4. Опытные зависимости осредненной по всем фракциям плотности частиц агломератов от значений L проб показали, что с его увеличением плотность частиц агломератов закономерно возрастает (рисунок 4, а). Это, по-видимому, объясняется тем, что при
этом в частицах уменьшается содержание активного алюминия с плотностью
 Al  2700 êã/ì
3
и повышается содержание оксида алюминия с ρ Al2O3  3970 êã/ì 3 .
, кг/м3
3000
2500
2500
2000
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
0
0
20
40
40
60
а
86
80
80
100
100
L, мм
120
Al, %
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
00
0
30
30
60
60
90
90
120
120
L, мм
150
б
Рисунок 4 – Экспериментальные зависимости осредненной по массе пробы плотности частиц агломератов (а) и содержания активного алюминия в пробах частиц агломератов (б) в продуктах сгорания ВЭМ от расстояния отбора при p=
0,5 МПа ( ); 2,0 ( ); 6,0 ( ); 10,0 ( )
5. Для определения степени недогорания металлизированного горючего пробы частиц агломератов, полученные при различных давлениях в камере и разных значениях
L, анализировались на содержание в них активного алюминия. Как показали результаты
химического анализа, при увеличении L содержание активного алюминия в пробах
уменьшается (рисунок 4, б). Это объясняется выгоранием металлизированного горючего при движении частиц агломератов от поверхности горения наполнителя до входного
отверстия пробоотборника. Действительно, время пребывания частиц агломератов в
потоке пропорционально пройденному пути. Отсюда следует, что с увеличением расстояния отбора масса активного алюминия в частицах уменьшается.
Выводы
1. При движении в потоке продуктов сгорания ВЭМ за счет выгорания активного
алюминия содержание частиц агломератов, их дисперсность и содержание активного
алюминия закономерно снижаются, а плотность частиц агломератов возрастает.
2. Слабое влияние расстояния отбора проб на дисперсно-массовые характеристики
частиц агломератов объясняется использованием в экспериментах ВЭМ, который дает
на поверхности горения агломераты с достаточно низкой дисперсностью.
3. Рассмотренные опытные закономерности предполагается обобщить в целях построения аналитических зависимостей для скорости выгорания активного алюминия в
частицах агломератах и изменения размеров частиц от времени их пребывания в потоке
продуктов сгорания и давления в камере.
87
EXPERIMENTAL STUDY OF THE AGGLOMERATES PARTICLES EVOLUTION IN TWO-PHASE
HIGH-TEMPERATURE FLOW BY SAMPLING METHOD
A.S. Lebedev, V.V. Elesin, P.I. Kalmykov
JSC Federal Research & Production Center «ALTAI», Biysk, Russia
Pilot data on the evolution of particle agglomerates during combustion of high-energy
condensed material (HEM), containing aluminum powder in the amount of 20 % as a fuel, are
Presented and analyzed. Particles agglomerates in the combustion products (CP) were obtained in the device of constant pressure. Particles samples of the condensed phase (agglomerates of aluminum with a diameter of more than 60 mcm) from the flow of CP HECM were
taken at four different distances from the burning surface to the inlet of the sampler, equal to
L = 10, 40, 80 and 120 mm. HEM samples  36/0–15 mm MMDS were used for tests. The
burning of the samples occurred at one of the ends. The other end face and lateral surface of
the sample was armored by the composition based on epoxy. Samples tests with particles agglomerates from CP flow were carried out at specified pressure p=0.5; 2.0; 6.0; and 10.0 MPa
in the chamber model unit. The burning velocity law of HEM from pressure is
u  0.807 p 0.663 . Two tests were carried out for each specified L value. The samples of condensed phase were subjected to dispersion-mass and chemical analyses. The results showed
the following.
1. The influence of sampling distance from the burning surface of HEM sample on the
mass content of particles agglomerates in CP is given in Figure 1. There is a natural reduction
of mass of particles agglomerates in CP with the increasing of sampling distance. In the pressure range of p=2.0...6.0 MPa the strongest dependence of mass content of particles agglomerates on pressure is realized, which is close to directly proportional one.
z60
0,15
0,12
0,12
0,09
0,09
0,06
0,06
0,03
0,03
00
0
20
20
40
60
80
80
100
100
L, mm
120
Figure 1 – Experimental dependences of mass content of particles agglomerates in CP
HEM on the sampling distance with different pressure p=0.5 ( ); 2,0 ( ); 6,0 ( );
10,0 MPa ( )
2. The influence of sampling distance from the burning surface of HEM sample on massaverage particle diameter of the agglomerates in CP is given in Figure 2. There is a natural
increase in the mass-average diameter of particles agglomerates in CP with the increasing of
sampling distance.
88
d43, мкм
700
600
600
500
500
400
400
300
300
200
200
100
100
00
0
20
20
40
40
60
80
80
100
100
L,120
mm
Figure 2 – Experimental depen-dences of mass content of particles
agglomerates of mass-average particle diameter of agglomerates in
the combustion products of HEM on distance at different pressures
p=0.5 MPa( ); 2.0 ( ); 6.0 (
);10.0 ( )
3. Pilot integral and differential functions of distribution of particles agglomerates in the
combustion products of HEM, obtained when L = 10, 40, 80 and 120 mm and p = 0.5 MPa,
are given in Figure 3. Characteristic decrease of particles agglomerates dispersion with increasing sampling distance is observed. This behavior can be explained by the fact that with
increasing sampling distance in the particles spectrum content of particles of fine fractions is
reduced. Their time burnout is much less in comparison with particles of coarse fraction. It
can be noted that the effect of sampling distance on the spectrum is small. Similar results are
obtained when p = 2.0; 6.0 and 10.0 MPa.
g
1
0,8
0,8
0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
00
0
300
300
600
600
900
900
a
89
1200
1200
d,1500
mcm
f, mcm–1
0,0016
0,0012
0,0012
0,0008
0,0008
0,0004
0,0004
00
600
600
300
300
0
900
900
1200
1200
d, mcm
1500
b
Figure 3 – Comparison of integral (а) and differential (b) functions of particles agglomerates distribution according to sizes, obtained with different
sampling distances and pressure р=0.5 MPa; 1.0 ( ); 4.0 ( ); 8.0 ( ); 12.0
( ) mm
4. Pilot dependences of the averaged over all fractions densities of particles agglomerates
on sampling distance showed that with increasing sampling distance the density of particles
agglomerates natural increases (see Figure 4). It seems due to the fact that with increasing
sampling distance the percentage of active aluminum (having density Al2700 kg/m3) decreases in the particles, and the content of aluminum oxide (having a higher density
 Al2O3 3970 kg/m3) is increased.
, kg/m3
3000
2500
2500
2000
2000
1500
1500
1000
1000
500
500
0
0
20
40
40
60
80
100
100
L,120
mm
Figure 4 – Pilot dependences of the averaged on mass samples of density of particles agglomerates in combustion products of HEM on sampling distance with different pressures 0.5 MPa ( ); 2.0 ( ); 6.0( ); 10.0 ( )
90
5. To determine the degree of combustion of metallized fuel, the samples of particles agglomerates, obtained at different pressures in the chamber and different distances from the
burning surface of the sample to the inlet of the sampler, were analyzed for their content of
active aluminum. As shown by the results of chemical analysis of samples, the characteristic
reducing of the mass content of active aluminum in samples is realized with increasing sampling distance (see Figure 5). This is due to the burnout of metallized fuel when moving particles agglomerates from the burning surface of the filler to the inlet of the sampler. Indeed, the
time period of particles agglomerates in the flow is proportional to the path travelled. It follows that with increasing sampling distance of the mass of active aluminum in particles is reduced.
Al, %
60
50
40
40
30
30
20
20
10
10
00
0
30
30
60
60
90
90
120
120
L, mm
150
Figure 5 – Experimentalt dependences of mass content of active aluminum in samples of particles agglomerates in combustion products of HEM on sampling distance with different pressures 0.5 MPa
( ); 2.0 ( ); 6.0( ); 10.0 ( )
Conclusions
1. The results of the performed studies showed that when moving in combustion products
of HEM flow due to burnout active aluminum, the mass content of particles agglomerates,
their dispersion and mass content of active aluminum naturally decrease, and the density of
the particles agglomerates increases.
2. The weak influence of sampling distance on the dispersion-mass characteristics of particles agglomerates is explained by the using of HEM, giving on the burning surface the agglomerates with low dispersion.
3. The obtained pilot regularities are assumed to generalize in order to define analytical
dependencies for burnout velocity of active aluminum in particles agglomerates and for
changing the sizes of particles on the time of their stay in the flow of combustion products
and pressure in chamber.
91
РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ ВЗРЫВНЫХ КАМЕР ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ БОЕПРИПАСОВ
МЕТОДОМ ПОДРЫВА
П.А. Баскаков, В.Д. Михайлов
Красноармейский научно-исследовательский институт механизации,
г. Красноармейск, Россия
При утилизации боеприпасов широко применяются методы извлечения взрывчатых
материалов из корпусов (выплавка, струей высокого давления, гранулами сухого льда)
с последующей переработкой полученных продуктов. Однако на складах хранится
большое количество артиллерийских боеприпасов калибров 23…123 мм, не подлежащих уничтожению существующими методами из-за своего технического состояния.
Также большую сложность представляет утилизация мелкокалиберных боеприпасов
(гранатометные выстрелы, гранаты, противопехотные мины), элементов боеприпасов
(взрыватели, капсюльные втулки, детонаторы) и неразборных элементов кассетных боеприпасов, огромная номенклатура которых различается по массе, габаритам и конструкции, что делает практически невозможной утилизацию методом разборки.
Наиболее приемлемый способ уничтожения таких групп боеприпасов  подрыв
внутри специальных взрывных камер (ВК) для снижения негативного действия взрыва
(ударной волны, высокоскоростных осколков, токсичных продуктов взрыва), которые
широко используются во многих отраслях промышленности (сварка взрывом, получение ультрадисперсных алмазов, научные исследования процессов взрыва, транспортировка взрывоопасных объектов). Основной элемент ВК  стальной, реже стеклопластиковый корпус, способный выдержать взрыв [1, 2].
Так как корпус ВК для утилизации боеприпасов подвержен сильному воздействию
высокоскоростных осколков и готовых поражающих элементов, он быстро разрушается. Поэтому существующие ВК не могут применяться в этих целях.
В ОАО «КНИИМ» создана принципиально новая ВК, оснащенная локализатором
взрыва, представляющим собой защитную конструкцию с разгрузочными отверстиями
и лабиринтными каналами для выхода продуктов взрыва. Его применение позволяет
утилизировать различные типы боеприпасов и снизить динамические нагрузки на корпус камеры вследствие затухания энергии ударной волны при прохождении по лабиринтным каналам. Помимо этого, локализатор препятствует разлету осколков и является сменной деталью ВК, потому что подвержен разрушению после многократных подрывов.
Для уничтожения мелкокалиберных боеприпасов и их элементов разработана ВК
(см. рисунок, а) с загрузкой 1 кг взрывчатого вещества в тротиловом эквиваленте. Она
представляет собой емкость диаметром 2 м и объемом 5 м3. Внутри нее размещен локализатор  обогреваемая толстостенная труба, во внутреннем отверстии которой поме92
щается утилизируемый боеприпас, подрываемый при нагреве до температуры взрывчатого превращения (250…300 °С). Для предотвращения разлета осколков из локализатора его канал с двух сторон перекрывается перфорированными заслонками. Для уничтожения мелкокалиберных боеприпасов они по несколько штук упаковываются в одноразовые сгораемые пеналы.
а
б
Взрывные камеры для уничтожения мелкокалиберных (а) и крупнокалиберных (б)
боеприпасов
Крупнокалиберные артиллерийские боеприпасы утилизируются в ВК (см. рисунок
б) с максимальной загрузкой 10 кг взрывчатого вещества, представляющей собой две
цилиндрические емкости диаметром 2,5 м с общим объемом 30 м3, разделенные стенкой с перепускным клапаном. В центре одной из камер установлен локализатор, состоящий из набора пластин, образующих лабиринтные каналы, снижающие ударную волну и предотвращающие разлет осколков. Подрыв осуществляется при помощи накладного заряда, предварительно закрепленного на корпусе боеприпаса.
Камеры обладают высокой механической прочностью и долговечностью (более
30000 подрывов), что подтверждено многочисленными расчетами и экспериментальными данными, оснащены многостадийной системой очистки, включающей в себя пылеулавливающее и сорбционное оборудование и обеспечивающей выброс в атмосферу
воздуха с содержанием вредных веществ в пределах допустимых значений. Камеры для
автоматизации операций по загрузке боеприпасов и выгрузке осколков оборудованы
транспортной системой, имеют автоматическую систему управления, оснащенную
средствами регулирования и контроля за уничтожением боеприпасов. Взрывные камеры могут быть выполнены в мобильном исполнении и перемещаться с использованием
автомобильного транспорта непосредственно к месту хранения боеприпасов.
93
Разработанные камеры с загрузкой 1 кг используются для утилизации малогабаритных элементов химических боеприпасов, а с загрузкой 10 кг – аварийных и опасных в
обращении артиллерийских фугасных и осколочно-фугасных боеприпасов на складах и
арсеналах.
Список литературы
1. Разрушение разномасштабных объектов при взрыве: Монография / В.А. Рыжанский, А.Г. Федоренко, М.А. Сырунин и др.; Под общ. ред. А.Г. Иванова.  Саров,
2001.  481 с.
2. Металлические взрывные камеры: Монография / А.Ф. Демчук, В.П. Исаков. 
Красноярский гос.ун-т.  Красноярск, 2006.  300 с.
DEVELOPMENT AND APPLICATION OF DETONATION CHAMBERS FOR EXPLOSION DISPOSAL
OF AMMUNITION
P.A. Baskakov, V.D. Mikhailov
OJSC «Scientific-Research Institute of Mechanization of Krasnoarmeysk»,
Krasnoarmeysk, Russia
When disposing of ammunition widely applied methods to extract explosives from munition bodies (hot stem melt-out, high-pressure water jet, using dry ice) and subsequent processing of the products. In warehouses are a large number of artillery ammunition caliber
23…123 mm, which should not be disposed existing methods because of its technical condition. Also, when you dispose of greater complexity are microcaliber ammunition (complete
round, grenade, anti-personal mine), ammunition elements (detonating fuses, percussion primer, detonators) and disposable elements of cluster munitions. The huge range of such munitions, differing in weight, size and design, making it virtually impossible to recycle by disassembly.
The most acceptable method of disposing such groups is to demolition ammunition inside
a special detonation chamber to reduce the negative effects of the explosion (shock wave,
high-speed fragments, toxic products of explosion). Detonation chamber are widely used in
many industries, such as explosive welding, production of detonation nanodiamond, scientific
research explosion processes and transporting explosive objects. The main element of this
detonation chamber is made of steel, fiberglass rarely, a shell capable of withstanding an explosion [1, 2].
Distinction detonation chamber for ammunition disposal of other chamber is that their
body is exposed high velocity projections, which leads to its rapid breakdown. Therefore, the
existing chamber can not be used for disposal of ammunition.
OJSC «KNIIM» created new detonation chamber equipped blast inhibitors can disposal
various types of ammunition. Blast inhibitors is a blastproof structure with discharging outlet
94
and labyrinth channels for the exit explosion product. Expense application blast inhibitors reduced dynamic loads on the chamber housing, due to fading energy shock wave while passing
through the labyrinth channels.
Besides reducing the dynamic load blast inhibitor prevents separation of fragments. Blast
inhibitor is the removable part of the detonation chamber, because it is subject to destruction
after multiple explosions.
For the destruction of microcaliber ammunition and their elements designed detonation
chamber (Figure, a) loading maximum permitted weight 1 kg TNT. The chamber is a tank
with a diameter of 2 m volume of 5 m3, which is placed inside the blast inhibitor. Demolition
of ammunition carried out by heating to a temperature within the explosive transformation
(250…300 °C). Blast inhibitor is a heated thick-walled tube, the inner hole which fits destroyed ammunition. To prevent the separation of fragments of dlast inhibitor its channel with
two perforated cover. Microcaliber ammunition for the destruction they have several pieces
packed in canisters combustible.
Destruction of large-caliber artillery ammunition carried in the detonation chamber (Figure, b) with a maximum maximum permitted weight 10 kg of explosive. The chamber consists of two cylindrical containers with a diameter of 2,5 m with a total volume of 30 m3, separated by a wall with a lock valve. In the center of one of the cameras installed dlast inhibitor
consisting of a set of plates that form the labyrinth channels that reduce the shock wave and
high velocity projections. Detonation is performed using a pressure charge previously fixed
on the casing of the munition.
a
b
Blasting chambers for utilization of small-calibre (a) and large-calibre (b) ammunition
This chambers have high mechanical strength and resources (more than 30,000 explosions), which have been confirmed by numerical calculations and experimental data. Cham-
95
bers equipped with a multi-stage cleaning system consisting of dust collection equipment and
sorption. Cleaning system delivers emission into the atmosphere of air containing harmful
substances within the permissible range. To automate operations for loading and unloading
ammunition fragments chambers equipped transport system. Chambers have an automatic
control system equipped with means for regulating and monitoring the destruction of ammunition. Detonation chamber can be made in the performance of mobile and move by road directly to the storage of ammunition.
Designed chambers with load 1 kg used for the destruction of small elements of chemical
munitions, and loading 10 kg – in warehouses and arsenals for the destruction of accidents
and dangerous explosive artillery and high-explosive ammunition.
References
1. Razrushenie multiscale objects in the explosion: Monograph / V.A. Ryzhansky, A.G.
Fedorenko, M.A. Syrunin etc.; Under Society. Ed. A.G. Ivanov. – Sarov, 2001.  481 p.
2. Metal explosion chambers: Monograph / A.F. Demchuk, V.P. Isakov.  Krasnoyarsk.
gos.un-t.  Krasnoyarsk, 2006.  300 p.
ОПАСНОСТЬ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА
В ЭЛЕКТРОДЕТОНАТОРЕ
Д. Стюарт
Институт прикладной физика им. Франклина, Пенсильвания, СШA
Детонатор – самая чувствительная часть любого взрывного устройства, для приведения в действие которого требуется небольшое количество энергии. Однако в случае
использования электродетонатора существует опасность возникновения электростатического разряда (ЭСР), что может неожиданно инициировать воспламенитель, поджигая инициирующее взрывчатое вещество (ВВ).
Электростатический заряд может возникнуть при контакте электропроводящих материалов, а, при отсутствии специальных мер безопасности, в результате движения почти любого вида. Его появление стало причиной многих аварийных ситуаций, некоторые подробности которых даже вызывают удивление.
Определенные типы детонаторов более опасны, нежели другие. Показать это с точки зрения ЭСР могут лабораторные испытания. Существует ряд испытаний, применяющихся в разных ситуациях.
Уменьшить опасность возникновения ЭСР в детонаторах, содержащих инициирующие ВВ, можно с помощью методов скрепления и заземления, обеспечивающих отсутствие электростатических полей, а также использованием искрового разрядника, специальных конструкций электрода и т.д.
96
Таким образом, электродетонаторы, содержащие инициирующие ВВ, достаточно
безопасны практически во всех случаях. Необходимо соблюдать правила техники безопасности и применять только те из них, которые, как мы знаем, могут выдержать ЭСР,
не вызывая воспламенения.
В качестве альтернативы можно использовать детонаторы, не содержащие инициирующие ВВ, так называемые нечувствительные боеприпасы. К ним относятся взрывающий мостик накаливания и плёночные воспламенители, однако здесь необходим
сравнительно крупный, тяжелый, сложный и дорогой запал.
ELECTRIC INITIATOR ESD HAZARD
J. Stuart
Franklin Applied Physics, Pennsylvania, USA
The initiator is the most sensitive part of any explosive train. We need only a small
amount of energy to fire the initiator. We often use electric initiators, because we can easily
supply and control electric current. However, electricity is not always beneficial: electrostatic
charge separation can lead to a small spark inside the initiator. We call this an electrostatic
discharge, or ESD. In some cases, ESD can fire an initiator inadvertently, by igniting the primary explosive.
Contact and separation between electrically conducting materials lead to electrostatic
charge build-up. Unless we take special precautions, ESD can result from almost any kind of
motion. ESD has caused many explosive accidents, in many different ways. Some of the details of accidents that we have investigated have been rather surprising.
Certain types of initiators are much more prone to ESD accidents than other types. Laboratory tests can show whether a given type of initiator is safe from ESD. There are a number of different tests, applicable to different situations.
Bonding and grounding procedures, and avoidance of electrostatic fields, can be very effective at reducing the ESD hazard to electric initiators that contain primary explosive.
Certain types of electric initiators contain features that minimize or eliminate the hazard of
inadvertent ignition of the primary explosive. These features include spark gaps, special
electrode configurations, etc.
We conclude that electric initiators that contain primary explosive are safe enough to use
in almost any circumstances. We must follow proper procedures, and we should use only initiators that we know can withstand ESD without firing.
An alternative way to avoid ESD problems is to use initiators that do not contain primary
explosives. We can call these insensitive munitions (IM) initiators. Among these are exploding bridge wire (EBW) and exploding foil initiators (EFI). The main disadvantage of these
types is their requirement for a fireset that is relatively large, heavy, complicated, and expensive.
97