Ударная трубка

Информацию о пиротехническом инициаторе см. В разделе «Детонатор с ударной трубкой».

Ударная труба — это инструмент, используемый для воспроизведения и направления взрывных волн на датчик или модель с целью имитации реальных взрывов и их последствий, обычно в меньшем масштабе. Ударные трубы (и связанные с ними импульсные устройства, такие как ударные туннели, расширительные трубы и расширительные туннели) также могут использоваться для изучения аэродинамического потока в широком диапазоне температур и давлений, которые трудно получить в других типах испытательных установок. Ударные трубы также используются для исследования явлений сжимаемого потока и реакций горения в газовой фазе . Совсем недавно ударные трубы стали использоваться в биомедицинских исследованиях для изучения того, как взрывные волны воздействуют на биологические образцы. ^[1]^[2]

Ударная волна внутри ударной трубы может быть создана в результате небольшого взрыва (с приводом от взрывной волны) или в результате возникновения высокого давления, которое приводит к разрыву диафрагмы (диафрагм) и распространению ударной волны вниз по ударной трубе (с приводом от сжатого газа). .

История

Раннее исследование ударных трубок с приводом от сжатия было опубликовано в 1899 году французским учёным Полем Вьей , хотя ударная трубка не называлась аппаратом до 1940-х годов. ^[3] В 1930-х годах он был заново открыт WH Payman и WCF Shepherd of English Safety in Mines Research Board для изучения подземных взрывов метана, но этот термин не был придуман до тех пор, пока Bleakney et al. издание 1949 года. ^[4]^[5]

В 1940-х годах интерес возродился, и ударные трубы все чаще стали использовать для изучения течения быстро движущихся газов над объектами, химии и физической динамики реакций горения в газовой фазе. Современная версия ударной трубки была разработана во время Второй мировой войны в Принстонском университете группой под руководством Уокера Бликни . ^[6] которые опубликовали обзоры своих исследований в 1946 и 1949 годах.

В 1966 году Дафф и Блэквелл ^[7] описал тип ударной трубы, приводимой в действие взрывчатым веществом. Они имели диаметр от 0,6 до 2 м и длину от 3 до 15 м. Сами трубы были изготовлены из недорогих материалов и создавали ударные волны с максимальным динамическим давлением от 7 до 200 МПа и длительностью от нескольких сотен микросекунд до нескольких миллисекунд.

Ударные трубы с приводом от сжатия и от взрыва в настоящее время используются как в научных, так и в военных целях. Ударные трубы с приводом от сжатого газа легче получить и обслуживать в лабораторных условиях; однако форма волны давления отличается от формы взрывной волны в некоторых важных аспектах и может не подходить для некоторых применений. Ударные трубы с приводом от взрывной волны генерируют волны давления, которые более реалистичны, чем взрывные волны в свободном поле. Однако им требуются помещения и опытный персонал для работы с взрывчатыми веществами. Кроме того, в дополнение к начальной волне давления за этим следует эффект струи, вызванный расширением сжатых газов (при сжатии) или образованием быстро расширяющихся газов (при взрыве), который может передавать импульс образцу после прохождения взрывной волны. . Совсем недавно были разработаны ударные трубы лабораторного масштаба, приводимые в движение топливно-воздушными смесями, которые создают реалистичные взрывные волны и могут эксплуатироваться в более обычных лабораторных условиях. ^[8] Поскольку молярный объем газа намного меньше, эффект струи в разы меньше, чем у ударных трубок, приводимых в движение сжатым газом. На сегодняшний день меньший размер и более низкое пиковое давление, создаваемое этими ударными трубками, делают их наиболее полезными для предварительного неразрушающего контроля материалов, проверки измерительного оборудования, такого как высокоскоростные датчики давления, а также для биомедицинских исследований, а также для военного применения.

Операция

Простая ударная трубка представляет собой трубку прямоугольного или круглого сечения, обычно изготовленную из металла, в которой газ при низком давлении и газ при высоком давлении разделены с помощью диафрагмы той или иной формы . См., например, тексты Солоухина, Гейдона и Херла и Брэдли. ^[9]^[10]^[11] Диафрагма внезапно разрывается при заранее определенных условиях, создавая волну, распространяющуюся через секцию низкого давления. Ударная волна, которая в конечном итоге образуется, увеличивает температуру и давление испытательного газа и вызывает поток в направлении ударной волны. Наблюдения можно проводить в потоке за падающим фронтом или воспользоваться преимуществом более длительного времени испытаний и значительного повышения давления и температуры за отраженной волной.

Газ низкого давления, называемый рабочим газом, подвергается воздействию ударной волны. Газ высокого давления известен как газ-драйвер. Соответствующие секции трубки также называются ведущей и ведомой секциями. движущий газ обычно выбирается с низкой молекулярной массой (например, гелий или водород В целях безопасности ) и с высокой скоростью звука , но его можно слегка разбавлять, чтобы «подстроить» условия границы раздела по всей ударной нагрузке. Для получения наиболее сильных толчков давление рабочего газа должно быть значительно ниже атмосферного давления ( частичный вакуум перед детонацией в рабочей секции создается ).

Тест начинается с разрыва диафрагмы. ^[12] Для разрыва диафрагмы обычно используются несколько методов.

Иногда для его пробивания используют поршень с механическим приводом или для его взрыва можно использовать заряд взрывчатого вещества.
Другой метод заключается в использовании диафрагм из пластика или металлов для определения конкретного разрывного давления. Пластмассы используются для самых низких давлений разрыва, алюминий и медь — для несколько более высоких уровней, а мягкая сталь и нержавеющая сталь — для самых высоких давлений разрыва. ^[13] На этих диафрагмах часто наносят крестообразные надрезы на калиброванную глубину, чтобы обеспечить их равномерный разрыв, придавая контур лепесткам так, чтобы вся секция трубки оставалась открытой во время испытания.
Еще один метод разрыва диафрагмы использует смесь горючих газов с инициатором, предназначенным для создания внутри нее детонации, вызывающей внезапное и резкое увеличение того, что может быть или не быть находящимся под давлением драйвером. Эта взрывная волна увеличивает температуру и давление вытесненного газа и вызывает поток в направлении ударной волны, но с меньшей скоростью, чем свинцовая волна.

Разрыв диафрагмы создает серию волн давления , каждая из которых увеличивает скорость звука за собой, так что они сжимаются в ударную волну, распространяющуюся через вытесненный газ. Эта ударная волна увеличивает температуру и давление вытесняемого газа и вызывает поток в направлении ударной волны, но с меньшей скоростью, чем свинцовая волна. Одновременно волна разрежения , часто называемая волной Прандтля-Мейера, возвращается обратно в газ-драйвер.

Граница раздела, на которой происходит ограниченная степень смешивания, разделяет ведомый и возбуждающий газы, называется поверхностью контакта и следует с меньшей скоростью за ведущей волной.

«Химическая ударная трубка» предполагает разделение движущего и рабочего газов с помощью пары диафрагм, рассчитанных на выход из строя после заранее определенных задержек, с концевым «сливным резервуаром» значительно увеличенного поперечного сечения. Это позволяет чрезвычайно быстро снизить (охладить) температуру нагретых газов.

Приложения

Помимо измерений скоростей химической кинетики ударные трубки использовались для измерения энергий диссоциации и скоростей молекулярной релаксации. ^[14]^[15]^[16]^[17] они использовались в аэродинамических испытаниях. Поток жидкости в рабочем газе можно использовать как аэродинамическую трубу , обеспечивая более высокие температуры и давления в ней. ^[18] воспроизводящие условия в турбинных секциях реактивных двигателей . Однако время испытаний ограничено несколькими миллисекундами либо из-за прибытия контактной поверхности, либо из-за отраженной ударной волны.

В дальнейшем они были преобразованы в ударные туннели с добавленным соплом и сливным баком. Полученный высокотемпературный гиперзвуковой поток можно использовать для моделирования входа космического корабля или гиперзвукового корабля в атмосферу , опять же с ограниченным временем испытаний. ^[19]

Ударные трубки были разработаны в широком диапазоне размеров. Размер и метод создания ударной волны определяют пик и продолжительность создаваемой ею волны давления. Таким образом, ударные трубы могут использоваться как инструмент создания и направления взрывных волн на датчик или объект с целью имитации реальных взрывов и причиняемого ими ущерба в меньших масштабах, при условии, что такие взрывы не связаны с повышенными температурами. и шрапнель или летающие обломки. Результаты экспериментов с ударной трубой могут быть использованы для разработки и проверки численной модели реакции материала или объекта на окружающую взрывную волну без шрапнели или летящих обломков. Ударные трубы можно использовать для экспериментального определения того, какие материалы и конструкции лучше всего подходят для ослабления окружающих взрывных волн без шрапнели или летящих обломков. Результаты могут затем быть включены в проекты по защите сооружений и людей, которые могут подвергнуться воздействию взрывной волны без шрапнели или летящих обломков. Ударные трубы также используются в биомедицинских исследованиях, чтобы выяснить, как взрывные волны воздействуют на биологические ткани.

Существуют альтернативы классической ударной трубке; для лабораторных экспериментов при очень высоком давлении ударные волны можно также создавать с помощью мощных короткоимпульсных лазеров. ^[20]^[21]^[22]^[23]

См. также

Ссылки

^ Чернак, Иболя (2010). «Важность системного ответа в патобиологии нейротравмы, вызванной взрывом» . Границы в неврологии . 1 : 151. doi : 10.3389/fneur.2010.00151 . ПМК 3009449 . ПМИД 21206523 .
^ Чавко, Микулаш; Коллер, Уэйн А.; Прусачик, В. Кейт; Маккаррон, Ричард М. (2007). «Измерение взрывной волны миниатюрным оптоволоконным датчиком давления в мозгу крысы». Журнал методов нейробиологии . 159 (2): 277–281. doi : 10.1016/j.jneumeth.2006.07.018 . ПМИД 16949675 . S2CID 40961004 .
^ Хеншолл, BD. Некоторые аспекты использования ударных труб в аэродинамических исследованиях. Отчеты и меморандумы Совета по авиационным исследованиям. R&M № 3044, Лондон, Канцелярия Ее Величества, 1957 год.
^ Крель, Питер ОК (24 сентября 2008 г.). История ударных волн, взрывов и ударов: хронологический и биографический справочник . Спрингер. ISBN 978-3-540-30421-0 .
^ Бликни, Уокер; Тауб, АХ (1 октября 1949 г.). «Взаимодействие ударных волн» . Обзоры современной физики . 21 (4): 584–605. дои : 10.1103/RevModPhys.21.584 .
^ Эмрих, Р.Дж. (1 мая 1996 г.). «Уокер Бликни и разработка ударной трубки в Принстоне» . Ударные волны . 5 (6): 327–339. дои : 10.1007/BF02434008 . ISSN 1432-2153 . S2CID 120610589 .
^ Дафф, Рассел Э.; Блэквелл, Арлин Н. (1966). «Ударные трубы с взрывным приводом» . Обзор научных инструментов . 37 (5): 579–586. Бибкод : 1966RScI...37..579D . дои : 10.1063/1.1720256 .
^ Кортни, Эми С.; Андрусив Любовь П.; Кортни, Майкл В. (2012). «Кислородно-ацетиленовые ударные трубы лабораторного масштаба для изучения эффектов взрывной волны». Обзор научных инструментов . 83 (4): 045111–045111–7. arXiv : 1105.4670 . Бибкод : 2012RScI...83d5111C . дои : 10.1063/1.3702803 . ПМИД 22559580 . S2CID 205170036 .
^ Солоухин, Р.И., Ударные волны и детонация в газах , Mono Books, Балтимор, 1966.
^ Гейдон, А.Г., и Херл, И.Р., Ударная трубка в химической физике высоких температур , Чепмен и Холл, Лондон, 1963.
^ Брэдли, Дж., Ударные волны в химии и физике , Чепмен и Холл, Лондон, 1962.
^ Солоухин, Р.И., Ударные волны и детонация в газах, Mono Books, Балтимор, 1966.
^ Брэдли, Дж., Ударные волны в химии и физике, Чепмен и Холл, Лондон, 1962.
^ Стрелов, 1967, Университет Иллинойса, кафедра авиации и астронавтики. Репортаж AAE 76-2.
^ Нетлтон, 1977, Гребень и Пламя, 28,3. и 2000, «Ударные волны», 12,3.
^ Кристи, Робин; Насир, Эхсон Ф.; Фарук, Аамир (1 декабря 2014 г.). «Сверхбыстрое измерение температуры без калибровки во внутриимпульсном режиме» (PDF) . Оптические письма . 39 (23): 6620–6623. Бибкод : 2014OptL...39.6620C . дои : 10.1364/OL.39.006620 . hdl : 10754/347273 . ПМИД 25490636 .
^ Гельфанд; Фролов; Нетлтон (1991). «Газовые взрывы. Выборочный обзор». Прог. Энергетическая расческа. Наука . 17 (4): 327. doi : 10.1016/0360-1285(91)90007-A .
^ Лиепманн, Х.В. и Рошко, А. , 1957, «Элементы газовой динамики», Dover Publications. ISBN 0-486-41963-0
^ Андерсон, доктор медицинских наук , 1989, «Гиперзвуковая и высокотемпературная газовая динамика», AIAA. ISBN 1-56347-459-X
^ Визер, ЛР; Солем, Дж. К. (1978). «Исследование лазерных ударных волн в алюминии». Письма о физических отзывах . 40 (21): 1391. Бибкод : 1978PhRvL..40.1391V . дои : 10.1103/PhysRevLett.40.1391 .
^ Солем, Дж.К.; Визер, Л.Р. (1978). «Лазерные исследования ударных волн». Материалы симпозиума по поведению плотных сред под высоким динамическим давлением : 463–476. Отчет Лос-Аламосской научной лаборатории LA-UR-78-1039.
^ Визер, ЛР; Солем, Дж.К.; Либер, Эй Джей (1979). «Эксперименты по согласованию импеданса с использованием лазерных ударных волн». Письма по прикладной физике . 35 (10): 761–763. Бибкод : 1979АпФЛ..35..761В . дои : 10.1063/1.90961 .
^ Визер, Л.; Либер, А.; Солем, Дж. К. (1979). «Исследование ударных волн с помощью лазерной лучевой камеры». Материалы международной конференции по лазерам '79 . 80 . Орландо, Флорида, 17–17 декабря 1979 г. LA-UR-79-3509; КОНФ-791220-3. (Лос-Аламосская научная лаборатория, Нью-Мексико): 45. Бибкод : 1979STIN...8024618V . ОСТИ 5806611 . {{cite journal}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )

Внешние ссылки

[1] Чернак, Иболя (2010). «Важность системного ответа в патобиологии нейротравмы, вызванной взрывом» . Границы в неврологии . 1 : 151. doi : 10.3389/fneur.2010.00151 . ПМК 3009449 . ПМИД 21206523 .

[2] Чавко, Микулаш; Коллер, Уэйн А.; Прусачик, В. Кейт; Маккаррон, Ричард М. (2007). «Измерение взрывной волны миниатюрным оптоволоконным датчиком давления в мозгу крысы». Журнал методов нейробиологии . 159 (2): 277–281. doi : 10.1016/j.jneumeth.2006.07.018 . ПМИД 16949675 . S2CID 40961004 .

[3] Хеншолл, BD. Некоторые аспекты использования ударных труб в аэродинамических исследованиях. Отчеты и меморандумы Совета по авиационным исследованиям. R&M № 3044, Лондон, Канцелярия Ее Величества, 1957 год.

[4] Крель, Питер ОК (24 сентября 2008 г.). История ударных волн, взрывов и ударов: хронологический и биографический справочник . Спрингер. ISBN 978-3-540-30421-0 .

[5] Бликни, Уокер; Тауб, АХ (1 октября 1949 г.). «Взаимодействие ударных волн» . Обзоры современной физики . 21 (4): 584–605. дои : 10.1103/RevModPhys.21.584 .

[6] Эмрих, Р.Дж. (1 мая 1996 г.). «Уокер Бликни и разработка ударной трубки в Принстоне» . Ударные волны . 5 (6): 327–339. дои : 10.1007/BF02434008 . ISSN 1432-2153 . S2CID 120610589 .

[7] Дафф, Рассел Э.; Блэквелл, Арлин Н. (1966). «Ударные трубы с взрывным приводом» . Обзор научных инструментов . 37 (5): 579–586. Бибкод : 1966RScI...37..579D . дои : 10.1063/1.1720256 .

[8] Кортни, Эми С.; Андрусив Любовь П.; Кортни, Майкл В. (2012). «Кислородно-ацетиленовые ударные трубы лабораторного масштаба для изучения эффектов взрывной волны». Обзор научных инструментов . 83 (4): 045111–045111–7. arXiv : 1105.4670 . Бибкод : 2012RScI...83d5111C . дои : 10.1063/1.3702803 . ПМИД 22559580 . S2CID 205170036 .

[9] Солоухин, Р.И., Ударные волны и детонация в газах , Mono Books, Балтимор, 1966.

[10] Гейдон, А.Г., и Херл, И.Р., Ударная трубка в химической физике высоких температур , Чепмен и Холл, Лондон, 1963.

[11] Брэдли, Дж., Ударные волны в химии и физике , Чепмен и Холл, Лондон, 1962.

[12] Солоухин, Р.И., Ударные волны и детонация в газах, Mono Books, Балтимор, 1966.

[13] Брэдли, Дж., Ударные волны в химии и физике, Чепмен и Холл, Лондон, 1962.

[Strehlow-14] Стрелов, 1967, Университет Иллинойса, кафедра авиации и астронавтики. Репортаж AAE 76-2.

[Nettleton-15] Нетлтон, 1977, Гребень и Пламя, 28,3. и 2000, «Ударные волны», 12,3.

[16] Кристи, Робин; Насир, Эхсон Ф.; Фарук, Аамир (1 декабря 2014 г.). «Сверхбыстрое измерение температуры без калибровки во внутриимпульсном режиме» (PDF) . Оптические письма . 39 (23): 6620–6623. Бибкод : 2014OptL...39.6620C . дои : 10.1364/OL.39.006620 . hdl : 10754/347273 . ПМИД 25490636 .

[gfn-17] Гельфанд; Фролов; Нетлтон (1991). «Газовые взрывы. Выборочный обзор». Прог. Энергетическая расческа. Наука . 17 (4): 327. doi : 10.1016/0360-1285(91)90007-A .

[18] Лиепманн, Х.В. и Рошко, А. , 1957, «Элементы газовой динамики», Dover Publications. ISBN 0-486-41963-0

[19] Андерсон, доктор медицинских наук , 1989, «Гиперзвуковая и высокотемпературная газовая динамика», AIAA. ISBN 1-56347-459-X

[20] Визер, ЛР; Солем, Дж. К. (1978). «Исследование лазерных ударных волн в алюминии». Письма о физических отзывах . 40 (21): 1391. Бибкод : 1978PhRvL..40.1391V . дои : 10.1103/PhysRevLett.40.1391 .

[21] Солем, Дж.К.; Визер, Л.Р. (1978). «Лазерные исследования ударных волн». Материалы симпозиума по поведению плотных сред под высоким динамическим давлением : 463–476. Отчет Лос-Аламосской научной лаборатории LA-UR-78-1039.

[22] Визер, ЛР; Солем, Дж.К.; Либер, Эй Джей (1979). «Эксперименты по согласованию импеданса с использованием лазерных ударных волн». Письма по прикладной физике . 35 (10): 761–763. Бибкод : 1979АпФЛ..35..761В . дои : 10.1063/1.90961 .

[23] Визер, Л.; Либер, А.; Солем, Дж. К. (1979). «Исследование ударных волн с помощью лазерной лучевой камеры». Материалы международной конференции по лазерам '79 . 80 . Орландо, Флорида, 17–17 декабря 1979 г. LA-UR-79-3509; КОНФ-791220-3. (Лос-Аламосская научная лаборатория, Нью-Мексико): 45. Бибкод : 1979STIN...8024618V . ОСТИ 5806611 . {{cite journal}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]