ТОКОВАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ КУМУЛЯТИВНЫХ СТРУЙ

Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН, г. Новосибирск, Россия

Приведены результаты экспериментального исследования поведения кумулятивных струй при пропускании по ним электрического тока. Обнаружено, что при превышении определенных значений тока, производной тока и времени электромагнитного воздействия кумулятивные струи начинают разрушаться на отдельные фрагменты. Эксперименты проведены с кумулятивными зарядами с коническими медными выемками диаметром от 30 до 100 мм. Характер разрушения кумулятивных струй от зарядов различного калибра оставался качественно одним и тем же. Струя разрушалась на отдельные фрагменты с размерами в аксиальном направлении примерно равными 1–3 диаметрам струи. При выходе из электродной системы фрагменты расширялись в радиальном направлении, достигая в тех же сечениях, что и в экспериментах без тока, пяти-десяти диаметров струи. Столь катастрофическое поведение струи при пропускании по ней электрического тока приводило к уменьшению глубины каверны в преграде в несколько раз.

В работе обсуждаются возможные механизмы разрушения кумулятивных струй протекающим по ним током. Основной причиной, по мнению авторов, является ускоренный рост при электромагнитном воздействии исходных первоначально малых возмущений формы боковой поверхности кумулятивной струи. Ускоренное развитие перетяжечной неустойчивости в экспериментах с током приводит к более раннему разрыву кумулятивной струи на фрагменты по сравнению с временем разрыва струи без тока.

Проведенные исследования показали, что возникающие при протекании электрического тока по кумулятивной струе эффекты могут представлять интерес, как с практической точки зрения (уменьшение глубины проникания в преграду), так и с методической при изучении поведения материала и физических характеристик кумулятивных струй.

Кумулятивный заряд обычно представляет собой цилиндрический заряд ВВ с выемкой с одного конца и детонатором с противоположного конца. Выемка может быть различной геометрической формы, но обычно используется коничкая выемка с тонким металлическим конусом. После детонации заряда ВВ металлическая облицовка заряда ускоряется к оси симметрии и при определенных условиях образуется высокоскоростная металлическая струя , известная как кумулятивная струя. Кумулятивные заряды много лет используются в военных целях, в промышленности (как перфораторы, устройства резки и др.) при научных исследованиях (например, в космических исследованиях). Гидродинамическая теория формирования кумулятивных струй была разработана М.А.Лаврентьевым [1,2] и Г.Биркгоффом с коллегами [3]. В процессе схлапывания материал лайнера испытывает значительные деформации за очень короткие времена, скорость деформации достигает значений 10⁴–10⁷ с ^-1. М.А.Лаврентьевым было отмечено [2], что при работе кумулятивного заряда с произвольным распределением импульса различные элементы струи могут иметь различные скорости, струя в полете будет в одних своих участках сжиматься, а в других растягиваться. Как результат неустойчивости кумулятивной струи — уменьшение глубины проникания при удалении заряда от преграды. Для конических облицовок скорость головной части может достигать 10 км/сек, температура струи порядка 500–900° С [4,5]. Рентгенографические исследования показали, что вдоль кумулятивной струи почти всегда наблюдается однородный градиент скорости от головной к хвостовой части. Градиент скорости приводит к растяжению струи. Из-за растяжения вдоль струи развиваются серии поверхностных возмущений или области “сужения”. В результате развития этих “сужений” кумулятивная струя разрушается на отдельные фрагменты

В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований по изучению поведения кумулятивных струй при пропускании по ним аксиального электрического тока. Основная цель проведенных исследований — понять, насколько, можно изменяя параметры электрического тока, управлять временем разрушения кумулятивной струи. Представленные в докладе экспериментальные результаты были получены в конце 70-х — начале 80-х годов.

Прежде чем перейти к описанию схемы проведения экспериментов и полученных экспериментальных данных, сделаем несколько предварительных замечаний.

1) Взаимодействие протекающего по проводнику тока с собственным магнитным полем вызывает радиальные и аксиальные силы, под действием которых проводник сжимается в радиальном направлении и, одновременно, при наличии сужений сжимается и растягивается в аксиальном направлении. Рис.1 иллюстрирует сказанное. Следует отметить, что давление магнитного поля

( — радиус струи) в зоне сужений может быть значительно больше, чем в зонах выпуклостей.

2) Определим величину магнитного поля, при котором давление магнитного поля создает в металле механические напряжения, соответствующие пределу текучести , как поле текучести

Для ряда материалов величины “полей текучести” и соответствующие линейные плотности тока на поверхности цилиндрических проводников приведены в таблице. Физический смысл очевиден. При имеют место упругие деформации, при будут происходить пластические деформации. В последнем случае можно ожидать ускоренный рост перетяжек и разрыв металлических кумулятивных струй при относительно небольших токах.

Следует заметить, что приведенные в таблице значения и нужно рассматривать лишь как оценки, т.к. они получены для статических значений пределов текучести при температуре 20° С [6]. В случае с кумулятивной струей для оценки поля текучести необходимо использовать значения динамического предела текучести материала, который, как известно, несколько больше статического и учесть зависимость предела текучести от начальной температуры струи. Для примера отметим, что при 600–1000 ° С предел текучести меди уменьшается в 5–20 раз [7], соответственно, можно ожидать уменьшения в несколько раз и величин и .

Если сделанные замечания и оценки верны, то при токах (3–5)· 10⁵ А и = 1 мм ( — средний радиус) предел текучести будет составлять лишь несколько процентов от давления магнитного поля. При этих условиях кумулятивную струю представляется возможным рассматривать как несжимаемую, проводящую, идеально пластическую жидкость.

3) Задача об устойчивости жидкого цилиндра (струи) в магнитном поле исследовалась многими авторами (укажем работы [8–11]). Не останавливаясь на обсуждении постановок и выводов, следующих из этих работ, выделим один из основных результатов. Было показано, что жидкометаллический цилиндр конечной проводимости при пропускании осевого тока неустойчив к осесимметричным возмущениям всех длин волн. Собственное время развития МГД-неустойчивости , где — скорость Альфвена, — плотность материала струи.

4) Можно предполагать, что процесс развития перетяжки будет продолжаться до тех пор, пока плотность тока в перетяжках не достигнет значения, при котором произойдет электрический взрыв перетяжки, что в свою очередь сообщит дополнительный импульс элементам струи в аксиальном и радиальном направлениях.

Принципиальная схема экспериментов приведена на рис.2, где 1 — кумулятивный заряд, 2 — источник электромагнитной энергии, 3 — электроды, 4 — индуктивные датчики для измерения тока и производной тока разряда. Цифрой 5 отмечены места рентгеновской съемки. Опыты проводились с кумулятивными зарядами с коническими медными выемками и калибром от 30 до 100 мм. В качестве источника энергии в экспериментах использовалась конденсаторная батарея с зарядным напряжениемдо 5 кВ и емкостью до 20 мФ. Ток по кумулятивной струе начинал протекать с момента замыкания электродов струей. В экспериментах изменялись ток и производная тока разряда (100–500 кА, 310⁹–10¹¹ А/сек), продолжительность электрического импульса, время воздействия на различные элементы струи и другие параметры. Рентгенографирование кумулятивной струи в свободном полете и в преграде (алюминий) осуществлялось с помощью рентгеновской импульсной установки ПИР – 100/240 с экспозицией 100 нсек. Рентгенографирование в экспериментах с током и без тока производилось с точностью не хуже 0,5 мкс в одно и то же время. Влияние воздействия электрического тока на кумулятивную струю дополнительно отслеживалось по глубине проникания струи в преграду.

Эксперименты проводились с кумулятивными зарядами калибром 50 мм: без тока и с током (450 кА). Материал преграды — алюминий. Преграда являлась одним из электродов. В эксперименте с током струя разрушилась на отдельные фрагменты.

На рентгенограммах видно, что кумулятивные струи в экспериментах с током имеют разрывы перед нижним электродом с заметным утолщением по диаметру струи над разрывами. После прохождения нижнего электрода струя распадается на отдельные фрагменты с размерами в аксиальном направлении примерно равными 1–3 диаметрам струи. Фрагменты расширяются в радиальном направлении, достигая 5–10 диаметров струи в тех же сечениях, что и в экспериментах без тока. Качественно картина разрушения кумулятивных струй от зарядов калибром 30, 50, 100 мм одна и та же.

Анализ рентгенограмм, сделанных в одни и те же моменты времени, показывает, что количество перетяжек в струе без тока и количество фрагментов в экспериментах с током достаточно
хорошо совпадают.

Описанное “катастрофическое” поведение кумулятивных струй при пропускании по ним электрического тока приводит к уменьшению глубины каверны в преграде в несколько раз. Причем, этим процессом можно управлять, изменяя амплитуду тока, время его нарастания и продолжительность электрического импульса.

Проведенные исследования показали, что кумулятивные струи неустойчивы в магнитном поле аксиального тока. Из проведенных экспериментов следует, что для эффективного воздействия на кумулятивную струю аксиального тока необходимо выполнение двух условий:

1) протекающий по струе ток должен превышать некоторое пороговое значение ;

2) время нахождения элемента струи между электродами должно быть достаточным для развития перетяжечной неустойчивости . Последнее условие можно представить в виде

где — расстояние между электродами, — скорость i-ого элемента в струе, — численный коэффициент порядка единицы. Это соотношение позволяет поставить задачу по оптимизации или согласованию параметров, определяющих данное соотношение. Интенсивное расширение фрагментов струи в радиальном направлении после их прохождения нижнего электрода на наш взгляд, связано со снятием давления магнитного поля и разгрузкой материала струи.

1. М.А.Лаврентьев. Основы теории кумулятивных зарядов и их бронебойного действия. Изв. Артелл. Академии, 1948, т.56.
2. М.А.Лаврентьев. Кумулятивный заряд и принцип его работы. УМН, 1957, т.12, вып.4 с. 41-56.
3. G.Birkhoff, D. Mac.Dougall, E.Pugh, G.Taylor. Explosives with Lined Cavities. J.of Appl.Phys., 1948, v.19,№ 6 pp. 563–582
4. Физика взрыва. Под ред. К.П.Станюковича М.: Наука, 1975, 704 с.
5. W.P.Walters and J.A.Zukas. Fundamentals of Shaped Charges. New York, John Wiley and Sons, 1989.
6. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мелихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.
7. А.А. Пресняков. Локализация пластической деформации. А.А.: Наука Казахск. ССР, 1981,121 с.
8. R.J.Tayler. Stability of Twisted Magnetic Filds in a Fluid of Finite Electrical Conductivity. Rev.Mod.Phys., 1960, v.32, № 4 pp. 907–913.
9. С.Н.Бреус. Об устойчивости жидкого цилиндра с током при конечной проводимости. ЖТФ, 1960, т.30, вып.9 с.1030 –1034.
10. G.S.Murty. Instability of Conducting Fluid Cylinder due to Axial Current. Ark.F.Fys., 1960, band18, №14, pp. 241–250.
11. A.S.Gupta. On the Capillary Instability of a Jet Carruing an Axial Current with or without a Longitudinal Magnetic Field. Proc.Roy.Soc.A, 1964, v.278, №1373, pp. 214–227.