RU2212624C2

RU2212624C2 - High-capacity bursting device

Info

Publication number: RU2212624C2
Application number: RU2001119261/02A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Ванин
Original assignee: Ванин Виктор Николаевич
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2003-09-20

Abstract

FIELD: bursting devices for crushing and throwing-out of ground. SUBSTANCE: the bursting device has a body, fuse, charge, transducer, laser, light-emitting diodes, power source and a control panel. For increasing the device capacity-burst power-to-bursting device volume ratio, the fuse is made in the form of five solid-body cones filled with gas helium-3, having a are positioned with in pairs mutually perpendicular and the fifth-along the body axis adjoining of a ball segment enclosed in a polymeric envelope and filled under pressure with gas helium-3. The transducer is made in the form of a ball layer of fibrous composite and adjoins the ball surface of the change, the fibers are oriented at different angles, and the laser is made in the form of a lattice of injection semiconductor lasers with a pumping by pulse current. EFFECT: enhanced capacity of the bursting device. 1 dwg

Description

Изобретение относится к таким областям техники, как горное дело и строительство, более конкретно - к взрывным устройствам для дробления и выброса любого земного грунта. The invention relates to such fields of technology as mining and construction, and more particularly to explosive devices for crushing and ejecting any earthly soil.

Взрывные устройства находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, в том числе: в горнодобывающей промышленности (особенно при создании карьеров для открытой добычи полезных ископаемых), в гидротехническом, дорожном и ирригационном строительстве, в строительстве нефте- и газопроводов и др. Explosive devices are widely used in various sectors of the national economy, including: in the mining industry (especially when creating quarries for the open mining of mineral resources), in hydraulic engineering, road and irrigation construction, in the construction of oil and gas pipelines, etc.

В настоящее время применяются взрывные устройства в виде сетей нескольких десятков (сотен) зарядов взрывчатых веществ, в основном на основе тринитротолуола. Однако эти взрывные устройства имеют малую производительность (отношение мощности взрыва к объему взрывного устройства). Кроме того, при применении указанных устройств возникают трудности в согласовании направлений воздействия взрывных волн и последовательности подрыва отдельных зарядов. Currently, explosive devices are used in the form of networks of several tens (hundreds) of explosive charges, mainly based on trinitrotoluene. However, these explosive devices have low productivity (the ratio of the explosive power to the volume of the explosive device). In addition, when using these devices, difficulties arise in matching the directions of the effects of blast waves and the sequence of detonation of individual charges.

Основной целью данного изобретения является значительное повышение производительности взрывного устройства. Достижение этой цели возможно при использовании одиночного ядерного заряда. Опыты по разрушению и выбросу большого объема грунта в скальных породах проводились в США и СССР (Новиков С. А. Полезные взрывы. Труды ученых ядерных центров России. Саров, 2000). В США в 1957-58 г. была сформулирована обширная программа проведения ядерных взрывов в научных и промышленных целях. При этом в 60-е годы были осуществлены в мирных целях такие проекты ядерных взрывов, как Глаушер, Гэсбаги, Рулисон. Однако описание устройства ядерных зарядов не было опубликовано в открытой печати. Лишь было сообщено, что при этих взрывах имело место радиоактивное заражение грунта. В СССР первый опытный ядерный взрыв для промышленных целей был произведен в 1965 г. около Семипалатинска. На основе этого взрыва и последующих было объявлено, что ядерные взрывы для промышленных целей малоперспективны, и опыты были прекращены. The main objective of this invention is to significantly increase the productivity of an explosive device. Achieving this goal is possible using a single nuclear charge. Experiments on the destruction and ejection of large amounts of soil in rock were carried out in the USA and the USSR (S. Novikov. Useful explosions. Proceedings of scientists from Russian nuclear centers. Sarov, 2000). In the United States in 1957-58, an extensive program of nuclear explosions for scientific and industrial purposes was formulated. At the same time, in the 60s, such projects of nuclear explosions as Glausher, Gesbagi, and Rollison were carried out for peaceful purposes. However, the description of the device of nuclear charges was not published in open press. It was only reported that during these explosions there was a radioactive contamination of the soil. In the USSR, the first experimental nuclear explosion for industrial purposes was carried out in 1965 near Semipalatinsk. Based on this explosion and subsequent, it was announced that nuclear explosions for industrial purposes were unpromising, and the experiments were terminated.

К взрывному устройству высокой производительности (ВУ) предъявляются следующие основные требования:
- большая мощность взрыва,
- малые габариты или малый объем,
- экологически безопасные взрывные составы.The following basic requirements are imposed on a high-performance explosive device (WL):
- large explosion power,
- small dimensions or small volume,
- environmentally friendly explosive compositions.

Приведем конкретные характеристики указанных требований для наиболее неблагоприятных условий создания открытого карьера: дробление и выброс грунта должны производиться с глубины порядка h=100-150 м, из воронки с углом раствора откосов порядка α =120-140^o. Порода грунта - скального типа. При этом объем вынимаемого грунта равен

где R - радиус воронки карьера,

Удельный расход взрывчатого вещества для дробления и выброса различных видов пород грунта и размеров кусков дробления колеблется в пределах q= 0,2÷1,5 кг/м. Справочник взрывника. Москва, Недра, 1988 (здесь и ниже масса взрывчатого вещества измеряется в тринитротолуоловом эквиваленте). Отсюда требуемая мощность равна
Q = vq = 26,7 • 10⁶ • 1,5 = 40 • 10⁶ кг = 40 кт. (2)
Таким образом, мощность взрыва применительно к созданию карьера должна быть не менее 40 кт.We give specific characteristics of these requirements for the most unfavorable conditions for creating an open pit: crushing and ejection of soil should be carried out from a depth of the order of h = 100-150 m, from a funnel with a slope angle of the slope of the order of α = 120-140 ^o . The soil is rocky. The volume of excavated soil is

where R is the radius of the quarry funnel,

The specific consumption of explosives for crushing and ejecting various types of soil and the size of pieces of crushing ranges from q = 0.2 ÷ 1.5 kg / m. Explosive reference book. Moscow, Nedra, 1988 (hereinafter, the explosive mass is measured in trinitrotoluene equivalent). Hence the required power is
Q = vq = 26.7 • 10 ⁶ • 1.5 = 40 • 10 ⁶ kg = 40 ct. (2)
Thus, the explosion power in relation to the creation of a quarry should be at least 40 kt.

Взрывное устройство целесообразно опускать в типовых бурильных трубах нефтяных скважин диаметром 15 см. Отсюда, для того, чтобы взрывное устройство могло перемещаться в указанной трубе, его диаметр должен быть меньше 15 см, например 10 см. Если высоту устройства также считать равной 10 см, то его объем равен
v₀ = πr²h₀ = π5²10 = 785 см³.
В этом случае производительность ВУ должна быть не менее

Для того чтобы ВУ было экологически безопасным, оно не должно содержать радиоактивных исходных веществ и продуктов реакции, не создавать в результате взрыва наведенной радиоактивности на окружающих предметах. Ниже показано, как это требование выполняется.It is advisable to lower the blasting device in standard drill pipes of oil wells with a diameter of 15 cm. Hence, in order for the blasting device to move in the specified pipe, its diameter should be less than 15 cm, for example 10 cm. If the height of the device is also considered equal to 10 cm, then its volume is equal
v ₀ = πr ² h ₀ = π5 ² 10 = 785 cm ³ .
In this case, the performance of the control unit must be at least

In order for the VU to be environmentally friendly, it should not contain radioactive starting materials and reaction products, and not create induced radioactivity in surrounding objects as a result of the explosion. The following shows how this requirement is met.

Прототипом предлагаемого взрывного устройства является толкатель устройства запуска объектов в космос, описание которого приведено в описании изобретения к патенту РФ 2035025 "Способ безракетного запуска объектов в космос и устройство для его осуществления" (приоритет 07.05.1988 г., автор - Ванин В. Н. ). Указанный прототип содержит корпус, взрыватель, преобразователь (переходной слой), лазер, световоды, устройство управления. Принцип действия прототипа и предлагаемого устройства одинаков: импульс лазерного излучения, падающий на ядерное вещество взрывателя, инициирует термоядерную реакцию, которая в виде тепловой волны распространяется вдоль заряда взрывателя; в результате реакции вылетают высокоэнергетические частицы, которые направляются на преобразователь и образуют в нем множество трещин; акустическая эмиссия трещин создает ударные волны, воздействующие на окружающую среду. Однако указанный прототип имеет ряд недостатков, которые не позволяют прототипу удовлетворить приведенным выше требованиям к ВУ и реализовать его непосредственно в ВУ. Эти недостатки прототипа связаны с его габаритами, формой и составом заряда, конструкцией преобразователя. The prototype of the proposed explosive device is a pusher of a device for launching objects into space, the description of which is given in the description of the invention to RF patent 2035025 "Method for the launch of objects into space and a device for its implementation" (priority 07.05.1988, author - Vanin V. N. ) The specified prototype contains a housing, fuse, transducer (transition layer), a laser, optical fibers, a control device. The principle of operation of the prototype and the proposed device is the same: a laser pulse incident on the nuclear material of the fuse initiates a thermonuclear reaction, which in the form of a heat wave propagates along the charge of the fuse; as a result of the reaction, high-energy particles fly out, which are sent to the transducer and form many cracks in it; acoustic emission of cracks creates shock waves affecting the environment. However, this prototype has a number of disadvantages that do not allow the prototype to satisfy the above requirements for the WU and implement it directly in the WU. These disadvantages of the prototype are associated with its dimensions, shape and composition of the charge, the design of the Converter.

Для уменьшения габаритов и, следовательно, объема (а также массы) ВУ применена новая конструкция взрывателя и миниатюрный лазер. Если в прототипе взрыватель представляет собой сферическую оболочечную мишень, то в ВУ он состоит из двух пар твердотельных конусов, заполненных ядерным веществом и имеющих отверстие на вершине, с попарно взаимно перпендикулярными осями. При воздействии импульса лазерного излучения на ядерное вещество конуса вблизи его вершины образуется сгусток низкотемпературной плазмы (температура порядка 10³ ^oС), который через отверстие в вершине вылетает в пространство между вершинами четырех конусов. Так как сгустки двух конусов на одной оси вылетают навстречу друг другу, то происходит их схлопывание. Схлопывание двух пар сгустков ведет к такому сжатию вещества, при котором образуется сгусток высокотемпературной плазмы (температура порядка 10⁹ ^oС). Этот сгусток инициирует тепловую волну в заряде. Таким образом в ВУ осуществляется двухэтапное сжатие: сжатие ядерного вещества в каждом конусе в режиме термоядерной вспышки - "лазерной искры" и сжатие (схлопывание) четырех сгустков плазмы в режиме "зажигания". При этом для получения "лазерной искры" в конусе затрачивается сравнительно малая энергия, а выделившаяся в результате термоядерной реакции энергия в сгустке используется для последующего схлопывания и получения режима "зажигания". Указанный принцип использования полученной на первом этапе внутриядерной энергии для последующего зажигания принципиально отличается от распространенного и детально изученного принципа непосредственного воздействия лазерного излучения на сферическую мишень для получения ее зажигания. Этот принцип непосредственного воздействия требует от лазера энергию в 10³-10⁵ Дж, которую получить весьма трудно. Указанная конструкция взрывателя и его способ действия имеют аналог в виде конструкции и способа действия конической мишени устройства, приведенного в описании изобретения к патенту РФ 2113524 "Устройство для искусственного получения золота и платины" (приоритет 03.06.1997 г. , автор - Ванин В.Н.). В этом описании подтверждена работоспособность рассматриваемого взрывателя выполнением критерия Лоусона (столбцы 7, 8 описания).To reduce the dimensions and, consequently, the volume (as well as the mass) of the HE, a new fuse design and a miniature laser were used. If in the prototype the fuse is a spherical shell target, then in the VU it consists of two pairs of solid-state cones filled with nuclear material and having an aperture at the apex, with mutually perpendicular axes in pairs. When a laser pulse affects the cone's nuclear material, a bunch of low-temperature plasma (temperature of the order of 10 ³ ^o С) is formed near its top, which flies out through the hole in the top into the space between the vertices of the four cones. Since the clumps of two cones on the same axis fly out towards each other, they collapse. The collapse of two pairs of clumps leads to such a compression of the substance, which forms a bunch of high-temperature plasma (temperature of about 10 ⁹ ^o C). This bunch initiates a heat wave in the charge. Thus, a two-stage compression is carried out in the VU: compression of nuclear material in each cone in the thermonuclear flash - “laser spark” mode and compression (collapse) of four plasma clots in the “ignition” mode. Moreover, to obtain a "laser spark" in the cone, relatively low energy is expended, and the energy released as a result of the thermonuclear reaction in the bunch is used for subsequent collapse and to obtain the "ignition" mode. The indicated principle of using the intranuclear energy obtained at the first stage for subsequent ignition is fundamentally different from the widespread and thoroughly studied principle of the direct action of laser radiation on a spherical target to obtain its ignition. This principle of direct exposure requires a laser energy of 10 ³ -10 ⁵ J, which is very difficult to obtain. The specified design of the fuse and its method of action have an analogue in the form of the structure and method of action of the conical target of the device described in the description of the invention to RF patent 2113524 "Device for the artificial production of gold and platinum" (priority 03.06.1997, author - Vanin V.N .). This description confirms the operability of the fuse in question by fulfilling the Lawson criterion (columns 7, 8 of the description).

Малогабаритность лазера достигается уменьшением требуемой суммарной выходной мощности, применением полупроводниковых инжекционных лазеров и использованием в них сверхпорогового режима генерации. Уменьшение требуемой выходной мощности лазера основано на применении двухэтапного сжатия, при котором на первом этапе осуществляется лишь режим "лазерной искры". Экспериментально определено, что для осуществления режима "лазерной искры" требуется энергия в импульсе 30-40 Дж (Взаимодействие лазерного излучения с термоядерными мишенями. Труды ФИАН. Том 133, М., Наука, 1988, стр. 4). При этом для длительности лазерного импульса τ=1 мс мощность в импульсе должна быть 40/10^-3=40 кВт.The small size of the laser is achieved by reducing the required total output power, using semiconductor injection lasers and using an ultra-threshold generation mode in them. Reducing the required laser output power is based on the use of two-stage compression, in which only the “laser spark” mode is implemented at the first stage. It has been experimentally determined that the “laser spark” regime requires energy per pulse of 30–40 J (Interaction of laser radiation with thermonuclear targets. Proceedings of the LPI. Vol. 133, M., Nauka, 1988, p. 4). Moreover, for the duration of the laser pulse τ = 1 ms, the power in the pulse should be 40/10 ^-3 = 40 kW.

В настоящее время отечественной промышленностью выпускаются полупроводниковые инжекционные лазеры серии ИЛПН с мощностью в импульсе до 1000 Вт (с охлаждением) и с длиной волны 0,7-0,9 мкм. Отсюда, каждый лазерный канал должен бы состоять из 40 лазеров. Однако если учесть, что ВУ является устройством одноразового действия, то в лазерах может быть применен режим сверхпороговой генерации, при котором путем увеличения тока накачки мощность в импульсе увеличивается примерно в 5 раз (при этом лазер погибает). Тогда число лазеров для одного конуса может быть уменьшено до восьми. Currently, the domestic industry produces ILPN semiconductor injection lasers with a pulse power of up to 1000 W (with cooling) and with a wavelength of 0.7-0.9 microns. Hence, each laser channel should consist of 40 lasers. However, if we consider that the SL is a one-time device, then superthreshold lasing can be used in lasers, in which, by increasing the pump current, the pulse power increases by about 5 times (the laser dies). Then the number of lasers for one cone can be reduced to eight.

Кроме указанных четырех конусов, для зажигания в ВУ используется еще пятый конус: для направления вылетевших протонов на преобразователь, увеличения их скорости и, следовательно, их кинетической энергии. Пятый конус расположен вдоль оси заряда и примыкает к его вершине. Таким образом, в ВУ применяются 40 полупроводниковых лазеров. Указанные лазеры составляют решетку (линейку), в которой накачка лазеров производится импульсом тока (разрядом через лазеры) параллельно для всех лазеров. Размеры лазера с двойной гетероструктурой: длина - 130 мкм, ширина - 100÷200 мкм, толщина - 150 мкм. Расходимость лазерного луча - 1-2^o (Илларионов В,Е., Ларюшин А.И. Оптикоэлектронные устройства для медицины. Казань, 2000, стр.57, 58). К излучающему выходу лазера прикрепляется плоской стороной половинка стеклянной "бусинки" диаметром 1 мм для согласования выхода лазера со световодом. Отсюда, размеры решетки лазеров 0,13x0,2•8x1•5=(0,13x1,6x5) мм.In addition to these four cones, a fifth cone is also used for ignition in the VU: for directing the emitted protons to the converter, increasing their speed and, therefore, their kinetic energy. The fifth cone is located along the axis of the charge and is adjacent to its apex. Thus, 40 semiconductor lasers are used in the WU. These lasers form a grating (line) in which the lasers are pumped by a current pulse (discharge through lasers) in parallel for all lasers. The dimensions of a laser with a double heterostructure are: length - 130 microns, width - 100 ÷ 200 microns, thickness - 150 microns. Laser beam divergence - 1-2 ^o (Illarionov V, E., Laryushin A.I. Optoelectronic devices for medicine. Kazan, 2000, p. 57, 58). A half of a glass “bead” with a diameter of 1 mm is attached to the radiating output of the laser with a flat side to match the laser output with the optical fiber. Hence, the dimensions of the laser array are 0.13x0.2 • 8x1 • 5 = (0.13x1.6x5) mm.

В прототипе используется форма заряда в виде цилиндра и состав ядерного вещества из смеси дейтерия с тритием. В ВУ используется форма заряда в виде шарового сектора с отростком квадратного сечения (такое сечение обусловлено взаимно перпендикулярным схлопыванием сгустков).В ВУ в качестве ядерного вещества выбран изотоп гелия - гелий-3, так как реакция синтеза ядер гелия-3 имеет однозначный характер и является экологически безопасной по исходным продуктам:
$\binom{3}{2}$ He+ $\binom{3}{2}$ He _→ $\binom{4}{2}$ He+2 $\binom{1}{1}$ p+12,86 МэВ. (4)
В этой реакции образующиеся протоны обладают кинетической анергией в 12,86 МэВ. Они направляются на преобразователь под действием сгустка плазмы пятого конуса, а такте вследствие наличия спин-поляризации ядерного вещества заряда (при этом протоны вылетают в одну сторону), действия электрического поля между корпусом и преобразователем и поляризации в этом поле диэлектрического раструба. Кроме того, под действием указанного сгустка плазмы и электрического поля увеличивается скорость протонов примерно в 10³ раз, а их кинетическая энергия 12,86 МэВ - в 10⁶ раз. При падении протонов на преобразователь эта энергия преобразуется в энергию упругих волн, а сами протоны теряют скорость и нейтрализуются отрицательным зарядом преобразователя. Таким образом, ВУ является экологически безопасным в части продуктов реакции и для окружающей среды.The prototype uses a cylinder shape and the composition of a nuclear substance from a mixture of deuterium and tritium. In the VU, the charge form is used in the form of a spherical sector with a process of a square cross section (this section is due to the mutually perpendicular collapse of the clumps). In the VU, the helium isotope Helium-3 is selected as the nuclear fusion reaction is unambiguous and is environmentally friendly on the original products:
$\binom{3}{2}$ He + $\binom{3}{2}$ He _ → $\binom{4}{2}$ He + 2 $\binom{1}{1}$ p + 12.86 MeV. (4)
In this reaction, the resulting protons have a kinetic anergy of 12.86 MeV. They are directed to the converter under the action of a fifth cone plasma bunch, and the cycle due to the presence of spin polarization of the nuclear material of the charge (in this case, the protons fly out in one direction), the action of the electric field between the body and the converter, and the polarization of the dielectric socket in this field. In addition, under the action of this plasma bunch and electric field, the proton velocity increases by about 10 ³ times, and their kinetic energy of 12.86 MeV - 10 ⁶ times. When protons fall on the transducer, this energy is converted into the energy of elastic waves, and the protons themselves lose speed and are neutralized by the negative charge of the transducer. Thus, WU is environmentally friendly in terms of reaction products and for the environment.

Гелий-3 почти не распространен в земной природе. Он может быть получен путем облучения лития протонами
( $\binom{6}{3}$ Li+ $\binom{1}{1}$ p _→ $\binom{4}{2}$ He+ $\binom{3}{2}$ He),
а затем - разделением изотопов лазерными методами. Кроме того, гелий-3 входит в состав смеси газов некоторых природных газоконденсатных месторождений. Следует отметить, что гелий-3 содержится в лунной пыли. Организация его добычи на Луне и доставка на Землю в достаточном количестве - задача вполне выполнимая средствами отечественной космической техники.Helium-3 is almost not common in terrestrial nature. It can be obtained by irradiating lithium with protons.
( $\binom{6}{3}$ Li + $\binom{1}{1}$ p _ → $\binom{4}{2}$ He + $\binom{3}{2}$ He)
and then - separation of isotopes by laser methods. In addition, helium-3 is part of the gas mixture of some natural gas condensate fields. It should be noted that helium-3 is contained in moon dust. The organization of its production on the Moon and the delivery to Earth in sufficient quantities is a task quite feasible by means of domestic space technology.

В прототипе используется переходной слой в виде круглой пластинки из волокнистого композита, причем в описании не уточняется вид композита и порядок укладки волокон. В ВУ преобразователь выполняется из сложного волокнистого композита (полимерная матрица, стеклянные волокна в три ряда) в виде шарового слоя с ориентацией волокон под углами 0^o, 45^o и 90^o в каждом ряду. Преобразователь крепится к корпусу устройства. Каждый удар протона вызывает в матрице или в волокнах появление новых трещин, или увеличение их длины, или на последней стадии - появление разрывов. Трещины и разрывы являются источниками упругих волн в окружающем воздухе. Таким образом, при падении протонов имеет место явление акустической эмиссии. Следует отметить, что, если в машиностроительных конструкциях из композитов стремятся увеличить прочность и трещиностойкость, то для целей взрывного устройства целесообразно увеличить хрупкость и трещиноспособность. Трещины и разрывы обусловлены в основном микродефектами материала. На количество микродефектов влияет технология приготовления материала матрицы и волокон, а также степень адгезии (степень сцепления волокна с матрицею). Количество трещин и разрывов в десятки тысяч раз возрастает при ориентации волокон под различными углами и при ослабленной адгезии.The prototype uses a transition layer in the form of a round plate of a fibrous composite, and the description does not specify the type of composite and the order of laying of the fibers. In WU, the converter is made of a complex fiber composite (polymer matrix, glass fibers in three rows) in the form of a spherical layer with the orientation of the fibers at angles of 0 ^o , 45 ^o and 90 ^o in each row. The converter is attached to the device case. Each proton impact causes the appearance of new cracks in the matrix or in the fibers, or an increase in their length, or at the last stage, the appearance of discontinuities. Cracks and gaps are sources of elastic waves in the surrounding air. Thus, when protons fall, the phenomenon of acoustic emission takes place. It should be noted that while in engineering structures made of composites they seek to increase strength and crack resistance, for the purposes of an explosive device it is advisable to increase brittleness and crack resistance. Cracks and tears are caused mainly by microdefects of the material. The number of microdefects is affected by the technology of preparing the matrix material and fibers, as well as the degree of adhesion (the degree of adhesion of the fiber to the matrix). The number of cracks and breaks increases tens of thousands of times with the orientation of the fibers at different angles and with weakened adhesion.

Процесс преобразования кинетической энергии частиц в энергию упругих волн акустической эмиссии (AЭ) подтвержден экспериментально и проанализирован во многих публикациях. Например, в статье Гладкова С.О., Никольского В.Т. "К вопросу множественного образования микро трещин при механической нагрузке на полимеры. " (Письма в ЖТФ, 1997 г., том 23, 24). В статье Березина А.В., Козинкиной А.И. "Особенности диагностики повреждений и оценка прочности композитов" (Механика композиционных материалов и конструкций, 1999 г., том 5, 1, стр.102) сказано, что "каждому акту повреждения материала (появлению, росту, слиянию микротрещин и др.) соответствует упругий импульс, называемый актом акустической эмиссии". В кандидатской диссертации Станчица С.А. "Изучение упругих волн растущими трещинами" (Физико-технический институт им. акад. А. Ф. Иоффе, Ленинград, 1990) приведено, что один акт АЭ (трещина длиной до 6 мм) сопровождается энергией (8÷30)10^-5 Дж. Для дальнейших расчетов примем энергию акта АЭ при падении протона 10^-6 Дж.The process of converting the kinetic energy of particles into the energy of elastic waves of acoustic emission (AE) has been experimentally confirmed and analyzed in many publications. For example, in the article by Gladkov S.O., Nikolsky V.T. “On the issue of multiple formation of micro cracks under mechanical stress on polymers.” (Letters in ZhTF, 1997, vol. 23, 24). In the article Berezina A.V., Kozinkina A.I. “Features of damage diagnostics and assessment of the strength of composites” (Mechanics of Composite Materials and Structures, 1999, vol. 5, 1, p. 102) says that “every act of damage to the material (appearance, growth, fusion of microcracks, etc.) corresponds to an elastic an impulse called an act of acoustic emission. " In the candidate dissertation Stanchitsa S.A. “The study of elastic waves by growing cracks” (Physicotechnical Institute named after Acad. A.F. Ioffe, Leningrad, 1990), it is shown that one act of AE (a crack up to 6 mm long) is accompanied by an energy of (8 ÷ 30) 10 ^-5 J For further calculations, we take the energy of the AE act when the proton falls 10 ^-6 J.

Для обоснования возможности осуществления малогабаритного ВУ рассчитаем размеры заряда из гелия-3 для эквивалента Q=40 кт. Так как 20 кт тротила эквивалентна энергия 25•10⁶ кВт•ч (Кухлинг X., Справочник по физике, М., Мир, 1992, стр.443) или 1 т эквивалентна 25•10⁶•10³•3600/20=4,5•10¹² Дж, то 40 кт соответствует: 40•10³•4,5•10¹²=180•10¹⁵ Дж. Указанная энергия должна быть получена в результате акустической эмиссии преобразователя. При этом на преобразователь должно упасть 180•10¹⁵/10^-6=1,8•10²³ протонов, которые должны быть получены в результате реакции 0,9•10²³ атомов гелия-3 [см. (4)]. Так как один моль идеального газа содержит 6,02•10²³ атомов (число Авогадро) и занимает объем в 22,4 л при нормальных условиях, то объем заряда равен

Полученный объем заряда неприемлем. Для уменьшения этого объема следует увеличить давление газа. Согласно уравнению Клайперона

при T= const увеличение давления в n раз вызовет уменьшение объема в n раз. Опыты по сжимаемости гелия проводились при давлении до 1000 бар (Церберг И.В. и др. Экспериментальное исследование сжимаемости гелия в интервале температур от 77 К до 273 К и давлении до 1000 бар. Труды Московского энергетического института, 1975 г, вып. 234). Если давление увеличить с одного бара (нормальные условия) до 200 бар, то объем уменьшится до 3350/200= 16,8 см³.To justify the possibility of implementing a small-sized WU, we calculate the size of the charge from helium-3 for the equivalent of Q = 40 kt. Since 20 kt of TNT is equivalent to an energy of 25 • 10 ⁶ kW • h (Kuhling X., Handbook of Physics, Moscow, Mir, 1992, p. 433) or 1 t is equivalent to 25 • 10 ⁶ • 10 ³ • 3600/20 = 4.5 • 10 ¹² J, then 40 kt corresponds to: 40 • 10 ³ • 4.5 • 10 ¹² = 180 • 10 ¹⁵ J. The indicated energy must be obtained as a result of acoustic emission from the transducer. In this case the transducer must fall to 180 • 10 ^15/10 ^-6 = 1,8 • ^{23 October} protons which must be prepared by the reaction of 0.9 • ^{23 October} atoms of helium-3 [cm. (4)]. Since one mole of an ideal gas contains 6.02 • 10 ²³ atoms (Avogadro number) and occupies a volume of 22.4 liters under normal conditions, the charge volume is

The resulting charge volume is unacceptable. To reduce this volume, increase the gas pressure. According to the Kliperon equation

at T = const, an increase in pressure by a factor of n will cause a decrease in volume by a factor of n. Helium compressibility experiments were carried out at pressures up to 1000 bar (IV Tserberg and others. An experimental study of helium compressibility in the temperature range from 77 K to 273 K and pressure up to 1000 bar. Proceedings of the Moscow Power Engineering Institute, 1975, issue 234) . If the pressure is increased from one bar (normal conditions) to 200 bar, then the volume will decrease to 3350/200 = 16.8 cm ³ .

Объем шарового сектора равен

где R - радиус шара,
α - - угол раствора сектора.The volume of the spherical sector is

where R is the radius of the ball,
α - is the angle of the sector solution.

Отсюда R равен

Радиус конуса заряда равен:

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, который представляет собой структурную схему ВУ. На фиг.1 корпус, взрыватель, заряд, преобразователь и фокусирующие линзы показаны в разрезе, в масштабе 1:1.Hence R is equal to

The radius of the cone of charge is equal to:

The essence of the invention is illustrated by the drawing, which is a structural diagram of the WU. In figure 1, the housing, fuse, charge, transducer and focusing lenses are shown in section, in a scale of 1: 1.

Взрывное устройство высокой производительности состоит из следующих частей:
1. Корпус.A high-performance explosive device consists of the following parts:
1. Case.

2. Взрыватель. 2. The fuse.

3. Заряд. 3. Charge.

4. Преобразователь. 4. The converter.

5. Лазер. 5. The laser.

6. Световоды. 6. The fibers.

7. Источник электропитания. 7. Power supply.

8. Пульт управления. 8. The control panel.

Корпус (1) состоит из металлической полушаровой части (1.1) и из диэлектрической (из корунда) конической части (раструба) (1.2). К раструбу крепятся пять конусов взрывателя и преобразователь. Корпус имеет пять патрубков для размещения фокусирующих линз; четыре патрубка расположены попарно на взаимно перпендикулярных осях, а пятый - вдоль оси корпуса, около вершины сектора заряда. Каждая фокусирующая линза представляет собой двухкомпонентную оптическую систему и служит для концентрации лазерного излучения на поверхность ядерного вещества конуса. Диаметр пятна ядерного луча - 0,5 мм. Диаметр корпуса - 6,5 см, высота корпуса - 5,8 см. Угол раствора конического раструба - 140^o (равен углу раствора откосов карьера).The housing (1) consists of a metal hemispherical part (1.1) and a dielectric (corundum) conical part (bell) (1.2). Five fuse cones and a converter are attached to the bell. The housing has five nozzles for accommodating focusing lenses; four nozzles are arranged in pairs on mutually perpendicular axes, and the fifth — along the axis of the housing, near the top of the charge sector. Each focusing lens is a two-component optical system and serves to concentrate laser radiation on the surface of the cone's nuclear material. The diameter of the nuclear beam spot is 0.5 mm. The diameter of the hull is 6.5 cm, the height of the hull is 5.8 cm. The angle of the conical socket solution is 140 ^o (equal to the angle of the solution of the open pit slopes).

Взрыватель (2) состоит из пяти твердотельных конусов из тугоплавкого металла с небольшим отверстием в вершине каждого конуса. Оси двух пар конусов взаимно перпендикулярны и перпендикулярны к оси корпуса. Четыре конуса служат для схлопывания низкотемпературных сгустков и создания высокотемпературного сгустка плазмы. Пятый конус, расположенный вдоль оси корпуса с примыканием к вершине сектора заряда, служит для направления вылетевших протонов на преобразователь. Лазерный импульс на этот конус подается с небольшой задержкой относительно других конусов. Система указанных конусов является по существу импульсном плазмотроном. Каждый конус заполняется ядерным веществом - газом гелием-3, который заключается в полимерную оболочку толщиной 1 мм. Эта оболочка в основании конуса имеет сферическую поверхность и покрывается следами тяжелых металлов. При падении лазерного луча сферическая оболонка прогибается и совместно с тяжелыми металлами увеличивает давление на ядерное вещество, что позволяет уменьшить требуемую мощность лазера, для получения "лазерной искры". Диаметр основания конуса - 6 мм, высота конуса - 7 мм, диаметр отверстия в вершине конуса - 2 мм. Расстояние между отверстиями противоположных конусов - 4 мм. The fuse (2) consists of five solid cones of refractory metal with a small hole at the top of each cone. The axes of two pairs of cones are mutually perpendicular and perpendicular to the axis of the body. Four cones serve to collapse low-temperature clumps and create a high-temperature plasma clot. The fifth cone, located along the axis of the housing adjacent to the top of the charge sector, serves to direct the protons that have emitted to the converter. A laser pulse is applied to this cone with a slight delay relative to other cones. The system of these cones is essentially a pulsed plasmatron. Each cone is filled with a nuclear substance - gas helium-3, which is contained in a polymer shell 1 mm thick. This shell at the base of the cone has a spherical surface and is covered with traces of heavy metals. When a laser beam is incident, the spherical shell bends and, together with heavy metals, increases the pressure on the nuclear substance, which reduces the required laser power to obtain a "laser spark". The diameter of the base of the cone is 6 mm, the height of the cone is 7 mm, the diameter of the hole in the top of the cone is 2 mm. The distance between the holes of the opposite cones is 4 mm.

Заряд (3) является источником протонов и состоит из газа гелия-3 в полимерной оболочке толщиной 1,5 мм, в части отростка - 1 мм. По форме заряд представляет собой шаровой сектор с квадратным отростком в вершине. Сектор размещается в диэлектрическом раструбе корпуса, а отросток - в пространстве между вершинами конусов. Диаметр основания конуса заряда - 6,5 см, угол раствора конуса - 140^o. Сечение отростка имеет размеры 4x4 мм.Charge (3) is a source of protons and consists of helium-3 gas in a polymer shell 1.5 mm thick, in the part of the process - 1 mm. In shape, the charge is a spherical sector with a square process at the apex. The sector is located in the dielectric socket of the body, and the process is located in the space between the vertices of the cones. The diameter of the base of the cone of charge is 6.5 cm, the angle of the cone is 140 ^o . The cross section of the process has dimensions 4x4 mm.

Преобразователь (4) является источником упругих волн акустической эмиссии и представляет собой шаровой слой из волокнистого композита. Матрица композита изготовляется из полимерного материала, волокна - из стекла в виде трех слоев с ориентацией волокон 0^o, 45^o, 90^o. Внутренний радиус шарового слоя равен радиусу шарового сектора заряда - 3,25 мм, толщина парового слоя - 10 мм.The transducer (4) is a source of elastic waves of acoustic emission and is a spherical layer of a fibrous composite. The matrix of the composite is made of a polymeric material, the fibers are made of glass in the form of three layers with a fiber orientation of 0 ^o , 45 ^o , 90 ^o . The inner radius of the spherical layer is equal to the radius of the spherical sector of the charge is 3.25 mm, the thickness of the vapor layer is 10 mm.

Лазер (5) является источником энергии для инициирования режима "лазерной искры" в конусах взрывателя, создания и вылета сгустка низкотемпературной плазмы. Лазер представляет собой решетку из 48 полупроводниковых инжекционных лазеров с накачкой импульсом тока. Лазеры решетки по цепи накачки соединены параллельно, вследствие чего обеспечивается синхронность падения лазерных лучей на четыре конуса. В лазерах используется режим сверхпороговой генерации, благодаря чему выходная мощность увеличивается. В этом режиме лазер погибает (одноразовое действие). Излучение каждого лазера сжимается для ввода в апертуру световода с помощью половинки стеклянной "бусинки" диаметром 1 мм. Затем для создания лазерного канала излучение суммируется с помощью парных объединителей (мультиплексора), включенных в цепи световодов. Суммарная мощность в импульсе полупроводниковой решетки 40•1000=40 кВт. Длительность лазерного импульса - 1 мс. The laser (5) is an energy source for initiating a “laser spark” regime in the cones of the fuse, creating and releasing a bunch of low-temperature plasma. The laser is a grating of 48 semiconductor injection lasers pumped by a current pulse. Lattice lasers along the pump circuit are connected in parallel, which ensures the synchronism of the incidence of laser beams on four cones. In lasers, the superthreshold generation mode is used, due to which the output power increases. In this mode, the laser dies (one-time operation). The radiation of each laser is compressed to enter into the aperture of the fiber with the help of half a glass "bead" with a diameter of 1 mm. Then, to create a laser channel, the radiation is summed using paired combiners (multiplexer) included in the optical fiber circuit. The total power in a pulse of a semiconductor grating is 40 • 1000 = 40 kW. The duration of the laser pulse is 1 ms.

Световоды (6) служат для передачи лазерного излучения от последнего объединителя к фокусирующей линзе и изготовляются из специального стекла. Количество световодов - пять (6.1, 6.2, 6.3, 6,4, 6.5). Один из световодов (6.5) имеет большую длину для создания задержки лазерного импульса, пятого конуса. Диаметр световодов - 2 мм. The optical fibers (6) are used to transmit laser radiation from the last combiner to the focusing lens and are made of special glass. The number of optical fibers is five (6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5). One of the optical fibers (6.5) has a large length to create a delay of the laser pulse, the fifth cone. The diameter of the optical fibers is 2 mm.

Источник электропитания (7) обеспечивает постоянным током лазер и напряжением для создания электрического поля между корпусом и преобразователем, причем плюс источника подключается к корпусу, а минус - к преобразователю (см. фиг.1). Это поле поляризует диэлектрический раструб и совместно с полем поляризации сжимает поток протонов и направляет его на преобразователь. Так как КПД полупроводниковых лазеров очень высокий (до 50%), то для питания решетки лазеров требуется импульсная мощность источника порядка 100 кВт. Эта мощность может быть получена от малогабаритных электрохимических батареек. The power source (7) provides a constant current laser and voltage to create an electric field between the housing and the converter, the plus of the source being connected to the housing, and the minus to the converter (see Fig. 1). This field polarizes the dielectric socket and, together with the polarization field, compresses the proton flux and directs it to the converter. Since the efficiency of semiconductor lasers is very high (up to 50%), pulsed source power of the order of 100 kW is required to power the laser array. This power can be obtained from small electrochemical batteries.

Пульт управления (8) представляет собой переключатель, осуществляющий подачу питания лазера и напряжения на корпус-преобразователь. Пульт имеет фиксированную защиту. The control panel (8) is a switch that supplies laser power and voltage to the converter housing. The console has a fixed protection.

Рассмотрим работу предлагаемого взрывного устройства в динамике. При включении питания с пульта управления срабатывает блок накачки лазера и устанавливается электрическое поле между корпусом и преобразователем. При подаче импульса тока накачки генерируется лазерное излучение. Излучение каждого лазера с помощью половинки стеклянной "бусинки" вводится в световод. Затем излучение от 8 лазеров с помощью парных объединителей суммируется в один канал и направляется световодом на фокусирующую линзу корпуса. Линза концентрирует лазерное излучение на поверхность основания конуса. При падении излучения на конус происходит адсорбция излучения, оболочка конуса прогибается; оболочка, а затем и ядерное вещество испаряются. При этом испарении возникает реактивная сила, которая создает ударные волны сжатия. Эти волны, отражаясь от боковых стенок конуса, двигаются к его вершине и сходятся в ней. При этом ядерное вещество в вершине сжимается и локально нагревается до температура 10³ ^oС. Таким образом, в результате режима "лазерной искры" образуется в вершине каждого конуса первичный сгусток плазмы. Под действием реактивной силы этот сгусток через отверстие в вершине вылетает наружу конуса. Процесс образования плотного сгустка плазмы и вылет его из отверстия подтвержден экспериментально в ряде публикаций. Например, в статье "Импульсное сжатие и нагрев газа в конических мишенях". Труды Института общей физики РАН 36, 1996.Consider the work of the proposed explosive device in dynamics. When the power is turned on from the control panel, the laser pumping unit is triggered and an electric field is established between the housing and the converter. When a pump current pulse is applied, laser radiation is generated. The radiation of each laser with the help of half a glass "bead" is introduced into the fiber. Then the radiation from 8 lasers with the help of paired combiners is summed into one channel and is directed by the optical fiber to the focusing lens of the housing. The lens concentrates laser radiation on the surface of the base of the cone. When radiation falls on the cone, radiation is adsorbed, the cone shell bends; the shell, and then the nuclear material, evaporates. During this evaporation, a reactive force arises which creates shock waves of compression. These waves, reflected from the side walls of the cone, move to its apex and converge in it. In this case, the nuclear material at the apex is compressed and locally heated to a temperature of 10 ³ ^o C. Thus, as a result of the "laser spark" mode, a primary plasma bunch is formed at the apex of each cone. Under the influence of reactive force, this clot flies out of the cone through a hole in the apex. The process of formation of a dense plasma clot and its release from the hole has been experimentally confirmed in a number of publications. For example, in the article "Pulse compression and heating of gas in conical targets." Proceedings of the Institute of General Physics RAS 36, 1996.

Вылетевшие из отверстий в вершинах конусов сгустки плазмы попарно сталкиваются в квадратном отростке заряда. При этом сильно увеличивается степень сжатия плазмы и ее температура возрастает до 10⁹ ^oС. Возникает режим "зажигания" плазмы. При "зажигании" плазмы образуется тепловая волна (волна термоядерной реакции), которая распространяется в раструбе заряда со скоростью 10⁷ см/с. Процесс образования тепловой волны подтвержден экспериментально во многих публикациях. Например, Алиханов С.Г., Конкашбаев И.К. Термоядерная волна горения. Препринт 633.951. Новосибирск, 1970.Plasma clusters flying out of the holes at the tops of the cones collide in a pair in a square process of the charge. This greatly increases the degree of compression of the plasma and its temperature rises to 10 ⁹ ^o C. There is a mode of "ignition" of the plasma. When the plasma is “ignited”, a thermal wave is formed (a wave of thermonuclear reaction), which propagates in the socket of the charge at a speed of 10 ⁷ cm / s. The process of the formation of a heat wave has been experimentally confirmed in many publications. For example, Alikhanov S.G., Konkashbaev I.K. Thermonuclear combustion wave. Preprint 633.951. Novosibirsk, 1970.

Протоны, вылетевшие в результате термоядерной реакции, направляются на преобразователь вследствие действия проведенной при изготовлении заряда спин-поляризации ядерного вещества заряда, действия электрического поля между корпусом и преобразователем и поляризации в этом поле диэлектрического раструба. При этом на внутренней поверхности раструба, прилегающей к заряду, возникают положительные электрические заряды, которые дополнительно отталкивают протоны в направлении на преобразователь. Кроме того, протоны подталкиваются сгустком плазмы, созданным пятым конусом, размещенным вдоль оси заряда. Действие этого сгустка задерживается на небольшое время каналом пятого конуса. Protons emitted as a result of a thermonuclear reaction are sent to the transducer due to the action of the charge produced by the spin-polarization of a nuclear substance, the action of an electric field between the body and the transducer, and the polarization of the dielectric socket in this field. In this case, positive electric charges arise on the inner surface of the socket adjacent to the charge, which additionally repel protons towards the converter. In addition, protons are pushed by a plasma bunch created by a fifth cone placed along the charge axis. The action of this clot is delayed for a short time by the channel of the fifth cone.

Падение каждого протона на преобразователь сопровождается актом акустической эмиссии. При этом в композите появляются новые трещины, или растут и сливаются старые, или появляются разрывы матрицы и волокон. Энергия актов AЭ, складывалось, образует ударные волны. Процесс образования ударных волн при возникновении и развитии микротрещин экспериментально подтвержден и проанализирован во многих публикациях (примеры публикаций приведены выше). Образованные ударные волны воздействуют на окружающую среду - земляной (скальный) грунт. The incidence of each proton on the transducer is accompanied by an act of acoustic emission. In this case, new cracks appear in the composite, or old cracks grow and merge, or matrix and fiber breaks appear. The energy of the AE acts, formed, forms shock waves. The process of formation of shock waves during the occurrence and development of microcracks has been experimentally confirmed and analyzed in many publications (examples of publications are given above). Formed shock waves affect the environment - earthen (rocky) soil.

При создании карьера взрывное устройство опускают на глубину в типовых бурильных трубах нефтяных скважин. После опускания ВУ часть труби цементируется на несколько ветров от ВУ (Басаргин Ю.М. и др. Заканчивание скважин. М., Недра. 2000). When creating a quarry, the explosive device is lowered to a depth in typical drill pipes of oil wells. After lowering the WU, part of the pipe is cemented to several winds from the WU (Basargin Yu.M. et al. Completion. M., Nedra. 2000).

В заключение приведем технические характеристики рассмотренного ВУ. Габариты этого ВУ определяются в радиальном направлении диаметром выступа корпуса (7,5 см) и в осевом направлении - радиусом нижней части корпуса (3,5 см), плюс радиусом конуса заряда (4,0 см), плюс толщиной преобразователя (1,0 см), плюс высотой лазера (0,5 см) и высотой источника электропитания (1 см). Итого 10 см. Отсюда объем ВУ равен
v₀=π3,75²•10=442 см³.In conclusion, we present the technical characteristics of the considered WU. The dimensions of this CS are determined in the radial direction by the diameter of the protrusion of the case (7.5 cm) and in the axial direction by the radius of the lower part of the case (3.5 cm), plus the radius of the charge cone (4.0 cm), plus the thickness of the transducer (1.0 cm), plus the height of the laser (0.5 cm) and the height of the power source (1 cm). Total 10 cm. Hence, the volume of WU is
v ₀ = π3.75 ² • 10 = 442 cm ³ .

Таким образом, производительность ВУ для создания карьера равна

Указанная производительность ВУ в сотни раз больше производительности взрывных устройств, применяющих в настоящее время заряды взрывчатого вещества из толуола.Thus, the productivity of WU to create a quarry is equal to

The indicated productivity of the explosive device is hundreds of times greater than the productivity of explosive devices that currently use explosive charges from toluene.

В качестве примера реализации ВУ был выбран карьер с глубиной h=150 м и углом откосов α == 140^o. На практике имеется необходимость в карьерах с различными характеристиками. Например, в Якутии сооружен карьер 3 с h=600 м и α == 83^o (Андросов А.Д., Куприянов Г.О. Определение контуров и этапов отработки карьеров. Институт региональной экономики АН республики САХА (Якутия). Якутск. 2001, стр.10). Для этого карьера по формуле (I) объем равен

При q=0,7 кг/м мощность взрыва равна
Q = VQ = 176 • 10⁶ • 0,7 = 123 кт.An open pit mine with a depth of h = 150 m and a slope angle of α == 140 ^o was chosen as an example of WU implementation. In practice, there is a need for quarries with various characteristics. For example, in Yakutia, quarry 3 was constructed with h = 600 m and α == 83 ^o (Androsov A.D., Kupriyanov G.O. Determination of the contours and stages of quarrying. Institute of Regional Economics of the Academy of Sciences of the Republic of SAHA (Yakutia). Yakutsk. 2001 p. 10). For this career, according to formula (I), the volume is

At q = 0.7 kg / m, the explosion power is
Q = VQ = 176 • 10 ⁶ • 0.7 = 123 ct.

Для сохранения габаритов заряда можно увеличить давление газа в 123/40= 3,07 раза. При этом давление газа равно 200•3,07=614 бар. To preserve the charge dimensions, it is possible to increase the gas pressure by 123/40 = 3.07 times. The gas pressure is 200 • 3.07 = 614 bar.

Следует отметить, что мощность взрыва может быть изменена за счет изменения габаритов заряда в осевом направлении и изменения давления газа в заряде от нескольких грамм до нескольких тонн. При зарядах малой мощности минимальный осевой размер ВУ будет определяться расстоянием между основаниями конусов взрывателя (1,8 см). It should be noted that the power of the explosion can be changed by changing the dimensions of the charge in the axial direction and changing the gas pressure in the charge from a few grams to several tons. With low-power charges, the minimum axial size of the HE will be determined by the distance between the bases of the fuse cones (1.8 cm).

Кроме повышения производительности, предлагаемое ВУ позволяет сократить сроки буровзрывных работ, снизить трудоемкость и стоимость работ. In addition to increasing productivity, the proposed WU allows to reduce the time of drilling and blasting, to reduce the complexity and cost of work.

Claims

An explosive device containing a housing, a fuse, a charge, a converter, a laser, optical fibers, a power source and a control panel, characterized in that, in order to increase the productivity of the device — the ratio of the power of the explosion to the volume of the explosive device, the fuse is made in the form of five solid cones filled with helium-3 gas having an opening at the apex of each cone, while four cones are arranged with pairwise mutually perpendicular axes and perpendicular to the axis of the body, and the fifth - along the axis of the body, adjacent to The top of the charge, the charge is made in the form of a spherical sector enclosed in a polymer shell and filled with helium-3 gas under pressure, the converter is made in the form of a spherical layer of a fibrous composite and is adjacent to the spherical surface of the charge, while the fibers are oriented at different angles, and the laser is made in the form of a grating of injection semiconductor lasers pumped by pulsed current.