Газодинамика и физика взрыва

В РФЯЦ-ВНИИЭФ газодинамические исследования в основном проводятся в Институте экспериментальной газодинамики и физики взрыва (ИФВ), одном из старейших тематических подразделений.
Исследуются:

• физика детонации и ударных волн
• уравнения состояния и сжимаемость веществ
• динамическая прочность и реология материалов
• прочность и разрушение конструкций, разработка взрывостойких локализующих сосудов
• газодинамический термоядерный синтез
• гидродинамические неустойчивости в реальных средах

Кроме того, создаются методики газодинамического эксперимента; комплексно исследуются свойства ВВ; экспериментально отрабатываются боевые части неядерных вооружений.
Экспериментальная база газодинамических исследований сосредоточена в лабораториях и на внутренних полигонах, оборудованных современной диагностической аппаратурой.

Институт имеет самый мощный в России комплекс импульсных рентгенографических установок для диагностики быстропротекающих процессов с современными средствами регистрации и обработки рентгеновских изображений: от установок сравнительно «мягкого» (энергия гамма квантов – сотни тысяч электроновольт) спектра до циклических ускорителей электронов – бетатронов с граничной энергией гамма-квантов 65-70 миллионов электроновольт.
В 2007 году введен в строй новый трехлучевой многоканальный рентгенографический комплекс на базе трех синхронно работающих бетатронов БИМ234.3000, способных получить 9-12 кадров взрывного процесса. Этим комплексом заложены аппаратные возможности малоракурсной импульсной рентгеновской томографии быстропротекающих взрывных процессов.

ВНИИЭФ является лидером в исследованиях динамической (ударноволновой и квазиизэнтропической) сжимаемости веществ для построения широкодиапазонных уравнений состояния, необходимых как для адекватного численного моделирования работы изделий ядерно-оружейного комплекса России, так и для получения данных о фундаментальных свойствах материи.

Для описания физическими моделями и численными кодами динамических физико-математических свойств и реологии конструкционных материалов в области влияния прочности ведутся интенсивные исследования механизмов динамического деформирования и разрушения материалов в широком диапазоне параметров их нагружения: скорости деформирования, давления Р – до нескольких миллионов атмосфер, температура – до температур плавления.

Перспективными направлениями в этой области являются: исследования природы гетерогенной деформации в волнах сжатия, влияния ударной волны на физико-механические свойства металлов и создание обоснованной широкодиапазонной модели.
Один из лабораторных прецизионных инструментов создания динамических напряжений в диапазоне давлений в сотни тысяч атмосфер – баллистическая ударная труба, используемая наряду со взрывными нагружающими устройствами.
Для диагностики взрывных процессов в полигонных условиях созданы и эксплуатируются разнообразные многоканальные измерительно-вычислительные комплексы, адаптированные для регистрации как логических (временных), так и аналоговых сигналов.

Для прецизионных «невозмущающих» измерений волновых процессов активно используются лазерные и радиоинтерферометрические доплеровские методы диагностики и измерительные комплексы собственной разработки.

Моделирование нестационарных гидродинамических течений, в частности, гидродинамических неустойчивостей и турбулентного перемешивания, в газах и жидкостях, а также в средах с прочностью не только предмет, но и инструмент исследований вязкопластических и прочностных свойств вещества в диапазоне давлений, температур и скоростей течений, недоступных другим методам.
Канал ускорительный КУ-210 предназначен для исследования влияния масштабных факторов на развитие гидродинамических неустойчивостей и турбулентного перемешивания на границе газ-жидкость.

Исследование неустойчивости Релея-Тейлора в твердых веществах – новый метод для определения динамической прочности материалов при высоких давлениях ~ 10-100 ГПа. Исследованы следующие материалы: Fe, Cu, Al, Ti и другие.

Для испытаний поведения конструкций при интенсивных динамических нагрузках широко применяются импульсные испытательные установки комплекса «Ствол» (калибр от 20 до 410 мм, уровень перегрузок до 10000 ед.), объединенные единым принципом создания перегрузок взрывом распределенного заряда ВВ в многоразовой локализующей камере – отсеке нагружения. Достоинства установок – дешевизна, хорошая воспроизводимость результатов и синхронизуемость с современными методиками газодинамических измерений.

Испытательные стенды «Ствол» способны моделировать и соударение объектов испытаний с преградами в диапазоне от скоростей в десятки метров в секунду до ~ 1 км/с (аварийные ситуации).
Другое средство моделирования аварийных соударений до скоростей ~ 200 м/с, характерных для транспортных средств, включая авиационные – стенды серии «Удар», калибры которых базируются на стандартных типоразмерах труб. Пакетирование этих стендов в блоки практически снимает вопрос о максимально достижимых тяговых усилиях и о моделировании перегрузок на крупногабаритных объектах.
Достоинства стенда: простота конструкции; возможность реализации широкого диапазона основных характеристик взаимодействия ударника и ОИ (конструкция, скорость и масса ударника, наличие или отсутствие демпферов, формирователей импульса, подпорного давления на ударник); возможность испытания ударостойкости различных по конструкции и массе ОИ, в том числе содержащих ВВ, РВ, ДМ и токсичные материалы; высокая информативность реакции (отклика) ОИ, обусловленная его неподвижностью до момента нагружения.
Для исследований вопросов подводного взрыва имеется испытательный комплекс, в который входят бассейн, камеры высокого давления для моделирования глубоководных эффектов, оснащенных современными диагностическими средствами, включая автономные регистраторы аппаратных воздействий, созданные совместно с НИИ импульсной техники.
Газодинамические взрывные исследования базируются на достижениях в химии и технологии взрывчатых веществ. Отдел химии и технологии ВВ обладает сотнями методик разработки, исследований и испытаний ВВ: собственно технология, физико-химические исследования, термохимия ВВ, физико-механические свойства ВВ и деталей из них, чувствительность и взрывостойкость к разнообразным внешним воздействиям, газодинамические (рабочие) характеристики, развитие и передача детонации и т.п.

Ведется разработка взрывчатых веществ, чувствительных к импульсу лазерного излучения. Они могут найти широкое применение в различных приборах, разрабатываемых в институте.

В начале 80-х годах прошлого века началось развитие гражданских приложений импульсных технологий, тогда был выполнен комплекс работ по обоснованию взрывостойкости корпусов быстрых реакторов.

Эти работы велись параллельно с разработкой уникальных взрыволокализующих транспортабельных контейнеров с рекордными показателями отношения энерговыделения локализуемого взрыва к массе контейнера.

Разработаны контейнеры для транспортировки опасных грузов, в том числе делящихся материалов, всеми видами транспорта, включая авиационный. Они испытаны на комплексное воздействие авиационных катастроф, сопровождающихся пожаром.
Ударостойкие контейнеры для транспортирования образцов делящихся материалов по воздуху могут использоваться как независимые контейнеры, так и вместе с другими типами контейнеров (контейнеры, ложементы и т.д.). Выпускаются в двух вариантах: массой 90 кг с полезным объемом до 5 л и диаметром 380 мм, массой 12 кг с полезным объемом 1 л и диаметром 228 мм.
Конструкция контейнеров обеспечивает защиту образцов, расположенных в полезном объеме, при аварии самолета и воздействии температурного поля до 1000°С в течение 0,7-1 часа (в этом случае в полезном объеме температура не превышает 250°С).
Автозатворы, разработанные для автоматического перекрытия вентиляционных каналов АЭС и других объектов в случае техногенных аварий или диверсионных актов, производятся серийно.
На использовании открытия учеными ИФВ ВНИИЭФ «ударных волн разрежения» в средах с фазовыми переходами (А.Г. Иванов, С.А. Новиков, Я.Б. Зельдович и др. – 1960-е годы) реализовано несколько типов взрывных «ножей», уникальность которых в применении в 3-10 раз меньше ВВ, чем требовалось до их появления.

Активно ведутся исследования и разработки, направленные на изучение последствий крупномасштабных взрывов и их минимизацию.