Рабочая программа учебной дисциплины Импульсные технологии

Новосибирский государственный технический университет

Факультет летательных аппаратов

Кафедра газодинамических импульсных устройств

  «УТВЕРЖДАЮ»

  Декан ФЛА, д. т.н., профессор

  ____________

  “___”_____________ 2006 г.

Рабочая программа учебной дисциплины

Импульсные технологии

ООП  по направлению 170100 - Оружие и системы вооружения,

специальность170103– Средства поражения и боеприпасы

Факультет летательных аппаратов

Курс 5, семестр 9

Лекции 34 часа 

Лабораторные работы 17 часов

Курсовая работа 9 семестр 

Самостоятельная работа 90 часов 

Зачет 9 семестр 

Всего 141 час

Новосибирск, 2006

2006 г.

Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 170100 - Оружие и системы вооружения.

Регистрационный номер  336 тех/дс  от “14” апреля 2000 г.

Дисциплина относится к циклу «Дисциплины, устанавливаемые вузом, включая по выбору студента». Шифр дисциплины по учебному плану 4012.

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры газодинамических импульсных устройств (протокол № 3 от 24.10.06).

Программу разработал  д. т.н., профессор

Зам. зав. кафедрой ГДУ  д. т.н., профессор 

Ответственный за основную

образовательную программу  д. т.н. профессор 

1. Внешние требования

В соответствии с квалификационной характеристикой выпускника (п. 1.4 ГОС) задачи дисциплины «Импульсные технологии» состоят в формировании умений и навыков по следующим направлениям профессиональной деятельности:

- комплексное исследование, разработка, производство и экспериментальная отработка  новейших образцов артиллерийского, стрелкового и ракетного оружия, высокоэффективных конструкций, технологий и оборудования;

разработка методик расчета, оптимизации и структурно-параметрического синтеза образцов оружия и систем вооружения и составляющих их элементов; разработка планов и программ экспериментальной отработки и испытаний образцов; специальное полигонное, стендовое и лабораторное оборудование, используемое для экспериментальной отработки, исследования и испытаний образцов оружия и составляющих его элементов.

Дисциплина направлена на ознакомление студентов с основами теории детонации, современным уровнем использования взрыва в технологических целях,  с конструкцией и работой импульсных газо-детонационных аппаратов, и проблемами безопасного хранения, транспортировки и работы с газообразными, жидкими топливами и конденсированными ВВ.

2. Перечень дисциплин и разделов, усвоение которых необходимо для изучения дисциплины

Физика, математика и информатика, сопротивление материалов, проектирование, механика деформируемого твердого тела, теория энергетических материалов, внешняя и внутренняя баллистика.

3. Цели учебной дисциплины.

После изучения дисциплины слушатель будет

знать:
1	сведения о способах реализации технологических процессов с использование детонации газовых взрывчатых смесей и конденсированных ВВ, принципы технологических решений и устройство типичных аппаратов, примеры промышленных приложений и основные сведения по обеспечению безопасной реализации взрыва на производстве;
уметь:
2	оценивать параметры взрыва различных систем, пользоваться программными продуктами для их расчета и  управления газо-детонационной импульсной установкой, владеть методиками регистрации основных параметров детонации  и реализовывать напыление детонационных покрытий, иметь навыки подготовки взрывных экспериментов по сварке взрывом и компактированию взрывом порошков.

4. Содержание учебной дисциплины

Тема	Часы
Лекционные занятия
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДЕТОНАЦИИ (на примере газовых смесей) Лекция 1. Взрыв - как результат быстрого концентрированного выделения энергии. Характерные значения длительности (скорости распространения), давления и температуры. Ударная и детонационная волна. Законы сохранения на ударном скачке. Тепловой эффект химической реакции. Аналитическое решение в приближении идеального газа с постоянным показателем адиабаты. Лекция 2. Классическая теория детонации. Ударная адиабата, адиабата Гюгонио и прямая Михельсона. Стационарная самоподдерживающаяся детонация, условие Чепмена-Жуге. Пересжатая детонация. Формулы для расчета плотности, давления и температуры ударно-сжатого газа и продуктов детонации. Проблема теплового эффекта реакции. Представление о химическом равновесии. Диссоциация и рекомбинация. Уравнение химического равновесия. Лекция 3. Система уравнений для стационарной детонации с мгновенной химической реакцией. Программа численного расчета параметров продуктов газовой детонации. Расчеты с использованием инженерного программного продукта. Характерные значения параметров детонации типичных газовых, жидких и твердых ВВ. Модель двухфронтовой детонационной волны Зельдовича-Неймана-Деринга. Задержка воспламенения и период индукции. Лекция 4. Понятие о цепном механизме индукционной стадии реакции. Формула Аррениуса. Представление о неустойчивости зоны индукции. «Вспышка» или «вторичная» детонация в зоне индукции. Пульсации фронта и поперечные волны за фронтом детонации в газах. Мнгофронтовая ячеистая структура. Методы регистрации многофронтовой структуры. Спиновая и галопирующая детонация. Ячейка – как параметр детонационной способности взрывчатых газовых смесей. Возбуждение газовой детонации.	8
ТЕХНОЛОГИЯ ДЕТОНАЦИОННОГО НАПЫЛЕНИЯ Лекция 5. Детонационное напыление – как пример комплексного решения проблемы создания импульсной технологии. Сравнительные характеристики термических методов нанесения покрытий, газопламенное и плазменное напыление, электродуговая металлизация и метод HVOF. Температура и скорость газового потока - определяющие параметры для напыления порошков. Детонационный процесс в газовзвеси твердых частиц. Программа численного расчета параметров порошковых частиц на вылете из ствола установки для напыления. Стратификация состава смеси по длине ствола - расширение технологических возможностей процесса. Расчеты с использованием инженерного программного продукта. Учет не идеальности детонации в реализации режимов напыления. Лекция 6. Представление о механизме образования покрытия. Дифузионно-временные критерии. Роль шероховатости на обрабатываемой поверхности. Тепловая и динамическая составляющие. Коллективные эффекты. Оборудование для детонационного напыления. Системы охлаждения, газопитания и подачи порошка. Компьютерное управление. Управляющие программы для комплекса детонационного напыления: циклограммы режимов, синхронное манипулирование. Лекция 7. Другие технологии с использованием газового взрыва. Рыхление грунта. Разрушение (дробление) громоздких оболочек. Детонационная переработка полимерных материалов. Очистка технологического оборудования от пылевых отложений. Удаление заусенцев после мехобработки. Метание твердых тел с использованием газовой детонации. Генерация ударных волн и инициирование вторичных ВВ. Детонационный движитель: схема со стационарной детонационной волной; импульсные высокочастотные аппараты, бесклапанная схема и газораспределение на быстродействующих клапанах.	6
ТЕХНОЛОГИЧЕКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВВ Лекция 8. Краткий исторический обзор знаний о конденсированных взрывчатых материалах (ВМ) и взрывчатых веществах (ВВ). Специфика процессов горения и взрыва в конденсированной фазе. Способы возбуждения взрыва. Детонация. Основные типы ВВ. Индивидуальные и смесевые ВВ. Понятие о кислородном балансе. Работоспособность и бризантность ВВ. Законы подобия. Тротиловый эквивалент. Лекция 9. Использование взрыва в военных и мирных целях. Профессии взрыва в различных отраслях: горнодобывающая промышленность, строительство, газо - и нефтедобыча, металлообработка и др. Принципы построения промышленных ВВ для различных взрывных профессий. Физико-химические свойства основных ВВ.  Лекция 10. Сварка взрывом, история открытия, место среди традиционных способов сварки. Схема реализации, плоский, осесимметричный случай, конструкционная сварка. Области сварки различных металлов на плоскости U - г (U-скорость точки контакта, г-угол соударения). Лекция 11. Природа соединения, металлографические и другие способы исследования сварного шва. Физические эффекты, струе - и волнообразование, связь с прочностью соединения. Модели волнообразования. Примеры использования сварки взрывом и существующие промышленные технологии. Лекция 12. Взрывное компактирование порошков. Ударные волны в дисперсной среде и модели порошковой среды. Влияние экстремальных параметров (температуры, давления), малого времени воздействия и неравновесных условий на свойства получаемых взрывных компактов. Синтез новых соединений, зависимость свойств от концентрации компонентов, пористости, активации и газового состава. Области применения синтеза и компактирования порошков взрывом.	10
ОСНОВЫ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ Лекция 13. Детонационноспособные среды: типы горючего и окислителя. Детонационные волны в гомогенных и гетерогенных средах; в замкнутых и неограниченных объемах. Основные механизмы. Влияние давления и температуры на детонационную способность. Лекция 14. Пределы воспламенения и детонации: концентрационные, геометрические, по давлению, по температуре... Режимы детонации у пределов. Галопирующая и  низкоскоростная детонации. Критический и предельный диаметры, идеальная детонация. Сравнение пределов распространения детонации в замкнутом и неограниченном объемах с пределами воспламенения. Оценка пределов детонации с помощью гомологической гипотезы. Лекция 15. Способы возбуждения взрыва, чувствительность ВВ. Инициирование детонации. Инициирование ударными волнами, искровым разрядом, взрывом проволочки или фольги, лазерным импульсом. Возбуждение взрыва трением. Критическая энергия инициирования, минимальная энергия зажигания. Роль пространственно-временных характеристик инициатора на возбуждение и развитие процессов горения и детонации. Меры предотвращения или ускорения ПГД. Лекция 16. Детонация газовзвесей, образуемых пылями и каплями жидкостей в атмосфере окислителя. Самовоспламенение сыпучих сред (зерно, угольные отвалы и т. д.). Воздействие взрыва и детонационных волн на преграды и элементы конструкций. Нагрузки при отражении ударных и детонационных волн при нормальном падении на стенку. Нагрузки при отражение косых ударных волн. Дифракция взрывных волн. Принципы и методы ослабления воздействия ударных волн. Лекция 17. Проблемы взрывоопасности. Типовые причины аварийных взрывов. Виды и параметры опасных воздействий взрыва. Критерии фугасного разрушающего действия. Геометрические и концентрационные пределы детонации газовых смесей. Параметры детонационной опасности. Простейшие методы оценки поражающих факторов взрыва. Основные требования при проектировании объектов с учетом возможности взрыва.	10

Тема	Часы
Лабораторные работы
Во время лабораторных работ студенты изучают методики регистрации детонационных процессов и приобретают навыки проведения экспериментов с взрывчатыми газовыми смесями и конденсированными ВВ.	17
Перечень лабораторных работ
Регистрация ударных и детонационных волн в газе. Измерение скорости детонации в конденсированных ВВ интервальным методом и методом Дотриша. Система газопитания камеры непрерывного детонационного сжигания. Импульсный газо-детонационный аппарат.
Курсовые работы
При выполнении курсовой работы студенты самостоятельно изучают конкретную проблему по тематике курса  с проведением литературного обзора, анализа явления или объекта и проводят расчеты, эксперимент или проектирование.
Темы курсовых работ
Рассчитать кислородный баланс аммонала (аммиачная селитра 80%, тротил 15%, алюминиевый порошок 5%). Пути создания современных предохранительных ВВ. Определить скорость пластины, ускоряемой взрывом, по одномерной схеме Гарни. Найти начальные параметры установки (зазоры и угол) стальной и медной пластины и величины заряда аммонита 6ЖВ для осуществления сварки взрывом (область сварки известна). Особенности ударно-волнового сжатия порошков. Стабилизация давления в пневмосистеме. Конструкция дросселя. Измерение давления в ударных волнах в газе. Ударная труба с эластичной мембранаой. Стабилизация подачи газов в детонационную пушку. Конструкция стабилизатора. Система охлаждения детонационной пушки. Конструкция датчика расхода жидкости. Программа расчета параметров продуктов детонации (ПД) взрывчатых газовых смесей. Расчет скорости детонации, давления и температуры для топливо воздушных смесей легких компонент природного газа (СН4, С2Н6). Программа расчета параметров продуктов детонации (ПД) взрывчатых газовых смесей. Расчет скорости детонации, давления и температуры для топливо-воздушных смесей тяжелых компонент природного газа (С3Н8, С4Н10). Стенд эрозионно-абразивных испытаний детонационных покрытий. Импульсная аэродинамическая труба. Определение ламинарно-турбулентного перехода на конусах при числах Маха 12-16. Определение энергетического эквивалента инициаторов – электрическая искра, взрывающаяся проволочка. Определение энергетического эквивалента инициаторов – лазерная искра, заряды ВВ. Ударная труба – продолжительность течения с однородными параметрами. Ударная труба со «сшитой» контактной поверхностью. Быстродействующие устройства для работы ударной трубы. Обзор моделей инициирования детонации. Обзор моделей ячейки многофронтовой детонации. Пределы детонации (концентрационные, геометрические). Обзор моделей зажигания. ДВ в сверхзвуковых потоках.

5. Учебная деятельность

Самостоятельная работа (90 часов) включает:

подготовку к лекциям и практическим занятиям;

выполнение лабораторной  работы.

выполнение курсовой работы.

Содержание лабораторной  работы:

1. Изучить  описание лабораторной работы.

2. Изучить описание используемых приборов.

3. Подготовить экспериментальную установку (сборку), показать преподавателю и выполнить эксперимент.

4. Зарегистрировать измеряемые параметры

5. Произвести анализ и обработку результатов.

6. Сдать работу преподавателю.

Содержание курсовой  работы:

1. Выбрать и согласовать с преподавателем какую-либо тему:

- явление физики взрыва;

- программный продукт;

- экспериментальную установку или узел технологического оборудования.

2. Изучить предложенную преподавателем по теме литературу.

3. Изучить программный продукт или экспериментальную (технологическую) установку.

4. Произвести аналитические или численные расчеты или эксперимент.

5. Произвести анализ явления или эксперимента, сделать эскизный проект.

Пояснительная записка должна содержать:

титульный лист; задание, согласованное с преподавателем; описание физического  явления, экспериментальной установки или технологического устройства; перечень расчетных или измеряемых параметров; описание расчета, эксперимента или проектируемого узла; результаты расчетов, экспериментов или проекта; иллюстрации (графики, фотографии, эскизы); список использованной литературы.

6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине

Студент для получения теоретического зачета должен дать правильные ответы не менее чем на 70 процентов вопросов, заданных преподавателем сдать лабораторную работу и защитить курсовую работу.

Вопросы к зачету приведены в разделе 8 рабочей программы. Общее число вопросов в среднем составляет от четырех до шести плюс по одному вопросу за каждую пропущенную лекцию.

7. Список литературы

Физика взрыва. Под ред. . M., Наука, 1975. , Компанеец детонации. М., Гостехиздат, 1955. Митрофанов гомогенных и гетерогенных систем. Новосибирск, Из-во Института гидродинамики им. СО РАН, 2003. М. Нетлетон. Детонация в газах. М., Мир, 1989. , , Астахов напыление покрытий. – Л.: Судостроение, 1979. , , Григорьев покрытия в машиностроении. – Л.: Машиностроение, 1982. , , Шведов волны в  конденсированных средах. М., Наука, 1970. Дерибас упрочнения и сварки взрывом. Новосибирск. Наука, 1980. , , Романов взрывчатые вещества. М.:Недра, 1988. У. Бейкер, П. Кокс, П. Уэстайн и др. Взрывные явления. Оценки и последствия. В 2-х книгах. М., Мир, 1986.

8. Контролирующие материалы для аттестации студентов по дисциплине

1. Определить понятия взрыва? Привести примеры.

2. Что такое ударная и детонационная волна? Определить понятие числа Маха.

3. Что происходит с веществом при ударном сжатии?

4. Написать уравнения сохранения на ударном скачке.

5. Что такое тепловой эффект химической реакции? Привести пример экзотермической реакции.

6. Вывести аналитические формулы для расчета давления, плотности и температуры на фронте ударной волны в приближении идеального газа с постоянным показателем адиабаты.

7. Нарисовать графики ударной адиабаты, адиабаты Гюгонио и прямой Михельсона в плоскости (P, V).

8. Сформулировать условие Чепмена-Жуге и объяснить его смысл для реализации стационарной (самоподдерживающейся) детонации.

9. Вывести аналитическую формулу для расчета скорости стационарной детонации.

10. Какова основная  зависимость плотности, давления, и температуры продуктов газовой детонации от скорости (числа Маха)?

11. Диссоциация и рекомбинация. Как правильно рассчитать тепловой эффект в продуктах детонации?

12. Что такое пересжатая детонация?

13. Привести характерные значения параметров детонации (скорости, температуры и давления) для водорода, метана и ацетилена.

14. Привести сравнительные характеристики типичных газовых, жидких и твердых ВВ.

15. Сформулировать модель двухфронтовой детонационной волны Зельдовича-Неймана-Деринга.

16.  Что такое задержка воспламенения и период индукции? Формула Аррениуса.

17. Что такое «вспышка» или «вторичная» детонация в зоне индукции? Пульсации фронта и поперечные волны за фронтом детонации в газах.

18. Как регистрируется мнгофронтовая ячеистая структура в газовой детонации?

19. Что такое ячейка фронта, спиновая и галопирующая детонация?

20. Почему ячейка – характерный параметр детонационной способности взрывчатых газовых смесей? Как она связана с критической энергией прямого инициирования газовой детонации? 21. Что такое детонационное напыление?

22.  Привести примеры термических методов напыления.

23. Сравнить плазменное и детонационное напыление.

24. Какие параметры частиц определяют возможность напыления и характеристики покрытий?

25. Сформулировать физическую модель для расчета параметров частиц при детонационном напылении.

26. Какое значение имеет многофронтовая (ячеистая) структура для возможности реализации детонационного напыления?

27. Как образуется покрытие при термическом напылении? Дифузионно-временные критерии.

28. Какова роль рельефа поверхности в образовании покрытия?

29. Описать основные методы анализа свойств покрытий.

20. Привести характерные для детонационных покрытий значения прочности, пористости и твердости.

31. Привести примеры практического использования детонационных покрытий.

32. Перечислить основные узлы установки детонационного напыления с клапанным газопитанием.

33. В чем преимущество радиальной подачи порошка в ствол детонационной пушки?

34. Каковы достоинства компьютерного управления детонационным комплексом?

35. Описать способ рыхления грунта с использование газовой детонации.

36. Как производится разрушение (дробление) громоздких оболочек газовой детонацией?

37. Что такое детонационная переработка полимерных материалов?

38. Как производится очистка технологического оборудования от пылевых отложений с помощью газовой детонации?

39. На чем основано удаление заусенцев после мехобработки газовой детонацией?

40. Как производится метание твердых тел с использованием газовой детонации?

41. Как применяется газовая детонации в инициировании твердых ВВ?

40. В чем премущество детонационного сжигания топлива в реактивном двигателе?

42. Описать основные схемы реализации детонационного реактивного двигателя.

43. Привести примеры конденсированных ВВ и их основные характеристики.

44. Что такое индивидуальное  и смесевое ВВ?

45.  В чем специфика процессов горения и взрыва в конденсированной фазе?

46. Описать способы возбуждения взрыва детонации.

47. Понятие о кислородном балансе.

48. Что такое работоспособность и бризантность ВВ? Законы подобия.

49. Что такое тротиловый эквивалент?

50. Привести примеры использование взрыва в военных и мирных целях.

51. Описать принципы построения промышленных ВВ для различных взрывных профессий.

52. Каково место сварки взрыва среди традиционных способов сварки?

52. Описать схему реализации сварки взрывом, плоский, осесимметричный случай, конструкционная сварка.

53. Нарисовать диаграмму области сварки различных металлов на плоскости U - г (U-скорость точки контакта, г-угол соударения).

54. В чем состоит природа соединения при сварке взрывом? Металлографические и другие способы исследования сварного шва.

55. Опишите физические эффекты, струе - и волнообразование, связь с прочностью соединения.

56. Приведите примеры использования сварки взрывом и существующие промышленные технологии.

57. Что такое взрывное компактирование порошков?

58. Описать основные особенности ударных волн в дисперсной среде и модели порошковой среды.

59. Привести примеры синтеза новых соединений при взрывном нагружении.

60. Какова зависимость свойств синтезированных веществ от концентрации компонентов, пористости, активации и газового состава.

61. Привести примеры применения синтеза и компактирования порошков взрывом.

62. Что такое детонационноспособные среды? Типы горючего и окислителя?

63 Описать особенности детонационных волн в гомогенных и гетерогенных средах; в замкнутых и неограниченных объемах.

64. Каково влияние давления и температуры на детонационную способность?

65. Сформулировать понятия пределов воспламенения и детонации (концентрационные, геометрические, по давлению, по температуре...)

66. Описать особенности режимы детонации у пределов.

67. Что такое низкоскоростная детонация?

68. Сформулировать понятия критического и предельного диаметров.

69. Как отличаются пределы распространения детонации в замкнутом и неограниченном объемах? Как это связано с пределами воспламенения?

70. Оценить пределы детонации с помощью гомологической гипотезы.

71. Что такое чувствительность ВВ? Перечислить способы возбуждения взрыва.

73. Перечислить и описать способы инициирование детонации.

74. Что такое критическая энергия инициирования и минимальная энергия зажигания?

75. Какова роль пространственно-временных характеристик инициатора в возбуждении и развитии процессов горения и детонации?

76. Описать меры предотвращения или ускорения ПГД.

77. описать особенности детонация газовзвесей, образуемых пылями и каплями жидкостей в атмосфере окислителя.

78. В чем заключается воздействие взрыва и детонационных волн на преграды и элементы конструкций?

79. Как оценить нагрузки при отражении ударных и детонационных волн при нормальном падении на стенку? Роль дифракции волн.

80. Сформулировать основные принципы и описать методы ослабления воздействия ударных волн.

81. Сформулировать типовые причины аварийных взрывов.

82. Каковы параметры опасных воздействий взрыва. Критерии фугасного разрушающего действия.

83.  Предложить простейшие методы оценки поражающих факторов взрыва.

84. Сформулировать основные требования при проектировании объектов с учетом возможности взрыва.