Математическую модель пыления — одного из паразитных явлений, возникающих в момент взрыва и мешающих равномерному сжатию материала, создали ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно с коллегами из Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева (ИГиЛ СО РАН), 27 июля сообщает пресс-служба ИЯФ СО РАН.

Информация о состоянии вещества в момент сжатия до миллиона атмосфер (давление в центре Земли составляет 3,7 млн атмосфер), происходящего при быстропротекающих ударно-волновых и взрывных процессах, важно для аэрокосмической, атомно-энергетической и строительной отраслей промышленности.

Для численного моделирования поведения материала при таких перегрузках важно учитывать явление пыления. Возникающий в этом случае поток микрочастиц, которые при взрыве отрываются от вещества, специалисты изучают методом синхротронной радиографии на станции «Субмикросекундной диагностики» Центра коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (ЦКП СЦСТИ) ИЯФ СО РАН.

С помощью синхротронного излучения ученые могут получить картину событий, длительность которых составляет наносекунды.

Эксперименты по изучению эффекта пыления проводились на образцах из олова. Результаты исследования были представлены учеными в докладах, прозвучавших на конференциях Synchrotron and Free electron laser Radiation: generation and application (SFR) (2022 год) и Забабахинские научные чтения (2023 год).

Ведущий научный сотрудник ИГиЛ и ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Тен рассказал о проделанной коллективом работе:

«Мы занимаемся изучением ударно-волновых и взрывных процессов. Эта область науки интересна в первую очередь аэрокосмической, атомно-энергетической отраслям промышленности. Дело в том, что благодаря подобным исследовательским работам можно изучать, как ведет себя какое-то вещество в момент взрыва, то есть в момент сжатия до миллиона атмосфер».

Материал корпусов космических кораблей при входе в атмосферу испытывает сильные деформации, а броня боевых машин должна выдерживать ударные волны от попадания снарядов и др., поэтому получаемые учеными в ходе экспериментов данные о происходящих при взрыве процессах очень важны.

Эти данные позволяют получить математические зависимости плотности от давления исследуемых веществ в момент перегрузки и деформации — уравнения состояния вещества, которые потом используют при конструировании объектов.

Пыление, которое исследуют специалисты ИГиЛ СО РАН и ИЯФ СО РАН, представляет собой процесс отрыва микрочастиц от металлического «ударника» (снаряда или поршня), используемого для создания ударной волны в исследуемом веществе.

Микрочастицы, которые летят впереди с чуть большей скоростью, очень мешают достижению максимального сжатия в образце, деформируя поверхность, по которой бьет снаряд. Это мешает его равномерному сжатию и снижает скорость удара.

«Чтобы сжать вещество, нужно чем-то по нему ударить, придать импульс. А ударяя с большой силой по предмету, заставляя его двигаться со скоростью в несколько километров в секунду, появляется эффект пыления. Чем быстрее разгоняем ударник, тем больше появляется микрочастиц,  — поясняет Константин Тен. — Теперь мы знаем, что пыление сильно искажает отполированную для лучшего сжатия поверхность материала — мы называем это потерей монолитности фронта. И все это нужно учитывать в конструировании космических кораблей, атомных станций и др.».

Ученый пояснил, почему раньше этой проблемы не видели. Причиной являются, во-первых, малая плотность пылевых микрочастиц, а во-вторых, их огромная скорость, составляющая 3–6 км/сек. Кроме того, весь процесс пыления длится в течение микросекунд.

Рентгеновский аппарат не позволит увидеть эти процессы. Однако в ИЯФ СО РАН есть пользовательская станция «Субмикросекундной диагностики», позволяющая работать с синхротронной радиографией, которая делает кадры процесса со скоростью долей наносекунд.

«Для взрывных процессов это очень хорошее время. Мы одни из немногих, кто получает дифракционную картину события», — отметил Константин Тен.

Специалисты ИЯФ СО РАН и ИГиЛ СО РАН изучали процесс пыления при взрывном ударе на образцах олова, представляющего очень удобный модельный объект. Поскольку у него низкая температура плавления и при сильном ударе связь между молекулами легко нарушается, то нужный процесс запускается быстрее.

Проведенные эксперименты позволили получить математические формулы, учитывающие как само пыление, так и воздействие, которые оно производит на материал. Эти формулы будут использованы для решения задач в аэрокосмической, атомной отраслях и других.