Поведение веществ под воздействием сильных ударных волн. Том 4

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ  
РФЯЦ-ВНИИЭФ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПОВЕДЕНИЕ ВЕЩЕСТВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ 
СИЛЬНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН 
 
 
Сборник научных статей в четырех томах 
 
 
Под общей редакцией доктора физико-математических наук 
Р. Ф. Трунина 
 
 
 
 
Том четвертый 
(1996–2007 гг.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2007 

 

ББК 22.23 
УДК 534.222.2+539.4 
        П42 
 
 
Поведение веществ под воздействием сильных ударных волн: Сборник научных статей / Под ред. д-ра физ.-мат. наук Р. Ф. Трунина. – Саров: 
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2007. – 644 с. – ил. 
 
ISBN 978-5-9515-0103-5 
 
Сборник состоит из четырех томов и содержит статьи, написанные сотрудниками отдела 0304 начиная с 1958 г. и заканчивая 2006-м.  
В основном они посвящены изучению уравнений состояния веществ  
и включают в себя различные аспекты этого вопроса – методики исследований, взрывные измерительные устройства, постановку опытов, экспериментальные данные и их интерпретацию, модели поведения веществ при высоких давлениях и т. д. В качестве энергетических источников во всех исследованиях использовались ударные волны, созданные 
мощными взрывчатыми веществами, а также ударные волны подземных 
ядерных взрывов. Представленные материалы в своей совокупности указывают на основополагающую роль исследований, проводимых в отделе, 
в деле становления новой физической дисциплины – физики высоких 
плотностей энергии. 
Сборник предназначен для широкого круга специалистов, интересующихся поведением конденсированных веществ под действием давлений ударных волн. Он может быть полезен студентам и аспирантам, 
занимающимся различными вопросами прикладной газодинамики, физики твердого тела, физики горения и взрыва, планетной астрономии, 
геофизики и других дисциплин. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9515-0103-5                                               © ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2007 

ВЗРЫВНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 

 СЖАТИЯ ВЕЩЕСТВ В УДАРНЫХ ВОЛНАХ 

Л. В. Альтшулер, Р. Ф. Трунин, K. К. Крупников, H. B. Панов 

Описана история создания и приведены схемы взрывных лабораторных уст
ройств Российского федерального ядерного центра (Арзамас-16) для измерений динамической сжимаемости веществ в диапазоне давлений до 2–2,5 ТПа (20–25 Мбар). Они 
основаны на ускорении тонких металлических ударников сферической геометрии 
продуктами взрыва сходящихся детонационных волн. Приведена полученная на этих 
установках в период с 1948-го по начало 60-х годов ударная адиабата железа, используемая в качестве динамического эталона при исследовании ударной сжимаемости других веществ в мегабарных и терапаскальных диапазонах давлений. При определении ее параметров до 10 ТПа учитывались результаты измерений сжимаемости 
железа, выполненные в 70-е годы в условиях подземных ядерных взрывов, и расчетные 
данные по квантово-статистической модели. 

1. Введение 

Измерения динамической сжимаемости веществ в диапазоне давлений 

нескольких десятков гигапаскалей проводились в Лос-Аламосской научной 
лаборатории с 1945 г. и широко публиковались [1–3] с середины 50-х годов. 
В Российском федеральном ядерном центре (Арзамас-16) планомерные динамические исследования были независимо начаты в 1948 г. Уже в первых 
статьях [4, 5] приведены полученные тогда данные, относящиеся к давлениям 
400 ГПа – громадным по тем временам значениям. К началу 60-х годов эти 
пионерские результаты были уточнены [6], потолок исследованных на лабораторных установках ударных давлений поднят до ~1000 ГПа  (10 Мбар)  
[7 9]
−
 и сейчас приблизился к 2500 ГПа [10, 11].*

В США для получения в изучаемых образцах-мишенях ударных давле
ний порядка 500 ГПа применялись [12, 13] двухступенчатые легкогазовые артиллерийские системы – пушки, сообщающие ударникам максимальные скорости, близкие к 
1
8 кмс
.
−
 

О постановке опытов при сверхвысоких давлениях в работах россий
ских ученых [4–11] можно было найти только малоинформативные констатации типа «... давления в 400 ГПа получены при скоростях стальных ударников 

1
9,1кмс− » [6] или «...было применено кумулятивное устройство, в котором 
продуктами взрыва мощного взрывчатого вещества разгоняется стальной 
ударник – лайнер специальной формы до скорости 
1
18,5 кмс− » [10]. Неполно
та экспериментальной информации о российских исследованиях при ультравысоких давлениях отмечена, в частности, в 1988 г. в статье [14], посвящен                                                          

*© Успехи физических наук, 1996, т. 166, № 5, с. 575–581. 

Л. В. Альтшулер, Р. Ф. Трунин, K. К. Крупников, H. B. Панов 
 
4

ной металлофизике при высоких давлениях. Как пишут ее авторы, сотрудники 
Ливерморской национальной лаборатории, «данные о сжимаемости меди и 
свинца вблизи 10 Мбар Кормера С. Б. с сотрудниками [8], Альтшулера Л. В., 
Бакановой А. А., Трунина Р. Ф. [7] получены на неизвестных генераторах 
ударных давлений и пока никем не воспроизведены». Такая ситуация сохраняется и по настоящее время. 

Рассмотрение разработанных в Российском федеральном ядерном цен
тре (Арзамас-16) экспериментальных устройств будем вести с позиции абсолютного измерения сжимаемости динамического эталона (Fe) методом торможения [4, 15]. Напомним, что в соответствии с этим методом в опытах измеряются скорость ударяющего тела W и скорость ударной волны D в неподвижной мишени из того же, что и ударник, материала. При соударении ударника с такой мишенью из условия симметрии на их контактной границе массовая скорость за фронтом ударной волны в мишени 
(
)
1 2
.
U
W
=
 Законами 

сохранения на ударном разрыве зафиксированные значения U и D определяют 
термодинамические параметры сжатого состояния. Давление, получаемое в 
эталонном материале (в данном случае железе), является главной характеристикой рассматриваемых взрывных лабораторных устройств. В плоской геометрии и при нормальных режимах детонации в [6, 15] скорость разгоняемых 
продуктами взрыва пластин достигает 
1
~6 кмс
,
−
 и давление в мишенях из 

железа ~200 ГПа.  

Намного большие амплитуды ударных волн были получены на взрыв
ных системах, использующих сходящиеся пересжатые детонационные волны. 
В сферической геометрии давления на фронте детонационной волны непрерывно возрастают по мере приближения к центру. Поэтому в арсенале динамических методов полусферический заряд, одновременно инициируемый по 
наружной поверхности, является идеальным инструментом для изучения материалов при сверхвысоких давлениях. 
Принципиальная схема измерительного устройства, предназначенного 
для этих целей, изображена на рис. 1. Устройство представляет собой полусферический заряд с внутренней выемкой, в которую вложена тонкостенная 
металлическая (стальная) оболочка. Продуктами взрыва сходящейся детонационной волны оболочка-ударник ускоряется («сходится») к центру устройства. Ее скорость растет с уменьшением радиуса. Размещение мишени из прикрытых экраном образцов на различных глубинах (радиусах) позволяет получать в образцах различные давления, вплоть до 10–20 Мбар. В своей основе 
метод торможения не имеет ограничений по давлению. Однако в интерпретации сферических экспериментов должны быть учтены их специфические особенности:  
соотношение 
(
)
1 2
U
W
=
 [15] строго выполняется на поверхности со
ударения, т. е. на радиусе экрана э,
r  превышающем радиус иr  измерения волновой скорости в образцах. Однако, как показали многочисленные гидродинамические расчеты соударений железной оболочки с железной мишенью, 
сходимость в равной мере увеличивает скорость железной оболочки 
( )
W r  

Взрывные лабораторные устройства… 
 
5 

«в свободном полете» и массовую скорость за фронтом ударной волны в железных экранах и железных образцах. Поэтому мы принимаем, что и на радиусе иr  массовая скорость 
( )
(
)
( )
и
и
1 2
;
U r
W r
=
 

при отражении сходящейся детонационной волны от оболочки на ра
диусе ее расположения происходит ее необратимый ударный разогрев. Вследствие этого различия между 
2
W
 и U составили в системах с каскадным раз
гоном (см. ниже) несколько процентов; 

регистрируемая в образце средняя волновая скорость D  может при 

больших базах измерения S не совпадать с локальной скоростью 
( )
и
D r
 на 

номинальном радиусе иr  на середине образца. В таблицах экспериментальных 

данных приводятся оба значения: среднее D и скорректированное 
( )
и .
D r
 

Ограниченная информация о применении в динамических эксперимен
тах оболочек, ускоряемых продуктами взрыва сходящихся сферических детонационных волн, впервые дана в 1962 г. в публикации английских исследователей [16]. Дальнейшее развитие эта методика в работах зарубежных ученых 
не получила. 

Авторами настоящей статьи описаны в следующих разделах измери
тельные устройства, позволившие в Российском федеральном ядерном центре 
(Арзамас-16) получить информацию об ударной сжимаемости и уравнениях 
состояния ряда веществ в диапазоне давлений от 200 до 2500 ГПа. В таблицах 
для всех рассмотренных вариантов измерительных устройств приводятся их 
основные геометрические параметры и динамические характеристики, относительные радиусы об
r
 и толщина 
об
Δ
 оболочек, относительные радиусы эr  

экранов, размеры S баз измерения волновых скоростей, скорости 
( )
и
W r
 «сво
бодного полета» оболочек на радиусах измерения 
иr , массовые скорости 

и
(
)
U r
 ударных волн в железных образцах, средние D  и локальные 
( )
и
D r
 

волновые скорости. И, наконец, рассчитанные по уравнениям сохранения на 
разрывах термодинамические параметры сжатых состояний железа – степени 
сжатия 
0
σ = ρ ρ  и давления P . В последнем столбце даны литературные 

ссылки, при этом символом «+» обозначены результаты, впервые публикуемые в настоящей статье. Вероятная ошибка в приведенных значениях массовых и волновых скоростей составила примерно 1 1,5 %
−
, в определении дав
лений 1,5 2 %.
−
 

2. Устройства типа БМ для получения в железе давлений 200–400 ГПа 

Описанное выше полусферическое измерительное устройство (см. 

рис. 1), названное «большая модель» (БМ), было разработано JI. B. Альтшулером, Е. И. Забабахиным, Я. Б. Зельдовичем, К. К. Крупниковым [17, 4], 
В. И. Жучихиным, Б. Н. Леденевым, М. И. Бражник [4]. На подобных устройствах уже в 1948 г. были впервые зарегистрированы параметры ударного сжатия ряда металлов и в их числе железа и урана при Р ~ 400 ГПа. Позже для 

Л. В. Альтшулер, Р. Ф. Трунин, K. К. Крупников, H. B. Панов 
 
6

сопоставления с данными, полученными в плоской геометрии [6, 15] и в сферических экспериментах, была разработана сравнительно тихоходная модель 
ПЗ («промежуточный заряд»). Основные геометрические параметры и динамические характеристики двух этих устройств приведены в табл. 1. Как показал анализ, данные, полученные на модели ПЗ, находятся в хорошем соответствии с результатами для близких давлений, зафиксированными в «плоских» 
опытах. Нужно отметить, что для обоих устройств расчетные поправки к значениям D пренебрежимо малы, а к U – незначительны. Полученные на устройстве БМ параметры ударного сжатия определили (при этих давлениях) положение 

Таблица 1 

Параметры и динамические характеристики устройства ПЗ и БМ 

Устрой- 
ство 
rоб 
Δоб, 
мм 
rи 
W(rи),
км с–1 U(rи),
км с–1
rэ 
S, мм
,
D  
км с–1
( )
и ,
D r

км с–1
σ 
P, 
ГПа 

Литература 

ПЗ 
0,40 
6,6 
0,170 6,20 
3,08 0,197
4 
8,78 
8,78 1,540 210 
+ 

БМ 
0,40 
4,8 
0,137 8,64 
4,26 0,177
8 
10,67
10,67 1,664 357 
[6] 

 
Таблица 2 
Параметры и динамические характеристики устройств типа МЗ 

Устрой- 
ство 
rоб 
Δоб, 
мм 
rи 
W(rи),
км с–1 U(rи),
км с–1
rэ 
S, мм
,
D  
км с–1
( )
и ,
D r

км с–1
σ 
P, 
ГПа 

Литература 

МЗ-3 
0,35 3,08 0,186 7,21 
3,61 
0,21 
4 
9,69 
9,69 1,595 275 
+ 

МЗ-3,5 0,30 3,08 0,132 8,30 
4,15 0,159
4 
10,58
10,58 1,645 345 
+ 

МЗ-4 
0,35 3,08 0,132 9,10 
4,55 0,159
4 
11,26
11,26 1,678 400 
[6] 

МЗ-8-1* 0,35 3,08 
0,07 14,0*
7,00 0,097
4 
14,64
14,53 1,927 800 
+ 

МЗ-8-2 0,30 
1,5 
0,08 13,80
6,90 0,088
4 
14,45
14,35 1,926 780 
+ 

МЗ-9 
0,30 
1,5 
0,07 14,68
7,34 0,088
4 
15,15
14,93 1,967 860 
[7] 

* Экспериментально определялась скорость полета оболочки W на и
0,08.
r =
 

Переход на и
0,07
r =
 проведен по расчетному закону схождения оболочки. 

Рис. 1. Схема измерительных устройств БМ, ПЗ:
1 – полусферический заряд ВВ, 2 – оболочка
(Fe), 3 – экран (Fe), 4 – исследуемые образцы,
5 – электроконтактные датчики для измерения 
скорости ударной волны D 

Взрывные лабораторные устройства… 
 
7 

эталонной адиабаты железа, которая использовалась для регистрации по методу отражения [5] ударной сжимаемости других металлов. 

В 1966 г. полученные для золота [5] и вольфрама [18] результаты были 

подтверждены в [12] прецизионными экспериментами на пневматических измерительных системах. 

3. Устройства для получения в железе давлений 300–900 ГПа  

В разработанных [6, 7] в конце 50-х годов Л. В. Альтшулером, А. А. Ба
кановой и Р. Ф. Труниным измерительных устройствах типа МЗ («мягкий заряд») была повышена точность экспериментальных регистраций, однозначность иx интерпретации и более чем в 2 раза расширен диапазон изучаемых 
давлений (до 900 ГПа). Последняя цель была достигнута за счет уменьшения 
толщины оболочек и размещения мишеней с образцами на меньших радиусах. 
Для улучшения симметрии сходящихся детонационных волн была применена 
более совершенная синхронизация инициирования поверхности зарядов и использовано более однородное по составу взрывчатое вещество (ВВ). Это привело к лучшей симметрии движения оболочек и ударных волн в мишенях, что 
в свою очередь позволило при сохранении требуемой точности измерений 
уменьшить толщины образцов, а следовательно, и поправки на сходимость. 

Следующим шагом было снижение разогрева оболочек при прохожде
нии по ним ударных волн. Это было достигнуто введением между оболочкой 
и ВВ сравнительно небольших воздушных зазоров. Такой способ уменьшения 
давлений и, значит, температур был предложен Е. И. Забабахиным и 
Я. Б. Зельдовичем. 

Схематически измерительное устройство типа МЗ с воздушным зазором 

изображено на рис. 2. Было создано несколько вариантов зарядов МЗ (табл. 2). 
К вариантам первой группы относятся устройства с толщиной оболочки 

об
3 мм
Δ
и воздушным зазором 12 мм. Варианты устройств этой группы от
личаются друг от друга радиусами расположения мишеней, а следовательно, и 
радиусами измерений 
и
0,186;
r =
 0,132 и 
BB
0,07
.
R
 В соответствии с давле
ниями, полученными на этих радиусах, заряды названы МЗ-3; МЗ-3,5; МЗ-4 и 
МЗ-8-1 (3; 3,5; 4; 8 – значения давлений в железе на этих устройствах в Мбар). 
В 
устройствах 
МЗ-8-2 
и 
МЗ-9 
использовались 
более 
тонкие 
(
)
об
1,5 мм
Δ
=
 железные оболочки с воздушным зазором над ними 9 мм. Из
мерения проводились на и
0,08
r =
 и 
BB
0,07
,
R
 зарегистрированные давления в 
железе – 780 и 860 ГПа. 
Влияние воздушного зазора на формирование ударной волны в оболочках, установленных на 
об
BB
0,35
,
r
R
=
 исследовалось В. Н. Зубаревым и 
Н. В. Пановым с помощью электромагнитной методики [19]. Было установлено, что при воздушной прослойке, составляющей 3–5 толщин оболочки, интенсивность ударной волны в ней уменьшается примерно в 2 раза. Это явилось основанием для введения зазоров в измерительных устройствах МЗ. Давления первой ударной волны в оболочках контролировались по скорости от

Л. В. Альтшулер, Р. Ф. Трунин, K. К. Крупников, H. B. Панов 
 
8

летающего индикатора электроконтактным и фотохронографическим способом. Полученные значения (
45 ГПа)
P ≈
 примерно отвечают давлениям в 
пластинах, возникающим при падении на них плоской детонационной волны. 
Естественно, и нагрев оболочек при выходе на них ударной волны не превосходит соответствующего нагрева пластин (
~700 C).
T
°
 

Несколько слов о симметрии движения оболочек на радиусах измере
ния. Ясно, что от того, насколько движение близко к сферически симметричному, зависит надежность и воспроизводимость результатов. Симметрия движения определялась с использованием фотохронографической методики на 
радиусах, близких к тем, на которых проводились измерения параметров 
ударных волн. Разновременность (асимметрия) подлета оболочки к мишени 
во всей зоне, не охваченной волнами разгрузки, распространяющимися с периметра основания заряда ВВ, составляла 
8
6
10
c.
t
−
Δ ≤
×
 

Близкие значения асимметрии получены и после прохождения ударной 

волной стальных экранов, прикрывающих верхние электроконтактные датчики мишени. Конечно, приведенные значения разновременности свидетельствуют о том, что симметрия движения ударников и волн в мишенях не тах хороша, чтобы проводить измерения сжимаемости в единичных опытах. В нашей практике поэтому сложился следующий подход к обработке результатов: 
каждая экспериментальная точка, т. е. каждая пара значений D и 
2
W
U
=
 яв
ляется средней величиной из 4 6
−  независимых опытов. 

Параметры движения – скорость оболочек W и волновая скорость в ми
шенях D фиксировались на нескольких различных радиусах расположения 

Рис. 2. Схема измерительного устройства типа МЗ для измерения скорости полета оболочки (а) и измерения скорости ударной волны в образцах (б): 1–5 – то же, что и на рис. 1,
6 – электроконтактные датчики для измерения скорости полета оболочки W, 7 – медный
штырек, 8 – стальной экран 

Взрывные лабораторные устройства… 
 
9 

мишеней. При этом на и
0,186;
r =
 0,132 и 
BB
0,08R
 измерялись как D, так и W; 

в двух случаях (устройства МЗ-8-1 и МЗ-9) измерения волновых скоростей 
проводились на и
BB
0,07
,
r
R
=
 а измерения W – на 
BB
0,08
.
r
R
=
 Измерения W 

на и
BB
0,07
r
R
=
 из-за малых размеров области возможного расположения дат
чиков вне влияния их друг на друга с необходимой точностью трудно выполнимы. Переход к и
BB
0,07
r
R
=
 осуществлялся в этом случае с использованием 

расчетного закона схождения оболочки. Это не приводило, по нашим оценкам, к сколько-нибудь значительным дополнительным погрешностям. 

Регистрация W и D осуществлялась с использованием электроконтакт
ных датчиков, устанавливаемых на пути движения оболочки (см. рис. 2) или 
ударной волны в мишени. 

Полученные экспериментальные данные для железа на устройствах МЗ 

приведены в табл. 2. 

 
4. Каскадные измерительные устройства для получения давлений  
от 900 до 1300 ГПа 
 

Впервые давления, близкие к 10 Мбар, были получены в Российском 

федеральном ядерном центре (Арзамас-16) в варианте каскадного полусферического устройства: эти исследования [9] были выполнены в 1951 г. 
К. К. Крупниковым и М. И. Бражник по схеме, предложенной Л. В. Альтшулером. Ранее, в 1948 г., принцип одномерного многокаскадного разгона 
пластин был рассмотрен и обоснован Е. И. Забабахиным [20]. По схеме рис. 3 
«толстая» пластина разгоняется до скорости 
1
W  продуктами взрыва первого 

заряда, ударяет по заряду 2 и создает в нем пересжатую детонационную волну, продукты взрыва которой, расширяясь, разгоняют более тонкую пластинку, приставленную к заряду 2, до скорости 
2
1.
W
W
>
 Процесс прогрессирую
щего разгона можно продолжить в третьем и последующих каскадах. В [21] 
этот способ был применен для высокоскоростного разгона молибденовых 
фольг, а в [22] – тонких медных пластинок. При толщинах 0,5 и 0,1 мм они 
приобретали : скорости 9,1 и 
1
11,3 кмс
,
−
 соответственно [23]. Однако малые 

толщины фольг с необходимостью требовали проведения измерений на малых 
базах (вне зоны влияния волн разгрузки, отраженных от тыльной поверхности 
ударяющей фольги), что в реальных условиях существующей асимметрии 
приводило к большей погрешности определения кинематических параметров, 
чем это обычно допускается 

Геометрические параметры и динамические характеристики каскадного 

метания в сферической геометрии приведены на рис. 4 и в табл. 3. В качестве 
первого каскада в устройстве использовалась модель БМ, в которую вмонтировался второй каскад, представлявший собой слой ВВ с примыкающей к нему с внутренней стороны стальной оболочкой толщиной 2 мм. Скорость оболочек на радиусах измерения устройств ДК-9 и ДК-9-1 и
BB
0,068
r
R
=
 состав
ляла 
1
15,7
0,2 кмс
,
−
±
 зафиксированные давления 910
20 ГПа.
±