Технические проблемы. Из основных проблем можно указать следующие три: проблема предотвращения протечки жидкости, в которой создается давление и которая передает это давление, проблема предотвращения разрушения сосуда, ограничивающего область высокого давления, и проблема точнoгo измерения давления и вызываемых им физических эффектов. К настоящему времени эти проблемы в значительной мере решены, а в тех случаях, когда решения не вполне удовлетворительны, известны принципы, на которых должно быть основано адекватное решение.

Проблема протечки. Поначалу проблема предотвращения протечки была самой трудной. В первых исследованиях с высокими давлениями соединения уплотняли сургучом (рис. 1,а); хорошо спроектированными соединениями такого типа можно было пользоваться до давлений порядка нескольких сот атмосфер. (Атмосфера как единица давления равна атмосферному давлению при нормальных условиях, т.е. 0,1 МПа.) Для более высоких давлений применяли соединения, которые и сейчас часто используются в гидравлических установках, с упругой прокладкой, зажимаемой между двумя фланцами (рис. 1,б). Однако такие уплотнения не выдерживали давления порядка тысячи атмосфер, поскольку из них выбивались прокладки. В конце 19 в. эту трудность удалось устранить французскому физику Э.-И.Амага (1841–1915), который так изменил конструкцию соединения, что мягкая прокладка была со всех сторон окружена поверхностями металлических деталей и не могла быть выбита. Такое уплотнение выдерживало давления до 3000 атм. Протечка возникала, лишь когда давление жидкости сравнивалось с давлением, которое создавалось затягиванием винтов или гаек, сжимающих соединение.

(22.42 Кб)

В начале 20 в. П.Бриджмену удалось сделать завершающий шаг на пути создания конструкции соединения, плотность которого автоматически повышается под действием самого давления (рис. 1,в). Если такое соединение правильно спроектировано, то протечка жидкости невозможна, сколь бы велико ни было давление, и предел достижимого давления определяется лишь прочностью деталей, ограничивающих область высокого давления. Парадоксально, но проблема предотвращения протечек при комнатной температуре решается сама собой, если давление выше ~30 000 атм., поскольку все жидкости и большинство газов затвердевают при таких давлениях и обычных температурах.

Прочность сосудов высокого давления. Вторая проблема – проблема прочности ограничивающего сосуда – возникла уже при сравнительно невысоких давлениях. Трудности такого рода почти всегда были связаны с дефектными материалами; эти трудности отпали в результате успехов материаловедения и технологии производства.

Когда же стали достижимы давления, измеряемые десятками тысяч атмосфер, не было адекватных теоретических представлений о том, чего следовало ожидать, и прогресс стал возможен лишь на эмпирической основе. Тем не менее было ясно, что прочность сосуда, работающего под давлением, нельзя обеспечить, увеличивая лишь толщину его стенок. Напряжения и деформации растяжения сосуда концентрируются в средней части его стенки, и увеличение толщины стенки выше некоторого предела ненамного повышает прочность сосуда. Максимальное давление, достижимое при использовании лучших из имеющихся в настоящее время сталей в сочетании с методом предварительного нагружения сосуда внешним давлением, составляет примерно 20 000–30 000 атм.

Для получения давлений, значительно превышающих указанное, необходимо усложнить конструкцию. Разработан ряд схем такого усложнения. В самой простой из них (рис. 2) сосуду высокого давления снаружи придается коническая форма. По мере повышения внутреннего давления весь такой сосуд вдавливается независимо управляемым гидравлическим прессом в массивное соответствующее сосуду по фopмe и размерам кольцо, так что на сосуд действует давление извне, увеличивающееся согласованно с повышением внутреннего давления. Таким способом достигаются давления порядка 60 000–70 000 атм. – вдвое большие, чем на установках с простыми сосудами высокого давления. Для достижения еще более высоких давлений можно использовать принцип мультипликации (рис. 3), при котором аппарат высокого давления полностью помещается внутрь аппарата менее высокого давления типа показанного на рис. 2. Теоретически нет предела для давлений, которых можно было бы достичь, увеличивая число ступеней мультипликации. Но из-за технических трудностей пока что удалось осуществить только двухступенчатую схему.

(27.39 Кб) (26.78 Кб)

Возможны и другие варианты этой схемы. Путем сочетания двух ступеней в установке, в которой усеченный конус прижимается к массивной плите, причем сам он полностью окружен жидкостью, находящейся под давлением в 30 000 атм., П.Бриджмену удалось получить статические давления, превышающие 400 000 атм. Аналогичная техника применяется все чаще, и сообщения в литературе о статических давлениях в несколько сот тысяч атмосфер становятся все более привычными.

дальше