ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2009, том 28, № 9, с. 70-79
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 532.5
ГЕНЕРИРОВАНИЕ ВЗРЫВНЫХ ВОЛН В КАНАЛЕ НЕИДЕАЛЬНОЙ ДЕТОНАЦИЕЙ ВЫСОКОПЛОТНЫХ СМЕСЕВЫХ СОСТАВОВ, ОБОГАЩЕННЫХ АЛЮМИНИЕМ
© 2009 г. А. А. Сулимов, А. А. Борисов, Б. С. Ермолаев, М. К. Сукоян, В. Е. Храповский, П. В. Комиссаров
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 21.08.2008
Излагаются результаты экспериментальных исследований неидеальной детонации высокоплотных высокоэнергетических составов алюминий — перхлорат аммония — органическое горючее — ВВ и воздушных взрывных волн, возбуждаемых ею в канале. Составы, обогащенные алюминием, обладают высокими плотностями (до 2 г/см3) и расчетной теплотой взрыва, почти вдвое превышающей соответствующую величину для тротила. Исследования проводились с целью разработки научных основ управления неидеальной детонацией и изучения возможности создания новых высокоэнергетических высокоплотных смесевых составов для повышения фугасного действия взрыва. Определены факторы, позволяющие управлять неидеальной детонацией таких зарядов. Показано, что при содержании гексогена выше 15% по аналогии с мощными бризантными ВВ скорость детонации линейно возрастает с ростом плотности, а критический диаметр детонации уменьшается. Путем изменения плотности, содержания ВВ, соотношения компонентов смеси удается регулировать скорость детонации высокоплотных зарядов в широком интервале: 4—7 км/с. Результаты измерений сопоставлены с термодинамическими расчетами скорости идеальной детонации. Для исследуемых композиций измерены профили давление—время взрывных волн, создаваемых в цилиндрической трубе расширяющимися продуктами детонации на различных расстояниях от заряда. Результаты измерений сопоставлены с аналогичными данными, полученными в тех же условиях при детонации зарядов тротила равной массы (100 г). По параметрам взрывных волн исследуемые составы значительно превосходят тротил: высокие значения на уровне 1.5—2, а в некоторых случаях и выше получены как для давления на фронте волны и импульса давления относительно тротила при равных расстояниях от заряда, так и для тротилового эквивалента взрыва при давлениях в волне 30—60 атм. Тротиловые эквиваленты взрыва по давлению и импульсу изменяются с увеличением расстояния немонотонным образом, однако механизм, ответственный за такое поведение, остается не ясным. Показано, что в канале вклад реакции избыточного горючего с воздухом при расширении продуктов детонации во взрывную волну незначителен.
ВВЕДЕНИЕ
Распределение энергии при детонации зарядов обычных конденсированных ВВ в воздухе нельзя назвать оптимальным с точки зрения достижения высокой эффективности фугасного действия. Чрезмерно большие давления вблизи заряда приводят к существенным потерям за счет необратимого нагрева окружающей среды в ударной волне, начальная амплитуда которой значительно превышает величину, необходимую для разрушения и поражения большинства объектов. В качестве альтернативы рассматриваются неидеально детонирующие смесевые ВВ, применение которых открывает возможность снижать до разумных пределов давление детонации и растягивать во времени тепловыделение, оставляя его все же достаточно быстрым для того, чтобы задержанное тепловыделение успевало поддерживать взрывную волну.
Потенциально смесевые ВВ, в особенности ВВ с добавками алюминия, обладают высокой энергетикой. Кроме того, дополнительным и весьма значительным фактором повышения амплитуды и длительности взрывной волны может быть участие кислорода воздуха в окислении избыточного горючего компонента в продуктах детонации.
Интерес к смесевым композициям на основе бризантного ВВ, перхлората аммония и алюминия для создания высокоэффективных взрывных волн проявлялся и ранее. Однако, как показывают исследования [1], параметры взрывных волн, генерируемых неидеальной детонацией, зависят от большого числа различных факторов, и отсутствие надежной научной базы сильно затрудняет разработку эффективных композиций и поиск оптимальных условий их применения.
Исследование проведено на цилиндрических зарядах, изготовляемых прессованием из четырех компонентных смесей перхлората аммония, алю-
миния, гексогена и органического горючего. В статье приводятся экспериментальные данные по скорости детонации и критическим условиям детонации смесевых композиций и результаты измерения параметров воздушных взрывных волн. При выборе исследуемых композиций учитывались результаты термодинамических расчетов. Воздушные взрывные волны генерировали в канале цилиндрической трубы длиной 4 м. Выбранные условия взрывных экспериментов позволяют свести к минимуму возможное участие кислорода окружающего воздуха в реагировании горючего компонента смеси. Кроме того, при распространении в трубе взрывная волна затухает гораздо медленнее, чем при взрыве в открытом пространстве, что облегчает измерение параметров взрывной волны в средней зоне взрыва, т.е. при амплитудах волны порядка нескольких десятков атмосфер.
В данной работе исследуется неидеальная детонация в высокоплотных смесевых системах перхлорат аммония (ПХА) — алюминий (А1) — парафин (П) — гексоген (Г). Кроме того, проведено измерение параметров воздушных взрывных волн, возбуждаемых в канале, которые дают представление об эффективности использования химической энергии, запасенной в смеси.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ПАРАМЕТРОВ ДЕТОНАЦИИ
Термодинамические расчеты параметров детонации, состава продуктов и изоэнтроп расширения помогают составить общее представление о потенциале исследуемых композиций. Методы расчета опираются на классическую науку о термодинамике и уравнения сохранения, таблицы термодинамических свойств химических соединений и правило отбора Чепмена—Жуге для скорости детонации (наиболее надежные элементы расчетов), а также на уравнение состояния продуктов детонации. Применительно к продуктам детонации конденсированных смесевых ВВ уравнение состояния остается наименее надежным элементом расчета и используется преимущественно в различных приближенных формах, которые носят полуэмпирический характер.
Уравнение состояиня BKW применяется для ВВ разных классов и входит в ряд известных термодинамических и газодинамических компьютерных программ. Уравнение включает четыре подгоночных коэффициента, значение которых подбирают, стараясь получить наилучшее согласие расчетов с экспериментальными данными. Чаще всего для калибровки используют экспериментальные данные по скорости детонации и по метанию оболочки. Некоторые исследователи вносили поправки, чтобы улучшить согласие по давлению детонации, температуре и составу про-
дуктов. С этой целью, помимо упомянутых выше четырех коэффициентов, варьировали также ко-волюмы некоторых газов — продуктов реакции. Два набора, BKWR и BKWS, дают удовлетворительное согласие по детонационным характеристикам сразу для широкого круга ВВ различных классов и начальной плотности. Набор BКWR предсказывает более низкие температуры детонации; соответственно, состав продуктов содержит больше высокомолекулярных газов.
Расчеты параметров детонации Чепмена—Жуге, состава продуктов и изоэнтроп равновесного расширения проводились по программе ДНИ-ТЕРМ [2] с использованием набора BKWR. Исходными параметрами для расчета являются химические формулы и стандартные энтальпии образования компонентов, массовые концентрации компонентов в смеси и плотность смеси. При наличии в смеси инертных компонентов, не участвующих в химической реакции, требуются данные по их плотности и коэффициентам ударной адиабаты. Теплота взрыва определялась как разность между энтальпией образования смеси и энтальпией продуктов детонации, взятой при комнатной температуре и атмосферном давлении. Идеальная работа расширения определялась по формуле
А = Ес1 - Е(Раш) - и\г/2 - Д£15оо . (1)
Здесь ЕС/ — внутренняя энергия продуктов детонации в точке Чепмена—Жуге, Е(РШт) — внутренняя энергия продуктов детонации после расширения до атмосферного давления, третий член в правой части равен приросту внутренней энергии при сжатии рассматриваемой смеси от начального состояния до состояния в точке Чепмена—Жуге. Известно, что сохранение равновесия в продуктах детонации до их полного расширения завышает значение идеальной работы, поэтому при проведении расчетов по расширению продуктов детонации рекомендуется вводить условие "замораживания" состава продуктов при температурах ниже некоторого порогового значения (обычно 1800—1500 К). В наших расчетах для учета этого эффекта в формулу (1) введена поправка ДЕ1500, численно равная разности между энтальпиями образования равновесных продуктов реакции, которые рассчитывали вдоль изоэнтропы при температуре 1500 К и при полном расширении до атмосферного давления. Следует, однако, отметить, что для рассматриваемых смесевых композиций характерна высокая "остаточная" температура при расширении продуктов до атмосферного давления. Как следствие, поправка ДЕ1500 имела небольшую величину и ею можно было пренебречь На рис. 1 и 2 приведены результаты расчетов теплоты взрыва и идеальной работы расширения продуктов для композиций Х%А1+ (77 — Х)%ПХА +
11
10 9 8 7 6
А, 0РТ, МДж/кг
в
О
О о о
О о
О о
О
А/Аткт 0/0тш
2.5'
О
о
о
о
2.0
1.5
1.0
10
20
30
40
А1, вес. %
Рис. 1. Расчетные значения идеальной работы расширения продуктов взрыва (А) и теплоты взрыва (Орт) исследуемых композиций (Х%А1 + (77 — Х%)ПХА + 3%П + 20%Г) в зависимости от содержания алюминия при 8 = 0.9: О — А, О — Орт. Программа Dniterm, уравнение состояния BKWR.
10
20
30 40
А1, вес. %
Рис. 2. Сравнительная диаграмма, построенная с использованием данных рис. 1. и демонстрирующая энергетическую эффективность детонации исследуемых смесей по отношению к тротилу, 8 = 0.9. Программа Dniterm, уравнение состояния BKWR.
5
0
+ 3%П + 20%Г в зависимости от содержания алюминия. Расчеты проводились при относительной плотности заряда, равной 0.9. Как видно из этих расчетов, при больших содержаниях алюминия кривая для работы расширения идет заметно ниже кривой для теплоты взрыва,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.