ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2014, том 33, № 3, с. 43-51
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 662.21.2154
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА УДАРНО-ВОЛНОВУЮ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПЛАСТИФИЦИРОВАННОГО ОКТОГЕНА © 2014 г. В. А. Борисенок1*, В. А. Брагунец2, В. Г. Симаков2, Е. Е. Ломтева1, Ю. Н. Дерюгин1, 2
1Саровский физико-технический институт — филиал Национального исследовательского ядерного университета МИФИ 2Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров
*Е-таП: bva@mephi.ru Поступила в редакцию 26.09.2012; после доработки 25.09.2013
Приведены результаты экспериментов по исследованию влияния импульсного электрического поля напряженностью 1.7—8.0 кВ • мм-1 на ударно-волновую чувствительность пластифицированного октогена.
Ключевые слова: конденсированное взрывчатое вещество, электрическое поле, ударно-волновая чувствительность, электрическая модель детонации.
БО1: 10.7868/80207401X14030042
ВВЕДЕНИЕ
Ряд экспериментальных исследований показал, что электрическое поле может оказывать значительное влияние на ударную и ударно-волновую чувствительность конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) [1, 2]. В работе [1] показано, что приложение к навеске высокодисперсного ТЭНа электрического поля напряженностью 2-10 кВ • мм-1 приводит к значительному увеличению чувствительности к удару: частость взрывов в опытах на приборе № 1 изменяется с 48% (без поля) до 70—90%. В [2] представлен краткий обзор работ по исследованию влияния электрического и магнитного полей на инициирование детонации и формирование детонационной волны. Приведены результаты опытов Кука [3] и Ли с соавт. [4], в которых показано, что глубина формирования детонационной волны зависит от напряженности и направления электрического поля, приложенного параллельно вектору скорости детонации. В [3] получен достаточно значимый эффект для ВВ СотрВ, а в [4] — слабый эффект для ВВ на основе октогена. Авторы работ [5, 6] провели опыты с клиньями ВВ для выяснения влияния электрического поля, приложенного перпендикулярно вектору скорости детонации, на критическую толщину ВВ на основе ТАТБ и обнаружили, что этот параметр зависит от напряженности поля: он уменьшается с ее ростом, начиная с некоторого
значения напряженности. В работе [2] этот результат подтвержден для ТАТБ, но в аналогичных опытах с октогеном эффект не зарегистрирован.
Эксперименты по исследованию детонации твердого ВВ на основе октогена (цилиндрические шашки) в продольном и поперечном (относительно вектора скорости детонации) магнитном поле с индукцией в 1 Тл проведены в Лос-Аламос-кой национальной лаборатории США [2]. Каких-либо заметных эффектов, связанных с наличием поля, не обнаружено.
В ряде работ, информация о которых приведена в [2], наблюдалась и изучалась плазма, инжектируемая из реагирующих конденсированных ВВ. В этих работах показано, что светящаяся плазма, наблюдаемая на поверхности образцов детонирующего взрывчатого вещества, разлеталась в вакуум (~1.3 Па) со скоростью ~20 км • с-1. Плотность плазмы - до 70 кг • м-3, но в большинстве случаев - менее 1 кг • м-3; температура - 104—2 • 104 К. Авторы [2] предполагают, что если плазма существует на свободной поверхности образца, она может существовать и в промежутках между реагирующими гранулами ВВ и влиять на инициирование и развитие детонации.
Работа [2] в значительной степени посвящена экспериментальному исследованию этого физического эффекта с целью определить природу плазмы и ее возможную роль в инициировании и
р • 104, Кл • м-
10
кинетической энергии % е в электростатическом поле напряженностью Е, имеет вид
еЕ
(1)
_1_СЛ_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
) 2 4 6 8 10 12 14
ГПа
Рис. 1. Зависимость поляризации от давления для нитроглицерина [9, 12, 13].
развитии детонации. Проведены опыты по исследованию разлета плазмы в воздух при нормальных условиях и детонации ВВ на основе октогена (РВХ-9501). Опыты проведены в магнитном и электрическом полях и в их отсутствие. Во всех случаях скорость разлета составила ~8 км • с-1. Каких-либо эффектов, связанных с наличием полей, обнаружено не было. Происхождение и состав плазмы с помощью современных методов определить не удалось.
где е — заряд электрона.
Оценим напряженность электрического поля, исходя из экспериментальных данных о поляризации ВВ в ударной волне. Для твердых ВВ такие данные известны авторам только для тротила [11]. Однако они получены на поликристаллических образцах и по этой причине не могут быть использованы для оценок. Здесь нужны данные, полученные только для монокристаллов.
Для жидких ВВ оценки возможны. Проведем их для нитрометана и нитроглицерина. На рис. 1 в качестве примера приведена зависимость поляризации Р от давления р для нитроглицерина [9, 12, 13]. Аналогичные зависимости получены и для ряда других жидких взрывчатых веществ [9, 12— 14]. Во всех случаях поляризация — растущая функция давления. Отметим, что наибольшее значение поляризации зарегистрировано для нитро-метана: Р = 1.2 • 10—2 Кл • м—2 при р = 6.8 ГПа [12—14].
Появление поляризации в диэлектрике приводит к синхронному появлению электрического поля. Напряженность поля можно оценить следующим образом [9]:
8
6
4
2
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ "ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ" МОДЕЛИ ДЕТОНАЦИИ
Приведенные выше экспериментальные результаты интересны с точки зрения модели детонации, основанной на концепции электрического механизма образования горячих точек (ГТ) [7, 8]. В этих работах высказана гипотеза, что горячая точка есть канал локального электрического пробоя. Гипотеза основана на том, что при распространении ударной волны в конденсированных диэлектрических средах, к которым относится и ВВ, в них генерируется электрическое поле и появляется ударно-индуцированная электропроводность [9]. Эти явления могут привести к локальному электрическому пробою.
Для электрического пробоя необходимо, чтобы свободный электрон приобрел за счет поля энергию % е, равную или большую ширины запрещенной зоны (для кристаллов) или потенциала ионизации. В этом случае имеют место ударная ионизация и образование электронных лавин [10]. Нетрудно показать, что выражение для длины свободного пробега X электрона с нулевой начальной скоростью, требуемой для достижения
Е = -Р, (2)
66с
где е и е0 — диэлектрическая проницаемость диэлектрика и электрическая постоянная соответственно.
Давления во фронте инициирующей ударной волны, необходимые для формирования в выбранных жидких ВВ нормальной детонации, составляют ~9 ГПа для нитрометана и ~11 ГПа для нитроглицерина [15]. При таких давлениях значения поляризации составляют соответственно 16 х 10—3 и 6 • 10—4 Кл • м—2 [12—14], а значения напряженности поля, определенные по формуле (2), — 46 и 3.5 кВ • мм—1. При расчете диэлектрическая проницаемость принималась равной е = 38.6 для нитрометана и е = 19.3 для нитроглицерина [9]. Далее из формулы (1) имеем X = 4 • 10—4 мм для нитрометана и X = 6 • 10—3 мм для нитроглицерина.
Проведенные оценки показывают, что электроны достигают требуемой для ионизации энергии на малых базах разгона, что делает образование горячих точек по предложенному механизму вполне реальными. Отметим, что при оценках использовались значения макроскопического поля.
Локальные поля могут быть больше, а следовательно, величина X - меньше.
Порядок величины интервала времени 4, за который образуется горячая точка, грубо можно оценить как время пробега электроном расстояния X. Считая движение электрона равноускоренным, для 4 имеем:
I _ /2^ _ /2Хт
а V еЕ где а - ускорение.
Используя приведенные выше значения величин, получим 4 = 3 • 10-13 с (Е = 46 кВ • мм-1) для нитрометана и 4 = 4 • 10-12 с (Е = 3.5 кВ • мм-1) для нитроглицерина.
Таким образом, во взрывчатом веществе за короткий промежуток времени могут образоваться локальные области, в которых вещество переведено в состояние плазмы, т.е. созданы условия для его химического превращения. Полагая, что скорость химической реакции в объеме ГТ много больше скорости процесса теплопроводности в "холодном" ВВ, оценим давление рт в прореагировавшем веществе. Для мажорантной оценки положим, что в "объеме точки" прореагировало все взрывчатое вещество. Тогда
Рт ,
где р0 и п - исходные плотности и калорийность ВВ, Г - коэффициент Грюнайзена продуктов реакции. Принимая для оценки р0 = 2 г • см-3, п = = 5 кДж • г-1 и Г = 0.35 [16], получимрт ~ 30 ГПа.
Предложенный подход позволяет качественно представить процесс формирования детонационной волны следующим образом. При некотором критическом давлении во фронте инициирующей УВ в сжатой зоне ВВ за счет поляризации и электропроводности (изначальной и ударно-индуцированной) создаются условия для образования локальных электрических пробоев. Процесс носит волновой характер, его скорость равна скорости инициирующей ударной волны. Это первичные ГТ, их объемная плотность - растущая функция давления. Первичная ГТ - это микрообласть, характеризуемая высоким давлением и способностью эмитировать электроны. Область высокого давления образуется за малый промежуток времени, ее границы за время образования практически не смещаются. При последующем расширении вещества такая область может стать источником сферической ударной волны. Следовательно, в окрестности первичной ГТ создается повышенное давление, что должно привести к повышению поляризации и, соответственно, напряженности электрического поля. Это обстоя-
тельство и увеличенная за счет эмитируемых электронов электропроводность создают повышенную вероятность образования в этой области горячих точек по такому же механизму, которые будем называть вторичными ГТ. Вторичная ГТ эквивалентна первичной и также является источником электронов и ударной волны. Таким образом, можно предположить, что в сжатой области ВВ создаются условия для размножения первичных ГТ по механизму цепной реакции. В зависимости от плотности первичных ГТ, а следовательно, от амплитуды инициирующей У В этот процесс либо не пойдет, либо будет затухающим, либо выйдет на стационарный режим. Эта волна размножения ГТ и должна описывать взрывчатое превращение ВВ в рамках
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.