ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 458, № 2, с. 155-157
УДК 534.222.2
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЕТОНАЦИИ ЭМУЛЬСИОННОГО ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА © 2014 г. В. В. Сильвестров, С. А. Бордзиловский, С. М. Караханов
Представлено академиком В.М. Титовым 27.12.2013 г. Поступило 15.01.2014 г.
БОТ: 10.7868/80869565214210129
До сих пор задача измерения температуры детонации конденсированных гетерогенных взрывчатых веществ (ВВ) оптическими методами не имеет общепринятого решения. Это связано с дополнительными эффектами свечения на границе ВВ/оптически прозрачная среда [1]. В данном сообщении представлен иной взгляд на структуру оптического сигнала, регистрируемого фотоприемником, и приведены результаты измерения яр-костной температуры продуктов детонации эмульсионного взрывчатого вещества (ЭВВ). Экспериментальная оценка температуры детонации ЭВВ получена впервые.
Использовался быстродействующий оптический пирометр [2] на длинах волн 630 (20) и 660 (120) нм (в скобках полуширина полосы пропускания оптического фильтра) и методика оптического окна [1]. Состав эмульсионной матрицы: окислитель — водный раствор аммиачной (АС) и натриевой селитр (НС) — 94 мас. %; горючее — смесь углеводородов: индустриального масла, парафина и эмульгатора — 6 мас. %. Сенсибилизатором являлись отечественные полые микросферы МС-В тип 1 с насыпной плотностью 0.15 г/см3 и характерным размером 60 мкм. Плотность эмульсионного ВВ в пределах от 0.5 до 1.3 г/см3 варьировалась количеством микросфер 50, 8 и 1% сверх массы эмульсии. Критический диаметр композиций в зависимости от состава находился в диапазоне 5—38 мм, при этом скорость детонации составляла 2—6 км/с. Размеры испытуемых зарядов: диаметр 55 и 105 мм, длина 250 и 400 мм соответственно. Оболочкой зарядов служили трубы из полипропилена. В качестве оптического окна использовался плексиглас.
При детонации ЭВВ возникало тепловое излучение из зоны, примыкающей к фронту волны, которое в направлении ее движения регистриро-
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской Академии наук, Новосибирск
валось пирометром. Профиль спектральной яркости при детонации ЭВВ плотностью 1 г/см3 представлен на рис. 1 (кривая 1). Его вид характерен для гетерогенных ВВ: сначала температурный всплеск, связанный с формированием слоя "горячих точек", поджигающих матрицу, способную к экзотермическому выделению энергии, затем релаксация яркости до постоянного уровня. Этот же профиль в координатах температура—время показан кривой 2 на рис. 1. Соответствующая температура детонации 2070 ± 70 К (среднее по двум опытам) измерена в точке, отмеченной вертикальной стрелкой. Обоснование выбора точки измерения температуры приведено ниже.
Излучение от фронта детонационной волны проходит сквозь сильно рассеивающую и одновременно поглощающую среду, которой является ЭВВ. Поэтому по мере приближения фронта детонации к границе ЭВВ/окно сигнал нарастает в соответствии с законом Бугера—Ламберта—Бэра. Сопоставлять сигнал, регистрируемый пиромет-
t, мкс
Рис. 1. Профили спектральной яркости (1) и температуры (2) при давлении детонации 4.3 ГПа.
156 I, у. д
СИЛЬВЕСТРОВ и др.
T, K; U, м/с
2500
1500
p, кбар 20
- 15
500
- 10
- 5
10
11 t, мкс
Рис. 2. Структура температурного сигнала: 1 — регистрируемый сигнал, 2 — равновесный профиль температуры в зоне реакции, 3 — всплеск от "горячих точек". Температура определяется в точке Чепмена— Жуге (СГ).
Рис. 3. Данные по структуре зоны реакции для ЭВВ плотностью 0.5 г/см3. 1 — температура (пирометр), 2 — давление (ПВДФ), 3 — массовая скорость и (интерферометр), изображено и = 500 + 2.9и.
0
8
9
t
ром, с соответствующим значением температуры на калибровочной кривой можно лишь с момента ^ ~ 17 мкс (см. рис. 1, кривая 1), когда горячие продукты детонации находятся в контакте с оптическим окном, которое при этих давлениях остается прозрачным или частично прозрачным. Давление детонации рассчитывалось по измеряемой
плотности ЭВВ по формулерв ~ 4.53р025 [3].
Для определения температуры сжатых микросфер за фронтом УВ поставлены опыты, в которых регистрировалась спектральная яркость достаточно толстых образцов, изготовленных из однородной смеси прозрачной эпоксидной смолы с микросферами. Концентрация микросфер в этих опытах была достаточно высокой для того, чтобы проекции светящихся микросфер в сжатом состоянии на плоскость, перпендикулярную направлению распространения УВ, перекрывались. Поэтому можно было считать, что излучающая поверхность имеет однородную светимость. В предположении, что коэффициент черноты этой поверхности равен единице, оценка яркостной температуры микросфер дала 3200—3500 К в диапазоне ударных давлений от 9 до 29 ГПа. При этих же давлениях температура однородной ударно нагруженной эпоксидной смолы без пор составляла от 1100 до 1400 К [4]. Инструментальная ошибка измерений 8%.
На основе этих результатов сделан вывод, что регистрируемый сигнал (рис. 2) является суперпозицией двух температурных профилей. Первый -температурный всплеск (см. рис. 2, кривая 3), обусловленный формированием слоя "горячих точек"
вблизи границы раздела ЭВВ/окно за фронтом ударной волны, ведущей детонацию. Длительность всплеска 0.3—1.0 мкс и, как показали эксперименты, растет с уменьшением давления детонации. Второй профиль связан с тем, что в соответствии с классической теорией Зельдовича-Неймана—Дёринга внутри зоны реакции температура возрастает по мере увеличения степени взрывного разложения композиции; это иллюстрирует кривая 2 на рис. 2. Максимум температуры продуктов взрыва достигается в конце зоны реакции вблизи точки Чепмена—Жуге. Отсюда следует, что температуру продуктов взрыва надо рассчитывать по амплитуде сигнала яркости на удалении 0.5—1.0 мкс от максимума, на "хвосте" сигнала (см. рис. 2).
Доказательство этого утверждения приведено на рис. 3, где совмещены профили температуры, давления и массовой скорости, определенные при помощи оптического пирометра, датчика давления ПВДФ и лазерного интерферометра VALYN VISAR соответственно на границе ЭВВ/плексиглас. Наблюдается хорошая корреляция временных профилей для трех различных методик определения структуры зоны реакции. Подобное сопоставление позволяет определить положение характерной точки для измерения температуры продуктов детонации. В данном случае при давлении детонации ЭВВ около 0.7 ГПа [3] расчет температур проводили в точке профиля, удаленной на 0.6 мкс от момента выхода детонационной волны на границу ЭВВ/окно.
Экспериментальные данные по температуре продуктов взрыва на границе ЭВВ/плексиглас при-
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ДЕТОНАЦИИ
157
ведены на рис. 4. Разница в сжимаемостях продуктов взрыва ЭВВ и материала окна не учитывалась: во-первых, для этого необходимо уравнение состояния продуктов взрыва в широком диапазоне начальных плотностей исследуемых ВВ с переменным количеством физического сенсибилизатора, во-вторых, практически невозможно подобрать материал окна, согласующийся с импедансом продуктов взрыва низкоплотных ЭВВ. Уровень температур для эмульсионных ВВ по сравнению с температурами, зарегистрированными для прессованных ВВ [1], невысок и составляет 1800-2200 К в широком диапазоне давлений.
На рис. 4 результаты также сравниваются с расчетными данными других авторов (расчетные данные получены для ЭВВ на основе АС/НС-эмульсии, за исключением [6, 8]). Наблюдается удовлетворительное качественное и количественное соответствие данных эксперимента и расчетов японских авторов [5, 7] по уравнению состояния КШага—Н1кка—Тапака (сплошная кривая). При увеличении плотности ВВ (уменьшении количества микросфер и, следовательно, числа "горячих точек") наблюдается снижение температуры детонации до 1800 К несмотря на рост детонационного давления до 10 ГПа, что качественно отличает характер изменения зависимости температуры от давления (или начальной плотности ЭВВ) от аналогичного поведения мощных ВВ первого типа (гексоген, тротил и др.). Полученные данные позволяют выбирать и уточнять параметры уравнения состояния продуктов взрыва ЭВВ. Отметим, что при уменьшении давления детонации до 0.7 ГПа (за счет увеличения доли пористого сенсибилизатора до 50 мас. %) температура детонации практически остается постоянной, около 1900 К (см. рис. 4), в полном соответствии с расчетом [5].
Авторы признательны А.В. Пластинину за помощь в подготовке экспериментов.
Работа поддержана грантом РФФИ 12—08— 00092-а, программой Президиума РАН № 2.9 и частично грантом Президента РФ НШ-247.2012.1.
Рис. 4. Зависимость температуры детонации ЭВВ от детонационного давления. Расчет: 1 — [5], 2 — АС-эмульсия [6], 3 — [7], 4, 5 — АС-эмульсия [8], 6 — [9], 7 — эксперимент, данные авторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гогуля М.Ф., Бражников М.А. // Хим. физика. 1994. Т. 13. № 1. С. 52-63.
2. Бордзиловский С.А., Караханов C.М. // Вестн. Ново-сиб. гос. ун-та. Сер. физ. 2011. № 1. C. 116-122.
3. Юношев А.С., Пластинин А.В., Сильвестров В.В. // Физика горения и взрыва 2012. Т. 48. № 3. С. 79-88.
4. Бордзиловский С.А., Караханов С.М., Сильвестров В.В. // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. №3. С. 101-106.
5. Yoshida M., Iida M, Tanaka K, Fudjiwara S. Proc. VIII Intern. Symp. on Detonation. Albuquerque: Naval Surface Weapon Center, 1985. P. 993-1000.
6. Tanaka K. Proc. VIII Intern. Symp. on Detonation. Albuquerque: Naval Surface Weapon Center, 1985. P. 548-557.
7. Tanaka K. Shock Compression of Condensed Matter-2005. Proc. AIP Conf. N.Y., 2005. № 845. P. 11171120.
8. Одинцов В.В., Пепекин В.И., Кутузов Б.Н. // Хим. физика. 1994. Т. 13. № 11. C. 79-87.
9. Алымова Я.В., Анников В.Э., Власов Н.Ю., Конд-риков Б.Н. // Физика горения и взрыва. 1994. Т. 30. № 3. С. 86-91.
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.