ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2011, том 30, № 6, с. 49-56
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 534.222.2
О МЕТАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ИХ СМЕСЕЙ С ГОРЮЧИМИ ДОБАВКАМИ. 1. МЕТАТЕЛЬНОЕ ДЕЙСТВИЕ ПО МЕТОДИКЕ М-40 © 2011 г. В. Ю. Давыдов*, А. С. Губин
Научно-исследовательский машиностроительный институт, Москва *Е-таП: vitadavidov@yandex.ru Поступила в редакцию 19.03.2010
Рассмотрена связь химического состава продуктов детонации и метательной способности ВВ. На основании теоретических и экспериментальных исследований сделан вывод, что при равном объемном энергосодержании наиболее значимым параметром является средняя атомность молекул, составляющих продукты детонации. Среди СНМОБ-содержащих ВВ выделены группы, обладающие повышенной метательной способностью. Приведены результаты экспериментальных исследований метательной способности, проведенных по методике М-40 для смесей дисперсного А1 с ВВ, имеющими различный кислородный баланс, а также для смесей ВВ на основе октогена с А1, М^, У, Та, /гЫ2. Анализ зависимостей метательной способности от плотности заряда для бис(2,2,2-тринитроэтил)нитрамина и его смесей с А1 позволил оценить степень реализации энергии сгорания А1, которая в газодинамических условиях методики М-40 составила для этой смеси 20—40%.
Ключевые слова: взрывчатые вещества, смеси с горючими добавками, метательная способность.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на значительное число экспериментальных и теоретических работ, посвященных метательному действию ВВ (см., например, публикацию [1] и приведенную в ней библиографию), многие вопросы, связанные с этим явлением, не выяснены. Разночтения полученных результатов и их трактовки во многом связаны со спецификой метательного действия, которое занимает промежуточное положение между "чисто" бризантным и "чисто" фугасным действием (граница между ними весьма условна). В большинстве описанных в литературе экспериментов, посвященных оценке метательной способности (МС) взрывчатых веществ, время отбора энергии метаемым телом находится в пределах 10-6—10-4 с, а степень расширения (^/К0) продуктов детонации (ПД) составляет 2—15. Это означает, что метательная способность ВВ зависит как от начальных параметров (упругой энергии) детонационной волны (ДВ), так и от характера изоэн-тропического расширения ПД (тепловой составляющей энергии взрыва) [1]. Изменяя химический состав ПД, можно перераспределять энергию между этими компонентами [2].
Метательная способность зависит от газодинамических условий совершения работы метания, которые определяют превалирующее влияние тех или иных энергетических параметров ВВ и свойств ПД. По этой причине чаще определяют относительную МС — по отношению к МС некоторого эталонного
ВВ. Однако и в этом случае даже для "простейших" индивидуальных ВВ, как будет показано, оценивать МС без привязки к конкретным условиям испытания часто бывает сложно. Тем более сложно говорить о прогнозе МС. Методы расчета с использованием регрессионного анализа экспериментальных данных, конечно, обладают максимальной интерполяционной способностью и полезны для решения инженерных задач. Однако если при построении математической модели в ее основу не заложен ясный физический смысл, а влияющие на результат параметры просто заданы в виде матрицы, можно получить результат, противоречащий здравому смыслу. Цель настоящей работы — выявление физически непротиворечивых и наиболее значимых параметров, влияющих на метательную способность ВВ.
ИНДВИВИДУАЛЬНЫЕ ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА И ИХ СМЕСИ
Рассмотрим связь МС с химическим составом ВВ. В качестве параметров, зависящих от химического состава ВВ и определяющих их работоспособность, в том числе МС, предлагаются объем газообразных ПД, который необходимо увеличить, а также средняя "атомность" а [3] и средняя молекулярная масса ц газообразных ПД [4] — параметры, которые необходимо уменьшить.
Рис. 1. Схема определения метательной способности по методике М-40: 1 — блок из полиметилметакрилата, 2 — иглы, укрепленные в блоке 1; 3 — пластина толщиной 4 мм; 4 — стальной корпус; 5 — заряд ВВ высотой и диаметром 40 мм; 6 — промежуточный детонатор высотой и диаметром 10 мм; 7 — пенопластовая вставка; 8 — электродетонатор.
Начальная скорость метаемого тела определяется давлением в ПД, т. е. величиной энергии в единице объема. При этом, согласно Ландау и Станюковичу [1], на первом этапе расширение ПД происходит за счет упругой энергии отталкивания молекул ПД. Эта энергия в первом приближении тем выше, чем больше молей ПД в единице объема и чем больше суммарный объем молекул, составляющих ПД (в трактовке Мейдера — коволюм [5]). По этим причинам необходимость увеличения объема газообразных ПД (при сохранении энергетических параметров) очевидна и возражения не вызывает.
Обратимся теперь к параметру ц, который был предложен авторами работы [4] на основании экспериментально обнаруженной пропорциональности МС, оцениваемой по величине обжатия медных
крешеров на импульсомере, величине р (р 0*/ц ), где р — плотность заряда ВВ, а О* — теплота взрыва, за вычетом теплоты свободного углерода. Дополнительным аргументом авторов в пользу адекватности предлагаемой оценки является примерно линейная зависимость (для индивидуальных ВВ) импульсов взрыва от скорости радиального метания оболочек, полученных по методике Т-20 [1], и от скоростей медных пластин, регистрируемых на коротких базах полета, метаемых открытыми (без-
оболочечными) зарядами ВВ. Необходимость снижения ц означает, что максимальным импульсом взрыва обладают безуглеродные или высоководородные ВВ.
Однако, во-первых, газодинамические условия совершения работы взрыва на импульсомере (обжатие крешера при детонации открытого заряда ВВ) далеки от условий метания, представляющих практический интерес. Оценки показывают, что время отбора энергии на импульсомере составляет ~2 мкс.
Во-вторых, величина р (р 0*/ц ) была выбрана по аналогии с величиной для легкогазовых установок (ЛГУ). В этих устройствах скорость метания снаряда определяется скоростью звука в разгоняющем метаемое тело газе [6]
Ст = ( ЯГ/Ц)1/2, где у — показатель адиабаты, Я — газовая постоянная, Т — температура метающего газа.
Прямую аналогию между метанием тел при детонации ВВ и в ЛГУ провести нельзя, поскольку газ, в частности водород, в ЛГУ является только рабочим телом, а энергия подводится извне: за счет сгорания пороха, предварительного сжатия газа, его разогрева электрическим разрядом и т.п. В то же время водород в составе молекулы ВВ является го-
Таблица 1. Зависимости метательной способности от плотности взрывчатых составов
Взрывчатое вещество 3 ^добав^ г/см 3 Рсмесы г/см ротн W40, м/с W40 при Ротн = 0.96, м/с
ФО - 1.780 0.96 2050 2050
ФО + 7.8% NH4F 1.315 1.660 0.93 1850 1889
ФО + 16.4% NH4F 1.578 0.92 1550 1593
ФО + 9.8% NH4Cl 1.530 1.724 0.96 1870 1870
ФО + 15.4% NH4Cl 1.757 0.98 1780 1755
ФО + 17.4% NH4Cl 1.721 0.96 1750 1750
ФО + 16.1% NH4I 2.511 1.886 0.96 1870 1870
ФО + 26.9% NH4I 1.895 0.96 1750 1750
рючим элементом, большая часть которого окисляется до трехатомной молекулы воды. Отметим, что
величина (T/ц)1^2 часто используется для полуэмпирических расчетов скорости детонации, например по методу Г.А. Авакяна [7], что также косвенно свидетельствует о применимости предлагаемой оценки МС только для очень коротких времен отбора энергии.
Для выявления роли параметра ц при больших временах отбора энергии (степенях расширения ПД) были проведены эксперименты по методике М-40 (рис. 1), разработанной во ВНИИТФ, в которой процесс ускорения метаемой пластины регистрируется c помощью восьми электроконтактных игольчатых датчиков в течение ~20 мкс. В соответствии с этой методикой метательная способность ВВ оценивается по скорости метания пластины на расстоянии 40 мм (Wo). Эксперименты проводили с флегматизированным октогеном (ФО) и его смесями с фторидом, хлоридом и йодидом аммония (табл. 1). Такие малостойкие добавки при температуре 100—550°С разлагаются на аммиак и HF, HCl и HI соответственно с возрастающей в этом ряду соединений молекулярной массой. Теплота разложения указанных солей незначительна и составляет 3% от теплоты взрывчатого разложения ВВ [8]. Можно предположить, что процесс разложения будет происходить и в ПД, ускоряющих пластину. Экспериментально установлено, что увеличение относительной плотности (ротн) на 0.01 г/см3 приводит к увеличению МС на 0.7%.
На рис. 2 приведены зависимости W40 от массовой доли добавок. Пунктирные линии соответствуют приведенной к ротн = 0.96 скорости пластины. Видно, что с увеличением молекулярной массы добавок МС смесей возрастает, а не снижается, и величину р (pQ*/ц) нельзя считать адекватной оценкой МС. Отметим, что как для безводородных
СМО-содержащих, так и для СНМБ-содержащих ВВ выводы о необходимости минимизации и ц тождественны.
Для качественного анализа факторов, влияющих на работоспособность ПД, обратимся к уравнению для идеальной работы взрыва [9], которое с учетом формулы Майера
Ср - С^ = к>
для зарядов равного объема может быть записана в виде
A = pQ
1 - (о/V)
R/Cv
(I)
где Q — удельная теплота взрыва, У0 и V — соответственно начальный и конечный удельные объемы ПД, Сч — средняя теплоемкость ПД при постоянном объеме.
Из формулы (I) видно, что величина в квадратных скобках — термодинамический КПД взрыва — тем больше, чем ниже средняя теплоемкость ПД, которая убывает с уменьшением степеней свободы у молекул ПД. Последних тем меньше, чем меньше атомов в молекулах ПД. Отсюда первый очевидный вывод: при равном объемном энергосодержании (pQ) и равной степени расширения ПД большей работоспособностью (в том числе метательной способностью) обладают ВВ с меньшей величиной а. Для СННОБ-содержащих ВВ основными компонентами ПД, при образовании которых выделяется энергия, являются молекулы Н2О, СО2, СО, НБ, СБ4. Для простоты дальнейшего (качественного) анализа вопросы о возможном присутствии в ПД свободного углерода в различных фазах, поглощающего часть энергии газообразных ПД, и свободного кислорода, образующего многоатомные эндотер-мичные оксиды азота, а та
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.