научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ РАЗМЕРА ПОВЕРХНОСТИ ФРОНТА ДЕТОНАЦИИ РАСТВОРА ДИНА/АЦЕТОНИТРИЛ В ЗАРЯДАХ ОКОЛОКРИТИЧЕСКОГО ДИАМЕТРА Химия

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ РАЗМЕРА ПОВЕРХНОСТИ ФРОНТА ДЕТОНАЦИИ РАСТВОРА ДИНА/АЦЕТОНИТРИЛ В ЗАРЯДАХ ОКОЛОКРИТИЧЕСКОГО ДИАМЕТРА»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2009, том 28, № 1, с. 46-53

ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВ

УДК 524.222.2

ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ РАЗМЕРА ПОВЕРХНОСТИ ФРОНТА ДЕТОНАЦИИ РАСТВОРА ДИНА/АЦЕТОНИТРИЛ В ЗАРЯДАХ ОКОЛОКРИТИЧЕСКОГО ДИАМЕТРА

© 2009 г. |А. Н. Дрёмин

Институт проблем химической физики Российской академии наук, Черноголовка

E-mail: dremin@icp.ac.ru Поступила в редакцию 18.09.2007

Обсуждается обнаруженная ранее схожесть процессов перехода из трубы в объем детонации слабого жидкого ВВ-раствора ДИНА/ацетонитрил состава 68.5/31.5 мас. %, близкого к предельному, и детонации мощных жидких взрывчатых веществ (ВВ) типа нитроглицерина. Сделан вывод, что аналогия в поведении столь разных по мощности жидких ВВ не связана с кинетической устойчивостью фронта их детонаций и определяется явлениями срыва химической реакции во фронте соответствующих волн волнами разрежения.

ВВЕДЕНИЕ

При исследовании предела детонации по концентрации растворов ДИНА/А [1, 2] (ДИНА - ди-этанолнитраминдинитрат, С4Н8К306, плотность монокристалла - 1.67 г/см3, теплота взрыва -1250 ккал/кг; А - ацетонитрил, С2Н3К, плотность -0.783 г/см3, содержание ДИНА в растворах от максимально возможной при комнатной температуре (68.5 мас.%) и до минимальной, предельной (61 мас.%), при которой раствор уже не мог детонировать), оказавшихся довольно слабыми жидкими ВВ (плотность раствора ДИНА/А состава 68.5/31.5 мас.% при нормальных условиях -1.20 г/см3, скорость детонации - 5.78 км/с, давление Михельсона-Чепмена-Жуге (МЧЖ) [3-5] -Рмчж = 8.7 ГПа), было установлено, что фронт их детонационных волн кинетически (по Щёлкину [6]) неустойчивый, пульсирующий.

В работе [7] было показано, что критический диаметр детонации зарядов любых жидких взрывчатых веществ (ВВ), с кинетически устойчивым и неустойчивым фронтами, в тонкой целлофановой оболочке совпадает с критическим диаметром металлической трубы, из которой детонация еще могла переходить в объем, заполненный тем же ВВ. Это совпадение указывает на общность механизма, приводящего к затуханию детонации в обоих случаях.

Посредством перепускания детонации раствора ДИНА/А из металлической трубы в объем, заполненный раствором, была предпринята попытка определить ее критический диаметр. При этом, вопреки ожидавшейся картине перехода, ранее установленной для слабых жидких ВВ с неустойчивым детонационным фронтом, наблюдалась картина перехода, ранее обнаруженная для

мощных жидких ВВ (типа нитроглицерина) с кинетически устойчивым детонационным фронтом [7]. Цель настоящей работы состоит в том, чтобы обсудить причины общего и различий в картинах перехода из трубы в объем детонации мощных жидких ВВ с кинетически устойчивым фронтом и детонации слабого жидкого ВВ-раствора ДИНА/А, близкого по концентрации к предельному, с кинетически неустойчивым фронтом.

СРЫВ И ПРЕДЕЛЫ ИНИЦИИРОВАНИЯ

ДЕТОНАЦИИ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ

Известно, что все пределы детонации жидких ВВ (инициирования ударными волнами, кинетической устойчивости фронта и распространения) определяются явлениями срыва химической реакции во фронте ударных волн волнами разрежения [8]. Явление срыва имеет место только в случае медленной кинетики энерговыделения ВВ, которая характеризуется периодом индукции с последующим самовоспламенением [9]. Период индукции, составляющий основную часть полного времени взрыва, является сильной экспоненциальной функцией состояния ВВ. Поэтому из физических соображений ясно, что для любой повышенной начальной температуры может быть найдено такое быстрое ее падение во времени, что возрастающий при этом период индукции будет всегда превышать "время жизни" ВВ в каждом промежуточном состоянии. В этих условиях самовоспламенение ВВ не может произойти вообще. Это и есть срыв. Отсюда следует, что если увеличивать интенсивность инициирующей ударной волны, то та ударная волна будет минимальной, предельной для инициирования жидкого ВВ, при действии которой срыв преодолевается. В связи с

этим выводом в принципе может возникнуть недоразумение. Действительно, известно, что концепция предела ударно-волнового инициирования детонации относительная; величина критической интенсивности ударной волны зависит, в частности, от размеров активного заряда - для конкретного жидкого ВВ эта величина уменьшается с увеличением размеров активного заряда. Однако зависимость размеров активного заряда от критического давления инициирующей ударной волны исключительно сильная. Эта зависимость определяется тем фактом, что интенсивность ударной волны в первом приближении контролирует температуру ВВ и, следовательно, начальную скорость химической реакции через экспоненту Аррениуса. А предельные размеры активного заряда находятся из условия компенсации химического саморазогрева ВВ адиабатическим охлаждением под действием волн разрежения. Поэтому заметное уменьшение величины критического давления инициирующей ударной волны может быть достигнуто только при очень большом (экспоненциальном) возрастании размеров активного заряда. Из вышеизложенного следует, что в действительности существует довольно малая возможность варьировать размер активного заряда и, следовательно, варьировать величину критической интенсивности инициирующей ударной волны.

СРЫВ И ПРЕДЕЛЫ КИНЕТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ДЕТОНАЦИОННОГО ФРОНТА ЖИДКИХ ВВ. МЕХАНИЗМ

ДЕТОНАЦИОННОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ ЖИДКИХ ВВ

Чтобы показать, как явление срыва определяет предельные условия возникновения кинетически неустойчивого, пульсирующего детонационного фронта в физически однородных ВВ (газы, жидкости), напомним, что их нормальная детонация в режиме МЧЖ всегда возникает из пересжатого режима [8]. При этом вопрос о том, будет ли фронт нормальной детонации кинетически устойчивым или пульсирующим, решается именно в процессе перехода пересжатой детонации в нормальный режим. Если в процессе этого перехода срыв реакции во фронте волны тыльными волнами разрежения не произойдет, то фронт детонационной волны в нормальном режиме МЧЖ будет кинетически устойчивым (гладким, не пульсирующим), а если же срыв будет иметь место, то возникнет детонационная волна с кинетически неустойчивым, пульсирующим фронтом [8].

При инициировании детонации ударными волнами в физически однородных ВВ пересжатие всегда очень сильное, так как пересжатые детонационные волны, как правило, возникают в исходном ВВ под действием детонации слоя ударно-

сжатого ВВ, создаваемого инициирующей ударной волной за время индукции его самовоспламенения [10]. Детонация ударно-сжатого ВВ возникает вследствие исключительно быстрого выделения энергии в процессе его самовоспламенения. Давление этой детонации существенно выше давления нормальной детонации. (Вызвано это в основном увеличением плотности ВВ при его сжатии инициирующей ударной волной.) Поэтому когда детонация ударно-сжатого ВВ догоняет фронт инициирующей ударной волны, она вызывает в исходном ВВ сильно пересжатую детонацию.

Из-за незначительной толщины слоя ударно-сжатого ВВ возникшая под действием его детонации пересжатая детонационная волна в исходном ВВ быстро затухает вследствие сильной тыльной волны разрежения. В этих условиях срыв реакции превращения ВВ во фронте волны в исходном ВВ не возникнет только в том случае, если в течение переходного процесса и в нормальном режиме детонации это превращение будет следовать закономерностям быстрой кинетики энерговыделения, при которой самовоспламенение ВВ происходит без задержки сразу за ударным скачком (на самой вершине химпика). Обычно это наблюдается у мощных жидких ВВ и именно поэтому фронт их детонационной волны всегда кинетически устойчивый [8].

Действие тыльной волны разрежения приводит к мгновенному срыву реакции во фронте волны в исходном ВВ, если выделение энергии ВВ при этом будет следовать закономерностям медленной кинетики. Срыв реакции означает ликвидацию классического одномерного химпика детонационной волны. После этого под действием высокого давления продуктов уже сдетонировавшей части ВВ во фронте волны нарастает слой ударно-сжатого ВВ. Размеры и параметры состояния этого слоя изменяются так, что по прошествии характерного для него периода индукции на границе раздела продукты детонации/ударно-сжатое ВВ срыв преодолевается, происходит самовоспламенение ударно-сжатого Вв и опять возникает его детонация. Возникшая детонация в свою очередь снова порождает в исходном ВВ сильно пересжатую детонацию и т.д. Было показано [8], что срыв химпика и последующее возникновение детонации ударно-сжатого ВВ происходят, в силу случайных причин, не одновременно по всей поверхности детонационного фронта, а в его отдельных локальных местах. При этом в нормальном режиме детонации давление в слое ударно-сжатого ВВ, естественно, равняется давлению продуктов детонации, т.е. давлению МЧЖ.

Из вышеизложенного следует, что физически однородные маломощные ВВ в неустойчивом фронте их детонационных волн (пульсирующая

Рис. 1. Схема образования волны 1 (V - скорость по детонационному фронту, 0-8 - ее траектория) последовательного невозникновения (срыва) локальных адиабатических взрывов во фронте пульсирующей детонации 2 при ее выходе в объем 3 из металлической трубы 4 диаметром больше критического; автоматическое превращение детонационной волны 2 после срыва в ней химической реакции в присоединенную ударную волну 5; появление в 6 самовоспламенения и детонации (6-8 - ее траектория) ударно-сжатого ВВ 7, а также восстановление фронта детонационной волны на все сечение заряда после догона в точке 8 фронта волны срыва локальных взрывов детонацией ударно-сжатого ВВ; 9 - ось заряда; -Омчж - скорость детонации МЧЖ, Бр - скорость детонации ударно-сжатого ВВ за фронтом присоединенной ударной волны.

детонация) превращаются в продукты детонации посредством локальных адиабатических взрывов ударно-сжатого ВВ, находящегося во фронте волны при давлении продуктов детонации МЧЖ, а не давлении химпика, как это полагали Щёлкин [6, 11, 12], сибирские коллеги [13] и до сих пор полагают, например, те, кто занимается численным моделированием пульсирующей детонации [1417].

То, что маломощные жидкие ВВ превращаются в продукты детонации за счет локальных ади

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.

Показать целиком