ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2011, том 30, № 1, с. 20-24
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 662.215
ДЕТОНАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ТВЕРДЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ © 2011 г. В. И. Пепекин
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва
E-mail: kors@polymer.chph.ras.ru Поступила в редакцию 08.02.2010
Предложен энергетический подход к оценке детонационной способности органических ВВ. Показано, что энергия ВВ является количественной мерой детонационной способности. Для ее оценки необходимо знать химический состав и энтальпию образования ВВ.
Ключевые слова: вещества взрывчатые, способность детонационная, подход энергетический.
В качестве меры детонационной способности Ю.Б. Харитоном был предложен критический диаметр (^кр), им же разработана теория этого вопроса [1, 2]. Критический диаметр характеризует минимальный размер заряда, необходимый для возникновения, развития и распространения детонации. Детонационную способность различных ВВ сопоставляют по критическому диаметру. Этот метод не нашел практического применения из-за трудности изготовления малых зарядов (А^ < 2 мм) с контролируемыми размерами и плотностью. Детонационная способность твердых ВВ зависит от дисперсности и плотности. Еще в 1940-е годы было установлено, что Акр у порошкообразных ВВ уменьшается с уменьшением размера частиц. В общем случае график зависимости Акр(р) состоит из двух ветвей [3]. Ниспадающая ветвь характерна для насыпной плотности; для сплошных (прессованных) зарядов характерна растущая ветвь. Такой вид зависимости Акр(р) объясняется конкуренцией двух факторов: увеличения скорости сгорания частиц в детонационной волне с ростом давления и уменьшения поверхности возгорания при снижении пористости заряда. Минимум на зависимости Акр(р) соответствует максимальной детонационной способности. Каждое ВВ имеет свою зависимость А^ф) и минимальную плотность в точке перегиба. Альтернативой критическому диаметру как меры детонационной способности является критическая толщина плоского заряда ВВ [4]. Критическая толщина не является константой, эта величина имеет многофакторную зависимость. Разнобой значений критических толщин одного и того же ВВ, приведенных в различных публикациях [5— 8], свидетельствует о несовершенстве методики и неоднозначности величин, характеризующих детонационную способность.
Подходы к оценке детонационной способности, исходящие из работ Ю.Б. Харитона и его последователей, имеют ограниченное применение. Не случайно работы в этом направлении за рубежом не ведутся. Для оценки детонационной способности используют метод ударноволновой чувствительности (УВЧ) [9]. В ее основе лежит восприимчивость заряда В В к действию ударной волны. Метод УВЧ был разработан в США в 1960-е годы и получил широкое распространение, так как сравнительно прост, информативен и надежен. Метод УВЧ широко применяют для оценки чувствительности, которая определяет уровень безопасности ВВ при внешних воздействиях (механическом и ударноволновом). Оценка чувствительности при таких воздействиях различна — качественная и количественная. При механических воздействиях чувствительность определяется в копровых испытаниях и оценивается по высоте сбрасываемого груза, при которой фиксируется 50% частость взрывов. Копровые испытания не дают конкретного значения, а позволяют лишь расставить ВВ в ряд по возрастанию чувствительности. С помощью метода УВЧ определяют критическое давление инициирования в килобарах, он позволяет количественно оценить чувствительность конкретного ВВ.
Взрывчатые вещества, выпускающиеся промышленностью, приведены в табл. 1. Они расположены в ряд по возрастанию чувствительности на основании копровых испытаний. В этой же таблице приведены значения давлений инициирования, определенные методом УВЧ в так называемом Gap-test [10]. Данные метода УВЧ подтверждены в ряде лабораторий и используются в качестве опорного ряда для суждения о чувствительности перспективных ВВ [11]. Как следует из табл. 1, механические и ударноволновые воздей-
Таблица 1. Ряд ВВ по возрастанию чувствительности при механических и ударноволновых воздействиях
Номер ВВ Брутто-формула р0, г/см3 аН°, ккал/моль Ркр, кбар
1 С7Ы5М306 1.64 -17.8 42.0
2 С7Н5^08 1.70 6.3 29.0
3 1.80 14.7 20.5
4 С4Н8м8о8 1.902 17.9 24.0
5 С5Н8ад2 1.77 -125.5 19.0
Примечания: 1 — тротил, 2 — тетрил, 3 — гексоген, 4 — октоген, 5 — тэн.
ствия (качественно и количественно) позволяют объективно судить о чувствительности ВВ.
Экспериментальные методы оценки чувствительности к механическим и ударноволновым воздействиям дают согласованную объективную картину устойчивости к этим видам воздействий, что позволяет судить об уровне взрывобезопасно-сти конкретного ВВ. При этом не вскрываются природа и причины повышения чувствительности ВВ. Известно, что повышение мощности ВВ достигается за счет повышения энергонагружен-ности молекул эксплозофорными группами, что сопряжено с ослаблением химических связей и повышением чувствительности. Рост энергоемкости ВВ приводит к повышению чувствительности в соответствии с известным эмпирическим правилом: чем мощнее ВВ, тем выше его чувствительность. Обобщение многолетних исследований позволило сделать вывод, что чувствительность определяется энергетикой ВВ. Единственная константа, которая характеризует энергетику ВВ, — максимально возможная теплота взрыва (Отах). Она элементарно вычисляется по уравнению разложения в соответствии с принципом Бертло максимального тепловыделения. Для ВВ типа СаН^сОй
=289Ь + /2) + АЯ; '1000. м.м.
Для оценки Отах необходимо знать химическую формулу и энтальпию образования ВВ. Отах — энергия молекулы, являющаяся показателем предельной возможности ВВ в процессе превращения химической энергии в тепловую при взрывчатом распаде, это энергетический потенциал ВВ, а коэффициент его реализации при данной плотности отражает результирующий эффект процессов в зоне химических реакций. В основе детонации лежит экстремальное выделение энергии, которое поддерживает распространение стационарного режима. В соответствии с теорией детонации, выделение энергии обеспечивает и поддерживает устойчивый режим детонации [12], а скорость детонации
Б ~ О0 5.
Энергия ВВ является характеристикой распространения взрывчатого превращения, теоретически обоснованной мерой детонационной способности. По существу энергия молекулы позволяет оценить величину чувствительности с учетом возбуждения взрыва (р0Отах) [13] и детонационной способности (Отах). Имеющийся в институте химической физики ряд ВВ по мере возрастания чувствительности, составленный на основе копровых испытаний к механическим воздействиям, без исключения коррелирует с энергетикой. В качестве примера в табл. 2 приведены двенадцать ВВ, расположенных в ряд по мере увеличения чувствительности с ростом их энергетики, а также приведены плотности этих веществ. Нитрогуани-дин (соединение 1, в табл. 2) уступает бризантным ВВ по энергетике. Его инициирование возможно только при использовании промежуточного заряда в виде прессованного гексогена. Ввиду небольшого запаса энергии нитрогуанидин не может поддерживать устойчивый стационарный режим детонации. Нитрогуанидин имеет немонотонный характер зависимости Б(р). Увеличение плотности заряда нит-рогуанидина до 1.3—1.4 г/см3 приводит к срыву и прекращению детонации [14], что свидетельствует о его неспособности к детонации в случае малых диаметров и низкой чувствительности. Соединения 2—4, ТАТБ, динитрогуанидин и диамино-динитроэтилен ^ОХ-7) — известные высоководородные малочувствительные ВВ, у которых атомы водорода соединены с азотом в аминогруппы. Соединения 2—4 по максимальной теплоте взрыва (энергии молекул) уступают тротилу (соединение 5). Уменьшение Отах — важный фактор снижения детонационной способности и чувствительности. Даже такое мощное ВВ, как динитрогуа-нидин (соединение 3), имея скорость детонации 9200 м/с [15], благодаря наличию большого числа атомов водорода в молекуле имеет Отах, существенно меньшую, чем у тротила. Известные ВВ (соединения 6—11) выпускаются промышленностью, но требуют при эксплуатации осторожного обращения. Даже такие ВВ, как гексоген и октоген, имеющие многотоннажное производство и удовлетворяющие потребителей по мощности, требуют
22 ПЕПЕКИН и др.
Таблица 2. Ряд ВВ по возрастанию чувствительности и энергии
Номер ВВ Брутто- формула p0, г/см3 aH°, ккал/моль Qmax, ккал/кг
1 CH4N4O2 1.77 -23.0 1091
2 C6H6N6O6 1.938 -39.4 1190
3 CH3N5O4 1.88 0 1318
4 c2h4n4o4 1.885 -31.0 1345
5 C7H5N3O6 1.64 -17.8 1400
6 C7h5n5os 1.70 6.3 1518
7 c4h8n8os 1.902 17.9 1619
8 C3H6N6O6 1.80 14.7 1625
9 C5HsN4O12 1.77 -125.5 1658
10 C6H6N12O12 2.044 98.5 1659
11 C6N6O6 1.901 138.8 1670
12 ода 2.02 159.6 1860
Примечания: 1 — нитрогуанидин, 2 — триаминотринитробензол, 3 — динитрогуанидин, 4 — диаминодинитроэтилен, 5 — тротил, 6 — тетрил, 7 — октоген, 8 — гексоген, 9 — тэн, 10 — гексанитрогексаазаизовюрцитан, 11 — бензотрифуроксан, 12 — ди-нитродиазенофуроксан.
осторожного обращения, так как характеризуются недостаточно низкой чувствительностью, что привело к ряду несанкционированных взрывов при перевозке боеприпасов. Гексанитрогексаазаизовюрцитан (CL-20, соединение 10), судя по величине 0тах, превосходит октоген, но равен тэну (соединение 9), что согласуется с выводом о чувствительности CL-20 на уровне тэна [16]. Динитроди-азенофуроксан (соединение 12) — пример того, как "накачка" энергии приводит к высокому энергосодержанию: 0тах = 1860 ккал/кг, и, с одной стороны, обеспечивает рекордные детонационные характеристики, Б = 10 000 м/с [6], а с другой — делает ВВ непригодным для практического использования. Это ВВ детонирует при любой плотности и дисперсности со скоростью, близкой к максимальной. Детонация проходит по заряду толщиной 7 мкм. При этом она передается от частицы к частице, распространяясь по ним, как по отдельным зарядам [6]. Подобным образом ведут себя безводородные ВВ с 0тах = 1800—1900 ккал/кг [17]. Энергия, заключенная в молекуле ВВ, является мерой детонационной способности и может быть использована для классификации ВВ
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.