ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 9, с. 33-36
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 662.21
ИНИЦИИРОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ СИЛЬНОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ НА ИХ ТЕПЛОВУЮ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ © 2015 г. Г. Г. Савенков1*, В. А. Морозов2, А. С. Мазур1, А. А. Лукин2
1Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 2Санкт-Петербургский государственный университет *Е-таП: sav-georgij@yandex.ru Поступила в редакцию 17.09.2014
Исследовано инициирование зажигания порошковой композиции нитроцеллюлозы и нитроглицерина, а также смеси этой композиции со свинцовым суриком и цирконием в различной пропорции с помощью сильноточного электронного пучка. Приведены экспериментальные результаты по оценке влияния воздействия электронного пучка на тепловую чувствительность исследованных энергонасыщенных материалов. Показана решающая роль в их зажигании катодного факела, который генерируется с катода вслед за электронным пучком.
Ключевые слова: сильноточный электронный пучок, катодный факел, зажигание, тепловая чувствительность, энергонасыщенный материал.
БО1: 10.7868/80207401X15090125
ВВЕДЕНИЕ
Известно [1], что прохождение быстрых электронов через любое вещество приводит к изменению его дефектной структуры. В свою очередь такое изменение структуры должно (может) приводить к изменению свойств, в частности теплофизиче-ских характеристик вещества. Для энергонасыщенных материалов (состав на основе гексогена марки ТГ30/70) потенциальное изменение дефектной структуры (теплофизических свойств) приводит к изменению ударно-волновой чувствительности [2]. Облучение фульмината ртути, относящейся к инициирующим взрывчатым веществам, сильноточным электронным пучком (СЭП) привело к резкому увеличению тепловой и механической чувствительности [3] (например, температура вспышки уменьшалась с 205 до 140°С, а минимальная высота срабатывания — более чем в два раза). Как такое потенциальное изменение дефектной структуры может влиять на тепловую чувствительность энергонасыщенных материалов, в целом не ясно. А поскольку такие материалы, включая, например, ракетные топлива различных космических летательных аппаратов, могут подвергаться кратковременному воздействию потоков электронов, в том числе — релятивистских, то исследование их тепловой чувствительности после такого воздействия является достаточно актуальной проблемой. Подход к
решению данной проблемы — цель настоящей работы.
Кроме заявленной выше цели была и вторая, не менее важная — определение возможности зажигания с помощью СЭП тех же энергонасыщенных материалов (ЭНМ). То, что с их помощью можно осуществить зажигание, вопросов не вызывает. Так, с помощью СЭП осуществлялось инициирование взрывчатых превращений в первичных взрывчатых веществах (ВВ) и в самом чувствительном из бризантных — тетранитропен-таэритрите (ТЭНе) [4, 5]. Что касается других ВВ и ЭНМ, то при определенной закачке энергии в заряд возбуждение экзотермической реакции в них неизбежно. Однако остается открытым вопрос об устойчивости зажигания таким способом, поскольку экспериментальные данные свидетельствуют, что при достаточно интенсивном, но кратковременном нагреве, после начальной вспышки может происходить погасание конденсированного энергонасыщенного материала [6]. Кроме того, в работе [7] на основе предложенной модели зажигания конденсированного реакцион-носпособного вещества и анализа численных расчетов по этой модели показано, что существует значение критического времени излучения, ниже которого зажигания не происходит. Поэтому определение минимальной энергетики пучка при наносекундной длительности излучения, приво-
3
33
34
САВЕНКОВ и др.
Рис. 1. Схема проведения эксперимента: 1 — вакуумная камера, 2 — катод, 3 — стальное кольцо-анод, 4 — образец, 5 — пояс Роговского (измеритель тока электронного пучка), 6 — прокладка, 7 — кольца, 8 — май-ларовая напыленная алюминием пленка или алюминиевая фольга.
дящей к инициированию взрывчатых превращений (в любой форме) в ЭНМ, также достаточно актуальная (в перспективе применения СЭП в глубоком вакууме (космосе)) задача.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве основного энергонасыщенного материала (ОЭНМ) была выбрана порошковая композиция на основе нитроглицерина (50%) и нитроцеллюлозы (48%), в качестве пластификатора использовался бутилфталат (2%). Температура воспламенения ОЭНМ — 175°С. Использовались также порошковые композиции ОЭНМ (85%) со смесью свинцового сурика и циркония с небольшой добавкой коллоксилина (композиция 1) и та же композиция, но с содержанием 75% и 50% ОЭНМ (композиции 2 и 3 соответственно). Температура воспламенения смеси свинцового сурика и циркония — 180°С. Размер частиц всех видов исследуемых составов составлял 200—300 мкм.
Следует также отметить, что смесь свинцового сурика с цирконием и коллоксилином при действии СЭП гарантированно воспламенялась [8]. Воспламенялась и нитроцеллюлоза при действии электронного пучка микросекундной длительности, генерируемого с катода автоэмиссионного типа [9]. Времена задержки воспламенения составляли при этом от 0.5 до 10 с (что по сведениям авторов этой работы существенно ниже времен
задержки, чем при обычных видах зажигания), однако энергия электронов в указанной работе была существенно выше (800 кэВ), чем в настоящей работе.
Составы запрессовывались в металлические кольца с внешним диаметром 30 мм, внутренним диаметром 16 мм и высотой 2 мм. Плотность прессования ОЭНМ — 1.2 г/см3, композиции 1 — 1.8 г/см3, композиции 2 — 2.5 г/см3, композиции 3 — 2.9 г/см3. При установке кольца с запрессованным составом в экспериментальную систему на тыльную поверхность первого крепилась металлическая прокладка толщиной 0.5 мм, игравшая роль донышка.
В качестве источника сильноточных электронных пучков использовался генератор коротких высоковольтных импульсов ГКВИ-300 с катодом взрывоэмиссионного типа (диаметр испускающей головки — 10 мм). Экспериментальная схема облучения образцов приведена на рис. 1. Средняя энергия электронов в спектре была не ниже 180 кэВ, в зависимости от вида облучения она могла доходить и до 250 кэВ. Длительность импульса напряжения составляла 20—50 нс. Удельная мощность потока излучения быстрых электронов была не меньше 2 • 1010 Вт/м2. В целом такие параметры СЭП являются для современных электронных ускорителей достаточно низкими. Под видом облучения в настоящей работе понимается либо облучение чистым электронным пучком, либо облучение образца СЭП с последующим воздействием на него катодного факела (металлической плазмы), который (ая) генерируется с катода вслед за электронным пучком [10] и имеет скорость ~150 км/с [11].
После облучения образцы помещались на металлическую подложку вместе с необлученными образцами. Подложка вместе с образцами устанавливалась в термошкаф, температура в котором была приблизительно равна температуре воспламенения ЭНМ. По секундомеру определялась разница во времени воспламенения между облученными и необлученными образцами.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результатом воздействия СЭП (или совместно с катодным факелом (КФ)) на исследуемые ЭНМ были следующие изменения или превращения в них:
1. Воздействие СЭП (без КФ) на образцы из ОЭНМ приводило к появлению на них пятна с гладкой поверхностью (можно предполагать, что это является следствием оплавления бутифтала-та) диаметром 10 мм, отличавшемуся по цвету от первоначального (более светлый тон).
ИНИЦИИРОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ СИЛЬНОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ
35
Рис. 3. Композиции 1 (а) и 2 (б) после совместного действия СЭП и КФ.
2. Совместное воздействие СЭП и КФ на образцы из ОЭНМ приводило к появлению на них пятна того же диаметра, но с шероховатой поверхностью, а на катоде фиксировалось пятно термического происхождения (рис. 2).
3. Воздействие СЭП и КФ на композиции 1 и 2 приводило к появлению в образцах сквозных участков сгоревших составов диаметром 2—3 мм для композиции 1 и 4—5 мм для композиции 2 (рис. 3), что указывало на неустойчивость зажигания данных составов электронным пучком и катодной металлической плазмой.
4. Композиция 3 при совместном воздействии СЭП и КФ сгорала полностью, воздействие же только СЭП без КФ на все три композиции к воспламенению образцов не приводило.
Чувствительность к тепловому воздействию облученных образцов ОЭНМ и композиций была совершенна различна. Так, задержка во времени воспламенения облученных СЭП образцов ОЭНМ с необлученными составляла 35—40 с, а
задержка во времени воспламенения между образцами из ОЭНМ, на которые совместно действовали СЭП и КФ, и такими же образцами, но необлученными, составляла всего 5—10 с. При этом температура воспламенения составляла 175°С.
Чувствительность к тепловому воздействию облученных композиций, наоборот, увеличивалась. Так, образцы из композиции 1 после облучения СЭП воспламенялись на 12—15 с раньше, чем необлученные. А образцы из той же композиции после совместного воздействия СЭП и КФ воспламенялись на 30 — 35 с раньше, чем необлученные, что можно объяснить уменьшением веса образцов и появлением в них новых свободных поверхностей. В увеличение чувствительности таких образцов к тепловому воздействию вносит вклад и шероховатость их поверхности, поскольку гребни поверхности нагреваются гораздо быстрее, чем если бы поверхность была абсолютно гладкой.
36
САВЕНКОВ и др.
Облученные электронными пучками (без воздействия катодного факела) образцы из композиции 2 воспламенялись на 5—7 с раньше, чем необ-лученные. Однако при этом образцы из той же композиции после совместного действия СЭП и КФ воспламенялись на 40—45 с раньше, чем необ-лученные (что естественно в силу большой потери массы в этих образцах). Разница во времени воспламенения между образцами из композиции 3, облученными чистым СЭП, и необлученными образцами, была неуловима (можно предполагать, что она составляла не более 2 с).
Таким образом, можно констатировать, что зажигание исследованных ЭНМ с помощью СЭП (без КФ) наносекундной длительности произвести не удалось. Учитывая высокую интенсивность удел
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.