ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2008, том 27, № 8, с. 36-42
ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВ
УДК 534.222.2
МЕТОД ОЦЕНКИ МЕТАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ АЛЮМИНИЗИРОВАННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ*
© 2008 г. М. Н. Махов, В. И. Архипов
Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук, Москва
E-mail: makhov@polymer.chph.ras.ru Поступила в редакцию 13.04.2007
С использованием экспериментальных данных разработан полуэмпирический метод расчета метательной способности алюминизированных взрывчатых веществ. Метод основан на предположении о зависимости коэффициента трансформации химической энергии в кинетическую энергию метаемого тела от количества молей газообразных продуктов взрыва. При расчете оценивается эффективная степень окисления алюминия для рассматриваемых этапов движения тела. Расчеты выполнены для композиций, содержащих ряд новых взрывчатых веществ. Из результатов расчета следует, что наноструктурные алюминизированные композиты могут превосходить по метательной способности механические смеси в случае, когда основное взрывчатое вещество имеет резко отрицательный кислородный баланс или содержит повышенное количество водорода.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из путей повышения мощности взрывчатых материалов является использование энергетически выгодных добавок. К таким добавкам относится порошкообразный А1. Значительное тепловыделение, сопровождающее процесс взаимодействия А1 с продуктами взрыва (ПВ), обеспечивает высокую работоспособность алюминизированным взрывчатым веществам (ВВ). При разработке рецептур составов необходимо иметь надежный способ предсказания их взрывчатых свойств.
Метательная способность (МС) занимает особое место среди характеристик ВВ, так как измерения МС позволяют не только определять один из важнейших параметров эффективности ВВ, но и изучать процесс расширения ПВ. Следует отметить также, что до настоящего времени отсутствует единый взгляд на механизм окисления А1 при детонации. Задача создания оптимальной модели, описывающей поведение А1 в детонационной волне, требует знания комплекса параметров, характеризующих процесс детонационного превращения алюминизированных композиций в широком диапазоне времен и степеней расширения продуктов. МС является одним из таких параметров.
Измерения МС проводятся с использованием методик, имитирующих условия практического применения ВВ. Лабораторные методы в основном подразделяются на два типа: расширение цилиндрических оболочек и метание металличе-
* Юбилейная научная конференция Отдела горения и взрыва Института химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук.
ских пластин с торца заряда. Одним из наиболее распространенных методов, принадлежащих к первому типу, является Т-20 [1]. В методе Т-20 определяется радиальная скорость расширения медной цилиндрической оболочки с внутренним и внешним диаметрами, равными 20 и 24 мм соответственно. Т-20 является аналогом известного метода "Цилиндр Тест", разработанного в США [2, 3]. Ко второму типу относится отечественный метод М-40, в котором исследуется процесс ускорения стальной пластины толщиной 4 мм, метаемой с торца цилиндрического заряда толщиной и диаметром по 40 мм в канале толстостенной стальной оболочки. Мерой МС обычно служит скорость пластины на расстоянии 40 мм от ее первоначального положения.
Ранее в работах [4-6] были предложены полуэмпирические соотношения, позволяющие оценивать МС индивидуальных ВВ для условий методики "Цилиндр Тест". В работе [6] сопоставлением расчетных данных с результатами исследований по методу "Цилиндр Тест" [2, 3] показано, что количество газообразных ПВ (в молях на единицу объема ВВ) влияет не только на положение изоэнтропы ПВ, но и на ее наклон в плоскости 1пР-1иУ (где Р -давление, V - удельный объем).
Результаты исследований МС позволяют рассматривать процесс трансформации энергии окисления А1 в кинетическую энергию в пределах характерных времен - 20 мкс для метания пластины (М-40) и 10 мкс для расширения оболочки (Т-20).
метод оценки метательной способности
37
РАЗРАБОТКА МЕТОДА И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
При разработке метода расчета МС индивидуальных и алюминизированных ВВ для методик Т-20 и М-40 использовался тот же подход, что и в [4-6], т.е. предполагалось, что коэффициент трансформации химической энергии в кинетическую зависит от количества молей газообразных ПВ.
Полуэмпирические соотношения, представленные в настоящей работе, получены обработкой массивов экспериментальных данных. Экспериментально исследовались композиции, содержащие ВВ, отличающиеся в широком диапазоне по кислородному балансу (КБ). Среднемассовый размер частиц алюминиевой добавки менялся от 0.2 до 150 мкм. Активность (доля несвязанного металла) порошков Al(150), Al(15), Al(7) и Al(0.2) составляла 0.99, 0.98, 0.98 и 0.87 соответственно (в скобках указан среднемассовый размер частиц Al). Особое внимание уделялось композициям, содержащим частицы Al нанометрового размера. Al(0.2) был получен конденсационным методом Гена-Миллера в ИНЭП ХФ РАН [7, 8]. Часть данных по МС представлена в [9].
Для индивидуальных ВВ в методе расчета использовались экспериментальные или рассчитанные теплоты взрыва и соответствующие составы продуктов [4, 10]. Соотношения, полученные для алюминизированных ВВ, позволяют оценивать скорость пластины в методе М-40 на стандартной дистанции 40 мм и скорость цилиндрической оболочки в методе Т-20 при двух приращениях внешнего радиуса - 4 и 15 мм, что соответствует расширению ПВ примерно в два и семь раз. В методе Т-20 скорости при указанных приращениях радиуса обычно используются для сравнения ВВ по МС. В процессе расчета оценивается эффективная степень окисления Al, значение теплового эффекта и состав продуктов для рассматриваемых этапов движения ускоряемого объекта. Соотношения учитывают влияние содержания кислорода в ВВ, плотности заряда, размера частиц и концентрации компонентов. Кроме того, предполагается, что вклад теплоты реакций окисления Al в работу метания меньше вклада теплоты взрывчатого разложения индивидуального ВВ. Длительность процесса окисления Al может значительно превышать время разложения основного ВВ. Задержка в энерговыделении снижает долю энергии, перешедшую в кинетическую энергию объекта на рассматриваемой длине пути.
При расчете МС алюминизированных нано-композитов предполагалось равномерное распределение частиц Al(0.2) в матрице ВВ. При этом за размер частиц ВВ в заряде максимальной плотности принимался линейный размер пространства между соседними частицами Al.
Для метода Т-20 получены два варианта уравнений для расчета. Первый вариант рассматривает переход химической энергии в кинетическую энергию цилиндра. Во втором варианте рассчитывается коэффициент трансформации химической энергии в кинетическую энергию цилиндра и ПВ. Полученные соотношения представлены ниже.
Вариант 1. Рассматривается кинетическая энергия цилиндра.
Е = К0р,
К ~ (^р)а,
а = 1.5ехр(-0.5Я/Я0),
где Е - кинетическая энергия цилиндра, О - тепловой эффект на единицу массы смеси, р - плотность заряда, К - коэффициент трансформации химической энергии в энергию цилиндра, N - число молей газообразных ПВ на единицу массы смеси, Я0 и Я - начальный и текущий внешние радиусы цилиндра соответственно.
Вариант 2. Рассматривается кинетическая энергия цилиндра и ПВ с использованием модели Гарни [11].
(0.5 + ц)Ц = 2К1О,
К ~ (Nр)al,
а1 = 1.45ехр(-0.48Я/Я0),
где Ц - скорость цилиндра, ц - отношение масс цилиндра и ВВ.
Для алюминизированной смеси необходимо оценить эффективную степень окисления А1:
У = 1 - в8, 5 = 8182, 81 = к(й + 0.Ы1)-03, 82 = 1 - ехр(-4.5%2),
где у - эффективная степень окисления несвязанного алюминия добавки, в - массовая доля добавки, с1 и - среднемассовый размер частиц А1 и ВВ соответственно (мкм), % - аналог КБ ВВ.
Значение % рассчитывается по соотношению X = 1 + 16(с - 2а - Ъ/7)Мг1 (для молекулы основного ВВ: СаИЪОсК^), где М - молекулярный вес ВВ.
Величина к различна для разных стадий процесса расширения:
для Я - Я0 = 4 мм, к = 1.0, для Я - Я0 = 15 мм, к = 1.6. Эффективное значение теплового эффекта для единицы массы смеси оценивается по следующей схеме:
О = 01 + кО2, 01 = Оз(1 - в), 02 = 04 - 01, к = 1 - в0 5, где 0х - тепловой эффект, рассчитанный для смеси при условии, что А1 инертен, 03 - тепловой эф-
Таблица 1. Скорость пластины на дистанции 40 мм для октогена, БТНЭН и смесей, содержащих 15% А1 с различным размером частиц
ВВ, смесь й, мкм У1, км/с У, км/с У 71
Октоген - 2.13 2.13 - -
0.2 2.18 2.19 0.93 0.81
7 2.20 2.19 0.83 0.81
Октоген/А1 15 2.17 2.17 0.77 0.75
150 2.13 2.11 0.53 0.52
7* 2.16 2.16 0.70 0.68
БТНЭН - 2.07 2.03 - -
0.2 2.15 2.18 0.94 0.82
7 2.19 2.18 0.85 0.83
БТНЭН/А1
15 2.16 2.16 0.79 0.77
150 2.05 2.08 0.55 0.54
* Размер частиц октогена равен 250 мкм.
фект взрывчатого разложения основного ВВ при его плотности в заряде р1 = (1 - Р)/(1/р - Р/2.7), Q4 -тепловой эффект, рассчитанный для смеси по величине у [12] (А1203 - твердый, А1 - жидкий), к1 - коэффициент, учитывающий различие вкладов в работу метания теплового эффекта окисления А1 и теплоты взрывчатого разложения основного ВВ.
При известном значении Q рассчитывается скорость цилиндра по вариантам 1 или 2. Для методики М-40 расчет эффективной степени окисления у и величины Q проводится при к = 1.9 (дистанция 40 мм), а энергия пластины оценивается по варианту 1 при а = 0.55.
В табл. 1 представлены скорости пластины (М-40, дистанция 40 мм) для композиций, содержащих 15% А1 с различным размером частиц, и использованы обозначения: У1 и V - экспериментальная и расчетная скорости пластины соответственно, с1 - среднемассовый размер частиц А1, у -эффективная степень окисления несвязанного алюминия добавки, у1 - эффективная степень окисления добавки с учетом всей ее массы (включая окисную пленку). В композициях использовались следующие ВВ: октоген - циклотетраметилентет-ранитрамин С4И808К8 (-21.6%) и БТНЭН - бис(три-нитроэтил)нитрамин С4Н4014К8 (+16.5%). В скобках указан КБ. В табл. 2 для тех же смесей приведены скорости цилиндрической оболочки (Т-20) при двух степенях расширения ПВ,
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.