ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 535.529+662.215.1
НИЗКОСКОРОСТНЫЕ РЕЖИМЫ ДЕТОНАЦИИ ЗЕРНЕНОГО ПИРОКСИЛИНОВОГО ПОРОХА © 2014 г. Б. С. Ермолаев*, В. Ф. Мартынюк, А. А. Беляев, А. А. Сулимов
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва
*Е-таИ: boris.ermolaev@yahoo.com Поступила в редакцию 03.06.2013
Известно, что низкоскоростная детонация, возбуждаемая взрывом тонкого слоя пластичного ВВ в зарядах зерненого пироксилинового пороха, распространяется с практически постоянной по длине заряда скоростью, которая, однако, имеет различные значения в зависимости от мощности инициирующего импульса. Данная работа посвящена выяснению механизма этого необычного свойства детонационного процесса. Опыты проводились на зарядах из зерненого одноканального пороха марки ВТМ разной начальной плотности и были дополнены численным моделированием. Показано, что изучаемое свойство есть следствие сравнительно низкой интенсивности химического превращения и ограниченной длины заряда (120 мм в эксперименте и расчетах). В этих условиях зона реакции детонационной волны не успевает полностью сформироваться и развитие процесса прерывается на стадии, когда характеристики волны активно изменяются. Эволюция волны отчетливо проявляется на профилях давления, однако траектория фронта, если исключить участок инициирования, имеет почти линейную форму, которой отвечает скорость волны, близкая к постоянной величине. Для формирования стационарной волны, характеристики которой не зависят от условий инициирования в диапазоне, отвечающем режиму низкоскоростной детонации, необходимы заряды гораздо большей длины. Что касается механизма возбуждения химического превращения во фронте волны, то, как показало численное моделирование, в зарядах высокой пористости работает газофазный механизм (сжатие и разогрев в высокоскоростном потоке газов, движущихся в порах). И лишь для уплотненных зарядов с пористостью 0.2 и ниже нагрев и воспламенение пороха происходят по твердофазному механизму (за счет диссипаций при пластических деформациях пористого слоя). Рассмотрены подробности обоих механизмов.
Ключевые слова: низкоскоростная детонация, пироксилиновый порох.
Б01: 10.7868/80207401Х1406003Х
введение
Зерненые пироксилиновые пороха относятся к энергетическим материалам, для возбуждения полноценной детонации которых требуется приложить взрывной импульс сравнительно большой амплитуды и длительности [1, 2]. Ранее было показано [3], что при воздействии коротким импульсом, например при инициировании с помощью тонкого слоя пластичного ВВ, используемого в качестве промежуточного детонатора, в заряде зерненого пороха возникают детонацион-но-подобные процессы, которые из-за уровня скорости волны (1.2—1.8 км/с) традиционно относят к низкоскоростной детонации. Эти волны, которые будут предметом подробного анализа в данной статье, обладают одним свойством, необычным для установившегося детонационного процесса. А именно, скорость волны, которая сохраняется после инициирования постоянной по длине заряда, оказывается зависящей от толщи-
ны слоя инициирующего ВВ. Помимо чисто теоретического интереса эти волны благодаря простоте и надежности инициирования имеют перспективы практического использования в импульсных устройствах с коротким временем срабатывания.
Исследование, представленное в данной статье, содержит экспериментальный и теоретический разделы. Для экспериментов выбран зерненый одноканальный пироксилиновый порох марки ВТМ. Проведены измерения скорости неидеальной детонации зарядов насыпной и более высокой плотности при разной толщине инициирующего слоя ВВ, а также даны оценки степени выгорания пороховых частиц, погашенных и собранных после прохождения детонационной волны. В теоретическом разделе с помощью численного моделирования рассмотрен механизм исследуемого процесса и его основные свойства. Использована модель, разработанная ранее применительно к переходу горения в детонацию в
твердых пористых энергетических материалах (ЭМ) [4]. Взрывное инициирование моделируется импульсным вдувом горячего газа через торец заряда. Варьируя длительность вдува, можно качественно воспроизвести эффект изменения толщины слоя инициирующего ВВ.
экспериментальная часть
Опыты проводились на пироксилиновом порохе марки ВТМ, имеющем вид одноканальных зерен диаметром 0.9 мм и длиной 1.5 мм. Удельная поверхность зерен равна 38 см2/г, гидравлический диаметр зерен — 1 мм. Зерна пороха покрывали по наружной поверхности тонкой пленкой поливи-нилацетата из расчета 1 вес. %. Пленку наносили путем напыления из спиртового раствора, затем зерна сушили и использовали для приготовления зарядов. Заряды прессовали с подогревом, порционно, непосредственно в канал оболочки. Навески пороха выбирали таким образом, чтобы высота каждой запрессовки была примерно равна диаметру. Заданную плотность заряда получали, поддерживая постоянными давление на прессе, температуру прессования и создавая при каждой запрессовке выдержку в 1 мин. Равномерность плотности по высоте заряда проверяли, измеряя прирост высоты заряда после каждой запрессовки. Разброс не превышал ±0.02 г/см3 от средней плотности заряда. Оболочки изготовляли из прочной стали в виде цилиндра со сквозным каналом. В опытах с прессованными зарядами использовали оболочки длиной 120 мм, для зарядов насыпной плотности использовали оболочки длиной 200 мм. Диаметр канала варьировали от 7 до 40 мм, толщина стенок равнялась 10 мм. Несколько опытов проведено с другой толщиной стенок — от 5 до 15 мм. Для инициирования использовали тонкий слой пластичного ВВ марки ЭВВ-34 на основе тэна. Кружок ВВ заданной толщины с диаметром, равным диаметру канала, укладывали на верхний торец заряда. Сверху размещалась заглушка из дюралюминия, имеющая углубление по центру под капсюль-детонатор. От капсюля до слоя инициатора по оси заглушки имелось сквозное отверстие диаметром 2 мм, которое также заполнялось пластиковым ВВ. Процесс детонации регистрировали с помощью скоростного фоторегистратора ЖФР-3 через ряд отверстий в стенках оболочки диаметром 1.5 мм, просверленных с шагом в 20 мм. Для усиления свечения продуктов детонации в отверстия вставляли отрезки оптического волокна.
В первой серии опытов проверяли влияние толщины стенок оболочки на свойства детонационного процесса. Использовались заряды плотностью 1.18 г/см3 с диаметром канала оболочки — 23 мм и толщиной инициирующего слоя ВВ — 1 мм. При толщине стенок оболочки 5 мм скорость волны
В, км/с
4 5
Н, мм
Рис. 1. Зависимость скорости детонации зарядов из пороха марки ВТМ насыпной плотности от толщины слоя инициирующего ВВ. Оболочки с каналом 20 мм в диаметре и 200 мм длиной: 1 — область низкоскоростной детонации, 2 — область нормальной детонации. Стрелкой указан процесс, в ходе которого наблюдалось скачкообразное увеличение скорости.
реакции быстро снижается от 1.6 км/с (сразу после инициирования) до 0.5 км/с на расстоянии менее одной трети заряда. При толщинах стенок 7.5, 10 и 15 мм детонация распространяется на всю длину заряда с постоянной скоростью, равной 1.3, 1.35 и 1.45 км/с соответственно. Все последующие опыты проводились в оболочках с толщиной стенок, равной 10 мм.
В следующей серии опытов определили влияние диаметра канала оболочки на свойства процесса. Использовались заряды насыпной плотности (около 0.85 г/см3) при толщине инициирующего слоя 1 мм. Критический диаметр канала — чуть менее 10 мм, заряд этого диаметра детонирует устойчиво со скоростью около 1. 1 км/с. В зарядах меньшего диаметра детонация затухает. В зарядах большего диаметра детонация распространяется устойчиво, но скорость детонации, хотя и возрастала, но довольно слабо, составив 1.2—1.3 км/с для диаметра 20 мм и 1.5 км/с для диаметра 40 мм.
Влияние толщины инициирующего слоя на свойства процесса рассмотрено на зарядах насыпной плотности диаметром 20 мм. Результаты измерений даны на рис. 1. При толщине слоя 1 и 2 мм наблюдается низкоскоростной процесс со скоростью 1.1 и 1.35 км/с соответственно. При толщине 3 мм в одном опыте детонационный процесс прошел по всей длине заряда со скоростью 1.8 км/с. В двух других опытах процесс, пройдя часть заряда со скоростью около 2.2 км/с, затем скачком увеличил свою скорость до 3.6 км/с. При толщине 4 и
1
0
1
2
3
В, км/с
70-
0
0.8 0.9 1.0
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
Плотность заряда, г/см3
Рис. 2. Зависимость скорости детонации зарядов из пороха марки ВТМ от плотности заряда. Оболочки с каналом 20 мм в диаметре и 120 мм длиной, толщина инициирующего заряда — 1 мм.
60
с.
«
ля, 50
о
д
ая
Э 40 «
р о
¿3 30
20
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
1.5
1.6 1.7
В, км/с
Рис. 3. Средняя доля убыли массы пороховых зерен, погашенных в водяной ловушке после прохождения детонационной волны, в зависимости от скорости детонации. Заряды насыпной плотности, диаметр канала — 20 мм.
5 мм наблюдался детонационный процесс со скоростью 4.0 и 4.5 км/с соответственно.
Влияние плотности заряда на свойства процесса было рассмотрено на зарядах диаметром 20 мм при толщине инициирующего слоя 1 мм. Результаты измерения скорости детонации даны на рис. 2. В диапазоне плотности от насыпной до 1.4 г/см3 скорость детонации возрастает, изменяясь от 1.1 до 1.5 км/с. При плотности 1.45 г/см3 опыты дают либо низкоскоростную детонацию, либо полноценную детонацию со скоростью 6 км/с. При плотности 1.5 г/см3 (начальная пористость — около 6%) наблюдается только детонация со скоростью около
6 км/с. В целом, увеличение плотности заряда облегчает инициирование.
Наконец, были проведены опыты по отбору и анализу обгоревших гранул пороха, которые улавливались после прохождения детонационной волны по заряду с помощью водяной ловушки — емкости с водой. Емкость устанавливалась по оси заряда на расстоянии 40 мм от открытого торца оболочки, противоположного месту инициирования. Обгоревшие неразрушенные гранулы пороха, оставшиеся в ловушке после опыта, собирали, сушили, взвешивали, определяли средний вес одной обгоревшей гранулы и сравнивали со средним весом исходных гранул пороха. Анализ под микроскопо
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.