ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2011, том 30, № 9, с. 55-57
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 536.46
О КРИТИЧЕСКОМ ДИАМЕТРЕ И ДЕТОНАЦИОННОМ СПОСОБНОСТИ
ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
© 2011 г. В. И. Пепекин1*, Т. В. Губина2
1 Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 2 Национальный исследовательский ядерный университет (МИФИ), Москва *Е-шаП: V.PEPEKIN@list.ru Поступила в редакцию 12.01.2011
Рассмотрена применимость критического диаметра детонации для оценки детонационной способности идеальных и неидеальных взрывчатых веществ.
Ключевые слова: критический диаметр, детонация, взрывчатые вещества.
Детонация ВВ обусловлена тремя стадиями развития процесса: возбуждением (инициированием) взрыва (стадия I), развитием взрывчатого превращения до детонации при возбуждении взрыва (стадия II), передачей и распространением детонации на всю массу заряда (стадия III). Стадия I необходима для создания очага термического разложения и характеризуется критическим давлением возбуждения взрыва. В отечественных учебниках и оригинальных работах стадии II и III характеризуют критическим диаметром детонации dкp. Представление о критическом диаметре детонации было введено Ю. Б. Харитоном на основании исследований 1939 года детонации гомогенного нитроглицерина и его смесей с метанолом [1] в виде принципа, получившего название принципа Харитона. В последующей работе им же разработана теория этого вопроса [2]. Развитие взрывчатого превращения (стадия II) невозможно, если диаметр заряда меньше критического. Согласно физическому принципу Харитона, в зарядах ВВ, диаметр которых меньше критического, возрастают потери энергии и нарушается равновесие между выделением энергии и ее рассеиванием.
Прецизионные измерения dкр в твердых бризантных ВВ, выполненные в 50-е [3] и 60-е [4] годы прошлого века, показали, что dкp не является константой и существенно изменяется в зависимости от физического состояния ВВ.
Обобщая экспериментальный материал, А.Я. Апин показал [5], что dкp(p) описывается единой зависимостью, график которой проходит через минимум, и имеет две ветви: ниспадающую ветвь для насыпной плотности порошкообразных ВВ и экспоненциально растущую — для сплошных В В (прессованных и монокристаллических). Так, для тротила насыпной плотности dкр = 2 мм, для тротила
с плотностью 1.52 г/см3 dKp = 14—20 мм, для литого тротила (р = 1.60—1.62 г/см3) dKp = 32—36 мм. Критический диаметр дает информацию о минимальном размере заряда, необходимом для возникновения детонационного процесса при возбуждении взрыва. Критические размеры не актуальны для бризантных ВВ. Практически используемые во взрывных устройствах заряды бризантных ВВ детонируют безотказно и превосходят по размерам критические на несколько порядков (независимо от физического состояния ВВ).
Метод измерения d^ имеет ограниченное применение из-за трудностей изготовления малых зарядов с контролируемыми размерами и плотностью по длине заряда. Он в основном применим для измерения dgp ВВ умеренной мощности (типа тротила и пикриновой кислоты). В зарядах бризантных ВВ при инициировании взрывчатое превращение всегда развивается до детонации, а потеря энергии при расширении в боковой волне разрежения несущественна. В отличие от dRp(p), зависимость D(p) является монотонно-линейной, а критический диаметр детонации характеризует минимальный размер заряда. Утверждение о том, что d^ является важнейшей характеристикой В В [6], определяющей возможность безотказного и эффективного их использования во взрывных устройствах, основано на трактовке dKp в соответствии с принципом Харитона.
Распространение детонации на всю массу по заряду ВВ (стадия III) определяется детонационной способностью. В качестве меры детонационной способности Ю.Б. Харитон предложил d^. Чем меньше d^, тем выше детонационная способность. Принципиальный недостаток использования d^ в качестве меры детонационной способности — полное игнорирование самого ВВ, его химического со-
56
ПЕПЕКИН, ГУБИНА
става и свойств. Это вполне объяснимо, поскольку исследование в области ВВ в 30-е годы прошлого века были малоинтенсивными. Синтезы ВВ, проведенные в 60-е годы, стали отправной точкой для широкого исследования параметров детонации и мощностных свойств органических ВВ. Использование dкр приводит к ошибочным заключениям о детонационной способности практически значимых ВВ, особенно для малочувствительных бризантных ВВ. Приведем лишь два примера. Так, нит-рогуанидин не детонирует в зарядах, диаметр которых характерен для бризантных ВВ. С точки зрения трактовки dкp, нитрогуанидин не способен к детонации. Широко известное ВВ триаминотринитро-бензол (ТАТБ) также не детонирует в условиях лабораторных методик. Известно, что ТАТБ возбуждается при ударе по тонкому слою при копровых испытаниях. Критическое давление возбуждения взрыва для ТАТБ найдено равным 12.5 кбар [7]. Но взрыв на копре — не детонация (навеска слишком мала). Нитрогуанидин и ТАТБ — детонационно-способ-ные ВВ с невысокой скоростью химической реакции, но высокой скоростью детонации (~8000 м/с). Скорость детонации нитрогуанидина при плотности 1.77 г/см3 равна 8200 м/с [8], а его метательная способность по методике М-40 при плотности 1.695 г/см3 составляет 76% от метательной способности октогена [9]. Скорость детонации ТАТБ при плотности 1.91 г/см3 в заряде диаметром 60 мм составляет 7400 м/с [10], что согласуется со значением 7500 м/с [8]. Триаминотринитробензол обладает высокой термической, физической и ударной стабильностью, которая превосходит аналогичные параметры известных бризантных ВВ со сравнимыми энергетическими характеристиками [11]. Это вещество широко используют в качестве взрывчатого материала высокой эксплуатационной безопасности в современной спецтехнике [12].
Для экспериментальной оценки детонационной способности в США разработан метод ударно-волновой чувствительности (УВЧ). Метод УВЧ дает объективную информацию о детонационной способности. Он относительно прост и надежен, поэтому широко применяется в мировой практике (в том числе, и в профильных научных центрах России). Следует отметить, что за рубежом (в том числе, в США) исследования по критическим размерам не велись и не ведутся, о чем свидетельствует отсутствие даже единичных публикаций. Физический принцип Харитона цитируется только в отечественных учебниках и изданиях.
В Институте химической физики РАН развит энергетический подход к оценке детонационной способности, позволяющий однозначно и с высокой точностью оценивать детонационную способность исходя из брутто-формулы и энтальпии образования ВВ без привлечения эксперимента [13]. Принятая в работе [13] модель проста и понятна —
энергоемкость ВВ пропорциональна детонационной способности. В качестве энергоемкости принята максимально возможная теплота взрыва — энергетическая константа, позволяющая сравнивать ВВ по запасу энергии, которая элементарно вычисляется исходя только из химического состава и строения ВВ. По существу, энергетический подход позволяет объективно и однозначно прогнозировать детонационную способность бризантных ВВ, не привлекая эксперимент.
Несколько замечаний о детонационной способности неидеальных и идеальных ВВ. Согласно D. Price [14], ВВ делят на две группы. К первой группе относят идеальные ВВ (бризантные ВВ типа тротила, гексогена), у которых скорость детонации линейно растет с увеличением плотности. Ко второй группе относят неидеальные ВВ, у которых скорость детонации сначала растет с уменьшением пористости вплоть до прекращения детонации.
Экспериментальные исследования динитроами-да аммония (N4H4O4) [15] и нитрогуанидина (CH4N4O2) [16] показали, что для этих соединений характерна немонотонная зависимость D(p). Увеличение плотности до 1.3—1.4 г/см3 приводит к прекращению и срыву детонации. Значение плотности при срыве детонации обычно называют критической плотностью. По мнению автора статьи [17], причина немонотонного поведения зависимости D(p) неидеальных ВВ связана с увеличением ширины зоны реакции при уменьшении пористости ВВ, а увеличением критического диаметра объясняется срыв детонации. Для всесторонне исследованного нитрогуанидина существование так называемой критической плотности является следствием ограниченного диаметра заряда. Нитрогуанидин безотказно детонирует в заряде диаметром 40 мм при любой плотности и имеет экспериментально зафиксированную монотонную линейную зависимость D(p). Детонационные и мощностные параметры нитрогуанидина упоминались ранее в настоящей работе.
К неидеальным ВВ относят эмульсионные ВВ — наиболее широкий класс современных промышленных ВВ. Эмульсионные ВВ — это взрывчатые смеси типа окислитель—горючее, где окислителем является нитрат аммония, а горючим — дизельное топливо.
Для практического использования идеальных и неидеальных ВВ необходимо регулировать и управлять детонационной способностью, поскольку она определяет эксплуатационную безопасность идеальных ВВ (мощных бризантных ВВ типа октоге-на), а также безотказность функционирования неидеальных (эмульсионных) ВВ для совершения полезных форм действия взрыва. Для идеальных ВВ проводятся исследования по снижению детонационной способности. Регулирование детонационной способности идеальных ВВ заключается в управле-
О КРИТИЧЕСКОМ ДИАМЕТРЕ И ДЕТОНАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ
57
нии энергетикой взрывчатых компонентов состава. Введение в мощные ВВ малочувствительных пластичных ВВ приводит к уменьшению энергетики состава — важному фактору снижения детонационной способности и чувствительности. Возможности регулирования детонационной способности путем изменения энергетики демонстрируют составы ТГ 30/70 и октол 80/20. Наличие в них тротила снижает энергетику и делает взрывобезопасными, сохраняя достаточно высокий уровень мощности. Эти составы нашли широкое практическое применение для снаряжения армейских боеприпасов. Тротил выполняет роль активного взрывчатого флегматизато-ра гексогена и октогена. Для неидеальных ВВ, детонирующих в нестационарном режиме, актуальной проблемой является повышение детонационной способности, обеспечивающее их работоспос
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.