ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2011, том 30, № 8, с. 44-51
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 534.222.2
О МЕТАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ИХ СМЕСЕЙ С ГОРЮЧИМИ ДОБАВКАМИ. 3. МЕТАНИЕ СТАЛЬНЫХ ОБОЛОЧЕК И ПЛАСТИН © 2011 г. В. Ю. Давыдов*, А. С. Губин
Научно-исследовательский машиностроительный институт, Москва *Е-таП: vitadavidov@yandex.ru Поступила в редакцию 01.10.2010
Рассмотрен процесс метания пластин и разрушающихся стальных оболочек. Показано, что в работу метания оболочек реализуется ~85% энергии вторичных реакций продуктов детонации. Сделан вывод, что неполнота реализации потенциального энергозапаса алюминизированных ВВ связана не столько с низкой скоростью горения А1 в продуктах детонации, сколько с термодинамическими особенностями его окисления и газодинамическими условиями совершения работы взрыва. Отмечена важная роль процессов, происходящих на контактной границе продукты детонации—воздух. Предложена физическая модель, позволяющая адекватно трактовать экспериментальные результаты.
Ключевые слова: взрывчатые вещества, смеси с горючими добавками, метание стальных оболочек и пластин.
ВВЕДЕНИЕ
В отличие от метания медных трубок [1, 2] при радиальном метании разрушающихся стальных оболочек удается получить прирост скорости метания 11—17% за время ускорения 3—15 мкс [3]. Постановка экспериментов, описанных в работе [3], отражена на рис. 1, а на рис. 2 приведена рентгенограмма, полученная в одном из экспериментов.
В этих экспериментах методом рентгеноим-пульсной съемки измеряли скорости пластин, а также оболочек с толщиной стенки 8 = 2, 5 и 10 мм, метаемых зарядами диаметром 20 мм и длиной 40, 80 и 120 мм из флегматизированного гексогена (ФГ) и его смесей с 10 и 15% порошка алюминия марки АСД-1. Минимальное время съемки составляло: 5 мкс для оболочки толщиной 2 мм, 10 мкс — для оболочки толщиной 5 мм и 20 мкс — для оболочки толщиной 10 мм.
Поскольку полученные диаграммы X— имели вид прямых (рис. 3), то можно сделать вывод, что процесс ускорения оболочек закончился. Учитывая время, необходимое для подхода детонационной волны (ДВ) к рассматриваемому сечению оболочки (прямая X = Dt на рис. 3), можно заключить, что время разгона оболочек толщиной 2 мм не превышает 3 мкс, а для более толстых оболочек — не больше 10—15 мкс. В работе [3] показано, что скорости пластин при добавлении А1 снижались на 3—5%, в то время как скорости оболочек возрастали во всех сечениях, в том числе прилегающих к пластине (рис. 4).
Оценка по формуле Станюковича для скорости оболочек [4]
= (2Е )1/2 [3Р/ (3 + Р)]1/2,
где Е — энергия 1арни, в — коэффициент нагрузки, показывает, что в этих условиях в работу метания реализуется до 85% энергии сгорания А1.
В экспериментах с зарядами диаметром 20 мм не удалось зарегистрировать процесс набора скорости оболочкой до момента ее разрушения, т.е. начальный параболический участок Х—-диаграммы. По этой причине были проведены крупномасштабные эксперименты, в которых заряд диаметром D0 = = 35 мм и высотой 80 мм ускорял стальную оболочку толщиной 8 = 6 мм. В этих экспериментах параболические участки Х— ^диаграмм для ФГ и его смеси с 8% алюминиевой пудры ПАП-2 совпали в пределах точности проведенных экспериментов. После потери сплошности оболочки Х-^диаграм-мы имели характер, близкий к линейному, и явно разделились (рис. 5). Обработав линейную часть Х—^диаграмм методом наименьших квадратов, получили зависимости, приведенные в табл. 1.
Несколько меньший прирост скорости разлета оболочки при введении А1 (8%), чем в экспериментах [3], мы объясняем меньшим содержанием добавки А1 и меньшим содержанием неокисленного А1 в пудре ПАП-2 (85%), чем в порошке АСД-1 (99%).
Перемещение внешней поверхности оболочки, при котором происходит ее разрушение (радиус разрушения Я ~ 1.5Я [5]), X = 0.5^0/2 + 8) =
ноимпульсной установке: 1 — исследуемая сборка, 2 — контейнер с рентгеновской пленкой, 3 — рентгеновский аппарат ПИР-600А.
= 11.8 мм существенно ниже координаты точки ветвления, наблюдаемой на рис. 5. По всей видимости, это означает, что процесс ускорения оболочки продолжается и после ее разрушения.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ И МОДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
В публикации [6] на основании измерений зависимостей скорости детонации от плотности БТНЭНА и его смесей с А1 сделан вывод о частичном сгорании добавки в зоне химических реакций, хотя скорость детонации при добавлении А1 снижалась. В публикациях [3, 7, 8] указано на большое значение перераспределения общей энергии взрыва между упругой и тепловой составляющими при протекании химических реакций, которое в алюми-
низированных ВВ происходит при образовании плотноупакованной молекулы А1203 в пользу тепловой. В работе [9] также говорится о перераспределении энергии между тепловой и потенциальной энергией межмолекулярного взаимодействия при изменении "плотности частиц". Понятно, что для корректной оценки величины упругой энергии ПД необходимо рассчитывать потенциалы межмолекулярного взаимодействия, однако качественную оценку изменения упругой энергии можно получить, рассчитав изменение собственных объемов молекул (или коволюмов А У при реакции А1 с ПД, принимая, таким образом, для ПД модель упругих шаров. Для этого воспользуемся значениями геометрических коволюмов, приведенных в работе [9], для молекул, участвующих в реакциях окисления
Таблица 1. Выражения для зависимости X—
Взрывчатое Выражение для Среднеквадратичная погрешность
вещество зависимости Х— / измерения скорости , м/с
ФГ Х = - 19.62 + 1.180/ 20
Смесь ФГ с А1 х = - 23.04 + 1.273/ 35
Рис. 2. Рентгенограмма процесса расширения стальной оболочки.
алюминия. Результаты этих вычислений приведены в табл. 2.
Небольшой прирост коволюма при взаимодействии А1 и СО, по всей видимости, является дополнительным аргументом в пользу малой вероятности протекания этой реакции при высоких давлениях. Поначалу удивил также результат, полученный при реакции А1 с О2: А V = +125. Однако если предположить образование оксидов азота, то при реакциях А1 с NO2 и ^О получаем разумные значения А V —103 и —400 соответственно. Учитывая, что взрывное превращение ВВ сопровождается выделением большого количества тепла, предположение о про-
текании эндотермичных реакций образования оксидов азота вполне естественно. Отметим также, что в экспериментах [10] для ВВ с избыточным количеством кислорода, а именно для бис(2,2,2-три-нитроэтил)нитрамина зарегистрирован двухступенчатый профиль давления детонации. Можно предположить, что вторая ступень как раз связана с разложением оксидов азота и выделением дополнительной энергии. Таким образом, хотя проведенные оценки носят приближенный характер, они подтверждают вывод о снижении упругой энергии ПД (снижение коволюмов) при сгорании А1.
Согласно данным работы [4], тепловая энергия становится превалирующей, и закон расширения ПД меняется с политропического на изоэнтропиче-ский при давлении ~0.2 ГПа. Если принять, что давление детонации составляет 30—40 ГПа и показатель политропы равен 3, то степень расширения ПД при этом составит 5.3—7.3. Иными словами, смена механизмов расширения с упругого на тепловой происходит далеко за пределами зоны химических реакций.
Это означает, что чем больше доля А1, сгоревшего в зоне химических реакций, тем большего снижения параметров детонации следует ожидать. Об этом косвенно свидетельствует известный экспериментальный факт, что в случае более мелких частиц А1 параметры детонации ВВ снижаются в большей мере [11, 12]. Наконец, в работе [10] по результатам экспериментальных измерений было показано, что введение добавок А1 в ВВ, как с отрицательным, так и с положительным кислородным балансом снижает давление детонации, но повышает ее температуру.
Таким образом, основной причиной снижения параметров детонации при введении А1 является снижение упругой энергии ПД при образовании А1203 в процессе сгорания А1. Поэтому недоумение авторов публикации [13] о причинах снижения параметров детонации при сгорании А1 находит простое объяснение. При этом нет необходимости делать предположение о снижении объема газообразных ПД в реакции с А1.
Низкий общий прирост МС при введении дисперсного А1 определяется, с одной стороны, снижением упругой энергии ПД при сгорании А1, а с другой — газодинамическими условиями метания, которые определяют эффективность использования тепловой энергии [8].
В работе [12] при измерении параметров детонации электромагнитным методом было установлено, что добавка А1 приводит к снижению массовой скорости (давления) на фронте детонационной волны (ДВ), но спад массовой скорости становится более пологим, так, что импульс, записываемый электромагнитным датчиком, возрастает на 15%.
Как было показано выше, при метании пластины падающей детонационной волной добавка А1 не
Рис. 3. х— /-Диаграмма движения среднего сечения стальных оболочек разной толщины при детонации зарядов из: О — ФГ, • - ФГ + 10% А1; 5, мм: 1 - 2, 2 - 5, 3 - 10.
приводит к возрастанию скорости метания в экспериментах, описанных в статье [3], но приводит к незначительному приросту при испытаниях по методике М-40. В этом случае можно предположить, что наиболее значимым является фактор отставания зоны реакции А1 от фронта ДВ, и характер распределения давления в падающей ДВ, которое максимально на фронте и снижается в следующей за ним области разрежения. В результате метаемая пластина воспринимает повышенный импульс взрыва лишь частично. В то же время при метании в радиальном направлении факт отставания зоны реакции А1 не имеет значения, поскольку эта зона "скользит" вдоль оболочки и таким образом может участвовать в ее ускорении. К тому же при радиальном метании максимальное давление в ПД наблюдается на оси заряда, а минимальное — на границе ПД—оболочка. Указанные факторы выражаются в том, что при радиальном метании разрушающихся стальных оболочек добавка 10—15% дисперсного А1 приводит к повышению их скорости на ~15% (см. рис. 4). Вместе с тем скорость расширения медных трубок, регистрируемая по методу цилиндр—тест при добавлении 15% А1 дисперсностью 30—60 мкм в
состав В, снижаетс
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.