научная статья по теме ВЛИЯНИЕ АЛЮМИНИЯ НА МЕТАТЕЛЬНУЮ СПОСОБНОСТЬ СМЕСЕВЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ШТАТНЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ АЛЮМИНИЯ НА МЕТАТЕЛЬНУЮ СПОСОБНОСТЬ СМЕСЕВЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ШТАТНЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2012, том 31, № 11, с. 33-47

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

УДК 534.222.2

ВЛИЯНИЕ АЛЮМИНИЯ НА МЕТАТЕЛЬНУЮ СПОСОБНОСТЬ СМЕСЕВЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ШТАТНЫХ

ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

© 2012 г. |М. Ф. Гогуля!1, М. А. Бражников1, М. Н. Махов1, А. Ю. Долгобородов1*,

А. В. Любимов2, И. Л. Соколова2

1 Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва

E-mail: aldol@chph.ras.ru Поступила в редакцию 27.06.2011

Проведен анализ влияния добавок порошкообразного алюминия, в том числе и наноразмерных частиц, на метательную способность взрывчатых составов, определяемую в рамках стандартных методик. Анализ основан как на литературных данных, так и на результатах, полученных в ИХФ РАН. Приведено краткое описание методик и критериев оценки метательного действия, в том числе по скорости Гарни. Показано, что добавка высокодисперсного алюминия может повышать метательную способность составов по отношению к чистому ВВ. Наноразмерный алюминий также позволяет повысить метательную способность, однако наблюдаемый прирост несколько ниже по сравнению с алюминием микронного размера из-за высокого содержания оксида в наночастицах. В заключение рассмотрены возможности повышения метательной способности за счет использования наноразмерного алюминия в составе с мощным ВВ СЬ-20.

Ключевые слова: взрывчатые вещества, детонация, метательная способность.

Гогуля Михаил Федорович

ВВЕДЕНИЕ

Одним из параметров, характеризующих эффективность использования ВВ, является метательная способность (МС). Мерой МС обычно

служит скорость (импульс) или кинетическая энергия, приобретаемые метаемым телом в процессе расширении продуктов детонации (ПД).

Существует два основных подхода к экспериментальному определению МС: ускорение металлических оболочек и торцевое метание пластин [1]. Эти методы в той или иной степени отражают реальные условия применения ВВ на практике. Несмотря на существенное различие этих методик, результаты испытаний позволяют на основе простых допущений определить характеристику МС — так называемую энергию Гарни (по имени

создателя модели — Оигпеу ). Энергия Гарни по физическому смыслу отражает уменьшение внутренней энергии ПД при их расширении до определенного объема. Именно эта часть энергии и преобразуется в кинетическую энергию ПД и метаемого тела.

Для повышения энергетики взрывчатых материалов на практике широко используют порошки металлов (наиболее часто — А1). В настоящей работе проведено обобщение результатов исследований влияния добавок металлического горючего разной дисперсности на МС взрывчатых соста-

1) В России аналогичный подход был предложен Г.И. Покров-

ским (см. "Авиационные боеприпасы и их исследование"/ Под ред. Миропольского Ф.П. М.: ВВИА, 1996).

вов. Рассмотрены как литературные данные, так и результаты, полученные авторами. Необходимость в проведении такой работы вызвана наличием несоответствия между результатами, полученными разными авторами, а также несовпадением мнений по поводу перспектив использования высокодисперсного металлического горючего (в частности, наноразмерного алюминия; далее — пА1) в составах метательного действия.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МС

1.1. Определение МС по радиальному ускорению оболочек

При радиальном метании МС измеряют по методу "цилиндр-тест", под которым понимают совокупность экспериментальных методик ("цилиндр-тест" — на Западе, российский аналог — Т-20 и т.п.). При этом МС характеризуется скоростью расширения цилиндрической оболочки заряда в зависимости от приращения радиуса; инициирование производят с торца заряда. Несмотря на сходство, конкретные методики этого типа различаются по ряду параметров:

— геометрия сборок (диаметр, длина, толщина стенки оболочки);

— материал оболочки (медь, сталь);

— способ регистрации (съемка с помощью скоростного фоторегистратора, рентгенография, оптическая интерферометрия и т.п.);

— математическая обработка полученных данных;

— способ представления данных (разгонные кривые, значения конечных скоростей при определенной степени расширения, значения энергии Гарни).

Неполнота информации о постановке эксперимента может приводить к расхождениям в выводах при анализе данных, поэтому ниже кратко описаны как используемые методики определения МС, так и способы обработки и представления данных.

1.1.1. Метод "цилиндр-тест"

В классическом методе "цилиндр-тесте" заряд помещается в медную оболочку с внутренним диаметром = 1 дюйм и длиной 305 мм при толщине стенки 0.Ы(- (2.6 мм) [2, 3]. Заряд инициируется плосковолновой линзой с торца, а расширение оболочки фиксируется скоростным фоторегистратором. Исходной информацией является зависимость приращения внешнего радиуса (1/2)а^ оболочки от времени. Более корректным считается построение зависимости приращения "медианного" радиуса, которая аппроксимируется

экспоненциальной зависимостью [3, 4] (или полиномом [5]). Далее строится разгонная кривая — зависимость радиальной скорости Wm от времени (или от степени расширения). В опыте измеряется скорость детонации D, которая позволяет определить реальную скорость элемента оболочки (с учетом угла разворота) в каждый момент времени — WL [3]. Зависимость WL от времени (или от степени расширения) является, таким образом, результатом процедуры обработки первичных данных, проводимой в несколько этапов. Погрешность значений скоростей, получаемых дифференцированием, составляет ±50 м/с, что может соответствовать среднеквадратичной ошибке до 5%, а при исследовании маломощных составов — до 10% [6]. Это необходимо учитывать при сравнении экспериментальных данных, различие между которыми очень часто сопоставимо с погрешностью эксперимента.

Сравнение результатов по определению МС при одном и том же соотношении массы оболочки и массы ВВ (ц), проведенное для состава "Comp. B" (RDX/TNT64/36) в "цилиндр-тесте" с d = 1 и 2 дюйм дало основания полагать, что МС состава "Comp. B" не зависит от масштабного фактора [2]. Однако для других составов диаметр заряда может влиять на результаты измерений, поэтому часто проводятся опыты с зарядами большего диаметра.

Для исследования процесса расширения оболочки применяются также рентгенографические методы [4, 7, 8] (схема постановки подробно показана, например, в [4]). При этом могут использоваться медные оболочки разного диаметра и длины (l): di = 25 мм, de = 30 мм, l = 250 мм [4, 7]; dj = 15 мм, de = 18 мм, l = 230 мм [8]. В настоящее время кроме оболочек толщиной 0.1d, применяются и оболочки толщиной 0.05d, [5].

При использовании интерферометра Фабри— Перо скорость оболочки определяется с погрешностью порядка 1% [5, 6]. Применение интерферометрии позволяет исследовать истинную динамику разгона оболочки, носящую циркуляционный характер вплоть до двукратной степени расширения [5].

В работах [5, 6] проводится сравнение измерений Wm, сделанных с помощью фоторегистратора и интерферометра (см. рис. 1). Угол "раскрытия" оболочки (9) на последних стадиях расширения для мощных составов можно оценить в 14°—16° [5], для состава "Comp. B" 64/36 он составляет около 12° [3]. Регистрация при использовании интерферометра происходит вдоль линии OF, а угол 9/2 = 7°—8° выбирают промежуточным между начальным и конечным положением оболочки. При этом фиксируется скорость WF.

Между истинной скоростью а также скоростями Жт и существуют простые соотношения: = ^^(9/2) и = Жтео8(9). Для скоростей на конечной базе измерения (при 9 = 14°), различие между величинами составляет 2—3%.

1.1.2. Методика Т-20

Описание отечественного аналога методики "цилиндр-тест" — метода Т-20 приведено в [9—11]. Оболочка из отожженной меди с = 20 мм (см. рис. 2а) имеет толщину стенки 2 мм и длину 180— 200 мм [9, 11]. При исследовании составов с большим критическим диаметром используют оболочки с = 40 мм (методика Т-40).

Используются несколько методов регистрации скорости оболочки: теневой, осциллографи-ческий, фотохронографический (по отсечке на клине из оргстекла). Последний считается основным [10]. Конечной базой измерений является, как правило, приращение радиуса АЯ = 15 мм, соответствующее примерно семикратному расширению ПД. Заряд инициируется с торца с помощью плосковолновой линзы. На расстоянии в несколько диаметров заряда от плоскости инициирования процесс детонации становится стационарным. При расширении оболочки в момент соударения с оргстеклом возникает свечение слоя воздуха. Когда ударная волна (УВ) волна входит в оргстекло, происходит потеря прозрачности, что и регистрируется на пленке как отсечка свечения (см. рис. 2б).

Метод обработки получаемой кривой представлен в [9], однако конечные формулы для определения скорости метания даны без вывода, который предполагает использование упрощенных геометрических представлений без учета волнового характера нагружения и возможности дополнительного энерговыделения при расширении продуктов (см. рис. 2в). Ниже приведено более подробное описание процедуры получения конечных результатов.

Детонация по заряду распространятся сверху вниз, за время & "картина" разворачивающейся трубки смещается на БЛ, при этом точка касания оболочкой поверхности клина движется по ней со скоростью и и проходит путь Ш?. Зная угол а, можно получить следующие соотношения:

(исо8 а)/Б = (Ж + имп а)/Ж (1)

где Ж — радиальная скорость расширения оболочки. После преобразования имеем

Ж = (Б а)/[1 - Б/(исо8 а)]. (2)

При этом и = аН/а?, где Н — координата наклонной грани клина (гипотенузы). Таким образом, скорость движения точки касания и, зависит от радиальной скорости расширения оболочки Ж (В отечественной литературе, как правило, не

A

C F

0

3 O V D -

Рис. 1. Упрощенная схема для сравнения измерений по методике "цилиндр-тест" с помощью скоростного фоторегистратора и интерферометра Фабри—Перо [5,6]. Детонация распространяется слева направо со скоростью Б; АВ — положение оболочки в начальный момент времени ? = 0; СВ — положение оболочки в момент времени ОЬ — направление движение оболочки в момент времени ОБ — направл

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.

Показать целиком