CC BY
103
УДК 534.222.2
А. С. Губин1*, Н. И. Акинин1, В. Ю. Давыдов2, Ф. С. Загрядцкий2, В. В. Трунин1
1 Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1
2 ОАО «Научно-исследовательский машиностроительный институт», Москва, Россия 125212, Москва, Ленинградское шоссе, д. 58
* e-mail: algoubin@yandex.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕТОНАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАРЯДОВ, СОДЕРЖАЩИХ ГИДРИДЫ МЕТАЛЛОВ
Проведено исследование детонационных характеристик зарядов взрывчатых веществ, содержащих порошки титана, циркония, а также их гидридов, с использованием электро-контактного и магнитоэлектрического метода измерения. Показано, что насыщение титана изотопами водорода приводит к заметному повышению скорости детонации и незначительному повышению давления детонации. Отмечена тенденция к большему значению параметров детонации смесей ВВ с металлами, насыщенными дейтерием по сравнению с металлами, насыщенными протием.
Ключевые слова: взрывчатые вещества; гидриды металлов; детонация; продукты детонации; химпик.
Одним из наиболее распространенных способов повышения энергетических
характеристик взрывчатых веществ (ВВ) является введение металлических добавок, в то же время параметры детонационных волн при этом, как правило снижаются [1]. В данной работе проводилось сравнительное исследование детонационных характеристик взрывчатых смесей на основе октогена и гексогена, содержащих дисперсные добавки как титана и циркония, так и этих металлов, насыщенных изотопами водорода. Гидриды титана и циркония применяются в порошковой металлургии, пиротехнике, в качестве эффективных накопителей водорода [2] и представляют интерес в качестве компонентов взрывчатых составов.
Эксперименты проводились с использованием магнитоэлектрического метода измерения массовой скорости продуктов детонации (ПД). В данном методе традиционным является расположение П-образного датчика в заряде ВВ [3, 4]. Но в ряде случаев, например для высокоплотных зарядов, датчик располагают на границе раздела ВВ с инертной средой, для которой известна ударная адиабата. В наших экспериментах в качестве инертной среды использовали парафин, для которого хорошо изучены динамические параметры, необходимые для пересчета массовой скорости на границе раздела «ПД - парафин» в массовую скорость и давление в ПД исследуемого заряда [5]. Точность определения параметров оценивается в 5%. Данная методика успешно использовалась при исследовании процесса детонации зарядов различной плотности и химического состава, в том числе содержащих металлические добавки [6 - 8].
Схема использованной в опытах экспериментальной сборки представлена на
рисунке 1. На этапе сборке заряда П-образный датчик (1), изготовленный из алюминиевой фольги толщиной 0,12 мм, предварительно заливался парафином (2) с образованием парафиновой пробки.
Рис. 1. Схема экспериментальной сборки для регистрации массовой скорости продуктов детонации с использованием электромагнитного метода:1 - датчик, 2 - парафин, 3, 4 - заряды ВВ, 5 -плосковолновой генератор, 6 - инициатор, 7 -полюса электромагнита.
Затем нижнюю шашку исследуемого ВВ (3) помещали на парафиновую пробку так, чтобы рабочая площадка датчика находилась на границе «парафин-ВВ». Между нижней (3) и верхней (4) шашками исследуемого ВВ помещали электроконтактный датчик, используемый при измерении скорости детонации. Инициирование образца производилось при помощи мостика от электродетонатора (6) с нанесенной на него каплей азида свинца. Для создания в исследуемом образце плоской детонационной волны использовался детонационный плосковолновой генератор (5), представляющий собой гексоген насыпной плотности. Сборка помещалась в постоянное
Т. МКС
а б в
Рис. 2. Типичные осциллограммы развития процесса: а - смесь А-1Х-1 + 20% Zr, б - смесь А-1Х-1 + 20%
ТШ1,95, в - состав А-1Х-1.
магнитное поле, создаваемое стационарным электромагнитом (7) с магнитной индукцией величиной 0,185 Тл при токе 24 А. При прохождении детонационной волны (ДВ) по заряду датчик вовлекался в движение продуктами взрыва. Электродвижущая сила, наведенная на его концах, регистрировалась с помощью цифрового осциллографа LeCroy WaveJet 334А с полосой пропускания 350 МГц и временем нарастания фронта менее 1 нс.
Описанным методом проводилось
исследование зарядов из окфола-3,5 и его смесей с 20% (масс.) титана, гидрида и дейтерида титана, а также зарядов из А-К-1 как без добавок, так и с 20% (масс.) содержанием циркония, дейтерида и гидрида циркония. Смеси готовили методом сухого перемешивания, заряды формовали методом холодного прессования. Диаметр зарядов во всех экспериментах составлял 20 мм, длина - 40 мм. Экспериментальные результаты представлены в таблице 1, в которой каждое значение является средним из трех параллельных измерений.
На рис. 2 представлены типичные осциллограммы, представляющие собой запись профиля массовой скорости (давления) за фронтом детонационной волны в зависимости от времени. Первый пик, регистрируемый осциллографом, соответствует сигналу от электроконтактного датчика. На всех осциллограммах за химпиком наблюдается точка перегиба (точка 1 на рис. 2 а) с параметрами, принятыми нами для плоскости Чепмена-Жуге. Характерным отличием профилей, полученных для смесей с металлическими добавками, является более пологий спад давления, а в некоторых случаях, образование «плато» на профиле после плоскости Чепмена-Жуге. Вторичный пик достаточно большой амплитуды (рис. 2 а, б), регистрируемый на «поздней стадии» процесса, по всей видимости, связан с вовлечением в движение ножек П-образного датчика.
Непрерывная запись сигнала с датчика позволяет проследить динамику изменения давления за фронтом детонационной волны. Известно, что дополнительное энерговыделение за счет реагирования добавки должно сказываться не столько на величине давления в плоскости Чепмена-Жуге, сколько на скорости спада давления за этой плоскостью. Таким образом, для
оценки влияния добавки целесообразно было рассчитать импульс за фронтом детонационной волны. Значения данных импульсов позволили бы сравнить бризантное действие исследуемых взрывчатых составов с учетом реагирования добавки. Особенность определения импульса заключалась в «обрезке» осциллограмм, т.е. ограничении длительности сигнала, подлежащего обработке, до 1,5 - 2,0 мкс после химпика. Необходимость такого решения была обусловлена тем, что на осциллограммах присутствовали различные наводки и паразитные сигналы, не связанные с движением датчика (рис. 2 а, б).
Из таблицы 1 следует, что при введении в ВВ металлических добавок скорости детонации заметно снижаются. Однако для смесей окфола с гидридом и дейтеридом титана снижение скорости детонации происходит в меньшей степени, чем при добавлении порошка титана. В то же время следует отметить некоторое возрастание давления детонации при введении титана, его гидрида или дейтерида в окфол.
Импульс за фронтом детонационной волны при введении добавок титана и циркония в ВВ снижается незначительно (до 2,2%). В то же время при введении добавок гидрида и дейтерида снижение импульса достигает 6^12%, что позволяет говорить о снижении параметров, либо задержке реакции в таких добавках.
Качественно согласующиеся результаты были получены при измерении скорости детонации смесей А-К-1 с гидридом и дейтеридом титана электроконтактным методом (табл. 2).
Измерения производили на зарядах диаметром 20 мм на базе 60 мм с помощью ионизационных датчиков, изготовленных из двух полосок медной фольги толщиной 0,03 мм, которые размещали по центру заряда с зазором 1 мм. Базу измерения контролировали с помощью микрометра. Между электродетонатором и первой парой датчиков располагали дополнительный заряд длиной 40 мм из исследуемого ВВ, обеспечивающий формирование стационарной ДВ, а после второй пары датчиков - еще один заряд длиной 20 мм (рис. 3).
Регистрацию времени прохождения ДВ базы измерения осуществляли с помощью частотомера Ч3-64. Погрешность регистрации времени составляла 1 нс.
Таблица 1
Параметры детонационных волн в смесях окфола-3,5 и А-1Х-1 с металлами
Добавка Р, г/см3 р/р тах* Б, м/с Рс-т, ГПа ин е-1, м/с 1/1без доб.
А-1Х-1
- 1,680 0,972 8517 27,3 1910 1,000
20% гг 1,959 0,966 7795 27,2 1780 0,998
20% 2гЫ1,92 1,909 0,951 7670 25,4 1740 0,875
20% 2гБ1,91 1,866 0,930 7958 26,3 1770 0,922
Окфол-3,5
- 1,745 0,951 8507 28,6 1927 1,000
20% Т 1,964 0,944 7943 30,3 1937 0,978
20% ТШ1,95 1,955 0,958 8160 30,0 1880 0,943
20% ТЮ:,9 1,962 0,962 8183 30,7 1910 0,882
*
Ртах - максимальная плотность взрывчатого состава.
Таким образом, аппаратурная
(систематическая) погрешность измерения скорости детонации составляла менее 10 м/с. Каждое полученное значение является средним из трех параллельных измерений.
X Л- 1
\ /
к регистрирующей аппаратуре
Рис. 3. Схема измерения скорости детонации: 1 -электродетонатор, 2 - заряды ВВ, 3 - ионизационные датчики.
Таким образом, показано, что насыщение титана изотопами водорода приводит к заметному повышению скорости детонации (200^300 м/с). В смесях с окфолом-3,5 наблюдали некоторое
Таблица 2 Скорость детонации смесей А-1Х-1 с металлами
Добавка р, г/см3 р/р тах* Б, м/с
- 1,650 0,954 8420
20% Т 1,864 0,945 7740
20% ТШ1,95 1,852 0,957 8025
20% ТШ1,9 1,855 0,958 7940
повышение давления детонации (5^7%), сопоставимое с погрешностью измерений как для добавок с обычным титаном, так и с добавками из титана, насыщенного водородом. При насыщении циркония водородом в большинстве экспериментов наблюдали снижение параметров детонации.
Отмечается тенденция к большему значению параметров детонации смесей ВВ с металлами, насыщенными дейтерием по сравнению с металлами, насыщенными протием.
Губин Александр Станиславович заочный аспирант кафедры техносферной безопасности РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Акинин Николай Иванович д.т.н., профессор, заведующий кафедрой техносферной безопасности РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Давыдов Виталий Юрьевич к.т.н., начальник лаборатории ОАО «НИМИ», Россия, Москва Загрядцкий Филипп Сергеевич инженер ОАО «НИМИ», Россия, Москва
Трунин Владимир Владимирович старший преподаватель кафедры стандартизации и инженерно-компьютерной графики РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
18. Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. М.: Недра, 1988.
19. Гидриды металлов. Под ред. В. Мюллера, Д. Блэкледжа, Дж. Либовица. М.: Атомиздат, 1973.
20. Андреев С.Г., Бойко М.М., Селиванов В.В. Экспериментальные методы физики взрыва и удара. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. 752 с.
21. Физика взрыва. Под ред. Л.П. Орленко В 2 т. Т.1. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.
22. Хотин В.Г., Пономарев В. А., Мясников К.Б. О вычислении параметров ударных волн в инертных средах, граничащих с зарядом смесевого взрывчатого вещества // Вопросы теории взрывчатых веществ. Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева. Вып. LXXXIII.. М.: МХТИ, 1974. С. 161-165.
23. Хотин В.Г., Пономарев В.А., Серегина Н.М. и др. Исследование параметров детонационных волн в смесевых ВВ электромагнитным методом // Вопросы теории взрывчатых веществ. Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева. Вып. LXXXIII. М.: МХТИ, 1974. С. 166-172.
24. Хотин В.Г., Козлов А.И., Ахачинский А.В. и др. Об участии металлов в химическом превращении в детонационной волне // Химическая физика конденсированных взрывчатых систем. Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева. Вып. QV. М.: МХТИ, 1979. - С. 113-122.
25. Веприкова А.А., Трунин В.В., Балабаева Е.В. и др. Определение параметров детонации алюминийсодержащих водонаполненных составов электромагнитным методом // Успехи в химии и химической технологии: сб. научн. трудов. Том XXIII, №4. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. с. 53-57.
Gubin Alexander Stanislavovich1*, Akinin Nikolay Ivanovich1, Davydov Vitaly Yurievich2, Zagryadtskiy Filipp Sergeevich2, Trunin Vladimir Vladimirovich1
1 D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
2 Research Institute of Mechanical Engineering, Moscow * e-mail: algoubin@yandex.ru
DETONATION PROPERTIES OF HIGH EXPLOSIVES WITH ADDITION OF METAL HYDRIDES
Abstract
It was carried out an investigation of detonation characteristics of high explosives with additions of TiD, TiH, ZrD and ZrH. It was used magneto electrical method of measuring of detonation products velocity. It was shown that filling titanium and zirconium by hydrogen isotopes results to increase of detonation characteristics.
Key words: high explosives; metal hydrides; detonation; detonation's products.
