CC BY
33УДК 541.8.002
М.А.Илюшин1, С.И. Герасимов2, А.В. Смирнов3, И.В. Целинский4
Электрический метод взрывания зарядов энергетических материалов стал основным в ХХ веке благодаря своей универсальности, быстродействию и надежности. Недостатком этого способа инициирования является чувствительность электродетонаторов к зарядам статического электричества, блуждающим токам и действию электромагнитных полей. В свете вышеизложенного световое инициирование первичных зарядов представляется перспективным способом проведения взрывных работ, отличающимся повышенной безопасностью. При инициировании зарядов энергетических материалов световым импульсом достаточно большой мощности обеспечивается надёжная защита схемы от ложных подрывов, поскольку в оптическом диапазоне, как правило, отсутствуют случайные источники с мощностью, достаточной для подрыва светодетонатора. Светодетонаторы нечувствительны к электромагнитным наводкам в цепях подрыва, зарядам статического электричества и прочим нештатным условиям эксплуатации [1-5]. Световое инициирование может успешно использоваться во многих взрывных технологиях и газодинамических устройствах. Наибольшее распространение в настоящее время получило лазерное инициирование светочувствительных энергонасыщенных веществ, позволившее создать в США надежные средства инициирования для ракетно-космической техники [5] и артиллерийских систем [6]. Лазерное инициирование удобно при проведении работ высококвалифицированными специалистами, которые в состоянии осуществить при
ИССЛЕДОВАНИЕ
ОСОБЕННОСТЕЙ
ИНИЦИИРОВАНИЯ
СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ
ПОЛИМЕРСОДЕРЖАЩИХ
ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ
СОСТАВОВ
НЕКОГЕРЕНТНЫМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26
Статья посвящена изучению взаимодействия мощных световых волн, генерируемых лампами-вспышками, с зарядами светочувствительных энергонасыщенных комплексных перхлоратов: 3(5)-гидразино-4-амино-1,2,4-триазолмеди (II) и ртути (II) с 1-Н-5-гидразинотетразолом какли-гандом. Показано, что некогерентное световое излучение вызывает взрыв в пиротехнических составах ВС-1 и ВС-2. на базе изученных ме-таллокомплексов. Найдено, что пиротехнический состав ВС-2, содержащий ртутный комплекс, может быть использован для возбуждения детонации в бризантных энергетических материалах.
Ключевые слова: оптическое инициирование, пиротехнические составы ВС-1 и ВС-2.
необходимости, например, юстировку оптического тракта лазерных средств инициирования. В условиях интенсивных нагрузок, отсутствия необходимого диагностического оборудования, недостаточной квалификации подрывников могут оказаться перспективнее некогерентные световые источники возбуждения взрыва оптических детонаторов, как более простые и надежные.
Кумулятивные некогерентные световые источники используются для решения различных задач, в том числе и в лаборатории для инициирования зарядов энергетических веществ. В кумулятивных источниках света реализуется получение мощной кратковременной освещенности объекта за фронтом ударной волны в газе. Максимальная освещенность объекта импульсной лампой осуществляется за счет быстрого расширения излучающей зоны (плазменного разряда, стримера) с быстрым последующим охлаждением.
В представленной работе использованы две конструкции ламп-вспышек, отличающиеся размером и яркостью стримера - лампы ИФК-500 и ЭВИС. На рисунке 1 приведены зависимости освещенности от времени при использовании этих источников некогерентного излучения.
1 Илюшин Михаил Алексеевич, д-р хим. наук, профессор, каф. химии и технологии органических соединений азота, e-mail: ilyshin@lti-gti.ru
2 Герасимов Сергей Иванович, д-р физ.-мат. наук, начальник отдела РФЯЦ - ВНИИЭФ, 607188, Нижегородская обл., г. Саров, пр. Мира, 37
3 Смирнов Андрей Вячеславович, канд. хим. наук, ст. науч. сотр. каф. химии и технологии органических соединений азота, e-mail: smirnov157@yandex.ru
4 Целинский Игорь Васильевич, д-р хим. наук, профессор, каф. химии и технологии органических соединений азота, e-mail: ivts@lti-gti.ru Дата поступления - 4 сентября 2013 года
Отн. осв.
у
1
о f
t, MC
О 0.005 0.01 0.015
Рисунок 1. Изменение во времени освещенности, создаваемой газоразрядными источниками (Е = 75 Дж): 1 - ИФК - 500, 2 - ЭВИС
Согласно приведенным на рисунке 1 графикам у лампы-вспышки ЭВИС наблюдается более короткий и более мощный световой импульс по сравнению с импульсом лампы ИФК - 500.
В области исследования взаимодействия мощного светового излучения с веществом важнейшей проблемой является изучение эффекта инициирования реакций в химически активных средах. Химические процессы, происходящие при облучении источниками светового излучения химически активных сред, имеют свои особенности, которые связаны, во-первых, с неравновесностью, обусловленной нестационарным протеканием реакций, и, во-вторых, с наличием взаимного влияния химического состояния среды и процессов энерго- и массопереноса в поле мощной световой волны.
В работе [7] приведены результаты испытания модельного светодетонатора. В качестве светочувствительного инициирующего заряда был использован смесевой состав 1,1,1,3,6,8,8,8-октанитро-3,6-диазаоктана (продукта «Н») с порошком алюминия марки УДКА (10 %). Вторичным зарядом служил прессованный тетранитрат пен-таэритрита (ТТЭН). Испытания светодетонаторов проводилось путем их подрыва излучением лампы-вспышки ИФП-8000, которое передавалось к светодетонатору посредством гибкого световода диаметром 1 мм. Факт детонации светодетонатора фиксировался по пробитию пластины свидетеля из сплава Д16 толщиной 2 мм. Исследования показали, что пороговое значение энергии срабатывания светодетонатора составляло 5.2 мДж. Время срабатывания светодетонаторов зависело от величины подводимой энергии и изменялось от 670 мкс (Е = 5.2 мДж) до 550 мкс (Е = 6.4 мДж).
В качестве рабочего вещества в лазерных свето-детонаторах в публикациях рассматривались многие энергонасыщенные вещества, в том числе и координационные соединения [5].
Так, среди металлокомплексных перхлоратов с полиазотистыми лигандами обнаружены и изучены светочувствительные вещества с низкими порогами инициирования импульсными твердотельными неодимовыми лазерами. Однако их восприимчивость к некогерентному излучению ламп-вспышек не была исследована.
В представленной работе изучены светочувствительный пиротехнический состав ВС-1 на базе комплексного перхлората 3(5)-гидразино-4-амино-1,2,4-
триазолмеди (II) и пиротехнический состав ВС-2 с перхлоратом ртути (II) и l-H-5-гидразинотетразолом как лигандом. В качестве инертной матрицы (связующего) в пиротехнических составах использован оптически прозрачный полимер - сополимер 2-метил-5-винилтетразола (~98 %) и метакриловой кислоты (~2 %) (ПВМТ) (ТУ 38-403-208-88) в количестве 10 % от массы металлокомплексов. Подробно свойства светочувствительных металлокомплексов меди и ртути, а также светочувствительных пиротехнических составов ВС-1 и
ВС-2 приведены в работах [8, 9]. Испытания пиротехнических составов проводились в латунных колпачках диаметром 5 мм и высотой 2 мм.
В ходе выполнения экспериментальных исследований предстояло ответить на следующие вопросы:
-может ли некогерентное световое излучение вызвать взрыв в пиротехнических составах ВС-1 и ВС-2,
- какой из пиротехнических составов более эффективен как светочувствительный энергетический материал,
-на каком расстоянии от источника света может быть инициирован пиротехнический состав,
-каков разброс во времени при инициировании нескольких пиротехнических светочувствительных изделий лампой-вспышкой,
- может ли взрыв пиротехнического состава инициировать детонацию в бризантном взрывчатом веществе.
Скорость превращений составов ВС-1 и ВС-2 под действием интенсивной световой волны оценивалась по воздействию продуктов взрыва светодетонаторов на преграду.
Как показано на рисунке 2, светодетонаторы, содержащие пиротехнические составы ВС-1 и ВС-2, устанавливались попарно в экспериментальные сборки с пластинами-свидетелями из сплава Д16. Монтаж конструкции в единую сборку осуществлялся на прозрачной липкой ленте (скотч). Оценка действия светодетонаторов проводилась по деформированию (эрозионному уносу) материала пластин после взрывчатого превращения в изделиях.
■//S////////Z // '//У//////////. •S/SSSSSS/SSSS. > /у.'/////' ///, Л У/s/s/////////\ v////////s////\ vss//s///s////\
Сборка №1
X"
Запуск
Рисунок 2. Схема определения результатов взрыва пиросоставов (контакт).
Свободная поверхность пиросостава светодето-натора в сборке подвергалась однократному облучению световым импульсом длительностью 2-3 мкс. Сборки поочерёдно устанавливались в непосредственной близости (контакт) от стримерных дорожек импульсного источника света - газоразрядных ламп ЭВИС, питаемых от накопителей энергии ИИС-11 (150 Дж). Вид пластин-свидетелей после инициирования пиросоставов в сборках иллюстрируют фотографии на рисунке 3.
стью Т0,5= 4 мкс (75 Дж) и Т0,5=3 мкс (150 Дж) при максимальных цветовых температурах излучателя Тцв = 9 кК (75 Дж) и Тцв = 12 кК (150 Дж).
Известно, что интенсивность света на мишени обратно пропорциональна квадрату расстояния от его источника. Таким образом, с увеличением расстояния от источника света в два раза освещённость какого-либо объекта упадёт вчетверо. Следовательно, максимальное расстояние светодетонатора вС-2 от лампы-вспышки, при котором еще происходит взрыв, служит мерой восприимчивости пиротехнического состава к воздействию мощной световой волны. При проведении экспериментов светоде-тонатор помещался в монтажной обойме соосно излучателю источника света изменялось его расстояние от импульсного источника. Результаты испытаний приведены в таблице [10].
Таблица. Результаты инициирования
Энергия накопите-ля, Дж Тип лампы Пиковая цветовая температура излучателя, К Длительность импульса, с Расстояние от лампы до поверхности состава ВС-2, мм Иници-ирова- ние состава ВС-2
75 ИФК-500 9 000 ^,5=4-10"6 300 нет
200 нет
100 нет
50 нет
0 (контакт) да
150 12 000 ^,5=310-6 300 нет
200 нет
100 нет
50 нет
30 нет
25 да
20 да
10 да
0 (контакт) да
Рисунок 3. Вид пластин-свидетелей сборок №1 (лицевая и тыльная стороны) после инициирования изделий ВС-1 и ВС-2.
Полученные результаты говорят о том, что взрывчатое превращение пиросоставов в изделиях ВС-1 и ВС-2 действительно имеет место. В областях контакта как колпачка корпуса светодетонатора, так и непосредственно пиросостава, наблюдается значительное деформирование пластин-свидетелей и унос массы материала с их поверхности.
Наблюдается явное преимущество изделия ВС-2 для решения задач инициирования бризантных энергетических материалов, поскольку в случае его применения энерговыделение значительно выше, - пластины, контактирующие с ним, деформированы сильнее (см. рисунок 3) [11].
На следующем этапе работы была исследована восприимчивость состава ВС-2, как более эффективного, к интенсивной световой волне. Схема установки для проведения эксперимента аналогична схеме опытов на рисунке 2. Разряд энергии накопителей (75 Дж или 150 Дж) осуществлялся на лампу ИФК-500. В результате получалась однократная генерация световых импульсов длительно-
Согласно экспериментальным результатам, приведенным в таблице, на порог инициирования состава ВС-2 оказывают влияние цветовая температура источника и длительность импульса, которые, в свою очередь, определяет энергия разряда накопителей. При энергии накопителя 75 Дж порог инициирования состава ВС-2 достигается только при непосредственном контакте состава и источника света, в то же время при энергии накопителя 150 Дж состав ВС-2 инициируется лампой ИФК-500 с расстояния 25 мм.
Некоторые проблемы экспериментальной газодинамики и прикладной аэробаллистики требуют знания разновременности срабатывания светодетонаторов. Такая информация нужна, например, при проектировании систем разводки детонационного импульса или систем многоточечного инициирования. Необходимо, чтобы времена действия светодетонаторов были приблизительно одинаковыми, то есть они должны детонировать синхронно, а фазы процесса - инициирование, переход горения в детонацию, возбуждение детонации в заряде бризантного энергетического материала - должны происходить с минимальным разбросом во времени.
Исследование разновременности инициирования светочувствительных зарядов ВС-2 было проведено в серии опытов по схеме, представленной на рисунке 4.
©
Рисунок 4. Схема опыта: 1-рентгеновский источник, 2-контрольная панель, 3-устройство задержки сигнала, 4-накопитель электрической энергии, 5-защищенная кассета с рентгеновской пленкой, 6-свинцовая маска-поглотитель излучения, 7- некогерентный источник света, 8-экспериментальная сборка (пять светодетонаторов, содержащих светочувствительный состав ВС-2)
Сборка из пяти зарядов светочувствительного состава ВС-2 устанавливалась вдоль стримерных дорожек газоразрядного линейного генератора некогерентного излучения, питанием для которого служил накопитель электрической энергии. Контроль за разрядом накопителя электрической энергии осуществляло задерживающее устройство, которое обеспечивало как генерацию электрического сигнала накопителя электрической энергии для освещения мишени в момент времени т, так и рентгеновскую съемку процесса инициирования светодетонаторов рентгеновским аппаратом "М1га-30" в момент времени т + Дт. Интервалы времени задержки Дт составляли 0, 5, 10, 20, 30 мкс с момента генерации светового импульса. Расстояние между рентгеновским аппаратом и исследуемым объектом по сравнению с дистанцией между снимаемым объектом и кассетой с рентгеновской пленкой было 1./1 = 2,38, что соответствовало коэффициенту увеличения изображения К = 1,42. Предварительные исследование показали, что мощность рентгеновского излучения аппарата "МИга-Зй" недостаточна для инициирования светодетонаторов ВС-2.
Полученные рентгеновские фотографии процесса инициирования светочувствительного состава ВС-2 некогерентным источником света приведены на рисунке 5.
■ • 1
1 ■ • •
1 1 • 1
1 Г в 9
Визуальный анализ полученных изображений движения светодетонаторов с составом ВС-2 под действием продуктов взрыва в диапазоне 0 < Дт <30 мкс не обнаруживает заметных пространственных дивергенций. При этом следует отметить, что время 30 мкс значительно превышает время инициирования заряда бризантного вещества продуктами взрыва первичного заряда светочувствительного состава ВС-2.
В соответствии с точными геометрическими расчетами положения светодетонаторов в пространстве на рентгеновских фотографиях было показано, что разновременность инициирования зарядов состава ВС-2 импульсным источником некогерентного излучения не превышает Дт ± 3 мкс, что удовлетворяет условиям решения большинства газодинамических задач [12].
Анализ рентгеновских снимков приводит к выводу, что время зажигания светочувствительного состава ВС-2 в изделиях не превышает 10 мкс, что примерно в пятьдесят раз меньше времени срабатывания модельного светодетонатора [7].
Испытания практической применимости состава ВС-2 для инициирования зарядов органических энергонасыщенных веществ проводились с ТЭНом по ГОСТ В 22321-77 (с насыпной плотностью р0 = 1.0 г/см3), находящимся в составе детонирующего шнура ДШЭ-12 по ГОСТ 6196-78. Схема установки инициирования включала отрезок детонирующего шнура ДШЭ-12, светодетонатор и источник световой волны (см. рисунок 6). Детонирующий шнур располагался на пластине-свидетеле из сплава Д16, закреплённый поперечными отрезками клейкой ленты. Наружная поверхность латунного колпачка светодетонатора касалась сердцевины одного из торцов шнура. Однократное облучение свободной поверхности чувствительного состава производилось лампой ИФК-500, включённой в разрядную схему накопителя электрической энергии, расстояние от излучателя до ВС-2 составляло 10 мм. Результатом инициирования детонирующего шнура ДШЭ-12 явилось возбуждение детонационного импульса и его распространение по всей длине детонирующего шнура. Фотография пластины-свидетеля после проведения эксперимента представлена на рисунке 7.
Рисунок 6. Схема инициирования заряда ДШЭ-12 на подложке из дюралюминия
1 - Изделие ВС-2, 2 - Детонирующий шнур ДШЭ-12 по ГОСТ6196-78 (0=6200 м/с), 3 - Пластина-свидетель (Д-16, 5=5 мм), 4 - Элемент крепления (лента клейкая), 5 - Излучатель (ИФК-500), 6 - Накопитель электрической энергии (150 Дж, 15 кВ)
Как видно из рисунка 7, след от детонационной волны продуктов взрыва заряда ДШЭ-12 (см. черную вмятину на пластинке-свидетеле выше линейки) соответствует по длине и ширине отрезку детонирующего шнура ДШЭ-12 (см. его фотографию ниже линейки). Полученный результат подтверждает возбуждение светодетонатором ВС-2 стационарной детонации в бризантном энергонасыщенном веществе тЭн.
Рисунок 5. Рентгеновские снимки инициирования состава ВС-2. Слева направо: время с момента генерирования светового импульса составляет 0, 5, 10 и 30 мкс.
Рисунок 7. Вид пластины-свидетеля после инициирования заряда ДШЭ-12
Таким образом, в результате проделанной работы даны ответы на все поставленные вопросы и подтверждена практическая применимость в огневых цепях взрывателей светодетонаторов, содержащих пиротехнический состав ВС-2.
Выводы
- Некогерентное световое излучение мощностью 150 Дж и длительностью 2-3 мкс вызывает взрыв в пиротехнических составах ВС-1 и ВС-2 на основе комплексных перхлоратов меди(11) и ртути(11) соответственно.
- В качестве светочувствительного энергетического материала более эффективен состав ВС-2, обладающий большей мощностью по сравнению с составом ВС-1.
- Расстояние инициирования пиротехнического состава ВС-2 от источника излучения зависит от мощности светового импульса. ВС-2 при применяемой схеме инициируется либо при непосредственном контакте с источником света при энергии 75 Дж, либо на расстоянии 25 мм при энергии 150 Дж.
- Разновременность инициирования зарядов состава ВС-2 импульсным источником некогерентного излучения не превышает Ат ± 3 мкс, а время зажигания состава ВС-2 в светодетонаторах ~ 10 мкс.
- Пиротехнический состав ВС-2 может быть использован для возбуждения детонации в бризантных энергетических материалах с использованием оптического некогерентного инициирования.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, межвузовская аналитическая целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2011 гг. Проекты 2.1.2/1581 и 2.1.2/14145.
Литература
1 Илюшин М.А., Целинский И.В., Чернай А.В. Светочувствительные взрывчатые вещества и составы и их инициирование лазерным моноимпульсом. // Рос. хим. журн. 1997. Т. 41., № 4. С. 81-88.
2. Таржанов В.И. Предвзрывные явления при быстром инициировании бризантных взрывчатых веществ (Обзор). // Физика горения и взрыва . 2003. Т. 39. № 6. С. 3-11.
3. Bourne N.K On the laser ignition and initiation of explosives // Proceeding Roy Society. London. A. 2001. Vol. 457. P. 1401-1426.
4. Чернай А.В., Соболев В.В., Чернай В.А., [и др.]. В кн. Физика импульсной обработки материалов. Глава 11. Зажигание взрывчатых веществ импульсным лазерным излучением / Под ред. В.В. Соболева. Днепропетровск: Арт-Пресс, 2003. С. 267-314.
5. Илюшин М.А., Судариков А.М., Целинский И.В., [и др.]. Металлокомплексы в высокоэнергетических композициях. / под ред. И.В. Целинского. СПб.: ЛГУ им А.С. Пушкина, 2010. 188 с.
6. Голубев В.К. Оптическое инициирование энергетических материалов в науке и технике (обзор) // Междунар. конф. «Ударные волны в конденсированных средах». Киев, Украина, 16-21 сентября, 2012 г. Кив: «1нтерпрес ЛТД», 2012. С. 425-435.
7. Герасимов С.И., Файков Ю.И., Холин С.А. Кумулятивные источники света. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2002. 229 с.
8. Илюшин М.А., Смирнов А. В., Бачурина И. В. [и др.]. Светочувствительные энергонасыщенные металлокомплексы и их лазерное инициирование // Известия СПбГТИ(ТУ). 2010. №9(35). С. 44-50.
9. Илюшин М.А., Целинский И.В., Смирнов А.В., [и др.]. Лазерное инициирование светочувствительных металло-комплексов 3-гидразино-4-амино-1,2,4-триазола // Известия СПбГТИ(ТУ). 2012. №13(39). С. 56-60.
10. Герасимов С.И., Илюшин М.А., Лень А.В. Исследование особенностей инициирования светочувствительного пиротехнического состава на основе комплексного перхлората ртути (II) // Междунар. конф. "XIII Харитоновские тематические научные чтения «Экстремальное состояние вещества, детонация, ударные волны» Сб. тезисов докл. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2011. С. 56.
11. Gerasimov S.I., Ilyushiin M.A., Len A.V. Excitation of PETN-charges with safe light-sensitive pyrotechnical compositions initiated by incoherent light pulse sources. // Proceedings of the 14-th Seminar "New trends in research of energetic materials" Pardubice. Czech Republic. April 13-15. 2011. Pardubice: Univ of Pardubice, 2011. Part 1. P. 157-159.
12. Gerasimov S.I., Len A.V., Ilyushin M.A., [et. al.]. Definition of diversity for ignition of light-sensitive pyrotechnic composition pellets with roentgraph method // Proceedings of the 14-th Seminar "New trends in research of energetic materials" Pardubice. Czech Republic. April 13-15. 2011. Pardubice: Univ of Pardubice, 2011. Part 1. P. 160-162.
