Istraživanje uticaja nekih parametara na osetljivost eksplozivnih materija na toplotni impuls Текст научной статьи по специальности «Физика»

Dr Radun Jeremić,

pukovnik, dip!, inž. Vojna akaidemija. Odsek logistike, Beograd

ISTRAŽIVANJE UTICAJA NEKIH PARAMETARA NA OSETLJIVOST EKSPLOZIVNIH MATERIJA NA TOPLOTNIIMPULS

UDC: 662.1/ 4:620.181.4

Rezime:

Ispitivana je osetljivost nekoliko vrsta eksplozivnih materija na toplotni impuls merenjem vremena zadrike и zavisnosti od temperature. Na osnovu eksperimentalnih rezultata odredene su vrednosti energije aktivacije i predeksponencijalni faktori и jednaćini Semjonova. Istraiivan je / uticaj mase ispilivanog uzorka, granulacije i veličine kristala eksploziva na osetljivost na toplotni impuls. Pokazano je da ovi parametri imaju značajan uticaj na osetljivost eksplozivnih materija, pa je neophodno standardizovati postupak pripreme uzoraka za ispitivanje, kako bi rezultati bili medusobno uporedivi.

Ključne reči: eksplozivne materije, toplotni impuls, energija aktivacije, masa uzorka, granulacija uzorka. veličina kristala uzorka.

INVESTIGATION OF THE EFFECTS OF SOME PARAMETERS ON EXPLOSIVES SENSITIVITY TO HEAT IMPULSE

Summary:

Sensitivity of several types of explosives to heat impulse has been examined by measuring the delay time as a function of temperature The values of activation energy an the pre-exponential factors in the Semionov equation have been determined on the basis of the experimental results. The effects of the examined sample mass, granulation and crystal size on the sensitivity to heat impulse have been also investigated. These parameters are shown to have a significant effect on the sensitivity of explosives. Therefore, it is necessary to standardize the procedure of test sample preparation in order to get comparable results.

Key words: explosives, heat impulse, activation energy, sample mass, sample granulation, sample crystal size.

Uvod

Proces eksplozivnog, odnosno spon-tanog hemijskog razlaganja eksplozivnih materije, može se inicirati dejstvom ne-kog spoljnog impulsa, čija veličina i ob-lik zavise od vrste i sastava eksplozivne materije, kao i uslova u kojima se vrši inicijacija.

Osetljivost eksplozivnih materija na različite početne impulse jedan je od najva-žnijih kriterijuma za proizvodnju, čuvanje, transport, manipulaciju i primenu ubojnih sredstava u kojima su one iaborisane.

Sa praktiCnog stanoviSta, eksplozivne materije moraju zadovoljiti dva kon-tradiktoma zahteva: s jedne strane, uz pridržavanje odgovarajućih propisa, one

VOJNOTEHNICKIGLASNIK 3/2002.

273

moraju da budu bczbedne pri čuvanju, (ransportu i manipulaciji, dok, s druge strane, moraju da budu dovoljno osetljive da reaguju na odgovarajući spoljni im-puls kada sc to od njih očckuje.

U odnosu na osetljivost eksploziv-nih materija na spoljno dejstvo odrcduje se i veličina početnog ili inicijalnog impulse, koji je, pri odrcdcnim uslovima, potreban za pobudivanje eksplozivnih procesa. Ne postoje apsolutni pokazatclji osetljivosti eksplozivnih materija na osnovu kojih se pouzdano može proccniti minimalan impuls potreban za inieijaeiju. To je posledica složcnosti fenomena ini-eijaeije. Osetljivost ne zavisi samo od he-mijske strukture eksplozivnih materija nego i od velikog broja faktora fizičke prirodc, od kojih se neki odnose na fizič-ko stanjc eksplozivnih materija, a drugi na uslove u kojima se odvija proces inici-jaeije. Podaci о osetljivosti eksplozivnih materija predstavljaju samo statisličke parametre na osnovu kojih se može utvr-diti kolika je verovatnoća da u odredc-nim uslovima možc doči do inieijaeije. Ako se spoljni uslovi ili fizičko stanje eksplozivnih materija promene, za istu jačinu impulsa verovatnoća inieijaeije može se mnogostruko izmeniti.

Količina energije neophodna za ini-ciranje procesa eksplozivnog razlaganja za istu eksplozivnu matcriju menja se u širokim granicama, što, pre svega, zavisi od oblika početnog impulsa i načina pre-nosa energije na eksplozivnu materiju.

U uslovima brzog zagrevanja cks-plozivnih materija, koje se ostvaruje pri visokim temperaturama, iniciranje procesa eksplozivnog razlaganja može se po-stići mnogo manjom količinom energije

nego u uslovima sporog zagrevanja koje sc ostvaruje pri nižim temperaturama. Do analogne pojave dolazi i pri mehaničkom spoljnom dejstvu na eksplozivnc materi-je. Pri sporom sabijanju nekih eksplozivnih materija relativno male osetljivosti, do inieijaeije neće doći čak ni pri visokim pritiscima i relativno velikoj količini utroSenc energije. S druge strane, u uslovima brzog sabijanja, koje ima karakter udara, inieijaeija procesa eksplozivnog razlaganja može se izazvati sa mnogo manjim količinama energije.

Za inieijaeiju eksplozivnog razlaganja nijc presudna količina energije, već koncentracija energije u vremenu i pro-storu, jer se na taj način mnogo brže do-stiže energetska barijera za otpočinjanje procesa razlaganja na nivou molckula eksplozivne matcrijc.

Proces eksplozivnog razlaganja mo-žc se inicirati različitim počctnim impul-sima, kao Sto su:

- toplotni (zagrevanje, plamen, iskra, usijano telo i dr.),

- mehanički (udar, trenje, smicanje, rezanje, prostrel zma, potres pri opalje-nju i dr.),

- cksplozivni (energija ekspiozije inicijalnc ili druge brizantne eksplozivne materije),

- dejstvo ultrazvuka, lasera, elektro-na. jona, rendgenskih zraka i nukleamih čestica.

Za iniciranje inicijalnih eksplozivnih materija u praksi se uglavnom prime-njuju mehanički (udar i trenje) i toplotni (plamen, iskra, usijana žica) početni impuls. Pobudivanje detonaeije brizantnih eksploziva postiže se udamim talasom inicijalnih eksplozivnih materija, dok se

274

VOlNOTEKNlCKJ GLASNIK 3/2002.

pripaljivanje potisnih eksplozivnih mate-rija vrSi toplotnim impulsom u obliku plamena.

Osetljivost eksplozivnih materija

na toplotni impuls

Toplotni impuls može delovati na eksplozivne materije u obliku homoge-nog i lokalnog zagrcvanja.

Homogeno (lagano) zagrevanje od-vija se po čitavoj masi eksplozivne materije, izvorom toplote bez plamena, do пеке kritične temperature (temperature sa-mopaljenja). Dalji razvoj procesa eksplo-zivnog razlaganja odvija se po zakonu toplotne eksplozije, po kojem dolazi do samozapaljenja eksplozivne materije usled narušene ravnoteže između osloba-đanja toplote i njene razmene sa okoli-nom. Inicirani proces sagorevanja dalje može preći u dctonaciju, zavisno od vrste eksplozivne materije i uslova u kojima je izvrteno iniciranje. Kod inicijalnih eksplozivnih materija proces, po pravilu, prelazi u detonaeiju.

Lokalno zagrevanje (plamen, vami-ca, usijana žica) primenjuje se za pripalu baruta i raketnih goriva pri opalenju pro-jektila, kao i za pobudivanje detonaeije u detonatorima. U tom slučaju uspostavija se značajan gradijent temperature, pri Čemu je karakteristična pojava lokalne zone razlaganja koja se kroz eksplozivnu materiju Si-ri samorasprostirucim mehanizmom.

Kao mera osetljivosti eksplozivnih materija na toplotni impuls obično služi temperature paljenja, odnosno vreme za-drSke (period indukeije).

Za eksplozivne materije veza izme-du vremena zadrške i temperature palje-

nja sc izražava pomoću zavisnosti koju je prvi dao Semjonov [1], i koja glasi:

£

т = Се*г (1)

gdeje:

x - vreme zadrSke (s),

E - energija aktivaeije procesa eksp-iozivnog razlaganja eksplozivne materije

(J/mol),

R - univerzalna gasna konstanta (8,314

J /molK),

C - konstanta koja zavisi od sastava eksplozivne materije,

T - temperature paljenja eksplozivne materije (K).

Na osnovu izraza Semjonova oči-gledno je da se sa smanjenjem energije aktivaeije i povećanjem temperature zagrcvanja vreme zadrškc eksponencijalno smanjuje (slika 1).

Zavisnost (1) pogodno je predstaviti u lineamom obliku:

Inr = lnC+— (2)

RT

Izraz (2) pokazuje da izmedu loga-ritma vremena zadrSkc i recipročne tem-

Sl. / - Zavisnost vremena zadrške od temperature

VOJNOTfcHNlCKJ CLASNIK 3/2002.

275

perature postoji lineama zavisnost koja omogućuje odredivanje energije aktivaci-je eksptozivnih materija.

Oselljivost eksplozivnih materija možc varirati u Sirokim granicama, zavi-sno od uticaja različitih parametara. Osnovni parametri koji utiču na osetlji-vost su: temperatura, toplotni kapacitct i toplotna provodljivost, isparljivost, agre-gatno stanje, struktura, gustina, veličina i oblik kristala, prisustvo primesa i dr. Nji-hov uticaj ispoljava se na osetljivost u raziičitom stepenu, zavisno od karaktera početnog impuisa koji sc primenjujc za iniciranje eksplozivne materije.

Opis eksperimenta

Za ispitivanje osetljivosti na toplotni impuls odabrano je sedam različitih eksplozivnih materija, od kojih je jedna ba-rut (pogonska EM), a šest su ćisti bri-zantni eksplozivi ili njihove smeše. Sa-stav ispitivanih eksplozivnih materija prikazanje u tabeli 1.

ispitivanje osetljivosti EM na to-plotni impuls obavljano je na standard-nom uredaju marke „Julliuss Peters**, a temperatura paljenja prema standardu JUS H.D8.004 \2\. Priprema uzoraka ob-uhvatala je njihovo usitnjavanje i suše-nje, a za ispitivanje su odmeravane kon-stantne mase uzorka od po 0,200 g. Sva-ko merenje obavljano je sa po Sest pona-vljanja pri istim uslovima.

Pri odredivanju vremena zadrške рге početka merenja uredaji su temperi-rani na zadatoj temperaturi u trajanju od 60 minuta. Vreme do paljenja registrova-no je Stopcricom na osnovu zvučnog ili vizuelnog efekta pri paljenju.

Odredivanje temperature paljenja obavljano je pri bizini grejanja od 10°C/min.

Rezultati i diskusija

Odredivanje vremena indukeije ispitivanih EM obavljeno je na nekoliko temperatura sa po Sest ponavljanja. Na osnovu dobijenih vremena računato je srednje vreme zadrške na datoj temperaturi. Rezultati eksperimentalnog odredi-vanja vremena zadrškc ispitivanih EM na različitim temperaturama prikazani su na tabeli 2, a na slici 2 grafička zavisnost vremena zadrške od temperature za TNT. Kao što se vidi, ta zavisnost je u skladu sa jednačinom Semjonova (1), §to je po-tvrdeno i za ostale ispitivane eksplozivne materije.

Na osnovu logaritamskc zavisnost! Int - l/T (slika 3) odredene su energije

SI. 2 - Zavisnost vremena zadrške od temperature

za TNT

SI. 3 - Zavisnost logarttma vremena zadrške od reciproćne vrednosti temperature za TNT

276

VOJNOTEHNlCKJ GLASNIK 3/2002.

Sastav ispitivanih игогака

Tabula I

Eksolozivna matenia Sastav

Barut sferiCni iednobazni barut sa l % DFA

Trotii (TNT) Cist

Hcksogen (RDX) Cist

Pentrit (P£TN) Cist

Oktol ЯМХ 96%. TNT 6%. vosak 1%

Oktogcn ffleematizovani) HMX 96%. flegmatizatora 4%

Heksotol RDX 93%. TNT 6%. vosak 1%

Tabela 2

Rezuliati merenja vremena zadrške и zavisnosli od temperature

Heksotol

HMX

ft*) te) it'

Oktol

TNT

mzm

1314Б23

483 72У

>28

1034 |$ 593

SMS"

.-lXKUT(sj_

543

134

543 JM9. 548' 686

143 538 240 (553 П5 Ш 503

ТГ i543 151 558 Ш5 ЬбЗ 390

51 $4F~ 94 563 97 Ббб 313

553 1 62 568 83.5 673 22$

r 573 53 583 It

678 )4

583

Vrednosti parametara и jednačini Semjonova za ispitivane EM

Tabela 3

Vrsta KM

Energija akiivacije (KJ/mol) 13,41

jfcnergija aktivacijc, dobijc-j na proraCunom (KJ/mol)

Predeksponcncijalm

faktor

Barut

Trotii (TNT)

Hcksogen (RDX)

Heksotol

Oktol ____ ^

Pcntnt(PF.TN)

100.4 90.9 9 10"

143.9 1 148.1 2.054 10"

197.1 1 188.4 8.003 \ W

151.5 з.звУнР*

221 224.4 4.356 10*"

71.2 '2.37 10*

176 156.3 5.0710"7

aktivacije ispitivanih EM, kao i predek-sponencijalni faktori u jednačini Semjonova (tabela 3).

Vrednosti energija aktivaeija ispitivanih eksplozivnih materija, dobijene na ovaj način, u dobroj su korelaciji sa vred-nostima iz literature koje su dobijene dnigim metodama [3].

Dobijeni rezultati pokazuju da se dodatkom trotila heksogenu smanjuje njegova osetljivost na toplotni impuls, Sto se objašnjava činjcnicom da TNT ima

viSu temperaturu paljenja (300°C) od heksogena (260°C).

Takode, dodatkom flegmatizatora heksogenu i oktogenu smanjuje se njihova osc-tljivost na toplotni impuls, analogno sma-njenju osetljivosti na mehanički impuls.

Ispitlvanje uticaja mase uzorka

Uticaj mase uzorka na osetljivost na toplotni impuls ispitivan je na uzorku TNT--a granulacije od 1,25 mm. Eksperiment je

VOJNOTEHNIĆKI G1.ASNIK 3/2002.

277

SI. 4 - Uticaj mase uzorka na vreme zadrike za TNT

m

Sf. 5 - Ulicaj mase uzorka na lemperaturu palje-nja TNT-a

vršen na tempcraturi od 290°C, a rezultati ispitivanja prikazani su grafički na slid 4.

Očigledno, sa povećanjem mase is-pitivanog uzorka osetljivost na toplotni impuis cksponencijalno raste, što je u skladu sa teorijom toplotne eksplozije

[5]. Sto je masa uzorka veća, stvaraju se povoljniji usiovi za akumuliranje toplote koja se osiobada usled egzotermnih auto-kataiitičkih procesa i, samim tim, brže dostizanje temperature paljenja.

Analogni rezultati dobijeni su i ispi-tivanjem uticaja mase na temperaturu paljenja TNT-a (slika 5). Sa smanjenjem mase uzorka temperatura paljenja raste.

Na osnovu ovih rezultata možc se predvidcti da ispod odredene kritične mase uzorka ne bi došlo do paljenja eks-plozivne materije, jer Ы pre toga doSlo do njene potpune termičke destrukcije.

SliČna pojava desila bi se ako bi se uzorak zagrevao veoma sporo. Tada bi se veći deo eksplozivne materije razložio u oblasti nižih temperatura, pa bi pri višim temperaturama količina eksplozivne materije bila suviše mala da bi doSlo do paljenja.

Ispitivanje uticaja granulacije

uzorka

Različite granulacije dobijene su pro-sejavanjem kroz sita različitih veličina otvo-ra, a ispitivanje je obavljeno, kao i u pret-hodnom slučaju, na temperaturi od 290°C. Rezultati merenja prikazani su na slici 6.

Sa povećavanjem granulacije ekspo-nencijalno raste i osetljivost na toplotni impuis, što je u korelaciji sa rezultatima uticaja mase. 1 ovde se pojava može ob-jasniti činjenicom da je kod većih granu-lacija uzorka razmena toplote sa okoli-nom sporija (manji odnos izmedu površi-ne i zapremine uzorka), pa sc brže dosti-žc temperatura paljenja.

Ispitivanjem uticaja granulacije na temperaturu paljenja TNT-a dobijeni su analogni rezultati - sa povećavanjem granulacije snižava se temperatura paljenja (slika 7).

SI. 6 - Rezultati merenja uticaja granulacije uzorka TNT na vreme zadrike

278

VOJNOTEHNIČKIGLASNIK Э/2002.

SI. 7 - Ulicaj granulacije na temperaturu paljenja kod TNT-a

SI. 8 - Ulicaj velićine kristala na vreme zadrike kod oklogena

Ispitivanjc uticaja veličine knstala

Na kraju, na primeni kristalnog ok-togena ispitan je i ulicaj veličine knstala na vreme zadrSke. Ispitivanje je obavlje-no na tcmperaturi od 250°C, a veličine kristala varirane su u granicama od 100 do 1250 pm. Dobijeni rezultati prikazani sugrafićki na slici 8.

Može se primelili da se sa povcća-njem veličine kristala smanjuje osetlji-vost oktogena na toplotni impuls, Sto nije u skladu sa prethodnim rezultatima, a i činjenicom da su, po pravilu, krupniji kristali osetljiviji od sitnijih. Mcdutim, slična pojava uočena je i kod nekih dru-

gih eksploziva, kao na primer, kod pi-krinske kiseline [6|. To je, najvcrovatni-je, posledica promene vrednosti kinetič-kih parametara procesa (ermičke dekom* pozicije za različite veličine kristala, Sto bi trebalo posebno istražiti.

Da bi se dobili rezultati ispitivanja koji se medusobno mogu uporedivati, odrcdivanje osctljivosti eksplozivnih ma-terija na toplotni impuls, kao i temperature paljenja, mora se provoditi u strogo odredenim, standardnim uslovima, Sto podrazumeva i standardizaciju pripreme uzorka za ispitivanje.

Zaključak

Fenomen osetljivosti eksplozivnih materija na toplotni impuls predstavlja vcoma složen problem, koji do sada nije u potpunosti islražen. Rezultati islraživa« nja pokazuju da masa, granulacija, kao i vcličina kristala ispitivanog uzorka znat-no utiču na vreme zadrSke i temperaturu paljenja eksplozivnih materija. Ncophod-no je odgovarajućim standardom preci-zno propisati način pripreme uzoraka za ispitivanje osetljivosti eksplozivnih materija, kako bi rezultati bill jcdnoznačni i medusobno uporedivi.

Literature.

Il| Baum. F. A.; Orknko. L P.; StanjukoviC. К P.; Celjiev, V. P.; Sehier, В. I.: Kizika vzriva. Nauka, Moskva, 1975.

(2| JUS H.D8.004. Odredivanje temperature paljenja. Jugoslo-venski zavod za standardizaciju, Beograd. 1972.

|3| Hristovski, M.: Eksplozivne maicnje, NIU Vojika, Beograd. 1994.

[4] ColakoviC. M.: Probability Estimation (or the Self-Ignition of the Gun Powder. Prop. ExpL Pyrot.. 17. <1992).

[5J Merzhanov. A. G.: Abramov, V. G.: Thermal explosion of explosives and propellants. A review. Prop. Expl.. 6,1981.

]6| Andrejev. К. K..; Beljajev. A F.: Teorija vnivCatth ve-SCestv. Oborongiz. Moskva. 1960.

VOJNOTEIINIĆKI GLASNIK 3/2002.

279