CC BY
69ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ СИСТЕМ
УДК 662.215.1 А.А. Котомин1, С.А. Душенок2, А.С. Козлов3
КРИТИЧЕСКИЕ ДИАМЕТРЫ ДЕТОНАЦИИ ГЕТЕРОГЕННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ СИСТЕМ
Введение
В данной статье систематизированы и обобщены результаты исследований детонационной способности ВВ и взрывчатых композиций, проведенных авторами в СПбГТИ(ТУ) и ФГУП «СКТБ «Технолог». Основные результаты этих работ опубликованы в научных статьях и материалах конференций [1-22].
Главным требованием к взрывчатым материалам, используемым в современных системах инициирования, детонационных разводках и устройствах взрывной логики, в детонирующих шнурах и удлиненных кумулятивных зарядах различного назначения, а также в аэрокосмической технике, в частности системах разделения космических аппаратов, является высокая детонационная способность, критерием которой является критический диаметр детонации (як). Для обычно используемых в промышленности зарядов традиционных ВВ Як равен 1-10 мм, в то время как для решения задач в аэрокосмической технике он должен составлять 0,1-1,0 мм [1, 2]. Величина Як определяется совокупностью кинетических, термодинамических и газодинамических факторов при детонации заряда ВВ. При разработке систем, включающих заряды с очень малым поперечным сечением, необходимы прогнозирование и расчет величины Як.
Для гомогенных взрывчатых систем (жидкости, монокристаллы):
Як ~ Ь ~ Бт, (1)
Са нкт- П етербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26;
ФГУП «СКТБ «Технолог»
192076, Санкт-Петербург, Советский пр., д. 33а
Выявлена зависимость критических диаметров детонации ряда индивидуальных ВВ от их удельной поверхности. При этом показана роль дефектности кристаллов ВВ. Установлена зависимость критических диаметров детонации бинарных смесей, содержащих различные ВВ, от их соотношения. Предложены уравнения для расчета критических диаметров детонации таких смесей и составов на их основе. Изучена детонационная способность взрывчатых композиций на основе ряда ВВ (ТЭН, гексоген, октоген, тротил, тетрил, бензотрифуроксан, CL-20, DNTF, FOX-7) с различными видами инертных добавок. Разработан метод расчета критических диаметров детонации взрывчатых композиций.
Ключевые слова: взрывчатое вещество, детонационная способность, критический диаметр детонации, удельная поверхность, акустическая жесткость, инертные добавки.
где L - протяженность зоны химической реакции за фронтом детонационной волны, D - скорость детонации, т -время задержки адиабатического взрыва. Чем уже зона химической реакции, тем меньше dk.
Для гетерогенных систем dk не является константой. Для индивидуальных ВВ dk зависит от ряда факторов: химической природы, дисперсности и дефектности кристаллов ВВ, плотности заряда, начальной температуры, наличия и характера оболочки. Для смесевых ВВ, включая эластичные ВВ, применяемые в системах детонационной автоматики космических аппаратов [1, 2], dk зависит также от концентрации взрывчатого наполнителя, физических свойств и дисперсности инертных компонентов (добавок), микроструктуры заряда и от технологических факторов (степени смешения компонентов, влажности и др.). Наличие многих факторов, оказывающих влияние на dk, существенно затрудняет его прогнозирование. Это предполагает необходимость установления основных наиболее эффективных способов регулирования детонационной способности взрывчатых материалов, в частности ЭВВ, и разработки метода расчета их критического диаметра детонации.
Нами были проведены систематические целенаправленные экспериментальные исследования детонационной способности штатных и перспективных индивидуальных ВВ различных классов, их смесей и композиций на их основе, используемых в современной технике. Ниже приведены основные результаты этих исследований.
1 Котомин Александр Алексеевич - доктор техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник кафедры химии и технологии органических соединений азота СПбГТИ(ТУ), e-mail: akotomin@mail.ru
2 Душенок Сергей Адамович - доктор техн. наук, зам. главного конструктора ФГУП "СКТБ "Технолог", e-mail: s.dushenok@mail.ru
3 Козлов Анатолий Сергеевич, канд. техн. наук, ст. преподаватель каф. химии и технологии органических соединений азота СПбГТИ(ТУ); инженер-технолог ФГУП "СКТБ "Технолог", e-mail: tool999@narod.ru
Дата поступления -12 сентября 2013 года
Влияние дисперсности, дефектности кристаллов и содержания ВВ на критический диаметр детонации взрывчатых композиций (ВК) Для всех исследованных ВК экспериментально были получены зависимости dk от концентрации ВВ. Установлено, что эти зависимости описываются уравнением:
dk =
dk
VI.
(2)
где dk - критический диаметр ВК при ее максимальной
плотности (ртх); dkoj - критический диаметр чистого ВВ
при его реальной дисперсности и дефектности кристаллов и высокой плотности (пористость 0,1-2%); VII - объемная доля ВВ; п - параметр, определяемый дисперсностью ВВ и физическими свойствами добавок.
Для всех ВК с увеличением размера зерна ВВ (аз)
увеличивается dkoj и уменьшается параметр п (рисунок
1).
Ъ
.................
• . 4
..............,/1... >
'-[.............у/
г
100 200 300 400 500 600
а3,мкм
а)
3,5 3
П 2,5
2
1,5
1
.3
А 11
4 и А * \ □
, , , * , , , , Л , , , ,
0 100 200 300 400
аз,мкм
500 600
б)
Рисунок 1. Зависимость d, некоторых ВВ (а) и параметра п для их
«о
смесей с каучуком СКТН (б) от размера зерна ВВ (а3): а) 1 - тетрил, 2 -гексоген, 3 - октоген, 4 - ТЭН; б) 1 - октоген, 2 - тетрил, 3 - ТЭН, 4 -гексоген.
Эти зависимости можно объяснить с позиций очагового механизма инициирования химического превращения в детонационной волне и распространения реакции вглубь зерна ВВ. Кристаллические ВВ содержат большое количество центров инициирования реакции взрывчатого превращения: в кристаллах существуют дефекты в виде трещин, пор, сколов, раковин, выходов дислокаций, т.е. "горячие точки". Предполагается, что их число настолько велико, что скорость взрывчатого превращения при детонации определяется процессами распространения реакции от горячей точки. С уменьшением размера зерна ВВ снижается время распространения процесса вглубь зерна. Отсюда следует, что с уменьшением размера зерна и повышением степени дефектности кристаллов ВВ будет уменьшаться величина его критического
*0 '
диаметра детонации dl
Однако при уменьшении размера зерна ВВ, насколько это возможно практически, дефектность уменьшается и размеры дефектов приближаются к размерам зерна. При этом можно предположить, что гетерогенные ВК все более приближаются по своему физическому состоянию к гомогенной системе. Известно, что в гомогенных ВВ детонационный процесс развивается по механизму адиабатического взрыва: при сжатии ударной волной ВВ происходит достаточный для возбуждения быстрой реакции разогрев. В гетерогенных ВК, вероятно, реализуется смешанный механизм детонации, причем в зависимости от дисперсности и дефектности кристаллического ВВ соотношение очагового и адиабатического механизмов может изменяться. Подтверждением этому является увеличение параметра п с уменьшением размера частиц ВВ (снижением дефектности ВВ) до значений, характерных для растворов ВВ. Исходя из этих представлений следует, что для определения п и d, одного размера зерна ВВ
«о
недостаточно. Существенное влияние на эти характеристики должна оказывать дефектность кристаллов ВВ.
Для определения влияния дефектности кристаллов ВВ (как самостоятельного фактора) на детонационную способность ВК были экспериментально исследованы и сопоставлены концентрационные зависимости dk двух ВК, содержащих гексоген одной фракции (160-200 мкм) и низкомолекулярный полисилоксан (СКТН). При этом гексоген использовался двух видов: первый - полученный рассевом штатного продукта и второй - малодефектный, полученный по специальной методике кристаллизацией из раствора аммиачной селитры в концентрированной азотной кислоте.
Показано (рисунок 2), что для ВК с малодефектным гексогеном параметр п составляет 3,60; d, - 2,2 мм,
«О
а для ВК с гексогеном, высеянным из штатного продукта -2,90 и 1,5 мм, соответственно.
Таким образом, дефектность кристаллов ВВ оказывает существенное влияние на детонационную способность ВК. С уменьшением дефектности ВВ их критический диаметр d, и параметр п ВК увеличиваются.
«О
Для учета совместного влияния дефектности и дисперсности ВВ на детонационную способность было предложено использовать удельную поверхность ВВ, измеренную методом низкотемпературной газовой адсорбции (Бад). В качестве адсорбата, в частности, использовался криптон, размер молекулы которого составляет 3,96" 10-10 м. Полученные этим способом значения адсорбционной удельной поверхности ВВ учитывают в целом реальную дефектность кристаллов (поры, трещины, сту-
0
пени роста, выходы дислокаций и др.), отражают общее количество "горячих точек", имеющих размеры ~10-6 м, и обычно в 3-10 раз превышают величину геометрической удельной поверхности ВВ.
1,2 1,1 1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
|д
..2
— = — + О,91^
як я ,,„
(3)
п = 2,65 + 1,2 ^ Бад, (4)
где Ямк - критический диаметр монокристалла ВВ, мм: для ТЭНа - 5 мм, гексогена - 7 мм, октогена - 18 мм.
Рисунок 3. Зависимость Я, для ряда ВВ от их удельной адсорбцион-
к0
ной поверхности: 1 - октоген, 2 - тетрил, 3 - гексоген, 4 - ТЭН.
-0,28-0,26-0,24-0,22 -0,2 -0,18-0,16-0,14-0,12
Рисунок 2. Логарифмическая зависимость с!/, бинарных смесей гексогена (фракция 160-200 мкм) различной дефектности с СКТН от объемной доли взрывчатого наполнителя (V) : 1 - штатный, 2 - малодефектный.
Экспериментальные данные по влиянию Бад ВВ на детонационную способность ВК представлены на рисунках 3 и 4. При этом зависимости критического диаметра чистых ВВ ( Я, ) и параметра п их смесей с СКТН от Бад ВВ
"О
аппроксимируются следующими уравнениями:
2 3 4
Удельная адсорбционная повехность, м"/г
Рисунок 4. Зависимость параметра п для бинарных смесей ряда ВВ с СКТН от удельной адсорбционной поверхности ВВ: А - октоген, о - ТЭН, • - гексоген, ■ - тетрил.
При затруднениях в определении значений 8ад ВВ Як может быть рассчитан приближенно, без учета микродефектов кристаллов ВВ, с использованием удельной поверхности, определяемой по газопроницаемости ВВ (£г) и измеряемой достаточно просто на приборе ПСХ-12. Опытные данные по влиянию 8г на детонационную способность ВК представлены на рисунках 5 и 6.
-2,0 -1.5 -1.0 -0.5 0,0
логарифм удельной повехности измеренной по газопроницаемости
Рисунок 5. Зависимость ¡дЯ, ряда ВВ от ¡д Бг: 1 - ТЭН, 2 - гексоген,
к0
3 - октоген, 4 - тетрил.
-2.0 -1,5 -1,0 -0,5 0.0
логарифм удельной поверхности измеренной по газопроницаемости
Рисунок 6. Зависимость параметра п для бинарных смесей ряда ВВ с СКТН от дд Б.
Зависимость Я, чистых ВВ и параметра п их
к0
смесей с СКТН от Sг аппроксимируются следующими уравнениями:
Я, = aS ;ь (5)
Л0 ^
п = 3,84 + 1,39 1д Sг , (6)
где а - критический диаметр чистого ВВ при = 1 м2/г; Ь - коэффициент.
Влияние свойств инертных органических добавок на критический диаметр детонации ВК
Влияние свойств инертных органических добавок на критический диаметр детонации ВК было показано на бинарных смесях гексогена фракции 90-160 мкм, высеянной из одной партии штатного продукта, с СКТН, полиди-винилизопреном, глицерином, тетрабромэтаном, дибу-тилфталатом, дибромбензолом, этиленом бромистым и др. Были исследованы концентрационные зависимости dк при пористости композиций 0,5-1 % (рисунок 7).
Из рисунка 7 видно, что степень изменения критического диаметра ВК с увеличением объемной доли инертной добавки различна для разных органических веществ.
Добавка
СКТН
Полидивинилизопрен Глицерин Тетрабромэтан Дибутилфталат Дибромбензол Бромистый этилен
Рд , Г/ СМ3
0,98 0,92 1,26 2,96 1,05 1,96 2,18
С, м/ с
1010* 1479* 1910 1005 1366* 1120* 1058*
^эксп.
2,09
1.87 1,49 1,53 1,95
1.88 1,60
Примечание: * скорость звука определялась экспериментально
Полученная зависимость (рисунок 8) описывается линейным уравнением:
п = А1 -310- 4 рС , (7)
Было показано, что вид ВВ слабо влияет на коэффициент А1.
Рисунок 8. Зависимость параметра п для смесей гексогена фракции 90-160 мкм с органическими добавками от характеристик добавки
Таким образом, полученные результаты подтверждают теоретические представления о том, что в гетерогенных системах на основе бризантных ВВ с малым временем разложения (гексоген, ТЭН и др.) органические добавки (жидкости, полимерное связующее, воск и т.д.), имеющие толщину прослойки между частицами ВВ порядка нескольких микрон, успевают сжиматься и разгоняться в зоне химической реакции детонационной волны [4]. Параметр п определяется акустической жесткостью инертной органической добавки, связанной с ее ударной сжимаемостью, и величиной удельной поверхности ВВ:
...... (8)
либо
n = 2,95 + 1,2 lgSad - 0,3рС n = 4,14 +1,39 lgSa - 0,3рдС0
(9)
Рисунок 7. Зависимость с/, бинарных смесей гексогена фракции 90 -160 мкм с органическими добавками от объемной доли добавок (1 -Vв): 1 - полидивинилизопрен, 2 - полисилоксан, 3 - дибутилфталат, 4 - глицерин, 5 - дибромбензол, 6 - тетрабромэтан, 7 - бромистый
В таблице 1 приведены экспериментальные значения параметра п для исследованных ВК, а также плотность рд и объемная скорость звука С0 выбранных органических добавок. Параметр п, определяемый углами наклона прямых, соответствующих логарифмической зависимости критического диаметра ВК от объемной доли ВВ (2), находится в корреляционном соотношении с акустической жесткостью добавок, связанной с их сжимаемостью в ударной волне.
Таблица 1. Свойства органических жидкостей и параметр п _для их смесей с гексогеном фракции 90-160 мкм
где с0 рд - скорость звука в инертной органической добавке, км/с и ее плотность, г/см3.
Влияние свойств инертных неорганических добавок на критический диаметр детонации ВК
Проводились исследования влияния физических свойств неорганических добавок на критические диаметры детонации взрывчатых композиций с различными видами, дисперсностью и концентрацией добавок (металлы, оксиды, соли). В базовые беспористые пластичные взрывчатые композиции (ВК): ТЭН (0,44 м2/г или 0,53 м2/г) / полидиметилсилоксановый каучук (СКТ) 70 / 30 % мас. и гексоген (0,10 м2/г) / СКТ 80 / 20 % мас. вводили W, Fe, Ni, Cu, Ag, Fe2Ü3, NiO, РЮ2, WO3, BaSÜ4, PbCO3, NaCl, KBr, KCl. Содержание неорганических добавок в смесях варьировалось от 1 до 60 % мас., их плотность составляла 1,98 -19,17 г/см3, среднемассовый размер частиц 1-500 мкм.
Основные результаты экспериментов приведены на рисунках 9 и 10.
Результаты исследований показали, что зависимость критического диаметра детонации ВВ от степени их разбавления инертными веществами, как органическими, так и неорганическими, является единой. Для неорганических инертных компонентов определяющими характеристиками являются: плотность, связанная с затратами энергии на разгон частиц в детонационной волне, и дисперсность, связанная, по-видимому, с характером диссипации энергии волны разрежения и скоростью звука в расширяющихся продуктах взрыва. Критический диаметр детонации ВК тем меньше, чем меньше размер частиц добавок и ниже их плотность.
содержание добавок, % масс.
Рисунок 9. Зависимость с!к ВКна основе ТЭНа (0,44 г^/г) от суммарного содержания инертных добавок в ВК: 1 - СКТ; 2 - СКТ+ИаС/ (0,485мм); 3 - СКТ+ИаС/ (0,220 мм); 4 - СКТ+Си (0,015мм); 5 - СКТ + Ш (0,007мм)
ВВ сСк (мм) при различных размерах кристаллов ВВ
3 мкм 10 мкм 20 мкм
Тетрил 0,80 1,30 1,75
РОХ-7 0,55 1,05 1,60
С1.-20 0,45 0,75 1,05
Октоген 0,40 0,75 1,20
Гексоген 0,25 0,60 0,85
ТЭН 0,08 0,20 0,40
РЫТР 0,07 0,15 0,25
Бензотрифуроксан 0,06 0,15 0,30
Дисперсность ВВ. Эффективным способом регулирования детонационной способности взрывчатого материала является изменение дисперсности ВВ. Зависимость критического диаметра детонации индивидуального
ВВ (Я, , мм) от удельной поверхности ВВ , м2/г) выра-
к0
жается формулой (5). На рисунке 11 в качестве примера приведена такая зависимость, обобщенная для монодисперсного и полидисперсного октогена.
Рисунок 11. Обобщенная зависимость критических диаметров детонации октогена от его удельной поверхности
Концентрация ВВ во взрывчатом материале. Детонационная способность взрывчатого материала регулируется также концентрацией ВВ в нем. Для эластичных ВВ оптимальная концентрация ВВ - 82-88 % мас. Зависимость критического диаметра детонации взрывчатых композиций с инертными добавками (Як) от объемной доли ВВ (Увв) выражается формулой (2).
На рисунке 12 в качестве примера приведена указанная зависимость для взрывчатой композиции на основе высокодисперсного октогена.
Рисунок 10. Зависимость параметра п^рт от логарифма среднего размера частиц добавок: 1 - Ре (7,85г/см3); 2 - КВг (2,75г/см3); 3 - ИаС/ (2,16 г/см3)
Основные способы регулирования детонационной способности ВК
Вид ВВ. Главным фактором, определяющим детонационную способность взрывчатых композиций, является вид ВВ - основы ВК. В таблице 2 приведены критические диаметры детонации высокодисперсных индивидуальных ВВ различного химического строения при малой пористости зарядов 0,1-2%.
Из таблицы видно, что из индивидуальных ВВ малым Як обладают энергонасыщенные ВВ, имеющие высокие положительные энтальпии образования, либо небольшие энергии активации термораспада, такие как полиазотистые гетероароматические соединения и нитраты спиртов.
Таблица 2. Критические диаметры детонации ряда высокодисперсных индивидуальных ВВ
Рисунок 12. Зависимость Як ВК на основе октогена (S = 0,89 м/г) от объемной доли ВВ
Пористость заряда. Детонационную способность взрывчатого материала можно также регулировать пористостью заряда. Пористость заряда (П) рассчитывается по формуле:
П = 1 ~Ро' Ртах , где р0 - реальная плотность заряда, г/см3; ртах - максимальная плотность состава, г/см3.
Зависимость критического диаметра детонации ВК и кристаллических ВВ от пористости заряда описывается уравнением:
1,14 (1 )
Як пор = Як 10
(10)
где Як пор - критический диаметр детонации ВК при плотности р0; Як - критический диаметр детонации ВК при плотности Ртах.
На рисунке 13 в качестве примера приведена данная зависимость для индивидуального ВВ и взрывчатых составов, содержащих ВВ и полисилоксановый каучук СКТ.
dkc = dkeЬv2 , ь = 1п^ d,
dí) = dk0)eЬV22, Ь = 1п
¿о
Рисунок 14. Зависимость композиции ТЭН (£ = 0,53 м/г)/СКТ/Ре2р3 (2,4 мкм) от содержания ер3
Бинарные смеси высокодисперсных ВВ.
Эффективным способом регулирования детонационной способности является использование в составе взрывчатых материалов бинарных смесей кристаллических ВВ, одно из которых имеет высокие энергетические характеристики, а второе - малый критический диаметр детонации. При этом могут применяться как бинарные смеси грубодисперсного ВВ с высокодисперсным, так и смеси двух высокодисперсных ВВ.
При использовании бинарных смесей грубодис-персного ВВ с высокодисперсным зависимости критических диаметров детонации этих смесей и взрывчатых композиций на их основе от соотношения ВВ в смесях имеют Б-образный вид. Пример такой зависимости приведен на рисунке 15 (ВК - взрывчатые композиции (% мас.): бинарная смесь ВВ / полисилоксановый каучук СКТ).
Данные зависимости аппроксимируются функцией Лапласа и могут быть выражены следующими уравнениями:
(11)
(12)
Рисунок 13. Зависимость d от пористости заряда: 1 - гексоген
к пор
(160-200 мкм) / СКТ 85/15; 2 - тетрил (250-315мкм) / СКТ 90/10; 3 -тетрил (250-315мкм)
Тяжелые высокодисперсные инертные неорганические добавки. Детонационную способность взрывчатого материала можно повысить путем введения в него небольшого количества (2-3 % мас.) тяжелых высокодисперсных неорганических добавок с плотностью (рнд ) более 4 г/см3 и размером частиц (г) менее 5 мкм. При этом проявляется эффект сенсибилизации взрывчатой композиции и её критический диаметр детонации уменьшается.
На рисунке 14 в качестве примера приведена зависимость критического диаметра детонации взрывчатой композиции: высокодисперсный ТЭН (£ = 0,53 м2/г) / СКТ / ре2р3 (2,4 мкм, рнд = 5,24 г/см3) от содержания 1^03 % мас.
расчет без учета сенсибилизации
где d - критический диаметр детонации ВК на основе ВВ
с меньшей детонационной способностью; d - критиче-
к2
ский диаметр детонации ВК на основе ВВ с большей детонационной способностью; d - критический диаметр де-
кс
тонации ВК на основе бинарной смеси ВВ; V2 - объемная доля ВВ с большей детонационной способностью в бинарной смеси ВВ; d(1) - критический диаметр детонации чи-
к0
стого ВВ с меньшей детонационной способностью; d(2) -
к0
критический диаметр детонации чистого ВВ с большей
детонационной способностью; d(c> - критический диа-
к0
метр детонации чистой бинарной смеси ВВ.
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
объемная доля ТЭНа
Рисунок 15. Зависимость / смесей октогена (100 мкм, £ = 0,04 мг2/г) с ТЭНом (4 мкм, £ = 0,75м/г) и ВК на основе этих смесей от объемной доли ТЭНа в смесях: 1 - бинарные смеси ВВ, 2 - ВК 85/15, 3 - ВК 80/20, 4 - ВК 75/25, 5 - ВК 70/30
При использовании бинарных смесей двух высокодисперсных (микронных) ВВ зависимости критических диаметров детонации этих смесей и взрывчатых композиций на их основе от соотношения ВВ в смесях являются не аддитивными и свидетельствуют о преимущественном влиянии кинетики разложения компонента с большей детонационной способностью в зоне химической реакции детонационной волны. Пример такой зависимости представлен на рисунке 16.
5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 О
м.
к4_ >>ч<
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
ко
где д - безразмерный коэффициент.
Для определения значений показателя степени д уравнения (13), (14) были преобразованы в линейный вид:
|д( Я, - Я,) = 1д( Я, - Я,) + д№ ,
,1
|д( я« -я,с) ) к0 к0
|д( я« - як2)) + фдУ2. к0 к0
чения коэффициента д по полученным результатам составляют:
• для бинарных смесей октогена = 0,97 м2/г) с ТЭНом (Sе = 0,77 м2/г) и составов на основе этих смесей -0,50; 2
• для бинарных смесей РОХ-7 (5г = 0,80 м2/) с ТЭНом = 0,77 м2/г) и составов на основе этих смесей -0,38; 2
• для бинарных смесей РОХ-7 = 0,65 м2/г) с й1\1ТР (5е = 0,59 м2/г) и составов на основе этих смесей -0,36.
Указанные значения коэффициента д для различных пар ВВ должны определяться соотношением критических диаметров детонации индивидуальных ВВ в этих парах. На рисунке 18 представлена зависимость величины
д от соотношения я(1) / Я(2).
к0 к0
Полученная зависимость аппроксимируется урав-
объемная доля ТЭНа Рисунок 16. Зависимость сСк ВК на основе смесей октогена (3 мкм, S = 0,97 м/г) с ТЭНом (4 мкм, S = 0,77 м?/г) от объемной доли ТЭНа в смесях: 1 - ВК 85/15, 2 - ВК 80/20, 3 - ВК 75/25, 4 - ВК 70/30
Все полученные зависимости для бинарных микронных смесей ВВ и ВК на их основе с удовлетворительной точностью (средняя относительная погрешность 10 %) описываются уравнениями:
Як = як1(1 - уд) + якуд (13) я(с) = я«(1 - ^2д) + я'^д (14)
нением:
Я °)
д = 0,69 - 0,046—,27
Як
к0
(15)
Формулы (13 - 15) хорошо описывают эксперимент при соотношении Я(1) / Я(2) от 3,0 до 8,0.
к0 к0
По полученным экспериментальным данным для всех бинарных смесей ВВ различного химического строения и ВК на их основе были построены графики, соответствующие этим линейным уравнениям. На рисунке 17 в качестве примера приведены графики для смеси РОХ-7 ( Sг = 0,80 м2/г)/ТЭН (Sг = 0,77 м2/г) и ВК на основе этой
смеси.
Рисунок 17. Зависимость /д(Я, -Я, ) от 1дУ2: нижняя прямая - чи-
к кс 2
стые смеси РООХ-7/ТЭН; над ней - снизу вверх: ВК 77,5/22,5; ВК75/25; ВК 72,5/27,5; ВК 70/30
Для каждой пары различных ВВ и ВК на их основе построенные линии практически параллельны, что свидетельствует о близости значений коэффициента д для смесей ВВ и составов на основе конкретной пары ВВ. Зна-
Рисунок 18. Зависимость коэффициента д от соотношения Я(1)/Я(2)
к0 к0
Практическое значение полученных результатов состоит в возможности тонкого регулирования критических диаметров детонации взрывчатых материалов, используемых в системах разделения космических аппаратов, современных системах инициирования, детонационных разводках и устройствах взрывной логики, путем целенаправленной научно обоснованной компоновки взрывчатых составов. Результаты исследований открывают новые пути создания перспективных высокоэнергетических материалов для современной техники.
Метод расчета критических диаметров детонации взрывчатых композиций
На основе результатов выполненных исследований разработан метод расчета критических диаметров детонации взрывчатых материалов, включая эластичные ВВ. Ниже приведена система уравнений, последовательно используемых в расчете.
а) Критический диаметр детонации ВК с инертными компонентами Як рассчитывается при максимальной плотности заряда (ртах) по формуле:
як =
Як
_ко
V"
где Я - критический диаметр чистого ВВ при реальной
к0
дисперсности и дефектности кристаллов и малой пористости ВВ, равно 0,1 - 2 %, мм;
¥вв - объемная доля ВВ в композиции; п - параметр, определяемый дисперсностью ВВ и физическими свойствами добавок.
б) Критический диаметр детонации индивидуального ВВ ^ (мм) определяется с учетом адсорбционной
к0
удельной поверхности ВВ Бад (м2/г) по формуле:
— = — + 0,91£ад'
^к0 ^мк
где dмк - критический диаметр детонации монокристалла ВВ.
в) При отсутствии значения Бад критический диаметр детонации ВВ d может быть рассчитан прибли-
к0
женно, без учета дефектности кристаллов, с использованием удельной поверхности, определяемой по газопроницаемости ВВ (Бг, м2/г), например на приборе ПСХ-12, по формуле:
dk = аБ ~ ,
к0 г
где а - критический диаметр детонации ВВ при Бг = 1 м2/г, мм, Ь - коэффициент: для бензотрифуроксана а = 0,06 мм, Ь = 1,23; ТЭНа а = 0,08 мм, Ь = 0,93; гексогена а = 0,26 мм, Ь = 0,78; октогена а = 0,38 мм, Ь = 0,64; тетрила а = 0,79 мм, Ь = 0,44; С1.-20 а = 0,43 мм, Ь = 0,51; й1ЧТР а = 0,07 мм, Ь = 0,66; РОХ-7 а = 0,55 мм, Ь = 0,60. Полученные выражения действительны для Б в интервале от 0,01 до 1 м2/г.
г) Для органических инертных компонентов (добавок, связующих) определяющей характеристикой является их акустическая жесткость, связанная с ударной сжимаемостью. Параметр п для ВК с этими добавками рассчитывается по формулам:
либо
n = 2,95 + 1,2 lgSaa - 0,3pdCa n = 4,14 + 1,39 lg S г - 0,3рдС0
,1ор г
n
4,14 + 1,39 lg S -0,3родСо , неорг = g + 0,114рЯд + 0,897 lg r
A =■
в
В =■
Y
g =
4,517- m
0,004 + /
где т - коэффициент: для металлов, оксидов т для солей т = 0,225.
(20) 0,196,
ж) Критический диаметр детонации взрывчатой композиции при ее максимальной плотности d ,
к ртах)
рассчитанный по указанным формулам, приводится к реальной плотности заряда dk (р0) по формуле:
где С0 , рд - скорость звука в органической добавке, км/с и ее плотность, г/см3.
д) Для неорганических добавок определяющими характеристиками являются плотность и дисперсность, что связано с характером ускорения частиц продуктами взрыва и изменением скоростей волн разрежения при расширении продуктов. При этом параметр п сложных взрывчатых композиций (ВК), содержащих как органические, так и неорганические добавки, рассчитывается по формулам:
п = А(п0рг) + Б(пне0рг), (16)
. . _ - - _ (17)
(18)
, (19)
в + 7 в + У
где род - плотность органической добавки, г/см3; рнд -плотность неорганической добавки, г/см3; г - средний размер частиц неорганической добавки, мм; в, у - массовые доли органической и неорганической добавки в ВК, соответственно; g - коэффициент: для металлов и оксидов g = 3,46, для солей g = 3,32.
е) Для высокодисперсных тяжелых неор3ганиче-ских добавок с г менее 5 мкм и рнд более 4 г/см3 при их содержании до 20 % мас. (при этом проявляется эффект сенсибилизации ВК):
dkР = d, р , -10 Pmax k р0 ) k (Pmax )
Для пористого заряда индивидуального ВВ в данной формуле вместо d следует подставить d ,
k (Pmax ) k0
рассчитанный по пункту в).
з) Критические диаметры детонации чистых бинарных смесей ВВ различной дисперсности и взрывчатых композиций на основе этих смесей рассчитываются по формулам (11-15).
Разработанный метод расчета дает среднюю относительную погрешность для критических диаметров детонации композиций с органическими добавками 710 %, для сложных систем, включающих органические и неорганические добавки - 15-20 %. При этом суммарное содержание добавок - до 50 % мас., дисперсность неорганических добавок - от 1 до 500 мкм.
Заключение
Выявлена и описана математически зависимость критических диаметров детонации индивидуальных ВВ от их удельной поверхности. При этом показана роль дефектности кристаллов ВВ. Для бинарных смесей, содержащих высокодисперсные (микронные) ВВ, установлено, что зависимость их критических диаметров детонации от соотношения ВВ является не аддитивной и свидетельствует о преимущественном влиянии кинетики разложения компонента с большей детонационной способностью в зоне химической реакции детонационной волны. Предложены уравнения для расчета критических диаметров детонации таких смесей и составов на их основе.
Изучена детонационная способность взрывчатых композиций на основе ряда ВВ (ТЭН, гексоген, октоген, тротил, тетрил, бензотрифуроксан, CL-20, DNTF, FOX-7) с различными видами инертных добавок. Установлено, что зависимость критических диаметров детонации взрывчатых веществ от степени их разбавления инертными веществами, как органическими, так и неорганическими, имеет единый вид. Для органических инертных компонентов (связующих) определяющей физической характеристикой является их акустическая жесткость, связанная с ударной сжимаемостью. Для неорганических веществ (металлов, оксидов и солей) - плотность и размер частиц, что связано с характером ускорения частиц продуктами взрыва и изменением скоростей волн разрежения при расширении продуктов.
Получена система уравнений, описывающих зависимость критических диаметров детонации гетерогенных полидисперсных композиций, которые содержат кристаллические ВВ и инертные органические и неорганические вещества различных классов, от физических свойств компонентов, их дисперсности и соотношения. Разработан метод расчета и прогнозирования критических диаметров детонации сложных реальных взрывчатых композиций.
Литература
1. Котомин А.А., Душенок С.А., Козлов А. С., [и др.]. Современные и перспективные высокоэнергетические материалы в системах детонационной автоматики аэрокосмических аппаратов // Общероссийский научн.-техн. журнал "Полет". 2005. № 8. С. 51-60.
2. Efanov V.V., Gorovtsov V.V., Podobedov Ya.G, [et a/.]. New generation of detonation devices for spacecrfat structure separation (design foundations) // Russian-American
1,14(1—
scientific Journal "Actual problems of aviation and aerospace systems: processes, models, experiment". 2007. Vol. 12. No. 3(25). P. 25-30.
3. Васильева И. В., Душенок С.А., Котомин А.А. Расчет критического диаметра детонации гомогенных и гетерогенных взрывчатых систем с инертными органическими добавками: метод. указания Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1983. 27 с.
4. Котомин А.А. Эластичные взрывчатые материалы // Рос. хим. журн.. 1997. Т. XLI. № 4. С. 89-101.
5. Котомин А.А., Душенок С.А, Ефанов В.В. Исследование детонационной способности эластичных ВВ, используемых в системах разделения космических аппаратов: сб. науч.. тр. НПО им. С.А. Лавочкина. Вып. 4. М.: Российская академия космонавтики им. К.Э. Циолковского, 2002. С. 122-132.
6. Котомин А.А., Душенок С.А., Козлов А.С. Критические диаметры детонации гетерогенных взрывчатых систем // Матер. Междунар. конф. Ударные волны в конденсированных средах. 18-23 июля 2004 г. Санкт-Петербург: СПбГТИ(ТУ), 2004. С. 97-100.
7. Козлов А. С., Котомин А.А., Душенок С.А. Критические диаметры детонации взрывчатых веществ с органическими и неорганическими инертными добавками // Матер. Междунар. конф. Современные проблемы технической химии. 22-24 декабря 2004 г. Казань: КНИТУ, 2004. С. 393-395.
8. Котомин А.А., Душенок С.А., Козлов А.С.. Детонационная способность гетерогенных взрывчатых систем: сб. научн. статей. Импульсная обработка материалов / Национальный горный ун-т Украины. Днепропетровск: НГУ Украины, 2005. С. 98-110.
9. Котомин А.А., Душенок С.А., Козлов А.С. Детонационная способность взрывчатых композиций с органическими и неорганическими инертными добавками // Все-рос. научн.-техн. конф. Успехи в специальной химии и химической технологии. 8-10 июня 2005 г., Москва. Сб. трудов Ч. 2. Москва: РХТУ, С. 163-167.
10. Котомин А.А., Козлов А.С, Душенок С.А. Исследование детонационной способности энергоемких гетероциклических соединений // Матер. Междунар. конф. Ударные волны в конденсированных средах. 3-8 сентября 2006 г. Санкт-Петербург СПбГТИ(ТУ), С. 92-96.
11. Козлов А.С., Котомин А.А., Душенок С.А., [и др.]. // Критические диаметры детонации взрывчатых веществ с высокодисперсными неорганическими добавками. // Вестник Днепропетровского университета, Украина. 2006. № 9/2. С. 55-61.
12. Котомин А.А., Козлов А.С, Душенок С.А. Исследование детонационной способности энергоемких гетероциклических соединений // Хим. физика. 2007. Т. 26. №12. С. 5-7.
13. Котомин А.А., Козлов А.С, Душенок С.А., [и др.]. Детонационная способность взрывчатых композиций с тяжелыми высокодисперсными металлами, оксидами и солями // сб. научн. статей. Физика и техника высокоэнергетической обработки материалов / Национальный горный ун-т Украины. Днепропетровск: НГУ Украины, 2007. С. 19-30.
14. Котомин А.А., Душенок С.А., Козлов А.С. Детонационная способность взрывчатых веществ с инертными добавками // Матер. Всерос. конференции Ударные волны в конденсированных средах. 23-26 ноября 2008г. Санкт-Петербург: СПбГТИ(ТУ), 2008. С. 65-72.
15. Котомин А.А., Душенок С.А., Козлов А.С. Критические диаметры детонации взрывчатых композиций с органическими и неорганическими инертными компонентами. // Труды Международной конференции "XI Харито-новские тематические научные чтения" Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. 16-20 марта 2009 г. Саров. 2009. С. 11-16.
16. Котомин А.А., Душенок С.А., Ефанов В.В., [и др.]. Критические диаметры детонации взрывчатых материалов, используемых в системах разделения космических аппаратов // Науч.-техн. журн. "Вестник ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина". 2010. № 1. С. 24-31.
17. Козлов А.С., Котомин А.А., Душенок С.А., [и др.]. Исследование критических диаметров и скоростей детонации 1,1-динитро-2,2-диамино-этилена (Fox-7) // Матер. Междунар. конф. Ударные волны в конденсированных средах. 5-10 сентября 2010 г. Санкт-Петербург -Новгород. Санкт-Петербург: СПбГТИ(ТУ), 2010. С. 46-49.
18. Котомин А.А., Душенок С.А., Козлов А.С., [и др.]. Детонационная способность и скорости детонации Fox-7. // Труды Международной конференции "XIII Хари-тоновские тематические научные чтения" Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. 14-18 марта 2011г. Саров. 2011. С. 43-47.
19. Котомин А.А., Козлов А.С., Душенок С.А., [и др.]. Детонационная способность бинарных смесей взрывчатых веществ // Матер. Междунар. конф. Ударные волны в конденсированных средах. 16-21 сентября 2012 г. Киев, Украина 2012. С. 354-360.
20. A. A. Kotomin, S. A. Dushenok, A. S. Kozlov, [et aI.]. Regulation of Detonation Ability Explosive Materials, Used in Spacecraft Separation Systems // Solar System Research. 2012. Vol. 46. No 7. P. 511-518.
21. Котомин А.А., Душенок С.А., Ефанов В.В., [и др.]. Регулирование параметров эффективности высокоэнергетических материалов, применяемых в системах детонационной автоматики космических аппаратов // Об-щерос. научн.- техн. журн. "Полет". 2013. № 2. С. 11-23.
22. Котомин А.А., Душенок С.А., Козлов А. С., Трапезников М.А. Критические диаметры детонации микронных взрывчатых веществ и их смесей. // Труды Междунар. конф. "XV Харитоновские тематические научные чтения" Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. 18-22 марта 2013 г. Саров., 2013. С. 2124.
