CC BY
190
УДК 662
В. Ф. Комаров, Г. В. Сакович, М. В. Казутин,
Н. И. Попок
МЕТАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ОКТОГЕНА В КОМПОЗИЦИЯХ
На примере октогена рассматривается пример реализации потенциальных возможностей взрывчатого вещества.
Метательная способность взрывчатого вещества (ВВ) является одной из конечных целей его создания. Решая эту задачу, мировое сообщество прошло путь по созданию производств от тротила к гексогену и октогену, а на сегодня - нового мощного ВВ - СЬ-20 [1,2]. Это сложный и дорогостоящий процесс. В то же время созданные на базе существующих ВВ композиционные взрывчатые вещества (КВВ) не реализуют потенциальную энергетическую способность их базы (октогена, гексогена). В данном сообщении на примере октогена рассматривается пример реализации потенциальных возможностей ВВ.
Любое КВВ является полидисперсной гетерогенной системой, в которой разноразмерные кристаллы базового ВВ (гексогена, октогена) разделены прослойками легкоплавких жидковязких веществ или просто воздухом. Картина развития детонации в заряде такого КВВ и в индивидуальном ВВ будет различаться. Нами эти различия сформулированы [3, 4] следующим образом.
В отличие от развития детонации в монокристалле ВВ, распространяющейся в форме гладкой волны, в гетерогенном полидисперсном КВВ распространение будет многовекторным, от кристалла к кристаллу базового ВВ через прослойки добавки и возможные воздушные включения. Очевидно, что скорость распространения будет хаотичной, возрастая в зависимости от размера кристалла ВВ до определенного уровня (в пределе до скорости в монокристалле), затухая при прохождении через прослойку добавки и повторяясь при выходе на очередной кристалл ВВ. Вектор распространения на каждый текущий момент времени будет определяться размером кристалла ВВ, толщиной прослойки между наиболее близко лежащим кристаллом ВВ и ее способностью передать распространяющуюся волну. В таком случае характеристикой КВВ, определяющей скорость его детонации йквв, должна быть объемная доля базового ВВ фвв, скорость детонации монокристалла базового ВВ йо и физико-химические свойства прослойки. Такие представления, на наш взгляд, позволяют создать алгоритм выбора компонентов для получения КВВ с максимальной скоростью детонации, а вытекающие из нее следствия, что йквв будет всегда ниже йо и будет зависеть от размера частиц базового ВВ, не противоречат известным на сегодня экспериментальным фактам и будут подтверждены ниже проводимыми экспериментами.
Скорость метания ш в упрощенном виде [3] может быть выражена через нормирующие коэффициенты произведением плотности р на скорость детонации йквв
ш = а + Ь-р-й. (1)
Согласованность (1) с физикой процесса подтверждается однотипностью зависимости таких параметров, как давление в точке Чепмена-Жуге Рч-ж и работа взрыва А
(ш,Рч-ж, А) = а + Ь-р-й
с различающимся коэффициентами «а» и «Ь». В качестве одного из примеров на рис. 1 представлены данные [5] по величине Рч-ж для различных ВВ, сопоставленные с данными
[6] по скорости метания КВВ на основе гексогена и октогена с добавками органических веществ, в том числе с дополнительным введением в состав 20% металла (индекс 1 и 3 относится к октогену с добавкой алюминия и вольфрама, а индекс 2 - к гексогену с алюминием). Следовательно, путь достижения максимальных значений ш лежит через увеличение р и Р композиции.
Рч-ж; ГПа
Рис. 1 - Связь величины Рч-ж (1) и ш (2) с произведением р-й для индивидуальных и композиционных взрывчатых веществ
Введение в состав КВВ металла повышает его плотность, но ведет к снижению скорости детонации [7]. Последнее связано с незавершенностью процесса окисления металла в зоне химических реакций, и, как следствие, лишь частичным отбором энергии метаемым телом [8, 9]. Но поскольку такой частичный отбор энергии все-таки реализуется в эксперименте, увеличение окислительного потенциала КВВ через соответствующий подбор добавки должен способствовать повышению общего эффекта.
Экспериментальная часть
Из изложенного выше подхода следует, что для одного и того же базового ВВ при фвв=СОПв1 Рквв должна быть тем выше, чем выше скорость детонации добавки Рд. В качестве таковой для индивидуальных веществ должна выступать скорость детонации монокристалла Б0, которую определили экспериментально путем построения зависимости Р= а + Ь фвв с экстраполяцией на величину ф=1. Для тротила она оказалась равной 7090 м/с, гексогена 8800 м/с, октогена 9160 м/с, СЬ-20 9625 м/с, динитродиазапентана (ДНП) 7400 м/с, диэтанолнитроамиздинитрата (ДИНА) 7850 м/с и метилнитротриазола (МНТ) ~6900 м/с. Жидковязкие добавки были изготовлены пластификацией полимера нитроэфирами (ПН) с определением скорости их детонации Рд. В качестве инертных добавок были использованы дифениламин (ДФА) и полимер с инертным пластификатором (ПМ). Данные представ-
лены в табл. 1 и на рис. 2.
При этом величины йквв с инертными добавками лежат вблизи линии аппроксимации составов на основе октогена й = 4890 + 4270 ф, а составы с добавками, способными к детонационному превращению, дают отчетливую на рис.2 связь между йКВВ и йд.
Мы провели реакцию системы на изменение размера частиц октогена. В составе с индексом ПН-2 крупные частицы октогена с размером 270^700 мкм были заменены на частицы размером порядка 100 мкм с сохранением объемной доли ф наполнения состава октогеном. При испытаниях такого состава было получено значение йквв=8050 м/с, т.е. на 515 м/с ниже. Таким образом, изложенная выше схема формирования максимального значения йКВВ оправдалась.
Таблица 1 - Влияние добавок на скорость детонации КВВ на базе октогена
Добавка йд, м/с Содержание октогена в КВВ, % мас. фВВ Рквв, м/с
ДФА не детонирует 90,0 0,743 7965
то же 85,0 0,740 8100
то же 76,0 0,642 7650
тротил 7090 73,0 0,642 8200
ДНП 7400 75,0 0,644 8425
ДИНА 7850 73,0 0,636 8850
МНТ 6900 75,4 0,627 8140
ПМ не детонирует 79,9 0,624 7450
ПН-1 7600 69,8 0,645 8800
ПН-2 7200 70,8 0,648 8565
ПН-3 5200 73,2 0,646 7860
ПН-4 6500 72,0 0,645 8200
Для проверки пригодности уравнения (1) к описанию метательной способности КВВ и получения численных значений нормирующих коэффициентов проводилось измерение скорости полета стальной пластины диаметром 30 мм и толщиной 2,5 мм, наклеенной на торец заряда диаметром 32 мм и длиной 50 мм. Величина ш определялась по времени прохождения двух рамочных контактных мишеней с базой 500 мм.
В качестве объектов исследования взяты прессованные смеси октогена и гексанит-рогексаазаизовюрцитана (СЬ-20) с органической добавкой (индексы НМХ и СЬ) и литые заряды на основе октогена (индекс СНМХ) с металлом и без него. В качестве технологической добавки в литых зарядах использовался пластифицированный поливинилтетразоль-ный полимер общей формулы C2i.i282H38.6544Nl6.62i8O29.6520, имевший собственную скорость детонации 7200 м/с. Составы КВВ, их характеристики и результаты определения ш представлены в табл. 2 и на рис. 3.
Рквв, м/с
Рис. 2 - Зависимость йквв от скорости детонации йд плавкой (•) и жидковязкой (о)
Таблица 2 - Состав композиций взрывчатых веществ и их характеристики
Индекс Содержание компонентов, % мас. Р; кг/м3 й, м/с ю, м/с
Взрывчатое вещество Органическое вещество Алюминий
НМХ-1 98,0 2,0 0,0 1700 8600 2080
НМХ-2 98,0 2,0 0,0 1730 8660 2150
НМХ-3 98,0 2,0 0,0 1790 8700 2250
НМХ-4 98,0 2,0 0,0 1840 8840 2350
СЬ 98,0 2,0 0,0 1960 9200 2600
СНМХ-1 78,0 22,0 0,0 1770 8640 2180
СНМХ-2 70,0 20,0 10,0 1835 8700 2600
ю , м/с
2600 О X
2400 у/
•/
2200 X
/ (рй)10-6
2000 1111
14 15 16 17 18
Рис. 3 - Связь скорости метания ю с произведением р*й композиций взрывчатых веществ
Обсуждение результатов
Результаты эксперимента в табл. 2 (за исключением данных по составу СНМХ-2) описываются уравнением (1), а его численное значение
и = 150,43-(р-й-10-6) - 100, м/с (2)
может использоваться для оценки максимальных величин и для различных ВВ и, в частности, для октогена. Так, подставив в уравнение (2) скорость детонации монокристалла октогена 9160 м/с и плотность 1920 кг/м , получаем величину и=2540 м/с. Это предел, который при изготовлении зарядов КВВ традиционными приемами компоновки экспериментально недостижим (на рис. 3 обозначен значком А). Повышение плотности КВВ добавкой металла (рис. 1) оставляет величину и в рамках связи уравнения (1) или близкой к нему. Металл в этом случае ведет себя как инертная добавка в силу сбалансированности окисляющих агентов в молекуле октогена С^зЫвОв.
Изменение окислительного баланса КВВ за счет использования в качестве добавки в дополнение к металлу «активного» пластифицированного полимера меняет картину. Появляется вероятность за одно и то же время большей доли завершенности вторичных процессов окисления металла продуктами детонации за фронтом ударной волны. Последнее может приводить к дополнительному отбору энергии метаемым элементом, что и реализовалось на составе СНМХ-2.
Примененный прием компоновки КВВ позволил реализовать потенциальную энергетическую возможность октогена с изготовлением зарядов методом свободного литья в изложницу. Полученный состав имеет типичную для таких систем микроструктуру (рис. 4), термостоек (рис. 5) и при сшивке полимера в трехмерную структуру обладает механическими характеристиками (рис. 6) с температурой начала расстекловывания минус 63 °С.
Рис. 4 - Электронная фотография состава СНМХ-2
Б8С
шШ
30.00- Реак 277.35 С
Ошег 271.22 С
Е^ег 281.05 С
Неаг 1.62 шJ
20.00 1.12 kJ/g
Реак 202.29 С
Ошег 201.22 С
Еп&ег 203.79 С
10.00- Неаг -26.03 шJ
- 17.95 J/g /
0.00 ^
1 1 100.0 200.0 300.0 400.0 Тетр °С
Рис. 5 - Диаграмма ДСК состава СНМХ-2
Уравнение (2) позволяет провести предварительную оценку потенциальных возможностей по метательной способности новых мощных ВВ, например, СЬ-20. Молекула его О6Н6М12О12, как и октогена, сбалансирована по окисляющим агентам, но, используя аналогичные рассмотренным приемы и принимая р=2040 кг/м3 и йо=9625 м/с, можно прогнозировать создание КВВ на его основе с ш > 2900 м/с. Получаемые таким образом данные позволяют уже делать и экономический прогноз целесообразности постановки на производство того или иного нового ВВ.
Dimension
Chanse. mm ^ -63 °С
2.80 -
2.76 -
2.72 -
2.68 -
2.64 -
2.60
2.56 -
2.52 Ч 1 1 1 1 і і і і і і і ■ і і і і і і і ■ і
100 - 60 -20 0 20 60 100 Т,°С
Рис. 6 - Диаграмма термомеханического поведения состава CHMX-2
Заключение
Метательная способность взрывчатого вещества может быть повышена путем создания композиции на его основе, включающей добавку другого взрывчатого вещества и порошкообразный металл. Создано КВВ, превосходящее по метательной способности все известные составы на октогене в качестве базового ВВ и достигшее уровня прессованных зарядов на основе нового взрывчатого вещества CL-20.
Литература
1. Сысолятин С.В., Лобанова А.А., Черникова Ю.Т., Сакович Г.В. Методы синтеза и свойства гек-санитрогексаазаизовюрцитана // Успехи химии. 2005. Т. 74 (8). С. 830-838.
2. Наир У.Р., Сивабалан Р., Гор Г.М., Гиза М., Астана Ш.Н., Сингх Г. Гексанитрогексаазаизовюр-цитан (CL-20) и составы на его основе (обзор. // ФГВ. 2005. Т. 41. №2. С. 3-16.
3. Комаров В.Ф., Сакович Г.В., Казутин М.В., Женихов А.Б., Крылов А.А. Конструирование литьевых композиционных ВВ повышенной метательной способности. // «Современные проблемы технической химии». Материалы докл. межд. научно-техн. и методической конф. (22-24 декабря 2004 г.). Казань, 2004. С. 15-16.
4. Komarov V.F., Sakovich G.V., Kazutin M.V., Popok N.I., Zhenikhov A.B. Design of composite explosive (CEM) with borderline detonation rate. // Energetic Materials. Performance and Safety. 36th Inter. Annual Conf. of ICT. June 28 - Jule 1. 2005. Karlsruche 59-1-9.
5. Laurence E. Fried P. Clarc Souers. BKWC: An Empirical BKW Parameterization Based on Cylinder Test Dat. // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 1996. V. 21. Pp. 215-223.
6. Воскобойников Н.М., Котомин А.А., Воскобойникова Н.Ф. Влияние инертных добавок на скорость метания пластин смесевыми взрывчатыми веществами // ФГВ. 1982. Т. 18. №6. С. 108-111.
7. Гришкин А.М., Дубнов Л.В, Давыдов В.Ю., Левшина Ю.А., Михайлова Т.Н. Влияние добавок порошкообразного алюминия на параметры детонации мощных ВВ // ФГВ. 1993. Т. 29. №2. С. 115-117.
8. Гогуля М.Ф., Долгобородов А.Ю., Бражников М.А. Тонкая структура детонационных волн в
смесях октогена с алюминием // Химическая физика. 1998. Т. 17. №1. С. 41-44.
9. Гогуля М.Ф., Долгобородов А.Ю., Бражников М.А. и др. Структура алюминизированных ВВ и ее влияние на их детонационные параметры // 3-и Харитоновские научные чтения. Саров: ВНИ-ЦЭФ, 2002. С. 20-24.
© В. Ф. Комаров - д-р техн. наук, проф.; Г. В. Сакович - д-р техн. наук, акад.; М. В. Ка-зутин, Н. И. Попок - д-р техн наук (ин-тут проблем химико-энергетических технологий СО РАН, г. Бийск).
