CC BY
19
УДК 662.42 535.233 Корепанова Е.О., Колесов В.И.
НАГРЕВ И ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКОЙ КОМПОЗИЦИИ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ БЛИЖНЕГО ИК ДИАПАЗОНА
Корепанова Елизавета Олеговна, обучающийся 5 курса инженерного химико-технологического факультета; Колесов Василий Иванович, кандидат химических наук, доцент кафедры химической технологии органических соединений азота; Kolesov2116@mail.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д.20
Изучен процесс нагрева и воспламенения пиротехнической композиции KClO4/ K2Mg[Fe(CN)6] лазерами с непрерывной накачкой и волоконной доставкой излучения на длинах волн ближнего ИК диапазона: 0.98 мкм и 1.56 мкм с диаметром лазерного пятна 600 мкм. Исследована динамика прогрева и воспламенения данных материалов при разной мощности лазерного излучения, от 0.1 до 10 Вт. Установлено, что время задержки воспламенения зависит от состава пиротехнической композиции, от мощности и длины волны лазерного излучения. Ключевые слова: лазерный нагрев; лазерное инициирование; пиротехнические композиции; средства инициирования, воспламенение; воспламенительный состав.
HEATING AND IGNITION OF PYROTECHNIC COMPOSITION BY NAER IR LASER RADIATION
Korepanova E.O., Kolesov V.I.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The heating and ignition of pyrotechnic composition KCIO4/ K2Mg[Fe(CN)6] by CW lasers in near-IR range (0.98 ym and 1.56 ym) with fiber-optic radiation delivery has been investigated. The dynamics of heating and ignition of these materials at different laser radiation power, from 0.1 to 10 W, was investigated. It has been established that the delay time for ignition depends on the composition of the pyrotechnic composition, on the power and wavelength of the laser radiation. Keywords: laser heating; laser ignition; pyrotechnic compositions; initiating means; ignition; ignition composition.
Исследования лазерного инициирования ЭМ начались с появлением первых лазеров [1]. Интерес к данной теме не пропадает и по сегодняшний день [2-9], поскольку поиск методов инициирования ЭМ альтернативных электрическим методам, имеет большую практическую ценность. В настоящее время достигнут заметный прогресс в непрерывных волоконных и полупроводниковых лазерах с волоконной доставкой излучения [10]. Высокий уровень мощности таких лазеров при их доступности и дешевизне представляют большой практический интерес в плане создания устройств для дистанционного лазерного инициирования горения и детонации ЭМ.
В данной работе приведены результаты исследований лазерного нагрева и воспламенения пиротехнической композиции- воспламенительного состава (ВС) - КСЮУ К^^[Ре(СМ)6] в соотношении 60/40 (ПХК/МСК) непрерывными волоконными лазерами с длинами волн ближнего ИК диапазона: 0.98 мкм, 1.56мкм. ВС наносился на лавсановую пленку в виде капель суспензии в нитроцеллюлозном лаке диаметром 2-3 мм, высотой 0.8-1.2 мм и сушилась на воздухе. Суспензия с лаком НЦ-23-ВВ смешивалась из расчета 2% нитроцеллюлозы в сухом остатке.
В качестве ЭМ-объекта лазерного нагрева использовался воспламенительный состав ПХК/МСК, обладающий большой скоростью горения, меньшей чувствительностью, чем штатные ИВВ и не содержащий токсичных и тяжелых металлов (РЬ, И§).
В качестве источников лазерного излучения использовались лазеры с непрерывной накачкой и волоконной доставкой излучения: 1.
полупроводниковый лазер мощностью до 10 Вт с длиной волны 0.98 мкм (ООО "РИК"); 2. волоконный многомодовый лазер с длиной волны 1.56 мкм мощностью до 10 Вт. (ООО "ПОЛЮС")
Аналогично тому, как это было сделано в [11] применительно к ЭМ, принадлежащим к классу вторичных ВВ, была определена скорость нарастания температуры аТ/& на начальном этапе воздействия лазерного излучения при различных мощностях Р и определён коэффициент пропорциональности а между начальной скоростью роста температуры и мощностью Р: аТ/а = а*Р.
Коэффициент пропорциональности а отличается для разных ВС и длин волн (Таблица 1). Также была определена продолжительность участка линейного роста температуры (длительность, начиная с которой рост температуры отличается от линейной аппроксимации более чем на 10%.). Длительность различается слабее. ( 20- 40 мс).
Таблица 1. Эффективность лазерного нагрева
пиротехнических составов
ВС X = 0.98 мкм X = 1.56 мкм
a, К/(с Вт) *103 a, К/(с Вт) *103
ПХК/МСК 2.8 ± 0.3 0.7 ± 0.04
ПХК/МСК/nAl 13.0 ± 2 -
Добавление в состав 0,5% наноалюминия заметно увеличило коэффициент пропорциональности, то есть эффективность лазерного нагрева.
На рис.1 приведены сигналы фотоприёмника для образца ВС при X = 0.98 мкм и разных мощностях излучения. По началу изменения сигнала с фотоприёмника определялось временная задержка воспламенения образцов.
П-1-1-1-i-1-г
Рис.1. Сигнал с фотоприёмника при облучении с X = 0.98 мкм: 1 - Р = 1.25 Вт, 2 - Р = 3.7 Вт, 3 - Р = 4,9 Вт
На рис.2 приведена зависимость времени задержки воспламенения ВС от мощности лазерного излучения.
- ДРП
1.56 мим Л= 0.SB мкм Л- 0.9В мкм .; -гл||
_I_I_I I t I п|_|_|_I I I I I I I_|_|......«1Г Вт
0-1 1 ю юа
Рис.2. Зависимость задержки воспламенения ВС от мощности лазерного излучения Зависимости времени задержки воспламенения ВС от мощности была аппроксимирована степенной зависимостью и описывается следующими уравнениями (t в мс, P в Вт): t = 1533*P-1'9 - X = 1.56 мкм; t = 88.9*P-16 - X = 0.98 мкм; t = 18*P-16- X = 0.98 мкм с добавкой nAl Приведенная в [12] зависимость задержки воспламенения дымного пороха лазером с X = 1.56 мкм имеет аналогичный вид: t = 20.15*P-144.
Видно, что ранее полученная авторами зависимость для дымного ружейного пороха (ДРП) [12] практически совпадает с полученной для ВС.
Для ВС с X= 0.98 мкм и добавкой nAl получены существенно меньшие значения задержек воспламенения при тех же мощностях облучения. Применение добавки, увеличивающих коэффициент поглощения излучения, позволило сократить время задержки воспламенения или уменьшить потребную мощность излучения.
На основании полученных результатов можно предположить, что достигнутые времена задержек воспламенения 1-10 мс при умеренных мощностях
непрерывного лазерного излучения (1-10 Вт) уже представляют практический интерес с точки зрения создания дистанционных лазерных средств инициирования с данным ВС. В этом диапазоне находятся времена срабатывания промышленных детонаторов мгновенного и короткозамедленного типов [13], [14], а практика эксплуатации оптоволоконных линий связи демонстрирует возможность передачи лазерного излучения на многокилометровые расстояния с очень малыми потерями мощности.
Список литературы
1. Бриш А.А., Галеев И.А., Сбитнев Е.А. и др. "О механизме инициирования конденсированных ВВ излучением ОКГ" // ФГВ. - 1969. - Т.5. №4. - С. 475-480.
2. D. W. Ewick, T. M. Beckman, J. A. Holy, and R. Thorpe, "Ignition of HMX Using Low Energy Laser Diodes," Proceedings of the Fourteenth Svmuosium on Explosives and Pyrotechnics, Franklin Applied Physics, Inc., Oaks, PA, p.2-1, 1990.
3. В. П. Ципилев, Е. Ю. Морозова, А. С. Скрипин, "Лазерное инициирование порошков тэна в условиях объемного сжатия", Известия Томского политехнического университета. Энергетика. т. 317, № 4., с. 149 - 155, 2010.
4. С.И. Герасимов, М.А. Илюшин, В.А. Кузьмин, "Возможность инициирования полимерсодержащего энергонасыщенного состава комплексного перхлората ртути лучом лазерного диода", Письма в ЖТФ, том 41, стр.66-72, 2015.
5. Э.Д. Алукер, Г.М. Белокуров и др. «Лазерное инициирование тетранитрата пентаэритрита со светорассеивающими добавками», Письма в ЖТФ, 2010, т.36, стр.80-85.
6. Edward D. Aluker, Alexander G. and etc., "Laser Initiation of Energetic Materials: Selective Photoinitiation Regime in Pentaerythritol Tetranitrate", The Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115 (14), pp. 6893-6901.
7. Akhmetshin R. et al. Effect of laser radiation wavelength on explosives initiation thresholds //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2014. - V. 552. - №. 1. - p. 012015.
8. А. В. Каленский, Н. В. Газенаур, А. А. Звеков, А. П. Никитин, "Критические условия инициирования реакции в ТЭНе при лазерном нагреве светопоглощающих частиц", Физика горения и взрыва, т.53, №2, стр. 107-117, 2017.
9. В. И. Таржанов, В. И. Сдобнов, А. Д. Зинченко, А. И. Погребов, "Лазерное инициирование низкоплотных смесей ТЭНа с металлическими добавками", Физика горения и взрыва, т.53, №2, стр.118-125, 2017.
10. С.Вудс, М.Дака, Г.Флин, "Волоконные лазеры средней мощности и их применение", Фотоника 4, стр.6-10, 2008.
11. Бачурин Л.В., Колесов В.И., Коновалов А.Н., Ульянов В.А., Юдин Н.В. Нагрев и воспламенение е-ГНИВ непрерывными лазерами ближнего ИК диапазона // Горение и взрыв. 2017. Т.10. №3. С.76-81.
12. Бачурин В. Н., Дмитриев А. К., Коновалов А. Н., Кортунов В. Н., Ульянов В. А., Юдин Н. В. Нагрев и воспламенение пороха непрерывными лазерами ближнего ИК диапазона// Черноголовка. 2016. С. 114-119.
13. Кутузов Б. Н. Разрушение горных пород взрывом: учебник для вузов / Б. Н. Кутузов. - 3 -е изд., - М.: МГИ, 1992. - 516 с.
14. Граевский М. М. Справочник по электрическому взрыванию зарядов ВВ / М. М. Граевский. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Рандеву-АМ, 2000. - 448 с.
