Кубота Н. Твердые ракетные топлива и взрывчатые вещества

Подождите немного. Документ загружается.

291

качестве продуктов сгорания октогена и гексогена. Кроме того, окисление частиц

алюминия требует намного больше времени по сравнению с разложением кри-

сталлических частиц октогена и гексогена. Частицы алюминия не реагируют в де-

тонационной волне, а реагируют ниже точки CJ, показанной на рис. 3.5. Таким

образом, не наблюдается увеличения скорости детонации, даже если плотность

пластичного

ВВ увеличивается за счет добавления частиц алюминия. Однако ко-

гда алюминизированные пластичные ВВ используются в воде, высокотемпера-

турные частицы алюминия реагируют с водой, производя пузырьки водорода. Эти

пузырьки создают дополнительное давление и ударную волну в воде.

9.3 Критический диаметр

Скорость детонации, распространяющейся в пределах заряда ВВ, u

уменьшается с уменьшением диаметра заряда. Например, когда детонационная

волна распространяется в цилиндрическом заряде пластичного ВВ диаметром

45 мм, то скорость детонации составляет 7000 м/с. Однако, если диаметр умень-

шается до 20 мм, скорость детонации уменьшается до 6700 м/с. Детонации не

происходит, если диаметр заряда становится ниже определенной предельной ве-

личины. Этот минимальный

диаметр называется критическим диаметром детона-

ции

. Критические диаметры и скорости детонации некоторых типичных ВВ

представлены в таблице 9.7.

Таблица 9.7. Критические диаметры взрывчатых веществ

Взрывчатые вещества Критический диаметр

мм

Скорость детонации u

м/с

Тринитротолуол 8-10 6900

Пикриновая кислота 6 7350

Гексоген 1-1,5 8750

Пентаэритрит тетранитрат 1-1,5 8400

Нитрат аммония 100 2700

Очевидно, что d

уменьшается по мере увеличения u

Другими словами, d

уменьшается по мере увеличения энергии ВВ. С уменьшением силы ВВ, то есть в

случае низкой скорости детонации и низкого давления детонаций, потеря энергии

с поверхности детонирующего заряда увеличивается, что обусловлено повышен-

ной толщиной детонационной волны. Кроме того,

зависит от типа используе-

мого корпуса ВВ. Если используется корпус, изготовленный из твердого материа-

ла,

по-видимому, имеет небольшую величину по сравнению с тем, когда ис-

пользуется корпус, изготовленный из мягкого материала. Потери энергии в случае

корпуса, изготовленного из твердого материала, меньше, чем в случае примене-

ния корпуса, изготовленного из мягкого материала.

292

9.4 Применение явлений детонации

9.4.1 Образование плоской ударной волны

В общем, детонация ВВ инициируется праймером (взрывчатым иниции-

рующим веществом) в виде точечного источника. Детонационная волна, образо-

ванная в точечном источнике, распространяется во взрывчатое вещество сфериче-

ским образом, как показано на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Распространение детонационной волны, инициированной

точечным источником

Чтобы генерировать плоскую детонационную волну, используются линзы

из ВВ. Линзы из ВВ состоят из двух конических сегментов ВВ, внутреннего и

внешнего корпуса, которые подгоняются друг к другу, как показано на рис. 9.2.

Если детонация вызывается электрическим детонатором, то бустерный заряд,

расположенный на вершине по

центру внутреннего корпуса ВВ, детонирует. За-

тем внутренний конус детонирует, и распространение детонационной волны про-

исходит вдоль внутреннего и внешнего конуса одновременно. Скорость детона-

ции внешнего конуса

задается зависимостью

2/cos

DD = , (9.15)

где

– скорость детонации внутреннего конуса и

– угол конусности внутрен-

него и внешнего конуса из ВВ.

Детонационная волна, образовавшаяся во внешнем конусе из ВВ, распро-

страняется одномерно в направлении основания конуса. Относительные скорости

детонации ВВ должны быть

DD > . Если скорость плоской волны детонации,

образованной в основании внешнего конуса ВВ, является недостаточной для не-

которых целей, то цилиндрический заряд из мощного ВВ прикрепляется к осно-

ванию заряда внешнего конуса из ВВ, как показано на рис. 9.3. Скорость детона-

ции прикрепляемого заряда мощного ВВ выше, чем скорость детонации ВВ

внешнего конуса.

Плоская детонационная волна ВВ внешнего конуса затем ини-

циирует детонацию мощного ВВ и образует усиленную плоскую детонацию.

293

Рис. 9.2. Образование плоской детонационной волны с помощью линз из ВВ

Рис. 9.3. Образование сильной одномерной детонационной волны

с линзами из ВВ

9.4.2 Эффект Мунро (Munroe)

Детонирующие взрывчатые вещества, используемые для различных целей,

таких как изготовление боеголовок, бомб, применение в горном деле и в про-

мышленности, размещаются в оболочках различного вида. В результате этого со-

вершенство данного ВВ зависит не только от составляющих его химических ком-

понентов и массы, но также и от физической формы заряда. Если

детонация ини-

циируется в точке в заряде ВВ, то детонационная волна распространяется сфери-

чески во всех направлениях. Если детонация инициируется в точке заряда ВВ, то

детонационная волна распространяется сферически в пределах заряда. Поэтому

сила детонационной волны в заряде или ударная волна в атмосфере, создаваемая

при детонации, уменьшается быстро с увеличением

расстояния от точки иниции-

рования детонации.

294

Если существует полая сфера на задней (тыльной) стороне заряда ВВ, то де-

тонационная волна, образующаяся на переднем конце заряда, распространяется в

заряде и затем деформируется при встрече с полым пространством. Вследствие

этой деформации создается в полом пространстве концентрированная ударная

волна, сопровождаемая высокой температурой и давлением, которая распростра-

няется в пространство, если

форма его спроектирована соответствующим обра-

зом. Это детонационное явление известно как эффект Мунро (Munroe) и исполь-

зуется для пробивания толстых металлических пластин. Если поверхность выемки

(полого пространства) покрывается тонкой металлической пластинкой, то дефор-

мированная детонационная волна создает струю расплавленного металла вдоль

центральной линии выемки. Такой заряд ВВ, заключенный в тонкую металличе

скую оболочку в районе выемки, называется кумулятивным зарядом.

На рис. 9.4 показана внутренняя структура кумулятивного заряда, исполь-

зуемого для получения потока с высокой энергией струи [11, 12]. Основными

компонентами кумулятивного заряда являются ВВ, детонатор, конусообразное

покрытие (лайнер), сделанное из меди, и корпус для размещения ВВ. Если дето-

натор инициируется электрическим способом, то образуется

детонационная вол-

на, которая распространяется в направлении лайнера. Когда детонационная волна

достигает вершины конуса лайнера, то лайнер создает струю из расплавленного

металла, которая приобретает высокую кинетическую энергию вдоль оси конуса.

Рис. 9.4. Структура кумулятивного заряда

Важными параметрами относительно образования струи являются форма и

материал лайнера, угол конуса кумулятивной воронки. Таблетка из тетрила ис-

пользуется для инициирования детонации основного взрывчатого вещества. Рас-

295

плавляемый медный лайнер используется в виде конуса, угол которого составляет

°, и его наружная поверхность обрабатывается довольно точно [9, 10]. Кумуля-

тивная струя, образованная расплавленной медью покрытия, эжектируется вдоль

центральной линии первоначального конуса. Минимальная длина заряда ВВ, не-

обходимая для достижения эффективной силы струи, в четыре раза больше его

диаметра. Чтобы обеспечить наиболее эффективную кинетическую энергию, рас-

стояние от конца заряда ВВ до

цели должно быть от одного до трех входных диа-

метров конуса. Эффективный угол конуса находится в диапазоне от 30 до 40

°.

Высокоплотные металлические материалы выбираются в качестве лайнера для

покрытия конуса. Процесс образования потока расплавленной струи показан на

рис. 9.5.

Рис. 9.5. Образование фрагментов струи

9.4.3 Эффект Хопкинсона

Если ударная волна распространяется от одного конца (А) к другому концу

(В) твердого тела, то создается вслед за ударной волной напряжение сжатия, ко-

торое действует в пределах твердого тела. Ударная волна отражается в В и стано-

вится волной растяжения (расширения), которая распространяется в направлении

А. Растягивающая сила создается вслед за

волной расширения, которая, в свою

очередь, перемещается опять в В. Этот процесс показан схематично на рис. 9.6.

Если волна сжатия распространяется в таких материалах, как скальный

грунт или бетон, то она не вызывает разрушения материалов из-за их высокой

прочности на сжатие. Однако, когда волна расширения (растяжения) распростра-

няется в этих материалах

, то разрушение происходит в районе В. Это связано с

296

тем, что скальный грунт и бетон являются материалами с низкой прочностью на

растяжение. На рис. 9.7. показаны две фотографии поверхности (А) и противопо-

ложной стороны (В) железобетонной стены [13].

Взрывчатое вещество детонирует в зоне А, и затем ударная волна распро-

страняется в стене. Ударная волна отражается в зоне В и становится волной

расширения

(растяжения), которая перемещается обратно в зону А. Хотя поверх-

ность стенки в зоне А остается, в основном, неразрушенной, несмотря на детона-

ционный взрыв, однако большая часть обратной стороны В разрушается и отры-

вается за счет волны расширения. Это явление называется эффектом Хопкинсона.

Рис. 9.6. Схематичное представление распространения ударной волны и ге-

нерация отраженной волны растяжения (расширения) в пределах твердой стенки

297

Рис. 9.7. Фотографии, демонстрирующие эффект Хопкинсона

9.4.4 Подводный взрыв

Если взрывчатое вещество детонирует в воде, то ударная волна распростра-

няется через воду, сопровождаемая образованием пузыря. Химическая энергия

ВВ превращается в энергию ударной волны и энергию пузыря. Объем пузыря

увеличивается за счет волны расширения и уменьшается за счет волны сжатия в

колебательном режиме. Максимальный размер пузыря определяется в соответст-

вии с

формулой [14-16]:

max

24,22

= , (9.16)

где

max

r – максимальный радиус пузыря (м),

p – статическое давление воды

(N/м

t – время периода (periodic time) пузыря (с),

ρ – плотность воды (кг/м

Энергия пузыря

E (Дж) выражается зависимостью

ebb

mtpprE /4,68)3/4(

32,5

max

== π , (9.17)

а энергия ударной волны

E (Дж) задается зависимостью

∫∫

eww

dtpmardtpurE

)/4(4

ρππ

, (9.18)

где

– расстояние от центра взрыва,

– давление на расстоянии

u – скорость

частиц,

a – скорость звука в воде,

m – масса заряда ВВ и

t – продолжитель-

ность действия ударной волны.

Экспериментальные результаты испытаний подводных взрывов с использо-

ванием эмульсионного ВВ, состоящего из нитрата аммония и гидразиннитрата,

показали энергию ударной волны 0,85 МДж/кг и энергию пузыря 2,0 МДж/кг.

Энергия ударной волны подводных взрывов увеличивается путем добавления

алюминиевого порошка в составы ВВ. Алюминиевый порошок реагирует с моле-

298

кулами воды, и при этом выделяется тепло за счет окисления алюминия водой в

соответствии с уравнением

949332

2322

+→+ HOAlOHAl кДж/моль

Реакция

OHAl

− повышает температуру и число молей газа в пузыре за

счет образования водорода. Давление в пузырьке также увеличиваются. В резуль-

тате энергия пузыря и энергия ударной волны увеличиваются. Должно быть по-

нятно, что окисление алюминиевого порошка не похоже на окисление газообраз-

ных реагентов. Реакция происходит на поверхности каждой частицы алюминия и

приводит к образованию слоя окиси алюминия, которая покрывает частицу.

Окисленный слой предотвращает окисление частицы внутри. Эффективность го-

рения частиц алюминия увеличивается с уменьшением размера частиц [16]. Энер-

гия ударной волны и энергия пузыря увеличиваются за счет применения алюми-

ниевых порошков наноразмеров.

Ссылки

Zeldovich, Ia.B., and Kompaneets, A.S., Theory of Detonation, Academic Press,

New York, 1960.

2. Strehlow, R.A., Fundamentals of Combustion, International Textbook, New York,

1968.

3. Fickett, W., and Davis, W.C., Detonation, University of California Press, CA,

1979.

4. Engineering Design Handbook, Principles of Explosive Behavior, AMPC 706-180,

US Army Material Command, Washington, DC, 1972.

5. JANAF Thermochemical Tables, Dow Chemical Co., Midland, Michigan, 1960-

1970.

6. Keshavard M.H., and Pouretedal, H.R., Predicting the Detonation Velocity of

CHNO Explosives by a Simple Method, Propellants, Explosives, Pyrotechnics,

Vol. 30, 2005, pp. 105-108.

7. Mader, C.L., Detonation Properties of Condensed Explosives Computed Using the

Becker-Kistiakowsky-Wilson Eguation of State, Report LA-2900, Los Alamos Sci-

entific Laboratory, Los Alamos, New Mexico, 1963.

8. Mader, C.L., Numerical Modeling of Explosives and Propellants, CRC Press, Boca

Raton, FL, 1998.

9. Mayer, R., Explosives, Verlag Chemie, Weinheim, 1977.

10. Energetic Materials Handbook, Japan Explosives Society, Kyoritsu Shuppan, To-

kyo, 1999.

11. Explosives Jornal, No. 27, NOF Corporation, Tokyo, 1993.

12. Allisson, R.E., and Vitali, R., An Application of the Jet Formation Theory to a 105

mm Shaped Charge, BRL Report No. 1165, 1962.

299

13. Hagiya, H., Morishita, M., Ando, T., Tanaka, H., and Matsuo, H., Evaluation of

Explosive Damage of Concrete Wall by Numerical Simulation, Science and Tech-

nology of Energetic Materials, Japan Explosives Society, Vol.. 64, No. 5, 2003.

pp.192-200.

14. Cole, R. H., Underwater Explosion, Dover Publications, Inc., New York, 1948.

15. Roth, J., Underwater Explosives, Encyclopedia of Explosives and Related Items,

Vol. 10, US Army Research and Development Command, Dover, NJ, pp. U38-

U81, 1983.

16. Kato, Y., Takahashi, K., Torii, A., Kurokawa, K., and Hattori, K., Underwater Ex-

plosion of Aluminized Emulsion Explosives, Energetic Materials, 30th Interna-

tional Annual Conference of ICT, 1999.

300

Гл а в а 10

Образование энергетических пиролантов

(пиротехнических смесей)

10.1 Дифференциация твердых ракетных топлив,

взрывчатых веществ и пиролантов

Если энергетические материалы реагируют при горении, то высвобождается

химическая энергия и образуются высокотемпературные продукты за счет про-

цессов дефлаграции или детонации. Различие между дефлаграцией и детонацией

является значительным, то есть волна горения при дефлаграции распространяется

с дозвуковой скоростью, в то время как при детонации волна горения распростра-

няется со сверхзвуковой скоростью

. Энергетические материалы, используемые в

качестве твердых ракетных топлив, взрывчатых веществ и пиролантов, изготав-

ливаются из компонентов окислителя и горючего, которые реагируют между со-

бой, производя высокотемпературные продукты сгорания. Твердые ракетные топ-

лива, используемые в ракетных двигателях, должны гореть в режиме дефлагра-

ции, чтобы обеспечивать высокую скорость продуктов сгорания при прохождении

их через сопло. Твердые топлива и пороха, используемые в орудиях, должны го-

реть в режиме дефлаграции, создавая высокие давления. Взрывчатые вещества

должны гореть в условиях детонации, образуя ударную волну.

С другой стороны, пироланты должны иметь различные характеристики:

некоторые являются медленногорящими в условиях дефлаграции, в то время как

другие являются весьма быстрогорящими

с проявлением детонации. Как показано

в таблице 10.1, энергетические материалы подразделяются на три основные кате-

гории; то есть твердые ракетные топлива, взрывчатые вещества и пироланты ис-

пользуются для указанных применений.

Хотя физико-химический процесс детонации значительно отличается от

процесса дефлаграции, однако эти два явления нельзя различить на основе физи-

ко-химических

свойств энергетических материалов [1-10]. Если энергетические

материалы медленно нагреваются и воспламеняются то, в общем, большинство из

них проявляют способность к дефлаграции без детонации. Если мощный тепло-

вой поток и/или механический удар воздействует на энергетические материалы,

то большая часть из них проявляет способность к детонации. Граничный крите-

рий зависит от физико-химических

свойств энергетических материалов. Распро-

странение детонации не происходит, если энергетические материалы невелики по