Метательная способность смесей взрывчатых веществ с положительным и отрицательным кислородным балансом

Полный текст

1. ВВЕДЕНИЕ

Метательная способность (МС) является одной из важнейших характеристик взрывчатого вещества (ВВ). Измерения этого параметра позволяют не только сопоставлять ВВ по метательному действию, но и изучать процесс расширения продуктов взрыва (ПВ). Лабораторные методы исследования МС в основном подразделяются на два типа: разлет цилиндрических оболочек и метание металлических пластин с торца заряда. К первому типу относится методика Т-20 [1, 2], которая отличается от прототипа – метода “Цилиндр-тест”, разработанного в США [3, 4], несколько меньшим размером и способом регистрации движения оболочки.

Результаты исследований по методике расширения оболочек служат как для сравнения взрывчатых веществ по МС, так и для построения уравнения состояния ПВ (например, в форме JWL (Jones–Wilkins–Lee) с эмпирическими константами для каждого ВВ [5]). Кроме того, эти данные часто используются для нахождения энергии Гарни (названа в честь разработчика модели), которая рассчитывается на основе допущения об однородности плотности ПВ на каждой стадии расширения [3, 6–9].

Базовым методом, принадлежащим ко второму типу, является известная отечественная методика М-40 (аналог М-60 и М-20), в которой исследуется процесс ускорения стальной пластины толщиной 4 мм, метаемой с торца цилиндрического заряда длиной и диаметром 40 мм в канале толстостенной стальной оболочки [1]. Мерой МС обычно служит скорость пластины (как правило, в относительных единицах), а в качестве стандартной базы измерений принимается расстояние в 40 мм от торца заряда.

Результаты выполненных ранее исследований МС свидетельствуют о том, что в настоящее время дисперсный алюминий (Al) является одним из перспективных материалов для использования в качестве горючей добавки в составах метательного действия [10–13]. При изучении алюминизированных ВВ особое внимание исследователей всегда уделялось взрывчатым композициям с нанодисперсным Al. В частности, с использованием методики М-20 определена МС структурированных на наноуровне композитов, содержащих нанодисперсный алюминий и октоген (1,3,5,7-тетранитро-1,3,5,7-тетраазациклооктан) [13]. Вопреки ожиданиям оказалось, что композиты с равномерным распределением наночастиц алюминия в матрице октогена по МС не обладают преимуществом перед составами, содержащими Al с размером частиц порядка нескольких микрон. Однако в дальнейшем было показано, что композиты с наночастицами Al могут по МС превосходить смеси с микроразмерными частицами Al при резко отрицательном кислородном балансе (КБ) основного ВВ [14], который рассчитывается (в %) по формуле 800(2с – b – 4a)/M для молекулы C_aH_bO_cN_d, где M – молекулярный вес.

Полуэмпирический метод расчета МС индивидуальных и алюминизированных ВВ был разработан ранее с использованием экспериментального массива данных и предположения о зависимости коэффициента трансформации химической энергии в кинетическую от объемного числа молей газообразных ПВ [15]. В усовершенствованном методе, основанном на модели Гарни, используется выражение для активной массы ВВ в случае как радиального, так и торцевого метания [16]. Полуэмпирические соотношения позволяют рассчитывать скорости медной оболочки и стальной пластины в условиях методик Т-20 и М-40 соответственно. Расчет МС для индивидуальных ВВ осуществляется на основе калориметрических значений теплоты взрыва (ТВ). При отсутствии экспериментальных данных ТВ индивидуальных ВВ рассчитывается по методу, предложенному в работе [17]. В случае алюминийсодержащих композиций оцениваются эффективная полнота окисления Al, тепловой эффект и состав ПВ для рассматриваемых стадий расширения [15, 16].

Ранее было показано, что выводы, полученные при исследовании МС с применением методик М-40 и Т-20, во многом совпадают [14, 15, 18]. В связи с этим в предлагаемой работе рассматриваются данные, соответствующие условиям испытаний по методу М-40.

Традиционным способом повышения мощности взрывчатых материалов является синтез новых ВВ, превосходящих по параметрам имеющиеся аналоги. Известно, что наибольшей величиной МС обладают сбалансированные по содержанию горючих и окислительных элементов высокоплотные энергоемкие ВВ. К сожалению, тенденция к повышению чувствительности к внешним воздействиям с увеличением энергосодержания ВВ препятствует практическому использованию многих веществ. Примером такого соединения служит 4,4′-динитро-3,3′-диазенофуроксан (ДДФ). По оценке, выполненной с использованием метода работы [16], это взрывчатое вещество по МС (М-40) должно превосходить октоген на рекордную величину в 10%. Однако чрезвычайно высокая чувствительность ДДФ к механическим воздействиям резко ограничивает возможность практического использования данного ВВ [19].

Следует отметить, что при рассмотрении возможностей применения взрывчатого вещества необходимо наличие информации по широкому спектру его параметров. К таким параметрам, в частности, относится чувствительность к внешним воздействиям. Наиболее распространенным видом несанкционированного воздействия является механическое (удар, трение). Современные представления о чувствительности энергетических материалов и методах ее определения отражены, в частности, в публикациях А.В. Дубовика [20–22]. Важные результаты получены авторами работы [23], которые проанализировали влияние скорости реакции термического разложения и ТВ на чувствительность ВВ и установили корреляционную связь критической температуры самовоспламенения ВВ с критическим давлением инициирования взрыва.

В предлагаемой работе анализируются результаты расчета МС, выполненного по методу работы [16]. Рассмотрение других характеристик не входило в задачу исследования.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Одной из причин недостаточно высокой мощности многих ВВ является дефицит кислорода в молекуле. Объединение ВВ-окислителя (положительный КБ) и ВВ-горючего (отрицательный КБ) может способствовать созданию системы, превосходящей по МС каждое из составляющих смесь веществ. Полученные ранее экспериментальные и расчетные результаты исследования МС свидетельствуют о перспективности разработки взрывчатых систем типа ВВ-окислитель/ВВ-горючее [16, 24]. Так, из полученных данных следует, что композиция, содержащая в качестве ВВ-окислителя бис-(2,2,2-тринитроэтил)нитрамин (БТНЭН), а в качестве ВВ-горючего – октоген, превосходит по МС каждое из отдельно рассматриваемых веществ. Однако не всегда добавка ВВ с положительным КБ будет способствовать повышению МС вещества с отрицательным КБ.

Расчетные кривые, представленные на рис. 1, отражают влияние концентрации ВВ-окислителя в композициях с октогеном на относительную скорость пластины. Следует отметить, что в настоящее время октоген является одним из наиболее распространенных веществ, используемых в составах бризантного действия. Некоторые исходные данные для октогена приведены в табл. 1, где ΔH_f° – стандартная энтальпия образования. В качестве ВВ с положительным КБ (указан в скобках) рассматривались следующие соединения: БТНЭН (+16.5%), ГНФ (гидразиниевая соль нитроформа, +13.1%), АДНА (аммониевая соль динитрамида, +25.8%), ДНГ (1,2-динитрогуанидин, +5.4%). Расчет выполнен для брутто-формулы и максимальной плотности бинарной композиции. Для проведения экспериментов составы БТНЭН/октоген готовились при длительном смешении компонентов на рольгангах в емкости с фарфоровыми шарами под слоем инертной жидкости [24].

Таблица 1. Исходные параметры ВВ

Рис. 1. Относительная скорость пластины (h) в зависимости от массовой доли ВВ-окислителя в бинарной композиции с октогеном (b); сплошные линии – бинарные смеси, штриховые – составы с добавкой 12.5% Al. ВВ-окислители: 1 – БТНЭН, 2 – ГНФ, 3 – АДНА, 4 – ДНГ. Символы – экспериментальные значения для состава БТНЭН/октоген.

Как следует из рис. 1, добавление БТНЭН к октогену повышает МС. Удовлетворительное согласие экспериментальных и расчетных значений МС свидетельствует о том, что в условиях, соответствующих методике М-40, осуществляется активное взаимодействие продуктов разложения веществ, входящих в данную смесь. Добавка ГНФ, хотя и в меньшей степени, но также увеличивает МС октогена. Введение вещества АДНА не создает заметного эффекта. Использование ДНГ в составе с октогеном следует признать нецелесообразным, так как с повышением содержания этого вещества МС композиции снижается.

В экспериментах по методике М-40 объем заряда остается постоянным. С учетом этого в качестве важного параметра, влияющего на МС взрывчатого материала, следует рассматривать запас энергии в единице объема. На рис. 2 представлены расчетные зависимости, отражающие влияние концентрации ВВ-окислителя на объемные значения ТВ бинарных композиций с октогеном. Сравнение указывает на соответствие кривых на рис. 1 и 2.

Рис. 2. Объемное значение ТВ (Qr) в зависимости от массовой доли ВВ-окислителя в бинарной композиции с октогеном (b); цифровые обозначения те же, что и на рис. 1.

На рис. 1 приведены также зависимости для тройных композиций, содержащих 12.5% Al с размером частиц 7 мкм. Количество алюминиевой добавки выбрано из тех соображений, что концентрация Al, соответствующая максимальному повышению МС, лежит в диапазоне 10–15% [12, 14, 18]. Необходимо заметить, что в случае алюминизированных композиций взрывчатое вещество, даже обладая отрицательным КБ, играет роль окислителя металла, так как Al активно взаимодействует с ПВ этого взрывчатого вещества. Как видно из рис. 1, добавка Al повышает МС рассматриваемых составов.

На основе анализа данных можно выделить основные требования, которые следует предъявлять к ВВ-окислителю при выборе его в качестве возможного компонента для составов метательного действия. К таким требованиям относятся: высокий КБ, высокая плотность монокристалла и, желательно, положительная энтальпия образования.

Характер влияния окислителя зависит и от параметров ВВ-горючего. Одним из наиболее мощных в ряду известных к настоящему времени ВВ является CL-20 (2,4,6,8,10,12-гексанитро-2,4,6,8,10,12-гексаазаизовюрцитан). Это ВВ обладает слабо отрицательным КБ, положительной энтальпией образования и высокой плотностью монокристалла. (см. табл. 1).

Рисунок 3 иллюстрирует влияние концентрации вещества АДНА на МС смесей с тремя ВВ-горючими. В качестве последних рассматривались CL-20, октоген и 2,4,6-тринитротолуол (ТНТ). Из рис. 3 следует, что добавление АДНА к CL-20 снижает МС. Само вещество CL-20 обладает высокой МС и существенно превосходит по этому параметру октоген. Как уже отмечалось, введение АДНА в состав с октогеном не дает заметного эффекта. Однако добавление АДНА к ТНТ, обладающему резко отрицательным КБ (–74%) и умеренной мощностью, повышает метательную способность ТНТ (несмотря на это, композиция с ТНТ по МС уступает не только CL-20, но и октогену).

Рис. 3. Относительная скорость пластины (h) в зависимости от массовой доли вещества АДНА в бинарной композиции с ВВ (g); ВВ: 1 – CL-20, 2 – октоген, 3 – ТНТ; сплошные линии – бинарные смеси, штриховые – составы с добавкой 12.5% Al.

В последние годы синтезированы и активно исследуются ВВ с положительным КБ. Ниже представлены расчетные результаты, характеризующие влияние трех выбранных ВВ-окислителей на МС композиций, содержащих в качестве ВВ-горючего октоген и CL-20. Рассматривались следующие ВВ-окислители: 3,6-динитро-1,4-бис(тринитрометил)-1,4-дигидропиразоло[4,3-с]пиразол (I) [28, 29]; 4,4′5,5′-тетранитро-2,2′-бис(тринитрометил)-2Н,2′Н-3,3′-бипиразол (II) [29, 30]; 2-динитрометил-5-нитротетразол (III) [31, 32].

Результаты расчетов, представленные в работах [29, 32], свидетельствуют о высоком потенциале указанных ВВ как возможных компонентов твердых ракетных топлив. Авторы этих публикаций использовали экспериментальные значения плотностей и расчетные величины энтальпий образования веществ I–III. Эти данные и внесены в табл. 1. На Схеме 1 приведены структурные формулы соединений.

Следует подчеркнуть, что выбранные ВВ-окислители обладают высокой плотностью и относительно высокой энтальпией образования. Результаты расчетов МС композиций с октогеном иллюстрирует рис. 4, из которого следует, что добавление ВВ-окислителей повышает метательную способность октогена. Наибольший прирост соответствует веществу I (на ~5% по скорости пластины при оптимальном соотношении концентраций ВВ). Такая смесь по МС превосходит состав БТНЭН/октоген (см. рис. 1). На рис. 5 представлены зависимости МС от КБ бинарных смесей с октогеном. Обращает на себя внимание тот факт, что оптимальное содержание компонентов соответствует небольшому по абсолютной величине отрицательному КБ.

Рис. 4. Относительная скорость пластины (h) в зависимости от массовой доли ВВ-окислителя в бинарной композиции с октогеном (b); сплошные линии – бинарные смеси, штриховые – составы с добавкой 12.5% Al. Римские цифры соответствуют различным ВВ-окислителям (обозначения см. в тексте).

Рис. 5. Относительная скорость пластины (h) в зависимости от КБ бинарной композиции с октогеном (W). Цифровые обозначения те же, что и на рис. 4.

Как уже отмечалось, CL-20 обладает слабо отрицательным КБ и положительной энтальпией образования. По плотности монокристалла это вещество даже несколько превосходит рассматриваемые ВВ-окислители (см. табл. 1). Из зависимостей, представленных на рис. 6, следует, что прирост МС при добавлении ВВ-окислителей к CL-20 не превышает 1%. Добавка Al к составам на основе октогена и CL-20 обеспечивает дополнительное увеличение МС (см. рис. 4, 6). Однако в случае октогена даже смесь с веществом I и алюминием по МС лишь достигает уровня CL-20.

Рис. 6. Относительная скорость пластины (h) в зависимости от массовой доли ВВ-окислителя в бинарной композиции с CL-20 (b); сплошные линии – бинарные смеси, штриховые – составы с добавкой 12.5% Al. Цифровые обозначения те же, что и на рис. 4 и 5.

Таким образом, МС композиции, объединяющей в своем составе ВВ с положительным и отрицательным КБ, зависит от сочетания свойств этих взрывчатых веществ. Выбранные три относительно новых ВВ-окислителя по величине энтальпии образования и плотности монокристалла превосходят октоген. Введение этих окислителей в состав с октогеном повышает МС. Однако добавление ВВ-окислителей к CL-20 создает лишь незначительный эффект. Полученные результаты подтверждают также возможность дополнительного повышения МС за счет введения порошкообразного алюминия во взрывчатый состав.

Об авторах

М. Н. Махов

Автор, ответственный за переписку.
Email: mmn13makhov@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Относительная скорость пластины (h) в зависимости от массовой доли ВВ-окислителя в бинарной композиции с октогеном (b); сплошные линии – бинарные смеси, штриховые – составы с добавкой 12.5% Al. ВВ-окислители: 1 – БТНЭН, 2 – ГНФ, 3 – АДНА, 4 – ДНГ. Символы – экспериментальные значения для состава БТНЭН/октоген.

Скачать (22KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Объемное значение ТВ (Qr) в зависимости от массовой доли ВВ-окислителя в бинарной композиции с октогеном (b); цифровые обозначения те же, что и на рис. 1.

Скачать (15KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Относительная скорость пластины (h) в зависимости от массовой доли вещества АДНА в бинарной композиции с ВВ (g); ВВ: 1 – CL-20, 2 – октоген, 3 – ТНТ; сплошные линии – бинарные смеси, штриховые – составы с добавкой 12.5% Al.

Скачать (17KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Относительная скорость пластины (h) в зависимости от массовой доли ВВ-окислителя в бинарной композиции с октогеном (b); сплошные линии – бинарные смеси, штриховые – составы с добавкой 12.5% Al. Римские цифры соответствуют различным ВВ-окислителям (обозначения см. в тексте).

Скачать (20KB)

Метаданные

6. Рис. 5. Относительная скорость пластины (h) в зависимости от КБ бинарной композиции с октогеном (W). Цифровые обозначения те же, что и на рис. 4.

Скачать (16KB)

Метаданные

7. Рис. 6. Относительная скорость пластины (h) в зависимости от массовой доли ВВ-окислителя в бинарной композиции с CL-20 (b); сплошные линии – бинарные смеси, штриховые – составы с добавкой 12.5% Al. Цифровые обозначения те же, что и на рис. 4 и 5.

Скачать (17KB)

Метаданные

8. Схема 1.

Скачать (20KB)

Метаданные