Исследование нестационарной детонации бризантных взрывчатых веществ в зарядах конечного диаметра

Исследование нестационарной детонации бризантных взрывчатых веществ в зарядах конечного диаметра

Донецкий национальный технический университет

УДК 662.215.1+534.222.2+622.235.2

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОЙ ДЕТОНАЦИИ БРИЗАНТНЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ В ЗАРЯДАХ КОНЕЧНОГО ДИАМЕТРА

Калякин С.А.

В работе приведены результаты исследованный нестационарной детонации ВВ в зарядах конечного диаметра. Установлены зависимости скорости неидеальной детонации ВВ от плотности ВВ и диаметра заряда для ВВ на основе октогена и гексогена в зарядах конечного диаметра. Исследование нестационарной детонации ВВ в зарядах конечного диаметра позволило экспериментально установить взаимное влияние факторов относительной плотности ВВ и его относительного диаметра заряда на скорость детонации ВВ. При этом оказалось необходимым учитывать значение диаметра заряда, в котором процесс детонации в заряде ВВ затухает, так как вблизи критического диаметра скорость детонации ВВ имеет неустойчивый режим. Зависимости нестационарной скорости детонации ВВ в зарядах конечного диаметра имеют верхний предел скорости детонации, который по своему значению равен идеальной скорости детонации ВВ.

К.С.: Детонация, взрывчатое вещество, критический диаметр детонации, скорость детонации, неидеальная скорость детонации, идеальная скорость детонации ВВ.

Развитие теории детонации конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) позволило успешно предсказывать идеальную скорость детонации ВВ в зависимости от его плотности, диаметра заряда и удельной энергии детонации ВВ. Однако разработать и теоретически обосновать общий метод расчета нестационарных режимов детонации у зарядов ВВ конечного диаметра в которых осуществляется как правило неидеальный режим детонации, связанный с потерями энергии во фронте детонационной волны и разлетом части непрореагировавшего в реакции ВВ, пока не удалось. Кроме того у конденсированным ВВ с различными энергией детонации, теплотой образования и элементов химического состава изменение критического диаметра детонации не поддается расчету и требует экспериментального определения. Поэтому для зарядов ВВ конечного диаметра на первом этапе исследований необходимо установит факторы влияющие на величину скорости детонации ВВ. Анализ последних исследований и публикаций показал, что в настоящее время находят применение несколько методов расчета скорости детонации конденсированных ВВ. Они наиболее полно изложены в работах Т. Урбанского (т. 4, 1984 г. издания) [1], Г.А. Авакяна [2] и М.Н. Айзенштадта [3]. Вместе с тем существенным недостатком, как в теоретическом так и в практическом плане, предложенных методов является то, что они предполагают расчет идеальной скорости детонации ВВ и только затем по экспериментально установленным зависимостям скорости детонации заряда ВВ от его диаметра и плотности можно перейти к значению скорости детонации ВВ в заряде конечного диаметра. Авторы этих методов предполагают, что диаметр заряда ВВ больше критического d_з > d_кр, а скорость детонации заряда ВВ (D_вв), у которого диаметр заряда стремиться к d → ∞ равна идеальной - D_o. Другие ученые в результате экспериментальных работ предлагают метод расчета скорости детонации ВВ в заряде конечного диаметра, используя значения удельной энергии детонации ВВ и установленные ими эмпирические зависимости изменения скорости детонации от диаметра заряда [4]. Как правило, в основу этого метода положена зависимость, в которую входит величина, характеризующая «эффективную зону реакции», в которой обеспечивается полнота реакции при детонации и она подбирается для каждого радиуса заряда. Вместе с тем при равной критической величине радиуса у двух зарядов ВВ величина их эффективной длины реакции не равны и подбирается методом подгонки результата под эксперимент. Так же необходимо отметить ряд работ, посвященных обоснованию величины критического диаметра для стационарной скорости детонации конденсированных ВВ [5] и определению детонационной способности твердых ВВ при высокой плотности приближающейся к плотности монокристалла [6].

Наиболее полным исследованием, в котором всесторонне изучается данная проблема, является работа А.Н. Дремина с сотрудниками [7]. В ней рассмотрены вопросы распространения детонации в зарядах конечного диаметра, пределы распространения детонации в зарядах конечного диаметра, пределы распространения детонации и критические условия за фронтом детонационной волны.

Вместе с тем предпринятые попытки построения общей теории неидеальной детонации в зависимости от критического диаметра ВВ, по существу не предложили новых идей для разработки метода расчетов неидеальных режимов детонации зарядов ВВ конечного диаметра, с учетом как критического диаметра детонации конденсированных ВВ так и его скорости детонации.

Целью настоящей работы является изучение многофакторной зависимости скорости детонации от плотности ВВ и диаметра заряда, обобщение результатов исследований и получение математической модели, описывающей режим неидеальной скорости детонации ВВ в зарядах конечного диаметра в зависимости от плотности ВВ и его критического диаметра. При этом предполагается решить следующие задачи: спланировать полный факторный эксперимент для всестороннего исследования режимов детонации ВВ от независимых факторов влияния (плотности ВВ и диаметра заряда); получить математическую модель для расчета скорости детонации в зависимости от его плотности и диаметра заряда; установить критический диаметр детонации ВВ и его влияние на режим неидеальной детонации зарядов конечного диаметра.

Материалы исследований. В экспериментальных исследованиях были использованы бризантные ВВ на основе гексогена и октогена, полученные в результате конверсионного производства. В составах ВВ на основе гексогена, полученного в результате утилизации содержание флегматизатора составляло 8,6-8,8%, а на основе октогена содержание флегматизатора было 4,3-4,75%. Оба этих утилизированных ВВ исследовались параллельно со штатными ВВ подобного типа A-IX-I (на основе гексогена) и окфола - 3,5 (на основе октогена). Скорость детонации ВВ в зарядах конечного диаметра определяли методом ионизационных датчиков. При этом заряды длиной не менее 10 d₃, имели базу В = 4 - 5 см; инициирование заряда осуществлялось с помощью промежуточного детонатора диаметром d = 20 мм, плотностью при прессовании 1,6 г/см³ из того же ВВ, что исследовалось в опыте. Подрыв промежуточного детонатора осуществлялся с помощью электродетонатора ЭД-8Ж. Временные промежутки прохождения детонационной волны на базе заряда - В измеряли частотомером ЧЗ-35А. Скорость детонации рассчитывали по формуле:

, м/с,

где τ - время прохождения детонационной волны, мс.

Критический диаметр детонации ВВ определяли методом конуса. При этом по характеру отпечатка разрушения на латунной пластине-свидетеле определяли d_о - диаметр заряда, в котором детонация ВВ затухает и d_кр - критический диаметр детонации BB путем прибавления к полученному значению 1мм.

В цитируемых выше работах было установлено, что зависимость изменения скорости детонации ВВ от плотности или диаметра заряда, как правило, представляют уравнениями степенного вида. Поэтому нами сделано предположение, что зависимость скорости детонации ВВ от его плотности и диаметра заряда можно выразить уравнением вида:

= А ∙ ρ^α ∙ d^b ,  (1)

где ρ - плотность ВВ, г/см³; d - диаметр заряда, мм; А, α, b - экспериментальные постоянные величины, определяемые из опыта.

Уравнение (1) в результате логарифмирования принимает вид линейной зависимости:

 1n D = 1nА + a 1n ρ + b 1n. (2)

Уравнение (2) можно выразить следующим образом:

у = b₀ + b₁х₁ + b₂х₂, (3)

где у = 1nD; х₁, х₂ - кодированные значения ρ, d.

Кодированные значения каждого х_i фактора можно представить согласно [8] в следующем виде:

, (4)

где  - натуральное значение фактора; x_iв, x_iн - натуральные значения

верхнего и нижнего уровней фактора соответственно.

Для оценки коэффициентов уравнения (3) удобно использовать результаты многофакторного эксперимента. При этом результаты опыта будут представлены полиномом вида:

у = b₀ + b₁х₁ + b₂х₂ + b_{l, 2} x₁, x₂. (5)

Справедливость зависимости (1), можно установить проверкой адекватности линейной части полинома (5).

Принятые в исследовании уровни факторов и их кодовые обозначения указаны в табл. 1. Кодированные значения факторов x₁ и х₂ будут равны единице на верхнем уровне, нулю на основном уровне и минус единице на нижнем уровне, при натуральных значениях факторов, указанных в табл. 1.

Таблица 1 - Натуральные и кодированные значения факторов

Кодированное значение факторов в соответствии с уравнением (4) рассчитываются следующим образом:

; (6)

.

Для оценки коэффициентов в уравнении (5) проведен полный факторный эксперимент типа 2². Матрица планирования и результаты опытов представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Матрица планирования эксперимента и результаты опытов

В результате обработки экспериментальных данных получены следующие уравнения:

для гексогена флегматизированного утилизированного (ГФу) :

lnD = 8,1878 + l,6084lnρ_BB + 0,1252lnd_BB - 0,2072lnρ_BBlnd_BB, (7)

для A-1X-I:

= 8,3227 + l,30571nρ_BB + 0,10521nd_BB - 0,15191nρ_BBlnd_BB, (8)

для окфола-3,5:

lnD = 7,9402 + 2,03891nρ_вв + 0,2274lnd_BB - 0,38831nρ_BBlnd_BB, (9)

для октогена флегматизированного утилизированного (ОКФу) :

lnD = 8,5482 + 0,8628lnρ_вв + 0,03421nd_BB - 0,01251nρ_BBlnd_BB. (10)

Потенцируя выражения (7-10), находим зависимость скорости детонации ВВ от исследуемых факторов плотности ВВ и диаметра заряда:

для ГФу:

, м/с, (11)

для A-IX-I:

, м/с, (12)

для окфола-3,5:

взрывчатый заряд детонация гексоген

, м/с, (13)

для ОКФу:

, м/с, (14)

На следующем этапе работы у данных ВВ методом конуса был определен критический диаметр детонации. При этом, по характеру отпечатка, оставленным взрывом на пластине-свидетеле, определяли с точностью до 0,5 мм диаметр - d₀, в котором ВВ не детонировало полностью и расчетом его критический диаметр. Плотность ВВ в конусах составляла 1,15-1,45 г/см³. Оказалось, что в этом интервале плотностей ВВ их критический диаметр детонации изменяется слабо и находится в пределах 4-4,5 мм. Далее пикнометрическим методом была определена максимальная плотность кристаллов исследуемых ВВ в среде четыреххлористого углерода. Полученные результаты сведены в табл. 3.

Перейдем от натуральных значений факторов к относительным (по отношению к плотности кристаллов ВВ с флегматизатором - ρ_max) плотности ВВ -  и относительному диаметру заряда ВВ равному .

Используя полученные зависимости скорости детонации от значений плотности ВВ и диаметра заряда (11-14), перейдем к математическим моделям, которые описывают режимы нестационарной детонации в зарядах конечного диаметра в зависимости от относительных значений факторов и . Для аналогичной матрицы планирования получены математические модели, изменения скорости детонации ВВ от безразмерных значений факторов, которые учитывают изменение плотности ВВ в заряде, и отношение заряда ВВ к диаметру, в котором процесс детонации затухает. Эти математические зависимости имеют следующий вид:

для ГФу:

, м/с, (15)

для A-IX-I:

, м/с, (16)

для окфола-3,5:

, м/с, (17)

для ОКФу:

, м/с. (18)

Таблица 3 - Значение максимальной плотности кристаллов утилизированных ВВ и значения их критического диаметра детонации

Таким образом, установлен ранее неизвестный вид зависимостей изменения скорости детонации ВВ при режимах неидеальной детонации в зарядах конечного диаметра.

Они существенно отличаются от полученных ранее в работах [1,2,3,4,7], экспериментально установлено взаимное влияние факторов относительной плотности ВВ и его относительного диаметра заряда на скорость детонации ВВ в диаметрах заряда конечного размера.

Поскольку все факторы представлены в безразмерном виде, то можно утверждать, что коэффициент А в этих зависимостях, согласно (1) равен значению идеальной скорости детонации гексогена и октогена. Так согласно работ [1,2,3] идеальная скорость детонации ВВ гексогена равна 8750 - 8950 м/с, а октогена 9117 - 9400 м/с.

Действительно согласно ряда работ о которых уже упоминалось выше, об этом факте говорилось и делалось предположение, что по значению идеальной скорости детонации ВВ можно определить скорость детонации в зарядах конечного диаметра, но оказалось, что эти зависимости гораздо более сложные и учитывают не только каждый в отдельности фактор, но и их взаимодействие.

Математические зависимости в виде (15-18) позволяют определить скорость детонации ВВ в зависимости от плотности ВВ в заряде, диаметра заряда и диаметра, при котором процесс детонации затухает, то есть в нем происходит затухание процесса детонации ВВ. В свою очередь вызывает интерес возможности применения данных зависимостей при исследовании режимов детонации ВВ вблизи значений диаметра зарядов, приближающихся к критическому диаметру детонации ВВ. С четырьмя выбранными ВВ были проведены опыты, с целью установления изменения скорости детонации ВВ при приближении заряда к критическому диаметру. Результаты этих исследований приведены в табл. 4. В основу этих исследований был положен метод телескопических зарядов, при котором на зарядах ВВ с диаметром близким к критическому измерялась скорость детонации.

Таблица 4 - Результаты исследований по установлению изменения скорости детонации ВВ при приближении заряда к критическому диаметру

Для интерпретации полученных экспериментальных результатов скорости детонации ВВ вблизи их критических диаметров детонации по зависимостям (15-18) при плотностях ВВ, указанных в табл. 4 построены графики изменения скорости детонации ВВ от диаметра заряда. На графиках (рис. 1) показаны экспериментальные точки скоростей детонации ВВ при диаметрах, приближающихся к критическим. В результате исследований установлено, что при диаметрах зарядов больше критического но меньше примерно d₃<1,5d_кр наблюдается более резкий спад скорости детонации ВВ, чем предполагаемое, снижение скорости детонации ВВ согласно расчету по полученным зависимостям (15-18). Это указывает на то, что скорость детонации ВВ в диаметрах заряда которые близки по значениям к критическому, низкая и имеет низкоскоростной неустойчивый характер, природа которого пока до конца неясна.

Рис. 1 - Изменение скорости детонации ВВ от диаметра заряда: 1 - A-IX-I по модели (16); 2 - ГФу по модели (15); 3 - окфол-3,5 по модели (17); 4 - ОКФу по модели (18); 5 - A-IX-I опыт; 6 - ГФу опыт; 7 - окфол-3,5 опыт; 8 - ОКФу опыт

Выводы

1.  Установлены зависимости скорости неидеальной детонации ВВ от плотности ВВ и диаметра заряда для ВВ на основе октогена и гексогена в зарядах конечного диаметра.

2.  Исследование нестационарной детонации ВВ в зарядах конечного диаметра позволило экспериментально установить взаимное влияние факторов относительной плотности ВВ и его относительного диаметра заряда на скорость детонации ВВ. При этом необходимо учитывать значение диаметра заряда, при котором процесс детонации в заряде ВВ затухает.

3.  Установленные экспериментально зависимости нестационарной скорости детонации ВВ в зарядах конечного диаметра имеют верхний предел скорости детонации, который по своему значению равен идеальной скорости детонации ВВ.

4.  Исследовано изменение скорости детонации ВВ при неидеальных режимах вблизи значений диаметра заряда, близких к критическому примерно d₃<1,5d_кр, которое позволило установить, что скорость неидеальной детонации ВВ в этих диаметрах характеризуется низкоскоростным режимом и ее спад при изменении диаметра заряда ВВ более резкий, чем предполагают полученные зависимости (15-18).

Дальнейшие работы необходимо проводить в направлении изучения низкоскоростных режимов детонации ВВ вблизи критического диаметра и установления их связи с нестационарными режимами энерговыделения во фронте детонации.

Литература

1.Urbanski Т. Chemistry and technology of Exsplosives. - Oxford-New York: Pergamm press Ltd, 1984. - 702 p.

2. Авакян Г.А. Расчет энергетических и взрывчатых характеристик ВВ. -М.: ВИА им. Дзержинского, 1964. - 106 с.

3. Айзенштадт И.Н. Метод расчета идеальной скорости детонации конденсированных ВВ // Физика горения и взрыва. - 1976. - № 5. - С. 754-758.

4. Болховитинов Л.Г., Викторов С.Д. Зависимость скорости детонации от диаметра заряда // Физика горения и взрыва. - 1976. - № 5. - С. 799-801.

5. Кобылкин И.Ф., Соловьев В.С., Бойко М.М. Критический диаметр стационарной детонации высокоплотных ВВ. Влияние оболочки // Физика горения и взрыва. - 1983. - № 4. - С. 120- 123.

6. Афанасьев Г.Т., Бедов В.И., Сергиенко О.И. Детонационная способность твердых ВВ при высокой плотности // Физика горения и взрыва. - 1981. - № 2. - С. 158-159.

7. Детонационные волны в конденсированных средах / А.Н. Дремин, С.Д. Савров, В.С. Трофимов, К.К. Шведов. - М.: Наука, 1970. - 162 с.

8. Бондарь А.Г., Статюха Г.А., Потяшенко И.А. Планирование эксперимента при оптимизации процессов химической технологии. - К.: Вища школа, 1980. - 262 с.