Экспериментальное исследование инициирования и эволюции неустойчивости детонации жидких взрывчатых веществ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Рапота Даниил Юрьевич

• Рапота Даниил Юрьевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Рапота Даниил Юрьевич

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Теоретические основы детонационных волн

1.2. Инициирование детонации ударными волнами

1.3. Механизм распространения и условия потери устойчивости детонации в жидких взрывчатых веществах

1.4. Критический диаметр и волны срыва реакции

1.5. Влияние химических реакций на устойчивость детонационных волн

1.6. Расширение представлений о ячеистой неоднородности

Глава 2. Методика эксперимента

2.1. Электроконтактный датчик

2.2. Сверхскоростной фоторегистратор

2.3. Сверхскоростная фотокамера

2.4. Лазерный доплеровский измеритель скорости

2.5. Схемы и параметры экспериментов

Глава 3. Экспериментальное исследование неустойчивости детонационного фронта в жидких взрывчатых веществах

3.1. Неоднородность инициирования

3.2. Волны срыва реакции на краю заряда

3.3. Неустойчивость стационарных детонационных волн, ячеистая структура фронта

3.4. Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование инициирования и эволюции неустойчивости детонации жидких взрывчатых веществ»

Введение

История изучения детонационных процессов насчитывает уже более двух сотен лет и берёт своё начало с опубликованного в XVIII веке французским естествоиспытателем Лавуазье А. Л. «Трактата по элементарной химии» [1]. Исследования детонации как отдельного явления начинаются с 1881 года, после публикации трудов двух независимых групп французских учёных: Малляра и Ле Шателье, а также Бертло и Вьеля. Первые отечественные работы по этому вопросу, связаны с расчётами В. А. Михельсона, в ходе которых были выведены уравнения для распространения детонационной волны (ДВ) и получено выражение для скорости детонации [2]. Последующие фундаментальные исследования ассоциируются с такими именами как: Чепмен, Жуге, Зельдович, Нейман, Дёринг и др. Их работы легли в основу теорий, которыми до сих пор пользуются преемники [3-8].

Актуальность избранной темы и степень её разработанности

Несмотря на многолетний опыт исследования различных взрывчатых веществ (ВВ) и явлений в них происходящих, на данный момент наиболее изученными являются газовые смеси, в меньшей степени исследованы твёрдые и жидкие ВВ. Тогда как наблюдение процессов развития детонации в твёрдых образцах осложнено их непрозрачностью, жидкие образцы лишены этого недостатка. К отличительным чертам последних можно также отнести: возможность варьировать детонационные параметры в широком диапазоне путём добавления инертных разбавителей; способность равномерного распределения по объёму сложной формы, что в свою очередь делает их лучшими кандидатами для использования в нестандартных условиях; высокую степень гомогенности и обладание детонационными параметрами, сопоставимыми с твёрдыми ВВ.

Ввиду всего вышеизложенного, жидкие взрывчатые вещества являются не только хорошими модельными объектами для исследования процессов детонации, но и весьма перспективным ресурсом для использования в: промышленности

(смеси на основе нитрометана [9]); детонационных двигателях (смеси на основе нитрометана [10]); ракетных топливах (бис-(2-фтор-2,2-динитроэтил)-формаль [11]); взрывных экспериментах (нитрометан, тетранитрометан, бис-(2-фтор-2,2-динитроэтил)-формаль и др.); военных разработках.

Однако существует ряд особенностей, понимание природы которых необходимо для реализации потенциала этой разновидности ВВ. К таковым можно отнести существование неустойчивости детонационного фронта на разных этапах его развития. Её принято разделять на три основных типа: неустойчивость инициирования детонационных волн в гомогенных ВВ, ячеистую неустойчивость детонационного фронта и образование волн срыва реакции на краю заряда. Все эти явления могут по-разному влиять на характер течений в детонационных волнах и макрокинетику химических реакций, приводя к возникновению уникальных картин на фронте. Кроме того, открытие ячеистых структур привело к осознанию неустойчивости одномерной модели Зельдовича-Неймана-Дёринга (ЗНД) [5-7,12] для реального детонационного фронта. Причиной этого стала сильная зависимость реальных химических реакций от температуры, что не учитывалось ранее. Несмотря на это, современная гидродинамическая теория детонации (ГТД), основой для формирования которой послужили работы перечисленных выше учёных, правильно объясняет качественные особенности детонационных процессов и даёт возможность рассчитать основные параметры детонационной волны. Но часть наблюдаемых процессов развития различных типов неустойчивости и причины их возникновения, уже не находят объяснения в её рамках [8]. Следует также отметить, что неустойчивость ДВ встречается и в твёрдых ВВ [13], и в газах [14-16], но условия её возникновения отличаются в зависимости от рассматриваемого вещества.

Одни из первых экспериментальных исследований детонационных волн в жидких взрывчатых веществах были проведены Дрёминым А.Н. с соавторами [17]. Ими, в частности, высказано предположение, что в жидких ВВ, как и в газах, в результате потери устойчивости формируется сложная трёхмерная структура

фронта, одной из особенностей которой является возникновение косых и поперечных детонационных волн, в которых температура должна быть выше ударно-сжатого не реагирующего ВВ, что должно проявляться на свечении фронта. Именно эта структура и приводит к образованию регистрируемых в дальнейшем ячеистых структур. На основе этих работ также была построена теория возникновения и развития волн срыва реакции на краю заряда, которые определяют критический диаметр гомогенных ВВ. Детальных исследований касаемо очагового характера инициирования при ударно-волновом воздействии ранее не проводилось. Из современных авторов можно выделить исследования с применением интерферометрической методики, проведённые Уткиным А.В. с коллегами [18-22]. С появлением новейших типов фоторегистрирующего оборудования стало возможным не только по-новому взглянуть на уже полученные результаты, но и установить их соответствие как между собой, так и с разработанными на их основе теориями.

Цели и задачи

Целью данной работы являлось: исследовать особенности проявления неустойчивых режимов инициирования и развития детонации в жидких взрывчатых веществах на основе тетранитрометана (ТНМ), нитрометана (НМ) и бис-(2-фтор-2,2-динитроэтил)-формаля (ФИФО) при помощи методик сверхскоростной фоторегистрации и лазерной интерферометрии.

Для этого были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать особенности проявления неустойчивости ударно-волнового инициирования детонации в гомогенных смесях жидких взрывчатых веществ с инертными разбавителями при разной концентрации последнего.

2. Исследовать особенности проявления волн срыва реакции на краю заряда в гомогенных смесях жидких взрывчатых веществ в зависимости от концентрации инертных разбавителей.

3. Исследовать особенности проявления ячеистой структуры фронта, возникающей при потере устойчивости детонационных волн в гомогенных смесях жидких ВВ с различной концентрацией инертных разбавителей.

4. Сопоставить результаты, полученные при помощи различных методик, для каждой серии экспериментов.

5. Сопоставить полученные результаты с существующими теоретическими представлениями.

Выбор объектов исследования

При выборе жидких взрывчатых веществ и инертных разбавителей к ним, учитывались следующие факторы:

• взаимная растворимость в произвольном соотношении;

• химическая устойчивость компонентов смесей (ВВ/разбавитель) по отношению друг к другу;

• стабильность получаемых растворов (неизменность свойств в течение продолжительного промежутка времени);

• технологическая доступность компонентов в достаточном для проведения экспериментов количествах.

Исходя из описанных факторов в перечень исследуемых образцов вошли следующие жидкие взрывчатые вещества: ТНМ, НМ, ФИФО; в качестве инертных разбавителей выступали: нитробензол (НБ), метанол (М), ацетон (Ац).

Методология и методы диссертационного исследования

В ходе работы применялись такие методы исследования детонационного фронта как: сверхскоростная фоторегистрация в режиме щелевой развёртки (СФР), запись волновых профилей многоточечным лазерным интерферометром VISAR с наносекундным временным разрешением, а также покадровая съёмка процессов детонации сверхскоростной камерой НАНОГЕЙТ 22/16, подробные характеристики которой указаны далее в работе. Для синхронизации момента подрыва и начала съёмки, применялись электроконтактные датчики.

Экспериментальные сборки конструировались на основе классической схемы постановки эксперимента по исследованию жидких взрывчатых веществ.

Научная новизна

Впервые получены снимки детонационного фронта с высоким пространственным и временным разрешением для ряда жидких взрывчатых веществ и их смесей с инертными разбавителями. В частности, показана динамика эволюции детонационных волн на различных этапах их развития.

Показано влияние инертных добавок на характер инициирования жидких ВВ. Обнаружены неклассические режимы возникновения и развития детонационного фронта, описания которых не встречается в литературных данных.

Показана необычная динамика влияния краевых эффектов вблизи критических концентраций разбавителей на поверхность детонационного фронта. И их взаимодействие с присутствующими в нём ячеистыми неоднородностями.

Обнаружены различные типы ячеистых структур детонационного фронта в жидких взрывчатых веществах и их смесях с разбавителями. Исследована динамика их развития.

Проведено комплексное исследование детонационных волн в жидких ВВ с использованием различного регистрирующего оборудования. И впервые выполнено сопоставление данных, полученных при помощи различных методик.

Теоретическая и практическая значимость работы

Полученные снимки детонационного фронта жидких взрывчатых веществ и проведённый в ходе работы анализ дают возможность выделить существенные, ранее не наблюдавшиеся, особенности и отличия в поведении исследованных образцов. В том числе позволяют по-новому взглянуть на процессы, протекающие на разных этапах развития детонации в них. Что, в свою очередь, может стать толчком к дальнейшему развитию теории детонации.

Помимо сугубо научного приложения, результаты исследований представляют практический интерес в сферах, где востребовано применение различных типов ВВ. В частности, для изучения поведения материалов при сверхвысоких нагрузках, проектировании новейших типов детонационных двигателей и в горнодобывающей промышленности.

Положения, выносимые на защиту

1. Очаговый характер инициирования гомогенных жидких взрывчатых веществ в смесях с инертными разбавителями и влияние очагов на поле скоростей в области их возникновения и слияния.

2. Обнаружение условий и регистрация проявления неклассических режимов развития волн срыва реакции в смесях жидких взрывчатых веществ с инертными разбавителями.

3. Проявление и эволюция различных типов ячеистой структуры детонационного фронта в смесях жидких взрывчатых веществ с инертными разбавителями и их влияние на поле скоростей.

4. Метод сопоставления результатов, полученных при помощи методик сверхскоростной фоторегистрации и сверхскоростной фотосъёмки.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в теоретическом анализе литературы по теме диссертации; выполнении части экспериментальной работы, не касающейся личного контакта со взрывчатыми веществами; обработке, анализе и интерпретации данных, полученных при помощи фотометодик; формулировке выводов; подготовке докладов на конференции и участии в оформлении статей.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность результатов, полученных в работе, обеспечивается: стабильной воспроизводимостью экспериментальных данных, согласованностью и непротиворечивостью результатов, полученных с помощью различных современных методов анализа, соответствием полученных результатов данным,

имеющимся в научной литературе, использованием отработанных методик. Применявшиеся в работе экспериментальные методики и приборы, отличаются высоким уровнем разработки и позволили получить надежные количественные и качественные данные.

Основные результаты диссертации подвергались многократной независимой положительной экспертизе и опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, индексируемых в Scopus, Web of Science, относящихся к журналам К1 в классификации ВАК Минобрнауки РФ; неоднократно обсуждались на российских и международных конференциях, на семинарах ФИЦ ПХФ и МХ РАН и доступны для широкого круга специалистов.

Результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях в научных журналах и в 5-ти сборниках докладов российских и зарубежных конференций:

• V.A. Sosikov, S.I. Torunov, A.V. Utkin, V.M. Mochalova, D.Y. Rapota Experimental investigation of detonation waves instabilities in liquid high explosives //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2018. -Т. 946. - №. 1. - С. 012058.

• Рапота Д.Ю., Уткин А.В., Мочалова В.М., Торунов С.И., Сосиков В.А. Особенности ударно-волнового инициирования детонации в жидких взрывчатых веществах //Физика горения и взрыва. - 2023. - Т. 59. -№. 4. - С. 111-121.

• Уткин А.В., Мочалова В.М., Астахов А.М., Рыкова В.Е., Сосиков В.А., Рапота Д.Ю., Торунов С.И. Структура детонационных волн в смесях тетранитрометана с ацетоном //Физика горения и взрыва. - 2023. - Т. 59. -№. 4. - С. 122-130.

• Сосиков В.А., Торунов С.И., Рапота Д.Ю., Мочалова В.М., Уткин А.В., Колдунов С.А. Структура неустойчивого детонационного фронта в жидких ВВ //Физика горения и взрыва. - 2024.

• Experimental investigation of detonation waves instabilities in liquid high explosives / V.A. Sosikov, S.I. Torunov, A.V. Utkin, V.M. Mochalova and D.Yu. Rapota // Тезисы международной конференции "Физика экстремальных состояний вещества". - Эльбрус, 2017.

• Особенности ударно - волнового инициирования детонационного фронта в жидких взрывчатых веществах / Рапота Д.Ю., Уткин А.В., Мочалова В.М., Торунов С.И., Сосиков В.А. // Тезисы XVI Всероссийского симпозиума по горению и взрыву. — Институт проблем химической физики РАН г. Черноголовка, 2022. — С. 145-146.

• Instability of detonation waves in mixtures of tetranitromethane with methanol and nitrobenzene / A.V. Utkin, V.M. Mochalova, D.Y. Rapota, V.A. Sosikov, S.I. Torunov. // Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes: Proceedings of the 10-th International Voevodsky Conference. September 5-9, 2022 / IPC Novosibirsk State University. - Novosibirsk 2022. - P. 118.

• Уткин А.В., Мочалова В.М., Рапота Д.Ю., Сосиков В.А., Торунов С.И. Структура неустойчивого детонационного фронта в жидких ВВ // Тезисы докладов Всероссийской конференции «Физика взрыва: теория, эксперимент, приложения». Новосибирск 2023. - С. 96.

• Рапота Д.Ю., Сосиков В.А., Торунов С.И., Уткин А.В., Мочалова В.М. Сравнительный анализ развития ячеистых неоднородностей на поверхности детонационного фронта в различных смесях жидких взрывчатых веществ // Сборник тезисов XXXV симпозиума «Современная химическая физика». Туапсе 2023. - С. 141.

А также вошли в доклады на Всероссийских и международных конференциях и симпозиумах:

V.A. Sosikov, S.I. Torunov, A.V. Utkin, V.M. Mochalova and D.Yu. Rapota Experimental investigation of detonation waves instabilities in liquid high

explosives // Международная конференция "Физика экстремальных состояний вещества". - Эльбрус, 2017.

• Рапота Д.Ю., Уткин А.В., Мочалова В.М., Торунов С.И., Сосиков В.А. Особенности ударно - волнового инициирования детонационного фронта в жидких взрывчатых веществах // XVI Всероссийский симпозиум по горению и взрыву. 4-9 сентября 2022, Россия, Суздаль.

• A.V. Utkin, V.M. Mochalova, D.Y. Rapota, V.A. Sosikov, S.I. Torunov. Instability of detonation waves in mixtures of tetranitromethane with methanol and nitrobenzene // 10-th International Voevodsky Conference. September 5-9, 2022 / IPC Novosibirsk State University.

• Рапота Д.Ю., Уткин А.В., Мочалова В.М., Торунов С.И., Сосиков В.А. Неустойчивость ударно-волнового инициирования и развития детонационного фронта в жидких взрывчатых веществах // I Всероссийская школа НЦФМ по газодинамике, физике взрыва и экстремальным состояниям вещества. 13-16 марта 2023, Россия, Саров.

• Уткин А.В., Мочалова В.М., Рапота Д.Ю., Сосиков В.А., Торунов С.И. Структура неустойчивого детонационного фронта в жидких ВВ // Всероссийская конференция «Физика взрыва: теория, эксперимент, приложения». 18-21 сентября 2023, Россия, Новосибирск.

• Рапота Д.Ю., Сосиков В.А., Торунов С.И., Уткин А.В., Мочалова В.М. Сравнительный анализ развития ячеистых неоднородностей на поверхности детонационного фронта в различных смесях жидких взрывчатых веществ // XXXV Симпозиум «Современная химическая физика». 18-28 сентября 2023, Россия, Туапсе.

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Теоретические основы детонационных волн

Работы, опубликованные Михельсоном, Чепменом и Жуге в 1893-1904 годах, стали основополагающими в разработке классической теории детонации [24]. В своих статьях исследователи не только дали определение сверхскоростным явлениям, наблюдаемым в газах и газовых смесях, но и вывели законы, которыми эти явления можно описать.

Согласно разработанной модели, детонационная волна представляет собой ударную волну (УВ) с пренебрежимо малым временем химического превращения во фронте. При распространении такой волны по нереакционноспособной среде, отток продуктов непосредственно за её границей будет дозвуковым, что приведёт к проникновению в неё волн разрежения, ослаблению и затуханию процесса. Для возможности распространения ДВ по среде с постоянной скоростью необходимо, чтобы скорость оттока продуктов детонации от поверхности разрыва была больше или равна местной скорости звука. Гипотеза, выдвинутая Чепменом и Жуге, приравняла эти две скорости, благодаря чему неполная система уравнений описывающих состояние газов, прошедших через детонационный фронт, дополнилась недостающим. Это позволило рассчитать параметры ДВ и сравнить их с полученными в ходе экспериментов. Совпадение значений послужило подтверждением справедливости теории Михельсона-Чепмена-Жуге, впоследствии названной классической гидродинамической теорией детонации.

Согласно ГТД, можно выделить основные отличительные особенности детонации и дать ей чёткое определение [17]:

1. Детонация - это самораспространяющийся волновой процесс, при котором последовательно, от слоя к слою происходит химическое превращение взрывчатого вещества.

2. В отличии от горения скорость движения фронта химического превращения

0 при детонации гораздо выше скорости звука в невозмущённом веществе, а сам процесс может протекать без взаимодействия с окружающей средой.

3. Химическое превращение в ДВ сопровождается механическим движением среды, в которой происходит реакция. В свою очередь механическое движение оказывает влияние на состояние вещества в детонационном фронте, что отражается на скорости химических реакций в нём. Таким образом, детонация - это не только химический, но и газодинамический процесс. Более того, именно законы газодинамики являются определяющим фактором в описании детонационных волн.

Для расчётов в своих работах Михельсон Чепмен и Жуге не учитывали ширину и кривизну зоны химического превращения, представляя детонационный фронт как поверхность разрыва, отделяющую исходное вещество от продуктов реакции. Предполагая среды по обе стороны ДВ изотропными газами и связывая систему отсчёта с движущимся фронтом, можно записать законы сохранения массы (ЗСМ) (1.1), импульса (ЗСИ) (1.2) и энергии (ЗСЭ) (1.3) в следующем виде:

р0Б = р(Б -и) = у, или и = р0Б(У0 -У) = ](У0 - У); (1.1) р0Ои = Р-Р0, или у2 = (12

Е-Е0 = 2 (Р + Р0)(У0-У). (13

Тут Р0, Уо, Е0, ро - параметры исходного ВВ; Р, V, Е, р - параметры продуктов детонации; О - скорость ДВ (или скорость исходного ВВ относительно детонационного фронта); и - скорость продуктов детонации; у - плотность потока вещества через поверхность ДВ, или масса реагирующего вещества в единицу

времени на единице площади детонационного фронта. Следует учитывать, что

1 1

У0 = — и У = - - удельные объёмы вещества до и после прохождения через

поверхность разрыва соответственно.

В дальнейших расчётах предполагается, что продукты детонации (ПД) находятся в состоянии термодинамического равновесия и удовлетворяют

уравнению идеального газа, которое является четвёртым в этой системе и записывается в следующем виде:

Е = Е(Р, V)= ^ + Q; (L4)

Ео = Ео (PqVQ) = ^ + Qo; (L4a)

где у = — - отношение удельных теплоёмкостей при P, V=const; Q - постоянная

Су

величина, которая зависит от химического состава газа, и выбора нулевого уровня отсчёта энергии, обычно этот уровень выбирают так, чтобы Q = 0; тогда Q0 -изобарно-изохорный тепловой эффект реакции.

Подставляя 1.4 и 1.4а в 1.3 и после несложных преобразований получаем: р = 2(Y-1)Qo+PQ[(Y+1)VO-(J-1)V] (1.5)

(Y+1)V-(Y~1)V0 •

Данное выражение является уравнением для кривой детонационной адиабаты (Рисунок 1) с вертикальной асимптотой при:

Г = ^ = ^о; (16)

где Упр - предельный объём, до которого могут быть сжаты продукты в процессе детонации.

Исходя из ЗСИ (1.2), из точки Р0, V0 можно провести ряд лучей в плоскости P-VРисунка 1. Эти лучи называются прямыми Михельсона, а тангенс их наклона равен tgy = j2. По этой причине реальным процессам будут соответствовать только прямые с tgy > 0, следовательно в плоскости P-V можно исключить области I и III. Область IV описывает процессы горения, стационарной детонации там существовать не может. Таким образом, только точки, лежащие в области II, могут описывать реально существующие детонационные процессы.

Р

Р

УПР Уо

V

Рисунок 1 - Детонационная адиабата по теории Михельсона-Чепмена-Жуге 1(1') - детонационная адиабата; 2, 3, 4, 6 - прямые Михельсона [17].

Для полного описания детонационной волны недостаёт пятого уравнения, в основе которого лежит предположение, что может существовать только такой режим детонации, при котором скорость оттока продуктов будет равняться относительной скорости звука, и он называется нормальным:

где 5 - удельная энтропия, то воспользовавшись законами сохранения массы и импульса можно доказать одновременное касание прямой Михельсона детонационной адиабаты и изэнтропы в точке А, точке Чепмена-Жуге (ЧЖ). Из чего следует справедливость выдвинутого предположения.

При с2 < (Б - и)2, звуковая граница оттока ПД будет постоянно отдаляться от детонационного фронта и такая волна не будет стационарной, этот режим называют недосжатой ДВ (участок ниже точки А в области II на Рисунке 1).

с2 = (Б- и)2. Учитывая, что:

(1.7)

(1.8)

В случае с2 > (Б - и)2, волны разрежения начинают проникать во фронт и гасить его, что также негативно сказывается на стационарности течения, такой режим называется пересжатым (участок выше точки А в области II на Рисунке 1). Условие 1.7 получило название: правило отбора Чепмена-Жуге.

Спустя некоторое время Л. Д. Ландау и К. П. Станюкович показали, что расчёт применим и к конденсированным ВВ, если предполагать, что продукты их детонации газообразные [23]. Подробный вывод, доказательства и примеры вычислений параметров детонационных волн согласно ГТД представлены в работах [8,23]. Тем не менее, изложенная выше теория не в силах ответить на вопрос: почему выполняется именно это правило отбора скоростей, а не какое-нибудь другое. Более подробно поставленным вопросом занялся Я. Б. Зельдович.

Изложенная Я. Б. Зельдовичем теория опирается на то, что при анализе вывода законов сохранения, становится очевидно их применение к плоской стационарной детонационной волне с зоной реакции конечной ширины a. По определению стационарной ДВ называется такая волна, в которой скорость, ширина зоны реакции и распределение макроскопических параметров не меняются со временем. Для такого фронта верны следующие неравенства:

1. Ь » а, Я » а - радиус кривизны Я и длина заряда Ь значительно больше ширины фронта a;

_ йО а йО а

2 .--«и - изменение скорости фронта — за время - незначительно по

сравнению с этой самой скоростью D.

Далее будем рассматривать распространение такой волны в гомогенной среде и с одномерным потоком в зоне реакции. В этом случае ДВ будет называться идеальной. Так же предположим, что продукты детонации находятся в состоянии термодинамического равновесия. Тогда в пределах зоны реакции удельную внутреннюю энергию можно считать функцией только давления, объёма и химического состава ^

Е = Е(Р, V, к). (1.9)

Подставляя (1.9) в (1.3) и считая к = const получим уравнение промежуточной детонационной адиабаты постоянного состава:

Е(Р, V, к) -Ео = 1 (Р + Ро)(Уо -V). (U0)

Подстановка в уравнение к = к0 даст уравнение ударной адиабаты, которая характеризует движение по среде поверхности разрыва без химических реакций. При к = &(1,2,з...), где k(12i3...) - значение некоторого конечного состава, получим детонационную адиабату конечных продуктов реакции. Последняя проходит круче равновесной детонационной адиабаты, пересекает её в некоторой точке и имеет те же свойства. Подробнее доказательство этого изложено в [8]. Взаимное расположение ударной адиабаты исходного вещества (к0), равновесной детонационной адиабаты (p) и промежуточных детонационных адиабат постоянного состава (к(123)) при полностью экзотермической реакции показано на Рисунке 2.

Р

,, кв A'i Р к: кз

1\1/я' i

^ТаЧ 1

\ \V\

VwW7

хх^ч1

\к,

Vo V

Рисунок 2 - Взаимное расположение ударной адиабаты исходного вещества (к0), равновесной детонационной адиабаты (р) и промежуточных детонационных адиабат постоянного состава (к(12,з)) при экзотермической от начала до конца химической реакции [17].

Как следует из ЗСИ, термодинамическое состояние среды определяет точка, скользящая вдоль одной из прямых Михельсона до момента пересечения с равновесной детонационной адиабатой. Глядя на Рисунок 2, становится очевидно, что скольжение можно осуществлять как снизу, так и сверху. В первом случае, достижимыми будут только те состояния, которые лежат на слабой ветви детонационной адиабаты. Это значит, что в зависимости от механизма протекания химических реакций, реализуются только нормальный и любые недосжатые механизмы детонации. Однако такая реакция не будет самоподдерживающейся. Учитывая, что явления переноса и передача лучистой энергии в детонационном фронте пренебрежимо малы, то единственный вариант достижения равновесных точек - скольжение сверху, то есть ударное сжатие вещества. Следовательно, передней границей зоны реакции будет ударный фронт, переводящий вещество скачком из точки О в точку А или любую А ' лежащую выше на ударной адиабате. Далее, по мере протекания реакции, происходит понижение давления и рост удельного объёма вдоль прямой Михельсона до пересечения её с равновесной детонационной адиабатой (точки В и В'). Таким образом, в пределах детонационного фронта существует зона повышенного давления называемая химпиком, пространственное распределение давления в котором зависит от кинетики протекания химических реакций. Механизм инициирования детонации путём ударно-волнового разогрева и существование химпика легли в основу теории Зельдовича. Распределение давления в такой детонационной волне показано на Рисунке 3.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рапота Даниил Юрьевич, 2024 год

Список литературы

1. Долгобородов А.Ю. К истории «открытия» явления детонации // В Сборнике Горение И Взрыв. 2013. № 6. P. 329.

2. Михельсон В.А. О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей // Учёные Записки Императорского Московского Университета Отд. Физ-Мат Наук. 1893. № 10. P. 1-92.

3. Chapman D.L. VI. On the rate of explosion in gases // Lond. Edinb. Dublin Philos. Mag. J. Sci. Taylor & Francis, 1899. Vol. 47, № 284. P. 90-104.

4. Jouguet E. On the propagation of chemical reactions in gases // J Math. Pures Appl. 1905. Vol. 1, № 347-425. P. 2.

5. Зельдович Я.Б. К теории распространения детонации в газообразных системах // Журнал Экспериментальной И Теоретической Физики. 1940. Vol. 10, № 5. P. 542-568.

6. Von Neumann J. Theory of detonation waves. Office of Scientific Research and Development // Natl. Def. Res. Comm. Div B Tech. Rep. 1942. Vol. 549.

7. Döring W. Über den detonationsvorgang in gasen // Ann. Phys. Wiley Online Library, 1943. Vol. 435, № 6-7. P. 421-436.

8. Орленко Л.П. Физика взрыва; изд. 3-е испр./Орленко ЛП-М. ФИЗМАТЛИТ, 2004.

9. Комиссаров П.В. и др. Смесевые составы для подводных взрывов с усиленным действием за счет включения воды как внешнего окислителя и их взрывные характеристики // Физико-Химическая Кинетика В Газовой Динамике. Научно-исследовательский институт механики МГУ, 2011. Vol. 12, № 1. P. 5-5.

10. Борисов А.А. и др. Оценка характеристик однотактного импульсного детонационного двигателя, работающего на гетерогенном топливе // Химическая Физика. Федеральное государственное бюджетное учреждение" Российская академия наук", 2003. Vol. 22, № 8. P. 68-74.

11. Бестужева В.В. и др. Полимерные связующие энергетических конденсированных систем // Известия Санкт-Петербургского Государственного

Технологического Института Технического Университета. 2013. № 21 (47). P. 093-101.

12. Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. Теория детонации. 1955.

13. Bassett W.P. et al. Shock Initiation Microscopy with High Time and Space Resolution // Propellants Explos. Pyrotech. 2020. Vol. 45, № 2. P. 223-235.

14. Щелкин К.И. Газодинамика горения. Изд-во Академии наук СССР, 1963.

15. Voicehovskij K.I., Mitrofanov V.V., Topchijan M.E. The Structure of the Detonation Front in Gases. Novosibirsk, 1963.

16. Zverev I.N., Smirnov N.N. Gasdynamics of Combustion. Moscow: Moscow State University, 1987.

17. Анатолий Николаевич Дрёмин и др. Детонационные волны в конденсированных средах. Наука, 1970.

18. Utkin A.V., Pershin S.V., Fortov V.E. Change in structure of a detonation wave in 2',2',2'-trinitroethyl-4,4,4-trinitrobutyrate with initial density increase // Dokl. Phys. 2000. Vol. 45, № 10. P. 520-522.

19. Utkin A.V., Mochalova V.M., Torunov S.I. Determination of detonation parameters of liquid high explosives // Russ. J. Phys. Chem. B. 2011. Vol. 5, № 3. P. 513-518.

20. Utkin A.V., Mochalova V.M., Garanin V.A. Structure of detonation waves in nitromethane and a nitromethane/methanol mixture // Combust. Explos. Shock Waves. 2012. Vol. 48, № 3. P. 350-355.

21. Utkin A.V. et al. Instability of a detonation waves in nitromethane and FEFO // Combust. Explos. Shock Waves. 2015. Vol. 51, № 4. P. 476-481.

22. Utkin A.V. et al. Instability of detonation waves in FEFO/methanol solutions // Combust. Explos. Shock Waves. 2017. Vol. 53, № 1. P. 74-81.

23. Ландау Л.Д., Станюкович К.П. Об изучении детонации конденсированных взрывчатых веществ // Доклады Академии Наук СССР. 1945. Vol. 46, № 9. P. 399-402.

24. Campbell A., Davis W., Travis J. Shock initiation of detonation in liquid explosives // Phys. Fluids. American Institute of Physics, 1961. Vol. 4, № 4. P. 498-510.

25. Беляев А.Ф. Горение, детонация и работа взрыва конденсированных систем. Наука, 1968.

26. Боуден Ф.П., Иоффе А.Д. Возбуждение и развитие взрыва в твердых и жидких веществах: Пер. с англ. Иностранной литературы, 1955.

27. Рапота Д.Ю. и др. Особенности ударно-волнового инициирования детонации в жидких взрывчатых веществах // Физика Горения И Взрыва. 2023.

28. Bourne N. Materials in mechanical extremes: fundamentals and applications. Cambridge University Press, 2013.

29. Торунов С.И. Экспериментальное исследование неустойчивости детонационного фронта жидких взрывчатых веществ: диссертация канд. физ.-мат. наук: 01.04.17 / Торунов Сергей Иванович. Черноголовка, 2016.

30. Митрофанов В.В. Детонация гомогенных и гетерогенных систем. Издательство СО РАН, 2003.

31. Харитон Ю.Б. Вопросы теории ВВ. Москва: Академия Наук СССР, 1947. Vol. 1.

32. Михайлюк К.М., Трофимов В.С. Физика горения и взрыва. 1977. Vol. 13, № 4.

33. Кобылкин И.Ф., Соловьев В.С., Бойко М.М. Природа критического диаметра стационарной детонации в конденсированных ВВ // Труды МВТУ. 1982. № 387. P. 13-22.

34. Кобылкин И.Ф., Соловьев В.С., Бойко М.М. Влияние оболочки на величину критического диаметра детонации // Труды МВТУ. 1983. P. 52-59.

35. Кобылкин И.Ф., Соловьев В.С., Бойко М.М. Физика горения и взрыва. 1983. Vol. 19, №4.

36. Кобылкин И. Ф., Соловьев В. С. Критические условия распространения детонационных процессов. Москва: МГТУ, 1991.

37. Дрёмин А.Н., Трофимов В.С. Расчет критических диаметров детонации жидких веществ. ПМТФ, 1964.

38. Hirschfelder J.O., Curtiss C.F. Theory of detonations. I. Irreversible unimolecular reaction // J. Chem. Phys. 1958. Vol. 28, № 6. P. 1130-1147.

39. Williams F.A. Combustion theory. second edition. CRC Press, 2018.

40. Зверев И.Н., Смирнов Н.Н. Газодинамика горения. Москва: Издательство Московского университета, 1987.

41. Фикетт У. Введение в теорию детонации. Мир, Москва, 1989.

42. Уткин А.В. и др. Структура детонационных волн в смесях тетранитрометана с нитробензолом и метанолом // Физика Горения И Взрыва. ФГУП Издательство СО РАН, 2020. Vol. 56, № 5. P. 69-79.

43. Guo D. et al. Enhancing the Detonation Properties of Liquid Nitromethane by Adding Nitro-Rich Molecule Nitryl Cyanide // J. Phys. Chem. C. 2020. Vol. 124, № 18. P. 9787-9794.

44. Nissen E.J., Bhowmick M., Dlott D.D. Ethylenediamine Catalyzes Nitromethane Shock-to-Detonation in Two Distinct Ways // J. Phys. Chem. B. 2021. Vol. 125, № 29. P. 8185-8192.

45. Margetis D. et al. Electronic structure of solid nitromethane: Effects of high pressure and molecular vacancies // J. Chem. Phys. 2002. Vol. 117, № 2. P. 788-799.

46. Zeman S. et al. Accounts of the new aspects of nitromethane initiation reactivity // Cent. Eur. J. Energ. Mater. 2009. Vol. 6, № 1. P. 119-133.

47. Manelis G.B. et al. Thermal decomposition and combustion of explosives and powders. Boca Raton: Taylor & Francis Group, CRC Press, 2003.

48. Bharatam P.V., Lammertsma K. Nitro-aci-nitro tautomerism in high-energy nitro compounds // Energetic Materials, 12 - Part 1. Decomposition, Crystal and Molecular Properties / ed. P.A. Politzer, J.S. Murray. Elsevier, 2003.

49. Tao Y. Ab-initio Study of the Intramolecular Hydrogen Shift in Nitromethane and its Acid-dissociated Anion // Strategies and Applications in Quantum Chemistry / ed. Ellinger Y., Defranceschi M. Dordrecht: Springer Netherlands, 1996. Vol. 14. P. 421425.

50. Gruzdkov Y.A., Gupta Y.M. Mechanism of amine sensitization in shocked nitromethane // J. Phys. Chem. A. ACS Publications, 1998. Vol. 102, № 13. P. 23222331.

51. Brown K.E. et al. Ultrafast chemical reactions in shocked nitromethane probed with dynamic ellipsometry and transient absorption spectroscopy // J. Phys. Chem. A. ACS Publications, 2014. Vol. 118, № 14. P. 2559-2567.

52. Manaa M.R., Fried L.E. DFT and ab Initio Study of the Unimolecular Decomposition of the Lowest Singlet and Triplet States of Nitromethane // J. Phys. Chem. A. 1998. Vol. 102, № 48. P. 9884-9889.

53. Kiselev V.G., Gritsan N.P. Theoretical Investigation of a Chemical Structure Influence of Nitroparaffins on the Mechanism and Kinetics of Their Thermal Decomposition // Khim. Fiz. 2006. P. 54-61.

54. Zeman S. New application of kinetic data of the low-temperature thermolysis of nitroparaffins // Thermochim. Acta. 1995. Vol. 261. P. 195-207.

55. Nissen E.J., Bhowmick M., Dlott D. Shock-induced kinetics and cellular structures of liquid nitromethane detonation //Combustion and Flame. - 2021. - Т. 225. - С. 5-12. P. 5-12.

56. Nissen E.J., Bhowmick M., Dlott D. Shock-induced kinetics and cellular structures of liquid nitromethane detonation // Combust. Flame. 2021. Vol. 225. P. 5-12.

57. Tarver C.M., Urtiew P.A. Theory and Modeling of Liquid Explosive Detonation // J. Energ. Mater. 2010. Vol. 28, № 4. P. 299-317.

58. Описание сверхскоростной фоторегистрирующей установки СФР. 1959.

59. Шнирман Г.Л. Аппаратурные наблюдения. Изд-во ОИФЗ РАН, 2003.

60. НПП НАНОСКАН: Продукция [Электронный ресурс]. URL: https://nanoscan. su/catalog/active/nanogate-2216-ip/ (accessed: 16.04.2024).

61. Durand M. et al. Interferometric laser technique for accurate velocity measurement in shock wave physics // Rev. Sci. Instrum. American Institute of Physics, 1977. Vol. 48, № 3. P. 275-278.

62. Strand O.T. et al. Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques // Rev. Sci. Instrum. AIP Publishing, 2006. Vol. 77, № 8.

63. Jensen B.J. et al. Accuracy limits and window corrections for photon Doppler velocimetry // J. Appl. Phys. AIP Publishing, 2007. Vol. 101, № 1.

64. Barker L.M., Hollenbach R.E. Laser interferometer for measuring high velocities of any reflecting surface // J. Appl. Phys. 1972. Vol. 43, № 11. P. 4669-4675.

65. Asay J.R., Barker L.M. Interferometric measurement of shock-induced internal particle velocity and spatial variations of particle velocity // J. Appl. Phys. 1974. Vol. 45, № 6. P. 2540-2546.

66. Hemsing W.F. Velocity sensing interferometer (VISAR) modification // Rev. Sci. Instrum. American Institute of Physics, 1979. Vol. 50, № 1. P. 73-78.

67. Crump Jr O.B., Stanton P.L., Sweatt W.C. The Fixed-Cavity VISAR. Sandia National Labs., Albuquerque, NM (United States), 1992.

68. Fleming K.J., Broyles T.A. Shock analysis using the multi point velocimeter (VISAR).: № SAND2003-3759. Sandia National Laboratories (SNL), Albuquerque, NM, and Livermore, CA (United States), 2003.

69. Кузнецов А.П. и др. Лазерный интерферометр для измерения массовой скорости конденсированных веществ в ударно-волновых экспериментах на протонно-радиографической установке ТВН-ИТЭФ // Приборы И Техника Эксперимента. ФГУП "Издательство "Наука". Москва, 2011. № 3. P. 116-125.

70. Федоров А.В. Параметры пика Неймана и структура фронта детонационной волны конденсированных взрывчатых веществ // Химическая Физика. Федеральное государственное бюджетное учреждение "Российская академия наук," 2005. Vol. 24, № 10. P. 13-21.

71. Федоров А.В. и др. Об устойчивости детонационного фронта смесевых жидких вв: тетранитрометан нитробензол и тетранитрометан нитрометан // Химическая Физика. 2007. Vol. 26, № 12. P. 34-39.

72. Мочалова В.М. и др. Исследование структуры детонационных волн в тетранитрометане и его смесях с метанолом // Физика Горения И Взрыва. Фонд "Центр поддержки науки и культуры", 2009. Vol. 45, № 3. P. 95-100.

73. Mochalova V.M., Utkin A. V. Determination of detonation parameters for liquid high explosives. Chicago, Illinois, 2012. P. 303-306.

74. Уткин А.В., Мочалова В.М., Гаранин В.А. Исследование структуры детонационных волн в нитрометане и смеси нитрометан/метанол // Физика

Горения И Взрыва. Фонд "Центр поддержки науки и культуры", 2012. Vol. 48, № 3. P. 115-121.

75. Уткин А.В. и др. Неустойчивость детонационных волн в растворах фифо/метанол // Физика Горения И Взрыва. Издательство СО РАН, 2017. Vol. 53, № 1. P. 84-91.

76. Франк-Каменецкий Д.А. Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Интеллект, 2008.

77. Sheffield S.F. et al. Homogeneous shock initiation process in neat and chemically sensitized nitromethane // 13-th International Detonation Symposium-2006. Norfolk Virginia, USA, 2006. P. 401-407.

78. Bouyer V. et al. Shock-to-detonation transition of nitromethane: Time-resolved emission spectroscopy measurements // Combust. Flame. Elsevier, 2006. Vol. 144, № 1-2. P. 139-150.

79. Уткин А.В. и др. Структура детонационных волн в смесях тетранитрометана с ацетоном // Физика Горения И Взрыва. 2023.

80. Sosikov V.A. et al. Experimental investigation of detonation waves instabilities in liquid high explosives // J. Phys. Conf. Ser. 2018. Vol. 946. P. 012058.

81. Сосиков Василий Александрович и др. Структура неустойчивого детонационного фронта в жидких ВВ // Физика Горения И Взрыва. 2024.

82. Мочалова В.М., Уткин А.В. Стабилизация неустойчивых детонационных волн в смесях нитрометана с инертными разбавителями // Физика Горения И Взрыва. Издательство СО РАН, 2016. Vol. 52, № 2. P. 130-137.