Исследование структуры стационарных детонационных волн в прессованных взрывчатых веществах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Колесников, Сергей Александрович

• Колесников, Сергей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Колесников, Сергей Александрович

Введение

Глава 1. Теоретические модели детонации. Экспериментальные методы исследования структуры детонационной волны

1.1. История открытия явления детонации. Гидродинамическая теория детонации Чепмена-Жуге

1.2. Классическая теория детонации

1.3. Структура детонационной волны в модели ЗНД.

Нормальный режим детонации

1.4. Обоснование правила отбора скорости детонации в модели ЗНД. Пересжатый и недосжатый режимы детонации

1.5. Детонация реальных ВВ. Обобщение классической теории детонации на случай конденсированных ВВ

1.6. Модели детонации, учитывающие конечную ширину фронта ударной волны

1.7. Экспериментальные методы исследования структуры детонационной волны

1.8. Задачи исследования

Глава 2. Объекты и методы экспериментального исследования

2.1. Объекты исследования 53 2;2. Регистрация профилей массовой скорости 56 2.3. Измерение скорости детонационной волны

Глава 3. Результаты экспериментов

3.1. TNETB

3.2. Крупнодисперсный гексоген

3.3. Мелкодисперсный гексоген

3.4. Октоген

Глава 4. Обсуждение результатов

4.1. Границы применимости модели ЗНД для описания детонации гетерогенных ВВ

4.2. Особенности разложения гетерогенных ВВ.

Горячие точки»

4.3. Зависимость удельного объема эффективных очагов реакции от начальной плотности заряда

4.4. Зависимость доли ВВ, реагирующего во фронте ударной волны, от начальной плотности заряда

4.5. Объяснение полученных экспериментальных результатов с точки зрения моделей детонации, учитывающих конечную ширину фронта ударной волны

Основные результаты диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование структуры стационарных детонационных волн в прессованных взрывчатых веществах»

Актуальность. Согласно классической теории, детонационное превращение взрывчатых веществ (ВВ) осуществляется под действием ударной волны, возбуждающей экзотермическую химическую реакцию. Поэтому стационарная детонационная волна состоит из ударного скачка и следующей за ним зоны химического превращения, в которой давление падает и вещество расширяется, т.е. формируется так называемый «химический пик» (химпик). Многочисленные экспериментальные исследования подтвердили применимость этой модели для гетерогенных ВВ. В то же время в последние годы появился ряд работ, в которых показано, что в некоторых мощных прессованных ВВ при некоторой критической, как правило, высокой начальной плотности исходного заряда в зоне реакции вместо химпика регистрируется рост давления. Возможность распространения стационарной детонационной волны без химпика не соответствует классическим представлениям, что ставит целый ряд вопросов, связанных с границами применимости классической модели. В частности, неясно, реализуется ли в этом случае режим Чепмена-Жуге, каким образом осуществляется правило отбора скорости детонации, обязательным ли является наличие области повышенных давлений в зоне реакции, и т.д. Без знания ответов на эти ключевые вопросы теории, невозможно корректно прогнозировать (в том числе и посредством современных вычислительных методов) такие практически значимые с точки зрения эксплуатации и безопасности свойства взрывчатых веществ, как пределы инициирования и распространения детонации, чувствительность ВВ к внешним воздействиям, и другие аспекты воздействии ударных волн на ВВ. В связи с этим актуальным представляется экспериментальное и теоретическое исследование границ применимости классической модели детонации, а также поиск подходов к описанию процессов детонации за пределами этих границ.

Цель работы. Экспериментальное и теоретическое исследование структуры зоны реакции стационарных детонационных волн, в частности, закономерностей возникновения стационарных режимов без химпика, в прессованных гексогене, октогене и 2',2',2'-тринитроэтил-4,4,4-тринитробутирате (TNETB) при различной дисперности исходного порошка ВВ и начальной плотности зарядов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Колесников, Сергей Александрович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. На примере трех исследованных ВВ (гексоген, октоген, 2',2',2'-тринитроэтил-4,4,4-тринитробутират TNETB) экспериментально показано существование интервалов начальных плотностей зарядов ВВ, внутри которых возможно распространение стационарной детонационной волны без области повышенных давлений в зоне реакции (химпика).

2. Экспериментально показано сильное влияние структуры зарядов на интервалы начальных плотностей, в которых возможно распространение стационарной детонационной волны без химпика.

3. Экспериментально получена для TNETB . зависимость скорости детонации от начальной плотности, на которой обнаружены особенности, свидетельствующие о возможной реализации стационарного недосжатого детонационного режима в том интервале начальных плотностей, в котором наблюдается распространение стационарной детонационной волны без химпика.

4. На основании модели очагового механизма разложения гетерогенных ВВ теоретически показана возможность существования интервалов N начальных плотностей, в которых доля ВВ, разлагающегося во фронте ударной волны, достигает заметных величин.

5. На основе известных теоретических представлений и анализа полученных экспериментальных данных показано, что возможность существования стационарной детонационной волны без химпика, в том числе и стационарного недосжатого детонационного режима, а также влияние структуры заряда на реализующийся детонационный режим, объясняется разложением ВВ во фронте ударной волны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе показана возможность существования стационарных детонационных волн без химпика, в том числе и стационарного недосжатого детонационного режима, в прессованных взрывчатых веществах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Колесников, Сергей Александрович, 2005 год

1. Михельсон В.А. О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей // Учен, зап Имп. Моск. ун-та, отд. физ.-мат,- 1893,-Вып. 10.- С. 1-92.

2. Chapman D.L. On the rate of explosions in gases // Philos. Mag.- 1899.-V.47.- P.90-104.

3. Jouget E. On the propagation of chemical reaction in gases // J. Math. Pure and Appl.- 1905.- V.7.- P.347-425; et 1906.- V.2.- P.5-86.

4. Rankine W. On the thermodynamic theory of waves of finite longitudinal disturbance // Philosophical Transactions of the Royal Society (London).-1870.- V.160.- P.277-288.

5. Hugoniot H. Sur la propagation du mouvement dans les corps etrspecialement dans les gaz parfaits // Journal de l'Ecole Polytechnique.-1889.- V.158.- P.l-126.

6. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. 2-ое изд.- М.: Наука, 1966.-688 с.

7. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. Изд. 3-е, перераб. В 2 т. -М.:ФИЗМАТЛИТ, 2002.

8. Ландау Л., Лифшиц Е. Курс теоретической физики (в 10 тт.) Т.6. Гидродинамика. М.гФИЗМАТЛИТ, 2001. - 736 с.

9. Зельдович Я.Б. К теории распространения детонации в газообразных системах // Журнал экспериментальной и теоретической физики.-1940.- Т. 10, вып. 5. С.542-568.

10. Von Neumann J. Theory of detonation waves // Office of Scientific Research and Development Rept.- 1942.- Division B. Section B-l. Serial №238.

11. Doring W. Uber der detonation vergang in gases // Ann. Phys.- 1943,- V.43, №5.- P.421-436.

12. Гриб А.А. Влияние места инициирования на параметры воздушной ударной волны при детонации взрывчатых газовых смесей // Прикладная механика и математика.- 1944.- Т.8. С.273-286.

13. Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. Теория детонации М.: Гостехиздат, 1955.- 268 с.14.3ельдович Я.Б., Ратнер С.Б. // Журнал экспериментальной и теоретической физики.- 1941.- Т. 11, №1.- С. 170-183.

14. Cook М.А. The Science of High Explosives. New York: Reinold, 1958.407 p.

15. Ewans M.W., Ablow C.M. Theories of detonation // Chemical Reviews.-1961. V.61, №2.- P.129-178.

16. Альтшулер JI.B., Ашаев B.K., Балалаев B.B., Доронин Г.С., Жученко B.C. Параметры и режимы детонации конденсированных ВВ // Физика горения и взрыва.- 1983.- Т.19, №4,- С.153-159.

17. Альтшулер Л.В., Балалаев В.В., Доронин Г.С., Жученко B.C., Обухов А.С. Особенности детонации флегматизированных ВВ // Журнал прикладной механики и технической физики.- 1982,- №1. С.128-131.

18. Альтшулер JI.B., Рязанов В.Т., Сперанская М.П. Влияние тяжёлых примесей на режимы детонации конденсированных ВВ // Журнал прикладной механики и технической физики.- 1972.- №1.- С.122-125.

19. Альтшулер JI.B., Жученко B.C., Имховик Н.А., Меньшов И.С. Механизм детонации флегматизированных взрывчатых веществ // Химическая физика.- 1999.- Т.18, №11.- С.69-71.

20. Гогуля М.Ф., Долгобородов А.Ю., Бражников М.А. Тонкая структура детонационных волн в смесях октогена с алюминием // Химическая физика.- 1998.- Т.17, №1.- С.41-44.

21. Имховик Н.А., Соловьев B.C. Термодинамический расчет параметров детонации смесей ВВ с алюминием // В сб.: Химическая физика процессов горения и взрыва. Детонация: Материалы IX Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву.- Черноголовка, 1989.- С.33-36.

22. Imkhovik N.A., Soloviev V.S. Oxidation of Aluminium Particles in the Products of Condensed Explosives Detonation // In: Proc. of XXI Intern. Pyrotechnics Seminar.- Moscow, 1995.- P.316-331.

23. Альтшулер JI.B., Жученко B.C., Имховик H.A., Меньшов И.С. Режимы недосжатой детонации конденсированных ВВ // Химическая физика.-2001.- Т.20, №8.- С.12-18.

24. Щелкин К.И., Трошин Я.К. Газодинамика горения.- М.: Изд-во АН СССР, 1963.- 256 с.

25. White D.R. Turbulent structure of gaseous detonation // Phys. of Fluids.-1961.- V.4, №4.- P.465-480.

26. Дремин A.H., Савров С.Д., Трофимов B.C., Шведов K.K. Детонационные волны в конденсированных средах.- М.: Наука, 1970.164 с.

27. Вильямс Ф.М. Теория горения.- M.: Наука, 1971.- 616 с.

28. Зверев И.Н., Смирнов Н.Н. Газодинамика горения.- М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987.- 307 с.

29. Фикетт У. Введение в теорию детонации. М.: Мир, 1989,- 216 с.

30. Альтшулер JI.B. Применение ударных волн в физике высоких давлений //Успехи физических наук.- 1965. Т.85, №2.- С. 197-258.

31. LASL Explosive Property Data / Ed. by T.R. Gibbs, A. Popolato.- Berkeley: University of California Press, 1980.

32. Воскобойников И.М., Кирюшкин A.H. и др. // В сб.: Доклады 1 Всесоюзного симпозиума по импульсным давлениям.- М.: ВНИИФТРИ, 1974.- Т.1.- С.42-49.

33. Гогуля М.Ф., Долгобородов А.Ю. // Химическая физика.- 1994.- Т.13, №12.

34. Гогуля М.Ф. Температуры ударного сжатия конденсированных сред.-М.: МИФИ, 1988.

35. S.N.Lubyatinsky, B.G.Loboiko. Density effect on detonation reaction zone length in solid explosives // Shock Compression of Condensed Matter -1997. New York: Woodbury, 1998. - P.743-746.

36. Ашаев B.K., Доронин Г.С., Левин А.Д. // Физика горения и взрыва.-1988.-№1.- С.95-99.

37. Похил П.Ф., Мальцев В.М., Зайцев В.М. Методы исследования процессов горения и детонации.- М.: Наука, 1969.- 301 с.

38. Hayes В. Particle-velocity gauge system for nanosecond sampling rate of shock and detonation waves // Review of Scientific Instruments.- 1981.-V.52, №4.- P.594-603.

39. Burrows K., Chilvers D.K., Gyton R., Lambourn B.D., Wallace A.A. Determination of Detonation Pressure Using a Manganin Wire Technique // The 6th Symposium (International) on Detonation.- Washington, 1976.-P.625-636.

40. Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е, Ударно-волновые явления в конденсированных средах.- М.: Янус-К, 1996,- 408 с.

41. Альтшулер JI.B., Доронин Г.С., Жученко B.C. // Физика горения и взрыва.- 1989.- Т.25, №2.

42. Дорохин В.В., Зубарев В.Н., Орекин Ю.К. и др. // Физика горения и взрыва.- 1985.- Т.21,№4.

43. Дорохин В.В., Зубарев В.Н., Орекин Ю.К. и др. // Физика горения и взрыва.- 1988.- Т.24,№1.

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

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

46. Уткин A.B., Першин C.B., Фортов В.Е. Изменение структуры детонационной волны в 2',2',2'- тринитроэтил-4,4,4-тринитробутирате с ростом начальной плотности // Доклады Академии Наук.- 2000.-Т.374, №4.- С. 486-488.

47. Bloomquist D.D., Sheffild S.F. Optically recording interferometer for velocity-measurements with subnanosecond resolution // J. Appl. Phys.-1983.- V.54, №4.- P.1717-1722.

48. McMillan C.F., Goosman D.R., Parker N.L., Steinmetz L.L., Chau H.H., Huen Т., Whipkey R.K., Perry S.J. Velocimetry of fast surfaces using Fabry-Perot interferometry // Review of Scientific Instruments.- 1988.-V.59, №1.- P.1-21.

49. Власова Г.В., Михайлов A.JI., Поклонцев Б.А.,- Федоров А.В. // Физика горения и взрыва.- 1988,- Т.24, №1.

50. Price D. Dependence of damage effects upon detonation parameters of organic high explosives // Chemical Reviews.- 1959.- V.59, №5.- P.801-825.

51. Dobratz, В. M.; Crawford, P. C. LLNL Explosives Handbook. Properties of Chemical Explosives and Explosive Simulants. Lawrence Livermore National Laboratory, 1985.- Report №UCRL-52997, Change 2.- 524 p.

52. Setchell R.E. Index of refraction of shock-compressed fused silica and sapphire //J. Appl. Phys.- 1979.- V.50, №12.- P.8186-8192.

53. Wise J.L., Chhabildas L.C. Laser interferometer measurements of refractive index in shock-compressed materials // Shock Compression of Condensed Matter 1985. - New York: Plenum Press, 1986. - P.441-454.

54. Уткин А.В., Канель Г.И., Фортов В.Е. Эмпирическая макрокинетика разложения флегматизированного гексогена в ударных и детонационных волнах // Физика горения и взрыва.- 1989.- Т.25, №5.-С.115-122.

55. Kury J.W., Breithaupt R.D., Tarver С.М. Detonation Waves in Trinitrotoluene // Shock Waves.- 1999.- V.9, №4.- P.227-237.

56. Кузьмицкий И.В. О зависимости пространственно-временной структуры зоны химической реакции от начальной плотности взрывчатого вещества // Физика горения и взрыва.- 2004.- №4.- С. 106111.

57. Дремин А.Н. Открытия в исследовании детонации молекулярных конденсированных взрывчатых веществ в XX веке // Физика горения и взрыва.- 2000.- Т.36, №6.- С.31-44.

58. Боуден Ф., Иоффе А. Быстрые реакции в твердых веществах. М.: Изд-во иностранной литературы, 1962.- 243 с.

59. Андреев С.Г., Соловьев B.C. Основы теории чувствительности энергетических материалов. М.: ЦНИИНТИ, 1985.

60. Селиванов В.В., Соловьев B.C., Сысоев Н.Н. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. М.: Изд-во МГУ, 1990.- 263 с.

61. Соловьев B.C. Ударно-волновое инициирование конденсированных ВВ // В сб.: Химическая физика процессов горения и взрыва. Детонация:

62. Материалы IV Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. -Черноголовка, 1977.-С.12.

63. Хасаинов Б.А., Атгетков А.В., Борисов А.А. Ударно-волновое инициирование пористых энергетических материалов и вязко-пластическая модель горячих точек // Химическая физика.- 1996.- Т.15, №7.- С.53.

64. Хасаинов Б.А., Борисов А.А., Ермолаев Б.С. Развитие очага реакции в пористых энергетических материалах // Химическая физика. 1988.-Т.7, №7.- С.989.

65. Аттетков А.В., Соловьев B.C. О возможности разложения гетерогенных ВВ во фронте слабой ударной волны // Физика горения и взрыва.- 1987.- Т.23, №4.- С.113.

66. Афанасьев Г.Т., Боболев В.К. Инициирование твердых ВВ ударом. -М.: Наука, 1968.- 174 с.

67. Дубовик А.В., Боболев В.К. Чувствительность жидких взрывчатых систем к удару. М.: Наука, 1978.- 232 с.

68. Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В., Соловьев B.C., Сысоев Н.Н. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.- 376 с.

69. Мержанов А.Г., Барзыкин В.В., Гонтковская В.Т. Задача об очаговом тепловом взрыве // Доклады АН СССР.- 1963.- Т.148, №2.- С.380.

70. Demol G., Goutelle J.C., Mazel P. CHARME: A Reactive Model for Pressed Explosives Using Pore and Grain Size Distributions as Parameters // Shock Compression of Condensed Matter 1997. - New York: Woodbury, 1998. - P.353-356.

71. N.J.Burnside, S.F.Son, B.W.Asay, C.B.Skidmore. Particle Characterization of Pressed Granular HMX // Shock Compression of Condensed Matter -1997. New York: Woodbury, 1998. - P.571-574.

72. Соловьев B.C., Аттетков А.В., Пырьев В.А. Исследование микроструктуры литых составов // Детонация. Вып. 2.- Черноголовка, 1981.

73. Хасаинов Б.А., Борисов А.А., Ермолаев Б.С., Короткое А.И. Замкнутая модель ударно-волнового инициирования детонации в высокоплотных взрывчатых веществах // В сб.: Химическая физика процессов горения и взрыва. Детонация.- Черноголовка, 1980.- С.52.

74. Andreev S.G. Development of hot-spot model for explosive decomposition in weak shock wave // New Models and Numerical Codes for Shock Wave Processes in Condensed Media. Proceedings of the International Workshop.-Oxford, 1997.- P.78.

75. Янг Д. Кинетика разложения твердых веществ. М.: Мир, 1969.- 263 с.

76. Браун М., Доллимор Д., Галвей А. Реакции твердых тел. М.: Мир, 1983.- 360 с.

77. Скрипов В.П., Синицын Е.Н., Павлов П.А., Ермаков Г.В., Муратов Г.Н., Буланов Н.В., Байдаков В.Г. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии. -М.: Атомиздат, 1980.- 208 с.

78. Андреев К.К. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ. -М.: Наука, 1966.-312 с.

79. Шленский О.Ф. Влияние слабых механических воздействий на частоту зародышеобразования и скорость терморазложения конденсированных систем // Химическая физика. 1998. - Т. 17, №7. - С.95.

80. Уткин А.В., Колесников С.А., Фортов В.Е. Структура стационарной детонационной волны в прессованном гексогене // Доклады Академии Наук. 2001. - Т.381, №6. - С.760-762.

81. Уткин А.В., Колесников С.А. Структура детонационной волны в прессованном гексогене. // В сб.: Физика экстремальных состояний вещества 2001. - Изд-во ИПХФ РАН, Черноголовка, 2001. - С.52-54.

82. Уткин А.В., Колесников С.А., Ананьин А.В., Першин С.В. Структура зоны реакции в стационарных детонационных волнах в гетерогенных ВВ // В сб.: Физика экстремальных состояний вещества 2002. - Изд-во ИПХФ РАН, Черноголовка, 2002. - С.84-86.

83. Уткин А.В., Колесников С.А., Першин С.В. Влияние начальной плотности на структуру детонационных волн в гетерогенных взрывчатых веществах. // Физика горения и взрыва. 2002. - Т.38, №5. - С. 111-118.0

84. Utkin А.V., Kolesnikov S.A., Pershin S.V., Fortov V.E. Reaction zone transformation for steady-state detonation of high explosives under initial density increase // In: Shock compression of condensed matter-2001. -Melville, New York, 2002. P.93 8-941.

85. Kolesnikov S.A., Utkin A.V., Ananin A.V., Pershin S.V., Fortov V.E. Reaction zone of steady-state detonation waves in dinitrodiazapentane and RDX // In: Shock compression of condensed matter-2003. Melville, New York, 2004.-P.851-854.

86. Колесников C.A., Уткин A.B., Ананьин A.B., Першин С.В. Зона реакции в стационарных детонационных волнах в прессованных гетерогенных ВВ // В сб.: Физика экстремальных состояний вещества -2004. Изд-во ИПХФ РАН, Черноголовка, 2004. - С.84-86.