Конвективное горение и переход в детонацию в смесевых энергетических материалах окислитель-горючее тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат наук Худавердиев, Вугар Гусейнович

• Худавердиев, Вугар Гусейнович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Худавердиев, Вугар Гусейнович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Горение смесей перхлората аммония с алюминием в манометрической бомбе

1.2. Лабораторные и полигонные испытания на переход горения во взрыв по методу критической высоты слоя

1.3. Переход горения в детонацию в смесях насыпной плотности на основе перхлората аммония и нитрата аммония

1.4. Развитие взрыва в порошкообразной смеси перхлората аммония с полистиролом

1.5. Численное моделирование конвективного горения смесей на основе перхлората аммония

1.6. Влияние горючих добавок на горение нитрата и перхлората аммония и смесей на их основе

Выводы к главе 1

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Экспериментальные установки

2.2. Объекты исследования

2.3. Определяемые параметры и обработка результатов измерений

Выводы к главе 2

ГЛАВА 3. КОНВЕКТИВНОЕ ГОРЕНИЕ И ПЕРЕХОД В ДЕТОНАЦИЮ В ЗАРЯДАХ ПЕРХЛОРАТА АММОНИЯ С АЛЮМИНИЕМ

3.1. Распространение и развитие конвективного горения в условиях манометрической бомбы

3.1.1. Составы с различным соотношением компонентов смеси

3.1.2. Влияние формы частиц алюминия и плотности заряда

3.1.3. Влияние диаметра заряда

3.1.4. Влияние массы воспламенителя

3.1.5. Влияние органической добавки на горение смесей алюминий + перхлорат аммония

3.2. Переход конвективного горения во взрыв при использовании щелевых оболочек

3.3. Переход горения в детонацию в условиях малопрочных оболочек

Выводы к главе 3

ГЛАВА 4. КОНВЕКТИВНОЕ ГОРЕНИЕ И ПЕРЕХОД ВО ВЗРЫВ В СМЕСЯХ НИТРАТА АММОНИЯ С ОРГАНИЧЕСКИМ И НЕОРГАНИЧЕСКИМ ГОРЮЧИМ

4.1. Возникновение конвективного горения и развитие взрыва в смесях аммиачной селитры с древесным углем

4.1.1. Условия и результаты опытов в манометрической бомбе

4.1.2. Опыты в условиях щелевой оболочки

4.2. Конвективное горение и развитие взрыва в смесях нитрата аммония с алюминием

4.2.1. Опыты в манометрической бомбе

4.2.2. Переход горения в низкоскоростную детонацию в условиях щелевой оболочки

4.2.3. Анализ горения смесей нитрата аммония с алюминием в манометрической бомбе методом численного моделирования

Выводы к главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конвективное горение и переход в детонацию в смесевых энергетических материалах окислитель-горючее»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Смесевые энергетические композиции, состоящие из окислителя (обычно это перхлорат или нитрат аммония) и горючих добавок, входят в состав многих промышленных взрывчатых веществ, порохов, пиротехнических изделий и твердых ракетных топлив. Высокая активность смесей окислитель - горючее, особенно при использовании высокодисперсных компонентов, приводит к тому, что именно их поведение при аварийных возгораниях определяет требования взрывоопасности. Ключевой стадией взрывного процесса является конвективное горение (КГ), которое на начальной фазе взрыва запускает стремительный рост скоростей выделения энергии и массы газа и формирует мощную волну давления. В ходе дальнейшего развития волна давления обеспечивает переход к детонационному превращению. Конвективное горение зависит от большого числа различных свойств материала, проявляет высокую чувствительность к малейшим изменениям условий горения; поэтому для понимания имеющихся причинно-следственных связей, особенно в случае смесевых композиций, требуется большой объем научной информации.

Помимо проблем, связанных с взрывобезопасностью, конвективное горение, благодаря занимаемому им диапазону скоростей распространения и давлений, можно использовать в технических приложениях, связанных с быстрым химическим превращением смесевых энергетических материалов. Для этих приложений необходимы данные по характеристикам конвективного горения. Примерами таких приложений являются боеприпасы объемного взрыва, а также газогенераторы, предназначаемые для термогазохимической обработки прискважинной зоны пласта. В боеприпасах объемного взрыва содержание мелкодисперсного горючего компонента в смеси с окислителем должно быть максимально высоким. Особый интерес привлекают компоненты субмикронных и нано-размеров, которые способны придавать горению смесей необычные свойства, многие из которых пока не изучены. Наконец, в

последние десятилетия смеси на основе нитрата аммония вошли в состав взрывных устройств, которые используются при совершении террористических актов. Знание закономерностей развития взрыва в этих смесях является важным подспорьем при организации эффективной антитеррористической деятельности. Все это вместе определяет актуальность темы диссертационной работы.

Цели и задачи исследования. Диссертационная работа направлена на определение свойств и механизмов конвективного горения и перехода конвективного горения во взрыв для смесей перхлората и нитрата аммония с органическими и неорганическими горючими добавками. Для достижения этой цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Предложить адекватную методику исследования.

2. Получить экспериментальные данные по возникновению и развитию конвективного горения в смесях перхлората и нитрата аммония с органическими горючими добавками и алюминием. Определить влияние свойств заряда (включая длину, диаметр и начальную пористость), размера частиц окислителя и горючего, соотношения компонентов, природы горючего и мощности воспламенителя на характеристики конвективного горения и формирование взрыва в условиях манометрической бомбы.

3. Выявить особенности перехода конвективного горения в низкоскоростную и нормальную детонацию в смесях перхлората и нитрата аммония с органическими горючими добавками и алюминием.

4. Сопоставить полученные экспериментальные данные с результатами численного моделирования.

5. Определить взрывобезопасные условия горения исследуемых композиций.

Научная новизна.

1. Определены соотношения компонентов смесей, при которых наблюдается наибольшая активность горения (по максимальному темпу роста давления в бомбе и средней скорости конвективного горения) и наибольшая склонность к переходу горения во взрыв (по минимальной длине заряда,

при которой происходит взрыв), в зависимости от размера частиц окислителя, вида и размера частиц горючего. В большинстве случаев эти соотношения компонентов отличаются от стехиометрии и сдвинуты в область смесей, богатых горючим компонентом (например, для смесей мелкодисперсного нитрата аммония с древесным углем), либо в область бедных смесей (например, для смесей перхлората аммония с субмикронным алюминием).

2. Установлено, что субмикронный алюминий марки ЛЬБХ-Ь придает горению смесей с мелкодисперсным перхлоратом аммония (ПХА) исключительно высокую активность. Впервые на зарядах насыпной плотности, помещенных в тонкостенные кварцевые трубки низкой прочности, получен переход горения в нормальную детонацию при поджигании спиралью накаливания. Переход в детонацию осуществляется через стадию низкоскоростной детонации с образованием вторичной волны. Наименьшую длину преддетонационного участка (20-30 мм) демонстрируют бедные смеси с 5% алюминия.

3. Отмечено, что при замене сферического алюминия АСД-4 на чешуйчатый алюминий марки ПАП-2 горение смесей с нитратом аммония и с перхлоратом аммония реагирует диаметрально противоположным образом: на смесях с нитратом аммония горение активизируется, а на смесях с перхлоратом аммония активность горения резко снижается.

4. Предложен механизм, позволяющий дать объяснение влиянию размера частиц окислителя на склонность горения смесей с мелкодисперсным алюминием к взрыву. Для быстрого горения частиц алюминия, приводящего к взрыву, необходима высокая концентрация окисляющих газов в зоне реакции, которая достигается за счет увеличения поверхности горения частиц окислителя при их измельчении. В случае крупнодисперсного окислителя подвод продуктов его разложения в зону реакции не компенсирует убыль окисляющих газов за счет горения алюминия. Концентрация окисляющих газов оказывается очень низкой, скорость

горения частиц алюминия снижается, и действие торцевой разгрузки «съедает» волну давления, подавляя развитие взрыва.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты углубленного анализа свойств конвективного горения и склонности к переходу горения во взрыв в зависимости от условий горения и начальных свойств смесей перхлората и нитрата аммония с алюминием разных марок и органическими горючими представляют интерес для специалистов в области взрывобезопасности. Опираясь на эти результаты, можно выделить факторы, которые будут наиболее эффективно способствовать замедлению ускоренного развития конвективного горения, и определить условия, при которых риск взрыва будет наименьшим.

Значительная активация горения смесей перхлората аммония с субмикронным алюминием и минимальные длины преддетонационного участка, обнаруженные для этих смесей, позволяют рекомендовать их для использования в устройствах инициирования.

Результаты, полученные для смесей перхлората аммония, сильно обогащенных алюминием, могут быть полезны при создании боеприпасов объемного взрыва.

Физическое объяснение увеличения склонности к переходу горения во взрыв алюминизированных смесей при измельчении частиц окислителя является очередным шагом в развитии теории конвективного горения смесевых энергетических материалов.

Методы исследования. Для подробного описания факторов, воздействующих на характеристики конвективного горения и склонность к переходу горения во взрыв в широком диапазоне смесевых композиций потребовалось провести большое число опытов. Эти опыты проводились с использованием манометрической бомбы, которая является общепринятым инструментом, применяемым для оценки опасности взрыва и получения первичной информации о горении, основанной на анализе измеряемой диаграммы давление - время. Для сбора данных о динамике развития

конвективного горения и переходе горения во взрыв применялись устройства со щелевыми окнами, которые позволяют проводить одновременную фотографическую и пьезометрическую регистрацию процесса. Устройства этого типа хорошо зарекомендовали себя в ходе предшествующих исследований по конвективному горению и взрыву.

Численное моделирование проводилось на основе теоретической модели и компьютерной программы, которые были разработаны ранее в одномерном приближении применительно к горению смесей окислитель + алюминий в манометрической бомбе. Модель была модифицирована, чтобы учесть усиление горения частиц окислителя под действием потока тепла, создаваемого горением частиц алюминия.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования, доказывающие, что соотношения компонентов смесей, при которых наблюдается наибольшая активность горения и наибольшая склонность к переходу горения во взрыв, оказываются сдвинутыми от стехиометрии в область смесей, богатых горючим компонентом, либо в область бедных смесей в зависимости от размера частиц окислителя, вида и размера частиц горючего.

2. Переход горения в нормальную детонацию в смесях субмикронного алюминия с мелкодисперсным перхлоратом аммония, помещенных в тонкостенные кварцевые трубки низкой прочности, а также длина преддетонационного участка, составляющая около 20 мм, полученная на бедной смеси с 5% субмикронного алюминия.

3. Закономерность, установленная экспериментально, что при замене сферического алюминия АСД-4 на чешуйчатый алюминий марки ПАП-2 горение смесей с нитратом аммония и с перхлоратом аммония реагирует диаметрально противоположным образом: на смесях с нитратом аммония горение активизируется, а на смесях с перхлоратом аммония активность горения резко снижается.

4. Предложенный механизм, который объясняет влияние размера частиц окислителя на склонность горения смесей с мелкодисперсным алюминием к взрыву.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность результатов и обоснованность выводов работы опираются на большой экспериментальный материал, в котором подробно рассмотрено влияние всех основных факторов, а также на использование проверенных и хорошо зарекомендовавших себя методов исследования.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: научных сессиях Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (г. Москва, Россия 20092012); V и VI Всероссийской конференции «Энергетические конденсированные системы» (г. Черноголовка, Россия 2010, 2012); ежегодных научных конференциях Отдела горения и взрыва Института химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН (г. Москва, Россия 2010-2015).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ. Работ, опубликованных в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК - 4.

Личный вклад автора. Все экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Обработка и анализ результатов экспериментов, проведение расчетов и подготовка статей и докладов на конференциях также осуществлялись лично автором, либо при его непосредственном участии.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, формулировок основных результатов и выводов, списка сокращений и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 1 61 странице и содержит 71 рисунок, 13 таблиц и библиографию из 91 наименования.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В данной главе дается краткое изложение существующих представлений о развитии взрыва в порошкообразных энергетических материалах и конвективном горении, как ключевой стадии этого процесса. Представлен обзор основных публикаций по конвективному горению и его переходу в детонацию в порошкообразных смесях на основе нитрата и перхлората аммония, формулируются направления исследований.

Из исторического очерка следует, что именно аммиачной селитре принадлежит трагическое «первенство» по количеству произошедших аварий с огромным количеством данного вещества, вызвавшее катастрофическое разрушение в радиусе до нескольких километров и унесшая жизнь сотни и тысячи людей. Так в 1921 году вблизи города Оппау (Германия) при разрыхлении слежавшейся селитры взрывным способом продетонировало 4500 тонн соли и столько же при пожаре на судне «Грэнд Кемп» в Техас-сити (США) в 1947 году, а в 2001 году на заводе в Тулузе (Франция) взорвался ангар с 300 тоннами нитрата аммония [1].

Развитие взрыва из очага горения - сложный многостадийный процесс. В твердых энергетических материалах переход горения во взрыв происходит в несколько стадий, которые последовательно сменяют друг друга (послойное горение - конвективное горение - низкоскоростная детонация - нормальная детонация). Стадии различаются по механизму инициирования химического превращения и (или) способу переноса энергии из зоны химического превращения к исходному веществу и имеют значительно различающиеся диапазоны скоростей распространения [2-9].

На стадии послойного горения ведущий механизм переноса энергии -молекулярная теплопроводность, а типичные скорости распространения фронта горения составляют от долей миллиметра до миллиметров в секунду. Конвективное горение возникает благодаря фильтрации горячих продуктов по порам вглубь заряда. Фильтрация сопровождается конвективным теплообменом

между горячими продуктами и стенками пор. В результате поверхность пор нагревается и при определенных условиях горение вслед за горячими газами проникает в поры.

При переходе на конвективную стадию скорость распространения волны горения по заряду скачком возрастает до уровня, составляющего от метров до десятков метров в секунду и увеличивается еще больше по мере роста давления. Низкоскоростная детонация отличается от конвективного горения механизмом инициирования химического превращения (наиболее вероятный механизм - диссипативный разогрев при схлопывании пор) и способом переноса энергии из зоны химического превращения к свежему материалу (пластические или ударные волны, бегущие по твердой фазе); характерные скорости распространения составляют 1-3 км/с.

Конвективное горение является ключевой стадией переходного процесса, обеспечивая за счет высокой интенсивности горения рост давления до величин, необходимых для перехода к детонационным стадиям самоподдерживающегося распространения волны реакции. По сравнению с режимом послойного горения интенсивность химического превращения на конвективной стадии значительно возрастает за счет увеличения поверхности горения. Действительно, если при послойном режиме горение распространяется по нормали к фронту и поверхность горения приблизительно равна площади поперечного сечения заряда, то при конвективном режиме горение распространяется как бы в двух направлениях: вдоль заряда по порам вслед за фронтом воспламенения и по нормали к поверхности воспламенившихся пор в режиме послойного горения.

Знания о развитии взрыва в твердых энергетических материалах получены главным образом благодаря лабораторным экспериментам, которые проводятся с зарядами, заключенными в прочные цилиндрические оболочки [2]. В этих условиях начальный очаг горения, создаваемый воспламенителем, в максимальной степени защищен от действия разгрузки. Давление в очаге горения растет по экспоненциальному закону с характерным временем, которое сравнимо с временем нарастания давления в условиях пиростатики, и

газообразные продукты горения, фильтрующие в поры, обеспечивают максимально быстрый рост скорости распространения фронта пламени по конвективному механизму. В качестве сравнительной характеристики для оценки склонности взрывчатых материалов к переходу горения во взрыв используется длина преддетонационного участка И0 - расстояние вдоль цилиндрического заряда от места поджигания до точки возникновения детонационной волны. Принято считать, что чем меньше Ип, тем выше склонность материала к переходу горения во взрыв. Сведения относительно И0, имеющиеся в литературе для смесевых композиций на основе нитрата и перхлората аммония [2, 10], остаются весьма ограниченными.

Важно отметить, что данные по развитию взрыва, получаемые в прочных оболочках, нельзя прямо переносить на реальные взрывы, в которых участвуют большие массы взрывчатого материала, ограниченные стенками упаковочного материала, оболочками малой прочности или вообще имеющие свободную поверхность. Причиной является действие разгрузки, которое приводит к разительным отличиям количественного и качественного характера [11, 12].

Разгрузка очага горения во многом определяется геометрическими условиями (размеры и форма заряда, наличие и форма ограничивающих стенок и поверхностей, размеры и местоположение очага горения), которые в сочетании создают разнообразные ситуации. Экспериментальные устройства, примененные в данном исследовании (манометрическая бомба и труба для испытания на критическую высоту слоя) воспроизводят две характерные ситуации. В манометрической бомбе очаг горения создается у открытого торца заряда благодаря воздействию горячих газов, образующихся при сгорании воспламенителя, размещенного в полости бомбы. Конвективное горение распространяется от очага по длине вглубь заряда, а продукты горения, увлекая диспергируемые частицы материала, оттекают в полость бомбы, обеспечивая разгрузку. Продукты горения свободно оттекают от горящего торца заряда в полость бомбы. Измеряемой характеристикой является диаграмма давление-время в полости бомбы. Здесь мерой склонности к взрыву может служить

максимальный темп роста давления dP/dtmax. Материалы, которые при

-5

плотности заряжания около 50-100 кг/м дают dP/dtmax, заметно превышающие 100 МПа/мс, принято считать взрывоопасными. Для смесевых систем данные по горению в манометрической бомбе представлены в работах [13-16].

При испытании на критическую высоту слоя экспериментальная сборка [11, 17] внешне похожа на ту, что используется для измерения длины преддетонационного участка. Главное отличие состоит в том, что исследуемый материал заполняет канал оболочки лишь слоем относительно небольшой высоты. Горение инициируется с помощью воспламенителя у нижнего закрытого конца трубы. Продукты горения вызывают рост давления в очаге и проникают в слои материала, примыкающие к очагу. Возникающее конвективное горение распространяется вдоль заряда по направлению к открытому торцу. В том же направлении перемещается масса заряда, выталкиваемая благодаря повышенному давлению в очаге. Это движение конденсированной массы и фильтрация газов создают разгрузку очага, эффект разгрузки зависит от высоты слоя материала. При высоте слоя меньше критической высоты Нкр, процесс протекает спокойно, без взрыва. Давление в очаге горения обычно составляет несколько МПа. Если же высота слоя превышает Нкр, происходит взрыв, который сопровождается либо разрывом трубы, либо ростом давления до уровня 100 МПа и более. Критические параметры Нкр и Ркр (максимальное давление при критической высоте слоя) можно использовать в качестве количественной характеристики для оценки опасности взрыва при аварийных загораниях в процессе производства и хранения энергетических материалов. Экспериментальные данные, полученные для ряда взрывчатых веществ (ВВ), в том числе для скального аммонита № 1 (смесевого промышленного ВВ на основе нитрата аммония), приведены ниже.

Развитие взрыва, его критические условия неразрывно связаны со свойствами и поведением конвективного горения. Рассмотрим кратко существующие представления о конвективном горении. На рис. 1 дана схема

пространственной структуры волны конвективного горения, взятая из [6]. На рисунке выделены:

- зона фильтрации (здесь осуществляется торможение охлажденных продуктов горения, проникших в поры и уже отдавших свое тепло);

- зона прогрева (здесь поверхность пор нагревается до температуры воспламенения за счет конвективной передачи тепла от фильтрующих продуктов горения);

- зона горения (здесь происходит горение (регрессия) энергетического материала по поверхности пор (частиц)).

2 1 3

X (мм)

Рис. 1. Схема пространственных зон и профили основных характеристик течения при конвективном горении (поджигание от закрытого торца заряда при .х = 0): 1 - фронт пламени, 2 - зона горения, 3 - зона уплотнения, 4 - зона фильтрации, 5 - зона прогрева; Е - энергия газа, отнесенная к химической энергии ВВ, Р - давление, Ткя - температура на поверхности пор, Щ и ик -скорости течения газа и твердой фазы.

Зону прогрева от зоны горения отделяет фронт пламени. Во фронте пламени скорость газов, втекающих в поры, имеет максимум. Позади фронта пламени (в зоне горения) скорость газов уменьшается и в точке, где достигается максимум давления, она проходит через ноль и меняет знак. Эту точку можно назвать точкой разделения потоков: с одной стороны, от нее газы втекают в

поры по направлению к свежему веществу, обеспечивая конвективный перенос тепла и распространение волны горения, с другой стороны, газы оттекают в противоположном направлении в свободный объем, увлекая горящие частицы.

Динамика конвективного горения, то есть эволюция во времени скорости фронта пламени и давления в волне горения, отличается большим разнообразием. Основными факторами являются:

- скорость распространения пламени по заряду (скорость конвективного горения);

- интенсивность горения (то есть количество тепла или количество газов, выделяющихся в единице объема за единицу времени) за фронтом пламени;

- разгрузка очага горения (сброс приращения давления) за счет оттока газообразных продуктов горения и разброса твердой массы, окружающей очаг.

Интенсивность горения равна произведению поверхности горения (в единице объема) на скорость послойного горения. Она тем выше, чем меньше размер горящих частиц материала и выше давление. Скорость конвективного горения возрастает с увеличением скорости газов и давления во фронте пламени, а также при росте диаметра пор и уменьшении затратов тепла (на единицу поверхности пор), необходимого для воспламенения материала [4]. Для измерения скорости конвективного горения применяются устройства, снабженные щелью-окном для фотографической регистрации процесса, либо набором ионизационных датчиков [2, 4-6]. Из-за эффекта разгрузки данные по скорости горения привязаны к условиям измерения и, чаще всего, не могут быть перенесены на другие условия. Для ряда энергетических материалов в прессованных зарядах с низкой пористостью имеются данные по скорости горения, представленные в виде зависимости от давления во фронте пламени [4]. Эти данные получены в установке типа сопловой бомбы при слабо изменяющемся давлении в бомбе, для квазистационарного режима конвективного горения.

Для зарядов насыпной плотности конвективное горение нестационарно. В ходе одного эксперимента в условиях нарастающего давления конвективное

горение может ускоряться, распространяться с постоянной скоростью и замедляться при подходе к торцу заряда, или давать переход на детонационные стадии, если длина заряда достаточно велика [4, 16, 18, 19]. Поэтому представить экспериментальные данные в виде зависимости скорости конвективного горения от давления не удается.

Для смесевых составов информация по скорости конвективного горения ограничена всего несколькими публикациями [20-22]. Интерпретация результатов измерений осложняется из-за движения твердой массы в волне горения, которое является следствием сильной сжимаемости порошка. Скорость конвективного горения включает переносную составляющую, которая может составлять до половины ее величины [18].

О влиянии разгрузки на скорость конвективного горения можно судить, анализируя эксперименты, в которых для одинаковых зарядов варьируется плотность заряжания за счет изменения объема манометрической бомбы, либо сравнивая данные, полученные в устройствах разного типа. Однако систематические исследования такого рода не проводились. Согласно теоретическим оценкам [5, 6], скорость конвективного горения изменяется обратно пропорционально корню кубическому из характерного времени роста давления. Вследствие этого, если сравнивать условия горения при поджигании от открытого торца заряда (например, в манометрической бомбе) и от закрытого торца заряда (как при испытании на критическую высоту слоя), то при прочих равных условиях скорость конвективного горения в последнем случае может быть выше в 10 и более раз. Следует, однако, иметь в виду, что если заряд, горящий от открытого торца, имеет достаточную длину, то оттекающие продукты горения по мере развития процесса могут достичь скорости звука и произойдет запирание потока. После этого действие разгрузки значительно ослабевает и дальнейшее поведение процесса будет иметь мало отличий от условий горения с закрытым торцом заряда.

1.1. Горение смесей перхлората аммония с алюминием в манометрической бомбе

Подробное исследование поведения и свойств конвективного горения смесей перхлората аммония с алюминием в условиях манометрической бомбы путем измерения диаграмм давление-время проведено в работе [13]. Опыты проводились в бомбе номинальным объемом 50 мл с тензометрической записью давления газов, образующихся при горении. Использовался полидисперсный порошок перхлората аммония с частицами средним размером около 200 мкм, а также порошки узких фракций 315-400 мкм и 63-160 мкм, получаемые рассевом с помощью сит, и мелкодисперсный перхлорат аммония с частицами размером около 14 мкм. В ряде опытов использовался также перхлорат аммония заводского измельчения со средним размером частиц 10 мкм. Тонкодисперсная алюминиевая пудра состояла из частиц средним размером около 1 мкм (по видимому, речь идет о марке алюминия ПАП-2). Смесь готовилась в стеклянной колбе путем ее встряхивания в течение 30-40 мин. Заряды массой от 2 до 5.5 г помещались в стеклянные стаканчики диаметром от 12 до 20 мм и высотой от 8 до 30 мм с тефлоновыми донцами, залитыми снаружи эпоксидным клеем. Горение инициировалось с открытого торца заряда спиралью накаливания с использованием воспламенителя (0.2, 0.5 или 1 г дымно-ружейного пороха (ДРП)). В работе показано влияние содержания алюминия в смеси, высоты заряда, дисперсности ПХА, плотности заряжания и плотности заряда на характеристики горения. В качестве показателя интенсивности горения использовалось время от начала горения до максимума давления. К сожалению, в статье не приводятся данные по максимальному темпу роста давления. Эта величина позволяет точнее интерпретировать поведение процесса горения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Худавердиев, Вугар Гусейнович, 2018 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П., Кулеш Дж., Стрелоу Р. Взрывные явления. Оценка и последствия // Москва: Мир, 1986. - 319 С.

2. Беляев А.Ф., Боболев В.К., Коротков А.И., Сулимов А.А., Чуйко С.В. Переход горения конденсированных систем во взрыв // Москва: Наука, 1973. -273 С.

3. Sulimov A.A., Ermolaev B.S., Borisov A.A., Korotkov A.I., Khasainov B.A., Khrapovsky V.E. On the mechanism of deflagration to detonation transition in gas-permeable explosives / Proceedings Sixth Symposium (International) on Detonation // California, Coronado: Office of Naval Research, Department of the Navy, report ACR-221, 1976. - P. 250-257. - 700 P.

4. Сулимов А.А., Ермолаев Б.С. Квазистационарное конвективное горение низкопористых энергетических материалов. Часть 1 // Химическая физика. -1997. - Т. 16. - N. 10. - C. 51-72.

5. Сулимов А.А., Ермолаев Б.С. Квазистационарное конвективное горение низкопористых энергетических материалов. Часть 2 // Химическая физика. -1997. - Т. 16. - N. 10. - С. 77-97.

6. Ермолаев Б.С., Сулимов А.А. Конвективное горение и низкоскоростная детонация пористых энергетических материалов // Москва: Торус Пресс, 2017. - 400 С.

7. Боуден Ф., Иоффе А. Возбуждение и развитие взрыва в твердых и жидких ВВ // Москва: Иностранная литература, 1955. - 119 С.

8. Bernecker R.R., Prise D. Studies in the transition from deflagration to detonation in granular explosives - I, II and III // Combustion and Flame. - 1974. - V. 22. - P. 111-118, 119-129, 161-170.

9. Luebcke P. E., Dickson P. M., and Field J. E. An experimental study of the deflagration-to-detonation transition in granular secondary explosives // Proceedings: Mathematical and Physical Sciences. - 1995. - V. 48. - N. 1934. - P. 439-448.

10. Соколов А.В., Мильчаков И.В., Дубнов Л.В. О переходе горения в детонацию промышленных ВВ / Взрывное дело. Под ред. Л.В. Дубнова. Сборник статей N 63/20 // Москва: Недра, 1967. - С. 120-129. - 280 С.

11. Ермолаев Б.С., Фотеенков В.А., Хасаинов Б.А., Сулимов А.А., Малинин С.Е. Критические условия перехода горения во взрыв в зерненных взрывчатых материалах // Физика горения и взрыва. - 1990. - Т. 26. - N. 5. - С. 102-110.

12. Дубовицкий В.Ф., Коростелев В.Г., Коротков А.И., Фролов Ю.В., Фирсов

A.И., Шкадинский К.Г., Хомик С.В. Горение пористых конденсированных систем и порохов // Физика горения и взрыва. - 1974. - Т. 10. - N. 6. - С. 811818.

13. Андреев К.К., Рогожников В.М. О горении при возрастающем давлении порошкообразного перхлората аммония и его смесей с алюминием / Теория взрывчатых веществ. Под ред. К.К. Андреева. Сборник статей // Москва: Высшая школа, 1967. - С. 176-190. - 384 С.

14. Сулимов А.А., Ермолаев Б.С., Коротков А.И., Окунев В.А., Посвянский

B.С., Фотеенков В.А. Закономерности распространения волн конвективного горения в замкнутом объёме // Физика горения и взрыва. - 1987. - Т. 23. - N. 6. - С. 9-16.

15. Андреев К.К., Рогожников В.М. О влиянии некоторых горючих добавок на устойчивость горения нитрата и перхлората аммония и смесей на их основе / Теория взрывчатых веществ. Под ред. К.К. Андреева. Сборник статей // Москва: Высшая школа, 1967. - С. 163-176. - 384 С.

16. Фотеенков В.А., Коротков А.И., Ермолаев Б.С., Сулимов А.А. Распространение конвективного горения в зарядах насыпной плотности // Физика горения и взрыва. - 1982. - Т. 18. - N. 2. - С. 137-139.

17. Ермолаев Б.С., Малинин С.Е., Сулимов А.А., Фотеенков В.А. Способ определения склонности порошкообразных ВМ к переходу горения во взрыв // Патент РФ № 1790760 от 22.09.92.

18. Ермолаев Б.С., Беляев А.А., Сулимов А.А. Численное моделирование перехода горения в детонацию в пироксилиновых порохах // Химическая физика. - 2004. - Т. 23. - N. 1. - С. 67-77.

19. Ермолаев Б.С., Сулимов А.А., Окунев В.А., Храповский В.Е. О механизме перехода горения пористых ВВ в детонацию // Физика горения и взрыва. -1988. - Т. 23. - N.1. - С. 65-68.

20. Беликов Е.П., Храповский В.Е., Ермолаев Б.С., Сулимов А.А. Особенности развития взрыва в порошкообразной модельной смеси перхлорат аммония -полистирол // Физика горения и взрыва. - 1990. - Т. 26. - N. 4. - С. 101-105.

21. Ермолаев Б.С., Беляев А.А., Сулимов А.А. Численное моделирование конвективного горения пористых смесевых систем на основе мелкодисперсных перхлората аммония и алюминия // Химическая физика. - 2005. - Т. 24. - N. 1. -С. 79-89.

22. Храповский В.Е., Ермолаев Б.С., Сулимов А.А., Беляев А.А., Фотеенков В.А. Конвективное горение прессованных зарядов из смесей алюминия и перхлората аммония // Химическая физика. - 2007. - Т. 26. - N. 1. - С. 35-47.

23. Price D., Clairmont A. R., Erkman J. O. Explosive behavior of aluminized ammonium Perchlorate / Naval Ordnance Laboratory Report NOLRN 72-15 // Maryland, White Oak, 1972.

24. Ермолаев Б.С., Сулимов А.А., Фотеенков В.А., Беликов Е.П. Критические условия перехода горения во взрыв. Исследование закономерностей и регламентация метода оценки / Отчет ИХФ РАН по договору 173/176 // Москва: ИХФ РАН, 1991. - 31 С.

25. Сулимов А.А., Ермолаев Б.С., Фотеенков В.А., Беликов Е.П. Критические условия перехода горения во взрыв в больших массах твердых ВМ / Отчет ИХФ РАН по договору 95-90/682 // Москва: ИХФ РАН, 1990. - 21 С.

26. Ермолаев Б.С., Сулимов А.А., Храповский В.Е., Фотеенков В.А. Начальная фаза развития взрыва в нитрате аммония и порошкообразных смесях на его основе // Химическая физика. - 2011. - Т. 30 - N. 8. - С. 34-43.

27. Куликов В.Н., Матвеев А.А., Осавчук А.Н. Критические условия перехода горения порошкообразных взрывчатых материалов во взрыв в полуоткрытом объеме / Горение и взрыв. Под ред. С.М. Фролова. Вып. 5 // Москва: Торус Пресс, 2012. - С. 248-254. - 510 С.

28. Ермолаев Б.С., Беляев А.А., Викторов С.Б., Слепцов К.А., Жарикова С.Ю. Неидеальные режимы дефлаграции и детонации дымного пороха // Химическая физика. - 2011. - Т. 29. - N. 5. - C. 1-13.

29. Куликов В. Н. Разработка критериев моделирования и оценки склонности к переходу горения во взрыв порошкообразных взрывчатых веществ в полуоткрытом объеме // Боеприпасы и высокоэнергетические конденсированные системы. - 2009. - N. 1. - С. 60-68.

30. Коротков А.И., Сулимов А.А., Обменин А.В., Дубовицкий В.Ф., Куркин А.И. О переходе горения пористых ВВ в детонацию // Физика горения и взрыва. - 1969. - N. 3. - С. 315-325.

31. Красельщик В.Д. Динамоны // Москва: Оборонгиз, 1943. - 72 C.

32. Храповский В.Е., Сулимов А.А., Ермолаев Б.С. Переход горения в детонацию в пористых энергетических материалах, связанный с формированием вторичной волны давления // Химическая физика. - 1997. - Т. 16. - N. 11. - С. 99-113.

33. Borisov A.A., Ermolaev B.S., Komissarov P.V., Kudryavtseva E.L., Sokolov G.N., Ibragimov R.H. Convective burning of ternary aluminium-ammonium perchlorate-nitromethane mixtures / In Pulsed and Continuous Detonations, Edited by G. Roy, S. Frolov, J. Sinibaldi // Moscow: Torus Press, 2006. - P. 91-103. - 376 P.

34. Андреев К. К. // Доклады Академии наук СССР. - 1940. - Т. 29. - N. 5. - С. 469-472.

35. Михайлов Ю.М., Косточко А.В., Шипина О.Т., Сафронов П.О., Казбан Б.М. Пироксилиновые пороха // Казань: КНИТУ, 2016. - 416 С.

36. Богуш М.В. Проектирования пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей // Москва: Техносфера, 2014. - 312. С.

37. Компания Кистлер: [сайт]. URL: https://www.kistler.com/ru/product/type-6215--pe-sensor/ (дата обращения: 01.10.2018).

38. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов // Москва: Наука, 1964. - 466 С.

39. Бахман Н.Н. Об оптимальном угле наклона фоторегистрации при измерении скорости горения // Инженерно-физический журнал. - 1960. - Т. 3. - N. 1. - С. 94-97.

40. Беляев Н.М. Сопротивление материалов // Москва: Наука, 1965. - 856 С.

41. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М., Бродов М.Е., Быстров М.В., Виноградов Б.В., Винокурова Л.И., Гельман Э.Б., Геппе А.П., Григорьев И.С., Гуртовой К.Г., Егоров В.С., Елецкий А.В., Зарембо Л. К., Иванов В.Ю., Ивашинцева В.Л., Игнатьев В.В., Имамов Р.М., Инюшкин А.В., Кадобнова Н.В., Карасик И.И., Кикоин К.А., Криворучко В.А., Кулаков В.М., Лазарев С.Д., Лифшиц Т.М., Любарский Ю.Э., Марин С.В., Маслов И.А., Мейлихов Е.3., Мигачев А.И., Миронов С.А., Мусатов А.Л., Никитин Ю.П., Новицкий Л.А., Обухов А.И., Ожогин В.И., Писарев Р.В., Писаревский Ю.В., Птускин В.С., Радциг А.А., Рудаков В.П., Сумм Б.Д., Сюняев Р.А., Хлопкин М.Н., Хлюстиков И.Н., Черепанов В.М., Чертов А.Г., Шапиро В.Г., Шустряков В.М., Якимов С.С., Яновский В.П. Физические величины / Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова // Москва: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 С.

42. Шумахер И. Перхлораты. Свойства, производство и применение // Москва: Госхимиздат, 1963. - 275 C.

43. Михайлов Ю.М., Колганов Е.В., Соснин В.А. Безопасность аммиачной селитры и ее применение в промышленных взрывчатых веществах // Дзержинск: Партнер-плюс, 2009. - 304 C.

44. Светлов Б.Я., Яременко Н.Е. Теория и свойства промышленных взрывчатых веществ // Москва: Недра, 1973. - 208 C.

45. Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах // Москва: Недра, 1980. - 453 C.

46. Литовка О.Б., Чугреева Е.Ю., Старшинов А.В., Козак Г.Д. Физико-химические и взрывчатые характеристики простейших составов на основе пористой гранулированной аммиачной селитры // Успехи в химии и химической технологии. - 2007. - Т. 21. - N. 5. - С. 35-40.

47. Литовка О.Б. Исследование физико-химических и взрывчатых свойств аммиачной селитры и смесей на ее основе: дис. канд. тех. наук: 05.17.07 (Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ). Москва. -2010. - 125 С.

48. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности // Москва: Химия, 1977. - 368 C.

49. Коротких А.Г. Влияние дисперсности порошка алюминия на процессы зажигания и нестационарного горения гетерогенных конденсированных систем: дис. док. физ.-мат. наук: 01.04.17 (Химическая физика, горения и взрыв, физика экстремальных состояний вещества). Томск. - 2012. - 302 С.

50. Архипов В.А., Горбенко Т.И., Жуков А.С., Пестерев А.В. Влияние катализаторов на горение гетерогенных конденсированных систем // Бутлеровские сообщения. - 2011. - Т. 28. - N. 17. - С. 34-41.

51. Беленький Е.Ф, Рискин И.В. Химия и технология пигментов // Ленинград : Госхимиздат, 1960. - 757 C.

52. Компания Передовые порошковые технологии: [сайт]. URL: http://www.nanosized-powders.com/production/nanopowders/l_alex.php (дата обращения: 01.10.2018).

53. Cliff M., Tepper F., Lisetsky V. Ageing Characteristics of Alex Nanosize Aluminum / 37th AIAA tant Propulsion Meeting // Salt Lake City, 2001.

54. Tepper F. Lerner M. Ginley D. Metallic Nanopowders / Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology // New York: Marcel Dekker, 2004. - P. 19211933. - 4200 P.

55. Mench M. M., Kuo K. K., Yeh C. L., Lu Y. C. Comparison of Thermal Behavior of Regular and Ultra-fine Aluminum Powders (Alex) Made from Plasma Explosion Process // Combustion Science and Technology - 1998. - V. 135. - N. 1-6. - P. 269292.

56. Ягодников Д.А. Воспламенение и горение порошкообразных металлов // Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 432 C.

57. Тарковская И.А. Окисленный уголь // Киев: Наукова думка, 1981. - 200 C.

58. Худавердиев В.Г., Храповский В.Е. Возникновение и развитие конвективного горения в образцах из смеси перхлората аммония и алюминия насыпной плотности / Научная сессия МИФИ-2009 // Москва: МИФИ, 2009. -Т. 1. - С. 240-240. - 312 С.

59. Храповский В.Е., Худавердиев В.Г. Возникновение и развитие конвективного горения в высокопористых зарядах перхлората аммония и его смесях с алюминием // Химическая физика. - 2010. - Т. 29. - N. 1. - С. 39-48.

60. Храповский В.Е., Худавердиев В.Г., Сулимов А.А. Возникновение и развитие конвективного горения в высокопористых зарядах перхлората аммония и его смесях с алюминием / Горение и взрыв. Под ред. С.М. Фролова. Вып. 3 // Москва: Торус Пресс, 2010. - С. 195-199. - 344 С.

61. Храповский В.Е., Худавердиев В.Г., Сулимов А.А. О конвективном горении смесей перхлората аммония с алюминием // Физика горения и взрыва. - 2011. Т. 47. - N. 4. - С. 119-126.

62. Худавердиев В.Г., Сулимов А.А., Храповский В.Е. О переходе горения в детонацию в мелкодисперсных смесях перхлората аммония с алюминием / Горение и взрыв. Под ред. С.М. Фролова. Вып. 7 // Москва: Торус Пресс, 2014. - С. 345-349. - 504 С.

63. Худавердиев В.Г., Сулимов А.А., Ермолаев Б.С., Храповский В.Е. Переход горения в детонацию в смесях мелкодисперсного перхлората аммония с алюминием // Химическая физика. - 2015. - Т. 34. - N. 11. - С. 33-39.

64. Bernecker R.R., Sandusky H.W., Clairmont Jr. A.R. Deflagration-to-detonation transition studies of porous explosive charges in plastic tubes / Proceedings Seventh

Symposium (International) on Detonation // Maryland, Annapolis: Naval Surface Warfare Center, MP 82-334, 1981. - P. 119-121.

65. Samirant M. Deflagration detonation transition in waxed RDX / Proceedings Seventh Symposium (International) on Detonation // Maryland, Annapolis: Naval Surface Warfare Center, MP 82-334, 1981. - P. 139-142.

66. Ершов А.П., Кашкаров А.О., Лукьянчиков Л.А., Прууэл Э.Р. Инициирование детонации пористого ВВ высокоэнтальпийным потоком газа // Физика горения и взрыва. - 2013. - Т. 49. - N. 1. - С. 91-105.

67. Долгобородов А.Ю., Сафронов Н.Е., Тесёлкин В.А., Стрелецкий А.Н. Переход горения в детонацию и чувствительность механоактивированных смесей алюминия с перхлората калия / Горение и взрыв. Под ред. С.М. Фролова. Вып. 6 // Москва: Торус Пресс, 2013. - С. 302-306. - 414 С.

68. Афонина Л.В., Бабайцев И.В., Кондриков Б.Н. Метод оценки склонности ВВ к переходу горения в детонацию / Сборник «Взрывное дело» 68/25 // Москва: Недра, 1970. - С. 149-158. - 295 С.

69. Беляев А.Ф. Горение, детонация и работа взрыва конденсированных систем // Москва: Наука, 1968. - 255 C.

70. Дубнов Л.В., Бакаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества // Москва: Недра. - 1988. - 360 С.

71. Храповский В.Е., Худавердиев В.Г., Сулимов А.А. Конвективное горение порошкообразных смесей нитрата аммония с древесным углем / 5-я Всероссийская конференция «Энергетические конденсированные системы» // Черноголовка: Институт проблем химической физики РАН, 2010. - С. 206-207. - 224 С.

72. Худавердиев В.Г., Храповский В.Е. Конвективное горение аммиачной селитры и древесного угля насыпной плотности / Научная сессия МИФИ-2010. Т. 1 // Москва: МИФИ, 2010. - С. 211-211. - 272 С.

73. Храповский В.Е., Худавердиев В.Г., Сулимов А.А. Конвективное горение смесей нитрата аммония с древесным углем / Горение и взрыв. Под ред. С.М. Фролова. Вып. 4 // Москва: Торус Пресс, 2011. - С. 172-175. - 448 С.

74. Худавердиев В.Г., Храповский В.Е. О конвективном горении аммиачной селитры с древесным углем / Научная сессия МИФИ-2011. Т. 2 // Москва: МИФИ, 2011. - С. 218-219. - 256 С.

75. Храповский В.Е., Худавердиев В.Г., Сулимов А.А. Конвективное горение и переход во взрыв в смесях аммиачной селитры с алюминием / 6-я Всероссийская конференция «Энергетические конденсированные системы» // Черноголовка: Институт проблем химической физики РАН, 2012. - С. 98-100. -384 С.

76. Худавердиев В.Г., Храповский В.Е. Возникновение и развитие конвективного горения в порошкообразных смесях аммиачной селитры с микроалюминием / Научная сессия МИФИ-2012. Т. 2 // Москва: МИФИ, 2012. -С. 149-149. - 184 С.

77. Храповский В.Е., Худавердиев В.Г., Сулимов А.А. Конвективное горение и переход во взрыв в смесях аммиачной селитры с алюминием / Горение и взрыв. Под ред. С.М. Фролова. Вып. 6 // Москва: Торус Пресс, 2013. - С. 211-213. -414 С.

78. Ермолаев Б.С., Худавердиев В.Г., Беляев А.А. Численное моделирование развития взрыва в мелкодисперсных смесях нитрата аммония с алюминием в манометрической бомбе // Горение и взрыв. - 2015. - Т. 8. - N. 2. - С. 234-241.

79. Ермолаев Б.С., Худавердиев В.Г., Беляев А.А., Сулимов А.А., Храповский В.Е. Конвективное горение мелкодисперсных смесей нитрата аммония с алюминием в манометрической бомбе // Химическая физика. - 2016. - Т. 35. -N. 2. - С. 41-53.

80. Похил П.Ф., Беляев А.Ф., Фролов Ю.В., Логачев В.С., Коротков А.И. Горение порошкообразных металлов в активных средах // Москва: Наука, 1972. - 294 С.

81. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных течений. Часть 1 // Москва: Наука, 1987. - 464 С.

82. Гинзбург И. П. Теория сопротивления и теплопередачи // Ленинград: Ленинградский государственный университет, 1970. - 375 С.

83. Гольдштик М.А. Вихревые потоки // Новосибирск: Наука, 1981. - 365 С.

84. Штерн В.Н., Гольдштик М.А. Гидродинамическая устойчивость и турбулентность // Новосибирск: Наука, 1977. - 368 С.

85. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва // Москва: Наука, 1980. - 478 С.

86. Beckstead M.W. A Summary of Aluminum Combustion / Proceedings of Internal Aerodynamics in Solid Rocket Propulsion // Rhode-Saint-Genese: NATO Research and Technology Organization, 2002. - RTO-EN-023. - 2004. - Р. 5-1-5-45.

87. Срезневский Б. И. Об испарении жидкостей // Журнал Российского физико-химического общества. - 1882. - Т. 14. - N. 8. - С. 420-442.

88. Викторов С.Б., Губин С.А., Маклашова И.В., Пепекин В.И. Прогнозирование детонационных характеристик безводородных взрывчатых веществ // Химическая физика. - 2005. - Т. 24. - N. 12. - С. 22-45.

89. Андреев К.К. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ // Москва: Наука, 1966. - 347 С.

90. Глазкова А.П. Катализ горения взрывчатых веществ // Москва: Наука, 1976. - 264 С.

91. Бахман Н.Н., Беляев А.А. Горение гетерогенных конденсированных систем // Москва: Наука, 1967. - 226 С.