Автореферат (Математическое моделирование детонации алюминизированных взрывчатых веществ), страница 2

Н.Э.Баумана, г. Москва в 2014, 2015, 2016 гг.; на научной конференции«Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийскоговооружения», г. Саров в 2013, 2015 гг.; на Всероссийской научно-техническойконференции «Проектирование систем вооружения и измерительных комплексов»,г. Нижний Тагил, 2013, 2014 г.г.; на Международной конференции «Забабахинскиенаучные чтения», г. Снежинск,2014г.,на конференции «Харитоновскиетематические научные чтения», г. Саров, 2015г.Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 работах,включая 5 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, и в 10 статьях и тезисахдокладов в материалах тематических конференций.Личный вклад. Соискатель принимал непосредственное участие в проведенииэкспериментальных работ по данной тематике и компьютерной обработкеполученных результатов; в проведении расчетно-теоретических исследований поопределению основных закономерностей взрыва АВС; в разработке физикоматематических моделей и методик, получении модифицированных уравненийсостояния, учитывающих вторичное энерговыделение АВС; в проведении численныхрасчетов, моделирующих вторичное энерговыделение АВС при прохождениидетонационных волн.Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, трех разделов,заключения и списка использованной литературы из 107 наименований, изложена на89 стр., иллюстрируется 36 рисунками, содержит 12 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫГлава 1 посвящена анализу современных воззрений в области исследованияконденсированных взрывчатых веществ (ВВ) с металлическими добавками. Интерес ктаким составам обусловлен возможностью увеличения метательного действия ВВ.

Сточки зрения фундаментальной науки смеси ВВ-металл интересны как примернеидеальной детонации. Для таких составов взаимодействие между компонентамиможет продолжаться в фазе сильного расширения продуктов детонации.Использование смесевых и, в первую очередь, алюминизированных ВВ имеют явноепреимущество по суммарной энергоемкости состава. Повышение теплоты взрываположительно сказывается на работоспособности ВВ (его фугасном действии), тогдакак скорость детонации, давление продуктов детонации (ПД) в плоскости ЧепменаЖуге(Ч-Ж) и бризантное действие снижаются.Относительно же эффективности алюминизированных ВВ применительно кметательной способности среди разных авторов (Пепекин В.И., Губин С.А., ДавыдовВ.

Ю., Гогуля М.Ф., Махов М.Н., Долгобородов А.Ю., Бражников М.А.) существуетряд противоположных мнений, от отсутствия повышения МС взрывчатым составомпри введение в его состав алюминия, до существенного повышения МС при 15%-омсодержании алюминия в октогене или гексогене. Настолько разные точки зренияможно объяснить тем, что разные авторы используют различные способырегистрации процесса метания и методы математической обработки данных. Крометого, под скоростью метания одни авторы понимают радиальную скорость оболочки,другие же реальную скорость с учетом угла разворота оболочки. Одно можноутверждать точно, что максимальное выделение энергии, связанное с окислением Al,а вместе с ней и трансформация в полезную работу взрыва, происходит принекоторой степени расширения ПД.

В частности, для композиций с алюминием приметании по методике М-40 на конечном участке регистрации скорости пластины,характерным является её положительный градиент. Это свидетельствует о том, чтоэнергетические возможности таких составов к конечной фазе ещё не исчерпаны.Большой интерес представляет также вопрос повышения метательнойспособности взрывчатых веществ за счет добавки металлического горючего разнойдисперсности, а также кислородный баланс ВВ-основы. Среди разных авторов(Гогуля М. Ф., Бражников М. А., Махов М. Н., Долгобородов А. Ю., Давыдов В.Ю.) вданном вопросе также существуют серьезные противоречия и противоположныеточки зрения по поводу перспектив использования нанодисперсного алюминия всоставах метательного действия.

В данном случае разные авторы также приводятпротиворечивые данные: некоторые говорят об отсутствии эффекта прииспользовании нанодисперсного металла, другие же приводят данные, показывающиеувеличение теплоты взрыва и метательной способности при метании АВС снанодисперстным алюминием. Сложности в сопоставлении результатов такжесвязана с тем, что часто в статьях не указан размер самих зерен ВВ. Как видно изэкспериментов, в случае с более мелким ВВ, метательная способность выше на 2-3%.Понять причины, по которым не получается реализовать на практикеповышение детонационных характеристик мощных ВВ, имеющих в своем составеалюминий, а также объяснить несоответствия между фугасными и бризантнымиформами работы взрыва алюминизированных ВВ, включая их метательное действие,весьма трудно.

Трудности заключаются в невозможности прямого наблюдения запроцессом окисления алюминия продуктами детонации конденсированных ВВ и всложности теоретического описания физико-химических процессов детонациигетерогенных металлизированных ВВ. Поэтому в литературе существует множествогипотез, связанных с процессом окисления алюминия в продуктах детонации(Троцюк А.В, Гришкин А.И., Дубнов Л.В., Давыдов В.Ю, Воскобойников И.М.,Гогуля М.Ф., Анискин А.И., Бердхолд Д., Фингер М.). Расчёты детонационныхсвойств алюминизированных ВВ в большинстве литературных источников сделанына основе термодинамического описания состояния ПД в плоскости Ч-Ж и неучитывают реального механизма взаимодействия алюминия с ПД.Неясным также остается вопрос об определении механизма и временивзаимодействия металлической добавки с ПД. В настоящее время существуют разныеточки зрения на эту проблему (Давыдов В.Ю., Клименко В.Ю., Долгобородов Ю.А.,Arnold W., Rottenkolber E.

и др.). Большинство исследователей (Давыдов В.Ю.,Семенов И.А., Arnold W., Rottenkolber E., Donahue L., Ripley R.C., Kim C.-K., HwangJ.-S.) считает, что добавка реагирует в фазе сильного расширения продуктовдетонации. Подтверждением этой точки зрения является наблюдаемый вэксперименте прирост скорости метания пластин. Хотя не исключено, что алюминийможет просто выступать как катализатор или менять ход реакции. Чтобыпроанализировать поведение добавки в зоне химической реакции, сопоставляютсяэкспериментальные данные с результатами теоретических расчетов параметров смесив предположении различного механизма влияния добавки. Возможности такогоподхода ограничены, поэтому не удивительно, что в разных источниках (ИмховикН.А., Давыдов В.Ю., Семенов И.А., Arnold W., Rottenkolber E., Donahue L., RipleyR.C., Kim C.-K., Hwang J.-S, Беляев А.Ф., Мейдер Ч., McGuire R.R., Tao W.S) можновидеть существенно различающиеся значения от 0% до 70%.

Для выяснения данноговопроса и составления достоверных моделей, необходима регистрация как всегокомплекса детонационных характеристик, относящихся к состоянию Ч-Ж, так и болеепоздних стадий разлета ПД.Необходимость прогнозирования детонационных характеристик ВВ и общейработоспособности (фугасности) продуктов взрыва (ПВ) стимулирует развитиетермодинамических методов для расчета параметров детонации. Разработанные кнастоящему времени коды позволяют с хорошей точностью рассчитывать параметрыидеальной детонации индивидуальных взрывчатых веществ.

Для смесевых составовВВ ситуация более сложная, поскольку в данном случае большие трудности вызываетрасчет степени завершенности химических реакций, протекающих в детонационнойволне. В частности, для смесевых ВВ с добавкой алюминия нет окончательнойясности о степени его окисления в точке Чепмана-Жуге.

Поэтому термодинамическиерасчеты параметров детонации проводятся при условном допущении определеннойстепени окисления алюминия.Необходимость прогнозирования детонационных характеристик ВВ привело кразвитию теоретических методов описания процессов детонации. Прогнозированиедавления детонации традиционно осуществляется через условие Чепмана-Жуге (C-J)термодинамической теории детонации. Эта теория подразумевает, чтотермодинамическоеравновесиедостигаетсямгновенно.Существуюттермодинамические компьютерные коды, такие как BKW, RUBY, TIGER, CHEQ,CHEETAH (в C версии TIGER), AUTODYN, LS-DYNA, и др., которые позволяютнайти параметры детонации отдельных взрывчатых веществ с хорошей точностью. Вэтих кодах используются эмпирические уравнения состояния (УРС), такие какБейкер-Кистяковский-Вилсон (BKW-EOS), Джейкобс-Копертвайт-Звислер (JCZEOS) и Кихара-Хакита-Танака (KHT-EOS), JWL, JWLB, соответствующиеэкспериментальным данным для конкретных взрывчатых веществ.

В определенныхусловиях эти уравнения состояния могут довольно точно отражатьтермодинамические свойства и многокомпонентных смесей, хотя численныетермодинамические расчеты параметров детонации АВС, как правило,осуществляются при условии определенной степени окисления алюминия. Вбольшинстве случаев предполагается, что реакция алюминия происходит за фронтомреакции, в ходе расширения газообразных продуктов детонации. Т.е. частицыалюминия выступают как инертный ингредиент. Такой подход является простым, и вряде задач дает неплохое согласование с экспериментальными результатами.Время от времени, в литературе возникают альтернативные методы оценкидетонационных параметров алюминизированных взрывчатых веществ, основанные нарассмотрении химического состава смесевых взрывчатых веществ с формулойCaHbNcOdAle.

Подобные методы являются перспективными, но требуют сложныхкомпьютерных кодов и хорошего понимания происходящих в зоне химическихреакций процессов. Среди подобных кодов, можно отметить компьютерный кодEDPHT способный предсказывать скорость детонации, давление, теплоту взрыва,температуру детонации, скорость Гарни, адиабаты и удельные импульсы взрывчатыхвеществ с общей формулой CaHbNcOd. Этот код может быть использован дляпрогнозирования скорости детонации и давления смесевых ВВ, имеющих общуюформулу CaHbNcOdAle . Данный код не требует прогнозирования степени окисленияалюминия в ЗХР, но его использование возможно только в узком спектрерассматриваемых задач.Глава 2 посвящена описанию полученных экспериментальных результатоввзаимодействия продуктов детонации конденсированных ВВ с окружающимвоздухом.Впервые экспериментально показано, что энергия сгорания алюминияреализуется в осевом и радиальном направлениях не одинаково и убывает с ростомтолщины оболочки.

С увеличением толщины оболочки эффект от добавки алюминияне возрастает, как принято считать, а снижается. При увеличении толщины оболочкис 2 до 10мм удельная (отнесенная к единице длины) энергия оболочки для A-IX-1 идля A-IX-1 +10%Al возрастает. В то же время, эффект от добавки Al по скоростиразлета снижается с 17 до 11%. Таким образом, увеличение времени отбора энергии в5 раз, с 3 до 15мкс, снижает прирост скорости и энергии оболочек. Введение Alприводит к уменьшению скоростей метания пластины на 3-5%. Данные результатыможно связать с отставанием зоны реакции Al от фронта детонационной волны.Был рассмотрен вопрос по определению оптимального содержания алюминияво взрывчатых смесях, для достижения максимальной скорости метания оболочек.Показано, что для взрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансомоптимальное количество добавки алюминия составляет 10-15%.