Химическая физика, 2019, T. 38, № 10, стр. 26-32

1. Исследование чувствительности к удару

В работе использовались лабораторные методы испытаний ВС на чувствительность к удару в приборе № 2 – метод критических давлений (КД) и метод критических энергий (КЭ), которые детально описаны в работах [4, 5]. В обоих методах удару на копре подвергаются спрессованные (давление – 0.3–0.5 ГПа) заряды ВС различной толщины h₀. В методе КД определяются значения давления удара P₀, при которых происходят первые акты разрушений зарядов ВВ (плохо воспроизводимые взрывы при повторных разрушениях зарядов не учитываются), и отмечаются точками на графике зависимости P₀(h₀). Критические условия инициирования (Р₀= P_кр, h₀= h_кр), в которых наблюдаются переходы от простых разрушений зарядов к разрушениям со взрывом, наступают при толщине заряда, равной критической величине h_кр, индивидуальной для каждого ВС. Величины P_кр и h_кр связаны гиперболической зависимостью: P_кр = σ₀(1 + 0.19 d/h_кр), где d – диаметр ударника (ролика) и σ₀ – предел прочности зарядов ВС на сжатие ударом. В методе КЭ определяется (способом “вверх–вниз”) наименьшая для всех h₀ энергия удара E_кр= MgH_кр (М – масса ударника (груза), g – ускорение свободного падения, H_кр – критическая высота сбрасывания груза), при которой происходит инициирование ВС с частотой в 50% (учитываются взрывы при всех разрушениях зарядов). Это событие наступает приблизительно при той же толщине зарядов h_кр, что и в методе КД. В случае индивидуальных ВВ величины P_кр и критической энергии инициирования е_кр = E_кр/S (S = πd²/4) связаны параболической зависимостью: е_кр = а$P_{{{\text{кр}}}}^{2}$ (а = S/K, K – механическая жесткость копровой системы нагружения). Многокомпонентные ВС не всегда следуют этой зависимости.

На рис. 1 черными точками отмечены давления разрушений зарядов окфола-3,5 со взрывом, светлыми – без взрыва, по которым определяется величина Р_кр= 0.45 ГПа. По минимуму на кривой зависимости e(h₀) находится значение е_кр = 6.8 Дж/см². Результаты проведенных испытаний на чувствительность к механическим воздействиям окфола-3,5, А-IX-1 и их смесей с металлами и металлизированными добавками приведены в табл. 1 и 2. Точность определения показателей чувствительности в методах КД и КЭ по оценкам из работ [4, 5] не хуже 10%.

Рис. 1.

Зависимости давления разрушения P₀ (кривая 1) и энергий инициирования е_кр (кривая 2) окфола-3,5 от толщины зарядов h₀.

2. Исследование чувствительности к трению при ударном сдвиге

Для окфола-3,5, А-IX-1 и их металлизированных смесей проведено исследование чувствительности к трению при ударном сдвиге в соответствии с ГОСТ Р 50835-95 на маятниковом копре К-44-III. Метод сводится к построению кривой частостей взрывов (X) зарядов ВС при различных давлениях их сжатия на прессе копра и определению на ней нижнего и верхнего пределов возбуждения взрывов ВС при быстром сдвиге. Обычно испытания проводят до тех пор, пока будет найден лишь нижний предел чувствительности – максимальное давление прижатия П, при котором в 25 опытах не происходит ни одного взрыва. Оно принимается за критическое давление возбуждения взрыва (П = П_кр).

Экспериментальная зависимость частостей взрывов от давления прижатия зарядов А-IХ-1 представлена на рис. 2. По ней найдена величина критического давления инициирования трением при быстром сдвиге П_кр = 0.45 ГПа. Результаты определения чувствительности к ударному сдвигу металлизированных составов на основе А-IХ-1 приведены в табл. 2.

Рис. 2.

Зависимость частости взрывов X от давления прижатия зарядов А-IХ-1. Верхний предел – П_в = 750 МПа, нижний – П_кр = 450 МПа.

3. Измерение параметров детонации

Измерения скорости детонации D, массовой скорости продуктов взрыва U и давления детонации P = ρ₀DU проводились с помощью электромагнитной установки, снабженной цифровым осциллографом. Она позволяет фиксировать на экране персонального компьютера интервал времени прохождения детонационной волной заданного базового расстояния в заряде ВС и временнóй профиль u(t) массовой скорости в детонационной волне (параметры установки и регистрирующих приборов подробно описаны в работе [6]). Датчик массовой скорости с длиной перекладины 5 мм и шириной 3 мм изготавливался из алюминиевой фольги толщиной 0.12 мм. По оценкам из работы [6] точность определения параметров детонации в химпике и точке Чепмена–Жуге не хуже 5%.

На рис. 3 приведены осциллограммы записей профиля массовой скорости u(t) в установившихся детонационных волнах в спрессованных (под давлением 1.0 ГПа) зарядах окфола-3,5 и его смесях с 20% титана, гидрида и дейтерида титана (диаметр зарядов – 20 мм). Отметим, что в данных условиях опытов датчики скоростей фиксируют реальную картину течений только за время t ≤ 2 мкс, поскольку при бóльших временах регистрации происходит разрушение датчика, который утрачивает П-образную форму вследствие воздействия на него волн боковой разгрузки. В табл. 3 представлены результаты обработки осциллограмм записей массовой скорости при детонации окфола-3,5, А-IX-1 и металлизированных смесей на их основе. Данные усреднены по 3–5 параллельным опытам.

Рис. 3.

Осциллограммы записи массовой скорости в заряде окфола-3,5 (1), его смеси с 20% титана (2), гидрида (3) и дейтерида титана (4).

1. Параметры механического инициирования

1.1. Как следует из представленных в табл. 1 результатов, величины P_кр для всех исследованных составов на основе окфола-3,5 приблизительно одинаковы, поскольку во всех случаях взрывная реакция в них начинается с распада базового компонента ВС – октогена и полученные давления практически характеризуют его чувствительность в данных составах. Однако с введением в состав окфола 20% гидрида или дейтерида титана прочность смесей увеличивается в 1.5 раза и, следовательно, величина h_кр увеличивается также 1.5 раза. Заметим, что введение в состав окфола прочного компонента приводит к его сенсибилизации в смысле увеличения числа взрывов, включая взрывы при повторных разрушениях зарядов. В результате уменьшается величина е_кр. Опираясь на этот показатель, можно сделать вывод о несколько большей чувствительности к удару составов окфол/гидрид (дейтерид) титана по сравнению с чистым окфолом. Этот вывод подтверждается расчетом критической величины объемной энергии инициирования W_кр= е_кр/h_кр. Ее значения составили 0.13 Дж/мм³ для исследуемых составов и 0.34 Дж/мм³ для чистого окфола.

Представленные в табл. 2 данные по чувствительности А-IX-1 к удару и трению в целом согласуются с ранее опубликованными материалами по чувствительности этого ВС [7]. Несколько пониженная по сравнению с гексогеном величина P_кр гекфола (0.67 ГПа в сравнении с 0.7 ГПа) объясняется слабой сенсибилизацией гексогена вследствие введения малого количества (5–6%) жировой добавки в состав А-IX-1, снижающей прочность гексогена с номинальных 82 МПа [4] до 51 МПа. Соответственно уменьшению σ₀ снижается значение h_кр (для гексогена h_кр = 0.25 мм). Однако эффект снижения σ₀ в данном случае оказался более весомым по сравнению с уменьшением h_кр, чем и объясняется наблюдаемое снижение P_кр [5]. Но сказанное отнюдь не свидетельствует об увеличении чувствительности А‑IX-1 по сравнению с гексогеном, поскольку величина P_кр, характеризующая способность к возбуждению взрыва, не учитывает способность ВС к развитию взрыва из очага инициирования, т.е. не учитывает второй составляющей механической чувствительности ВС. Именно указанная способность ВС к развитию взрыва, характеризуемая значениями критических диаметров горения и детонации, более выражена у гексогена, чем и объясняется его более высокая, по сравнению с А-IX-1, чувствительность в широком смысле определения этой характеристики ВС, т.е. с учетом возбуждения и развития взрыва при механических воздействиях.

Воспользуемся часто употребляемой [4] характеристикой чувствительности ВС к возбуждению взрыва при ударе – отношением P_кр/σ₀ (чем оно меньше, тем выше склонность к возбуждению взрыва) и проследим за изменением этой характеристики для смесей А-IX-1 с металлизированными компонентами в зависимости от величины α – содержания вводимой добавки. Из табл. 2 видно, что показатель P_кр/σ₀ для всех смесей имеет слабый минимум при α ≈ 0.2, который свидетельствует о некотором локальном увеличении чувствительности смесей к удару по сравнению с А-IX-1. Этого и следовало ожидать, поскольку малое введение в ВВ твердой высокопрочной добавки сенсибилизирует его в опытах на чувствительность к удару вследствие повышенного фрикционного разогрева ВС во время прочностного разрушения заряда (увеличивается поверхностная плотность пятен фрикционного контакта [4, 8]). С дальнейшим увеличением содержания инертного металлизированного компонента, обладающего высокой теплопроводностью, теплосодержание взрывчатой смеси снижается и его чувствительность к удару существенно уменьшается [9].

Как следует из табл. 2, отмеченный немонотонный ход зависимости P_кр/σ₀(α), как в целом и зависимости P_кр (α), коррелирует с зависимостью П_кр (α). Здесь также имеет место минимум при α ≈ 0.2, свидетельствующий о локальном увеличении чувствительности ВС к трению. Происхождение этого минимума следует признать таким же, как и в опытах на чувствительность к удару. Он связан с влиянием двух конкурирующих факторов – увеличения тепловыделения вследствие возрастания эффективной поверхности трения и, с другой стороны, увеличения теплопотерь вследствие роста доли инертного компонента. Заметим также, что введение в А-IX-1 одинаковых количеств циркония, его гидрида и дейтерида практически не влияет на величины критических показателей инициирования смесей трением, физико-механические характеристики которых приблизительно одинаковы.

Отметим, что явное различие между значениями P_кр и П_кр наблюдается только для самого состава А-IX-1. Указанное различие связано с особенностями в механизмах инициирования зарядов А-IX-1 при ударе и трении. В испытаниях на чувствительность к удару происходит прочностное разрушение заряда как целого. Запасенная в копровой системе нагружения упругая энергия удара, сбрасываемая за короткое время (≈10 мкс) в разрушающийся заряд с помощью серии волновых возмущений, трансформируется в тепло в разрушаемом заряде. Причем основную роль в инициировании взрыва играет внутреннее трение (пластичность, динамическая вязкость) в растекающемся заряде ВС. В испытаниях на быстрый сдвиг основную роль в инициировании взрыва играет длительное (≈100 мкс) внешнее трение между зарядом ВС и роликом-ползуном, причем прочностное разрушение заряда, вызванное ударом маятника копра по ролику-ползуну, также имеет значение, но не решающее.

1.2. В заключение этого раздела приведем факты, свидетельствующие об отсутствии химического взаимодействия между продуктами распада ВС и металлизированными компонентами при разрушении заряда от удара, и факты, доказывающие наличие взаимодействия между кислородом воздуха и выброшенными в него нагретыми при ударе металлизированными компонентами ВС.

1.2.1. Для получения конденсированных продуктов взрыва металлизированного ВС с целью их последующего рентгенофазного анализа проведены эксперименты по удару на копре в приборе № 1 (с затрудненным истечением вещества). Масса навески взрывчатой смеси в каждом эксперименте составляла 50 мг. Груз массой 10 кг сбрасывался на прибор с высоты 50 см. Конденсированные продукты взрыва после удара извлекали из прибора и проводили их рентгенофазовый анализ на монохроматизированном Cu(K_α1)-излучении в камере “Huber Imaging Plate Guiner Camera”.

Со смесью окфола с гидридом титана проведено 10 опытов (масса навесок составляла 50 мг). Во всех из них наблюдались взрывы, сопровождавшиеся сильным звуковым эффектом и появлением яркого пламени (продукты взрыва истекают из узкого зазора (20 мкм) между роликами и муфтой прибора № 1). Результаты рентгенофазного анализа оставшихся в межроликовом промежутке прибора металлизированных продуктов взрыва показали, что их состав полностью идентичен исходному порошку гидрида титана с формулой TiH_1.971. Таким образом, при взрыве от удара гидрид титана действительно не реагирует с продуктами взрыва окфола, для которого он в энергетическом отношении является балластом. Аналогичные данные получены в опытах со смесью гекфола с гидридом циркония состава 80/20.

1.2.2. С помощью цифровой камеры Casio Exilim Pro Ex-F1 выполнена скоростная фоторегистрация процесса удара на копре по зарядам окфола и смесей на его основе. Видеосъемка со скоростью 1200 кадр/с проводилась с боковой поверхности роликовой сборки. На рис. 4 приведены серии кадров, на которых показана картина разлета продуктов разрушения и взрыва зарядов окфола-3,5 (рис. 4а) и смеси окфола с гидридом титана состава 80/20 (рис. 4б). Видно, что в случае взрыва окфола наблюдается лишь слабое свечение продуктов разрушения и взрыва заряда, окрашенное в розовый цвет флегматизирующим компонентом состава. Иная картина наблюдается в случае удара и взрыва заряда окфола с гидридом титана. На представленных кадрах видеосъемки последовательно видны выброс раскаленных металлизированных продуктов из межроликового пространства испытательного прибора и их яркое воспламенение на воздухе. Очевидно, что разогрев металлизированных компонентов смесей обусловлен исключительно их высокоскоростным трением на контактных поверхностях испытательного прибора вследствие механического разрушения заряда как целого.

Рис. 4.

Кадры регистрации удара по зарядам окфола (а) и его смеси (80/20) с гидридом титана (б). Цифра на кадрах – время в мс от начала удара.

2. Параметры детонации

Анализируя данные табл. 3, отметим некоторое снижение кинематических параметров детонации ВС при введении в них 20% порошкообразных компонентов. Однако динамические параметры даже несколько возрастают. Это может быть связано как с увеличением плотности металлизированных составов, так и с протеканием химических реакций добавочных компонентов смеси с ПД базового ВВ. Для подтверждения последней версии обратимся к количественным оценкам величины максимального тепловыделения Q во фронте детонационной волны, выполненным по методу, разработанному в работах [10, 11]. Он основан на знании кинематических параметров детонации, по которым вычисляется показатель политропы продуктов k = D/U – 1. Далее с использованием аналитической связи тепловыделения q(k) с параметром задачи k и коэффициентом Грюнайзена ПД, γ, определяется значение γ(k), при котором величина q достигает максимума Q. Если Q смеси (Q_см) превышает Q базового ВВ (Q₀), то это означает, что добавка реагирует во фронте детонационной волны с тепловым эффектом. В противном случае она ведет себя как инертное тело. Заметим, что при использовании экспериментальных значений D и U в расчетах неявно учитываются все возможные потери энергии в детонационной волне.

Для корректного сравнения величин Q в смесях и в базовом ВВ необходимо, чтобы в обоих случаях заряды содержали одинаковое количество молей базового компонента. При этом достаточно, чтобы плотность заряда базы, ρ₀, равнялась собственной плотности базового компонента в смеси, ρ_б [1, 12]. Очевидно, что ρ_б < ρ_см (ρ_см – плотность смеси). Результаты проведенных расчетов приведены в табл. 3. Из них следует, что корректные сравнения указанных велечин тепловыделений могут быть выполнены определенно со смесями на основе окфола (ρ_б ≈ ρ₀) и с некоторым приближением – на основе гекфола (ρ_б ≤ ρ₀). Тогда получается, что титан действительно реагирует с ПД окфола во фронте волны и вносит свой вклад в суммарное тепловыделение, cмесь с TiD_1.95 демонстрирует некое пограничное состояние, а TiH_1.95 в данном приближении ведет себя в смеси как балласт. Как о балласте можно сказать о всех добавочных компонентах при детонации смесей на гекфоле. Возможно, что затраты энергии на диссоциацию молекул гидридов и дейтеридов столь значительны, что ограничивают их способность реагировать с ПД базовых ВВ во фронте волны.

В табл. 3 приведены значения внутренней энергии Е продуктов детонации ВС, рассчитанные по методике, указанной в [10, 11]. Здесь также можно указать на вклад реакции Ti с ПД окфола в суммарное увеличение Е смеси. Сравнивая полученные значения Е с величинами Q, находим, что Q/E ≈ 2/3. Это означает, что детонационное тепловыделение приблизительно равно тепловой компоненте внутренней энергии ПД. Представленные в табл. 3 значения Е меньше калориметрических (фугасных) теплот взрыва ВС [3], поскольку в них не учитывается тепловыделение от экзотермических реакций, протекающих в зафронтовом потоке детонационной волны. Для учета этих реакций необходимо знать состав продуктов распада базового ВВ и добавок, а также характер их взаимодействий между собой. Определить глубину превращения Ti на фронте волны также нельзя, поскольку для этого необходимо располагать уравнением взрывчатого разложения ВС.

Анализ осциллограмм на рис. 3 показывает, что в отличие от записей кривых зависимости u(t) при детонации окфола, на записях аналогичных кривых при детонации смесей окфола с титаном, гидридом и с дейтеридом титана отчетливо наблюдается выпуклость кривых вверх в зафронтовых потоках детонационной волны. Это свидетельствует о том, что в данных областях потоков, охваченных волнами тыловой (тэйлоровской) разгрузки (время регистрации t ≤ 2 мкс), происходят активные физико-химические превращения с дополнительным тепловыделением. Они могут быть инициированы диссоциативными процессами в гидридах и дейтеридах с последующими высокоэнтальпийными реакциями синтеза оксидов и нитридов металлов с активным участием продуктов детонации ВВ. Не исключено, что образование легкогазовых продуктов, снижая среднюю мольную массу продуктов детонации ВС, способствует ускорению зафронтового потока. Очевидно, что протекание перечисленных реакций обусловлено сильным нагревом добавок во фронте детонации ВС. Указанные энергоемкие превращения в зафронтовых потоках детонирующих ВС в целом способствуют увеличению их фугасного и метательного действия.