Термодинамический расчет параметров детонации смесей взрывчатых веществ с алюминием

Список литературы

1. Омаркулов, Т.О. Гидрирование под давлением водорода/ Т.О.Омаркулов, Д.В.Сокольский.- Алма-Ата: Наука, 1986.- 191с.

2. Жилин, В.Ф. Восстановление ароматических нитросоединений/ В.Ф.Жилин, В.Л.Збарский, А.И.Козлов.- Жилин В.Ф., Збарский В.Л., Козлов А.И.- М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004.- 91с.

3. Збарский, В.Л. Толуол и его нитропроизводные/ В.Л.Збарский, В.Ф.Жилин.-М.: Эди-тория УРСС, 2000.- 272с.

4. Понамарев, А.А. Исследование адсорбционной способности высокопористых палла-дий-нанесенных катализаторов гидрирования/ А.А.Понамарев, В.В.Серегин, И.А.Козлов.- М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2006.- 136с.

УДК 66.046.4:669.71/.721 А.А.Веприкова, В.М.Райкова

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДЕТОНАЦИИ СМЕСЕЙ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ С АЛЮМИНИЕМ

Detonation parameters of aluminized composite explosives has been calculated by means of SD computer code. Computations were performed for complete oxidation of Al (1) and nonreacting Al (2). There is shown that for reacting and inert Al calculated detonation velocity and pressure of RDX/Al mixtures differ slightly, but temperature and explosive heat differ considerably. Calculated characteristics were compared with experimental results on detonation for various aluminized composite explosives.

С помощью термодинамической программы SD проведен расчет параметров детонации смесей ВВ с алюминием. Расчеты проводили в предположении полного окисления Al (1) и его инертности (2). На примере смесей гексогена с Al показано, что для реагирующего и инертного Al расчетные значения скорости и давления детонации отличаются мало, а температура и теплота различаются в значительной степени. Результаты расчета сопоставлены с экспериментальными данными.

Добавление к взрывчатым веществам порошкообразного алюминия, значительно увеличивает теплоту взрыва (Qv), измеряемую в калориметрической бомбе [1,2]. Скорость детонации (D) мощных ВВ в зарядах с высокой относительной плотностью снижается при добавлении алюминия [3-5], причем эффект оказывается тем значительнее, чем меньше размер частиц Al. В том же направлении изменяются давление детонации (PCJ) и массовая скорость частиц (u).

Многие исследователи придерживаются точки зрения, что в зоне реакции в детонационной волне (ДВ) до точки Чепмена - Жуге алюминий ведет себя как инертная добавка, отнимающая тепло у продуктов разложения ВВ, и окисляется лишь при расширении продуктов взрыва.

Термодинамические расчеты, выполненные главным образом с применением уравнения состояния BKW [6-9], показали, что при добавлении Al к ВВ расчетная скорость детонации снижается независимо от того, участвует Al в химической реакции или остается инертным. Это затрудняет получение достоверной оценки доли Al, прореагировавшего в пределах зоны реакции ДВ. Разные авторы, проводившие сравнение расчетных и измеренных значений D для смесей ВВ с Al, получили противоречивые результаты. Оценка полноты окисления Al колеблется от 0 [9] до 40-50% [7] и даже до 70% [8]. Эти расхождения, скорее всего, связаны не с различиями в свойствах взрывча-

тых композиций, а с недостаточной точностью применяемых расчетных методов, главным образом в случае термохимического равновесия Al в продуктах детонации.

Несмотря на отмеченные недостатки компьютерных методов расчета параметров детонации алюминизированных ВВ, выполнение таких расчетов полезно для оценки и прогнозирования характеристик сложных взрывчатых композиций. В настоящей работе проведен анализ влияния содержания Al и плотности заряда на расчетные параметры детонации его смесей с ВВ с применением термодинамической программы SD. Компьютерная программа SD (Shock and Detonation) была разработана профессором Б.Н.Кондриковым и А.И. Суминым в 90-е годы прошлого столетия [10], и успешно применяется для расчета основных термо- и гидродинамических параметров состояния детонации Чепмена - Жуге в конденсированных веществах, содержащих С, Н, N, O, Cl. Расчет параметров детонации проводился для смесей гексогена, содержащих до 50% Al, при изменении плотности заряда (р0) от 1 до 1,8 г/см3. Применялись два варианта расчета:

(1) Al вступает в реакцию, и в продуктах устанавливается полное термохимическое равновесие с образованием конденсированного оксида Al2O3;

(2) Al не реагирует и присутствует как инертное вещество в продуктах детонации.

Результаты расчета зависимости скорости детонации от содержания Al в смеси

показаны на рис.1. Для смесей с 10% и 20% Al значения D, рассчитанные по варианту (1), незначительно выше, чем по варианту (2). Для смеси, содержащей 25% Al, величины D, полученные различными методами, совпадают. При содержании 30 - 50% Al в смеси расчет по варианту (1) дает более низкие значения D по сравнению с вариантом (2). Для сравнения на рис.1 приведена расчетная зависимость скорости детонации смеси гексогена с Al2O3 от содержания добавки. Значения D для этой смеси ниже, чем для смеси с Al, как с реагирующим, так и с инертным.

Рис.1. Зависимость расчетной скорости детонации от содержания добавки в смесях гексогена с А1

(1,2) и с А1203 (3): 1 - реагирующий А1; 2 - инертный А1; р0=1,53 г/см3 Рис.2. Зависимость расчетной температуры детонации от содержания добавки в смесях гексогена с А1 (1,2) и с А1203 (3): 1 - реагирующий А1; 2 - инертный А1; р0=1,53 г/см3

Величина РСТ, как и D, слабо зависит от выбора варианта расчета. Наиболее сильное влияние замены в расчете реагирующего А1 на инертный наблюдается для температуры детонации и теплоты взрыва. Для реагирующего А1 эти параметры значительно выше, чем для инертного (рис.2).

Для лучшего понимания влияния окисления алюминия на параметры детонации смесей на его основе рассмотрим состав конденсированных продуктов детонации (рис.3). При окислении А1 в продуктах детонации образуются А1203 и С, максимальное содержание которых соответствует смесям с 30% А1. Свободный кислород реагирует с А1 легче, чем с углеродом. Повышение температуры и теплоты являются результатом большой энтальпии образования А1203. Непрореагировавший алюминий присутствует в продуктах детонации смесей, содержащих более 30% А1.

20

а

ч Л

ч

о

10

,1

V

У

а/ А*ь/

.....Г......-

20

Рис. 3. Состав конденсированных продуктов детонации смесей гексогена с А1, р0=1,80 г/см .

Сплошная линия - реагирующий А1, пунктирная линия - инертный А1.

Если алюминий является инертной добавкой к гексогену, то кислород расходуется на окисление углерода, снижается количество твердого углерода, и увеличивается объем газообразных продуктов. При этом температура и теплота реакции монотонно уменьшаются с ростом содержания алюминия в смеси.

Для изученных смесей был проведен расчет параметров детонации при изменении плотности заряда в интервале 1-1,8 г/см3. Следует отметить, что для смесей с большим содержанием А1 расчет по варианту (1) был затруднен из-за высоких значений TD при относительно низком давлении. Зависимости D(p0), полученные с применением различных вариантов расчета, имеют обычный вид:

Б = А + Вр0

где D и А измеряется в км/с, р0 - в г/см3, В - в (см3-км)/(г-с).

Для инертного А1 зависимости расчетных коэффициентов А и В от содержания алюминия хорошо описываются линейными функциями:

А = 2,56 - 0,084 СА1

В = 3,63 + 0,023 СА1

Подставив выражения (2) и (3) в уравнение (1), можно получить обобщенное уравнение для приближенной оценки скорости детонации смесей гексогена с алюминием в широком интервале изменения плотности:

0

0

D= (2,56 - 0,084 СAl) + (3,63 + 0,023 С^)р0

В случае окисления Al зависимости коэффициентов А и В от содержания алюминия в смеси не являются линейными функциями и имеют более сложный характер.

В работе проведено сравнение результатов расчета параметров детонации с экспериментальными данными для смесей алюминия с гексогеном, октогеном, тротилом и др. Степень отклонения расчетных значений скорости детонации от экспериментальных зависит от природы ВВ, содержания Al в смеси, плотности заряда и размера частиц Al. Небольшое отличие в значениях D, полученных с применением различных вариантов расчета, не позволяет сделать однозначного заключения о доли прореагировавшего Al в пределах зоны реакции ДВ, как это уже отмечалось ранее [3, 7, 11]. C другой стороны, относительная ошибка расчета составляет несколько процентов, что дает возможность применять термодинамическую программу SD для оценки и прогнозирования параметров детонации смесей ВВ с алюминием.

Список литературы

1. Беляев А. Ф. Горение, детонация и работа взрыва конденсированных систем /А. Ф. Беляев. - М.: Наука, 1968. - 225 с.

2. Хотин В. Г. Результаты ренгенофазного анализа продуктов взрыва алюмосодержа-щих взрывчатых смесей. /В. Г. Хотин, А. Н. Цвигунов, А. С. Красиков. //Проблемы энергетических материалов: сб. трудов Всероссийской н.-т. конференции Успехи в специальной химии и химической технологии. РХТУ им. Д.И. Менделеева. Часть 2. - Москва, 2002. - С. 197-201.

3. Анискин А. И. Детонация смесей взрывчатых веществ с алюминием /А. И. Анискин //Детонация и ударные волны: материалы VIII Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву. - Черноголовка, 1986. - С. 26-32.

4. Хотин В. Г. Об участии металлов в химическом превращении в детонационной волне /В. Г. Хотин, А. И. Козлов, А. В. Ахачинский, И. И. Феодоритов, В. Ю. Давыдов //Химическая физика конденсированных ВС: труды МХТИ им. Д. И. Менделеева. - М., 1979. - выпуск 104-й. - С. 113-122.

5. Архипов В. И. Исследование детонации алюминизированных ВВ /В. И. Архипов, М. Н. Махов, В. И. Пепекин, В. Г. Щетинин //Химическая физика. - 1999. - Т. 18, №12. -С. 53-57.

6. Мейдер Ч. Численное моделирование детонации /Ч. Мейдер - М.: Мир, 1985. - 310 с. Hobbs M. L. Calibrating the BKW-EOS with a large product species data base and measured C-J properties /M. L. Hobbs, M. R. Baer //Proc. Tenth Intern. Detonation Sympos. - Boston, 1993. - Р. 409-419.

7. Cowperthwaite M. Nonideal detonation in a composite CHNO explosive containing aluminum /M. Cowperthwaite //Proc. Tenth Intern. Detonation Sympos. - Boston, 1993. - Р. 656-664.

8. Imkhovik N. А. Oxidation of Aluminium Particles in the Producys of Condensed Explosives Detonation /N. А. Imkhovik, V. S. Soloviev //Proc. of XXI Int. Pyrotechnics Seminar. -Moskow, 1995. - P. 4-12.

9. Sumin A.I. Shock and detonation general kinetics and thermodynamics in reactive systems computer package /A.I. Sumin, V.N. Gamezo, B.N. Kondrikov, V.M Raikova //Trans. of the 11-th (Int.) Detonation Symp., Snowmass, Colorado, USA. August 31-September 4, 1998, Bookcomp, Ampersand, 2000. - P. 30-35.

10.Ермолаев Б. С. Поведение алюминия при детонации вторичных ВВ. Сюрпризы и интерпретации /Б. С. Ермолаев, Б. А. Хасаинов, Ж. Боден, А. - Н. Прель //Химическая физика. - 1999. - Т. 18, №6. - С. 60-69.