СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЖИМОВ ЗАЖИГАНИЯ И ГОРЕНИЯ ВЗРЫВЧАТОГО НАПОЛНЕНИЯ БОЕПРИПАСОВ ПРИ УТИЛИЗАЦИИ ВЫЖИГАНИЕМ
METHOD OF DETERMINATION OF MODES OF IGNITION AND BURNING OF EXPLOSIVE FILLING OF AMMUNITION AT UTILISATION BY BURNING OUT

Изобретение относится к технике испытаний горючих материалов, а именно к способам и устройствам для измерения скорости горения образцов твердых энергетических материалов, горящих параллельными слоями. Такие энергетические материалы являются основой взрывчатого наполнения боеприпасов типа артиллерийских снарядов. Эти боеприпасы содержат внутри металлического корпуса взрывчатое наполнение, напримергексоген, октоген или их смеси, в том числе с различными добавками в виде порошка алюминия или тротила. Вследствие большого количества снятых с вооружения боеприпасов необходимы новые высокопроизводительные и безопасные способы осуществления их утилизации.
Ранее предложен способ массовой утилизации боеприпасов, который удовлетворяет требованиям к высокопроизводительным процессам, в том числе по ускоренному выжиганию взрывчатого наполнения из вертикально установленного открытым очком вниз корпуса боеприпаса под воздействием поступающей внутрь полости корпуса гранулярной струи из нагретых частиц сыпучего твердого теплоносителя (патент RU 2485437 от 20.06.2013. «Способ расснаряжения боеприпасов» по заявке 2012104181 от 07.02.2012).
Вследствие большого числа рецептур взрывчатого наполнения, сложившегося в технологии боеприпасов, определение режимов воспламенения и горения этих продуктов требует проведения предварительных исследований на образцах из конкретных рецептур в условиях натекания на обращенную вниз поверхность горения восходящей гранулярной струи из нагретых частиц твердого теплоносителя.
Известны установки и способы для определения скорости горения самогорящих твердых составов типа твердых ракетных топлив и взрывчатых веществ в свободном и нагруженном состоянии путем регистрации положения поверхности горения с помощью перегорающих проводников, киносъемки, светорегистраторов [1]. Горение составов во многом зависит от условий, при которых проводятся испытания. Условия испытаний, по возможности, должны воспроизводить обстановку реальной эксплуатации составов, например, по температуре, давлению, уровню деформаций [2].
Известны также теоретические и экспериментальные исследования зажигания конденсированных реакционноспособных веществ частицами нагретых твердых теплоносителей, находящимися в начальный момент времени на верхней поверхности этих веществ (Буркина Р.С., Микова Е.А. Высокотемпературное зажигание реакционноспособного вещества горячей инертной частицей с конечным запасом тепла // Физика горения и взрыва, 2009, т. 45, №2, с. 40-47).
Общим недостатком известных способов является ограниченность условий проведения измерений схемами с применением потока запыленных продуктов сгорания пиротехнических составов (форса пламени) в горизонтальном канале заряда энергетического материала при определении времени задержки воспламенения или с натеканием потока таких продуктов отдельно или в сочетании с внешним потоком теплового излучения на вертикальную или нижерасположенную поверхность горения. Механизмы зажигания не выявляются, а постулируются требованиями к массе пиротехнического состава и объему герметичной камеры. Механизм горения считается известным.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению и принятым за прототип является способ, реализованный в устройстве [3] измерения скорости горения полимерного композиционого материала с открытой торцевой поверхностью образца. В соответствии со способом, готовятбронированный по боковой и задней торцевой поверхности образец с серией датчиков движения фронта горения, распределенных по толщине образца вдоль его оси, подготовленный образец закрепляют горизонтально в герметичной камере сгорания большого объема, воспламеняют образец с открытой торцевой поверхности с помощью электрозапала и определяют скорость горения путем измерения времени прохождения фронтом горения участков длины образца с помощью последовательного срабатывания датчиков движения фронта горения образца, например, в виде светопровода с точечными источниками монохроматического излучения.
Недостатком известного технического решения является функциональная ограниченность определением только одной зависимости скорости горения от давления. Зависимости скорости горения от других внешних условий - внешнего теплового потока на поверхность горения, потока эродирующих частиц на поверхность горения, гравитации (ориентации поверхности горения) не могут быть выявлены с помощью этого способа.
Решаемой технической задачей является способ определения режимов воспламенения и скоростей горения образцов материалов взрывчатого наполнения при атмосферном давлении в условиях воздействия на обращенную вниз торцевую поверхность горения натекающей гранулярной струи из твердого сыпучего теплоносителя, нагретого до температуры выше температуры воспламенения материала взрывчатого наполнения.
Решение поставленной технической задачи заключается в том, что в способе определения режимов воспламенения и горения, включающем подготовку бронированного по боковой и задней торцевой поверхностям образца взрывчатого наполнения с датчиками положения фронта горения по толщине образца, закрепление подготовленного образца горизонтально в камере сгорания, воспламенение в момент контакта сыпучего твердого теплоносителя, нагретого до температуры выше температуры воспламенения материала взрывчатого наполнения, с поверхностьюгорения и регистрацию сигналов от датчиков положения фронта горения во времени, скрепляют по задним торцам подготовленный образец взрывчатого наполнения и внешнюю направляющую гильзу, длина которой больше толщины образца взрывчатого наполнения, закрепляют образец с обращенной вниз торцевой поверхностью горения в открытой защитной камере, готовят в генераторе импульсных струй дозу твердого сыпучего теплоносителя, нагретого до температуры выше температуры воспламенения материала взрывчатого наполнения, метают дозу в виде импульсной плотной струи сыпучего твердого теплоносителя вертикально вверх с натеканием на поверхность горения, регистрируют время от момента контакта теплоносителя до вспышки на поверхности горения и время от датчиков положения фронта горения по толщине образца.
Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и предлагаемого способа показывает, что отличительными признаками предложения являются те, в соответствии с которыми:
- скрепляют по задним торцам подготовленный образец взрывчатого наполнения и внешнюю направляющую гильзу, длина которой больше толщины образца взрывчатого наполнения;
- закрепляют заключенный в направляющую гильзу подготовленный образец взрывчатого наполнения с обращенной вниз поверхностью горения в открытой защитной камере;
- готовят в генераторе импульсных струй дозу сыпучего твердого теплоносителя, нагретого до температуры выше температуры воспламенения материала взрывчатого наполнения;
- измеряют температуру сыпучего твердого теплоносителя встроенным в фиксатор генератора импульсных струй датчиком температуры;
- метают дозу в виде импульсной плотной струи нагретого сыпучего твердого теплоносителя вертикально вверх с натеканием на поверхность горения;- регистрируют время от момента контакта сыпучего твердого теплоносителя с поверхностью горения до вспышки на поверхности горения.
Сущность настоящего предложения будет более понятна из рассмотрения фигур чертежа, где:
фиг. 1 представляет схему устройства для реализации способа определения режимов зажигания и горения взрывчатого наполнения боеприпасов при утилизации выжиганием, и следующего описания исполнения изобретения;
фиг. 2 представляет схему создания импульса плотной струи нагретого сыпучего твердого теплоносителя в генераторе.
Как показано на фиг. 1, предпочтительное устройство для реализации способа определения режимов зажигания и скорости горения содержит бронированный по одной торцевой и боковой поверхностям образец материала взрывчатого наполнения 1, заключенный в направляющую гильзу 2, длина которой больше толщины образца 1. Ниже свободной поверхности образца на расстоянии Н по его оси расположено выходное отверстие генератора импульсных струй 3, из которого при работе происходит метание импульсных плотных струй 4 нагретого сыпучего твердого теплоносителя. В струйном генераторе готовят дозы нагретого сыпучего твердого теплоносителя для последующего метания из выходного отверстия. В подготовленный образец 1 материала взрывчатого наполнения по оси заделан блок датчиков 5 измерения положения фронта горения по толщине образца. Вся сборка помещена в открытой защитной камере 6. Для оптического наблюдения за поверхностью горения и регистрации момента воспламенения в виде вспышки в защитной камере установлен видеорегистратор 7. Нижняя кромка направляющей гильзы 2 помещена в кольцевой поддон 8 для сбора стекающего по стенке гильзы сыпучего твердого теплоносителя.
При реализации способа проводят подготовку образца 1, которая заключается в том, что бронируют одну торцевую и боковую поверхности образца затвердевающим составом, препятствующим распространению пламени по этим поверхностям. По оси образца 1 вровень с открытой поверхностью образца закрепляют блок датчиков измерения положения фронта горения по толщине образца, например, в виде сублимирующегося стержня с серией термопар, или в виде светопровода с серией точечных источников монохроматического излучения по толщине образца.
Подготовленный образец материала взрывчатого наполнения помещают в направляющую гильзу 2, длина которого больше толщины бронированного образца 1, и скрепляют с образцом на уровне бронированного торца. Сборку «подготовленный образец - направляющая гильза» закрепляют в защитной камере 6 с обращенной вниз открытой поверхностью подготовленного образца 1 и по оси выходного отверстия генератора импульсных струй 3. Генератор импульсных струй предназначен для метания доз заданных количеств нагретого сыпучего твердого теплоносителя в виде импульсных гранулярных плотных струй с заданными начальными скоростями, например, 1-10 м/с, в сторону открытой поверхности подготовленного образца. Длина L импульсной плотной струи определяется объемом дозы и диаметром выходного отверстия генератора d. Дозу сыпучего твердого теплоносителя нагревают выше температуры воспламенения или температуры поверхности горения энергетического материала с учетом снижения температуры при заправке его в генератор. По команде с пульта управления (не показан), при достижении необходимой для воспламенения энергетического материала температуры, например 400-500°С, из генератора импульсных струй метают вверх импульсную гранулярную струю сыпучего твердого теплоносителя с порозностью упаковки частиц на уровне 0,4. Скорость полета гранулярной струи задают по калибровочным фиксаторам 9 начального поджатия пружины генератора импульсных струй, в которые встроены датчики температуры, и контролируют по видеозаписи.
Гранулярная струя летит в виде компактного образования длиной L и диаметром d до открытой поверхности образца и при ударе об нее образует несколько зон растекания в зависимости от свойств материала образца: зону кратеров от заглубляющихся частиц, зону прорезания от радиально движущихся частиц и зону частиц, скользящих по поверхности до периферии образца, где частицы при столкновении со стенкой направляющей гильзы разворачиваются и стекают вниз в виде пристеночного слоя. Угловое расширение компактного образования тяжелых частиц в полете составляет 0,75-1,5° по экспериментам с разлетом дроби. На формы коллективного взаимодействия компактного образования частиц с поверхностью оказывают влияние массовая плотность тока струи, счетная плотность тока, т.е. частота ударов частиц по единице поверхности, отношение диаметров поверхности образца и струи (Cheng X. et al. Collective behavior in granular jet: Emergence of a liquid with zero surface tension. Phys. Rev. Lett, 2007, Vol. 99, №18, 188001).
Как показано на фиг. 2, в генераторе импульсных струй размещается патрон 10 с дозой нагретого сыпучего твердого теплоносителя в направляющий цилиндр 11 путем предварительного извлечения заглушки 12 с пружиной 13. Расположение патрона 10 с дозой нагретого сыпучего твердого теплоносителя в направляющем цилиндре ограничено фиксатором 9 со встроенным датчиком температуры, например термопары. Нагружение пружины 13 происходит при закручивании заглушки 12. Применение нескольких фиксаторов позволяет задать требуемую начальную скорость теплоносителя d в диапазоне 1-10 м/с. При достижении установленной температуры срабатывает фиксатор 9 и патрон с дозой сыпучего твердого теплоносителя движется до фиксации ограничителем 14.
Направляющая гильза предназначена для ограничения разброса нагретого сыпучего твердого теплоносителя и сбора его после испытания. Открытая защитная камера 6 является средством техники безопасности при обращении с высоконагретыми материалами и взрывчатыми веществами.
Открытая защитная камера имеет свободный выход на кольцевой поддон 8 из негорючего материала со слоем песка для предотвращения вылета раскаленных частиц за пределы защитной камеры.
Собранный в кольцевой поддон 8 отработавший сыпучий твердый теплоноситель анализируют на содержание углерода и углеводородов. Затем подвергают очистке и проверяют на пригодность к следующему испытанию. При необходимости отсеивают разрушенные зерна.
m
f
c
o
p
p
2
2
Результатом работы является определение времени задержки воспламенения и скорости горения взрывчатого наполнения в зависимости от конструктивных и режимных параметров испытаний: расстояния Н(м) между генератором импульсных струй и поверхностью горения; скорости движения гранулярной струи V(m/c); массовой плотности тока гранулярной струи G (кг/мс); счетной плотности тока гранулярной струи G (1/мс); длины импульсной гранулярной струи L(м); начальной температуры гранулярной струи T(°C); отношения диаметра струи d к диаметру образца D; диаметра d и плотности частиц ρ, а также от теплофизических свойств материала взрывчатого наполнения.
и
в
и
в
г
p
Время задержки воспламенения t определяют по времени появления сигнала вспышки от момента подачи команды на метание дозы гранулярной струи t с вычетом времени пролета гранулярной струей расстояния Н от генератора импульсных струй до поверхности горения со скоростью V, т.е. t=t-H/V. Расстояние Н, скорость V, температура нагрева сыпучего твердого теплоносителя Т, размер частиц теплоносителя d являются режимными параметрами установки выжигания боеприпасов и используются при проектировании или настройке установки для работы с данным видом взрывчатого наполнения.
По аналогии с воспламенением лазерным импульсом, запас энергии для зажигания (флюэнс), подведенной к поверхности горения от внешнего источника, в виде дотируемого теплосодержания гранулярной струи за время контакта, выражается
m
c
2
где G=m/F - массовая плотность тока гранул в струе, г/смс;
c
p
m=Fρ(l-ε)v - массовый секундный расход гранулярной струи, г/с;
c
2
F - площадь поперечного сечения струи, см;
c
T - температура зерен гранулярной струи;
s.0
T - начальная температура поверхности образца взрывчатого наполнения;
p
C - удельная теплоемкость зерен сыпучего твердого теплоносителя, Дж/г·°С;
L - длина импульсной гранулярной струи, см;
V - скорость гранулярной струи, см/с.
Здесь предлагается, что тепловая энергия, доставленная к поверхности взрывчатого наполнения зернами сыпучего твердого теплоносителя посредством разности температур струи и поверхности, полностью аккумулируется в поверхностном слое, как и поглощаемая непрозрачным материалом энергия лазерного пучка.
m
m
c
o
o
2
Но, в отличие от лазерного пучка, зерна сыпучего твердого теплоносителя не остаются сосредоточенными в месте удара гранулярной струи, а растекаются в виде радиальной пелены по поверхности образца взрывчатого наполнения, создавая приведенную массовую плотность тока и увеличивая время действия теплового импульса на время растекания по образцу. Приведенная массовая плотность тока находится G′=G(D/D) для L/V>D/2V.
s
2
2
2
2
По доступным оценкам (Andersen W.H. Theory of surface ignition energy on condensed explosives//Industrial and Engineering Chemistry. Process Design and Development, 1965, Vol. 4, №3, pp. 286-287) плотность запаса тепла (флюэнса) для инициирования горения взрывчатых веществ должна быть на уровне W=0,4 кал/см за время действия источника тепла 0,003 с, соответственно при плотности мощности тепловой энергии от источника133,3 кал/смс или 558,7 Вт/см. Зажигание диодным лазером 2,6 Вт, 808 нм образца гексогена в добавками 1-3% сажи происходило при флюэнсах 5,4-29,9 Дж/см и времени действия импульса 0,1 с (Harkoma М., Confinement in the Diode Laser Ignition of Energetic Materials // Tampere University of Technology, Publication 883. PhD Thesis. 2010).
o
c
m
m
с
s.0
2
2
2
2
2
Для образца взрывчатого наполнения диаметром D=7 см, диаметра гранулярной струи D=0,7 см, массовой плотности тока зерен в струе G=300 г/смс, приведенной массовой плотности тока G′=300(0,7/7)=3 г/смс и разности температур (Т-T)=100°C плотность мощности тепловой энергии составит q=294 Вт/см. При времени действия 0,1 с гранулярной струи со скоростью 2 м/с и длиной 0,2 м на поверхность образца взрывчатого наполнения величина гранулярного флюэнса составит 29,4 Дж/см, что свидетельствует о достижимости величин энергий зажигания энергетических материалов по предложенному способу.
Предложенный способ позволяет проводить отработку систем инициирования и регулирования скорости горения материалов взрывчатого наполнения без использования натурных образцов изделий с большими массами взрывчатого наполнения. При этом допускается варьирование режимных параметров и параметров конструкции в широких пределах.
Источники информации
1. М. Баррер и др. «Ракетные двигатели», - М.: Оборонгиз, 1962, с. 207.
2. RU 2201520. Сало Н.В. и др. Модельный двигатель для определения скорости горения ТРТ в напряженно-деформированном состоянии. 2003.
3. RU 2187045. Игнатьев Б.С., Кузьмицкий Г.Э., Аликин В.Н. и др. Устройство для измерения скорости горения образца топлива. 2003.
10