Исследование структуры и свойств комбинированных коак- сиально-слоистых зарядов промышленного назначения

A. В. Станкевич, Т. П. Евсеева, И. Ю. Суркова,

B. Я. Базотов

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОМБИНИРОВАННЫХ КОАКСИАЛЬНО-СЛОИСТЫХ ЗАРЯДОВ ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Ключевые слова: заряд, комбинированный заряд, взрывчатое вещество, взрывчатый

состав, фронт детонационной волны.

Исследованы комбинированные коаксиально-слоистые заряды, состоящие из взрывчатого вещества типа ГСД в нижней части, ОСД по центру и ТНТ по периферии. Расчетными методами определены взрывчатоэнергетические характеристики рецептур на основе RDX и HMX, форма ФДВ и скорость его распространения, угол разворота фронта, скорость ударной волны, распространяющейся по периферии. Расчеты выполнены с помощь ПМК MathCAD, Solver3. Проведены исследования фрагментации металлических трубок наполненных комбинированным коаксиально-слоистым зарядом, эффективность бризантного действия КЗ на металлический цилиндр и полимерную мишень.

Keywords: the charge, the combined charge, explosive, explosive structure, front of the

detonation wave.

The combined coaxially-layered charges, consisting of high explosive type HSD at the bottom, GSO center and TNT on the periphery are investigated. Calculation methods identified the explosive-power characteristics of formulations based on RDX and HMX, FDV shape and speed of its propagation, the rotation angle of the front, the shock wave that propagates along the periphery. Calculations were performed using the PMK MathCAD, Solver3. Investigations of the fragmentation of metal tubes filled with a combined coaxial-layered charge, the efficiency of the blasting circuit to the metal cylinder and polymer target.

Одной из наиболее весомых проблем в физике взрыва была и остаётся задача, связанная с реализацией энергии взрывчатого вещества (ВВ) в полезные формы работы. Так как увеличение энергозапаса ВВ, с химической точки зрения, не безгранично, и, кроме того, кпд этого энергозапаса невелик, то для некоторого повышения работоспособности взрывчатого вещества целесообразно разрабатывать и применять изделия необходимой конфигурации и конструкции. Сущность данного направления заключается в изменении газодинамики, кинетики энерговыделения и химизма процесса протекания взрывчатого превращения. Газодинамические процессы, как правило, определяются особенностями течения продуктов детонации, а химические связаны со степенью протекания химических реакций, и проявляются как изменения параметров детонационной волны во всем изделии или в его определенных участках, т.е. с кинетикой энерговыделения [1]. Следовательно, регулировать параметры энерговыделения системы и степень воздействия продуктов детонации на окружающую среду можно несколькими способами:

- рецептурно - техническими;

- конструктивными.

Первая группа методов основана на разработке особого рода композиционных материалов на микро- и мезоуровнях, обладающих требуемыми характеристиками, структурой и свойствами. Вторая группа позволяет увеличить энергоэффективность за счет изменения структуры и свойств самого изделия на мезо- и макроуровнях.

Наибольшее внимание при управлении процессом энергопередачи всё же следует уделять газодинамическому течению продуктов детонации, так как она затрагивает все процессы, протекающие при взрывчатом превращении, в том числе и кинетику.

В работе [2] исследованы особенности структуры детонационного фронта в комбинированных разрывных зарядах и показана возможность управления энерговыделением. Так же исследовано метательное действие слоёных [3] и коаксиальных [4] комбинированных зарядов (КЗ), где рассматривались вопросы влияния газодинамических параметров на степень реализации энергии вторичных химических реакций в полезные формы работы взрыва. Согласно теоретическим и экспериментальным исследованиям, метательное действие взрыва при одной и той же «активной» массе заряда возрастает с увеличением угла падающей волны и максимально при падении на стенку по нормали [1]. С этой точки зрения особый интерес представляют коаксиально-слоистые КЗ, в которых составные части расположены соосно относительно друг друга, где в центральной части присутствует более мощное ВВ, а в периферийной менее мощное, нижняя часть является однородной и состоит из мощного ВВ. Привлекательным так же является тот факт, что для достижения поставленной цели, при изготовлении подобного рода изделий, можно использовать утилизируемые ВВ [5].

Цель работы - исследование структуры и свойств, комбинированных коаксиальнослоистых зарядов промышленного назначения, изготовленных методом прессования в одну стадию.

Из анализа литературы [6, 7, 8, 9] для проведения эксперимента были представлены две и разработаны восемь прессовых рецептур на основе КОХ и НМХ. Определены их основные характеристики и свойства: расчетные взрывчато-энергетические, параметры термостабильности, основной критерий безопасности - чувствительность к удару, технологические характеристики, а так же прочностные характеристики монозарядов, изготовленных методом глухого прессования.

Выбор конструкции КЗ основан на исследованиях проведенных ранее в данной области. В работе [4] установлено влияние толщины и плотности периферийной зоны на эффективность КРЗ и ОФС. Увеличение толщины более 5 мм, при диаметре заряда 20 - 30 мм не приводит к значительному увеличению осколочного действия. Анализ газодинамической модели взрывчатого превращения протекающего в КЗ подтвердил его эффективность и позволил спроектировать требуемую конструкцию, представленную на рисунке 1.

Характерные размеры изготавли-

Рис. 1 - Эскиз изделия: 1 - малочувствительное ВВ; 2, 3 - высокочувствительное мощное ВВ

ваемых КЗ: диаметр 24 мм, высота 25 мм, диаметр центральной части 15 мм, толщина периферийной зоны 4,5 мм, высота нижней части изделия - 4 мм.

Для анализа и представления газодинамических параметров детонационной волны (ДВ) применялось комплексное программное обеспечение Solver, расчет по конечноэлементной сетке явным методом, а в качестве программы CAD твердотельного 3d моделирования был выбран SolidWorks. Определено, что наличие слоев с различной энергетикой приводит к образованию нерегулярных маховских отражений вблизи границы раздела слоёв ВВ, что так же подтверждено исследованиями авторов работы [10].

На основании предложенной для изготовления конструкции КЗ и анализа комплекса характеристик рецептур (полученных зависимостей технологических характеристик от состояния составов, чувствительности к удару, взрывчато-энергетических характеристик, данных ДСК и химстойкости) предлагается использование следующих составов и индивидуальных ВВ: ОСД, ГСД, ГКВД, ТНТ. Структура КЗ, обладающих увеличенным бризантным и метательным эффектом по сравнению с монозарядом ТНТ, и меньшей уязвимостью по сравнению с зарядом из ОМА или окфола, представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Конструкция КЗ обладающая повышенным бризантным действием

№ из- ВВ и ВС для изготовления частей КЗ

делия нижней центральной периферийной

1 ГФПАД ОФПАД ТНТ

2 ГФПАД ОМА ТНТ

3 ГСД ОСД ТНТ

Структуры КЗ, обладающих увеличенным метательным эффектом по сравнению с монозарядом из окфола и ОМА, представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Конструкция КЗ обладающая повышенным метательным эффектом

№ из- ВВ и ВС для изготовления частей КЗ

делия нижней центральной периферийной

1 ГФПАД ТНТ Окфол

2 ГФПАД ТНТ ОМА

3 ГСД ТНТ ОФПАД

Для изготовления КЗ использовали метод глухого прессования, а так же специально разработанную питающую систему. Подбор оптимального режима прессования заключается в анализе и сопоставлении кривых прессования монозарядов из входящих в КЗ ВС и индивидуального ВВ. В нашем случае для всех композиций прирост плотности идет с рос-

том давления до величины 2000 кгс/см , в рамках эксперимента нет необходимости увеличивать давление в гидросистеме пресса дальше этой отметки.

В таблицу 3 сведены основные характеристики полученных прессованных изделий.

Таблица 3 - Характеристики анализируемых КЗ

З Часть КЗ Наименование состава ртеОр? г/см3 рф,з г/см3 при 2000 кгс/см Пористость, % Прочность, МПа

Нижняя ГСД 1,780 1,677 5,8

1 Центральная ГКВД 1,771 1,651 6,8 5,6

Периферийная ТНТ 1,64 1,551 5,5

Нижняя ГСД 1,780 1,677 5,8

2 Центральная ОСД 1,858 1,695 9 4,8

Периферийная ТНТ 1,64 1,551 5,5

Наименьшую пористость - 5,8% имеет нижняя часть, изготовленная из состава ГСД, а так же периферийная изготовленная из ТНТ - 5,5%.

Центральная часть уплотнилась не достаточно хорошо: её пористость составляет 6,8% для КЗ №1 и 9 % для КЗ №2. Причем меньших значений пористости можно достичь при повышении давления прессования или за счет использования всех возможностей данного метода изготовления изделий, например, поместить изделие в изостатическую оболочку либо изготовить изделие в гидростате, что позволит обеспечить равномерность приложения нагрузки к образцу. Правда в этом случае придется несколько увеличить давление прессования. Общая, усредненная картина распределения поля плотностей внутри КЗ № 2 показана на рисунке 2.

По полученной модели поля плотностей КЗ проводится дополнительный пересчет взрывчато-энергетических характеристик системы по элементной триангулярной сетке с применением ПМК (табл. 4).

Таблица 4 - Взрывчато энергетические характеристики полученных КЗ

№ КЗ Часть КЗ Состав ротн, % ^звука в ВС, м/с УВЧ, ГПа Овзр., кДж/кг ет П ч: р О. ^ Твзр., К Vгпв., л/кг Олти., м/с

1 Нижняя Центральная Периферийная ГСД ГКВД ТНТ 94.2 93.2 94,5 2189 2180 1929 1,744 1,594 4,543 5342 5372 4082 29,4 28,6 17,8 4158 4128 3209 857,4 870,9 752,8 8267 8250 6650

2 Нижняя Центральная Периферийная ГСД ОСД ТНТ 94,2 91 94,5 2189 2250 1929 1,744 1,425 4,543 5342 5342 4082 29,4 30,6 17,8 4158 4153 3209 857,4 852,9 752,8 8267 8370 6650

Рис. 2 — Усредненная модель распределения поля плотностей в объеме КЗ №2

Результаты расчетов соответствуют ожидаемой реальной картине скоростей детонации в КЗ, при использовании для их изготовления предложенного технологического режима формования. Полученные данные позволяют оценить газодинамические параметры и кинетику энерговыделения в изготовленных КЗ. Расчет поля скоростей и изменения плотности внутри изделия в процессе протекания детонации производился с применением комплекса программного обеспечения: MathCad и Solver. Взрывчато-энергетические показатели КЗ возможно увеличить при использовании изостатического прессования, а так же повысив давление в гидросистеме пресса. Это приведет и к увеличению кпд изделия.

Ниже на рисунке 3 приведена векторная диаграмма, описывающая перемещения ФДВ по КЗ №2, приготовленного для испытаний.

Рис. 3 - Расчетная форма и параметры ФДВ

Проведенные в дальнейшем испытания данного изделия показали, что бризантность КЗ составила 89,6% от монозаряда окфола при содержании 48% утилизируемого ТНТ от общей массы изделия. Это значительно уменьшает его себестоимость. Установлено, что ФДВ КЗ оказался ровнее ФДВ монозаряда из окфола, о чем свидетельствует степень и

распределение разрушающего воздействия испытуемых образцов на металлический цилиндр, что вполне закономерно, так как прошедшая ДВ по монозаряду окфола оказалась сферической, в отличие от представленной сложной, развернутой волны в КЗ.

Выводы

1. Доказана принципиальная возможность получения комбинированных изделий предложенным методом. Получены макетные образцы из трех различных по физикомеханическим свойствам порошковых ВВ.

2. В изделиях существует четкая граница между тремя структурными составляющими, что позволяет в полной мере использовать все достоинства комбинированных зарядов.

3. Для практического применения могут быть рекомендованы следующие составы: ОСД, ГСД, ГФПАД, а также конструкции КЗ, состоящей из двух коаксиально расположенных цилиндров, один из которых содержит малочувствительное ВВ, и нижнего слоя из гексоген содержащего ВС. Снижается расход дорогостоящего высокомощного вещества, уменьшается уязвимость боеприпаса.

4. Определены расчетным путем скорости детонации, и энергетика каждой части изделия в отдельности. Сведены показатели ДВ, проанализирована и установлена примерная скорость и ФДВ в целом по всему КЗ.

5. Опытным путем установлены параметры работоспособности представленной в работе конструкции КЗ её бризантность.

Литература

1. Физика взрыва / Под ред. Л. П. Орленко. — Изд. 3-е, испр. — В 2 т. Т. 1. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 832 с.

2. Калашников, В.В. Особенности структуры детонационного фронта в комбинированных разрывных зарядах / В.В. Калашников, Б.В. Воробьев, О.Ю. Глазунова // Современные проблемы технической химии - матер. докл. всерос. НТ и МК - Казань.: КГТУ, 2009. - С. 180 - 183.

3. Давыдов, В.Ю. Влияние газодинамических условий на степень реализации энергии вторичных реакций в метательное действие ВВ / В.Ю. Давыдов, А.М. Гришкин, Е.Ю. Мурышев // Физика горения и взрыва. - 1993. - Т. 29, № 2 - С. 123 - 126.

4. Гришкин, А.М. Исследование процесса реализации энергии комбинированных зарядов ВВ в полезные формы работы взрыва / А.М. Гришкин, В.Ю. Давыдов, И.Д. Головлёв // Физика горения и взрыва. - 1994. - Т.5, №4. - С. 100 - 103.

5. Афанасенков, А.Н. Использование утилизируемых взрывчаиых материалов для повышения эффективности действия взрыва / А.Н. Афанасенков, В.В. Галкин // Физика горения и взрыва. -2001. - Т. 37, №2 - С. 131 - 134.

6. Urbanski, T. - Chemistry and Technology of Explosives Vol 3 - Pergamon Press. Oxford. 1967- P. 257,271

7. Encyclopedia of explosives and related items./ Basil T. Fedoroff & Oliver E. Sheffield. Vol 3,8 - Pic-catiny Arsenal Dover, New Jersey, USA - 1966. C474-C477, P60-P77.

8. Dobratz, B.M. LLNL Explosives Handbook Properties of Chemical Explosives and Explosive Simulants -LLNL University of California, Livermore, California -

9. Энергетические конденсированные системы. Краткий энциклопедический словарь / под ред. Б.П.Жукова. - М.: Янус К., 2000 - С. 99,102

10. Воробьев, Б.В. Исследование метательного действия модельных комбинированных зарядов / Б.В. Воробьев и др. // Современные проблемы технической химии - материалы докладов всероссийской НТ и МК - Казань: КГТУ, 2009. - С. 176 - 178.

© А. В. Станкевич - асп. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ, sanek.stan@mail.ru; Т. П. Евсеева - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; И. Ю. Суркова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; В. Я. Базотов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии твердых химических веществ КГТУ.