книги / Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив

Для порохов одного и того же состава плотность увеличивается при повышении качества пластификации. Плотность пироксилиновых порохов убывает с увеличением скорости удаления спиртоэфирного растворителя.

Более тщательное смешение компонентов, повышение давленияпрессованияспособствуютповышениюплотностипорохов.

В свою очередь, плотность порохов оказывает влияние на величину скорости горения и их физико-химическую устойчивость к воздействию окружающей среды.

Пороха одного и того же состава с меньшей плотностью горят с большей скоростью, но обладают меньшей эксплуатационной стабильностью. Воспламеняемость порохов с уменьшением плотности улучшается.

Величина плотности пороха определяет максимальную вместимость пороха в гильзу (гравиметрическую плотность).

Гравиметрической плотностью порохов называется отно-

шение массы пороха, свободно насыпанного в сосуд (гравиметр), к объему последнего.

Использование порохов с повышенной гравиметрической плотностью дает возможность уменьшить размеры патрона (гильзы), что имеет важное значение для автоматического оружия. Уменьшение длины гильзы позволяет сократить величину отката и на этой основе увеличить скорострельность автоматического оружия.

Однако с увеличением гравиметрической плотности ухудшается воспламеняемость пороха в заряде, поэтому не во всех случаях следует стремиться к использованию порохов с высокой гравиметрической плотностью. Гравиметрическая плотность зерненых порохов находится в пределах 500... 900 кг/м3. Для различных сортов дымного пороха гравиметрическая плотность изменяется от 810 до 1100 кг/м3.

Гравиметрическая плотность в некоторой степени определяет технологичность порохов при сборке зарядов, в частности,

111

возможность автоматизации этого процесса. Особенно это имеет значение для зарядов с высокой плотностью заряжания. Гравиметрическая плотность зависит от следующих факторов:

–плотность пороха (чем она больше, тем больше гравиметрическая плотность);

–форма пороховых элементов (наибольшей насыпной плотностью в порядке убывании обладают шар, короткие цилиндры без канала, куб, пластинка, зерно с семью каналами, зерно с одним каналом);

–размеры пороховых элементов, т.е. от длина, наружный диаметр и диаметр канала;

–степень полировки, наличие заусениц и сыпучести (полировкаувеличивает гравиметрическую плотностьпримернона7 %);

–обработка поверхности пороха графитом. Графитовка пороха увеличивает его сыпучесть (так, графитовкой удалось

повысить гравиметрическую плотность винтовочного пороха с 500 до 700 кг/м3, при этом вместимость гильзы увеличилась в 1,4 раза).

Варьируя форму и размеры пороховых элементов и обрабатывая порох в полированных барабанах графитом, можно изменять гравиметрическую плотностьпороховвширокихпределах.

Пороха с большой ассиметрией размеров не обладают сыпучестью, а поэтому плотность заполнения гильзы в этом случае характеризуют предельной вместимостью пороха в гильзу или камеру орудия.

Предельной вместимостью называется наибольшая масса одного или нескольких пучков пороховых трубок или лент, которые без усилия помещаются в гильзу или камору орудия. Для баллиститных порохов ленточной или трубчатой формы предельная вместимость составляет 750…800 кг/м3.

Контрольные вопросы к разделу 2.1

1.НазовитеосновныеформыхимическогопревращениявЭКС.

2.Назовите самораспространяющиеся химические процессы в ЭКС и поясните физическую суть их различия.

112

3.Чем отличаются ЭКС от других видов твердых топлив (каменного угля, дров и т.п.)?

4.Назовите механизмы самоускорения реакции и поясните их характерные особенности.

5.Обоснуйте физический смысл понятия «критический диаметр горения».

6.Объясните механизм горения нитроцеллюлозных порохов и ТРТ.

7.Поясните особенности механизма горения смесевых твердых топлив.

8.Что называется силой пороха, от чего зависит размерность, примерная величина?

9.Что называется коволюмом пороховых газов?

10.Дайте определение линейной скорости горения.

11.Дайте определение закона скорости горения.

12.Чем различается плотность заряжания от гравиметрической плотности?

13.Что называется полным и удельным импульсом тяги ракетного двигателя?

14.Как определяется полный и удельный импульс тяги при наличии осциллограммы Р(t)?

2.2.Детонация ЭКС

2.2.1. Общие сведения о детонации

Детонация подобно горению характеризуется тем, что химическая реакция не протекает во всем объеме вещества одновременно, а распространяется последовательно от слоя к слою. При детонации и горении по веществу перемещается фронт химического превращения, который в зависимости от протекающего процесса называют детонационным фронтом, или фронтом горения, в пределах которого вещество проходит через все промежуточные стадии – от исходного состояния до продуктов реакции.

113

Горение и детонация отличаются друг от друга тем, что в первом случае нормальная скорость движения фронта химического превращения меньше скорости звука в исходном веществе, а во втором случае она превышает эту скорость.

Детонация может распространяться в условиях изолированной замкнутой системы. Следовательно, детонация – это процесс сверхзвукового распространения фронта химического превращения по веществу, который может протекать без всякого взаимодействия с окружающей средой.

Скорость детонации является одной из важнейших характеристик ВВ, её определяют с помощью специальных приборов – хронографов. Широкое применение нашли оптический метод определения скорости детонации с помощью фоторегистратора с зеркальной разверткой и осциллографический метод. В настоящее время широко применяется измерение при помощи электронного частотомера времени прохождения детонационного фронта через два ионизационных датчика, расположенного на определенном расстоянии друг от друга.

Наиболее просто, что важно при работе в полевых условиях, можно определить скорость детонации по способу Дотриша

(ГОСТ 3250—58).

Для этого необходимо иметь детонирующий шнур с точно определенной скоростью детонации. Простейшая схема испытания дана на рис. 5.

Рис. 5. Схема определения скорости детонации при помощи детонирующего шнура: 1 – середина отрезка шнура, 2 – точка встречи детонационных волн

114

Испытуемое ВВ помещают в трубку, закрытую с обеих сторон пробками, в одной из которых имеется отверстие для капсюля-детонатора. Плотность ВВ должна быть равномерной по всей длине заряда. В стенке трубки делают два отверстия, через которые вводят концы отрезка детонирующего шнура.

Петлю детонирующего шнура располагают на свинцовой пластинке так, чтобы середина его совпадала с меткой на одном из концов пластинки. Свинцовую пластинку в свою очередь укладывают на стальной пластинке; все это устройство, называемое фиксирующим, скрепляют шпагатом и вставляют в защитную трубу.

Концы детонирующего шнура введены в заряд в точках А и В на расстоянии l друг от друга. При взрыве заряда детонация распространяется по шнуру вначале от его конца A и немного позже от конца B. Поэтому место встречи детонационных волн сместится вправо от середины шпура на расстояние а. В этом месте на пластинке образуется углубление. Углубление получается более четким, если располагать шнур на расстоянии 2–4 мм от поверхности пластинки. Если обозначим скорость детонации взрывчатого вещества х, длину отрезка шнура L, то вследствие равенства времени пробега детонационной волны от А до углубления по двум направлениям имеем

Скорость детонации зависит от природы взрывчатого вещества, его плотности, содержания и природы примесей.

Втабл. 19 приведены данные о зависимости между плотностью и скоростью детонации четырех бризантных ВВ.

Винтервале плотностей от 1,0 до 1,6–1,7 г/см3 зависимость скорости детонации от плотности для таких ВВ может быть выражена приближенной формулой Б.И. Шехтера

115

Таблица 19 Зависимость скорости детонации от плотности ВВ

D = Aρα,

где D – скорость детонации; ρ – плотность ВВ; А – коэффициент, зависящий от свойств ВВ; α – около 0,67.

Инертные примеси, как правило, уменьшают скорость детонации, хотя в некоторых случаях они оказывают обратное влияние. Приведем некоторые примеры:

а) скорость детонации чистого нитроглицерина равна 7 430 м/с; скорость детонации гурдинамита (75 % нитроглицерина и 25 % кизельгура) составляет лишь 6 630 м/с. Характерно, однако, что чувствительность к детонации гурдинамита значительно больше, чем чистого нитроглицерина;

б) при добавлении к взрывчатым ароматическим нитросоединениям аммиачной селитры скорость детонации снижается, причем тем больше, чем больше добавляется селитры;

116

в) сухой прессованный пироксилин имеет скорость детонации около 5 320 м/с, а при содержании 20 % влаги скорость детонации повышается до 6 097 м/с;

г) некоторые нитроцеллюлозные пороха не детонируют в сухом состоянии, но устойчиво взрываются, если пространство между пороховыми элементами заполнено водой;

д) заряд сухого порошкообразного тротила детонирует при плотности 1,0 г/см3 со скоростью 4 700 м/с. Если залить такой заряд водой, то скорость детонации составляет 5 100 м/с.

При возбуждении взрыва возможны следующие случаи: а) инициатор недостаточен для возбуждения детонации

бризантного ВВ. При этом может возникнуть горение ВВ, которое в замкнутом пространстве, например, в корпусе снаряда проходит при повышенном давлении (такое явление называют «выгоранием»);

б) инициатор вызовет на коротком участке детонацию заряда, которая дальше замедляется, а затем затухает;

в) инициатор вызовет устойчивую незатухающую детона-

цию.

Рассмотрим влияние на детонацию различных факторов.

1. Условия устойчивости детонации и критический диа-

метр заряда. Согласно теории Б. Харитона, детонация может протекать устойчиво, если продолжительность реакции во фронте детонационной волны меньше, чем время, в течение которого давление во фронте той же волны успеет разбросать реагирующее вещество. Иначе говоря, должно иметь место неравенство τ < θ, где τ – время реакции, а θ – время разброса взрывчатого вещества. Величина τ зависит от свойств ВВ. Величина θ определяется диаметром заряда ВВ и массой оболочки.

Время θ, необходимое для разлета частиц ВВ, убывает с уменьшением диаметра патрона, тогда как продолжительность реакции от диаметра не зависит. При достаточно малом диаметре заряда величина θ может настолько уменьшиться, что усло-

117

вие τ < θ окажется невыполненным, а детонация – невозможной. В этом случае вещество будет разбросано раньше, чем химическое превращение успеет пройти до конца.

Опыты, проведенные Ю.Б. Харитоном и В.О. Розингом с нитроглицерином, показали, что он детонирует в стеклянной трубке, когда диаметр ее не меньше 2 мм. При меньших диаметрах детонация не происходит. 12%-ный раствор метилового спирта в нитроглицерине детонировал в стеклянной трубке, когда диаметр последней был не меньше 3,5 мм. Аналогичные результаты были в дальнейшем получены и для других ВВ. Для каждого из них существует некоторый критический диаметр заряда. Так, назван минимальный диаметр, при котором взрывчатое вещество способно к устойчивой детонации.

2.Влияние оболочки заряда на устойчивость его детона-

ции. Наличие оболочки затрудняет разброс частиц взрывчатого вещества и действует подобно увеличению диаметра заряда.

Например, сухая, хорошо измельченная аммиачная селитра при плотности 0,8 г/см3 в бумажной или тонкостенной стеклянной оболочке устойчиво детонирует лишь в том случае, если диаметр заряда не меньше 40 мм (и только при достаточно мощном детонаторе). Если аммиачную селитру поместить в оболочку, настолько прочную, что она не разрывается и даже заметно не деформируется при взрыве, то устойчивая детонация наблюдается уже при диаметре заряда 7 мм и при инициировании одним капсюлем-детонатором.

Действие оболочки определяется прежде всего ее массой, а прочность является лишь добавочным фактором. Например, при одинаковой толщине свинцовой и железной оболочек одинаковый заряд дает больший эффект в свинцовой оболочке, чем в железной, несмотря на значительно большую прочность последней.

3.Влияние плотности на критический диаметр однородных и неоднородных веществ (механических смесей). Критиче-

ский диаметр однородных веществ уменьшается с увеличением

118

плотности заряда. Критический диаметр смесей с окислителями, в частности аммиачно-селитренных ВВ, наоборот, увеличивается с увеличением плотности (см. табл. 19).

4. Влияние величины частиц на критический диаметр.

Критический диаметр уменьшается с уменьшением величины частиц, как у однородных веществ, так и у смесей. Например, критический диаметр заряда тротила, кристаллы которого имеют размеры от 0,01 до 0,015 мм при плотности 0,85 г/см3, равен 5,5 мм, а при размере кристаллов 0,07–0,2 мм и той же плотности он равен 11,0 мм. Критический диаметр аммонитов тем больше, чем крупнее частицы компонентов. В табл. 20 приведены результаты испытания динамона Т (смесь аммиачной селитры с торфом) разной степени измельчения.

Таблица 20

Зависимость критического диаметра от плотности и степени измельчения компонентов для динамона Т

Влияние степени измельчения на критический диаметр объясняется тем, что продолжительность химической реакции уменьшается с уменьшением величины частиц реагирующих компонентов.

5. Влияние диаметра заряда на скорость детонации. Ско-

рость детонации имеет наименьшее для данного ВВ значение, когда диаметр заряда равен критическому. С ростом диаметра

119

до некоторого предела скорость детонации увеличивается, а затем дальнейшее увеличение диаметра не приводит к увеличению скорости детонации. Диаметр заряда, при котором скорость детонации достигает наибольшего значения, называется предельным. У однородных ВВ он уменьшается с увеличением плотности заряда; у смесей наблюдается обратная зависимость: предельный диаметр увеличивается с увеличением плотности.

2.2.2. Теория детонации

Согласно гидродинамической теории, передача детонации обусловлена распространением по заряду ВВ ударной волны, поддерживаемой химическими реакциями. Если параметры ударной волны больше критической величины, характерной для данного ВВ в данном состоянии (плотность, структура, агрегатное, состояние и др.), то за ее фронтом будут возбуждаться интенсивные химические реакции.

Детонационную волну можно рассматривать как устойчивый комплекс из ударной волны и следующей за ней зоны химических реакций. Этот комплекс распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью. Тепловая энергия, выделившаяся в результате реакций, пойдет на пополнение потерь энергии ударной волны. Это обеспечивает поддержание волны на максимально высоком уровне, характерном для данного ВВ. Поэтому детонация распространяется по заряду с постоянной и максимально возможной для данного ВВ скоростью.

Выделим в заряде цилиндрический объем и рассмотрим проходящую по нему детонационную волну и распределение по ней параметров в некоторый момент времени (рис. 6). Детонационная волна распространяется со скоростью D слева направо. Исходное ВВ с параметрами ρ0, p0, T0 ударно сжимается до давления р1 и плотности ρ1. При сжатии ВВ температура вещества повышается до T1. Изменение параметров происходит в очень узкой зоне шириной 10-7 … 10-10 м, которая называется зоной сжатия.

120