книги / Теплофизические явления в полимерных материалах при интенсивном и кратковременном воздействии
..pdfны обладать, с одной стороны, текучестью, с другой – достаточной калорийностью. Кроме определения реологических свойств таких составов необходимо знать параметры, определяющие их способность конкурировать с известными применяемыми высокобризантными твердыми взрывчатыми веществами. Определение значений этих параметров сводится к вычислению значений характеристик различной физико-химической природы гетерогенных материалов.
В табл. 4.9 приведены значения энергетических параметров суспензионных взрывчатых составов на основе октогена с объемной долей Ф и НИБТНГ.
Изменение значения Ф взято в диапазоне 0,3–0,7, что ограничено реологическими свойствами суспензии при использовании ее для заполнения объема.
Таблица 4 . 9
Энергетические параметры суспензионных ВВ
|
|
|
|
|
|
Суспензионное ВВ |
|
||
|
Пара- |
Эта- |
Окто- |
|
|
При- |
Прибли- |
Метод |
Формулы |
|
метры |
лонное |
НИБТНГ |
|
ближе- |
жение |
Заба- |
теории |
|
|
ВВ |
ВВ |
ген |
|
Ф |
ние |
Мак- |
бахи- |
детона- |
|
|
|
|
|
|
Бругге- |
свелла– |
на |
ции |
|
|
|
|
|
|
мана |
Гарнета |
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
1738 |
1738 |
1735 |
1740 |
|
ρ,кг/м3 |
1860 |
1880 |
1680 |
0,4 |
1758 |
1758 |
1755 |
1760 |
|
0,5 |
1778 |
1778 |
1774 |
1780 |
||||
|
|
|
|
|
0,6 |
1798 |
1798 |
1795 |
1800 |
|
|
|
|
|
0,7 |
1818 |
1818 |
1815 |
1820 |
|
|
|
|
|
0,3 |
8292,1 |
8291,2 |
8233 |
8312 |
|
Dж, |
8800 |
9000 |
8000 |
0,4 |
8391,3 |
8390,2 |
8324 |
8425 |
|
0,5 |
8490,2 |
8489,8 |
8416 |
8541 |
||||
|
м/с |
||||||||
|
|
|
|
0,6 |
8591,1 |
8590,2 |
8521 |
8639 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
0,7 |
8692,1 |
8691,4 |
8626 |
8736 |
|
|
|
|
|
0,3 |
6,284 |
6,2847 |
6,251 |
6,272 |
|
Q, |
|
|
|
0,4 |
6,152 |
6,1533 |
6,103 |
6,139 |
|
6,63 |
5,4 |
6,69 |
0,5 |
6,022 |
6,0236 |
5,954 |
6,009 |
|
|
МДж/кг |
0,6 |
5,894 |
5,8956 |
5,821 |
5,882 |
|||
|
|
|
|
|
0,7 |
5,767 |
5,7693 |
5,693 |
5,757 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
81 |
Стр. 81 |
|
|
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
|
|
|
Окончание табл. 4 . 9
|
|
|
|
|
|
Суспензионное ВВ |
|
|||
Пара- |
Эта- |
Окто- |
|
|
При- |
Прибли- |
Метод |
Формулы |
||
метры |
лонное |
НИБТНГ |
|
ближе- |
жение |
Заба- |
теории |
|||
ВВ |
|
ВВ |
ген |
|
Ф |
ние |
Мак- |
бахи- |
детона- |
|
|
|
|
|
|
|
Бругге- |
свелла– |
на |
ции |
|
|
|
|
|
|
|
мана |
Гарнета |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,3 |
2,549 |
2,5485 |
2,534 |
2,551 |
|
n |
|
2,61 |
2,92 |
2,4 |
0,4 |
2,6 |
2,5994 |
2,584 |
2,604 |
|
|
0,5 |
2,652 |
2,6509 |
2,636 |
2,659 |
|||||
|
|
|
|
|
0,6 |
2,704 |
2,7032 |
2,690 |
2,710 |
|
|
|
|
|
|
0,7 |
2,757 |
2,7563 |
2,745 |
2,762 |
|
|
|
|
|
|
0,3 |
2421 |
2421,4 |
2420 |
2422 |
|
ρж, |
|
2570 |
2520 |
2380 |
0,4 |
2435 |
2435,4 |
2433 |
2436 |
|
3 |
0,5 |
2449 |
2449,3 |
2448 |
2450 |
|||||
кг/м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,6 |
2463 |
2463,4 |
2462 |
2464 |
||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
0,7 |
2477 |
2477,4 |
2477 |
2478 |
|
|
|
|
|
|
0,3 |
5952 |
5951,9 |
5901 |
5971 |
|
Сж, |
|
6350 |
6700 |
5650 |
0,4 |
6056 |
6055,0 |
6004 |
6087 |
|
|
0,5 |
6160 |
6169,2 |
6099 |
6207 |
|||||
м/с |
|
|||||||||
|
|
|
|
0,6 |
6266 |
6264,8 |
6213 |
6310 |
||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
0,7 |
6373 |
6371,6 |
6321 |
6414 |
|
|
|
|
|
|
0,3 |
33,66 |
33,681 |
33,3 |
33,85 |
|
Pж, |
|
39,8 |
38,8 |
31,62 |
0,4 |
34,36 |
34,387 |
33,9 |
34,66 |
|
|
0,5 |
35,08 |
35,104 |
34,6 |
35,49 |
|||||
ГПа |
||||||||||
|
|
|
0,6 |
35,8 |
35,831 |
35,3 |
36,21 |
|||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
0,7 |
36,55 |
36,569 |
36,1 |
36,93 |
Во втором столбце табл. 4.9 указаны параметры взрывчатого состава, в дальнейшем называемого эталонным.
Методика оценки энергетических параметров суспензионной взрывчатой смеси
Для проведения оценки эффективности энергетических параметров суспензионной взрывчатой смеси (СВС) примем следующие обозначения: WВВ – энергия, запасенная в заряде ВВ; m – масса заряда ВВ; mпл – масса пластины, на которую воздействуют заряды из взрывчатых веществ; R0 – внешний размер заряда ВВ; ϕ – коэффициент отбора энергии пластиной от заряда ВВ; Рн –
82
Стр. 82 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
давление во фронте нормальной детонационной волны в точке Чепмена – Жуге; Рпл – давление во фронте ударной волны, вступающей в пластину при выходе детонационной волны на границу с пластиной; I – полный импульс давления; D – скорость детонации; V – объем заряда ВВ; η – коэффициент метательного действия взрыва. Индексы «с» и « » применены для суспензии и эталонного ВВ соответственно, а индекс «пл» – для пластины.
Оценку эффективности энергетических параметров суспензии будем проводить на основе данных табл. 4.9 относительно параметров эталонного ВВ. Приведем некоторые вспомогательные соотношения. Энергия детонационной волны
W = |
m D2 |
= |
I D |
. |
(4.1) |
|
16 |
16 |
|||||
|
|
|
|
Полный импульс давления в детонационной волне I можно найти, используя степенное уравнение состояния продуктов взрыва P = Aρn :
I =k m D,
где
|
|
|
|
|
|
|
|
3n−1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
||
|
|
|
|
(n −1)n−1 |
|
(n +1) |
|
|
|||||||||
k = |
n−1 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2n |
. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n−1 |
|
|
|
|
|
|
|||
Далее примем внутренний |
|
размер зарядов из эталонного |
|||||||||||||||
и суспензионного ВВ r* = rc = 0,7 R0* , тогда |
|||||||||||||||||
|
|
R3 |
|
|
= 0,657 |
V |
+ 0,343, |
||||||||||
|
|
0c |
|
|
|
c |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
V |
||||||||||||
|
|
R3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
0* |
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
R0c |
|
|
|
|
|
|
Vc |
|
+ 0,343 . |
|||||||
|
|
|
= |
3 |
0,657 |
|
|
||||||||||
|
R |
|
|
V |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0* |
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
83
Стр. 83 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
Проведем оценку метания тонких пластин зарядами. Пусть
Мс и М* – приведенные массы и Mc = |
|
mc |
, |
M* = |
m* |
, |
|||||||||
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
mпл |
|
mпл |
||||
тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Mc |
= |
mпл |
|
mc |
|
= |
mc |
. |
|
|
|
|||
|
M |
* |
|
m |
m |
|
|
m |
|
|
|
||||
|
|
* |
|
пл |
* |
|
|
|
|
Типичное значение приведенной массы заряда для эталонного ВВ
M* =14,898 ρρ* .
пл
Из последних двух выражений найдем значение приведенной массы Мс суспензии:
|
|
|
ρc |
|
3 |
|
|
|
M |
c |
= 22,6757 |
|
R0c |
−0,343 |
. |
||
|
R3 |
|||||||
|
|
ρ |
пл |
|
|
|
||
|
|
|
|
0* |
|
Зависимость коэффициента отбора (использования) энергии пластиной ϕ от приведенной массы Мс (1,5 ≤ Мс ≤ 4,5) ϕ(Мс)
0,33…0,35 const (см. табл. 4.6 в работе [9]).
Вэтом случае энергия пластины Wпл= ϕ WВВ; поскольку ϕ const; WВВ= const, следовательно, Wпл const. Давления во фронте нормальной детонационной волны для суспензии и эталонного ВВ соотносятся следующим образом:
Pн с |
|
ρc |
|
n* +1 |
|
Dc |
|
2 |
|
= |
|
|
. |
||||||
|
nc +1 |
|
|||||||
Pн* |
ρ* |
|
|
D* |
|
Оценка эффективности суспензионной взрывчатой смеси при сохранении энергии заряда эталонного ВВ
Если Wc = W*, тогда в соответствии с выражением (4.1) по-
лучаем, что Ic = D* .
I* Dc
84
Стр. 84 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
Найдем значения отношений |
ρ0c |
, |
Dc |
, |
nc |
, |
mc |
, |
|
Vc |
||
D |
n |
m |
V |
|||||||||
|
ρ |
0* |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
* |
|
* |
|
* |
|
* |
где ρ0c , ρ0* – соответственно начальные плотности CВC
ного ВВ.
Результаты расчетов показаны на рис. 4.7.
иРн с ,
Рн*
иэтало-
Рис. 4.7. Зависимости параметров СВС относительно эталонного ВВ от объемной доли октогена в смеси при равных энергиях зарядов
Законы изменения давления во фронте детонационной волны близки для твердого ВВ и предлагаемой СВС. При выходе детонационной волны на границу с пластиной давление ударной волны, вступающей в пластину, будет пропорционально давлению во фронте подошедшей детонационной волны. Из проведенных расчетов видно, что для данного случая (при Wc=W*) эффективность использования энергии пластиной для суспензионного ВВ такая же, как и для штатного. При 1,5 ≤ Мс ≤ 2,5 и при инициировании с открытого торца заряда Wпл = ϕ WВВ; если ϕ const,
WВВ = const, следовательно, Wпл const.
При равенстве энергий зарядов СВС и эталонного ВВ требуется увеличение объема и массы заряда СВС по отношению к объему и массе эталонного ВВ (для объема от 12 до 71 %, для массы от 10 до 60 %), хотя размер заряда изменится незначитель-
но (от 3 до 14 %).
Оценка эффективности СВС при сохранении габаритов устройства эталонного ВВ
Рассмотрим случай, когда сохраняются габариты зарядов ВВ, т.е. R0 = R0с = const, r* = rc = const и Vc = V = V = const.
85
Стр. 85 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
Тогда получаем:
|
|
|
|
|
|
Ic |
= |
kc ρ0c Dc |
. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
I |
* |
|
|
|
|
k |
|
ρ |
0* |
|
D |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Оценим значения |
mc |
, |
|
|
Wc |
|
|
и |
|
Mc |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
m |
|
|
|
W |
|
|
|
M |
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
* |
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Для отношения энергий получаем: |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
W |
= |
|
k |
c |
|
ρ |
|
|
|
D2 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
c |
. |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
W |
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ρ |
|
|
D2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
* |
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
Для отношения масс получаем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
mc |
= |
ρc |
M |
|
|
|
|
|
m m |
|
|
|
m |
= |
ρ |
|
. |
|||||||||||
|
m* |
ρ* , |
M |
|
= m |
m |
|
|
= m |
ρ |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
пл |
|
|
|
c |
|
|
|
c |
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
* |
|
|
пл |
|
|
|
* |
|
|
* |
|
В диапазоне 1,377 ≤ Мс ≤ 1,47 коэффициент отбора ϕ const, поэтому
Wпл с = Wc .
Wпл* W*
Результаты проведенного анализа приведены на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Зависимости параметров СВС относительно эталонного ВВ от объемной доли октогена в смеси при равных габаритах устройств
86
Стр. 86 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
При равенстве масс ВВ параметры СВС уступают параметрам эталонного ВВ по энергии взрыва (на 10–41 %) и импульсу давления (на 9–37,4 %).
Оценка эффективности метательного действия взрыва СВС относительно эталонного ВВ
Оценим эффективность метательного действия взрыва СВС относительно штатного ВВ при одинаковых габаритах устройств:
|
Ф |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
|
|
ηc |
|
0,842 |
0,849 |
0,857 |
0,865 |
0,872 |
|
η* |
||||||
|
|
|
|
|
|
В этом случае отношение коэффициентов метательного действия взрыва выражается следующим образом:
ηc |
|
Pc |
0,888 |
|
Qc |
0,44 |
|
= |
|
|
. |
||||
|
|
||||||
η* |
|
P* |
Q* |
Далее рассмотрим, как будут изменяться габариты устройства из СВС при сохранении величины метательного действия взрыва эталонного ВВ:
|
|
Ф |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
||
|
V с |
1,2146 |
1,2022 |
1,1902 |
1,1785 |
1,1671 |
|||
|
|
|
|
|
|||||
|
V* |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
R c |
|
1,04487 |
1,04243 |
1,03998 |
1,03745 |
1,03534 |
|
|
|
R * |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
Тогда изменение толщины (объема) устройства выразится следующим образом:
|
Vс |
|
Рс |
|
Qc |
|
0,4955 |
||
|
= |
|
|
. |
|||||
|
Р* |
|
|||||||
V* |
|
|
|
Q* |
|
||||
88 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стр. 88 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
Для сохранения метательного действия взрыва эталонного
ВВнеобходимо увеличение объема (толщины) заряда из СВС от 16,7 до 21,5 %, хотя радиус устройства при этом изменится толь-
ко на 3,5–4,5 %.
Далее рассмотрим случай, когда массы СВС и эталонного
ВВравны:
|
Ф |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
|
|
ηc |
0,88962 |
0,89138 |
0,89192 |
0,89283 |
0,89393 |
|
|
η* |
||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
Rc |
|
1,01514 |
1,01255 |
1,01 |
1,0075 |
1,00503 |
|
R* |
||||||
|
|
|
|
|
|
Тогда выражение для отношения метательного действия взрыва будет выглядеть следующим образом:
ηc |
|
Pc |
0,888 |
|
0,888 |
|
Qc |
0,44 |
|
= |
|
|
ρ* |
|
. |
||||
|
|
||||||||
η* |
|
P* |
|
ρc |
Q* |
При равных массах ВВ метательное действие взрыва для СВС находится в пределах 89 % от эталонного, причем размер зарядов увеличивается незначительно (0,5–1,5 %).
Произведенная оценка энергетических параметров СВС позволяет сделать следующие выводы:
1. Оценка эффективности СВС при различных условиях при обеспечении взрывобезопасности показала следующее:
−при сохранении энергии заряда эталонного ВВ увеличение объема составило от 12 до 71 %, массы – от 10 до 60 %, размера устройства – от 3 до 14 %. Полный импульс давления больше, чем у эталонного на 1,2–6,1%;
−при сохранении габаритов эталонного ВВ энергия, запасенная в СВС, составила от 55,4 до 87,9 % от эталонного, масса – от 93,4 до 97,7 %, полный импульс давления – от 58,4 до 89 %;
89
Стр. 89 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |
−при сохранении массы эталонного ВВ энергия, запасенная
вСВС, составила 58,9–90 % от эталонного, полный импульс давления – 62,6–91,1 %, при этом объем устройства увеличился на
2,3–7 %, а радиус – на 0,5–1,5 %.
2. Оценка метательного действия взрыва СВС показала следующее:
−при одинаковых габаритах устройств метательное действие взрыва СВС составило от 84,2 до 87,2 % от эталонного;
−при одинаковых массах ВВ метательное действие взрыва заряда из СВС составляет около 89 % от эталонного при незначительном увеличении размера заряда СВС (0,5–1,5 %);
−при сохранении метательного действия взрыва увеличение объема для СВС составило от 16,7 до 21,5 %, при увеличении размера устройства на 3,5–4,5 %.
3. Для нахождения СВС с требуемыми параметрами (W,I,P) необходимо варьировать габаритно-массовые характеристики и объемную долю октогена в ней.
4.4.Экспериментальное исследование теплоемкости смесевых полимерных составов
Рассмотрим применение предлагаемой модели для исследования теплоемкости смесевых полимерных составов. С этой целью нами было выполнено сравнение теплоемкости, измеренной и рассчитанной для составов, рецептура которых указана в табл. 4.10. Экспериментально исследовано изменение теплоемкости при постоянном давлении в зависимости от температуры как для компонентов, так и для составов.
Изобарная удельная теплоемкость Cp веществ определялась на дифференциальном сканирующем калориметре ДСК-111. Образцы массой 0,03…0,15 г, помещенные в открытые керамические тигли, испытывались в динамическом режиме со скоростью нагрева 5 К/мин в температурном диапазоне 20…150 oC. Приборная погрешность измерения составляет 3 % от максимального значения шкалы.
90
Стр. 90 |
ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru) |