книги / Химическая физика энергонасыщенных материалов

Замеряются величины давления р, через выбранный период квантования At. Для скорости горения имеем

и= — = и,р; de = ul -p -dt; е,=и, Jprfr; dt

fk

где Jк - полный импульс давления, Jk = J pdt = ^ р, - Дг.

о

Таким образом, для определения величины щ необходимо пу­ тем простых измерений линейных размеров пороховых элементов определить величину полного горящего свода еи а из опыта в мано­ метрической бомбе найти величину полного импульса давления как сумму произведений давлений р, на величину периода квантова­ ния At.

4.6.1.Зависимость скорости горения от давления

Сувеличением давления скорость горения порохов и ТРТ уве­ личивается, что связано с сокращением ширины зон горения в газо­ вой фазе и увеличением градиента температур по ширине зон.

Вобщем виде зависимость скорости горения от давления пред­ ставлена на рис. 9.

Рис. 9. Обобщенная зависимость скорости горения

от давления

Широко известный способ определения скорости горения (рис. 1 0 ) включает установку в бронированном стержневом образце твердого ракетного топлива 4, на некотором расстоянии L по длине образца, двух плавких проволочных сигнализаторов 5 и б с образо­ ванием двух независимых электрических цепей этих сигнализаторов на устройство измерения 1. Затем производят сжигание образца при помощи воспламенителя 3. В процессе горения образца производят определение времени плавления каждого сигнализатора /, и t2. Ско­

рость горения определяется из соотношения и = —— . Подавая

в камеру сгорания 7 начальное давление от внешнего источника 9 и поддерживая давление в камере сгорания на уровне заданного при помощи регулятора 8 и измерителя давления 2 , определяют скорость горения твердого ракетного топлива при различных заданных дав­ лениях.

Рис. 10. Установка для определения скорости горения твердых ракетных топлив

Известны также способы определения скорости горения ТРТ с регистрацией перемещения поверхности горения методами киноили видеосъемки процесса горения топлива, с использованием мик­

роволновой техники, светорегистраторов, измерения емкости или электропроводности продуктов сгорания. Все эти способы обладают рядом недостатков, основным из которых является несовершенство систем регистрации перемещения фронта горения - основной харак­ теристики для расчета скорости горения.

4.6.2. Зависимость скорости горения от начальной температуры заряда

С повышением начальной температуры скорость горения порохов и твердых ракетных топлив увеличивается. Так, по данным К.К. Андреева, повышение температуры на 1 °С увеличивает ско­ рость горения пороха Н (при сжигании на воздухе) на 1,3 %.

Зависимость скорости горения от температуры и = fi{T) описы­ вается различными эмпирическими формулами, из них чаще всего встречается следующая:

Щ т = М1N е х Р Р ( ^ — ^JV )>

где индекс N относится к температуре, принятой за нормальную. В России нормальной считают температуру, равную 293 К.

Для оценки температурной чувствительности скорости горения используется температурный коэффициент р, который можно пред­ ставить в виде

rd\nu

0 = C~dT~ р

При экспериментальном определении величина Р рассчиты­ вается по формуле

т—и

где щ - скорость горения при температуре Т.

Из приведенных формул следует, что коэффициент р характе­ ризует относительное изменение скорости горения пороха при из­ менении начальной температуры на 1 К.

Температурный коэффициент для порохов и ТРТ в практически важном диапазоне температуры (223...323 К) при давлении выше 3 МПа, как правило, является постоянным. С увеличением давления влияние температуры на скорость горения уменьшается, т.е. величи­ на Р уменьшается. Например, для баллиститных порохов без катали­ заторов при давлении 1.. .2 МПа значение р составляет (5.. .7) • КГ3 КГ1 (т.е. при изменении температуры заряда на 1 К скорость изменяется на 0,5...0,7 %), при давлении 6 ... 10 МПа P = (3...4) • 1(Г3 К-1, а при давлении 200 МПа р = (2.. .2,5) -1СГ3 К '1.

Сравнительно высокая температурная чувствительность скоро­ сти горения является весьма существенным недостатком порохов и ТРТ. Она обусловливает зависимость баллистических характери­ стик готовых зарядов от их начальной температуры. При достаточно большом диапазоне температур эксплуатации (от -50 до +50 °С) это усложняет условия боевого применения зарядов (необходимо вво­ дить поправки на температуру заряда), а в отдельных случаях и кон­ струкцию РД (наличие сменных сопловых вкладышей). В настоящее время за счет различных добавок изготовляются так называемые «безградиентные» пороха, в которых начальная температура заряда практически не влияет на баллистику выстрела.

4.6.3. Зависимость скорости горения от скорости обтекания горящей поверхности продуктами горения

Зависимость скорости горения от скорости обтекания горящей поверх­ ности продуктами горения и = / 3(V) представлена на рис. 1 1 .

В аналитическом виде эту зави­ симость записывают так:

Щ= Mi(v=o> при V < Ущ,;

«1 = Hi(v=o)[l + Kv(Y~ Кр)] при V > Vnp. Рис. 11. Зависимость и =f3(V)

Подвод тепла из зоны максимальной температуры к поверхно­ сти горения, определяющий интенсивность процесса газификации и тем самым скорость горения пороха, зависит от величины гради­ ента температуры, т.е. от толщины зон 3 и 4. Скорость газового по­ тока не оказывает влияния на горение до тех пор, пока эти зоны на­ ходятся за пределами турбулентного ядра потока. С ростом скорости потока, начиная с V = Vnp, границы турбулентного ядра расширяются в глубь зоны горения, сокращение зон приводит к увеличению температурного градиента, что вызывает увеличение потока тепла к горящей поверхности, в конечном счете приводящее к увеличению скорости горения.

4.7. Скорость детонации

Детонационную волну можно рассматривать как устойчивый комплекс из ударной волны и следующей за ней зоны химических реакций. Этот комплекс распространяется по веществу со сверхзву­ ковой скоростью. Тепловая энергия, выделившаяся в результате ре­ акций, 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.

Скорость детонации зависит от природы взрывчатого вещества, его плотности, содержания и природы примесей. В табл. 4 приведе­ ны данные о зависимости между плотностью р и скоростью детона­ ции D четырех бризантных ВВ.

В интервале плотностей от 1,0 до 1,7 г/см3 зависимость скоро­ сти детонации от плотности для таких ВВ может быть выражена приближенной формулой Б.И. Шехтера: D = Лра , где D - скорость детонации; р - плотность ВВ; А - коэффициент, зависящий от свойств ВВ; а » 0,67.

В настоящее время широко применяется измерение скорости детонации при помощи электронного частотомера, на котором реги­ стрируется время прохождения детонационного фронта через два ионизационных датчика, расположенного на определенном расстоя­ нии друг от друга.

При работе в полевых условиях долгое время скорость детона­ ции определяли по способу Дотриша (ГОСТ 3250-58).

Для этого необходимо иметь детонирующий шнур с точно оп­ ределенной скоростью детонации V. Простейшая схема испытания дана на рис. 13.

Испытуемое ВВ помещают в трубку, закрытую с обеих сторон пробками, в одной из которых имеется отверстие для капсюлядетонатора. 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 пла­ стинке так, чтобы середина его совпадала с меткой на одном из кон­ цов пластинки. Свинцовую пластинку в свою очередь укладывают на стальной пластинке; все это устройство, называемое фиксирую­ щим, скрепляют шпагатом и вставляют в защитную трубу.

Рис. 13. Схема определения скорости детонации при помощи детонирующего

шнура: I - середина отрезка шнура; 2 - точка встречи детонационных волн

Концы детонирующего шнура введены в заряд в точках А и В на расстоянии I друг от друга. При взрыве заряда детонация распро­ страняется по шнуру вначале от его конца А и немного позже от конца В. Поэтому место встречи детонационных волн сместится вправо от середины шнура на расстояние а. В этом месте на пла­ стинке образуется углубление. Углубление получается более чет­ ким, если располагать шнур на расстоянии 2.. .4 мм от поверхности пластинки. Если обозначим скорость детонации взрывчатого веще­ ства Д длину отрезка шнура L, то вследствие равенства времени пробега детонационной волны от А до углубления по двум направ­ лениям имеем

откуда D = — .

2 а

Скорость детонации имеет наименьшее для данного ВВ значе­ ние, когда диаметр заряда равен критическому. С ростом диаметра до некоторого предела скорость детонации увеличивается, а затем дальнейшее увеличение диаметра не приводит к увеличению ско­ рости детонации. Диаметр заряда, при котором скорость детонации достигает наибольшего значения, называется предельным.

Контрольные вопросы

1.Что относится к физико-химическим характеристикам порохов и ТРТ?

2.Что относится к энергетическим и баллистическим характе­ ристикам порохов и ТРТ?

3.Назовите факторы, влияющие на структуру ЭКМ.

4.Чем различается плотность заряжания от гравиметрической плотности? В каких пределах может изменяться плотность заря­ жания?

5.Поясните физический смысл понятий «кислородный баланс»

и«кислородный коэффициент».

6.Что такое теплота взрывного превращения? Назовите вели­ чины теплот взрывного превращения порохов, твердых ракетных топлив и взрывчатых веществ.

7.В каких пределах лежит температура горения или взрыва для порохов, ТРТ и ВВ?

8.Что такое удельный объем газов, при каких условиях он оп­ ределяется? Назовите численные значения для различных ЭКМ.

9.Дайте определение линейной скорости горения, назовите факторы, влияющие на скорость горения и обоснуйте механизм их влияния.

10.Дайте определение закона скорости горения. Определи­

те скорость горения пороха при давлении 70 МПа, если MI = 2,14-Ю-10 м/(с*Па).

11.Какой порох называют безградиентным?

12.От каких факторов зависит скорость детонации?