Dependence of the TNT equivalent of an underwater explosion on the content of aluminum hydride in the energy material

Full Text

Введение

Порошкообразный алюминий широко используется в качестве горючей добавки для повышения мощности взрывчатых веществ (ВВ). Однако неполнота его окисления и потери, связанные с образованием конденсированной фазы, препятствуют трансформации запасенной энергии в работу расширяющихся продуктов взрыва. Замена Al в смеси с ВВ на AlH₃ может в значительной мере ослабить влияние отмеченных негативных факторов. Основанием для такого вывода является, прежде всего, возможность образования дополнительного количества газообразных продуктов при разложении AlH₃. Кроме того, можно предположить, что выделение водорода из AlH₃ будет способствовать созданию активной поверхности и увеличению скорости горения металла. Однако эффекты, связанные с высвобождением водорода, могут проявляться по-разному в зависимости от характера процесса. Так, авторы работы [1], анализируя данные по горению модельных композиций на основе перхлората аммония, пришли к выводу, что «механизм влияния AlH₃ на скорость горения твердых ракетных топлив обусловлен не образованием активного, непокрытого окисной пленкой Al, а выделением водорода в области вблизи поверхности горения». Результаты, представленные в [1], показали, что замена Al марки АСД-6 и нанодисперсного Al на AlH₃ с размером частиц 20 мкм в рассмотренных системах приводит, как правило, к увеличению скорости горения и снижению показателя степени в законе горения. По мнению авторов [1], полученные данные позволяют рассматривать AlH₃ «как модификатор горения топливных композиций».

В работе [2] расчетным путем показано, что добавление AlH₃ в систему перхлорат аммония — каучук в большей степени повышает удельный импульс, чем введение Al. Аналогичные результаты получены авторами работы [3] при расчете удельного импульса ракетных топлив на основе перхлората аммония, в состав которых включены Al и AlH₃. Расчетные данные по удельному импульсу и скорости ракеты, приведенные в работе [4], также свидетельствуют о высокой баллистической эффективности модельных топлив, содержащих AlH₃.

В литературе имеется ограниченный объем информации о свойствах смесей ВВ с AlH₃. Из расчетных результатов, представленных в работе [5], следует, что AlH₃ в меньшей степени, чем Al, снижает скорость детонации тетранитрат пентаэритрита (ТЭН).

Метательная способность характеризует один из важнейших видов действия ВВ. Методика исследования торцевого метания, известная как М-40 (аналог мктодики М-60), в нашей стране принята в качестве базовой [6]. Проведенные ранее исследования продемонстрировали возможность повышения метательной способности ВВ за счет добавления порошкообразного AlH₃ [7]. Расчетным путем показано, что дополнительный прирост метательной способности при замене Al на AlH₃ может быть получен для композиций на основе ВВ с положительным кислородным балансом (КБ).

Одной из областей применения взрывчатых материалов является проведение взрывных работ под водой. В экспериментах по исследованию параметров подводного взрыва определяются профили давления в ударной волне и фазы колебаний газового пузыря, в частности период первой пульсации. Обычно с использованием результатов измерения профиля давления и в соответствии с законом подобия строятся зависимости избыточного давления, удельного импульса и плотности потока энергии в ударной волне от величины отношения (M^1/3/R), где M — масса заряда, R — расстояние от центра взрыва [8]. Обобщающей характеристикой является энергия ударной волны.

При разработке способа расчета тротилового эквивалента (ТЭ) подводного взрыва, предложенного в работе [9], принималось во внимание, что процесс отбора энергии при взрыве зависит от свойств продуктов взрыва и, прежде всего, от количества выделившегося газа. С учетом этого был введен характеристический параметр:

$\phi =Q{N}^{1/4},$ (1)

где Q — теплота взрыва (ТВ), N — число молей газообразных продуктов взрыва. Входящие в (1) характеристики нормированы на соответствующие значения для тротила: Q = 4.354 МДж/кг, N = 32.12 моль/кг).

Статистической обработкой массива экспериментальных данных получено соотношение для оценки ТЭ по энергии ударной волны:

$G=\phi \left(1-1.294{\alpha }^2\right),$ (2)

где α — массовая доля Al в смеси с ВВ.

В работе [9] представлены расчетные данные, полученные для модельных композиций, содержащих ВВ с различным КБ. Результаты расчета подтвердили возможность существенного повышения ТЭ за счет добавления Al к ВВ. Максимальный прирост ТЭ следует ожидать в случае композиций на основе ВВ с положительным КБ. Расчет показал также слабое различие значений ТЭ для составов, содержащих Al с размером частиц 0.1, 7 и 15 мкм.

Для анализа перспектив использования энергетического материала требуется наличие данных не только по целевому параметру, но и по комплексу характеристик этого материала. К таким характеристикам, в частности, относится чувствительность к внешним воздействиям. В связи с тем, что наиболее распространенным видом несанкционированного воздействия является механическое (удар, трение), чувствительности к такому виду действия уделяется особое внимание исследователей. Современные представления о чувствительности энергетических материалов и методах ее определения отражены, в частности, в публикациях А.В. Дубовика [10–12]. Важные результаты получены авторами работы [13], которые установили корреляционную связь критической температуры самовоспламенения ВВ с критическим давлением инициирования взрыва, а также проанализировали влияние скорости реакции термического разложения и ТВ на чувствительность ВВ.

Предлагаемая работа посвящена сравнению смесей ВВ с Al и AlH₃ по тротиловому эквиваленту, учитывающему энергию ударной волны при подводном взрыве. Вопросы, связанные с чувствительностью и другими характеристиками составов, заслуживают отдельного рассмотрения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для проведения исследований рассматривались модельные композиции на основе двух известных мощных ВВ с различным КБ. Октоген (циклотетраметилентетранитрамин) обладает отрицательным КБ, равным –21.6%. Бис(тринитроэтил)нитрамин (БТНЭН) относится к классу ВВ-окислителей. Кислородный баланс этого ВВ равен +16.5%.

Гидрид алюминия имеет несколько полиморфных модификаций. Однако лишь α-фаза стабильна при нормальных условиях. При расчетах энтальпия образования AlH₃ принималась равной –11.42 кДж/моль, а плотность — 1.47 г/см³ [14]. В формулах (1) и (2) в качестве базовой характеристики используется ТВ. На рис. 1 и 2 представлены расчетные кривые, отражающие влияние массовой доли Al и AlH₃ в композициях с ВВ на теплоту взрыва и число молей газообразных продуктов. Оценки выполнены по разработанным ранее методам [15, 16]. При расчетах предполагалось, что металл и водород гидрида участвуют в реакции. Размер частиц ВВ, Al и AlH₃ принимался равным 15 мкм при плотности заряда, составляющей 0.95 от теоретически максимальной плотности. Символами на рис. 1 и 2 обозначены экспериментальные значения ТВ составов с Al.

Рис. 1. Теплота взрыва (Q) и число молей газообразных продуктов взрыва (N) в зависимости от β массовой доли Al (сплошные линии) и AlH₃ (штриховые линии) в смеси с октогеном. Символы — экспериментальные значения теплоты взрыва алюминийсодержащих составов.

Рис. 2. То же, что и на рис. 1, но для композиции с веществом БТНЭН.

Измерения ТВ осуществлялись с использованием калориметрической установки с бомбой внутренним объемом 1.7 л. В состав вводили Al c размером частиц 15 мкм и активностью (массовой долей несвязанного металла) 0.99. Заряд состоял из прессованных таблеток диаметром 12 мм. Вес образца составлял 12 —15 г. Заряд помещали в оболочку из нержавеющей стали с толщиной стенки 6 мм. Особенности экспериментального определения ТВ алюминизированных ВВ рассмотрены в работе [17].

Как следует из рис. 1 и 2, добавление Al и AlH₃ к ВВ существенно повышает ТВ. Сопоставление данных, представленных на этих рисунках, свидетельствует о том, что ТВ выше у смесей, содержащих БТНЭН, то есть ВВ с положительным КБ. Композиции с AlH₃ по теплоте взрыва уступают составам с Al как в случае октогена, так и БТНЭН. Основная причина этого — отрицательная энтальпия образования AlH₃. Однако количество молей газообразных продуктов значительно выше у смесей с AlH₃.

Расчетные кривые на рис. 3 иллюстрируют влияние массовой доли Al и AlH₃ в композициях с октогеном и БТНЭН на тротиловый эквивалент. Из полученных данных следует, что использование Al и AlH₃ в качестве добавки к ВВ существенно увеличивает ТЭ, причем в большей степени у составов с БТНЭН. При этом значения ТЭ выше у композиций с AlH₃. Последнее особенно заметно для составов на основе БТНЭН (см. рис. 4).

Рис. 3. Зависимость тротилового эквивалента по энергии ударной волны от массовой доли Al (сплошные линии) и AlH₃ (штриховые линии) в смеси с БТНЭН (1 ) и октогеном (2).

Рис. 4. Зависимость объемного тротилового эквивалента по энергии ударной волны от массовой доли добавки. Обозначения те же, что и на рис. 3

В практике применения взрывчатых материалов часто фиксируется объем заряда, что обусловлено, например, калибром. Однако рассмотренные выше значения ТЭ отражают соотношение «эквивалентных» масс. Для перехода на «эквивалентные» объемы необходимо эти значения умножить на отношение плотностей зарядов исследуемого материала и тротила. В случае «эквивалентных» объемов наблюдается иная картина, чем при рассмотрении «эквивалентных» масс, а именно: составы с AlH₃ проигрывают композициям с Al по объемному ТЭ (рис. 4). Причина этого заключается в более низкой плотности зарядов с AlH₃ по сравнению с алюминийсодержащими системами.

Таким образом, результаты показали, что замена Al на AlH₃ во взрывчатом составе может обеспечить дополнительное повышение массового ТЭ по энергии ударной волны подводного взрыва. Однако указанное преимущество композиций с AlH₃ теряется при переходе к объемным эквивалентам.

Работа выполнена в рамках госзадания по теме «1.5. Фундаментальное исследование энергонасыщенных материалов и электрохимических систем c целью повышения эффективности и безопасности их применения».

About the authors

M. N. Makhov

Author for correspondence.
Email: mmn13makhov@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Heat of explosion (Q) and the number of moles of gaseous explosion products (N) depending on β mass fraction of Al (solid lines) and AlH3 (dashed lines) in a mixture with octogen. Symbols are experimental values ​​of the heat of explosion of aluminum-containing compositions.

Download (171KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Same as in Fig. 1, but for a composition with the substance BTNEN.

Download (160KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Dependence of the TNT equivalent in shock wave energy on the mass fraction of Al (solid lines) and AlH3 (dashed lines) in a mixture with BTNEN (1) and HMX (2).

Download (134KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Dependence of the volumetric TNT equivalent in shock wave energy on the mass fraction of the additive. The designations are the same as in Fig. 3

Download (149KB)

Indexing metadata