Влияние параметров детонации конденсированных взрывчатых веществ и динамических свойств металлов на эффективность метательного действия

Реут, Игорь Игоревич

Влияние параметров детонации конденсированных взрывчатых веществ и динамических свойств металлов на эффективность метательного действия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

Реут, Игорь Игоревич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Самара МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.17 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние параметров детонации конденсированных взрывчатых веществ и динамических свойств металлов на эффективность метательного действия»

Автореферат диссертации на тему "Влияние параметров детонации конденсированных взрывчатых веществ и динамических свойств металлов на эффективность метательного действия"

005018826

Реут Игорь Игоревич

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЕТОНАЦИИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАЙ ¿012

Самара-2012

005018826

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель: д.т.н., доцент Кривчеико Александр Львович.

Официальные оппоненты:

Епифанов Владимир Борисович д.т.н., доцент, ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», профессор кафедры Химия и технология полимерных и композиционных материалов;

Смирнов Александр Сергеевич д.т.н., ОАО «Государственный научно-исследовательский институт машиностроения имени Бахирева», начальник отдача экспериментальной физики.

Ведущая организация Учреждение Российской академии наук «Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН» (г. Черноголовка).

Защита диссертации состоится «16» мая 2012 г. в 14 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.01 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» по адресу: 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, аудитория 500.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.01; факс: (846) 242-28-89.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (ул. Первомайская, 18).

Автореферат разослан « | "2. » апреля 2012 г.

Самборук Анатолий Романович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Сложные динамические взаимодействия представляют самостоятельный интерес для различных областей науки и техники, в том числе и для разработки новых систем динамического оружия, у которого поражающие элементы баллистической формы должны иметь достаточно высокие характеристики по форме и массе, которые определяются соотношением массы и квадрата скорости. О-металлы и их сплавы являются наиболее перспективными в этом плане, так как, во-первых, неполно изучены их ударно-волновые свойства, а во-вторых, в данное время в термодинамике рассмотрены только полуэмпирические модели уравнения состояния металлов, что требует дополнительного проведения дорогостоящих экспериментов по определению динамических характеристик металлов и их сплавов. Однако именно в этой концепции возможно решение проблем разработки эффективных поражающих элементов кинетического оружия, зарядов взрывного бурения и кумулятивных перфораторов.

Для использования на практике эффектов динамического нагружсния необходимо знать такие характеристики как скорость звука во взрывчатом веществе и в метаемом материале, детонационные и массовые скорости и ряд других характеристик. Задачи разработки методов теоретического прогнозирования скоростей детонации и метания требуют комплексной диагностики ударно-волновых процессов при динамическом на-гружении. Прогнозирование таких процессов является актуальной научной задачей. Исследование поведения металлических материалов при ударном сжатии имеют большое значение для решения задач по прогнозированию взрывных воздействий на различные материалы.

В работе также уделено внимание решению актуальной задачи по теоретическому исследованию параметров детонации и метательной способности некоторых перспективных взрывчатых веществ на основе 1,3,5-триазинов. Исль работы.

1. Комплексное исследование взаимодействия продуктов детонации (ПД) с метаемой пластиной;

2. Разработка методов экспериментального и теоретического прогнозирования метательной способности;

3. Определение влияния материала метаемого элемента на эффективность отбора энергии им у продуктов детонации, а также выбор критерия его оценки.

Задачи исследования.

1. Определение параметров взаимодействия продуктов детонации с метаемой пластиной и влияния динамических характеристик металла на параметры его нагружсния;

2. Исследование аддитивных свойств ((-элементов таблицы Д.И. Менделеева с целью определения их динамических адиабат;

3. Разработка теоретических методов определения скорости торцевого метания и расширения цилиндрической оболочки;

4. Определение детонационных и метательных свойств производных 1,3,5-триазина. Методы исследования.

В работе использован аппарат ударно-волкового взаимодействия ПД и нагружаемых материалов, теоретический расчёт параметров детонации, детонационной оптики.

Ударно-волновые импульсы меди и латуни, в условиях ударного нагружения, изучались с помощью электромагнитного метода регистрации скоростей метания исследуемых образцов в процессе ударного сжатия. Расчёт параметров исследуемых взрывчатых веществ и металлов осуществлялся в рамках полуэмпирического подхода.

Объекты исследования - прессованные заряды взрывчатых веществ: А-1Х-1 и ТГ50/50; металлические пластины: медь М1 и латунь Л75. Научная новизна работы.

- Предложены методы прогнозирования параметров метания гидродинамическим методом и методом эквивалентных масс;

- Предложен способ по усреднению результатов, который позволяет уменьшить абсолютную ошибку по отношению к экспериментальным данным;

- Разработана предварительная экспресс-методика определения смесевых динамических адиабат сплавов, которая даёт возможность определить наиболее оптимальный для метания сплав;

- Впервые определены детонационные параметры взрывчатых веществ ряда 1,3,5-триазинов и их возможная метательная способность.

Практическая значимость работы определяется предложениями по уменьшению количества экспериментальных исследований за счёт научно-обоснованного подхода к расчётно-экспериментальной оценке характеристик эффективности.

- Разработан метод теоретического прогнозирования определения скоростей метания;

- Разработана новая полуэмпирическая методика, позволяющая определить ударные адиабаты металлов и сплавов для поражающих элементов;

- Разработанная экспресс-методика определения смесевых динамических адиабат сплавов позволяет расширить круг различных металлов и сплавов и выделить из них наиболее оптимальные для необходимых целей;

- Предложен перспективный экспериментальный метод регистрации ударно-волновых импульсов взаимодействия продуктов детонации с метаемым элементом при динамическом нагружении;

- Разработанные в работе методы приведут к снижению затрат на разработку боеприпасов с использованием перспективных взрывчатых веществ и оптимальных материшюв облицовок для снарядоформирующих зарядов.

На защиту выносятся следующие положения:

- Разработка электромагнитного метода фиксации скорости метаемого элемента и характер взаимодействия продуктов детонации с материалом пластины;

- Разработка принципа расчёта скорости метания гидродинамическим методом;

- Разработка способа расчёта коэффициента X ударной адиабаты В^а+Ш на основе аддитивных свойств элементов периодической системы Д.И. Менделеева для определения динамических адиабат с!-металлов и их сплавов;

- Способы расчёта параметров торцевого метания гидродинамическим методом и методом детонационной оптики, и скорости расширения цилиндрической оболочки с использованием единой энергетической характеристики — массовой скорости;

- Результаты теоретического расчёта параметров детонации и скоростей метания для перспективных взрывчатых веществ производных 1.3,5-триазинов. Достоверность научных результатов работы подтверждается совпадением результатов эксперимента с результатами теоретического прогнозирования по разным методикам и экспериментальным данным, а также выполненными оценками погрешностей измерений.

Апробация работы.

ции памяти профессора Х.С. Хазанова. «Общественные, естественные и техн. науки» (2006 г.). г. Самара; XVII Менделеевской конференции молодых учёных (2007 г.), г. Самара; Международной конференции «Ударные волны в конденсированных средах» (2008 г.), г. Санкт-Петербург; XI, XIII Харитоновских тематических научных чтениях -Международная конференция «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (2009 г., 2011 г.), г. Саров; I Международной научно-практической конференции «Наука и современность» (2010 г.), г. Новосибирск; Международной конференции «Ударные волны в конденсированных средах» (2010 г.), г. Великий Новгород; Московский семинар по физике взрыва (2011 г.), г. Дзержинск. Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 12 работ, докладов и тезисов конференций, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ. Личный вклад автора.

В выборе направления исследований; в постановке задач диссертации; личном проведении экспериментов; автор принимал участие в количественной обработке полученных экспериментальных данных; формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, а также в подготовке публикаций в печать. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, библиографического списка. Общий объем работы составляет 117 страниц, включая 16 рисунков, 25 таблиц и библиографического списка включающего 101 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность изучаемой проблемы, сформулированы цели работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, изложено основное содержание работы и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируется современное состояние проблемы. Представлен анализ способов определения метательной способности заряда взрывчатого вещества Рассмотрены практические и теоретические методы определения скорости метаемых элементов. Рассмотрен способ определения оптимальной толщины пластины для торцевого метания. Показано, что все приведённые методы основаны на едином принципе, в котором основным параметром является скорость звука в веществе.

На основании проведенного обзора сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе разрабатываются способы теоретического определения метательной способности взрывчатых веществ (ВВ). Показано, что для гидродинамического метода определения скорости метания необходимым является знание динамических адиабат продуктов детонации (ПД) заряда взрывчатого вещества и ударных адиабат метаемых пластин. Для прогнозирования динамических адиабат ПД требуется определение параметров детонации ВВ. По результатам анализа известных экспресс-методик сделан выбор направлений разработки для новых методов расчёта скорости метания, а также сформулированы научные нрипципы разработки методов расчётной оценки основных свойств ВВ и металлов. Анализ 10 экспресс-методик показал, что для расчета параметров детонации ВВ оптимально использовать выражения: для скорости детонации О:

О = уС0 ^ + 7,$5^^-р0<2т{\-()д), м/с (1)

для массовой скорости продуктов детонации 11:

II--

txk +1,65

PoQm( 1-РдЪ M/C

(2)

где С0 - объёмная скорость звука во взрывчатом веществе, м/с; р - плотность заряда, г/см3; ро - предельная плотность. t/cmj; «k — кислородный коэффиииент; Qm - максимальная теплота взрыва, Дж/кг; /?д - массовая доля добавки.

Для вычисления объёмной скорости звука во ВВ, значение которой входит в выражение (1), проведён анализ методов расчёта объёмной скорости звука в органических веществах. В качестве оптимального способа расчёта выбран метод Pao. который применяется как для твёрдых, так и для жидких органических веществ и имеет наиболее близкое совпадение данных расчёта и эксперимента

где Ra - инкремент химической связи данного вида; р~ плотность, t/cmj; Мм — молекулярная масса вещества, по которому распространяется звуковая волна.

Эксперименты показывают, что для различных матери&тов зависимость между скоростью фронта и скоростью вещества за фронтом является линейной и форма задания ударной адиабаты в D-{/-координатах, в которых кривая может быть приближённо аппроксимирована линейной функцией:

D=a+W (4)

где D - скорость ударной волны; U — массовая скорость; а и А - эмпирические коэффициенты, причём константа а численно равна объёмной скорости звука Со-

Следует также отметить, что объемная и продольная скорости звука являются чувствительным индикатором для фазового состояния ударно сжатых веществ. Знание скоростей звука в материалах требуется также для правильной постановки динамических экспериментов в условиях, которые позволяют исключать влияние волн раз]рузки.

Для определения значений эмпирических коэффициентов а и л уравнения ударной адиабаты D-a+XU нами разработано «Правило симметричного окружения», применяемое для периодического закона Д.И. Менделеева. Расчёт коэффициента для элемента проводится по выражению:

1 8

У - -- Y У

8/=i

где Y— эмпирический коэффициент ударной адиабаты (4).

На рис. 1 представлен пример схемы определения коэффициента Я в уравнении ударной адиабаты по «правилу ближайшего окружения».

_ Л> + К'о + + Ау + + Лг + ХМа

Л/й - ---

Рис. 1. Схема расчета коэффициента к по «правилу симметричного окружения» на примере элемента №45 №.

Разработанный способ определения скорости звука в металлах, а также обосно-анно отобранные методы вычисления параметров детонации и скорости звука для ВВ, егли в основу определения метательной способности ВВ, а также нахождению ударных диабат для металлов и сплавов.

При разработке теоретического метода оценки метательной способности ин-,ивидуальных ВВ по методике Т-20 предполагалось, что кинетическая энергия уско-1яемого тела пропорциональна объёмному энергосодержанию ВВ. Известно, что ско-ость разлёта оболочки должна зависеть от динамических характеристик ВВ и массовой корости ПД, т.е. скорости звука в том или ином виде, в соотношениях, определяющих войства метаемой оболочки а/л, а также коэффициента нагрузки ß в соотношении '-тш1т0ь (где тт- масса ВВ; т„6 - масса оболочки, приходящаяся на 1 см3 заряда ВВ).

Для разработки метода оценки скорости расширения оболочки был использован 1ассив данных, состоящий из 25 ВВ. Нами предлагается выражение по определению корости расширения цилиндрической оболочки:

¡V Сщ±Е,ьь'с (6)

C>1 2,(t + ß

где Свв - скорость звука во ВВ, определяемая по методу Pao (3); U - массовая скорость ПД, определяемая по выражению (2); ß - коэффициент нагрузки; значение 2,6 численно связано с коэффициентами а и Я уравнения ударной адиабаты (4) для Си (р=8,93 г/см3), т.е. а/Я = 3,915/1,495 =2,6.

В табл. 1 представлены результаты вычисления lVcy¡ и экспериментальные данные, описанные в литературе, а также приведены средние значения для двух методик. Для уменьшения процента абсолютной ошибки был использован метод усреднения расчётных значений полученных по:

1) интерполяционному уравнению A.C. Смирнова:

Wt-2o = 20.50p*4" -Qs0JSS -Nr0-245,SBß"'iy W (7)

где í('T-2o - скорость движения оболочки, м/с; р, - плотность заряда ВВ, г/см3; Q„ - теплота взрыва (калориметрическая), ккал/кг; Мг - число молей газообразных продуктов взрыва, моль/кг; ßm -- коэффициент нагрузки; Ar — R-R0, мм (R, R0- текущий и начальный радиусы расширяющейся трубки). Коэффициент множественной корреляции R=0,986, среднеквадратическая ошибка Д=±52 м/с (±3,29%);

2) разработанному приближённому методу определения скорости расширения цилиндрической оболочки IVCу1.

Таблица 1

Экспериментальные и расчётные данные скорости расширения медной ци-

№ п/п ВВ Рз, г/см Скорость, м/с % ош.

эксп. расч. wt-20 расч. w Усреднение

/ 2 3 4 5 6 7 8

1. Октоген 1,73 1590 1598 1610 1604 +0,9

2. Октоген 1,81 1650 1722 1661 1691 +2,5

3. Октоген 1,91 1783 1812 1716 1764 -1,1

4. ТНТ 1,63 1180 1270 1182 1226 +3,9

5. ТНТ 1,66 1230 1287 1231 1259 +2,3

6. CL-20 2,04 2005 2120 2040 2080 +3,7

/ 2 5 4 5 6 7 8

7. Бензотрифуроксан 1,80 1580 1673 1527 1600 +1,3

8. Гексоген 1,80 1573 1611 1536 1574 +0,1

9. Тринитроэтиловый эфир три-нитромасляной кислоты 1,78 1510 1545 1454 1499 -1,7

10. Бис(тринитроэтил)нитрамин 1,90 1570 1623 1492 1557 -0,8

11. ТАТБ 1,80 1290 1330 1346 1338 +3,7

12. Тетрил 1,70 1305 1394 1344 1369 +4,9

13. Гексанитростильбен 1,65 1240 1320 1227 1273 +2,7

14. Гексанитробензол 1,78 1703 1610 1627 1618 -4,9

15. Пентаэритритгетранитрат 1,76 1560 1585 1492 1538 -1,4

16. Пенгаэритритгетранитрат 1,77 1567 1593 1504 1548 -1,2

17. М,М-бис(тринитроэтил)-этилендинитроамин 1,70 1590 1682 1511 1596 +0,4

18. Диэтанолнитраминдинитрат 1,67 1418 1470 1481 1475 +4,0

19. Бис(шгграмшюметил)нитрамт1 1,69 1485 1530 1509 1519 +2,2

20. Бис(нитрамшюметил)нитрамин 1,85 1675 1717 1610 1663 -0,7

21. Бис(нитраминометил)нитрамин 1,89 1783 1760 1699 1729 -3,1

22. М,М'-динитропиперазин 1,63 1292 1280 1373 1326 +2,7

23. 5-оксо-3-нитро-1,2,4-триазол 1,85 1330 1401 1262 1331 +0,1

24. Нитрометан 1,14 1092 1081 1016 1048 -4,0

25. Метилнитраг 1,21 1133 1217 1074 1145 +1,1

Среднеквадратическая ошибка для 25 ВВ по уравнению (6) составляет 3,56%. Способ усреднения приводит к уменьшению процента ошибки, при этом среднеквадратическая ошибка составила 2,55%. Таким образом, усреднение результатов расчёта по двум методикам увеличивает достоверность прогнозирования скорости метания.

При разработке методики расчёта относительной метательной способности взрывчатых веществ при торцевом метании по методи дель «активной массы» ВВ. Нами предложен метод эквивалентных масс, в котором энергетика ВВ, участвующего в разгоне пластины, сопоставляется с метаемым элементом в соотношении 1:1 (см. Рис. 2). В качестве критерия принимается эквивалентное взаимодействие ВВ с метаемым элементом.

Известно, что при постоянной высоте ВВ к её энергия Е, участвующая в метании, определяется соотношением:

Е = ти2, (8)

где и - массовая скорость продуктов детонации; т - активная масса ВВ.

С учётом бокового и осевого разлёта ВВ активная масса, участвующая в разгоне пластины, будет занимать объём конуса с радиусом основания г и высотой А:

М-60 использовалась мо-

"•активная* метаемая

Рис. 2. Схема методики эквивалентных масс

т = -

(9)

где р0 - плотность заряда ВВ.

Подставив (9) в (8) получим

Е = \ш-3Рйи\ (10)

При этом метаемая пластина радиуса г с толщиной /гпл, получившая энергию

E^-^fl, (11)

имеет массу:

"в^2^ Аи> О2)

где рпл - плотность метаемой пластины. Тогда выражение (11) принимает следующий вид:

Em = "'2hm?uW2 • 03)

Приравнивая Е и £пл и учитывая, что т=т„„, получим что скорость метания при эквивалентных массах заряда и пластины определяется из выражения:

V 3 КпРпл

Проведённые расчёты по уравнению (14) показывают, что в случае эквивалентности масс пластины и заряда ВВ при торцевом метании справедливо следующее выражение:

Гжв = 1,41 U. (15)

В случае неэквивалентного метания, то есть когда масса пластины будет больше или меньше массы заряда, скорость метания соответственно изменится. Данный метод может быть предложен как наиболее удобный и обобщённый.

По методу эквивалентных масс рассчитана относительная метательная способность некоторых ВВ и сопоставлена с экспериментальными данными торцевого метания. В табл. 2 представлены расчётные и экспериментальные данные относительной скорости метания медной пластины по методике М-60 относительно октогена. Расчётные данные скорости метания пластины были получены с использованием следующих полуэмпирических моделей:

1) интерполяционное уравнение для определения скорости метания пластины, полученное Смирновым A.C. и др. при помощи регрессионного анализа массива экспериментальных данных:

^,6„=1,23-А0'871-а°'432-А'г0'230 , % (16)

где //м-бо - эффективность метательного действия но методике М-60 относительно октогена; р3 - плотность заряда, г/см3; QK - теплота взрыва (калориметрическая), ккал/кг; N, -число молей газообразных продуктов взрыва, моль/кг. Коэффициент множественной корреляции R=0,990, среднсквадратическая ошибка Д=±0,5 (±2,65%).

2) гидродинамический метод обобщённых ударных адиабат для определения скорости метания пластины ¡Угд, основанный на объёмной скорости звука;

3) метод эквивалентных масс IV-,tB, разработанный по модели детонационной оптики.

Таблица 2

Расчетные и экспериментальные данные относительной скорости метания по ме-___тодике М-60_

№ п/п ВВ Цм-бо, % и'гд, % "оке, % эксп., % Усреднение % % ош.

1 Охтоген 100 100 100 100 100 -

2 Гексоген 94,3 96,2 97,4 97,0 95,9 +1,2

3 ТНТ 74,8 74,3 79,9 76,0 76,3 +0,4

4 Бис-(фтордюштроэтил)ниграмин 94,7 95,1 101,2 93,7 97,0 +3,5

5 Бис-(хлординитроэтил)1штрамин 91,3 92,4 96,8 90,3 93,5 +3,5

6 1,4-дш1итрогашеразин 78,3 75,9 77,7 77,2 77,3 +0,1

7 2',2',2'-тринитроэтил-4,4,4-тршмтробугират 95,3 95,4 102,5 95,3 97,7 +2,5

8 Бис-(тринитроэтил)формаль 89,5 89,1 95,0 87,7 91,2 +3,9

9 ТЭН 95,2 92,0 101,4 93,7 96,2 +2,6

10 ГНБ 105,8 110,3 118,7 109,7 111,6 +1,7

11 ТНБ 79,5 80,0 85,4 79,4 81,6 +2,7

12 ТАТБ 83,4 80,8 79,2 82,5 81,1 -1,7

13 Тетрил 85,8 88,2 90,2 85,7 88,0 +2,7

14 Гексанитростильбен 76,0 80,5 84,5 79,0 80,3 +1,6

15 3,3'-динитро-4,4'-азоксифуразан 102,6 103,7 105,4 101,7 103,9 +2,2

16 Бензотрифуроксан 102,7 101,1 104,1 101,5 102,6 +1,1

17 3,4-бис(4-шгтрофуразанил-3)-фуроксан 92,9 105,4 102,1 100,8 100,1 +5,3

18 Нитроглицерин 100,0 82,1 83,1 76,0 102,5 +1,2

19 7-амино-4,б-динигробензофуроксан 88,8 85,9 89,6 88,2 88,1 -0,2

20 Г\[,М-бис(тришпроэтил)-этилендинитроамин 96,6 103,4 105,7 97,8 101,9 +4,2

21 Бис-(2,2,2-тринитроэтил)нитрамин 95,5 99,5 103,4 95,4 99,5 +4,3

Среднеквадратическая ошибка по гидродинамическому методу: 2,75%; средне-квадратическая ошибка по методу эквивалентных масс: 3,33%.

Для уменьшения процента ошибки был использован метод усреднения расчётных значений по значениям трёх методик, что позволило уменьшить среднеквадратическую ошибку до 1,69%. Таким образом, усреднение результатов расчёта по трём методикам увеличивает достоверность прогнозирования скорости метания пластины.

В третьей главе исследуется определение влияния материала пластины на параметры торцевого метания. В этом плане параметры соударения метаемого элемента с преградой определяется ударной адиабатой соударяющихся тел. Одним из вопросов разработки систем кинетического оружия является разработка ударника и определении

его свойств. Это также актуально для зарядов взрывного бурения, ударных возбудителей сейсмоситала и кумулятивных перфораторов. В настоящее время наиболее изученным в качестве ударников являются медь (ударные ядра), сталь и вольфрам (бронебойные и подкалиберные снаряды). Характеристики же сплавов, в качестве ударников, изучены неполно, хотя многие, особенно на основе с!-металлов, являются наиболее перспективными в этом плане.

Для определения скорости торцевого метания пластины по динамическим адиабатам метаемых элементов и дальнейшего сравнения результатов расчёта с экспериментальными данными нами проведён и обоснован выбор метаемого материала. Наиболее часто в качестве облицовки для СФЗ используется медь, а ближайшими к меди аналогом по физико-механическим свойствам является семейство сплавов латуни. Благодаря высоким технологическим и механическим свойствам латуни являются самыми распространёнными и дешёвыми из медных сплавов. Проведённый нами анализ свойств двойных латуней показывает, что для исследования следует рассматривать сплавы с содержанием цинка менее 25%. Для определения ударных адиабат гадродинамическим методом в качестве объекта исследования выбрана латунь Л75 и её компоненты медь и цинк. В табл. 3 приведены расчётные значения латуни Л75 и её компонентов.

Нами предложен алгоритм расчёта скорости метания пластины гидродинамическим методом, который осуществляется в следующей последовательности:

1. Расчёт параметров детонации по экспресс-методике (1), (2);

2. Построение динамической адиабаты с использованием политропы Ландау-Станюковича Р=Ар" для продуктов взрыва;

3. Построение динамической адиабаты метаемого элемента;

4. Нахождение параметров входящей ударной волны;

5. Нахождение скорости метаемого элемента \У=211.

Таблица 3

Характеристики металлов___

Металл Плотность р, г/см3 Коэффициент ударной адиабаты Л Объемная скорость звука С0, м/с Массовая доля а

Zn 7,14 1,45 3300 0,235

Си 8,90 1,49 3980 0.765

Cu+Zn 8,63 1,51 3725 -

При определении скорости торцевого метания пластины по динамическим адиабатам метаемых элементов нами показано влияние материала пластины на параметры метания. Расчётная и экспериментальная ударные адиабаты для латуни Л75 и её компонентов в D-U координатах приведены на рис. 2.

Как видно из рис. 3 имеет место близость хода экспериментальной и полученной ударных адиабат латуни, с использованием расчётных значений объёмной скорости звука и коэффициента X, полученных методом «правила симметричного окружения» и практически полного их совпадения в диапазоне массовых скоростей от 700 м/с до 1600 м/с. Именно в этом диапазоне лежат массовые скорости материала пластины, которые для меди при её нагружении зарядом A-IX-1 составляет 955 м/с, а для латуни 987 м/с, а при нафужении данных облицовок зарядом ТГ50/50 - 730 м/с и 763 м/с соответственно. Соответственно, кинетический модуль для единицы массы на -4,0% выше при метании облицовки из латуни в случае A-IX-1, и на =8,0% в случае метания зарядом ТГ50/50.

7000 6500 6000 5500

я 5000

4500 4000 3500 3000

Рис. 3. Ударные адиабаты. 1 - экспериментальная ударная адиабата меди; 2 - экспериментальная ударная адиабата цинка; 3 - экспериментальная адиабата латуни Л75; 4 — расчётная адиабата латуни Л75.

В третьей главе также описывается методика и проводится экспериментальное определение способов регистрации взаимодействий между ВВ и метаемой пластиной электромагнитным методом при торцевом метании. Усовершенствованный метод отличается от экспериментального измерения массовой скорости продуктов детонации, предложенным Шведовым К.К., тем, что в данном случае на торец метаемой пластины устанавливаются стальные иглы с базовым сечением 5 мм. Схема опыта приведена на

В опытах использовались заряды ВВ диаметром 20 мм и длиной 100 мм, которые устанавливались на монтажной плате. Детонация инициировалась плосковолновым генератором. Заряд компоновался из двух таблеток прессованного порошка ВВ. В качестве зарядов ВВ применялись: прессованные заряды А-1Х-1 и состав ТГ50/50. Шашки ВВ изготавливались методом двухстороннего прессования для равномерного распределения плотности. В табл. 4 приведены характеристики используемых зарядов. В эксперименте использовались медные и латунные пластины, которые крепились на торец заряда ВВ. Характеристики метаемых пластин приведены в табл. 5.

Таблица 4

Характеристики зарядов_____

^^^(арактеристика Заряд Плотность, г/'см3 Скорость детонации, м/с Теплота взрыва, кДж/кг Давление в точке Чепмена-Жуге, ГПа

А-1Х-1 1,67 8380 5518 32,4

ТГ50/50 1,65 7560 4765 25,1

рис. 4.

к осциллографу

2 3 4

Рис. 4. Схема экспериментальной сборки для

определения скорости торцевого метания: 1 - электродетонатор; 2 - плосковолновой генератор; 3 - заряд ВВ; 4 — метаемая пластина; 5 - игольчатые датчики.__

Монтажная плата размещалась в однородном поле постоянного магнита с напряженностью 337-342 эрстед, которое создавалось электромагнитами поперечного сечения 320x320 мм. Напряженность контролировалась в каждой серии опытов.

Таблица 5

~~ ОСапактеристика Металл Плотность, г/см3 Масса, г Толщина, мм Диаметр, мм

Медь Ml 8,90 9,79 3,5 20

Латунь J175 8,63 9,48 3,5 20

Из таблицы видно, что толщина метаемых пластин составляла 3,5 мм, что обеспечивает затухание химпика в материале пластины.

При взрыве баратоловой линзы диаметром 20 мм в основном заряде, состоящем из двух таблеток ВВ толщиной 40 мм, инициировалась детонационная волна с плоским фронтом. К метаемому элементу вплотную устанавливались два игольчатых датчика диаметром 1 мм и длиной 50 мм. Расстояние между датчиками составляло 5 мм. При движении метаемая пластина с игольчатыми датчиками пересекает магнитные силовые линии, при этом генерируется ЭДС, которая фиксировалась на цифровом осциллографе. База, на которой проводилось измерение, равна длине игольчатых датчиков и составляет 50 мм.

Во всех проведённых экспериментах чётко фиксировались три ударно-волновых взаимодействия ПД с пластиной. На рис. 5 представлены примеры осциллограмм экспериментов.

0,4 | 0.3 0.2 0,1 0.0

0.5 0.4-I 0,3

ММФЛу\J

VMS

Рис. 5. Осциллограммы скорости торцевого метания продуктами взрыва заряда A-IX-1 при метании: слева) медной пластины Ml; справа) латунной пластины Л75.

На рис. 6 приведена схема типичной осциллограммы многократного разгона металлической пластины в зависимости скорости метания IV от времени /. Скорость метаемых пластин рассчитывалась из соотношения

Г = —• 10~8, см/с, (17)

1Н

где с - величина наведенной ЭДС, В; II - напряжённость магнитного поля, Э; / - длина датчика, см.

Рис. 6. Схема типичной осциллограммы трёхкратного взаимодействия ПД с метаемой пластиной

Экспериментальные значения скорости метания пластин продуктами детонации приведены в табл. 6.

Таблица 6

Экспериментальные значения скорости метания пластин

№ эксп. ВВ Материал пластины 1-й импульс IV,, м/с 2-ой импульс W2, м/с 3-й импульс Гз,м/с W-JW\ wzm\

1. Медь (М1) 1930 2398 2567 1,242 1,330

2. Медь (М1) 1901 2357 2544 1,239 1,338

3. Медь (М1) 1912 2368 2561 1,238 1,339

4. A-IX-1 Медь (М1) 1895 2345 2526 1,237 1,333

5. Латунь (Л75) 2041 2532 2737 1,240 1,341

6. Латунь (Л75) 2064 2550 2737 1,235 1,326

7. Латунь (Л75) 2070 2561 2749 1,237 1,328

8. Латунь (Л75) 2053 2544 2743 1,239 1,336

9. Медь (М1) 1444 1795 1912 1,243 1,324

10. Медь (М1) 1450 1795 1930 1,237 1,331

11. Медь (М1) 1439 1784 1918 1,239 1,333

12. ТГ Медь (М1) 1450 1801 1942 1,242 1,339

13. 50/50 Латунь (Л75) 1544 1918 2058 1,242 1,333

14. Латунь (Л75) 1532 1912 2035 1,248 1,328

15. Латунь (Л75) 1526 1889 2018 1,238 1,322

16. Латунь (Л75) 1538 1901 2041 1,236 1,327

Как видно из табл. 6 во всех случаях имеет место доразгон метаемых пластин при их трёхкратном нагружении. В случае увеличения диаметра заряда ВВ число взаимодействий, вероятно, будет больше, однако вклад в энергетику пластины будет минимальным.

В табл. 7 приведено сравнение полученных нами экспериментальных данных скорости метания зарядом ТГ50/50 меди М1 с экспериментальными данными Lefrancois Л. (Lefrancois A., Baudin G., Bouinot Р.), полученными при помощи лазерного интерферометра VISAR.

Таблица 7

Сравнение экспериментальных значений скоростей метания медных пластин за-

рядом ТГ50/50

ВВ 1-ый импульс Wu м/с 2-ой импульс W2, м/с 3-й импульс W3, м/с

Экспериментальные данные ТГ50/50 1446 1794 1925

Экспериментальные данные ТГ50/50 Lefrancois А. 1500 1S60 2010

Ошибка м/с -54 -66 -85

% 3,6 3,6 4,2

Как видно из табл. 7 значения импульсов зафиксированных при помощи осциллографа имеют удовлетворительную сходимость с импульсами, зафиксированными лазерным интерферометром.

При многократном ударно-волновом нагружении медные и латунные пластины доразгоняются во втором импульсе примерно на 24%, в третьем - на 8%. При этом средний доразгон пластин составляет =33% от скорости метания в первом импульсе.

Эти данные, наряду с измерением скорости ударной волны, позволяют определить всю картину нагружения среды. Данный метод представляется целесообразным использовать для оценочных практических расчётов скорости торцевого метания пластины, при этом можно использовать значение равные приблизительно 2,66 II от массовой скорости выходящей па свободную поверхность ударной волны. Метод не накладывает ограничений на размеры заряда ВВ, используемого для создания в материале ударной волны. Погрешность измерений определяется точностью измерения геометрических размеров метаемой пластины и ВВ, а также взаимного расположения источников постоянного магнитного поля и игольчатых датчиков.

Оптимальными методами теоретического прогнозирования характеристик метания следует считать, как было отмечено выше, регрессионный анализ массива экспериментальных данных, метод детонационной оптики и гидродинамический метод оценки, последний является наиболее важным, но с физической точки зрения наиболее адекватным, хотя и требует знания целого ряда параметров ВВ и метаемых элементов.

Интенсивные поисковые работы последних десятилетий привели к синтезу и исследованию свойств большого числа новых классов энергетических соединений, обладающих чрезвычайно разнообразным и весьма различающимся строением в очень широком диапазоне энергетических, взрывчатых и физико-химических свойств. Одним из таких классов соединений являются производные 1,3,5-триазинов. Поэтому представляется целесообразным применить разработанные нами методы определения скорости метания элемента (15) и разлёта оеесимметричной оболочки (6) на классе производных 1,3,5-триазинов.

В четвёртой главе проведено определение влияния ВВ ряда 1,3,5-триазинов на параметры торцевого метания. Осуществлена расчётная оценка свойств производных 1,3,5-триазинов. Оценка перспективности ВВ заключается в проведении комплекса исследований, по результатам которых возможно прогнозирование поведения взрывного изделия при различных видах воздействий.

Оценка взрывчатых характеристик производных 1,3.5-триазинов показала, что эти вещества имею! перспективы для использования во взрывчатых составах. Структурные формулы производных 1,3,5-триазинов приведены на рис. 6.

осп/ль'ол 'О! (м02),С^,ч^"-0п12с(ж)2ь 1 2.4-ди(тринитроэтокси)-6-тринитрометил-1,3,5-триазина си02)3сн2со'^$^осн2с(ко2), II 2,4,6-трис-(триштгроэтокси)-1,3,5-триазин оснгсютл нг^м^оснгсочог), III 2-азид-4,6-бис(трилитро-этокси)-1,3,5 -гриазин

осн2с(ш2), Хд. н,со м^сствджу., VI 2-метгссси-4,6-бис-(тринитроэтокси)-1,3,5-триазин огн^с^оз), юх ягчл| освой;], V 2-амин-4,6-бис(тринитро-этокси)-1,3,5-триазин оснгссмог), 1- м' х>с112с(к02), VI 2-фтор-4,6-бис(тринигро-этокси)-! ,3,5-триазин

Рис. 6. Структурные формух'ы производных 1,3,5-триазинов

Экспериментальные и расчётные характеристики производных 1,3,5-триазинов приведены в табл. 8.

Таблица 8

Экспериментальные и расчётные характеристики __производных 1,3,5-триазннов_____

~~ ------ Вещество Характеристика ~~---- I П 1П IV V VI

<Л 1,111 1,000 0,875 0,769 0,824 0,903

p¡, г/см3 1,86 1,84 1,80 1,74 1,82 1,80

Тпл, k. 442 (с разл.) 414 (с разл.) 389 332 389 385

Со, м/с 1685 1703 1596 1664 1694 1573

Qm, КДЖ/КГ 4376 5625 5637_ 5537 5247 4741

Di.s,ufc 7840 8410 8340 8200 8070 7890

U, м/с 2065 2278 2201 2099 2114 2030

бдат.ю, кДж/кГ 4264 5189 4844 4406 4469 4121

Р, ГПа 30,7 32,9 29,8 26,8 28,6 25,8

N 2,53 2,45 2,42 2,50 2,51 2,48

Как видно из табл. 8 вещества I-V1 все рассмотренные ВВ имеют плотность в пределах 1,74-1,86 г/см3 и различный кислородный коэффициент ак от 0,77 до 1,11 и имеют различные при этом температуры плавления Тпл Вещество IV имеет низкую 7^=59°С и в принципе перспективен как плавкий взрывчатый компонент, а образец I перспективен в плане взрывчатого окислителя.

Скорость звука в I-VI близки между собой и лежат в пределах от 1573 до 1703 м/с. По этому показателю они не относятся к классу динамиков. Максимальная теплота взрывчатого превращения Qm лежит в пределах 4376-5637 кДж/кг, а детонационная теплота взрыва бдегвз, определяющаяся квадратом массовой скорости, имеет пределы 41215189 кДж/кг.

Производные 1,3,5-триазинов представляют из себя интересные ВВ, которые имеют достаточно высокую массовую скорость и низкую скорость звука, поэтому представляется интересным определить скорости метания данных веществ по разработанным в диссертации методикам и статистическому методу Смирнова A.C.

В табл. 9 приведены результаты расчётов:

- относительной скорости метания пластины по методу эквивалентных масс с использованием уравнения (15);

- относительной скорости торцевого метания т/М-бо по интерполяционному уравнению Смирнова A.C. (16);

- скорости расширения цилиндрической оболочки lVí7l по формуле (6);

- скорости расширения цилиндрической оболочки по интерполяционному уравнению Смирнова A.C. WT.2о по уравнению (7).

Таблица 9

Расчётные значения скоростей метания меди по методикам М-60 и Т-20 производ-

ными 1,3,5-триазнна

Производное 1.3,5-триазина I II III IV V VI

W,% по отношению к октогену 93,6 102,5 97.9 91,8 94,5 90,3

г/м-60, % по отношению к октогену 91,5 98,5 93,1 89,4 94,9 88,5

W,evi, м/с 1410 1497 1427 1389 1432 1355

ÍVt-20, м/с 1496 1606 1534 1478 1564 1455

Как видно из табл. 9 наиболее перспективным является вещество II и, вероятно, III, а в плане окислителя вещество I. Вероятно, комбинация взрывчатой смеси из III и V

превзойдёт по метательной способности II, так как скорость звука в системе будет меньше, чем во II. Таким образом, данные вещества могут найти применение, например, в качестве облицовок для снарядоформирующих зарядов.

В табл. 10 приведены параметры относительной метательной способности данных ВВ и скорости расширения цилиндрической оболочки из латуни Л75.

Таблица 10

Расчётные значения скоростей метания латуни JI75 по методикам М-60 н T-2Q производными 1,3,5-трназина_

Производное 1,3,5-триазина

fV3„, % но отношению к октогену

W~„\, м/с_

93,6 1524

102,5 1618

III

97,9 1543

91,8 1500

94,5 1548

90,3 1465

Как видно из табл. 10 при нагружении латуни Л75 зарядами производных 1,3,5-триазинов наблюдается увеличение расчётной скорости расширения цилиндрической облицовки на 8%.

Таким образом, разработанный экспресс-мстод оцеики эффективности действия вполне применим для металлов, которые могут быть использованы в качестве метаемых элементов типа ударное ядро, и даёт возможность определить наиболее оптимальный материал, хотя и требует экспериментальной проверки.

ВЫВОДЫ:

1. С целью разработки практических и теоретических способов определения метательной способности проведён критический анализ существующих методов определения параметров метания пластин продуктами детонации. Показано, что существующие практические методы определения скорости торцевого метания обладают существенным недостатком - методы не регистрируют динамику разгона пластины, а из имеющихся теоретических методов определения относительной метательной способности наиболее применимыми являются регрессионный анализ, метод детонационной оптики и гидродинамический метод. Последние два метода не разработаны досконально.

2. Разработан принцип расчёта скорости метания гидродинамическим методом, включая оценку параметров детонации ВВ на основе прогнозирования скорости звука в зарядах ВВ и в материале метаемой пластины. Показано, что наиболее приемлемой является методика расчёта параметров детонации с использованием скорости звука ВВ, так как позволяет рассчитать массовую скорость с максимально возможной точностью.

3. Зарегистрировано трёхкратное ударно-волновое взаимодействие продуктов детонации с метаемым элементом и определены процентные вклады каждого взаимодействия продуктов детонации с пластиной, которые составляют около 24% во втором импульсе и =10% в третьем. На основании разработанной методики определения доразгона пластины при торцевом метании экспериментально определены скорости медной и латунной пластин при многократном на1ружении их продуктами детонации. Показано, что кроме параметров ВВ на эффективность действия влияет материал ударника. В частности, использование ударника из латуни Л75 позволяет увеличить импульс на 4-8% по сравнению с медью М1.

4. Усовершенствован способ прогнозирования физических и динамических характеристик металлических элементов на основе периодического закона Д.И. Менделеева. Разработана экспресс-методика определения смесевых динамических адиабат сплавов, которая даст возможность определить наиболее оптимальный состав компонентов для реализации максимальной эффективности метательного действия;

5. Предложены методики расчёта относительной скорости торцевого метания гидродинамическим методом и методом детонационной оптики, а так же приближённый метод определения скорости расширения цилиндрической облицовки Т-20. Разработаны теоретические методы прогнозирования скоростей метания по методам Т-20 и торцевого метания М-60;

6. Проведено сравнение предложенных методик расчёта скоростей метания с известными интерполяционными уравнениями Смирнова A.C.. Показано, что предложенные методы расчёта метательного действия имеют равную точность с методом Смирнова A.C., а усреднение результатов теоретического прогнозирования скорости метания, полученных по разным методикам, снижает среднеквадратическую ошибку в среднем на 1,5%.

7. На основе разработанных методик произведён расчёт параметров детонации и скоростей метания по методикам Т-20 и М-60 для ряда перспективных взрывчатых веществ производных 1,3,5-триазинов. Показано, что вещества обладают хорошей метательной способностью, а 2,4,6-трис-(тринитроэтокси)-1,3,5-триазин имеет скорость метания порядка октогена.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Реут И.И., Гидаспов A.A., Кривченко А.Л., Кожевников Е.А. Расчет детонационных характеристик и параметров метательной способности производных 1,3,5-триазипов // Вест. Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: Технические науки. 2011. №4 (32), С. 110114.

2. Реут И.И., Кривченко А.Л. Расчёт метательной способности взрывчатых веществ при цилиндрическом и торцевом метании металла // Вест. Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: Физ.-мат. науки. 2011. №4 (25), С. 173-177.

3. Реут И.И., Кривченко А.Л. О методе оценки латуни как материала для облицовки боеприпасов типа «ударное ядро» // Вест. Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: Физ.-мат. науки. 2011. №4 (25), С. 188-200.

Публикации в других гаданиях и материалах научно-технических конференций:

4. Гидаспов A.A., Ермаков С.Ю. Реут И.И. Замещение спиртами и фенолами тринитрометильной группы в тринитрометил-1,3,5-триазинах без применения в реакции оснований /У Тр. VII Всероссийской н.-т. конф. «Наука. Промышленность. Оборона». Новосибирск: НГТУ. 2006. С. 155-156.

5. Гидаспов A.A., Каемов С.А., Ермаков С.Ю., Реут И.И. Синтез 2-изопропокси-4-тринитроэтокси-6-тринитрометил-1,3,5-триазина // Тез. докл. XXXII Сам. обл. студ. н,-т. конф. памяти проф. Х.С. Хазанова. «Общественные, естественные и техн. науки». Самара: 2006. ч.1. С. 126.

6. Гидаспов A.A., Ермаков С.Ю., Реут И.И. Катализ солями тринитрометана замещения тринитрометильных групп спиртами и фенолами в тринитрометил-1,3,5-триазинах II Сб. науч. тр. «Успехи в химии и химической технологии». М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2007. т. XXI, №5. С. 9-11.

7. Кривченко А.Л., Кривченко Д.А., Реут И.И., Чуркин О.Ю. Расчёт ударных адиабат d-металлов и их сплавов с использованием периодического закона Д.И. Менделеева // Сб. тез. междунар. конф. «Ударные волны в конденсированных средах». СПб. 2008. С. 253-255.

8. Кривченко A.JI., Кривченко Д.А., Реут И.И., Чуркин О.Ю. О возможности расчёта динамических характеристик d-металлов и их сплавов // Сб. тез. докл. междунар. конф. «XI Харитоновские тематические научные чтения». Саров. 2009. С. 229-230.

9. Кривченко А.Л. Гидаспов A.A. Реут И.И., Заломленков Б.А.О способе прогнозирования характеристик производных 1,3,5-триазинов // Сб.тез.межд.конф.«81юск waves in condensed matter».Novgorod.2010.C.55-57

10. Реут И.И., Бертяев Б.И. Об одном феноменологическом подходе к расчёту кинетической энергии ядра атома в кристаллах с ОЦК и ГЦК решётками // Сб. тез. междунар. конф. «Shock waves in condensed matten). Novgorod. 2010. С. 308-310.

11. Кривченко А.Л., Кривченко Д.А., Реут И.И., Чуркин О.Ю. Определение параметров детонации в гомогенных и гетерогенных системах // Сб. тез. докл. междунар. конф. «XIII Харитоновские тематические научные чтения». Саров. 2011. С. 70-72.

12. Кривченко A.JL, Гидаспов A.A., Реут И.И., Заломленков В.А. Метод расчёта параметров торцевого метания пластин из различных материалов // Сб. тез. докл. междунар. конф. «XIII Харитоновские тематические научные чтения». Саров. 2011. С. 255257.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.01 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол №5 от «20» марта 2012 г.)

Заказ №314. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе. ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Реут, Игорь Игоревич, Самара

61 12-5/3546

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

На правах рукописи

Реут Игорь Игоревич

Специальность 01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, доцент А.Л. Кривченко

Самара - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ_4

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ_П

ГЛАВА 1. СПОСОБЫ ОПРЕДЕЛНИЯ МЕТАТЕЛЬНОЙ

СПОСОБНОСТИ ЗАРЯДА ВЗРЬЮЧАТОГО ВЕЩЕСТВА_14

1.1. Практические методы определения относительной метательной способности_15

1.1.1. Методика определение скорости метания пластины продуктами взрыва_15

1.1.2. Методика определения скорости расширения медной цилиндрической оболочки под действием продуктов детонации_18

1.1.3. Электромагнитный метод определения параметров детонации 22

1.2. Теоретические методы определения относительной метательной способности_24

1.2.1. Регрессионный анализ массива экспериментальных данных_23

1.2.2. Метод на основе модели детонационной оптики_26

1.2.3. Гидродинамический метод оценки_27

1.3. Определение оптимальной толщины метаемого элемента_34

1.4. Выводы по главе 1_40

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО

ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ_41

2.1. Оценка методов расчёта детонационных параметров_41

2.2. Выбор метода расчёта скорости звука метаемого элемента

и взрывчатого вещества_50

2.3. Аддитивность свойств элементов таблицы Д.И. Менделеева_59

2.3.1. Приближённый метод вычисления некоторых характеристик химических элементов_59

2.3.2. Вычисление динамических свойств химических элементов

для описания ударных адиабат металлов_64

2.4. Разработка методики расчёта скорости расширения медной цилиндрической оболочки_67

2.5. Разработка методики расчёта относительной метательной способности взрывчатых веществ при торцевом метании_72

2.6. Выводы по главе 2_78

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ МАТЕРИАЛА ПЛАСТИНЫ

НА ПАРАМЕТРЫ ТОРЦЕВОГО МЕТАНИЯ_80

3.1. Выбор материала метаемого элемента_80

3.2. Определение скорости торцевого метания пластины

по динамическим адиабатам метаемых элементов_84

3.3. Экспериментальное определение скорости метания пластины электромагнитным методом_87

3.4. Обсуждение результатов_91

3.5. Выводы по главе 3_97

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

РЯДА 1,3,5-ТРИАЗИНОВ НА ПАРАМЕТРЫ ТОРЦЕВОГО МЕТАНИЯ_99

4.1. Прогнозирования параметров детонации

производных 1,3,5-триазинов_99

4.2. Прогнозирования метательной способности

производных 1,3,5-триазинов_102

4.3. Выводы по главе 4_104

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ_105

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ_107

Акты применения результатов_П8

ВВЕДЕНИЕ

Одним из видов такого оружия для поражения бронированных и сильноукреплённых целей являются снарядоформирующие заряды типа «ударное ядро». Совершенствование таких боеприпасов с целью повышении их эффективности действия напрямую связано с разработкой новых взрывчатых веществ (ВВ) и конструкций и подбором материала метаемого элемента. Именно метательная способность заряда ВВ является основным критерием действия боеприпаса. Долгое время считалось, что увеличение эффективности действия напрямую связано лишь с одним параметром - со скоростью детонации заряда ВВ, однако многие ВВ, обладая высокой скоростью детонации, не всегда отвечали максимальному метательному действию данных зарядов. В тоже время ограниченность ассортимента материалов облицовок, применяемых в данных боеприпасах, не позволяла предложить оптимальный материал для их изготовления с максимальной эффективностью действия.

Сложность экспериментов, связанных с высокой стоимостью разработки новых ВВ, не позволяют достаточно быстро решить проблему выбора оптимального состава и материала в качестве метаемого элемента. Для определения эффективности данного вида действия были разработаны практические методики для торцевого метания пластины (М-40, М-60) и расширения осесимметричной цилиндрической оболочки (Т-20, Т-40, Т-60), у которых в последствии выявились ряд недостатков, например, одноимпульсный эффект взаимодействия продуктов детонации с метаемым элементом, не позволяющий в полной мере определить эффективность действия метаемых элементов.

Синтез новых дорогостоящих ВВ, требует разработки предварительных методов определения эффективности действия этих веществ, с оценкой параметров детонации, а также динамических адиабат металлов метаемых облицовок. В этом плане необходимо связать известные характеристики ВВ и метаемых облицовок - детонационную и массовую скорости, скорость звука и характер взаимодействия продуктов детонации с метаемой пластиной. Поэтому

разработка теоретических методов позволит в кратчайшие сроки и с экономической целесообразностью решить данные проблемы.

Одним из путей решения является статистический метод расчёта необходимой характеристики ВВ с использованием регрессионного анализа значительного массива экспериментальных данных ВВ и взрывчатых соединений. Помимо такого метода решения, существуют и физические методы определения параметров метания, основанные на анализе ударно-волновых взаимодействий продуктов детонации с металлической пластиной и метода детонационной оптики. Однако недостатком данных методов явилось недостаточно точные прогнозы массовой скорости продуктов детонации, которой в принципе не уделялось достойного места, хотя появившиеся в последнее время методики практического определения данной характеристики и теоретического её прогнозирования известны.

Накопленный объем экспериментальных данных по основным параметрам ударного сжатия и детонации позволяет проводить расчетное моделирование различных процессов для широкого круга наиболее распространенных, а, возможно, и перспективных материалов. Расчёт параметров ударного сжатия конденсированных веществ затруднён из-за ненадёжности уравнения состояния, особенно при высоких давлениях и температуре, характерных для ударных волн. Поэтому основным путём получения информации о состоянии вещества в сильных ударных волнах является анализ ударных адиабат, полученных экспериментально в ходе динамического эксперимента, и методов их теоретического прогнозирования.

Актуальность темы

плане, так как, во-первых, неполно изучены их ударно-волновые свойства, а во-вторых, в данное время в термодинамике рассмотрены только полуэмпирические модели уравнения состояния металлов, что требует дополнительного проведения дорогостоящих экспериментов по определению динамических характеристик металлов и их сплавов. Однако именно в этой концепции возможно решение проблем разработки эффективных поражающих элементов кинетического оружия, зарядов взрывного бурения и кумулятивных перфораторов.

Для использования на практике эффектов динамического нагружения необходимо знать такие характеристики как скорость звука во ВВ и в метаемом материале, детонационные и массовые скорости и ряд других характеристик. Задачи разработки методов теоретического прогнозирования скоростей детонации и метания требуют комплексной диагностики ударно-волновых процессов при динамическом нагружении. Прогнозирование таких процессов является актуальной научной задачей. Исследование поведения металлических материалов при ударном сжатии имеют большое значение для решения задач по прогнозированию взрывных воздействий на различные материалы.

В работе также уделено внимание решению актуальной задачи по теоретическому исследованию параметров детонации и метательной способности некоторых перспективных ВВ на основе 1,3,5-триазинов.

Цель работы

1. Комплексное исследование взаимодействия продуктов детонации с метаемой пластиной;

2. Разработка методов экспериментального и теоретического прогнозирования метательной способности;

Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие основные задачи исследования:

1. Определение параметров взаимодействия продуктов детонации с метаемой пластиной и влияния динамических характеристик металла на параметры его нагружения;

2. Исследование аддитивных свойств (1-элементов таблицы Д.И. Менделеева с целью определения их динамических адиабат;

4. Определение детонационных и метательных свойств производных 1,3,5-триазина.

Методы исследования

В работе использован аппарат ударно-волнового взаимодействия продуктов детонации и нагружаемых материалов, теоретический расчёт параметров детонации, детонационной оптики.

Ударно-волновые импульсы меди и латуни, в условиях ударного нагружения, изучались с помощью электромагнитного метода регистрации скоростей метания исследуемых образцов в процессе ударного сжатия. Расчёт параметров исследуемых ВВ и металлов осуществлялся в рамках полуэмпирического подхода.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

- Впервые определены детонационные параметры ВВ ряда 1,3,5-триазинов и их возможная метательная способность.

- Разработан метод теоретического прогнозирования определения скоростей метания;

- Разработанные в работе методы приведут к снижению затрат на разработку боеприпасов с использованием перспективных взрывчатых веществ и оптимальных материалов облицовок для снарядоформирующих зарядов.

На защиту выносятся следующие положения:

- Разработка принципа расчёта скорости метания гидродинамическим методом;

- Разработка способа расчёта коэффициента X ударной адиабаты Б-а+Хи на основе аддитивных свойств элементов периодической системы Д.И. Менделеева для определения динамических адиабат с1-металлов и их сплавов;

- Способы расчёта параметров торцевого метания гидродинамическим методом и методом детонационной оптики, и скорости расширения

цилиндрической оболочки с использованием единой энергетической характеристики - массовой скорости;

- Результаты теоретического расчёта параметров детонации и скоростей метания для перспективных взрывчатых веществ производных 1,3,5-триазинов.

Достоверность научных результатов работы:

подтверждается совпадением результатов эксперимента с результатами теоретического прогнозирования по разным методикам и экспериментальным данным, а также выполненными оценками погрешностей измерений.

Апробация работы

Научные результаты работы апробированы на Международных, Всероссийских и Межвузовских научно-технических конференциях и симпозиумах: VII Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (2006 г.), г. Новосибирск; XXXII Самарской областной студенческой научно-технической конференции памяти профессора Х.С. Хазанова. «Общественные, естественные и техн. науки» (2006 г.), г. Самара; XVII Менделеевской конференции молодых учёных (2007 г.), г. Самара; Международной конференции «Ударные волны в конденсированных средах» (2008 г.), г. Санкт-Петербург; XI, XIII Харитоновских тематических научных чтениях - Международная конференция «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (2009 г., 2011 г.), г. Саров; I Международной научно-практической конференции «Наука и современность» (2010 г.), г. Новосибирск; Международной конференции «Ударные волны в конденсированных средах» (2010 г.), г. Великий Новгород; Московский семинар по физике взрыва (2011 г.), г. Дзержинск.

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 12 работ, докладов и тезисов конференций, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ.

Личный вклад соискателя заключается:

Структура и объем работы

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ Аббревиатура и сокращения технических и организационных терминов

ВВ - взрывчатое(ые) вещество (а); ВС - взрывчатый состав;

ГПУ - гексагональная плотно упакованная решётка; ГЦК - гранецентрированная кубическая решётка; КБ - кислородный баланс; КК - кислородный коэффициент;

Методики М-40, М-60 - методики измерения скорости торцевого метания

пластины и относительного импульса метательного действия;

Методики Т-20, Т-40, Т-60, Cylinder-test - методики определения скорости

осесимметричного метания цилиндрической оболочки; ОЦК - объёмноцентрированная кубическая решётка; ПВ - продукты взрыва; ПД - продукты детонации; СФЗ - снарядоформирующий заряд; ТГ - состав тротил-гексоген; УА - ударная адиабата; УВ - ударная волна; ЭДС - электродвижущая сила;

D-металлы, d-элементы - часть элементов периодической таблицы Д.И. Менделеева, в которую входят элементы от 3 до 12 группы.

Названия химических соединений, компонентов взрывчатых составов

A-IX-1 - флегматизированный гексоген;

ГНБ - гексанитробензол;

ТАТБ - 1,3,5-триамино-2,4,6-тринитробензол;

ТНТ - тротил; 2,4,6-тринитротолуол;

ТЭН - пентаэритриттетранитрат;

Характеристики взрывчатых веществ

цх - относительная метательная способность, %;

р - плотность заряда, г/см3;

/>о - плотность монокристалла, г/см3;

/>пор ~ плотность пористого вещества, г/см3;

/-длина, мм;

Н- напряжённость магнитного поля, Тс;

та - активная масса заряда, безразмерная;

X)- скорость детонации, м/с;

7УГ - число молей газовых продуктов, г-моль/кг;

Р - давление детонации, ГПа;

и - массовая скорость продуктов детонации, м/с;

V- удельный объём, м /кг;

п - показательно политропы, безразмерный;

а - коэффициент ударной адиабаты, м/с;

2 - коэффициент ударной адиабаты, безразмерный;

Срасч - рассчитанная скорость звука, м/с;

Сэксп - экспериментальная скорость звука, м/с;

Со - объёмная звуковая скорость, м/с;

С\ - продольная звуковая скорость, м/с;

С8 - поперечная звуковая скорость, м/с;

К- модуль объёмного сжатия, ГПа;

В - коэффициент сжимаемости, безразмерный;

С - модуль сдвига, ГПа;

а - коэффициент Пуассона, безразмерный;

Е - модуль упругости (модуль Юнга), ГПа;

Г - температура, К;

Гпл - температура плавления, К;

п - показатель политропы, безразмерный;

бвзр - теплота взрыва, кДж/кг;

бтах ~ максимальная теплота взрыва, кДж/кг;

ак - кислородный коэффициент, безразмерный;

/?вв - коэффицие