Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2020 номер 5

Малочувствительные боеприпасы - химически стабильные боеприпасы, способные противостоять термическим, механическим или электрическим воздействиям во время хранения и транспортировки и при этом способные производить взрыв для поражения соответствующих целей. Во всем мире разработаны обширные программы по их разработке и внедрению. Использование малочувствительных энергетических материалов значительно улучшает защиту современных ядерных боеголовок и повышает живучесть обычных боеприпасов в полевых условиях. Основой получения малочувствительных боеприпасов является использование в качестве исходных уже имеющихся малочувствительных энергетических материалов, а также синтез новых, менее чувствительных кристаллических материалов либо улучшение физических свойств существующих энергетических материалов. В обзоре обсуждаются некоторые перспективные малочувствительные энергетические материалы и пластификаторы, играющие значительную роль в разработке футуристических композиций для малочувствительных боеприпасов. Кратко излагается работа, проделанная в последнее время во всем мире, включая Индию, по созданию современных энергетических материалов и малочувствительных энергетических составов на их основе.

Исследовано влияние предварительной механической активации и содержания кварца SiO₂ на скорость и максимальную температуру горения, удлинение образцов в процессе горения, прессуемость смесей и размер композитных частиц, фазовый состав и особенности структуры продуктов горения в системе Ni-Al-SiO₂. В исходных смесях Ni + Al + SiO₂, не подвергавшихся механоактивации, не удается инициировать горение при комнатной температуре, если массовое содержание кварца SiO₂ превышает 10 %. Предварительная механоактивация реакционной смеси Ni + Al + xSiO₂ расширила предел содержания кварца в смеси, при котором можно реализовать горение прессованных образцов при комнатной температуре, до 40 %. Скорость горения и удлинение образцов в процессе горения значительно возрастают после механической обработки реакционных смесей, а относительная плотность образцов, достигаемая при фиксированном давлении прессования, уменьшается. Увеличение содержания кварца в смеси Ni + Al + xSiO₂ приводит к уменьшению скорости, максимальной температуры горения и к удлинению образцов в процессе горения как исходной, так и механоактивированной смеси. Кроме того, увеличение содержания кварца повышает плотность образцов, достигаемую при фиксированном давлении прессования, в случае исходных смесей и практически не влияет на плотность в случае механоактивированных смесей. Увеличение содержания кварца приводит также к уменьшению размера композитных частиц после механической активации и к увеличению количества фаз, формирующихся в продуктах реакции. Предложено объяснение большинства наблюдаемых зависимостей.

С использованием законов сохранения предложены формулы для оценки условий гашения волн горения и детонации с помощью пылевых или водяных завес, позволяющие определить минимальные концентрации пыли или мелкораспыленной воды в завесе, а также минимальную протяженность завесы. Приведены конкретные данные об условиях гашения метановоздушной смеси, типичной для угольных шахт. Эти данные свидетельствуют, что рекомендованные нормативными документами РФ концентрации пыли и размеры завесы позволяют в лучшем случае погасить лишь волны низкоскоростного горения.

Представлено экспериментальное подтверждение интенсификации горения керосина при использовании смеси, моделирующей продукты паровой конверсии, в модельной камере сгорания со сверхзвуковой скоростью потока на входе. Показано, что применяемая смесь по сравнению с этиленом обладает более высокой химической активностью. Применение продуктов паровой конверсии углеводородных или синтетических топлив в схемах с импульсно-периодическим управлением режимом горения ведет к повышению полноты сгорания без применения специальных конструктивных решений по организации инициирования и стабильного горения.

Режимы непрерывной детонации смесей CH₄/H₂ - воздух с массовыми долями Н₂ в горючем 0¸1/5 реализованы в проточной кольцевой камере сгорания диаметром 503 мм при варьировании ее геометрии. Исследовано влияние геометрии камеры на скорость и число поперечных детонационных волн, давление в камере и удельный импульс. Установлено, что заужение площади выходного сечения камеры сгорания в три раза позволяет реализовать двухволновые режимы непрерывной спиновой детонации смеси чистый метан - воздух. По измеренным на выходе из камеры сгорания давлениям торможения определены удельные импульсы при непрерывной детонации в зависимости от состава горючего.

Предложена усовершенствованная термодинамически согласованная модель реагирующего течения для исследования гидродинамической детонации твердых взрывчатых веществ. В предположении, что химическая смесь, состоящая из твердых реагентов и газообразных продуктов реакций, может достичь механического равновесия, но не достигает температурного равновесия, твердые реагенты и газообразные продукты реакции могут иметь общие давление и скорость, но разные температуру и внутреннюю энергию. С помощью закона сохранения энергии смеси и эквивалентности давления между составляющими выведены закон сохранения внутренней энергии и эволюционные уравнения для объемной концентрации реагентов твердой фазы и давления химической смеси. Таким образом, предложенная полная система уравнений, описывающая процесс детонации, включает в себя: законы сохранения массы, импульсов и полной энергии и эволюционное уравнение для давления химической смеси в целом, а также законы сохранения массы и внутренней энергии и эволюционное уравнение для объемной концентрации твердой фазы. Теоретический анализ выявил существенные различия между структурой стационарной детонационной волны, полученной по предложенной модели и по модели детонации Зельдовича - Неймана - Дёринга. Результаты численных расчетов типичных задач детонации показали, что модель хорошо воспроизводит важные характеристики детонационных течений, что также доказывает обоснованность предложенной модели детонации твердых взрывчатых веществ.

Проведены экспериментальные исследования структуры детонационных волн в смесях тетранитрометана с метанолом и нитробензолом. Профили массовой скорости при выходе детонационных волн на границу с водяным окном регистрировались лазерным интерферометром. Показано резкое изменение характера течения в зоне реакции при концентрации разбавителей в окрестности стехиометрии, проявляющееся в уменьшении амплитуды химпика вплоть до его полного исчезновения. Практически во всем интервале концентраций, за исключением диапазона вблизи предельных значений, детонационные волны устойчивы по отношению к формированию ячеистой структуры фронта. В то же время отмечается плохая воспроизводимость амплитудных значений массовой скорости от опыта к опыту, выполненных в одних и тех же условиях. Полученные экспериментальные зависимости скорости детонации от концентрации метанола и нитробензола хорошо согласуются с проведенными термодинамическими расчетами.

Проведено исследование диспергирования оксидированных наночастиц Al на кластеры путем быстрого нагрева в ударной волне. Рассчитаны характеристики распределений кластеров в зависимости от параметров исходных распределений наночастиц, а также от характера взаимодействия волн деформации с оболочкой наночастицы и ее ядром. Исследования выполнены в рамках предложенного автором резонансного механизма диспергирования жидкого ядра наночастицы ударным импульсом при разрушении твердой оксидной оболочки. Проанализировано воспламенение наночастиц Al после диспергирования в воздухе с использованием ранее описанного кинетического механизма окисления, в котором учитывалось испарение кластеров. Исходные распределения наночастиц и время их воспламенения валидированы по опубликованным экспериментальным данным.

Измерен ряд характеристик подводного взрыва алюмосодержащих взрывчатых веществ (ВВ), включая удельную энергию газового пузыря и удельную энергию ударной волны. Составы ВВ характеризовались отношением Al/O, размером частиц алюминия и суммарным содержанием всех твердых компонентов, в том числе перхлората аммония, алюминия и гексогена. Результаты показывают, что отношение Al/O оказывает большое влияние на удельную энергию ударной волны и удельную энергию пузыря продуктов взрыва. Полная удельная энергия ВВ достигает максимального значения при Al/O = 0.44. Примечательно, что рост суммарного содержания твердых веществ (перхлората аммония, алюминия и гексогена) в составе ВВ может эффективно увеличивать полную удельную энергию ВВ. Так, при повышении суммарного содержания на 2 % (мас.) полная энергия ВВ может быть увеличена примерно на 0.1 тротилового эквивалента. Размер частиц алюминиевого порошка также значительно влияет на энергию ВВ: чем меньше размер частиц, тем больше энергии выделяется алюминием и больше становится полная энергия взрыва.

Разработана фрикционная модель зажигания, основанная на теории теплового взрыва Семенова для гетерогенной реакции. Изучено влияние концентрации кислорода, скорости потока, силы трения и площади контакта на критическую температуру воспламенения двух огнестойких титановых сплавов TB12 и TF550. Результаты расчетов показывают, что критическая температура уменьшается с увеличением концентрации кислорода в обтекающем потоке, но возрастает при повышении его скорости. Критическая температура возрастает приблизительно линейно с увеличением силы трения и экспоненциально уменьшается с увеличением радиуса контактной зоны. При увеличении радиуса контактной зоны до 0.007 м критические температуры сплавов TF550 и TB12 составляют 1 029 и 1 016 К соответственно, а при достижении радиуса контактной зоны 0.014 м - 962 и 960 К соответственно.

Предлагается новая корреляция между чувствительностью к удару и энергией активации для пиротехнических составов, в которых горючее и окислитель - неорганические вещества. База данных включает в себя результаты экспериментов по определению чувствительности испытуемых образцов к удару и по энергии их активации. Предлагается также метод расчета энергии активации по тепловым свойствам с использованием данных измерений методом дифференциальной сканирующей калориметрии при одной скорости нагрева. Коэффициент корреляции между ударной чувствительностью и энергией активации составляет 0.84.

Проведены экспериментальные исследования функционирования кумулятивных зарядов с медными полусферическими облицовками дегрессивной (уменьшающейся от вершины к основанию) толщины, определялись скорость головной части формируемых кумулятивных струй, глубина пробития ими наборной преграды из стальных дисков и размеры пробитых в дисках отверстий. Полученные в экспериментах данные по увеличению скорости и снижению массы головных участков кумулятивных струй, происходящих с увеличением разницы в толщинах полусферической облицовки в вершине и у основания, хорошо согласуются с результатами численного моделирования, проводившегося в рамках двумерной осесимметричной задачи механики сплошных сред. По результатам экспериментов зафиксировано усиление влияния на функционирование данных зарядов технологических погрешностей изготовления, устраняющее или значительно ограничивающее прирост пробивного действия. Для одного из вариантов облицовок дегрессивной толщины получено увеличение средней по двум опытам глубины пробития преграды на 7.5 % по отношению к облицовке постоянной толщины.

Приведен анализ результатов экспериментального исследования влияния прочности тонкостенного корпуса для заряда тэна на эффективность работы малогабаритных пульсирующих взрывных устройств различного целевого назначения.