Гетерогенных взрывчатых веществ и степень перемешивания продуктов детонации



Pdf көрінісі
Дата22.02.2019
өлшемі95.18 Kb.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПРИ ДЕТОНАЦИИ

ГЕТЕРОГЕННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

И СТЕПЕНЬ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ПРОДУКТОВ ДЕТОНАЦИИ

А.П. Е


РШОВ

, Н.П. С


АТОНКИНА

Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, г. Новосибирск, Россия



1. Введение

Детонация конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) широко используется. Вместе с тем  сейчас  нет

достаточно  полного  понимания  экстремального  состояния  вещества,  достигаемого  при  детонации,  и  многих

важных процессов,  особенно  для  неоднородных  (гетерогенных)  ВВ.  До  некоторой  степени  именно  практиче-

ские успехи в применении ВВ не способствовали более глубокому изучению механизма детонации.

Типичным представителем гетерогенных ВВ является смесь  тротил

гексоген  (ТГ),  представляющая



собой взвесь частиц гексогена в твердой матрице тротила. Свойства этих компонент различны, что поро-

ждает за фронтом детонации явления, характерным масштабом которых является размер зерна. Можно

для краткости говорить о процессах взаимодействия компонент на мезоуровне.

Два аспекта взаимодействия представляются главными:

На мезомасштабе в зоне реакции и тем более за ее пределами быстро вырабатывается "общее" давле-

ние  и  несколько  изменяется  объемное  соотношение  компонент.  Например,  в  ТГ  тротил  оказывается

сжатым, а гексоген 

 разгруженным, сравнительно со случаем детонации однородных ВВ. Изменение



давления и плотности способно влиять на ход реакции и на состав продуктов детонации (ПД).

Перейдя за доли микросекунды в газообразное состояние, взрывчатые компоненты способны перемеши-

ваться.  Этот  процесс  сравнительно  медленный.  По  имеющимся  данным  [1, 2, 3], на  стадии  реакции

степень смешения незначительна, то есть сразу по окончании реакции структура смеси геометрически

близка к исходной: в среде ПД тротила распределены "пузыри" ПД гексогена. Однако заметное пере-

мешивание  возможно  в  течение  нескольких  микросекунд  за  счет  мезомасштабной  скоростной  нерав-

новесности.

Интерес к проблеме взаимодействия значительно возрос в связи с процессом детонационного синте-

за ультрадисперсных алмазов из углерода ВВ, обнаруженным во ВНИИП в 60

е годы [4]. Именно "сплав"



ТГ является одним из лучших исходных материалов для синтеза [5]. Для тротила, основного поставщика

свободного  углерода,  более  мощный  гексоген  может  быть  только  "прессом",  обеспечивая  повышенное

давление, либо хотя бы некоторые важные процессы идут в смеси. Кроме того, перемешивание на стадии

расширения ПД может влиять на некоторые вторичные реакции, обеспечивая "догорание".

В  данной  работе  проведено  экспериментальное  исследование  взаимодействия  компонент  неодно-

родного  ВВ  за  фронтом  детонационной  волны  методом  электропроводности.  Известно,  что  электропро-

водность  ПД  тротила  аномально  велика  (а  ниже  показано,  что  ее  величина  еще  и  недооценивалась).

Поэтому  при  взрыве  смеси  проводимость  должна  осуществляться  в  основном  по  "токовым  каналам" 

связной пространственной области ПД тротила. Рост давления за счет более мощного гексогена и пере-



мешивание  компонент  изменяют  эффективную  проводимость  смеси,  что  и  позволяет  оценить  характер

взаимодействия на мезоуровне. Чтобы разделить эти два основных эффекта, варьировались содержание

гексогена и размер зерна.

2. Постановка эксперимента

Использовалась схема постоянного тока [6], изображенная на рис. 1. Измеряемое сопротивление за-

ряда R (t) шунтируется известным сопротивлением R

S

 = 0,084 Ом. Цепь питается постоянным током через

большое  сопротивление.  Шунт  соединяется  с  зарядом  плоской  линией,  которая  имеет  сопротивление

R

L

 



 

0,004

 

Ом и индуктивность



 

L

 



 

10 


нГ. Эти паразитные параметры существенны при измерениях ма-

лых сопротивлений.



Электропроводность при детонации гетерогенных взрывчатых веществ ...

167


Рис. 1

Напряжение  на  шунте 



U(t)  измерялось  цифровым  осциллографом.  Вначале  его  значение  U

0

 



= R

S

I.

После замыкания электродов продуктами детонации напряжение спадает. Сопротивление заряда 



R(t) вы-

ражается через 



U(t) и параметры цепи:

R t

R U t

L U

t

U

U t

R

S

L

( )


( )

/

( )



=

+



d

d



0

.

Поскольку  нужна  производная  сигнала,  по  точкам  записи  напряжения  строился  сглаживающий



сплайн. Степень сглаживания подбиралась так, чтобы кривая была близка к экспериментальным данным

и в то же время была достаточно плавной (не реагировала на случайные выбросы и шумы).

Измерительная  ячейка  также  показана  на  рис.  1.  Взрывчатое  вещество  заполняет  внутренность

коаксиальной  системы  электродов.  Массивная  оболочка  заряда  имела  длину  12  см  и  внешний  диаметр

см. Детонационная волна движется вдоль оси. В момент ее контакта с центральным электродом через

проводящую  зону,  образуемую  продуктами  детонации,  возникает  проводимость,  которая  меняется  со

временем  при  движении  волны  со  скоростью  детонации  D.  Коаксиальная  ячейка  удобна  тем,  что  в  ней

геометрия сравнительно мало меняется  (в  отличие,  например,  от  плоской  ячейки  с  электродами  в  виде

параллельных пластин).

По сопротивлению ячейки вычислялась интегральная проводимость G:



G

b a

R t

x

Dt

=

=



z

ln ( / )


( )

2

0



π

σ

d ,



которая рассматривалась как функция от x = Dt 

 глубины погружения центрального электрода в продук-



ты детонации. Здесь b и a

 

 диаметры заряда и центрального электрода, 



σ

 



 измеряемая электропро-

водность вещества.

Пространственное разрешение ячейки в наших условиях (при размерах a 

 2 мм



=

 10 мм) состав-

ляло около 3 мм. Так как разрешение довольно грубое, а также принимая во внимание помехи и флуктуа-

ции  сопротивления  заряда,  результаты  разумно  усреднять.  Поэтому  данные  G x

( )   аппроксимировались

функцией вида



G

A

kx

Bx

=



+

(



exp (

))

1



.

На  рис. 2 показана  осциллограмма  напряжения  для  литого  тротила,  а  также  сглаженная  кривая

(верхний  кадр).  Здесь  оба  электрода  ячейки  были  медными.  На  нижнем  кадре  показана  интегральная

проводимость  1  (точки)  и  рассчитанная  по  ней  экспоненциально

линейная  зависимость 



  (сплошная

линия 2).

Дифференцирование этой сглаженной зависимости дает электропроводность: 

σ

( )


/

x

G

x

=

d



d . График 

σ

  (x)

 

также  приведен  на  рис. 2 (линия 5). Оценка  максимальной  электропроводности  ПД  тротила  дает



σ

тax

 



 25 Ом

1



см

1



, а характерное время

 

τ



 ее спада в e раз равно 2,4 мкс. На рис. 2 точка x = D

τ

, соот-



ветствующая времени 

τ

 



, отмечена засечкой 6 на линии 5. Нефизические отрицательные значения 

σ

( )



x

возможны из–за некоторой неоднородности заряда, вызывающей небольшой спад  G x

( ) . Эти отклонения

находятся в пределах точности восстановления 

σ

( )


x

 

(около 20%). Обычно  достаточно  информативным

показателем была средняя электропроводность 

>

σ



<

, которая вычислялась по прямому участку зависи-

мости  G x

( )


 

(если таковой существовал): 



x

G

G

>

σ



<

+

=



0

.


А.П. Ершов, Н.П. Сатонкина

168


Рис. 2

При отсутствии прямого участка на графике  G x

( )  средняя электропроводность вычислялась по зоне

(шириной обычно 2 см), примыкающей к фронту (рис. 2, прямая 3). Стрелка 4 показывает величину сред-

ней электропроводности в этой зоне. В данном случае 

>

σ



<

 15 



Ом см



1

1

.



Ранее считалось, что электропроводность литого тротила примерно в 6 раз меньше [7]. По  мнению

авторов, причина расхождения 

 методическая погрешность ранних экспериментов, а именно, примене-



ние  стали  как  материала  оболочек  и  особенно  центрального  электрода.  В  кратковременных  взрывных

опытах ток идет по поверхности электродов, проникая только на глубину скин–слоя. Поэтому при измере-

нии высокой электропроводности может быть существенным паразитное сопротивление материала ячейки.

Стальные электроды имеют неожиданно большое сопротивление. Это следствие того, что сталь яв-

ляется  ферромагнетиком.  У  линейного  магнетика  с  проницаемостью 

µ

  толщина  скин–слоя  уменьшается



в 

µ

 раз. Следует ожидать, что сопротивление стального электрода примерно на два порядка больше,



чем  у  медного.  Это  подтвердили  специальные  модельные  опыты.  Стальные  оболочки  можно  использо-

вать, если электропроводность ПД сравнительно невелика (до 5 



Ом см



1

1

, при том что электропровод-



ность стали на четыре порядка больше). Для стального центрального электрода эта граница еще пример-

но вдвое ниже. Следовательно, в [7] высокие электропроводности "обрезались" скин–слоями.

Для  измерения  больших  электропроводностей  следует  использовать  медные  электроды.  Медь

немагнитна и, кроме того, имеет лучшую электропроводность. Оценки и прямые экспериментальные тес-

ты показали, что для наших опытов сопротивление медной ячейки несущественно (порядка 0,001 

Ом

).

Влияние  МГД–генерации  из



за  движения  волны  эквивалентно  малому  отрицательному  сопротивле-

нию  (порядка 0,001 

Ом

)  и  частично  компенсирует  сопротивление  скин–слоев.  Скин–эффект  в  продуктах

детонации может несколько занижать измеряемую электропроводность, но вплоть до максимальных значе-

ний (25 


Ом см



1

1

для  литого  тротила)  его  влияние  не  превышает  экспериментального  разброса  (около



20%).

3. Результаты экспериментов

Основная  серия  опытов  проводилась  с  составами  ТГ.  На  рис. 3 (



a

)  представлены  осциллограммы

и кривые интегральной проводимости при различном содержании гексогена. Здесь гексоген штатный, со

средним размером частиц 170 



мкм

. 1 


 состав ТГ 50/50, 2 

 ТГ 70/30, 3 



 ТГ 90/10. Видно, что с увели-

чением  концентрации  гексогена  проводимость  уменьшается  весьма  резко.  Для  ТГ 50/50 максимальная

электропроводность в миллиметровой зоне за фронтом детонации на порядок меньше, чем у чистого тро-

тила, а средняя 

 на два порядка меньше. Такая же тенденция наблюдается и для других размеров зерна.



Это  не  удается  объяснить  примитивным  замещением  части  проводящего  объема  продуктами  дето-

нации гексогена. Эффективная электропроводность насыщенной пористой среды при пористости 0,5 все-

го в 2,8 раза меньше чем у чистой жидкости [8].


Электропроводность при детонации гетерогенных взрывчатых веществ ...

169


На рис. 3 (

б

) показано влияние размера частиц гексогена при фиксированной его концентрации 30%.

Здесь  1 

  размер  170 



мкм

, 2 


 770 


мкм

.  Неожиданно  оказалось,  что  при  одной  и  той  же  энергетике

и брутто–составе крупнодисперсная смесь проводит гораздо лучше. Как показано ниже, различие в про-

водимости между крайними значениями (770  и 5 



мкм

) составляет почти порядок.

Рис. 3

Результаты опытов сведены на рис. 4, 



a

 



 средняя электропроводность, 

б

 — максимальная и рис. 5

(время спада). На всех рисунках сплошная линия проведена через данные для штатного продукта,  тем-

ные  точки 

  крупные  частицы,  светлые  точки 



  мелкие  частицы.  На  рис. 4, 



a

  эффект  размера  частиц

наиболее выражен: "крупные" точки расположены явно выше линии, а "мелкие" 

 ниже. То же верно для



рис. 4, 

б

, хотя здесь данные подвержены бульшим флуктуациям. Время спада (рис. 5) в общем возраста-

ет для крупных частиц. Для мелких же время 

τ

 

мало при 30% содержании гексогена, но велико при мень-

ших концентрациях. Это поведение требует дополнительного анализа.

Рис. 4


А.П. Ершов, Н.П. Сатонкина

170


Рис. 5

4. Обсуждение результатов

Представляется, что экспериментальные данные демонстрируют два основных вида взаимодействия

компонент, упомянутых в начале данной работы.

Влияние концентрации

Высокая электропроводность при детонации  тротила  обеспечивается  выделением  свободного  угле-

рода,  причем  в  проводящем  состоянии  (графит,  сажа).  Повышение  параметров  детонации  с  добавле-

нием  гексогена  способствует  переходу  свободного  углерода  в  алмазную  непроводящую  модификацию,

что и уменьшает электропроводность.

Ранее электропроводность ТГ в зависимости от концентрации гексогена исследовалась в [7], но при

фиксированной (штатной) дисперсности. С увеличением концентрации время спада электропроводности

резко  уменьшалось  в  том  же  диапазоне,  когда  появляется  значительный  выход  алмаза  (как  и  в  данной

работе, см. рис. 5). К сожалению, тогда не удалось обнаружить заметных изменений величины электро-

проводности из

за паразитного сопротивления скин



слоев.


Позднее  электрические  измерения  проведены  в [9]. Исследовались  при  разных  начальных  плотно-

стях прессованные тротил, гексоген и смеси ТГ 50/50 и ТГ 75/25. Измерялось только сопротивление ячей-

ки. Поведение сопротивления было  истолковано  в  связи  с  образованием  алмаза.  Значения  электропро-

водности не приводятся, возможно, из

за сложной геометрии ячейки и довольно плохого разрешения.



В  данной  работе  удалось  снять  указанные  проблемы.  Надежно  зарегистрирована  электропровод-

ность 25 



Ом см



1

1

 в литом тротиле, что означает улучшение точности и пределов измерения на порядок.



Это позволяет проследить за изменениями как времени спада, так и величины электропроводности в за-

висимости от содержания гексогена, что значительно расширяет базу для выводов. Предварительно от-

метим, что наиболее резкий спад электропроводности происходит в интервале от 20 до 30% гексогена. По

данным [5], именно в этом интервале резко растет выход алмаза и доля алмаза в сохраненном конденси-

рованном углероде. Более аккуратное сопоставление можно провести с учетом геометрического фактора

[8] с поправкой на некоторое отличие объемных долей ПД и исходных веществ.

Более существенно, что при ранних электрических измерениях [7, 9] рассматривался только наибо-

лее прямолинейный вариант взаимодействия компонент 

 роль давления. В данной работе впервые об-



наружено  резкое  влияние  размера  частиц 

  изменение  электропроводности  на  порядок.  Это  означает



необходимость определенного пересмотра интерпретаций.

Влияние дисперсности

По мнению авторов, влияние дисперсности на электропроводность объясняется перемешиванием компо-

нент. Перемешивание приводит к образованию дополнительного,

 

плохо проводящего объема (слоя) на грани-



цах материалов. Уменьшается объемная доля хорошо проводящего компонента 

 "чистых" ПД тротила. Оче-



видно, что этот эффект зависит от размера частиц. В мелкодисперсной системе токовые каналы будут пере-

крываться быстрее, чем в крупнодисперсной (поперечник каналов пропорционален размеру зерна).

Молекулярная диффузия в данных условиях, как и в большинстве реальных ситуаций, неэффектив-

на. Заметное перемешивание возможно только за счет гидродинамических процессов. Различие свойств

компонент мощных ВВ (плотность, ударная сжимаемость и т. п.) примерно 10 процентов. Следовательно,

начальная  скорость  относительного  движения  материалов  во  фронте  детонации  примерно  на  порядок

меньше  средней  массовой  скорости  и  составляет  около 200 

м

/

с

.  Относительное  движение  порождает

неустойчивости  (как  собственно  течения,  так  и  границ  раздела),  развитие  которых  способно  резко  уско-

рить смешение.

В связи с проблемой синтеза алмаза было выполнено несколько изотопных экспериментов [1, 2, 3].

Выяснилось,  что  основной  источник  алмаза 

  углерод  тротила,  а  непосредственный  вклад  гексогена



(во второй работе 

 октогена) невелик. По данным последней работы степень смешения не превышает



14%. Теоретическая оценка турбулентного перемешивания, предпринятая В.В. Митрофановым и В.М. Ти-

Электропроводность при детонации гетерогенных взрывчатых веществ ...

171


товым [10], согласуется с данными экспериментов [1

3]. Изотопный метод дает интегральную информа-



цию за короткое время реакции 

 десятые доли микросекунды.



Данная работа расширяет исследование на более длительный интервал в несколько микросекунд. По

нашим оценкам, при этом степень перемешивания для самых крупных частиц небольшая, для штатного

гексогена 

 заметная, а для мелкого 



 практически полная.

Отметим, что электрическая диагностика оказалась неожиданно чувствительной и информативной.

Работа частично поддерживалась грантом РФФИ № 96

15



96264.

Список литературы

1.  Анисичкин В.Ф., Дерендяев Б.Г., Коптюг В.А. и др. Исследование процесса разложения в детонацион-

ной волне изотопным методом // ФГВ. 

 1988. 



  Т. 24, № 3. 

 С. 121


122.


2.  Анисичкин В.Ф., Дерендяев Б.Г., Мальков И.Ю. и др. Исследование процесса детонации конденсиро-

ванных ВВ изотопным методом // ДАН СССР. 

 1990. 


 Т. 314, № 4. 

  С. 879


881.


3.  Козырев  Н.В.,  Брыляков  П.М.,  Сен  Чел  Су,  Штейн  М.А.  Исследование  процесса  синтеза  ультрадис-

персных алмазов методом меченых атомов // ДАН СССР. 

 1990. 


 Т. 314, № 4. 

 С. 889


891.


4.  Волков К.В., Даниленко В.В., Елин В.И. Синтез алмаза из углерода продуктов детонации ВВ 

//

 Физика



горения и взрыва. 

 1990. 



 

Т. 26, № 3. 



 С. 123


125.


5.  Анисичкин В.Ф., Титов В.М., Мальков И.Ю. Исследование процесса синтеза ультрадисперсного алма-

за в детонационных волнах // Физика горения и взрыва. — 1989. 

 Т. 25, № 3. 



 С. 117


122.


6.  Бриш  А.А.,  Тарасов  М.С.,  Цукерман  В.А.  Электропроводность  продуктов  взрыва  конденсированных

взрывчатых веществ 

//

 ЖЭТФ. 


 1959. 


 37, 6(12). 

 С. 1543


1549.


7.  Ставер А.М., Ершов А.П., Лямкин А.И. Исследование детонационного превращения конденсированных

ВВ методом электропроводности 

//

 ФГВ. 


 1984. 


 Т. 20, № 3. 

 С. 79


83.


8.  Hulin J.P., Charlaix E., Gauthier C. et al. Transport Properties of the Porous space of Grain Packings:

Heterogeneity effects // In: Disorder and granular media 

/

 Ed. D. Bideau and A. Hansen — Series 



 Random


materials and processes). 

 North



Holland, Amsterdam

London 


 New York

Tokyo. 


 1993. 


 Р. 199


228.


9.  Антипенко А.Г., Першин С.В., Цаплин Д.Н. Динамические исследования образования алмаза в продук-

тах детонации тротила 

/

 Proc. 10th Int. Conf. on High Energy Rate Fabrication; Ljubljana, Yugoslavia, 1989. 



Р. 170


178.


10.  Титов В.М., Митрофанов В.В., Ершов А.П. и др. Углерод в детонационных процессах: Отчет Института

гидродинамики СО РАН, выполненный для Ливерморской лаб. (часть Б). Новосибирск, 1994.



Каталог: rig
rig -> Адамдарды кепілге алған жағдайдағы іс-қимылдар бойынша тұрғындарға арналған жаднама
rig -> Баспасөз релизі 2016 ж. 3 қазан Астана қ
rig -> КӘсіпкердің жадынамасы! Сізге тексеру келсе, Сіз білуыңыз қажет
rig -> «Бизнестің жол қартасы 2020» бизнесті қолдау мен дамытудың бірыңғай бағдарламасы шеңберінде мемлекеттік гранттар беру
rig -> Литологическое описание кернов Станция hcg-1
rig -> Қостанай облысының Лисаков қаласында кәсіпкерлікті дамытудың 2014-2016 жылдарға арналған картасы


Достарыңызбен бөлісу:


©stom.tilimen.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет