Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по физике

На правах рукописи

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

Самара - 2012

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

Научный консультант: д.т.н., доцент Кривченко 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 научноисследовательский институт машиностроения имени Бахирева, начальник отдела экспериментальной физики.

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

Защита диссертации состоится л16 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 л____ апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета 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. D-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 нагружения 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 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 взрывчатых веществ на основе 1,3,5-триазинов.

Цель 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 нагружения;

2. Исследование аддитивных свойств d-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-волнового взаимодействия ПД и нагружаемых материалов, теоретический расчт 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. Расчт параметров исследуемых взрывчатых веществ и металлов осуществлялся в рамках полуэмпирического подхода.

Объекты исследования - прессованные заряды взрывчатых веществ: A-IX-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 дат возможность определить наиболее оптимальный для метания сплав;

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

Практическая значимость работы определяется предложениями по уменьшению количества экспериментальных исследований за счт научно-обоснованного подхода к расчтно-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 ударноволновых 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 материалов 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 расчта скорости метания гидродинамическим методом;

- Разработка способа расчта коэффициента ударной адиабаты D=+U на основе аддитивных свойств элементов периодической системы Д.И. Менделеева для определения динамических адиабат d-металлов и их сплавов;

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

- Результаты теоретического расчта 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 конферен ции памяти профессора Х.С. Хазанова. Общественные, естественные и техн. науки (2006 г.), г. Самара; XVII Менделеевской конференции молодых учных (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.

ичный 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, четырх 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 приведнные 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 расчта скорости метания, а также сформулированы научные принципы разработки методов расчтной оценки основных свойств ВВ и металлов. Анализ 10 экспресс-методик показал, что для расчета параметров детонации ВВ оптимально использовать выражения:

для скорости детонации D:

o k 1, D 1,2C0 2,55 oQm(1 ), м/с (1) Д 5,для массовой скорости продуктов детонации U:

k 1,, м/с (2) U oQm(1 ) Д 5,где C0 - объмная скорость звука во взрывчатом веществе, м/с; - плотность заряда, г/см3; 0 - предельная плотность, г/см3; k - кислородный коэффициент; Qm - максимальная теплота взрыва, Дж/кг; Д - массовая доля добавки.

Для вычисления объмной скорости звука во ВВ, значение которой входит в выражение (1), проведн анализ методов расчта объмной скорости звука в органических веществах. В качестве оптимального способа расчта выбран метод Рао, который применяется как для тврдых, так и для жидких органических веществ и имеет наиболее близкое совпадение данных расчта и эксперимента Ra С0 , (3) Mм где Ra - инкремент химической связи данного вида; - плотность, г/см3; Mм - молекулярная масса вещества, по которому распространяется звуковая волна.

Эксперименты показывают, что для различных материалов зависимость между скоростью фронта и скоростью вещества за фронтом является линейной и форма задания ударной адиабаты в D-U-координатах, в которых кривая может быть приближнно аппроксимирована линейной функцией:

D=+U (4) где D - скорость ударной волны; U - массовая скорость; и - эмпирические коэффициенты, причм константа численно равна объмной скорости звука C0.

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 разгрузки.

Для определения значений эмпирических коэффициентов и уравнения ударной адиабаты D=+U нами разработано Правило симметричного окружения, применяемое для периодического закона Д.И. Менделеева. Расчт коэффициента для элемента проводится по выражению:

Y , (5) Yi iгде Y - эмпирический коэффициент ударной адиабаты (4).

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

24 25 26 27 28 29 Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 1,47 1,33 1,42 43 44 45 46 47 Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd 1,24 1,64 1,74 75 76 77 78 79 W Re Os Ir Pt Au Hg 1,29 1,94 2,Cr Co Zn Cd Hg Ir W Mo Rh 1,Рис. 1. Схема расчета коэффициента по правилу симметричного окружения на примере элемента №45 Rh.

Разработанный способ определения скорости звука в металлах, а также обоснованно отобранные методы вычисления параметров детонации и скорости звука для ВВ, легли в основу определения метательной способности ВВ, а также нахождению ударных адиабат для металлов и сплавов.

При разработке теоретического метода оценки метательной способности индивидуальных ВВ по методике Т-20 предполагалось, что кинетическая энергия ускоряемого тела пропорциональна объмному энергосодержанию ВВ. Известно, что скорость разлта оболочки должна зависеть от динамических характеристик ВВ и массовой скорости ПД, т.е. скорости звука в том или ином виде, в соотношениях, определяющих свойства метаемой оболочки /, а также коэффициента нагрузки в соотношении =mВВ/mоб (где mВВ - масса ВВ; mоб - масса оболочки, приходящаяся на 1 см3 заряда ВВ).

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

CВВ U, м/с (6) Wcyl 2,6 где CВВ - скорость звука во ВВ, определяемая по методу Рао (3); U - массовая скорость ПД, определяемая по выражению (2); - коэффициент нагрузки; значение 2,6 численно связано с коэффициентами и уравнения ударной адиабаты (4) для Cu (=8,93 г/см3), т.е. / = 3,915/1,495 = 2,6.

В табл. 1 представлены результаты вычисления Wcyl и экспериментальные данные, описанные в литературе, а также приведены средние значения для двух методик.

Для уменьшения процента абсолютной ошибки был использован метод усреднения расчтных значений полученных по:

1) интерполяционному уравнению А.С. Смирнова:

WТ-20 = 20,50з0,418Qк0,458Nг0,245ВВ0,310r0,1 (7) где WТ-20 - скорость движения оболочки, м/с; з - плотность заряда ВВ, г/см3; Qк - теплота взрыва (калориметрическая), ккал/кг; Nг - число молей газообразных продуктов взрыва, моль/кг; ВВ - коэффициент нагрузки; r = R-R0, мм (R, R0 - текущий и начальный радиусы расширяющейся трубки). Коэффициент множественной корреляции R=0,986, среднеквадратическая ошибка =52 м/с (3,29%);

2) разработанному приближнному методу определения скорости расширения цилиндрической оболочки Wcyl.

Таблица Экспериментальные и расчтные данные скорости расширения медной цилиндрической оболочки по методике Т-Скорость, м/с № з, % ВВ расч. расч. Усредп/п г/см3 ош.

эксп.

WТ-20 Wcyl нение 1 2 3 4 5 6 7 1. Октоген 1,73 1590 1598 1610 1604 +0,2. Октоген 1,81 1650 1722 1661 1691 +2,3. Октоген 1,91 1783 1812 1716 1764 -1,4. ТНТ 1,63 1180 1270 1182 1226 +3,5. ТНТ 1,66 1230 1287 1231 1259 +2,6. CL-20 2,04 2005 2120 2040 2080 +3, 1 2 3 4 5 6 7 7. Бензотрифуроксан 1,80 1580 1673 1527 1600 +1,8. Гексоген 1,80 1573 1611 1536 1574 +0,9. Тринитроэтиловый эфир три- 1,78 1510 1545 1454 1499 -1,нитромасляной кислоты 10. Бис(тринитроэтил)нитрамин 1,90 1570 1623 1492 1557 -0,11. ТАТБ 1,80 1290 1330 1346 1338 +3,12. Тетрил 1,70 1305 1394 1344 1369 +4,13. Гексанитростильбен 1,65 1240 1320 1227 1273 +2,14. Гексанитробензол 1,78 1703 1610 1627 1618 -4,15. Пентаэритриттетранитрат 1,76 1560 1585 1492 1538 -1,16. Пентаэритриттетранитрат 1,77 1567 1593 1504 1548 -1,N,N-бис(тринитроэтил)17. 1,70 1590 1682 1511 1596 +0,этилендинитроамин 18. Диэтанолнитраминдинитрат 1,67 1418 1470 1481 1475 +4,19. Бис(нитраминометил)нитрамин 1,69 1485 1530 1509 1519 +2,20. Бис(нитраминометил)нитрамин 1,85 1675 1717 1610 1663 -0,21. Бис(нитраминометил)нитрамин 1,89 1783 1760 1699 1729 -3,22. N,N'-динитропиперазин 1,63 1292 1280 1373 1326 +2,23. 5-оксо-3-нитро-1,2,4-триазол 1,85 1330 1401 1262 1331 +0,24. Нитрометан 1,14 1092 1081 1016 1048 -4,25. Метилнитрат 1,21 1133 1217 1074 1145 +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 расчта по двум методикам увеличивает достоверность прогнозирования скорости метания.

При разработке методики расчта относительной метательной способности взрывчатых веществ при торцевом метании по методике М-60 использовалась модель лактивной 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.

Рис. 2. Схема методики экИзвестно, что при постоянной высоте ВВ h е энервивалентных масс гия E, участвующая в метании, определяется соотношением:

E mU, (8) где U - массовая скорость продуктов детонации; m - активная масса ВВ.

С учтом бокового и осевого разлта ВВ активная масса, участвующая в разгоне пластины, будет занимать объм конуса с радиусом основания r и высотой h:

, (9) m r3где 0 - плотность заряда ВВ.

Подставив (9) в (8) получим. (10) E r30U При этом метаемая пластина радиуса r с толщиной hпл, получившая энергию mплW, (11) Eпл имеет массу:

mпл r2hплпл, (12) где пл - плотность метаемой пластины.

Тогда выражение (11) принимает следующий вид:

r2hплплW Eпл . (13) Приравнивая E и Eпл и учитывая, что m=mпл, получим что скорость метания при эквивалентных массах заряда и пластины определяется из выражения:

4 r Wэкв U. (14) 3 hплпл Проведнные расчты по уравнению (14) показывают, что в случае эквивалентности масс пластины и заряда ВВ при торцевом метании справедливо следующее выражение:

Wэкв 1,41U. (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 обобщнный.

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

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

М-60 = 1,23з0,871Qк0,432Nг0,230, % (16) где М-60 - эффективность метательного действия по методике М-60 относительно октогена; з - плотность заряда, г/см3; Qк - теплота взрыва (калориметрическая), ккал/кг; Nг - число молей газообразных продуктов взрыва, моль/кг. Коэффициент множественной корреляции R=0,990, среднеквадратическая ошибка =0,5 (2,65%).

2) гидродинамический метод обобщнных ударных адиабат для определения скорости метания пластины WГД, основанный на объмной скорости звука;

3) метод эквивалентных масс Wэкв, разработанный по модели детонационной оптики.

Таблица Расчетные и экспериментальные данные относительной скорости метания по методике М-Усред№ М-60, WГД, Wэкв, эксп., % ВВ нение п/п % % % % ош.

% Октоген 100 100 100 100 100 - Гексоген 94,3 96,2 97,4 97,0 95,9 +1,ТНТ 74,8 74,3 79,9 76,0 76,3 +0,Бис-(фтординитроэтил)нитрамин 94,7 95,1 101,2 93,7 97,0 +3,Бис-(хлординитроэтил)нитрамин 91,3 92,4 96,8 90,3 93,5 +3,1,4-динитропиперазин 78,3 75,9 77,7 77,2 77,3 +0,7 2',2',2'-тринитроэтил-4,4,495,3 95,4 102,5 95,3 97,7 +2,тринитробутират Бис-(тринитроэтил)формаль 89,5 89,1 95,0 87,7 91,2 +3,ТЭН 95,2 92,0 101,4 93,7 96,2 +2,ГНБ 105,8 110,3 118,7 109,7 111,6 +1,ТНБ 79,5 80,0 85,4 79,4 81,6 +2,ТАТБ 83,4 80,8 79,2 82,5 81,1 -1,Тетрил 85,8 88,2 90,2 85,7 88,0 +2,Гексанитростильбен 76,0 80,5 84,5 79,0 80,3 +1,3,3'-динитро-4,4'-азоксифуразан 102,6 103,7 105,4 101,7 103,9 +2,Бензотрифуроксан 102,7 101,1 104,1 101,5 102,6 +1,17 3,4-бис(4-нитрофуразанил-3)92,9 105,4 102,1 100,8 100,1 +5,фуроксан Нитроглицерин 100,0 82,1 83,1 76,0 102,5 +1,7-амино-4,6-динитробензофуроксан 88,8 85,9 89,6 88,2 88,1 -0,20 N,N-бис(тринитроэтил)96,6 103,4 105,7 97,8 101,9 +4,этилендинитроамин Бис-(2,2,2-тринитроэтил)нитрамин 95,5 99,5 103,4 95,4 99,5 +4,Среднеквадратическая ошибка по гидродинамическому методу: 2,75%; среднеквадратическая ошибка по методу эквивалентных масс: 3,33%.

Для уменьшения процента ошибки был использован метод усреднения расчтных значений по значениям трх методик, что позволило уменьшить среднеквадратическую ошибку до 1,69%. Таким образом, усреднение результатов расчта по трм 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 сейсмосигнала 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 d-металлов, являются наиболее перспективными в этом плане.

Для определения скорости торцевого метания пластины по динамическим адиабатам метаемых элементов и дальнейшего сравнения результатов расчта с экспериментальными данными нами проведн 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 распространнными и дешвыми из медных сплавов. Проведнный нами анализ свойств двойных латуней показывает, что для исследования следует рассматривать сплавы с содержанием цинка менее 25%. Для определения ударных адиабат гидродинамическим методом в качестве объекта исследования выбрана латунь Л75 и е компоненты медь и цинк.

В табл. 3 приведены расчтные значения латуни Л75 и е компонентов.

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

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

2. Построение динамической адиабаты с использованием политропы ЛандауСтанюковича P=An для продуктов взрыва;

3. Построение динамической адиабаты метаемого элемента;

4. Нахождение параметров входящей ударной волны;

5. Нахождение скорости метаемого элемента W=2U.

Таблица Характеристики металлов Плотность Коэффициент удар- Объемная скорость Массовая Металл , г/см3 ной адиабаты звука С0, м/с доля Zn 7,14 1,45 3300 0,2Cu 8,90 1,49 3980 0,7Cu+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. Расчтная и экспериментальная ударные адиабаты для латуни Л75 и е 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 расчтных значений объмной скорости звука и коэффициента , полученных методом правила симметричного окружения и практически полного их совпадения в диапазоне массовых скоростей от 700 м/с до 16м/с. Именно в этом диапазоне лежат массовые скорости материала пластины, которые для меди при е нагружении зарядом A-IX-1 составляет 955 м/с, а для латуни 987 м/с, а при нагружении 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 А-IX-1, и на 8,0% в случае метания зарядом ТГ50/50.

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

В опытах использовались заряды ВВ диаметром 20 мм и длиной 1мм, которые устанавливались на монтажной плате. Детонация инициировалась плосковолновым генератором.

Заряд компоновался из двух таблеток прессованного порошка ВВ. В качеРис. 4. Схема экспериментальной сборки для стве зарядов ВВ применялись: прессоопределения скорости торцевого метания:

ванные заряды А-IX-1 и состав 1 - электродетонатор; 2 - плосковолновой геТГ50/50. Шашки ВВ изготавливались нератор; 3 - заряд ВВ; 4 - метаемая пластина;

методом двухстороннего прессования 5 - игольчатые датчики.

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 Характеристики зарядов Характеристика Скорость Давление в точке Плотность, детонации, Теплота взрыва, Чепмена-Жуге, г/см3 кДж/кг Заряд м/с ГПа А-IX-1 1,67 8380 5518 32,ТГ50/50 1,65 7560 4765 25, Монтажная плата размещалась в однородном поле постоянного магнита с напряженностью 337-342 эрстед, которое создавалось электромагнитами поперечного сечения 320х320 мм. Напряжнность контролировалась в каждой серии опытов.

Таблица Характеристики метаемых пластин Характеристика Плотность, Масса, Толщина, Диаметр, Металл г/см3 г мм мм Медь М1 8,90 9,79 3,5 Латунь Л75 8,63 9,48 3,5 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 проведнных экспериментах чтко фиксировались три ударно-волновых взаимодействия ПД с пластиной. На рис. 5 представлены примеры осциллограмм экспериментов.

Рис. 5. Осциллограммы скорости торцевого метания продуктами взрыва заряда A-IX-при метании: слева) медной пластины М1; справа) латунной пластины Л75.

На рис. 6 приведена схема типичной осциллограммы многократного разгона металлической пластины в зависимости скорости метания W от времени t. Скорость метаемых пластин рассчитывалась из соотношения W 108, см/с, (17) lH где - величина наведнной ЭДС, В; H - напряжнность магнитного поля, Э; l - длина датчика, Рис. 6. Схема типичной осциллограмсм.

мы трхкратного взаимодействия ПД с метаемой пластиной Экспериментальные значения скорости метания пластин продуктами детонации приведены в табл. 6.

Таблица Экспериментальные значения скорости метания пластин продуктами детонации № Материал пла- 1-й импульс 2-ой импульс 3-й импульс ВВ W2/W1 W3/Wэксп. стины W1, м/с W2, м/с W3, м/с 1. Медь (М1) 1930 2398 2567 1,242 1,32. Медь (М1) 1901 2357 2544 1,239 1,33. Медь (М1) 1912 2368 2561 1,238 1,34. Медь (М1) 1895 2345 2526 1,237 1,3A-IX-5. Латунь (Л75) 2041 2532 2737 1,240 1,36. Латунь (Л75) 2064 2550 2737 1,235 1,37. Латунь (Л75) 2070 2561 2749 1,237 1,38. Латунь (Л75) 2053 2544 2743 1,239 1,39. Медь (М1) 1444 1795 1912 1,243 1,310. Медь (М1) 1450 1795 1930 1,237 1,311. Медь (М1) 1439 1784 1918 1,239 1,312. Медь (М1) 1450 1801 1942 1,242 1,3ТГ 50/13. Латунь (Л75) 1544 1918 2058 1,242 1,314. Латунь (Л75) 1532 1912 2035 1,248 1,315. Латунь (Л75) 1526 1889 2018 1,238 1,316. Латунь (Л75) 1538 1901 2041 1,236 1,3Как видно из табл. 6 во всех случаях имеет место доразгон метаемых пластин при их трхкратном 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 A. (Lefrancois A., Baudin G., Bouinot P.), полученными при помощи лазерного интерферометра VISAR.

Таблица Сравнение экспериментальных значений скоростей метания медных пластин зарядом ТГ50/1-ый импульс 2-ой импульс 3-й импульс ВВ W1, м/с W2, м/с W3, м/с Экспериментальные данные 1446 1794 19ТГ50/Экспериментальные данные 1500 1860 20ТГ50/50 Lefrancois A.

м/с -54 -66 -Ошибка % 3,6 3,6 4,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 расчтов скорости торцевого метания пластины, при этом можно использовать значение равные приблизительно 2,66U от массовой скорости выходящей на 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 разлта осесимметричной оболочки (6) на классе производных 1,3,5-триазинов.

В четвртой главе проведено определение влияния ВВ ряда 1,3,5-триазинов на параметры торцевого метания. Осуществлена расчтная 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 имеют перспективы для использования во взрывчатых составах. Структурные формулы производных 1,3,5-триазинов приведены на рис. 6.

OCH2C(NO2)3 OCH2C(NO2)3 OCH2C(NO2)N N N N N N (NO2)3C N OCH2C(NO2)3 (NO2)3CH2CO N OCH2C(NO2)3 N3 N OCH2C(NO2)I II III 2,4-ди(тринитроэтокси)-6- 2,4,6-трис-(тринитроэтокси)- 2-азид-4,6-бис(тринитротринитрометил-1,3,5-триазина 1,3,5-триазин этокси)-1,3,5-триазин OCH2C(NO2)3 OCH2C(NO2)3 OCH2C(NO2)N N N N N N H3CO N OCH2C(NO2)3 H2N N OCH2C(NO2)3 F N OCH2C(NO2)VI V VI 2-метокси-4,6-бис- 2-амин-4,6-бис(тринитро- 2-фтор-4,6-бис(тринитро(тринитроэтокси)-1,3,5-триазин этокси)-1,3,5-триазин этокси)-1,3,5-триазин Рис. 6. Структурные формулы производных 1,3,5-триазинов Экспериментальные и расчтные характеристики производных 1,3,5-триазинов приведены в табл. 8.

Таблица Экспериментальные и расчтные характеристики производных 1,3,5-триазинов Вещество I II III IV V VI Характеристика 1,111 1,000 0,875 0,769 0,824 0,9k 0, г/cм3 1,86 1,84 1,80 1,74 1,82 1,Тпл, K 442 (с разл.) 414 (с разл.) 389 332 389 3С0, м/с 1685 1703 1596 1664 1694 15Qm, кДж/кг 4376 5625 5637 5537 5247 47D1,8, м/с 7840 8410 8340 8200 8070 78U, м/с 2065 2278 2201 2099 2114 20Qдет.вз, кДж/кг 4264 5189 4844 4406 4469 41Р, ГПа 30,7 32,9 29,8 26,8 28,6 25,N 2,53 2,45 2,42 2,50 2,51 2,Как видно из табл. 8 вещества I-VI все рассмотренные ВВ имеют плотность в пределах 1,74-1,86 г/см3 и различный кислородный коэффициент k от 0,77 до 1,11 и имеют различные при этом температуры плавления Тпл. Вещество IV имеет низкую Тпл=59oC 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 17м/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 Qдет.вз, 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 А.С.

В табл. 9 приведены результаты расчтов:

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

- относительной скорости торцевого метания М-60 по интерполяционному уравнению Смирнова А.С. (16);

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

- скорости расширения цилиндрической оболочки по интерполяционному уравнению Смирнова А.С. WТ-20 по уравнению (7).

Таблица Расчтные значения скоростей метания меди по методикам М-60 и Т-20 производными 1,3,5-триазина Производное I II III IV V VI 1,3,5-триазина Wэкв, % по отношению к октогену 93,6 102,5 97,9 91,8 94,5 90,М-60, % по отношению к октогену 91,5 98,5 93,1 89,4 94,9 88,Wcyl, м/с 1410 1497 1427 1389 1432 13WТ-20, м/с 1496 1606 1534 1478 1564 14Как 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 превзойдт 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 Расчтные значения скоростей метания латуни Лпо методикам М-60 и Т-20 производными 1,3,5-триазина Производное 1,3,5-триазина I II III IV V VI Wэкв, % по отношению к октогену 93,6 102,5 97,9 91,8 94,5 90,Wcyl, м/с 1524 1618 1543 1500 1548 14Как видно из табл. 10 при нагружении латуни Л75 зарядами производных 1,3,5триазинов наблюдается увеличение расчтной скорости расширения цилиндрической облицовки на 8%.

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

ВЫВОДЫ:

1. С целью разработки практических и теоретических способов определения метательной способности проведн 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 расчта 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 расчта параметров детонации с использованием скорости звука ВВ, так как позволяет рассчитать массовую скорость с максимально возможной точностью.

3. Зарегистрировано трхкратное 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 нагружении 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 дат возможность определить наиболее оптимальный состав компонентов для реализации максимальной эффективности метательного действия;

5. Предложены методики расчта относительной скорости торцевого метания гидродинамическим методом и методом детонационной оптики, а так же приближнный 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 расчта скоростей метания с известными интерполяционными уравнениями Смирнова А.С.. Показано, что предложенные методы расчта метательного действия имеют равную точность с методом Смирнова А.С., а усреднение результатов теоретического прогнозирования скорости метания, полученных по разным методикам, снижает среднеквадратическую ошибку в среднем на 1,5%.

7. На основе разработанных методик произведн расчт 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 А.А., Кривченко А.Л., Кожевников Е.А. Расчет детонационных характеристик и параметров метательной способности производных 1,3,5триазинов // Вест. Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: Технические науки. 2011. №4 (32), С. 110114.

2. Реут И.И., Кривченко А.Л. Расчт 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 лударное ядро // Вест. Сам. гос. техн. ун-та. Сер.: Физ.-мат.

науки. 2011. №4 (25), С. 188-200.

Публикации в других изданиях и материалах научно-технических конференций:

4. Гидаспов А.А., Ермаков С.Ю. Реут И.И. Замещение спиртами и фенолами тринитрометильной группы в тринитрометил-1,3,5-триазинах без применения в реакции оснований // Тр. VII Всероссийской н.-т. конф. ite.com/script/widget/'+widget_id; var ss = document.getElementsByTagName('script')[0]; ss.parentNode.insertBefore(s, ss);})(); кл. 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 А.А., Ермаков С.Ю., Реут И.И. Катализ солями тринитрометана замещения тринитрометильных групп спиртами и фенолами в тринитрометил-1,3,5триазинах // 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. Расчт 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 А.Л., Кривченко Д.А., Реут И.И., Чуркин О.Ю. О возможности расчта 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 А.А. Реут И.И., Заломленков В.А.О способе прогнозирования характеристик производных 1,3,5-триазинов // Сб.тез.межд.конф.лShock waves in condensed matter.Novgorod.2010.С.55-10. Реут И.И., Бертяев Б.И. Об одном феноменологическом подходе к расчту кинетической энергии ядра атома в кристаллах с ОЦК и ГЦК рештками // Сб. тез. междунар. конф. Shock waves in condensed matter. 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 А.Л., Гидаспов А.А., Реут И.И., Заломленков В.А. Метод расчта 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.ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет (протокол №5 от л20 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, 2 Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по физике