Статья опубликована в №123 (ноябрь) 2023
Разделы: Физика, Химия
Размещена 22.11.2023. Последняя правка: 02.01.2024.
Просмотров - 617

РАСЧЕТ ДЕТОНАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА TKX-50 И ПОЛИМЕРНОГО СВЯЗУЮЩЕГО HTPB

Голубев Владимир Константинович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Нижний Новгород; Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен

Независимый эксперт; приглашенный ученый

УДК 662.21

Введение

Взрывчатое вещество TKX-50 (дигидроксиламмоний 5,5'-бистетразол-1,1'-диолат) явлется одним из новых интересных и перспективных энергетических материалов, разработанных в последние годы. Это вещество характеризуется сочетанием низких значений чувствительности к удару и трению с высокими значениями термической стабильности, плотности и скорости детонации, а также легким, недорогим синтезом и низкой токсичностью. Уже в течение нескольких лет наблюдается повышенное внимания к этому энергетическому материалу и продолжаются широкие исследования его разнообразных свойств, что подробно описано в недавно вышедшей обзорной работе руководителя группы разработчиков этого и многих других энергетических материалов [1].

В плане дальнейших работ в данном направлении автором запущен цикл расчетных работ по определению возможностей создания взрывчатых составов на основе TKX-50 с использованием различных инертных и энергетических полимерных связующих материалов [2-5]. Основными параметрами сравнения в данном цикле являются, прежде всего, детонационные характеристики рассматриваемых составов. Эти характеристики, несомненно, должны быть учтены в качестве основных наряду с рассмотрением и изучением и других физико-химических и технологических свойств разрабатываемых новых взрывчатых составов.

В предшествующих работах рассмотрены три энергетических полимерных связующих, такие как GAP [4], AMMO и BAMO [5], а также одно инертное полимерное связующее парафин [3]. Для большей полноты картины представилось целесообразным рассмотреть еще одно инертное полимерное связующее, которое весьма широко используется при производстве твердых ракетных топлив и взрывчатых составов, а именно HTPB (полибутадиен с концевыми гидроксильными группами). Свойства этого полимерного материала достаточно хорошо изучены и приведены в значительном числе работ. Его структурная формула показана на рис. 1. Необходимые для проведения термохимических расчетов значения стандартной энтальпии образования Δ_fH°, приведенные в разных работах, в достаточной степени стабильны и не вызывают дополнительных вопросов. В данной работе для выполнения расчетов выбрано приведенное в работах [6-8] значение Δ_fH° = -51.88 кДж/моль.

 

Рис. 1. Молекулярная структура полибутадиена с концевыми гидроксильными группами (HTPB).

Результаты расчетов

Расчетное определение детонационных характеристик, химического состава образующихся продуктов детонации (ПД) и изэнтроп расширения ПД проводилось при проведении термохимических и термодинамических расчетов, для которых используются специализированные компьютерные программы. В данной работе, как и в указанных предшествующих работах [2-5], для этих целей использовалась программа EXPLO5 [9]. В расчетах использовались следующие молекулярные формулы, плотности и энтальпии образования TKX-50 и HTPB: C₂H₈N₁₀O₄ и C₁₀H_15.4O_0.07, 1.877 и 0.92 г/см³, 194.1 и -51.88 кДж/моль.

С целью исследования влияния добавки указанного инертного связующего на детонационные характеристики получаемого на основе TKX-50 композиционного энергетического состава было проведено две серии расчетов. Используемая методология расчетов была полностью аналогична используемой в работах [3-5]. В первой серии в диапазоне содержания инертного наполнителя до 50 об% получены зависимости основных детонационных характеристик композиционного материала от объемного и массового содержания TKX-50. Этими характеристиками являются, прежде всего, скорость детонации D, давление детонации P, температура детонации T, показатель адиабаты продуктов детонации (ПД) в точке Жуге k, теплота взрыва Q и объем газообразных ПД V_g. В тех же термохимических расчетах были определены химические составы образующихся в точке Жуге продуктов детонации и их эволюция в процессе увеличения содержания в композиционном материале инертного наполнителя. Во второй серии расчетов получены детонационные характеристики для энергетических композиционных составов на основе TKX-50 с 5 и 10 мас% HTPB. Рассматривались составы, имеющие начальную пористость в пределах до 10 %.

Рассчитанные детонационные характеристики для указанных условий первой серии расчетов, то есть в диапазоне содержания инертного наполнителя до 50 об.%, приведены в табл. 1. Объемное и массовое содержание TKX-50 обозначается здесь φ_t и ω_t. Для объемных и массовых содержаний TKX-50 и HTPB выполняются соответствующие элементарные соотношения: φ_t + φ_h = 1, ω_t + ω_h = 1.

Табл. 1. Детонационные характеристики энергетического состава в зависимости от объемного и массового содержания TKX-50 и HTPB

Полученные зависимости от объемного содержания TKX-50 для таких основных детонационных характеристик, как скорость и давление детонации, показаны на рис. 2, 3.

 

Рис. 2. Влияние объемного содержания TKX-50 на скорость детонации энергетического состава с HTPB.

 

Рис. 3. Влияние объемного содержания TKX-50 на давление детонации энергетического состава с HTPB.

Рассчитанные химические составы образующихся в точке Жуге продуктов детонации для энергетического состава на основе TKX-50 и HTPB приведены в табл. 2. Зависимости молярного содержания четырех продуктов, концентрация которых во всем рассматриваемом диапазоне φ_t превышает 1 мол%, от содержания TKX-50 показаны на рис. 4. Приведенные на рисунке функциональные зависимости для указанных линий тренда располагаются сверху вниз в последовательности, указанной в подписи к рисунку.

Табл. 2. Состав продуктов детонации в точке Жуге для композиционного энергетического материала TKX-50–HTPB в зависимости от объемного содержания компонентов

   

Рис. 4. Влияние объемного содержания TKX-50 в энергетическом составе TKX-50 – HTPB на концентрацию таких продуктов детонации, как азот (ромбы), вода (квадраты), углерод (треугольники) и аммиак (кружки).

В следующей серии расчетов все детонационные характеристики получены для энергетических композиционных материалов на основе TKX-50 с 5 и 10 мас.% HTPB. В этом случае указанные добавки выступают уже не как инертный наполнитель, а как связующее для композиционных взрывчатых составов. Вот для этих составов и рассматриваются условия детонации в случаях, когда они имеют начальную пористость до 10 %. Эти составы можно условно обозначить как 0.95T–0.05H и 0.90T–0.10H. Все рассчитанные детонационные характеристики этих составов приведены в табл. 3, 4, а зависимости скорости и давления детонации от объемного содержания взрывчатого состава φ_с или его пористости π_с показаны на рис. 5, 6. Объемное содержание состава и его пористость связаны элементарным соотношением φ_с + π_с = 1. Рассматривалось влияние начальной пористости материалов в пределах до 10 %.

Табл. 3. Детонационные характеристики композиционного взрывчатого состава 0.95T–0.05H в зависимости от его объемного содержания в образце (пористости)

Табл. 4. Детонационные характеристики композиционного взрывчатого состава 0.90T–0.10H в зависимости от его объемного содержания в образце (пористости)

 

Рис. 5. Влияние объемного содержания материала (пористости) на скорость детонации взрывчатых составов 0.95T–0.05H (ромбы) и 0.90T–0.10H (квадраты).

 

Рис. 6. Влияние объемного содержания материала (пористости) на давление детонации взрывчатых составов 0.95T–0.05H (ромбы) и 0.90T–0.10H (квадраты).

Представилось также целесообразным сопоставить некоторые полученные для взрывчатого состава 95T-0.05H результаты с детонационными характеристиками, полученными ранее для состава 95T-0.05P с инертным связующим парафином. Подобное сопоставление показано на рис. 7, 8. Можно наблюдать, что в энергетическом плане эти составы очень близки и выбор между ними может быть обусловлен только возможным различием других физико-химических и технологических свойств.

 

Рис. 7. Влияние объемного содержания материала (пористости) на скорость детонации взрывчатых составов 0.95T–0.05H (ромбы) и 0.95T–0.05P (квадраты).

 

Рис. 8. Влияние объемного содержания материала (пористости) на давление детонации взрывчатых составов 0.95T–0.05H (ромбы) и 0.95T–0.05P (квадраты).

Заключение

В результате выполненных термохимических расчетов для энергетического композиционного состава на основе взрывчатого вещества TKX-50 с различным содержанием инертного полимерного наполнителя HTPB получены результаты по определению фактически всех основных детонационных характеристик в диапазоне содержания наполнителя до 50 об.%. Как и ранее, в случае использования парафина в качестве инертного полимерного связующего, было определено влияние на детонационные характеристики рассмотренных взрывчатых составов с 5 и 10 мас.% HTPB их начальной пористости в пределах до 10 %. Сравнение с результатами, полученными ранее для парафина, указывает на то, что взрывчатые составы с этими инертными связующими обладают очень близкими детонационными характеристиками.

1. Klapötke T.M. TKX-50: A highly promising secondary explosive // Materials Research and Applications: Select Papers from JCH8-2019. – Singapore: Springer Nature Pte Ltd., 2021. – P. 1-91.
2. Голубев В.К. Влияние заданного значения энтальпии образования на детонационные характеристики на примере энергетического материала TKX-50 [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU. – 2021. URL: http://sci-article.ru/stat.php?i=1613592890 (дата обращения: 21.03.2021).
3. Голубев В.К. Расчет детонационных характеристик энергетического композиционного материала на основе взрывчатого вещества TKX-50 и парафина [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU. – 2021. URL: http://sci-article.ru/stat.php?i=1615941046 (дата обращения: 21.03.2021).
4. Голубев В.К. Расчет детонационных характеристик энергетического композиционного материала на основе взрывчатого вещества TKX-50 и энергетического связующего GAP [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU. – 2021. URL: http://sci-article.ru/stat.php?i=1617162201 (дата обращения: 21.03.2021).
5. Голубев В.К. Расчет детонационных характеристик энергетических композиционных материалов на основе взрывчатого вещества TKX-50 и энергетических полимерных связующих AMMO И BAMO [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU. – 2021. URL: http://sci-article.ru/stat.php?i=1619906382 (дата обращения: 06.05.2021).
6. Risha G.A. Metals, energetic additives, and special binders used in solid fuels for hybrid rockets: Chapter 10 / G.A. Risha, B.J. Evans, E. Boyer, K.K. Kuo // Fundamentals of hybrid rocket combustion and propulsion. Eds. M. J. Chiaverini and K.K. Kuo. – Reston, VA: AIAA, 2007. – P. 413-456.
7. Xiao Z. Current trends in energetic thermoplastic elastomers as binders in high energy insensitive propellants in China / Z. Xiao, W. He, S. Ying, W. Zhou, F. Xu // Sci. Tech. Energetic Materials. – 2014. – Vol. 75, No. 2. – P. 37-43.
8. Badgujar D.M. New directions in the area of modern energetic polymers: An overview / D.M. Badgujar, M.B. Talawar, V.E. Zarko, P.P. Mahulikar // Combust. Explos. Shock Waves. – 2017. – Vol. 53, No. 4. – 371-387.
9. Sućeska M. Explo5. Version 6.04 User's Guide. – Zagreb, Croatia, 2017. – 174 p.

Рецензии:

21.12.2023, 17:28 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: В данной статье автором выполнены термохимические расчеты для энергетического композиционного состава на основе взрывчатого вещества TKX-50 с различным содержанием инертного полимерного наполнителя HTPB. TKX-50 — один из самых интересных новых энергетических материалов, разработанных в последние годы, поскольку он демонстрирует большие перспективы для будущего применения в качестве вторичного взрывчатого вещества. TKX-50 демонстрирует высокую термическую стабильность, плотностью и скоростью детонации, а также простым, недорогим синтезом и низкой токсичностью, что делает его особенно привлекательным в качестве будущего высокоэффективного взрывчатого вещества с повышенной безопасностью. Статью "РАСЧЕТ ДЕТОНАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА TKX-50 И ПОЛИМЕРНОГО СВЯЗУЮЩЕГО HTPB" рекомендую к публикации.

21.12.2023, 18:40 Балтаева Мухаббат Матназаровна
Рецензия: Статья посвящена расчету детонационных характеристик энергетического композиционного состава на основе взрывчатого вещества TKX-50 (дигидроксиламмоний 5,5'-бистетразол-1,1'-диолат) и полимерного связующего HTPB (полибутадиен с концевыми гидроксильными группами) Статья обладает признаками актуальности, основана на экспериментально-лабораторных работах. По проведенной библиографии о её новизне судить невозможно. Работа понравилась рецензенту как для работников с научными экспериментами в этой сфере. В результате выполненных термохимических расчетов для энергетического композиционного состава на основе взрывчатого вещества TKX-50 с различным содержанием инертного полимерного наполнителя HTPB получены результаты по определению фактически всех основных детонационных характеристик в диапазоне содержания наполнителя до 50 об.%. В случае использования парафина в качестве инертного полимерного связующего, было определено влияние на детонационные характеристики рассмотренных взрывчатых составов с 5 и 10 мас.% HTPB их начальной пористости в пределах до 10 %. Сравнение с результатами, полученными ранее для парафина, указывает на то, что взрывчатые составы с этими инертными связующими обладают очень близкими детонационными характеристиками. Но не стоит забывать, что это статью будет опубликована в электронном журнале, и его будут читать каждый человек, который имеет доступ к интернету. Замечание: цель работы надо сформулировать в общем формате. На взгляд рецензента, крайне необходимо автору надо показать ссылки после каждого вывода на использованный источник. В принципе работа рецензенту очень понравилась, и после учёта его замечаний может быть опубликована в разделе химии. Желаю вам удачи. С уважением доцент, к.х.н. Балтаева Мухаббат Матназаровна.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий