Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?

Научные направления

Поделиться:
Статья опубликована в №123 (ноябрь) 2023
Разделы: Физика, Химия
Размещена 22.11.2023. Последняя правка: 02.01.2024.
Просмотров - 424

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

Аннотация:
Выполнены расчеты детонационных характеристик энергетического композиционного состава на основе взрывчатого вещества TKX-50 (дигидроксиламмоний 5,5'-бистетразол-1,1'-диолат) с инертным полимерными связующим HTPB (полибутадиен с концевыми гидроксильными группами). Рассматривалось изменение объемного содержание TKX-50 в пределах от 50 до 100 %. С использованием программы термохимических расчетов EXPLO5 определены все основные детонационные характеристики рассмотренного энергетического композиционного состава в зависимости от объемного либо массового содержания TKX-50. Для всех рассмотренных концентраций компонентов определены химические составы образующихся в точке Жуге продуктов детонации. В ряде расчетов получены детонационные характеристики энергетических композиционных составов, на основе TKX-50 с 5 и 10 мас.% связующего HTPB. Рассматривались энергетические составы, имеющие начальную пористость в пределах до 10 %.


Abstract:
Calculations of detonation characteristics of an energetic composition based on the TKX-50 explosive (dihydroxylammonium 5,5'-bistetrazol-1,1'-diolate) with an inert polymer binder HTPB (hydroxyl terminated polybutadiene) have been carried out. A change in the volumetric content of TKX-50 ranging from 50 to 100% was considered. Using the EXPLO5 thermochemical calculation program, all the main detonation characteristics of the considered energetic composition were determined depending on the volume or mass content of TKX-50. For all the considered concentrations of components, the chemical compositions of the detonation products formed at the Jouguet point were determined. In a number of calculations, the detonation characteristics of energetic compositions based on TKX-50 with 5 and 10 wt.% HTPB binder were obtained. Energy compositions with an initial porosity of up to 10% were considered.


Ключевые слова:
энергетический композиционный состав; взрывчатое вещество TKX-50; дигидроксиламмоний 5,5'-бистетразол-1,1'-диолат; инертное полимерное связующее HTPB; детонационные характеристики; продукты детонации

Keywords:
energetic composition; high explosive TKX-50; dihydroxylammonium 5,5'-bistetrazole-1,1'-diolate; inert polymeric binders HTPB; detonation characteristics; detonation products


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 ΔfH°, 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 ΔfH° = -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 C10H15.4O0.07, 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 Vg. 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 φt и ωt. Для объемных и массовых содержаний TKX-50 и HTPB выполняются соответствующие элементарные соотношения: φt + φh = 1, ωt + ωh = 1.

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

TKX-50

ρ0

D

P

T

k

Q

Vg

φt

ωt

g/cm3

m/s

GPa

K

 

kJ/kg

dm3/kg

1

1

1.877

9456

37.02

3043

3.533

-4711

924.2

0.95

0.9749

1.829

9207

34.25

2978

3.526

-4590

919.8

0.90

0.9484

1.781

8957

31.67

2902

3.512

-4459

913.8

0.85

0.9204

1.733

8708

29.19

2817

3.502

-4321

906.8

0.80

0.8908

1.686

8461

26.82

2725

3.501

-4180

899.0

0.75

0.8596

1.638

8208

24.51

2629

3.504

-4035

890.4

0.70

0.8264

1.590

7953

22.48

2534

3.473

-3886

880.8

0.65

0.7912

1.542

7695

20.31

2429

3.495

-3734

870.6

0.60

0.7537

1.494

7433

18.35

2325

3.498

-3577

859.2

0.55

0.7138

1.446

7165

16.61

2222

3.469

-3414

846.5

0.50

0.6711

1.399

6896

14.95

2115

3.451

-3243

832.5

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 φt 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

TKX-50,  φt

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

    Products

 

 

Mol %

 

 

    N2

46.4032

40.3569

35.3823

31.2084

27.6189

24.1714

    H2O

32.7348

30.9424

28.2272

25.3439

22.3314

19.1279

    C(s,d)

15.8278

21.9971

26.7996

30.7929

34.2285

37.5748

    CH2O2

1.7659

0.9040

0.6092

0.4857

0.4278

0.3839

    NH3

1.4825

3.0793

4.3110

4.7871

4.4846

3.7502

    CO

0.5538

0.4283

0.3967

0.4117

0.4685

0.5119

    H2

0.5433

1.1493

1.7015

2.0348

2.0930

1.8661

    CO2

0.4531

0.2043

0.1570

0.1686

0.2386

0.3708

    CH4

0.1787

0.7263

1.8253

3.5127

5.8784

8.7747

    C2H6

0.0244

0.1553

0.5078

1.1484

2.1081

3.3455

    HCN

0.0240

0.0322

0.0344

0.0320

0.0262

0.0183

    C2H4

0.0055

0.0201

0.0434

0.0696

0.0919

0.1002

    N2H4

0.0024

0.0036

0.0030

0.0018

0.0007

0.0002

    CH3OH

0.0004

0.0009

0.0016

0.0024

0.0035

0.0043

    H

0.0001

0.0001

0.0001

0.0001

0

0


   

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 φс или его пористости πс показаны на рис. 5, 6. Объемное содержание состава и его пористость связаны элементарным соотношением φс + πс = 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)

0.95T-0.05H

ρ0

D

P

T

k

Q

Vg

φс

g/cm3

m/s

GPa

K

 

kJ/kg

dm3/kg

1

1.784

8973

31.83

2907

3.513

-4467

914.2

0.99

1.766

8889

30.90

2911

3.516

-4464

915.0

0.98

1.748

8805

30.25

2924

3.480

-4460

915.7

0.97

1.730

8722

29.55

2934

3.456

-4457

916.6

0.96

1.713

8641

28.75

2940

3.448

-4453

917.5

0.95

1.695

8560

28.08

2949

3.422

-4449

918.5

0.94

1.677

8480

27.47

2960

3.391

-4444

919.5

0.93

1.659

8401

26.81

2968

3.367

-4439

920.6

0.92

1.641

8324

26.20

2977

3.341

-4434

921.8

0.91

1.623

8247

25.69

2989

3.298

-4428

923.0

0.90

1.606

8172

25.03

2995

3.284

-4422

924.5

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

0.90T-0.10H

ρ0

D

P

T

k

Q

Vg

φс

g/cm3

m/s

GPa

K

 

kJ/kg

dm3/kg

1

1.700

8535

27.49

2753

3.504

-4223

901.5

0.99

1.683

8454

26.86

2762

3.479

-4221

902.4

0.98

1.666

8373

26.13

2767

3.471

-4218

903.5

0.97

1.649

8294

25.51

2775

3.446

-4215

904.5

0.96

1.632

8216

25.04

2787

3.399

-4211

905.5

0.95

1.615

8138

24.37

2791

3.390

-4208

906.8

0.94

1.598

8062

23.88

2802

3.349

-4204

907.9

0.93

1.581

7986

23.23

2806

3.341

-4199

909.3

0.92

1.564

7912

22.80

2817

3.295

-4194

910.6

0.91

1.547

7839

22.18

2820

3.286

-4189

912.2

0.90

1.530

7767

21.69

2827

3.256

-4183

913.7


 

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.

Библиографический список:

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.

28.12.2023 8:08 Ответ на рецензию автора Голубев Владимир Константинович:
Благодарю уважаемого рецензента Ашрапова Улугбека Товфиковича за интерес к работе и положительную оценку статьи.

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.
28.12.2023 8:08 Ответ на рецензию автора Голубев Владимир Константинович:
Благодарю уважаемого рецензента Балтаеву Мухаббат Матназаровну за интерес к работе и положительную оценку статьи. Должен отметить, что статья является продолжением серии работ по изучению детонационных характеристик нового взрывчатого вещества ТКХ-50 [1] и композиционных взрывчатых составов на его основе с использованием различных связующих. В указанных предшествующих работах этой серии [2-5] приведены используемые в расчетах свойства ТКХ-50 и показано, что общей целью проведения этой серии является выбор оптимальных связующих и их содержания для целей практического использования указанного взрывчатого вещества. Используемое в расчетах значение стандартной энтальпии образования НТРВ выбрано на основании данных, приведенных в работах [6-8]. Расчеты детонационных характеристик выполнялись с использованием термохимической программы EXPLO5 [9].



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх