Разделы: Физика, Техника
Размещена 27.06.2025. Последняя правка: 27.06.2025.
Просмотров - 178

ВОЗДЕЙСТВИЕ ДЕТОНАЦИОННОЙ ВОЛНЫ В ЗАРЯДАХ TKX-50 И ДРУГИХ ВВ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРЕГРАДЫ

Голубев Владимир Константинович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Нижний Новгород; Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен

Независимый эксперт; приглашенный ученый

УДК 662.215.23

Введение

Энергетический материал TKX-50 (дигидроксиламмоний 5,5'-бистетразол-1,1'-диолат) был синтезирован и довольно детально исследован в работе [1]. Некоторые дополнительные результаты по исследованию его свойств были также приведены в последующей работе [2]. Было указано, что TKX-50 можно легко, дешево и безопасно приготовить из легкодоступных химических веществ. Вещество характеризуется относительно простой технологией изготовления, является достаточно мощным и обладает необходимой термической стойкостью, низкой токсичностью и высокой безопасностью при его механической обработке. Его различные физико-химические свойства были определены с использованием методов рентгеновской дифрактометрии, ядерного магнитного резонанса, инфракрасной спектроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии. Также были определены его чувствительности к удару, трению и электростатическому разряду.

В обзоре [3] показано, что с момента первого опубликования результатов по синтезу TKX-50 [1] и по определению его различных физико-химических свойств значительное число последующих работ многих исследовательских групп было посвящено дальнейшему изучению свойств этого интересного и многообещающего энергетического материала. Однако из материалов обзора, посвященных результатам определения такой важной энергетической характеристики энергетического материала, как его стандартная энтальпия образования, нельзя получить представление о реальном значении этой действительно очень важной характеристики. Приведенные в обзоре значения различных авторов характеризовались значительным разбросом и не позволяли сделать окончательный вывод о наиболее достоверном значении этой величины. Это, в свою очередь, затруднило получение окончательных выводов о достоверности используемых в расчетах взрывных процессов детонационных характеристиках энергетического материала TKX-50 и взрывчатых составов на его основе.

Расчеты взрывных процессов в TKX-50 и сопоставление его детонационных характеристик и взрывной эффективности с рядом других мощных ВВ проводились в работах [4, 5]. Однако в этих расчетах использовалось завышенное значение стандартной энтальпии образования TKX-50 из работы [1], что в свою очередь, привело к несколько завышенным значениям детонационных характеристик и параметров взрывной эффективности. В настоящее время, в связи с получением более точных данных по энтальпии образования TKX-50, более достоверные результаты могут быть получены и по другим его характеристикам и свойствам.

На недоработки, связанные с отсутствием уверенных точных данных по энтальпии образования TKX-50 в обзоре [3], было обращено внимание в работе [6], в которой были кратко проанализированы все известные результаты, связанные с попытками определения стандартной энтальпии образования этого энергетического материала. В частности, было показано, что этим вопросом занимались исследователи ведущей российской группы по изучению термохимических свойств энергетических материалов и полученные ими результаты были опубликованы в работах [7-9]. В краткой работе [7] калориметрические измерения при сжигании образцов TKX-50 двух партий, полученных в результате разных синтезов, были выполнены на прецизионном автоматическом калориметре сжигания с изотермической оболочкой, разработанном специально для сжигания энергоемких соединений. При этом в обеих партиях определены практически одинаковые величины стандартных энтальпий образования ТКХ-50. Полученное средневзвешенное значение Δ_fH°_s составило 194.1 ± 0.9 кДж/моль. В работах [8, 9] постановка опытов и полученные результаты были описаны более подробно. Здесь, в качестве подтверждения высокой точности измерений, было также получено значение стандартной энтальпии образования диаммония 5,5'-бистетразол-1,1'-диолата.

Полученное в работах [7-9] значение стандартной энтальпии образования TKX-50 было использовано в ряде работ для выяснения влияния различных полимерных связующих на детонационные свойства образованных с их участием энергетических композиционных материалов на основе энергетического материала TKX-50. Расчеты в этих работах проводились с использованием термохимической программы Explo5 [10, 11]. Рассматривались как инертные, так и энергетические связующие. Полученные материалы были опубликованы в целом ряде статей и частично доложены на конференции по новым моделям и гидрокодам для физики ударных волн PETER 2021, а также приведены в трудах конференции[12].

В последующем были выполнены два капитальных экспериментальных исследования [13, 14], связанных с получением дополнительной информации по стандартной энтальпии образования и некоторым другим свойствам TKX-50. В работе [13] для стандартной энтальпии образования TKX-50 было получено значение 213.4 ± 1.2 кДж/моль, а измеренное значение теплоты детонации составило 4650 ± 50 кДж/кг. Стандартный опыт был проведен по разлету медной трубки при взрыве внутри нее заряда из состава TKX-50 с 3 мас.% парафина, и параметры уравнения состояния JWL для продуктов детонации были определены. В работе [14] для стандартной энтальпии образования TKX-50 было получено значение 175.3 ± 1.9 кДж/моль, а измеренное значение стандартной энтальпии сублимации составило 165 ± 2.4 кДж/моль. Таким образом, эти результаты с хорошей степенью достоверности подтвердили результаты, полученные в работах [7-9]. И это позволяет с большей степенью уверенности определить детонационные характеристики и взрывную эффективность TKX-50 и взрывчатых составов на его основе как индивидуально, так и в сравнении с другими взрывчатыми веществами. В данной работе приведена часть результатов этого проводимого в настоящее время исследования, связанная с изучением воздействия детонационной волны в зарядах TKX-50 на металлические преграды.

Результаты расчетов

В работе проведено сопоставительное расчетное изучение воздействия детонационной волны в зарядах TKX-50 и в зарядах других ВВ, таких как тротил (TNT), триаминотринитробензол (TATB), тэн (PETN), гексоген (RDX), октоген (HMX) и гексанитрогексаазаизовюрцитан (HNIW) на металлические преграды. Для использования в качестве преград рассматривались металлы, позволяющие перекрыть достаточно широкий диапазон по такой динамической характеристике, как акустический импеданс ρ_mc₀. Здесь ρ_m – это плотность компактного металла при нормальных условиях, а c₀ характеризует объемную скорость звука или первый коэффициент в линейном D-u – соотношении для ударной адиабаты.

Уравнение состояния продуктов детонации TKX-50 изучалось в работе [15] с использованием термохимической программы Explo5 [10]. Используемые для термохимического расчета характеристики материала, такие как формула молекулы, плотность ρ_e и стандартная энтальпии образования Δ_fH°_s, приведены в табл. 1. Там же приведены эти характеристики для указанных выше ВВ, используемых для сравнения. Характеристики для них взяты в базе данных программы Explo5.

Табл. 1. Характеристи TKX-50 и других ВВ, используемые для термохимического расчета

Используемые далее в работе детонационные характеристики TKX-50, полученные при расчете с применением уравнения состояния продуктов детонации BKWN-M [15], приведены в табл. 2. Там же приведены детонационные характеристики указанных выше ВВ, полученные для той же формы уравнения состояния. В таблице использованы следующие обозначения: D–скорость детонации, P– давление детонации, T – температура детонации, k – показатель адиабаты продуктов детонации в точке Жуге, Q – теплота детонации, V_g – объем газообразных продуктов детонации.

Табл. 2. Детонационные характеристики TKX-50 и других ВВ при расчете с использованием уравнения состояния продуктов детонации BKWN-M

 

Параметры уравнения состояния JWL продуктов детонации TKX-50 и других ВВ приведены в табл. 3. Эти параметры полностью характеризуют уравнение состояния JWL и входят в соответствующую изэнтропу расширения продуктов детонации

.

Табл. 3. Параметры уравнения состояния JWL продуктов детонации TKX-50 и других ВВ при расчете с использованием уравнения состояния BKWN-M

 

Рассмотрение поведения параметра k в зависимости от давления в уравнении состояния BKWN-M указывает на то, что в области высоких давлений его значение с приемлемой степенью точности может быть принято за постоянную величину, определенную в точке Жуге. Подтверждающие такой подход зависимости этого параметра от давления для двух ВВ, RDX и HMX, показаны на рис. 1, 2 в диапазонах давления вплоть до соответствующих точек Жуге.

 

Рис. 1. Влияние давления на значение параметра k для продуктов детонации RDX.

 

Рис. 2. Влияние давления на значение параметра k для продуктов детонации HMX.

Воздействие детонационной волны в зарядах ВВ на металлические преграды рассматривалось с использованием простого расчетного метода, приведенного в таких пособиях по физике взрыва, как [16, 17]. Для этого использовались ударные адиабаты рассматриваемых металлов в виде линейных соотношений между массовой u и волновой D_m скоростями. В этом случае давление в ударной волне, возбуждаемой в металлической преграде, определяется по формуле

.

Давление же в продуктах детонации при их торможении на металлической преграде в зависимости от их массовой скорости u выражается в следующем виде

.

Из условия равенства давлений и массовых скоростей на контактной границе продукты детонации – металлическая преграда их значения P_b и u_b могут быть определены с использованием приведенных формул. Необходимые для расчетов параметры ударных адиабат выбранных металлов, а также их акустические импедансы приведены в табл. 4. С целью какого-то единообразия все данные взяты здесь из одного источника [16]. Металлы выбраны таким образом, чтобы значения их акустических импедансов перекрывали весь достаточно широкий диапазон достаточно равномерно. С этой целью в рассмотренный набор металлов был включен также один сплав ВНЖ-90.

Табл. 4. Параметры ударных адиабат металлов, используемых в качестве преград для торможения продуктов детонации

 

Результаты определения давлений и массовых скоростей на контактных границах при использовании для нагружения различных взрывчатых веществ приведены в табл. 5, 6. Основная задача рассмотрения – это сопоставление такого рода результатов с результатами, полученными для TKX-50. Это сопоставление очень наглядно показано на графиках рис. 3-8. Здесь на каждом из рисунков в виде ромбов указаны результаты для TKX-50, а в виде квадратов подобные результаты для других ВВ.

Табл. 5. Давления на контактных границах продукты детонации – металлическая преграда при использовании для нагружения различных взрывчатых веществ

 

Табл. 6. Массовые скорости на контактных границах продукты детонации - металлическая преграда при использовании для нагружения различных взрывчатых веществ

 

  

Рис. 3. Влияние акустического импеданса металла на контактное давление (слева) и массовую скорость (справа) при нагружении преграды детонационной волной в заряде TNT.

  

Рис. 4. Влияние акустического импеданса металла на контактное давление (слева) и массовую скорость (справа) при нагружении преграды детонационной волной в заряде TATB.

  

Рис. 5. Влияние акустического импеданса металла на контактное давление (слева) и массовую скорость (справа) при нагружении преграды детонационной волной в заряде PETN.

  

Рис. 6. Влияние акустического импеданса металла на контактное давление (слева) и массовую скорость (справа) при нагружении преграды детонационной волной в заряде RDX.

  

Рис. 7. Влияние акустического импеданса металла на контактное давление (слева) и массовую скорость (справа) при нагружении преграды детонационной волной в заряде HMX.

  

Рис. 8. Влияние акустического импеданса металла на контактное давление (слева) и массовую скорость (справа) при нагружении преграды детонационной волной в заряде HNIW.

Можно отметить, что результаты определения контактных давлений и массовых скоростей при нагружении металлических преград зарядом TKX-50 наиболее близко соответствуют результатам, полученным для RDX. В то же время результаты определения этих условий нагружения, полученные для HMX и PETN, находятся несколько выше и ниже соответствующих условий для TKX-50. Указанные результаты показаны на рис. 9 в виде значений отношения P₂/P₁, где P₁ - контактное давление для TKX-50, а P₂ - контактные давления для HMX, RDX и PETN. Здесь во всех случаях также просматривается тенденция определенного снижения указанных отношений при увеличении значения акустического импеданса.

 

Рис. 9. Влияние акустического импеданса металла на контактное давление при нагружении преград детонационной волной в зарядах HMX, RDX и PETN (сверху вниз).

Заключение

В работе выполнено сравнительное расчетное исследование воздействия детонационной волны в зарядах ряда взрывчатых веществ, таких как тротил (TNT), тэн (PETN), гексоген (RDX), дигидроксиламмонийбистетразолдиолат (TKX-50), октоген (HMX), триаминотринитробензол (TATB) и гексанитрогексаазаизовюрцитан (HNIW) на преграды из различных металлов в широком диапазоне изменения их динамических свойств. Основная задача рассмотрения – это сопоставление такого рода результатов, полученных для нового взрывчатого вещества TKX-50с результатами, полученными для известных и в значительной степени изученных взрывчатых веществ. Рассматривались преграды из таких металлов, как магний, алюминий, цинк, медь, никель, молибден, тантал, сплав ВНЖ-90, вольфрам. В качестве рассматриваемой динамической характеристики металлов было взято значение их акустического импеданса, которое изменялось в пределах (7.750 – 76.776) 10⁶ кг/(м²с). В результате проведенных расчетов для всех случаев нагружения были определены значения давлений и массовых скоростей на границах раздела между продуктами детонации и металлическими преградами. Что касается энергетического материала TKX-50, то показано, что по своей взрывной эффективности он может несколько превышать гексоген, но не может в этом плане быть сопоставим с более мощным октогеном.

1. Fischer N., Fischer D., Klapötke T.M., Piercey D.G., Stierstorfer J. Pushing the limits of energetic materials – the synthesis and characterization of dihydroxylammonium 5,5'-bistetrazole-1,1'-diolate // J. Mater. Chem. - 2012. - Vol. 22, Iss. 38. - P. 20418-20422.
2. Fischer N., Klapötke T.M., Mušanić S.M., Stierstorfer J., Sućeska M. TKX-50 // Proc. 16th Int. Seminar "New Trends in Research of Energetic Materials". - Pardubice, Czech Republic, 2013. - P. 566-577.
3. 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.
4. Golubev V.K., Klapötke T.M. Comparative analysis of shock wave action of TKX-50 and some other explosives on various barriers. Proc. 17th Int. Seminar "New Trends in Research of Energetic Materials". Pardubice: University of Pardubice, Czech Republic, 2014. P. 672-676.
5. Golubev V.K., Klapötke T.M. Comparative analysis of TKX-50, MAD-X1, RDX and HMX blasting performance in one-, two- and three-dimensional geometry. In Proc. 17th Int. Seminar "New Trends in Research of Energetic Materials". Pardubice: University of Pardubice, Czech Republic, 2014. P. 220-227.
6. 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: 21.02.2021).
7. Конькова Т.С., Матюшин Ю.Н., Вахтина А.И., Мирошниченко Е.А., Асаченко А.Ф., Джеваков П.Б., Шишов Н.И. Термохимические свойства ТКХ-50 (дигидроксиламмоний-5,5'-бистетразолат-1,1'-диолат) // Успехи в специальной химии и химической технологии. - М.: ДеЛи плюс, 2015. - C. 167-168.
8. Konkova T.S., Matjushin J.N., Miroshnichenko E.A., Asachenko A.F., Dzhevakov P.B. Thermochemical properties TKX-50 (Dihidroxylammonium-5,5-bistetrazole-1,1-diolate) // Annual Conference (International) of ICT. - Karlsruhe, Germany, 2016. - P. 90/1–90/8.
9. Конькова Т.С. Матюшин Ю.Н., Мирошниченко Е.А., Махов М.Н., Воробьев А.Б., Иноземцев А.В. Энергетические свойства производных 1,2,4-триазола // Горение и взрыв. - 2018. - Т. 11, №4. - С. 90-99.
10. Sućeska M. Explo5. Version 6.06 User's Guide. – Zagreb, Croatia, 2021. – 197 p.
11. Suceska M., Tumara B.S., Künzel M. Using thermochemical code Explo5 to predict the performance parameters of explosives // High Energy Materials. – 2021. – Vol. 13. – P. 17-27.
12. Golubev V.K., Klapötke T.M. Calculated estimations of the performance for TKX-50 based formulations. Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2154. PETER 2021 New Models and Hydrocodes for Shock Wave Physics. 012006 (9 p.).
13. Klapötke T.M., Cudziło S., Trzciński W.A. An answer to the question about the energetic performance of TKX-50. Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2023. Vol. 47, Iss. 6. e202100358 (9 p.).
14. Silva A.L.R., Almeida A.R.R.P., Ribeiro da Silva M.D.M.C., Reinhardt J., Klapotke T.M. On the enthalpy of formation and enthalpy of sublimation of dihydroxylammonium 5,5’-bitetrazole-1,1’-dioxide (TKX-50). Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2023. Vol. 48, Iss. 7. e202200361 (13 p.).
15. Голубев В. К. Анализ уравнения состояния продуктов детонации TKX-50, полученного в термохимичском расчете. [Электронный ресурс] // Sci-article.ru. 2024. – URL: http://sci-article.ru/stat.php?i= 1710013135 (дата обращения: 14.03.2024).
16. Андреев С.Г., Бабкин А.В., Баум Ф.А., Имховик Н.А., Кобылкин И.Ф., Колпаков В.И., Ладов С.В., Одинцов В.А., Орленко Л.П., Охитин В.Н., Селиванов В.В., Соловьев В.С., Станюкович К.П., Челышев В.П., Шехтер Б.И. Физика взрыва / Под ред. Л. П. Орленко. – Изд. 3-е, испр. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. – В 2 т. – Т. 1 832 с. – Т. 2 656 с.
17. Глушак Б. Л. Начала физики взрыва: Учебное издание. - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2011.- 308 с.

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий