Статья опубликована в №144 (август) 2025
Разделы: Физика, Химия
Размещена 17.08.2025. Последняя правка: 13.12.2025.
Просмотров - 848

ДЕТОНАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НИЗКОИМПУЛЬСНЫХ ЛИСТОВЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Голубев Владимир Константинович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Нижний Новгород; Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен

Независимый эксперт; приглашенный ученый

УДК 662.215.12+662.216.32

Введение

Промышленный низкоимпульсный листовой взрывчатый материал НИЛ используется  для обработки материалов и конструкций энергией взрыва. Он представляет собой листы пенополиуретана с находящимся внутри пор мелкодисперсным порошком тэна или гексогена. Для изготовления этого материала использовался пенополиуретан по ОСТ 6-05-407-75, а условия его изготовления и основные характеристики регламентировались техническими условиями ТУ 84-781-80. Для заполнения каркаса из пенополиуретана используется прежде всего порошок тена (PETN), показывающий более высокую взрывчатую стабильность при экстремально низких плотностях заполнения. При несколько более высоких плотностях заполнения достаточно стабильно работает также и порошок гексогена (RDX). Для обозначения указанных взрывчатых материалов используется соответствующая нумерация 1 и 2. При изготовлении НИЛ-1 используется порошок тэна с удельной площадью поверхности 1500-8000 см²/г.

В качестве основных характеристик листов пенополиуретана используются их толщины, составляющие 5 и 10 мм, и плотности, составляющие 0.02 и 0.04 г/см³. Основной исходной характеристикой взрывчатого материала НИЛ-1 является плотность его наполнения порошком взрывчатого материала, то есть эффективная плотность находящегося в порах пенополиуретанового каркаса порошка тэна. В качестве основных значений плотности наполнения используются значения 0.2 и 0.4 г/см³. Допускается изготовление листовых взрывчатых материалов и с другими необходимыми характеристиками.

В работе [1] были получены экспериментальные результаты по определению скоростей детонации НИЛ-1 в диапазоне плотностей наполнения 0.1-0.3 г/см³, то есть фактически была определена зависимость скорости детонации от плотности наполнения. Было предложено упрощенное уравнение состояния продуктов детонации с линейной зависимостью эффективного показателя адиабаты продуктов детонации от плотности. Проведены расчетные оценки механического воздействия взрыва НИЛ-1 на преграды из нескольких мощных взрывчатых составов. В работе [2] получены экспериментальные результаты по нагружению образцов мощного взрычатого состава ОТК-90 нормальной и скользящей детонацией образцов материала НИЛ-1. Показан пример использования заряда взрывчатого материала НИЛ-1 при взрывной разборке фрагмента реального боеприпаса.

В данной работе для обоих составов, НИЛ-1 и НИЛ-2, поставлена задача расчетного определения их детонационных характеристик и параметров уравнения состояния продуктов детонации в форме Джонса-Уилкинса-Ли (JWL). С целью сопоставления и последующего использования и анализа поставлена также задача подобного расчетного определения аналогичных характеристик низкоплотных порошков тэна и гексогена. Подобные результаты позволят более эффективно использовать указанные низкоимпульсные листовые взрывчатые материалы для более широких условий взрывных испытаний материалов и конструкций.

Результаты расчетов

С целью определения детонационных характеристик рассматриваемых низкоимпульсных взрывчатых материалов НИЛ-1 и НИЛ-2, а также уравнений состояния их продуктов детонации проводились расчеты с использованием термохимической компьютерной программы Explo5 [3]. Аналогичные расчеты в целях сопоставления проводились и для входящих в них низкоплотных порошков тэна и гексогена. Используемый подход к проведению подобных расчетов был довольно общим и здесь, чтобы не вдаваться в детали, можно для примера привести работу [4], в которой изучались детонационные характеристики и уравнение состояния продуктов детонации октогена (HMX). Для расчета детонационных характеристик продуктов детонации использовалось уравнение состояния Беккера-Кистяковского-Уилсона (BKW) в его модифицированной форме BKWN-M. Набор параметров для этой формы уравнения состояния приводится в работе [4], где также использовался набор коволюмов № 2. Параметры уравнения состояния продуктов детонации в форме Джонса-Уилкинса-Ли (JWL) определялись на основании полученной в результате аппроксимации расчетной изэнтропы расширения продуктов детонации в форме

,

где V – относительный удельный объем, а А, В, С, R₁, R₂и ω – подгоночные параметры.

Для проведения термохимических расчетов использовались следующие приведенные в библиотеке программы Explo5 характеристики рассматриваемых веществ, а именно их плотности ρ₀ , химические формулы и стандартные энтальпии образования Δ_fH°_s. Для тэна, гексогена и полиуретана плотности, химические формулы и стандартные энтальпии образования имели соответственно следующие значения и выражения: 1.778, 1.80 и 1.05 г/см³, C₅H₈N₄O₁₂ , C₃H₆N₆O₆ и C_5.29H₁₀N_0.21O_1.47,  -533.656, 70.313 и -268.574 кДж/моль.

Полные термохимические и термодинамические расчеты выполнялись для материалов НИЛ-1 и НИЛ-2 с плотностью наполнения от 0.1 до 0.5 г/см³ и для тэна и гексогена с плотностью от 0.1 до 0.5 г/см³. Указанный для материалов диапазон плотности наполнения соответствует собственно диапазону плотности самих материалов от 0.14 до 0.54 г/см³. Полученные детонационные характеристики НИЛ-1 с разной плотностью наполнения представлены в табл. 1, а полученные детонационные характеристики тэна с разной плотностью представлены в табл. 2. Здесь 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. 1. Детонационные характеристики НИЛ-1 с разной плотностью наполнения

Табл. 2. Детонационные характеристики тэна с разной плотностью

Полученные таким же образом детонационные характеристики НИЛ-2 с разной плотностью наполнения и детонационные характеристики гексогена с разной плотностью представлены в табл. 3, 4.

Табл. 3. Детонационные характеристики НИЛ-2 с разной плотностью наполнения

Табл. 4. Детонационные характеристики гексогена с разной плотностью

Результаты расчетов скорости детонации НИЛ-1 в зависимости от плотности наполнения тэна могут быть сопоставлены с результатами выполненных ранее в работе [1] экспериментов. Результаты такого сопоставления показаны на рис. 1. Естественный разброс экспериментальных результатов, связанный с определенной сложностью процесса наполнения и неидеальностью процесса детонации в такого рода неоднородной гетерогенной системе, тем не менее достаточно хорошо согласуется с полученной расчетной зависимомстью влияния плотности наполнения взрывчатого материала на скорость детонации. Эта тенденция может быть аппроксимирована квадратичной зависимостью скорости детонации от плотности D = 1930.3 + 5131.4 ρ – 2141.4ρ² , R² = 0.9979 с соответствующим коэффициентом детерминации.

 

Рис. 1. Влияние плотности наполнения тэна на скорость детонации НИЛ-1 по результатам проведенных расчетов (кружки) и выполненных в работе [1] экспериментов (квадраты).

В работе [5] были получены экспериментальные результаты по влиянию плотности на скорость детонации тэна, в том числе и в области низких плотностей. Эти результаты были представлены в указанной работе двумя следующими зависимостями скорости детонации от плотности:D = 2.14 + 2.84 ρ км/с, ρ < 0.37 г/см³, и D = 3.19 + 3.70 (ρ – 0.37) км/с, 0.37 г/см³ < ρ. Сопоставление этих экспериментальных результатов с полученными в данной работе расчетными результатами выполнено на рис. 2. Полученные таким образом результаты могут быть аппроксимированы квадратичными зависимостями скорости детонации от плотности для экспериментов D = 2200.3 + 2193.7 ρ + 1164.9 ρ², R² = 0.9995 и для расчетов D = 1930.3 + 5131.4 ρ – 2141.4ρ², R² = 0.9979.

Рис. 2. Влияние плотности тэна на скорость детонации по результатам экспериментов (квадраты) и расчетов (ромбы).

Сопоставительные результаты по влиянию плотности наполнения на скорость детонации НИЛ-1 и по влиянию плотности на скорость детонации тэна показаны на рис. 3. Аналогичные сопоставительные результаты по влиянию на давление детонации показаны на рис. 4. Аппроксимирующие квадратичные зависимости скорости детонации и давления детонации от плотности, приведенные на рис. 3, 4, могут быть представлены в виде D = 1930.3 + 5131.4 ρ -2141.4 ρ², R² = 0.9979 (НИЛ-1) и D = 2165.8 + 2646.1 ρ + 991.91 ρ², R² = 0.9997 (тэн) , и P = 0.0405 + 2.1052 ρ + 6.0857 ρ², R² = 0.9996 (НИЛ-1) и P = 0.0677 + 1.3340 ρ + 5.8436 ρ², R² = 0.9999 (тэн).

 

Рис. 3. Влияние плотности наполнения НИЛ-1 и плотности тэна на скорость детонации НИЛ-1 (кружки) и тэна (ромбы).

 

Рис. 4. Влияние плотности наполнения НИЛ-1 и плотности тэна на давление детонации НИЛ-1 (кружки) и тэна (ромбы).

Сопоставительные результаты по влиянию плотности наполнения на скорость детонации НИЛ-2 и по влиянию плотности на скорость детонации гексогена показаны на рис. 5. Аналогичные сопоставительные результаты по влиянию на давление детонации показаны на рис. 6. Аппроксимирующие квадратичные зависимости скорости детонации и давления детонации от плотности, приведенные на рис. 5, 6, могут быть представлены в виде D = 1864.2 + 5853.6 ρ -2366.5 ρ², R² = 0.9985 (НИЛ-2) и D = 2350.8 + 2720.1 ρ + 1248.7 ρ², R² = 1.0000 (гексоген), и P = 0.0405 + 1.8494 ρ + 7.6921 ρ², R² = 0.9996 (НИЛ-2) и P = 0.0818 + 1.4887 ρ + 6.6786 ρ², R² = 0.9999 (гексоген).

Рис. 5. Влияние плотности наполнения НИЛ-2 и плотности гексогена на скорость детонации НИЛ-2 (кружки) и гексогена (ромбы).

 

Рис. 6. Влияние плотности наполнения НИЛ-2 и плотности гексогена на давление детонации НИЛ-2 (кружки) и гексогена (ромбы).

Сопоставительные результаты по влиянию плотности наполнения на показатель адиабаты продуктов детонации НИЛ-1 и по влиянию плотности на показатель адиабаты продуктов детонации тэна показаны на рис. 7. Сопоставительные результаты по влиянию плотности наполнения  на показатель адиабаты продуктов детонации НИЛ-2 и по влиянию плотности на показатель адиабаты продуктов детонации гексогена показаны на рис. 8. Аппроксимирующие квадратичные зависимости показателя политропы от плотности, приведенные на рис. 7, 8, могут быть представлены в виде k = 1.4424 + 1.9146 ρ - 0.5143 ρ², R² = 0.9951 (НИЛ-1) и k = 1.0870 + 2.6804 ρ -1.0357 ρ², R² = 1.0000 (тэн), и k = 1.3718 + 2.8576 ρ - 1.9643 ρ², R² = 0.9887 (НИЛ-2) и k = 1.1058 + 2.8914 ρ - 1.2857 ρ², R² = 1.0000 (гексоген).

 

Рис. 7. Влияние плотности наполнения НИЛ-1 и плотности тэна на показатель адиабаты продуктов детонации в точке Жуге НИЛ-1 (кружки) и тэна (ромбы).

Рис. 8. Влияние плотности наполнения НИЛ-2 и плотности гексогена на показатель адиабаты продуктов детонации в точке Жуге НИЛ-2 (кружки) и гексогена (ромбы).

В табл. 5, 6 приведен состав продуктов детонации НИЛ-1 и тэна в точке Жуге для различных исходных плотностей тэна при расчете с использованием уравнения состояния продуктов детонации BKWN-M.

Табл. 5. Состав продуктов детонации в точке Жуге для НИЛ-1 с разной плотностью наполнения

Табл. 6. Состав продуктов детонации в точке Жуге для тэна с разной плотностью

В табл. 7, 8 приведен состав продуктов детонации НИЛ-2 и гексогена в точке Жуге для различных исходных плотностей гексогена при расчете с использованием уравнения состояния продуктов детонации BKWN-M.

Табл. 7. Состав продуктов детонации в точке Жуге для НИЛ-2 с разной плотностью наполнения

Табл. 8. Состав продуктов детонации в точке Жуге для гексогена с разной плотностью

Подобные сопоставительные результаты позволяют прояснить тенденции влияния плотности на характер детонации рассмотренных составов, а также, наряду с полученными и приведенными выше детонационными характеристиками, выяснить явное влияние полиуретанового каркаса на характер детонации мелкодисперсных порошков чистых взрывчатых  веществ.  

Полученные в расчетах с использованием уравнения состояния BKWN-M параметры уравнения состояния JWL продуктов детонации материалов НИЛ-1 и НИЛ-2 для двух плотностей наполнения тэном и гексогеном приведены в табл. 9. Эти данные могут непосредственно использоваться при проведении газодинамических расчетов систем, включающих указанные материалы.

Табл. 9. Параметры уравнения состояния JWL продуктов детонации материалов НИЛ-1 и НИЛ-2 для двух плотностей наполнения

Заключение

Проведено расчетное исследование детонационных характеристик листовых взрывчатых материалов НИЛ-1 и НИЛ-2 на основе порошков тэна и гексогена, размещенных в каркасе из низкоплотного пенополиуретана. Диапазон рассмотренных плотностей указанных взрывчатых веществ составлял 0.1 - 0.5 г/см³. В качестве основы для данного изучения явились некоторые полученные ранее экспериментальные результаты по изучению свойств материалов НИЛ и по их использованию при отработке ряда взрывных технологических операций, часть из которых упоминается в работе. Для выполнения задуманной работы использовалась комплексная программа термохимических расчетов Explo5, хорошо зарекомендовавшая себя на большом числе выполненных термохимических и термодинамических исследований различных взрывчатых материалов. Приемлемая степень точности расчетной методики подтверждается хорошим согласием расчетных результатов определения детонационных характеристик тэна в этом диапазоне плотностей с подобными экспериментальными результатами.

Для НИЛ-1 в рассмотренном диапазоне плотностей тэна основные детонационные характеристики, скорость и давление детонации, несколько превышают таковые для чистого тэна за исключением точки минимальной плотности 0.1 г/см³. В то же время для НИЛ-2 наблюдается определенная особенность для зависимости скорости детонации от плотности гексогена. Здесь при подобном ходе зависимостей совпадение значений скорости наблюдается для точки плотности 0.2 г/см³. Для анализа этих зависимостей требуется более детальный физико-химический анализ процессов детонации. С целью проведения в дальнейшем такого анализа для всех случаев определения детонационных характеристик были также определены составы продуктов детонации как материалов НИЛ-1 и НИЛ-2, так и непосредственно тэна и гексогена.

Для обоих материалов, НИЛ-1 и НИЛ-2, и для собственно тэна и гексогена увеличение плотности взрывчатых веществ приводит к увеличению показателя адиабаты продуктов детонации в точке Жуге. При этом значения этого показателя во всех случаях имеют большие значения для взрывчатых материалов по сравнению со значениями для чистых взрывчатых веществ. В результате выполненных расчетов для материалов НИЛ-1 и НИЛ-2  получены также параметры уравнения состояния JWL, которые могут быть использованы при проведении газодинамических расчетов.

1. Голубев В.К., Медведкин В.А. О нагружении преград взрывом низкоплотного листового взрывчатого вещества. // ПМТФ. – 2000. – Т. 41, № 3. – С. 43-47.
2. Голубев В.К., Медведкин В.А., Погорелов А.П. Скоков В.И. Предельная стойкость взрывчатого состава на основе октогена при ударно-волновом нагружении. // ФГВ. – 2000. – Т. 36, № 3. – С. 114-119.
3. Sućeska M. Explo5. Version 6.06 User's Guide. – Zagreb, Croatia, 2021. – 197 p.
4. Голубев В.К. Уравнение состояния продуктов детонации октогена из эксперимента и из термохимического расчета. [Электронный ресурс] // Sci-article.ru. 2023. – URL: http://sci-article.ru/stat.php?i= 1698871889 (дата обращения: 03.11.2023).
5. Hornig H.C., Lee E.L., Finger M., Kurrle K.E. Equation of state of detonation products. // Proc . 5th Symp.(Int.) on Detonation. – Office of Naval Research, Washington, DC, ACR-184. – 1970. – P 503-512.

Рецензии:

21.09.2025, 16:30 Манин Константин Владимирович
Рецензия: Добрый вечер, Владимир Константинович! Статья рекомендована к публикации в журнале. Отдельное спасибо за полное объяснение всех терминов и наличие информативных таблиц. С наилучшими пожеланиями к.б.н Манин К.В.

23.09.2025, 11:03 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: Листовые взрывчатые вещества нашли широкое применение в металлургии для формовки, калибровки, сварки и плакирования взрывом. Известно применение клепки взрывом в авиастроении. Взрывное упрочнение металлических листов может быть достигнуто путем подрыва тонкого слоя пластикового листового взрывчатого вещества в контакте. В статье "ДЕТОНАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НИЗКОИМПУЛЬСНЫХ ЛИСТОВЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ МАТЕРИАЛОВ" автором представлены результаты расчетов детонационных характеристик низкоимпульсных пенополиуретановых листовых взрывчатых материалов НИЛ-1 и НИЛ-2 (взрывчатый поролон) на основе тэна и гексогена, размещенных в каркасе из низкоплотного пенополиуретана с диапазоном плотностей 0.1 - 0.5 г/см3. Статья является актуальной. Cтатью рекомендую к публикации в журнале SCI-ARTICLE.RU.



Комментарии пользователей:

24.09.2025, 22:27 Голубев Владимир Константинович Отзыв: Благодарю уважаемых рецензентов Манина Константина Владимировича и Ашрапова Улугбека Товфиковича за интерес к работе и положительную оценку статьи.

Оставить комментарий