CC BY
8—I Масса, г 15,6
Рисунок 8. Зависимость скорости горения АМНГ от массы образца
В четвертую группу (образец не воспламенился) вошли следующие образцы: АНУ и ДАНКМГ/У5.
Результаты работ представлены в таблице 7.
Исходя из представленного графика зависимости скорости горения АМНГ от массы образца, можно предположить, что с дальнейшим увеличением массы можно получить еще более высокую скорость горения. Однако, также можно ожидать и переход горения в детонацию.
Подавить процесс взрывного горения путем введения низкоэнтальпийного вещества (уретана) не удалось. При большом количестве флегматизатора (64 %) состав не воспламенился. На начальном этапе, при введении в состав уретана до 20 % наблюдается уменьшение скорости горения, но исходя из
рисунка 8, можно сказать, что уретан никакого влияния не оказал.
Вещества, относящиеся ко 2 группе (быстрое горение 1000-3000 мм/с), воспламеняются стабильно от воспламенителя и сгорают полностью.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Исследованы процессы горения веществ на основе производных мочевины в условиях стендовых испытаний. Показано, что изученные вещества классифицируются на 4 группы по следующим признакам: взрывное горение, быстрое горение, медленное горение и отсутствие горения.
2. Образцы АНГК и АНГК/У20 имеют высокую скорость горения до 8000 мм/с, при этом горение носит взрывной характер.
3. Ко 2 группе веществ (быстрое горение) относятся высокоэнергетические соединения со скоростью горения в интервале 1000-3000 мм/с.
4. К 3 группе веществ (медленное горение) относятся высокоэнергетические соединения со скоростью горения в интервале 8-18 мм/с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сакович Г.В., Ильясов С.Г., Казанцев И.В., Ильясов Д.С., Аверин А.А., Шатный М.В. // Ползунов-ский вестник. - 2011. - № 4. - С.
2. Сакович Г.В., Ильясов С.Г., Казанцев И.В., Ильясов Д.С., Аверин А.А. // Ползуновский вестник. -2011. - № 4. - С.
8,5
11,4
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ АММОНИЕВОЙ СОЛИ НИТРОМОЧЕВИНЫ В УСЛОВИЯХ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ
Г.В. Сакович1, С.Г. Ильясов1, И.В. Казанцев1, Д.С. Ильясов1, А.А. Аверин2
1 Учреждение Российской академии наук Институт проблем химико-энергетических технологий
Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) 2 ОАО «Федеральный научно-производственный центр «Алтай»
В работе представлены результаты стендовых и карьерных испытаний по исследованию процессов горения аммониевой соли нитромочевины (АНМ) и невзрывчатого газогене-рирующего состава на ее основе.
Ключевые слова: скорость горения, газопроизводительность, аммониевая соль нитромочевины, низкотемпературный газогенератор.
ВВЕДЕНИЕ мером является аммониевая соль нитромо-
... чевины (АНМ) с газовой производительно-
Термодинамические расчеты нитропро- стью на уровне 1242 л/кг при Р=0,098 МПа,
изводных мочевины показывают высокую т_опо „
г ,п п ' —298 К.
удельную газопроизводительность [1]. При-
Перспективность направления по созданию низкотемпературных газогенерирующих составов на основе нитропроизводных мочевины заключается в том, что данное соединение, как индивидуальный компонент, возможно рассматривать с позиции монотоплива, способного к самоподдерживающемуся горению в широком диапазоне давлений и реализации большого объема относительно «холодных» газов (900^1100 К). Кроме того, АНМ является низкочувствительным взрывчатым веществом, а газогенерирующий состав на ее основе АНМУ не способен развивать детонацию, что является предпосылкой для разработки портативных газогенераторов специального назначения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Испытанию подвергались образцы АНМ путем сжигания в газогенераторе со свободным объемом 70 см3. Схема генератора представлена на рисунке 1.
1 - сопловой вкладыш, 2 - решетка, 3 - сопловая крышка, 4 - воспламенитель, 5 - бронировка, 6 -образец ВВ, 7 - заглушка
3
Рисунок 1. Схема газогенератора V=70 см
Температура в камере генератора измеряется датчиком ИС-470 (градуировки ВР), а давление - пьезометрическим датчиком ЛХ-412. С помощью соплового вкладыша можно выбирать давление в камере для надежного зажигания, исследуемого образца. Рабочее положение генератора - вертикальное.
Образцы АНМ готовились двух размеров: d = 20 мм, h = 30 мм и d = 20 мм, h = 15 мм. Удельное давление прессования образцов - 800 кг/см2, 1000 кг/см2 и 1200 кг/см2. Перед испытанием высота каждого образца измеряется штангенциркулем.
Для облегчения зажигания на гладкую поверхность образца наносятся риски. Воспламенитель, состоящий из смеси черного пороха марки КЗДП и ДРП, крепится на поверхности образца с помощью липкой ленты (рисунок 2). Инициирование воспламенителя проводилось от нихромового мостика. Запальные концы мостика выводились через сопло.
новее
v .■■
' ^■l'-'r s
т
1 - воспламенитель; 2 - липкая лента; 3 - образец; 4 - бронировка
Рисунок 2. Схема образца с бронировкой и воспламенителем
Предусмотрена оценка влияния тепловой защиты на показания термопары путем теплоизоляции стенок генератора с помощью текстолитового вставного стакана.
Спай термопары в камере расположен над поверхностью образца на расстоянии, не менее 10 мм.
Помимо термопары, расположенной в камере, еще одна термопара помещалась за срезом сопла. Схема установки спая показана на рисунке 3.
1 - термопара;2 - сопло Рисунок 3. Схема установки термопары
Конструкция газогенератора объемом камеры сгорания 140 см3 представлена на рисунке 4.
Температура в камере генератора измерялась датчиком ИС-470 (градуировки ВР), а давление - пьезометрическим датчиком ЛХ-
412. Рабочее положение генератора - верти- водится от нихромового мостика. Запальные
кальное. Воспламенитель, смесь пороха концы мостика выводятся через текстолито-
КЗДП и ДРП, насыпали на поверхность об- вый стаканчик и контактные электроды. разца. Инициирование воспламенителя про-
контактные электроды Рисунок 4. Схема газогенератора объемом 140 см3
Таблица 1
Результаты отработки режимов воспламенения
№ опыта Размер сопла Воспламенитель Зажигание образца Номинал датчика давления, кг/см2 Примечание
1 С = 6 мм (медь) 2 г КЗДП-2 + 1 г ДРП-1 Отказ 150 —
2 С = 6 мм (медь) 5 г КЗДП-2 + 2 г ДРП-1 Отказ 150 Образец загорелся, но сразу погас
3 С = 3 мм 5 г КЗДП-2 + 2 г Образец сго- 150 Датчик зашка-
(медь) ДРП-1 рел полностью лил
4 С = 3 мм (медь) 2 г КЗДП-2 + 1 г ДРП-1 Образец сгорел 600 —
5 С = 3 мм (медь) 1 г КЗДП-2 + 1 г ДРП-1 + 2 шт. пиротехнических таблеток ЗТ-65 Образец сгорел не полностью 600 Температура в камере 1050 °С
Примечание: данные образцы АНМ имели размер с1 = 20 мм, И = 30 мм
Таблица 2
Результаты испытаний образцов
№ образца Давление, кг/см2 Время горения, мс Высота образца, мм Скорость горения, мм/с Уд.давление прессования, кг/см2
15 290 20 14,9 745 1000
16 311 15 15,6 1040 1200
17 243 21 13,9 662 1000
18 221 29 13,25 457 1200
Примечание: разброс по скоростям горения ~ 50 %.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Первые испытания по горению образцов в газогенераторе объемом 70 см3 показали плохую воспламеняемость образцов и за отсутствием данных по скорости горения АНМ давление, при котором образец начинает устойчиво гореть, подбиралось опытным путем.
В таблице 1 приведены некоторые результаты отработки режима воспламенения. Практически, все образцы высотой И=30 мм сгорали не полностью и, начиная с образца № 12, использовалась высота И = 15 мм.
Устойчивое горение образцов получили при следующих условиях заряжания:
- сопло 3,5 мм (сталь);
- воспламенитель 2,5 г КЗДП-2 + 1 г ДРП-1.
Диаграммы зависимости температуры от времени показаны на рисунке 5-6. Максимальная температура в этих опытах 820 °С, а минимальная 450 °С.
I град,С ] Тип изделия: ЙМ1
. к . о.боо о.ео<
Рисунок 5. Зависимость температуры от времени при сгорании образца №16
(град.с > !ип и»д«лмя: ОНИ
450 400 э«о ООО ( — """ -
250 гею 1в0 »оо^ 50 А —р Я ЩГ7
-тп Ьс- 77Г- -гН та-
Рисунок 6. Зависимость температуры от времени при сгорании образца № 18
Влияния теплоизоляции стенок генератора (текстолитовый тонкостенный стакан) на кривой Т(т) замечено не было.
Опыты №№ 14, 15 совпадают в пределах погрешности эксперимента и близки к расчетной температуре Трасч = 817 °С. Результаты испытаний некоторых образцов приведены в таблице 2.
Результаты измерений показали, что АНМ горит неустойчиво - это так называемая низкочастотная неустойчивость [2]. Такая неустойчивость наблюдается при колебательных процессах в камере сгорания, когда давление меняется (как в нашем случае) настолько быстро, что температура поверхности горения не успевает отслеживать эти изменения. Низкочастотная неустойчивость характерна для двигателей малого калибра.
Внешними проявлениями такой неустойчивости являются прерывистое горение или гашение заряда после запуска, что и наблюдается в наших опытах.
Согласно теории горения топлив [1] следует, что для повышения устойчивости при низкочастотных колебаниях необходимо повышать рабочее давление, либо увеличивать свободный объём камеры сгорания.
В наших экспериментах образцы сгорали устойчиво при давлениях Р > 22 МПа.
С целью уменьшения пористости образцов и, как следствие, для получения стабильного послойного горения решено включить в состав полимерный продукт СУРЭЛ-9М (каучук, синтетический уретановый) и родственное по структуре АНМ низкоплавкое соединение уретан (Тпл=48,5-50 °С).
На начальном этапе работ была проведена оценка воспламеняемости образцов с целью выявления влияния добавки флегма-тизатора. Работы проводились в манометрической камере со свободным объемом 70 см3. В качестве воспламенителя использовался дымный порох ДРП. Методом «холодного» прессования были изготовлены образцы диаметром 20 мм. Параметры инициирования (время задержки, скорость нарастания dP/dt и dT/dt) регистрировались контрольными приборами в зависимости от свойств образца. Результаты работ по оценке воспламеняемости образцов АНМ, АНМУ представлены в таблице 3.
Анализ представленных результатов показывает, что на начальном этапе, при увеличении содержания уретана уменьшается скорость горения, увеличивается время задержки воспламенения образцов и выход на стационарный (стабильный) режим горения. Использование более мощного воспламенителя позволяет минимизировать «провал» и, практически, сразу выйти на постоянную скорость горения.
Характеристика образцов АНМУ (параметры инициирования)
Таблица 3
Наименование АНМ АНМУ, содержащий флегматизатор, %
2,5 5,0 5,0 7,5 7,5 10,0
Масса, г 12,2 11,9 11,8 12,0 12,5 18,7 12,6
Усилие прессования, кг/см2 900 900 1200 1500 1500 1500 1500
Диаметр, мм 20,1 20,1 20,1 20,1 20,1 20,1 20,1
Высота, мм 27,5 26,6 26,8 25,7 26,2 40,5 26,4
Плотность, г/см3 1,40 1,41 1,40 1,49 1,50 1,46 1,50
Масса воспламенителя, г 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 3,0 2,0
Скорость горения, см/с 140 135 95 105 100 190 110
Результаты работ по сравнительной оценке воспламеняемости состава АНМК (5 % каучука) представлены в таблице 4.
Таблица 4 Характеристика образцов АНМК
Наименование АНМК (5 %)
Масса, г 12 12,1
Усилие прессования, кг/см2 1500 1500
Диаметр, мм 20,1 20,1
Высота, мм 24,9 24,8
Плотность, г/см3 1,52 1,54
Масса воспламенителя, г 2 3
Скорость горения, см/с - 27,5
Анализ представленных результатов показывает, что воспламеняемость АНМК хуже, чем АНМУ. Образцы воспламеняются труднее и горят более медленно.
Для исключения влияния низкочастотной неустойчивости при сжигании образцов использовался газогенератор с увеличенным свободным объемом (У0=140 см3) камеры сгорания. Новая конструкция газогенератора повлекла изменение конструкции воспламенителя и зарядов для испытаний. Так как образцы АНМУ и АНМК стабильно воспламеняются только при достижении давления в камере более 15 МПа, то для его получения необходим воспламенитель массой 10 г. Для создания максимального начального давления (при наличии сопла) конструкция воспламенителя должна быть шаровидной формы диаметром 25 мм. Для получения достоверных результатов использовались заряды более крупных размеров (С=25мм, Ь=45-50 мм), которые помещались в текстолитовый стаканчик. Текстолит играет роль бронировки по боковой и торцевой поверхностям и позволяет осуществлять инициирование зарядов независимо от соплового блока. Результаты испытаний приведены в таблице 5.
Таблица 5
Результаты испытаний образцов АНМУ и АНМК
Анализ представленных результатов показывает, что воспламеняемость АНМК хуже, чем АНМУ. Образцы воспламеняются труднее и горят более медленно.
которые помещались в текстолитовый стаканчик. Текстолит играет роль бронировки по боковой и торцевой поверхностям и позволяет осуществлять инициирование зарядов независимо от соплового блока. Результаты испытаний приведены в таблице 5.
Таблица 5
Результаты испытаний образцов АНМУ и АНМК
Наименование АНМУ, со держащий уретан, % АНМК, %
5 5 7,5 7,5 10 5 5
Масса, г 30,0 29,8 35,0 35,7 35,9 15,0 28,0
Усилие прессования, кг/см2 1500 1200 1500 1500 1500 1500 1500
Диаметр, мм 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2 25,2
Высота, мм 41,6 43,1 48,3 50,1 50 19,5 36,8
Плотность, г/см3 1,45 1,39 1,45 1,43 1,44 1,54 1,53
Масса воспламенителя, г 10,0 10,0 8,0 7,0 7,0 15,0 15,0
Сопло, мм 2,9 3,3 4,5 5,0 5,0 2,9 2,9
Скорость горения, см/с 320 350 270 250 отказ 75 65
Анализ полученных результатов показывает, что включение в состав флегматизато-ра положительно отразилось на баллистических характеристиках. Образцы АНМУ при содержании флегматизатора на уровне 5-7,5 % способны стабильно воспламеняться при достижении давления 15-20 МПа и гореть со скоростью 2,5-3 м/с.
Использование каучука не принесло положительных результатов. Для воспламене-
ния требуется слишком большая навеска воспламенителя до 15-20 г. Только два образца из десяти сгорели стабильно, при начальном импульсе 60-70 МПа.
Были проведены испытания состава АНМ в качестве газогенератора динамического нагружения минеральной породы гранит, отбойка гранитных блоков.
Работа в карьерах по добычи природного камня имеет свои специфические особен-
ности из-за опасности нарушения целостности массива.
Такие характеристики АНМ, как большой удельный газоприход, высокая скорость реакции газовыделения, а главное - взрывобе-зопасность и отсутствие детонации позволяют использовать ее при добыче природных облицовочных камней.
В качестве эксперимента были проведены работы на карьере по добыче гранита месторождения «Новое», расположенного в с. Удаловка Турачакского района Республики Алтай. Месторождение сложено среднезер-нистыми гранитами массивной текстурой светло - серого цвета. С апреля 2004 года в карьере ведется добыча камня.
Для испытания был использован уступ гранита следующих характеристик:
- высота 1,7 м;
- ширина 3,5 м.
Уступ имел нижнюю (пастельную) трещину и разлом по правому краю (рисунок 7).
Рисунок 7. Фото1
Опыт № 1.
Предварительно, на расстоянии 1,5 м от края, были пробурены шпуры, диаметром 36 мм и глубиной 1,2 м. Было заряжено 15 шпуров. Тринадцать средних - зарядами массой 90 г. Патроны с АНМ (по одному в шпур) располагались в шахматном порядке на глубине от 50 до 110 см. Два крайних шпура были снаряжены парными зарядами по 40 г. В качестве забойки использовалась мелкая гранитная крошка.
После инициирования блок № 1 откололся ровно по плоскости бурения шпуров (рисунок 8).
Опыт № 2.
Масса зарядов и схема расположения аналогичны опыту № 1. Линия шпуров пробурена на расстоянии 2 м от края.
Рисунок 8. Фото 2
После инициирования блок № 2 отломился ровно по плоскости бурения шпуров (рисунок 9).
Рисунок 9. Фото 3
Проведенные эксперименты показали хорошие результаты по использованию АНМ при добыче природного камня. Использование методики газодинамического разрушения позволяет производить откол монолитных кусков камня заданных размеров. Осмотр уступа гранита после применения АНМ показал сохранность целостности нижележащего массива.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Исследованы процессы горения аммониевой соли нитромочевины и невзрывчатого газогенерирующего состава на ее основе АНМУ в условиях стендовых испытаний. Показано, что образцы АНМ и АНМУ в свободном объеме 70 см3 горят неустойчиво. При использовании газогенератора со свободным объемом 140 см3 низкочастотная неустойчивость устраняется увеличением массы воспламенителя.
2. Образцы АНМУ, при содержании флегматизатора на уровне 5-7,5 % способны стабильно воспламеняться при достижении давления 15-20 МПа и гореть со скоростью 2,5-3 м/с.
3. Состав АМН был испытан с положительным эффектом на карьере по отбойке горной породы, гранита месторождения «Новое», расположенного в с. Удаловка Турачак-ского района Республики Алтай. В результате было получено 2 бездефектных блока.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сакович Г.В., Ильясов С.Г., Казанцев И.В., Ильясов Д.С., Аверин А.А., Шатный М.В. // Ползунов-ский вестник. - 2011. - № 4. - С.
2. Орлова Б.В., Мазинг Г.Ю. Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе. М.: Машиностроение, 1964. - С. 221- 227.
КУМУЛЯТИВНЫЙ СИНТЕЗ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМПОЗИЦИОННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.Ф. Комаров1, Г. В. Сакович1, Н.И. Попок1, В. К. Кедринский2, С. А.
2 2 3
Кинеловский2, В.Т. Кузавов2, С.А. Громилов3
1 Учреждение Российской академии наук Институт проблем химико-энергетических техно-
логий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН), г. Бийск
2 Учреждение Российской академии Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибир-
ского отделения РАН (ИГиЛ СО РАН), г. Новосибирск
3 Учреждение Российской академии Институт неорганической химии Сибирского отделения
РАН (ИНХ СО РАН), г. Новосибирск
Разработано композиционное взрывчатое вещество, в состав которого введена смесь порошков вольфрама и углерода в объемном соотношении 1:1. На зарядах с кумулятивной выемкой осуществлен синтез карбида вольфрама в кумулятивной струе. Приведены характеристики синтезированного продукта.
Ключевые слова: КВВ, кумулятивный заряд, синтез в кумулятивной струе, карбид вольфрама.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование возможностей получения новых соединений и структурно-фазовых состояний в экстремальных условиях является одной из наиболее актуальных фундаментальных проблем физики и современного материаловедения. Одним из перспективных направлений такого синтеза является использование энергии взрыва. Взрывные технологии успешно применялись для синтеза определенных материалов, например, можно вспомнить взрывной метод получения ультрадисперсных алмазов [1, 2], затем развитый в промышленное производство [3, 4], или ударноволновой синтез ряда соединений, в том числе с использованием ампул сохранения [5, 6]. Имеется ещё одно интересное направление исследований взрывных технологий, связанное с использованием кумулятивных зарядов.
Характерной особенностью кумулятивного взрыва является косое соударение, ускоренных с помощью взрыва, металлических пластин (плоский вариант) или взрывное обжатие осесимметричных металлических оболочек, являющихся в обоих вариантах облицовками кумулятивной выемки. При изготовлении облицовки кумулятивного заряда из пористого материала, в частности, из порошковых смесей, реализуемые при обжатии пористых облицовок высокие уровни давления и температуры открывают перспективы для осуществления как фазовых переходов в материале, так и для синтеза новых, в том числе неравновесных структур, отличных от исходного материала [7, 8]. При этом вместо компактной кумулятивной струи образуется разуплотненный поток частиц материала облицовки (рисунок 1), который может быть использован для нанесения покрытия на преграду-подложку [9]. Помимо этого, было обнаружено, что при взаимодействии кумуля-
