книги / Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив

ВВЕДЕНИЕ

Все виды взрывчатых веществ, ракетные, артиллерийские, плазменные, лазерные и винтовочные пороха, смесевые твердые ракетные топлива, пиротехнические средства и гидрореагирующие твердотопливные композиции представляют собой различные классыэнергонасыщенных конденсированных систем (ЭКС).

Энергонасыщенные конденсированные системы – гениальное творение ума и труда многих поколений людей. Без ЭКС нет стрелкового оружия, нет артиллерии, нет основных видов боевых ракет, нет термоядерных зарядов. Без современного и перспективного оружия нет армии, а без армии – могучего независимого государства с современной экономикой.

ЭКС также фундаментально влияют на экономику, на развитие науки и техники, на жизненный уровень населения. Различные виды ЭКС позволили создатьуникальныеивесьмаактуальные технологии. В их числе: добыча полезных ископаемых, эффективная борьба с пожарами, борьба с засухой, градом и лавинами, сварка несвариваемых классическими методами материалов, прогрессивная штамповка, резка металлических и железобетонных изделий, упрочнение стальных конструкций, разработка новых материалов, включая технические алмазы, разработка лекарственных препаратов и эффективное решение многих других проблем.

Массовое применение ЭКС в различных областях жизнедеятельности человеческого общества объясняется их уникальными свойствами:

1)высокой концентрацией энергии в единице объема;

2)возможностью управлять процессом выделения энергии;

3)высокой надежностью и длительными гарантийными сроками хранения и эксплуатации;

4)возможностью создавать заряды любой геометрической

формы.

3

Поддержание необходимого уровня производства ЭКС, достижение конкурентоспособности на мировом рынке вооружений, обеспечение технологической и экологической безопасности населения при производстве и эксплуатации ЭКС невозможны без подготовки специалистов высокой квалификации.

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов специальности «Химическая технология полимерных материалов, порохов и твердых ракетных топлив», изучающих дисциплину «Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив», которая относится к федеральному компоненту цикла специальных дисциплин и базируется на следующих дисциплинах: «Основы технологической безопасности производств энергонасыщенных материалов», «Химия и технология производства компонентов», «Химия и технология пироксилиновых порохов», «Химия и технология баллиститных порохов», «Химия и технология смесевых твердых ракетных топлив», «Баллистика». Дисциплина является завершающей в цикле изучения технологии производства зарядов для ствольных и ракетных систем. Кроме знаний, умений и навыков, полученных в ходе изучения вышеперечисленных дисциплин, студент должен обладать навыками работы на ПЭВМ для производства расчетов и моделирования физико-хими- ческих процессов, протекающих в ЭКС и зарядах из них.

Имеющиеся по данной дисциплине учебные пособия (за исключением учебного пособия Н.Г. Рогова и Ю.А. Груздева «Физико-химические свойства порохов и твердых ракетных топлив») были выпущены более 25 лет назад и, естественно, несколько устарели. К сожалению, вышедшее в 2005 году учебное пособие Н.Г. Рогова и Ю.А. Груздева не в полной мере соответствует обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по направлению подготовки дипломированного специалиста 240700 для специальности 240702 «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив».

Настоящее пособие имеет целью устранить этот пробел.

4

ГЛАВА 1. ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫЕ КОНДЕНСИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

1.1. Общие сведения о взрывном превращении

Энергонасыщенные конденсированные системы (ЭКС) это твердые химические вещества, а также сплавы или смеси, в которых в отличие от других веществ и материалов могут протекать два вида самораспространяющегося взрывного превращения: горение и детонация. При горении или детонации возникает фронт превращения – зона интенсивной химической реакции, отделяющая непрореагировавшее вещество от продуктов реакции и перемещающаяся по системе. Основное формальное различие между горением и детонацией заключается в величине линейной скорости распространения фронта превращения, измеряемой тысячами метров в секунду при детонации и миллиметрами в секунду при горении.

Горение любого горючего на воздухе внешне очень сходно с горением ЭКС. Существенное различие состоит в том, что горение невзрывчатых веществ, как правило, требует доступа воздуха или иного газа, участвующего в реакции, поступление которого в значительной степени определяет течение горения. Горение же ЭКС протекает без участия внешней среды. По существу, применение одного и того же термина «горение» к обоим процессам определяется только их внешним сходством. К.К. Андреев предложил горение ЭКС обозначить иначе, например, как «самостоятельное горение».

При горении теплота, выделившаяся в зоне реакции, передается путем теплопередачи от горячих продуктов реакции к ближайшему слою ЭКС, вызывая в нем, в свою очередь, интенсивную химическую реакцию. То же повторяется и в последующих слоях ЭКС. Скорость распространения сильно зависит от давления, под которым протекает процесс.

В замкнутом пространстве, например, в зарядной каморе орудия, при горении пороха быстро поднимается давление,

5

в связи с чем увеличивается скорость горения; под действием высокого давления происходит быстрое перемещение снаряда или пули. Действие, состоящее в сообщении скорости предмету путем выбрасывания без его разрушения (раскалывания, дроб-

ления), называют метательным действием.

При детонации механизм распространения химического превращения взрывчатого вещества состоит в передаче энергии от слоя к слою волной сжатия, т. е. ударной волной. В этом случае химическое превращение распространяется по веществу со скоростью порядка тысяч метров в секунду. Детонация характеризуется резким скачком давления в месте взрывного превращения до 30–40 МПа (300–400 тысяч кгс/см2) и очень резким дробящим действием на окружающую среду.

Горение ЭКС может при наличии некоторых условий стать неустойчивым, скорость его начинает увеличиваться, а начиная с некоторого ее значения, изменяется режим взрывного превращения – возникает ударная волна. Скорость ударной волны и соответствующая ей скорость детонации продолжает возрастать, но до некоторого предельного значения. Таким образом, скорость взрывного превращения, протекающего по механизму детонации, непрерывно возрастает от минимального до предельного постоянного значения.

Явления, имеющие место в период неустойчивой детонации, называют «взрывом» в узком значении этого слова, а протекающие в условиях устойчивого процесса называют «детонацией», также в узком значении этого слова. Поэтому говорят: «переход горения во взрыв» и «переход горения в детонацию».

В общем случае взрывом называют очень быстрое проявление механической работы, вызываемое внезапным расширением сильно сжатых газов или паров.

Причины внезапного расширения газов или паров могут быть различны. Рассмотрим некоторые из них.

1. Внезапное изменение физического состояния системы, например, разрыв сосуда со сжатым газом. При расширении газа

6

совершается работа разрыва оболочки сосуда, сообщения скорости осколкам и разрушения или повреждения окружающих предметов. Взрывы, вызванные подобными физическими процессами, носят название физических взрывов.

2.Быстрая экзотермическая химическая реакция, протекающая с образованием сильно сжатых газообразных или парообразных продуктов. Примером может служить взрыв дымного пороха, при котором происходит быстрая химическая реакция между селитрой, углем и серой, сопровождающаяся выделением значительного количества теплоты. Образовавшиеся газообразные продукты, нагретые за счет теплоты реакции до высокой температуры, обладают высоким давлением и, расширяясь, производят механическую работу.

Взрывы, вызванные быстрой химической реакцией, носят название химических взрывов. Химическую реакцию, сопровождающуюся или способную сопровождаться взрывом, называют

взрывным превращением.

Вещества, способные к взрывным превращениям, называ-

ют взрывчатыми веществами (ВВ).

3.Быстропротекающие ядерные или термоядерные реакции (реакции деления или соединения атомных ядер), при которых освобождается очень большое количество теплоты. Продукты реакции, оболочка атомной или водородной бомбы и некоторое количество окружающей бомбу среды мгновенно превращаются в нагретые до очень высокой температуры газы, обладающие соответственно высоким давлением. Явление сопровождается колоссальной механической работой.

Взрывы, протекающие в результате таких реакций, носят название атомных взрывов.

Бывают еще электрические, космические и тому подобные взрывы.

Мы будем рассматривать только химические взрывы и соответствующие взрывчатые вещества.

Взрыв протекает в две стадии.

7

Первая стадия – превращение того или иного вида энергии в энергию сильно сжатых газов. Например, при наполнении баллона сжатым газом первой стадией является превращение электрической или механической энергии двигателя в упругую энергию сильно сжатого газа; а первой стадией взрыва дымного пороха является очень быстро протекающая экзотермическая химическая реакция, при которой образуются сильно сжатые газы и пары.

Вторая стадия – мгновенное расширение сильно сжатых газов и паров.

В данном выше определении подчеркнута вторая стадия взрыва, а именно очень быстрое проявление механической работы, вызываемое расширением сильно сжатых газов или паров.

Наоборот, выделяя первую стадию химического взрыва, можно дать ему такое определение: химическим взрывом назы-

вают быстрое экзотермическое химическое превращение, протекающее с образованием сильно сжатых газов и паров и сопровождающееся механической работой разрушения или перемещения окружающей среды.

Возможность химического взрыва определяется тремя условиями: экзотермичностыо химической реакции, наличием газов или паров в продуктах реакции, большой скоростью химической реакции.

Экзотермичность реакции. Для совершения при взрыве механической работы необходимо затратить эквивалентное количество энергии. При взрыве источником энергии является теплота химической реакции. Если для химического превращения вещества требуется приток энергии извне (эндотермическая реакция), то такое превращение не может сопровождаться взрывом. За счет тепловой энергии реакции происходит разогрев газообразных продуктов до температуры в несколько тысяч градусов, их сильное сжатие в объеме взрывчатого вещества и последующее интенсивное расширение.

8

Количество тепла, выделяющегося при взрыве 1 кг ВВ, называется теплотой взрыва. Для современных ВВ теплота взрыва изменяется в пределах от 3750 до 7550 кДж/кг.

Однако условие экзотермичности является необходимым, но недостаточным для протекания реакции в форме взрыва.

Так, известен целый ряд реакций, протекающих с выделением большого количества тепла, но не являющихся взрывчатыми, например, термитная реакция

2Аl + Fe2O3 → А12O3 + 2Fe + 830 кДж/моль.

Так как при этой реакции не образуются газообразные вещества, то и работа не совершается.

Наличие газообразных веществ в продуктах химического превращения. Как во всякой тепловой машине, при взрыве для превращения теплоты химической реакции в механическую работу необходимо рабочее тело – газы или пары; при отсутствии газов или паров такое превращение невозможно, а следовательно, невозможно и явление взрыва. Образование большого количества газообразных и парообразных продуктов реакции обес-

(3 500 ... 4 000 К) продукты взрыва оказываются в чрезвычайно сжатом состоянии (давление при взрыве достигает нескольких десятков тысяч мегапаскалей) и способны разрушить очень прочные преграды. В процессе расширения продуктов взрыва осуществляется быстрый переход потенциальной химической энергии ВВ в механическую работу или кинетическую энергию движущихся газов.

Значение фактора газообразования для процесса взрыва было показано на примере термитной реакции, в результате протекания которой образуются только конденсированные продукты превращения. Эта реакция протекает без взрыва, хотя выделяется большое количество тепла, достаточное для нагревания продуктов реакции до 3000 К.

9

Следовательно, для увеличения разрушительного действия разрывных зарядов артиллерийских и реактивных боеприпасов, а также для их метания следует использовать такие взрывчатые вещества, при взрывчатом превращении которых образуется наибольшее количество газов и паров.

При взрыве 1 кг штатных ВВ образуется от 0,75 до 0,96 м3 газов и паров. Однако такой объем газы и пары занимают при приведении их к нормальным условиям (Т = 273 К, р = 0,1 МПа).

Большая скорость химической реакции. Большая скорость распространения процесса является одним из характерных признаков взрыва, резко отличающих его от обычных химических реакций.

Переход исходного ВВ к конечным продуктам взрыва происходит в течение 0,00001 ... 0,000001 с, а скорость распространения взрыва по массе вещества составляет 7000 ... 9000 м/с.

Скорость распространения взрыва не зависит от внешних условий, так как любое внешнее воздействие совершается со скоростью, значительно меньшей, чем скорость взрыва, а поэтому не успевает повлиять на его протекание.

Взрывчатое превращение вещества может протекать с переменной или постоянной скоростью.

Скорость взрывчатого превращения является важной характеристикой, определяющей скорость выделения энергии, и, как следствие, – эффективность действия взрыва.

Это условие очевидно: экзотермичность реакции должна обеспечить быстрый подъем температуры, а наличие в продуктах реакции газов или паров требует завершения реакции раньше, чем последние начнут расширяться и разбрасывать непрореагировавшие частицы вещества.

Горение порохов (метательных ЭКС), существенно не отличаясь от взрывчатого превращения по количеству выделяющегося тепла и объему газообразных продуктов, в очень сильной степени отличается по скорости процесса. Горение порохов

10