Военная кафедра

Определение параметров детонации заряда ВВ


                Министерство образования Российской Федерации

              Самарский Государственный Технический Университет

               Кафедра "Технология твердых химических веществ"



                        Отчет по лабораторным работам
           «Определение и расчет параметров детонации зарядов ВВ»



                                             Студентки 5-ИТ-1 Н. Б. Ивановой
                                                                   Проверил:
                                                   Профессор А. Л. Кривченко



                               Самара 2001 г.
                         1. Цель лабораторной работы

    Целью  работы  является:  изучение  современных  методик   исследования
быстропротекающих процессов, анализ способов теоретического  прогнозирования
параметров  детонации  и  определение  параметров  детонации  и  метательной
способности зарядов из БВВ.

               2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЕТОНАЦИИ ЗАРЯДОВ ВВ

                 1. Основные явления, определяющие детонацию

    Взрывчатые вещества (ВВ) — это вещества, способные  к  экзотермическому
превращению, .которое  передается  от  реагирующего  слоя  .к  близлежащему,
распространяясь в виде волны по всему заряду ВВ.  Для  того  чтобы  процесс,
именуемый детонацией, оказался принципиально возможным,  .необходимо,  чтобы
реакция  экзотермического  превращения  протекала  за  чрезвычайно  короткое
время. Такие времена  реакции,  порядка  1  мкс,  возможны  лишь  при  очень
высоких давлениях,  при  которых  волны  сжатия  всегда  трансформируются  в
ударные  волны.  Таким  образом,  детонацию  можно  представить   себе   как
совокупное действие ударной волны и химической реакции, при которой  ударный
импульс инициирует реакцию, а энергия реакции поддерживает амплитуду  волны,
(скорость детонации различных  ВВ  составляет  от  1500  до  10000  м/с),  а
давление непосредственно за фронтом волны — от 1 до 50 ГПа.
    Процесс превращения исходного  ВВ  в  конечные  продукты  взрыва  можно
представить следующим образом. Исходное  состояние  системы  характеризуется
начальным давлением Ро  и  начальным  удельным  объемом  Vо.  Под  действием
ударной волны ВВ сжимается и его исходное состояние (точка  с.  координатами
Ро,  Vо)  скачком  изменяется  и  соответствует  точке  P1  V1  динамической
адиабаты. В сжатом ВВ  начинается  химическая  реакция.  Вследствие  реакция
выделяется тепло. При этом состояние системы будет описываться не  адиабатой
исходных продуктов, а адиабатой продуктов взрыва, которая лежит  выше  из-за
выделения тепла. Графически этот процесс .представлен Р—V диаграммой на  puc
1. [pic]

    Если процесс детонации стационарен, то переход от исходного вещества  к
адиабате продуктов взрыва совершается по  прямой  линии,  соединяющей  точки
Р1, V1 и Pо, Vо. Состояние Р1, V1 на диаграмме, отвечающее ударному  фронту,
распространяется по ВВ 'со скоростью детонации D.
    При стационарной детонации с такой же скоростью должны распространяться
и другие промежуточные состояния, соответствующие  выделению  той  или  иной
доля  полной  энергии.  Следовательно;  изменение   состояний   в   процессе
химической реакции должно происходить по прямой, соединяющей точки, так  как
только  Р1,  V1  и  Pо,  Vо  на  этой  прямой  все  промежуточные  состояния
распространяются  по  ВВ   со   скоростью   D.   Прямая   равных   скоростей
распространения на Р—V диаграмме, по которой  происходит  .переход  с  одной
адиабаты на другую —  эта  прямая  Михельсона-Релея.  Точка  касания  прямой
Михельсона-Релея с адиабатой конечных продуктов взрыва —точка  Чепмена-Жуге.
Она отвечает моменту окончания химической реакции и выделению  максимального
количества тепла, идущего на поддержание процесса детонации.
    Для полного описания процесса  детонации,  помимо  знания  давления  за
фронтом ударной волны и скорости детонации, необходимо  знать  распределение
скорости потока продуктов детонации (ПД) за фронтом волны во времени  U=U(t)
и время существования  самой  волны.  Зная  параметры  D  и  U=U{t},  можно,
основываясь на выводах  гидродинамической  теории,  рассчитать  давление  за
фронтом волны Р, показатель политропы процесса  п  ,  определить  во  многих
случаях время химической реакции т и ширину зоны химической реакции (ЗХР)  —
а.
    Современная гидродинамическая теория детонации позволяет  математически
описать  процесс  детонации  ВВ  с   помощью  уравнений  сохранения   массы,
импульса   и   энергии,    уравнения   состояния   продуктов   детонации   и
дополнительного уравнения, так называемого условия касания.
    Уравнение состояния ПД в общем виде выглядит следующим образом:
[pic]
где f — функция описывает главным  образом  тепловое  движение;  g  —  силы,
возникающие при межатомном взаимодействии.
    Уравнение Лалдау-Зельдовича вида Р=А(n имеет достаточно простой вид и с
некоторыми допущения  описывает состояние  ПД  во  всем  диапазоне  давлений
расширяющихся  ПД,  поэтому  оно  использовало   для   вывода   соотношений,
определяющих параметры детонации.
    В общем виде система уравнений может быть записана следующая:
(оD=((D-U); (1)
P=  (оDU;   (2)
(-(о-QV=1/2P(Vo-V);    (3)
Р=А(n       (4)
[pic] (5)
где (о и (— плотность заряда ВВ и  ПД  соответственно;
Vо и V — удельный объем ВВ и ПД;  D  —  скорость  детонации;  U  —  массовая
скорость ПД; ( и (о   — внутренняя энергия ВВ и ПД; Qv — теплота  взрыва;  А
— постоянная; п — показатель политропы.
Заметим плотность в уравнении (4) на удельный объем
P=A*1/Vn    (6)
и продифференцируем обе части данного уравнения
[pic] (7)
подставив данное выражение в условие касания (5), получим
[pic] (8)
Из этого следует, что
[pic] (9)
или
[pic] (10)
Совместным решением уравнений (1) и (2) получим уравнение прямой Михельсона-
Рэлея в виде
[pic] (11)
Подставив в уравнение (4) выражение (8), получим
[pic] (12)
Заменив Р на его выражение из уравнения (2), получим
D/U=n+1     (13)
Используя  уравнения  (9)  и  (13),  получим   следующие   соотношения   для
параметров детонации:
[pic] (14)
P=(оDU=[pic]     (15)
[pic] (16)
[pic] (17)
    Анализ данных уравнений показывает, что для определения всех параметров
детонации необходимо и достаточно  измерить  любые  два  параметра  в  точке
Чепмена-Жуге, где заканчиваются все химические  превращения.
    Теоретический профиль распределения давления или массовой  скорости  от
времени в детонационной волне, приведен на рис. 2.

                                    [pic]

Время  (,  отвечающее  излому  профиля  давления  —  время   [pic]химической
реакции, и по нему можно рассчитать  ширину  ЗХР-а.
[pic],      (18)
где [pic] — средняя скорость потока в ЗХР.
    На практике  для  определения  параметров  детонации  оказалось  удобно
измерять D и  профиль  массовой  скорости  U=U(t).  Для  измерения  массовой
скорости чаще всего пользуются откольным и электромагнитным методами.
2.1.1 Откольный метод определения массовой скорости ПД.
    Идея откольного метода заключается  в  измерении  .  скорости  движения
свободной  поверхности  пластины,  плотно  прижатой  к  торцу   заряда   ВВ.
Падающая детонационная волна  распространяется  по  пластине  с  затухающими
параметрами, при  этом  скорость  движения  свободной  поверхности  пластины
связана с массовой скоростью волны, выходящей на эту  поверхность  следующим
соотношением:
Wn=2Un,     (19)
где W — скорость свободной поверхности  пластины;  Un  —  массовая  скорость
ударной волны в пластине.

Затухание параметров ударной волны зависит от  толщины  пластины  и  профиля
давления падающей детонационной волны, поэтому характер  изменения  скорости
свободной поверхности от толщины отражает профиль самой волны.
На рис. 3 приведена  зависимость  скорости  движения  свободной  поверхности
пластины от ее толщины.  Область  А'С'  соответствует  влиянию  на  скорость
свободной  поверхности  ЗХР  в  детонационной  волне.  В  точке  С'   химпик
полностью затухает. Поэтому  эта  точка  определяет  параметры  в  плоскости
Чепмена-Жуге падающей     детонационной волны.
    Условие равенства давлений и массовых скоростей на границе раздела ВВ —
пластина позволяет определить  параметры  детонации  по  параметрам  ударной
волны в материале       пластины.  На   рис.       4      приведена
                                    [pic]

схем а расчета для вывода уравнений;
    При падении детонационной волны на границу раздела  ВВ  —  пластина  по
материалу последней пойдет затухающая волна,  а  по  продуктам  детонации  —
отраженная волна, направленная в другую сторону. На границе раздела    имеют
место следующие соотношения:
[pic] (20)
[pic] (21)
Воспользуемся законом сохранения импульса и запишем:
[pic]
[pic]
[pic]
Используя акустическое приближение для  динамической  жесткости  падающей  и
отраженной волны, получим
[pic] (22)
Давление в детонационной волне будет равно
[pic]
Заменим U2 на выражение U1-Un[pic], тогда
[pic]
Согласно уравнению (2)
[pic]                      [pic]
Отсюда
[pic]
Произведя преобразования, получим
[pic] (23)
Разделив обе части на (D, получим выражение для массовой скорости
[pic] (24)
    С помощью полученных уравнений (23) и (24), используя соотношение (21),
можно определить давление  и  массовую  скорость  в  точке  излома  профиля,
проведя .несколько экспериментов на  различных  толщинах  пластин,  а  также
найти ширину ЗХР. Для этого рассмотрим t-х  диаграмму  выхода  детонационной
волны на границу раздела BB —пластана  и  распространение  ударной  волны  в
пластине (рис. 5). Падающая на пластину детонационная волна со скоростью  Dо
генерирует в материале ударную волну,  распространяющуюся  со  скоростью  Dn
и, вызывает движение границы раздела со скоростью

                                    [pic]

(D((,— -коэффициент пропорциональности). В момент, когда плоскость  Чепмена-
Жуге  догонит  поверхность   раздела,   в   материале   .пластины   начинает
распространяться  возмущение  со  скоростью  Un+Cn  (Cn—скорость   звука   в
пластине). На некотором расстоянии b это возмущение  догонит  фронт  ударной
волны и на зависимости  W=W(l)  зафиксирует  излом  Dn  и  (Dn  не  являются
.постоянными  величинами  (зависят  от   времени),   .поэтому   в   расчетах
попользуются средние значения этих величин.
    Найдя толщину пластины (l=b), в которой происходит затухание химпика от
ВВ в материале, и  зная  скорость  процесса,  можно  вычислить  ширину  ЗХР.
Условие равенства времен для ВВ по t—x — диаграмме может быть записано
[pic] (25)
Откуда
[pic] (26)
где a — ширина зоны химической реакции.
То же условие для материала пластин по t-x - диаграмме может  быть  записано
следующим, образом:
[pic] (27)
Избавимся от знаменателей в правой части равенства (27)
[pic]
Отсюда
[pic] (28)
Подставив выражение для (    (28) в выражение для ЗХР, получим (26)
[pic] (29)
    Скорость  ударной  волны  и  скорость  звука  в    материале   пластины
определяется по известному значению   скорости движения и ударной  адиабате,
которая обычно задается в виде двучлена
Dn=A+BUn    (30)
где А и В — постоянные,
Для наиболее часто используемых материалов (Mg, Си,  А1)  выражение  ударных
адиабат имеет вид
Dn(Мg)=4,78+1,16Un     (31)
Для давлений 6,0—40 ГПа
Dn(Cu)=3,64+l,96Un     (32)
 Для давлений 17—52 ГПа
Dn(Al)=5,15+l,50Un     (33)
 Коэффициент пропорциональности ( находится как
[pic]
где [pic] — средняя массовая скорость в области химпика.
Обычно
[pic]
    В тех случаях, когда точность измерения массовой скорости допускается в
пределах 3—5%, а определение ЗХР не требуется, зависимость W=W(l)  можно  не
строить, а лишь измерить скорость движения  свободной  поверхности  пластины
шириной, равной или несколько большей b.
Для металлов b обычно меньше 3 мм.
    Точность  и  воспроизводимость  эксперимента  обеспечивается  лишь  при
наличии плоского детонационного фронта и при проведении измерения в  области
 однократно сжатой  пластины,  не  затронутой  волной  разгрузки  с  боковой
поверхности.  На  кинетику  химической  реакции  в   ЗХР   может   оказывать
существенное  влияние  отраженная  ударная   волна,   особенно   при   малых
плотностях ВВ., что может  привести  к  занижению  ширины  ЗХР  и  завышению
параметров в плоскости Чепмёна-Жуге.
2.1.2. Электромагнитный метод определения параметров детонации.
    Сущность электромагнитного метода измерения массовой скорости  движения
вещества состоит в следующем:
при движении проводника  в  магнитном  поле  на  его  концах  наводится  ЭДС
индукции, которая связана со скоростью движения  проводника,  его  длиной  и
напряженностью магнитного поля соотношением
[pic]
где  Н  —  напряженность  магнитного  поля,  А/м;  U  —  скорость   движения
проводника, м/с; / — длина проводника, см.
    Скорость движения проводника легко найти, если известны Н. I и (.
Проводник,  называемый  датчиком,  представляет  собой  полоску  алюминиевой
фольги, толщиной 0,15—0,25 мм и шириной 10 мм в форме буквы  П,  перекладина
которой и является рабочей длиной датчика.
    Датчик располагается в заряде перпендикулярно его оси, а затем вместе с
зарядом помещается в постоянное  магнитное  поле  так,  Чтобы  при  движения
рабочая  плоскость   датчика  пересекала  силовые  линии  магнитного   поля.
Расположение заряда с датчиком в магнитном поле показано на рис. 6.

                                    [pic]

    При прохождении детонационной волны  по  заряду  датчик  вовлекается  в
движение веществом,  перемещающимся  за  фронтом  детонационной  волны.  При
постоянных Н и I ЭДС 10 будет  функцией  только  скорости  датчика,  которая
совпадает со скоростью движения вещества.
    Метод измерения предполагает  наличие  достаточно  сильного  магнитного
поля, которое в течение  опыта  должно  оставаться  постоянным.  Минимальная
напряженность поля должна быть достаточно высокой по  отношению  к  помехам.
Кроме достаточной напряженности, магнитное поле должно обладать  необходимой
степенью однородности по крайней мере в том  объеме,  в  котором  происходит
движение датчика.
    Определение   значения массовой скорости и времени химической реакции в
плоскости   Чепмёна-Жуге производится в соответствии с  выводами  теории  по
точке излома профиля U==U(t).
    Расчет значения массовой скорости производится при помощи тарировочного
графика (( — высота сигнала 

смотреть на рефераты похожие на "Определение параметров детонации заряда ВВ "