Increase of efficiency ofhigh-speed throwing of strikers with application of high-energy fuels with nanodispersedfillers.pdf Основой нового витка научно-технического прогресса в ближайшее время бу-дут нанотехнологии, внедрение которых создаст базу для качественного скачка вразвитии практически всех сфер деятельности человека. Ситуация в современномматериаловедении позволяет прогнозировать создание материалов с уникальнымифизическими и химическими свойствами при использовании наноструктурныхэлементов (частиц, зерен, кристаллов). Изучение возможностей повышения физи-ко-механических свойств высокоэнергетических материалов в области высоко-скоростного метания до уровня, который недостижим на основе применения тра-диционных подходов, но возможен путем применения нанотехнологий, являетсяактуальной задачей и обусловлена тем, что возможности модернизации и созда-ния перспективных высокоскоростных средств метания традиционными методамиисчерпаны.Результаты предварительных исследований показали, что возможности управ-ления воспламенением, горением и переходом в детонацию газогенерирующихпористых топлив различного типа, в том числе и пластизольных, за счет ввода вих состав ультрадисперсных металлических частиц и воздействия на них горячейэлектрической плазмы создает научно обоснованную базу для разработки топливнового класса со скоростями горения, меняющимися в широком диапазоне, и но-вых плазмотронов, позволяющих реализовывать оптимальные режимы управле-ния процессами газообразования. При этом для обеспечения высоких энергетиче-ских характеристик, увеличения глубины регулирования скорости горения топливи снижения уровня двухфазных потерь предполагается возможным замена по-рошков алюминия микронных размеров на нанопорошки со средним размеромчастиц 0,05−0,1 мкм.Ультрадисперсные алюминиевые частицы традиционно используются для ре-гулирования калорийности и скорости горения твердых ракетных топлив. Обыч-ное увеличение скорости горения нитроглицериновых порохов типа Н и НБ со-ставляет 20−30 % по сравнению с неметаллизированным составом. Оптимальноесодержание порошкообразного алюминия в смесевых топливах на основе перхло-рата аммония составляет 18−20 % по массе, что дает прирост удельного импульсав 6−8 % [1]. В последние годы порошкообразный алюминий стал применяться и вметательных зарядах для ствольных систем. Он может добавляться в качестве до-полнительного горючего в виде порошка в гранулированные и трубчатые мета-тельные заряды, включаться в состав перспективных топлив, например жидких,гелеобразных и моноблочных [2]. В [3] отмечается, что введение металлическихчастиц в пористые топлива ускоряет переход их горения в детонацию. В нашемслучае ставилась задача регулирования с помощью добавки алюминия скоростипослойного горения в широких пределах без срыва горения в детонационныйрежим.Создание условий для высокоскоростного метания неразрывно связано с ис-следованием высокоскоростного соударения твердых тел как конечного результа-та этих усилий. Исследование явлений, возникающих при высокоскоростном уда-ре, экспериментальными методами без глубокого теоретического анализа часто недают необходимого результата, несмотря на большие материальные и техниче-ские затраты. В связи с этим резко возросла роль математического моделированиякак средства изучения различных явлений и процессов в твердых телах при дина-мических нагрузках. Когда физический эксперимент и математическое моделиро-вание применяются совместно, дополняя друг друга, можно получить максималь-но достоверные результаты. Для теоретического анализа результатов высокоско-ростного соударения разработана методика на базе математической модели дина-мики деформирования и разрушения твердых тел [4].1. Получение наноразмерных порошков алюминиядля высокоэнергетических композитных топливРезультаты исследований показали, что поставленную задачу невозможно ре-шить с использованием традиционных порошков алюминия типа АСД-4, которыесодержат широкий спектр различных по размеру частиц от 8 до 30 мкм. Мини-мальный средний размер частиц в порошках, выпускаемых отечественной про-мышленностью, составляет около 5 мкм (АСД-8). Для изменения скорости горе-ния в несколько раз требуется использовать частицы с характерным размером ме-нее 1 мкм. Значительное влияние на активность таких порошков оказывают спо-собы получения продукта, поскольку во время протекания технологического про-цесса происходит образование побочных веществ и тем самым снижение содер-жания металла [5]. В настоящее время развиваются различные способы получениянанодисперсных порошков (электрический взрыв проводника, плазмохимические,газофазные и др.). При получении порошка алюминия данными способами части-цы обладают повышенной активностью в зависимости от способов пассивации,что приводит к появлению примесей в виде окислов алюминия, нитридов или ор-ганических соединений. Содержание активного алюминия в получаемых нано-дисперсных частицах не превышает 80−85 %.Известно, что факторами, существенно улучшающими качество порошков, яв-ляются механическая активация и узкое фракционирование. Современные тен-денции развития техники измельчения показывают, что для получения субмик-ронных порошков наиболее эффективны пневматические методы [6], использую-щие сжатый газ с давлением 0,4−1,0 МПа. Принципиально важно, что толькопневматические методы обеспечивают измельчение сверхтвердых материалов сминимальным намолом. Этот принцип успешно реализован в пневматическомциркуляционном аппарате путем воздействия на насыпной слой материала недо-расширенных затопленных газовых струй [7].В основе работы циркуляционных аппаратов с затопленными струями лежитуправляемое циркуляционное движение потоков газ - твердые частицы в замкну-тых объемах. Принципиальными отличиями этого метода от других известныхпневматических методов измельчения являются непрерывный вывод из зоны из-мельчения готовых фракций и многократная рециркуляция неизмельченного ма-териала. При этом обеспечивается возможность многократного силового взаимо-действия частиц материала между собой, что, в конце концов, приводит к их раз-рушению.Принцип работы аппарата (рис. 1) основан на замкнутой циркуляции сыпучихматериалов внутри циркуляционной камеры через транспортную трубу. Газоваяструя захватывает частицы из конической части циркуляционной камеры и черезтранспортную трубу выносит в зону сепарации. Тонкая фракция выделяется с по-мощью центробежного сепаратора и выносится из камеры в циклон.а бРис. 1. Общий вид (а) и схема работы (б) пневмациркуляционного аппаратадля измельчения порошковКрупная фракция материала возвращается на свободную поверхность насып-ного слоя, откуда частицы под действием силы тяжести снова опускаются в зонуизмельчения. На границе «струя - насыпной слой» за счет большого градиентаскоростей порядка 100-300 м/с происходит интенсивное ударно-волновое взаи-модействие между частицами. В то же время частицы не соударяются со стенкамиаппарата, что практически исключает намол примесей.Проведены исследования процессов получения алюминия АПЦ (алюминийпневмоциркуляционный) для высокоэнергетических топлив из марок алюминияАСД-4 и АСД-6 пневмоциркуляционным методом, включающим диспергирова-ние частиц с одновременной воздушно-центробежной классификацией. Получен-ный материал характеризуется повышенным содержанием активного металла,низкой гигроскопичностью и адсорбцией влаги, узким гранулометрическим со-ставом: отношение средних диаметров крупных и мелких частиц d max/dmin на раз-ных полях наблюдения на микроскопе составляет 2−4, масса сферических частицсоставляет 98−99 %. Содержание несферических частиц определялось методомсчетной микроскопии по анализу фотоснимков полей с оптического микроскопа.Определялись следующие параметры получаемого продукта:1) насыпная плотность (ρ, г/см3) пикнометрическим методом [8];2) гигроскопичность (А, мас. %) и адсорбция (В, мас. %). Гигроскопичностьоценивали потерей веса исходной навески в сушильном вакуумном шкафу притемпературе 70−75 °С в течение 4 часов. Адсорбцию характеризовали приростомвеса исходной навески, находящейся в специальной камере с постоянной влажно-стью 63 % в течение 15 суток. Влажность в камере соответствовала нормальнойвлажности рабочих помещений;3) содержание активного металла (Аl, мас. %) в полученном продукте находи-лось волюмометрическим методом по выделившемуся объему водорода при дей-ствии на пробу 10 % раствора гидрооксида калия [9];4) температура начала интенсивного окисления (Т, °С) методом дифференци-ально-термического анализа (ДТА);5) Степень окисления порошка (а) находилась по термогравиметрической кри-вой (ТГ) методом ДТА. Степень окисляемости алюминия в оксид устанавливаласьпо формулеAl1000,89mC+Δα = ..,где +Δm - увеличение массы, определенное по кривой ТГ, %; СAl - массовое со-держание металлического алюминия в пробе, %;6) содержание оксида алюминия в пробе путем растворения пробы 10 % солянойкислотой и взвешиванием полученного остатка твердых веществ (A2O3, мас. %).Другие примеси (Z) оценивали как разность величин исходной пробы и суммыактивного металла и оксида алюминия:Al Al2O3 ( )100, мас.%Q Q QZQ− += . ,где Q - вес исходной пробы, г; QAl - вес активного металла в пробе, г; QAl2O3 -вес окиси алюминия в пробе, г.Для сравнения такие же характеристики определяли и для порошков микрон-ного и нанодиапазона размеров частиц: АСД-4, «Alex» и др. В таблице приведеныхарактеристики порошков: «Alex», полученного электровзрывным методом про-волочек; «Плазменный К» («Пл. К»), полученного плазменным методом с пасси-вацией в керосине; алюминия АСД-4; алюминиевой пудры ПАП-1; алюминияАПЦ.Характеристики порошковМарка и размерчастиц, мкмρ, г/см3 А,мас. %В,мас. %Al,мас. %A2O3,мас. %Z,мас. %Т, °С α«Alex», ≤ 0,1«Пл, К», ≤ 0,1АСД-4, ≤ 15ПАП-1, 1−50АПЦ, 0,2−0,50,280,151,060,290,348,317,43,25,53,339,142,14,26,85,185,883,294,591,594,712,914,55,58,55,31,82,3нетнетнет52052083080057066,269,226,442,890,6Методом дифференциально-термического анализа в интервале температур 20-1000 оС выявлены закономерности окисления порошков алюминия (α, %) приэтом скорость нагрева составляла 5 °С в минуту в воздушной среде. Результатыопытов представлены на рис. 2.Таким образом, АПЦ по содержанию активного металла практически не отли-чается от марок микронного алюминия, то есть содержит на 10−14 % больше ак-тивного металла по сравнению с нанодисперсными порошками алюминия. Ад-сорбция влаги и гигроскопичность АПЦ сохраняется на уровне микронных по-рошков алюминия, а температура начала интенсивного окисления близка к алю-минию марки «Alex».Увеличивается степень окисляемости в 1,3−1,4 раза по сравнению с «Alex»,что актуально для эффективного использования в смесевых высокоэнергетиче-ских материалах. АПЦ в необходимых количествах могут быть получены из се-рийно выпускаемых порошков АСД. При этом выход достигает до 10 % от исход-ной массы. Себестоимость получения порошков АПЦ существенно ниже по срав-нению с порошками с аналогичными характеристиками, полученными электро-взрывными, плазменными и другими методами.Как видно из рис. 3, порошки АПЦ состоят практически только из близких поразмеру частиц сферической формы и не содержат агломератов и частиц пластин-чатого типа, что актуально для технологических процессов.Таким образом, разработана лабораторная технология формирования ультра-дисперсных и наноразмерных порошков алюминия, включающая в себя измель-чение, сепарацию и смешивание тонкодисперсных порошков. Получены лабора-торные партии нанопорошков алюминия, необходимых компонентов высокоэнер-гетических топлив.600 700 800 900020406080АСД-4AlexАПЦ-4УT, °CαРис. 2. Зависимости окисления порошковалюминия в воздушной среде от темпера-турыРис. 3. Порошок алюминия АПЦ после об-работки и фракционирования (микрофото-графия)2. Регулирование характеристики конвективного горениякомпозитных топлив добавлением наноразмерных частиц алюминияНиже исследуются возможности регулирования с помощью алюминиевых час-тиц скорости газоприхода в моноблочных пористых композитных топливах серииНТБС, горящих в конвективном режиме. Данное топливо является композитными состоит из пластифицированной нитроцеллюлозы, в которую добавляется кри-сталлическое взрывчатое вещество. Оно изготавливается по литьевой технологиии в начальном состоянии обладает лишь замкнутой технологической пористостьюна уровне 2−3 %. Структура топлива этого класса с включением алюминия и безнего показана на рис. 4 (коэффициент увеличения 1500).а бРис. 4. Структура композитного топлива без алюминия (а) и с алюминием (б) d = 3 мкмНа рис. 5 приведена кривая изменения давления P при сжигании топлива в ма-нометрической бомбе. Расчет проведен в рамках модели, описанной в [10].В начале процесса топливо горит впослойном кондуктивном режиме (уча-сток АВ на рис. 5). Развитая структурагорения образуется в поверхностномслое топлива в момент времени 250 мс(точка В) за счет неравномерного выго-рания компонент и прорастания поверх-ностных пор в глубь матрицы под дейст-вием избыточного внутрипороховогодавления. После начала конвективногорежима выгорания (участок ВС) горениеподобных топлив сопровождается обиль-ным диспергированием к-фазы на отдель-ные частицы и их догоранием в широкойзоне над поверхностью образца.Эксперименты по сжиганию твердыхпористых моноблочных композитныхтоплив в условиях замкнутого объемапоказали, что включение в их состав субмикронного порошка Al дает возмож-ность увеличить скорость горения за счет изменения структуры пор и характераадгезионных связей [2]. Обобщение результатов позволило получить итоговыезависимости эффективной торцевой скорости горения U100 (при давлении газа 100МПа) композитного топлива и давления срыва в конвективный режим Pc от диа-метра частиц алюминия, показанные на рис. 6. Увеличение скорости горения мо-жет достигать пяти раз при одновременном четырехкратном уменьшении давле-ния срыва. Это позволяет разрабатывать слоеные комбинированные моноблочныезаряды для баллистических установок с необычайно высоким регулированиемскорости газообразования по их длине.Рис. 6. Зависимости скорости горения (а) и давления срыва в конвективный режим(б) композитного топлива от диаметра частиц алюминия: - - - для топлива безалюминия; * - экспериментПолученные расчетные значения скорости воспламенения топлива оказалисьблизки к значениям эффективной скорости торцевого горения. Анализ размеровканальной зоны горения показывает, что в обычном топливе НТБС-51 она зани-мает 0,2−0,3 мм. Это составляет 1−2 характерных размера кристалла ВВ, входя-щего в состав топлива, и выгорающего с повышенной скоростью. Ширина зоныдогорания не превышает 2−2,5 мм. В топливе с субмикронными частицами ка-нальная зона горения расширяется до 1,5−2 мм, а зона догорания - до 1,5 см.В высокоэнергетических топливах другого типа, находящихся в пластизоль-ном агрегатном состоянии, в роли катализаторов был опробован ультра- и нано-дисперсный алюминий с размерами частиц от 10 мкм (АСД-4), а также получен-ный пневмациркуляционным (А06ПЦМ) и электровзрывным методами (маркиА100 и А50). В зависимости от дисперсности применяемого А1 получено повы-шение скорости горения в 1,5−10 раз с достижением уровня скорости горенияпримерно 0,3−0,5 м/с при давлении 100 МПа и качественное изменение законовгорения U = aPν от ν < 1 до ν > 1 (1,5−2,5), что иллюстрируется опытными дан-ными зависимости скорости горения ряда вариантов составов, приведенными нарис. 7. Увеличение скорости горения коррелирует со степенью дисперсностиприменяемых порошков Аl: чем меньше средний диаметр частиц, тем выше ско-рость горения составов.Поскольку при высоких давлениях (300-500 МПа) можно прогнозировать дос-тижение скоростей торцевого горения подобных составов на уровне метров и де-сятков метров в секунду, они могут быть использованы в качестве основных и до-полнительных метательных зарядов торцевого горения в ствольно-реактивнойсхеме высокоскоростного метания. Обобщение результатов баллистических ис-пытаний и расчетов показали, что добавка алюминия наиболее эффективна в пре-делах 10−12 % мас. % для порохов типа ПАП-3 на неактивном связующем и уве-личивается до 15−20 мас. % с увеличением активности используемого связующе-го и суммарного окислительного потенциала пороха (пороха типа ПАП-2 иПАП-3). Помимо увеличения скорости горения порохов, использование в их ре-цептурах металлического горючего позволяет уменьшить молекулярную массугазофазных продуктов сгорания (ПС), увеличить удельную силу, улучшить газо-динамические качества ПС как рабочего тела, двигающего снаряд. Одновременнос этим появляются конденсированные продукты сгорания, величина которых за-висит от количества используемого алюминия в данном типе пороха. На разгон идвижение продуктов сгорания по стволу тратится часть энергии заряда, т.е. воз-никают двухфазные потери, которые могут быть достаточно велики. Увеличениесодержания алюминия сверх 20 мас. % приводит к существенному увеличениюдвухфазных потерь.Рис. 7. Зависимости скорости горения от давления в замкнутомобъеме для модельных вариантов составов с алюминием различ-ной дисперсности: 1 - базовый состав с 10 % АСД-4 (dср~10мкм);2 - состав с 10 % А1 марки А06ПЦМ (dср~0,8−1,2 мкм); 3 - составс 10% А1 марки А100 (dср~140 нм); 4 - состав с 10% А1 маркиА50 (dср~70 нм)Таким образом, проведены исследования по определению влияния субмик-ронных и нанодисперсных наполнителей на физико-химические параметры новыхтоплив. Выявлены их оптимальные характеристики, которые позволяют исполь-зовать топлива в различных схемах высокоскоростного метания.3. Исследование проникающей способности составных ударниковс сердечниками из стали и вольфрамаПроведены баллистические испытания ударников проникающего типа с сер-дечниками из стали и вольфрама. Ударники ускорялись в баллистической стволь-но-реактивной установке с присоединенным зарядом калибром 30 мм. В комби-нированных зарядах для их присоединенной части использовались пластизольныетоплива с алюминиевыми частицами размером от 10 мкм. Получено оптимальноесочетание начальной скорости и массы метаемого тела для данных условий заря-жения.Ниже представлены результаты баллистических испытаний и математическогомоделирования взаимодействия составных ударников массой 50 г с сердечникамииз стали массой 29,8 г и ВНЖ массой 32,2 г (рис. 8) со стальной бронеплитойтолщиной 45 мм при скорости удара 3030 м/с и при скорости удара 3125 м/с.а бКорпус Сердечник Корпус СердечМетка ник∅ 30,32+0,0126,08,4∅ 24*30,32+0,01∅ 169,820,32,5Рис. 8. Чертеж ударника в сборке с сердечником из стали (а) и ВНЖ (б)Корпус ударников выполнен из текстолита. В конструкции ударника с сердеч-ником из ВНЖ использовалась «метка» - стальная пластинка толщиной 0.2 мм,усиливающая сигнал для определения скорости ударника. Расчет проведен с по-мощью программного комплекса [11].При соударении ударника с сердечником из стали с бронепреградой толщиной45 мм при скорости 3030 м/с (рис. 9, 10) образуется кратер глубиной 34 мм (рас-чет 34,5 мм, отклонение от эксперимента 2,5 %) диаметром 59 мм (расчет 60 мм,отклонение 1%) и с тыльной стороны откольная выпучина высотой 14 мм (рас-чет 15 мм, отклонение 7 %) и диаметром 62 мм (расчет 72 мм, отклонение 10 %).Судя по хронограмме процесса, при 30 мкс в бронеплите начинает формиро-ваться магистральная трещина, которая в последующие моменты времени расши-ряется, с тыльной стороны образуется выпучина. Ударник в процессе прониканиясрабатывается. К 103 мкс на дне кратера остаются фрагменты сердечника, тексто-литовый стакан полностью разрушен. Расчет в это время закончен, так как ско-рость фрагмента ударника равна нулю.На рис. 11 представлена картина пробития бронеплиты ударником с сердечни-ком из стали при максимальной для данных условий выстрела скорости удара3125 м/с. Увеличение скорости приводит к пробитию бронепреграды.Рис. 9. Вид лицевой (а) и боковой (б) поверхностей бронеплитыпосле соударения с ударником с сердечником из сталиРис. 10. Хронограмма пробития бронеплиты ударником с сердечником из сталиРис. 11. Вид лицевой (а), тыльной (б) поверхностей бронеплитыи фрагмента откольной тарелки после соударенияПри соударении ударника с сердечником из ВНЖ с бронепреградой толщиной50 мм при скорости 3030 м/с (рис. 12, 13) в бронепреграде образуется сквозноеотверстие.Рис. 12. Вид лицевой (а) и тыльной (б) поверхностей бронеплиты с фрагментомоткольной тарелки после соударения с ударником с сердечником из ВНЖРис. 13. Хронограмма пробития бронеплиты ударником с сердечником из ВНЖС тыльной стороны наблюдаются откольная выпучина, пробитая ударником, ифрагменты отколовшейся части откольной тарелки, спрессованной с остаткомударника. Сопоставление результатов расчета с экспериментом: диаметр входногоотверстия на лицевой поверхности бронеплиты 72 мм (расчет 75 мм, отклонение4 %), диаметр выходного отверстия на тыльной поверхности бронеплиты 35 мм(расчет 33 мм, отклонение 6 %), диаметр откольной выпучины 117 мм (расчет105 мм, отклонение 10 %). Судя по хронограмме, ударник в процессе прониканиясрабатывается, к 30 мкс текстолитовый стакан полностью разрушен. Фрагментсердечника к 100 мс пробивает преграду. Его скорость при 106 мкс составляет480 м/с. Позже он настигнет отколовшуюся часть преграды.Как показали результаты экспериментального и математического моделирова-ния, соударения повышение скорости соударения, как и применение более проч-ных составов сердечников (ВНЖ по сравнению со сталью), приводит к сущест-венному увеличению пробивной способности ударников.ВыводыВ данной работе реализован комплексный подход к исследованию механикибыстропротекающих процессов на основе взаимосвязанных фундаментальныхзнаний газовой динамики многофазных сред, химической физики, теплофизики имеханики деформированного твердого тела, направленный на изучение возмож-ностей повышения физико-механических свойств высокоэнергетических топлив вусловиях высокоскоростного метания.В результате комплексной оптимизации режимов ускорения твердых тел с ис-пользованием ствольно-реактивной схемы метания и новых композитных топливс ультрадисперсными наполнителями получена возможность ускорять ударникимассой 40−50 г до скоростей порядка 3000 м/с на баллистической установке сприсоединенным зарядом калибром 30 мм.Расчетный анализ, апробированный на сопоставлении с экспериментальнымиданными, позволяет достоверно использовать вычислительный эксперимент наболее широкий диапазон скоростей соударения.

Скачать электронную версию публикации