Химическая физика, 2021, T. 40, № 12, стр. 39-41
Расчет параметров детонации взрывчатого вещества ТКХ-50
Я. О. Иноземцев 1, А. В. Иноземцев 1, М. Н. Махов 1, *, А. Б. Воробьёв 1, Ю. Н. Матюшин 1
1 Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова
Российской академии наук
Москва, Россия
* E-mail: mmn13makhov@yandex.ru
Поступила в редакцию 13.04.2021
После доработки 30.04.2021
Принята к публикации 20.05.2021
Аннотация
Анализ литературных данных показал, что оценки детонационных характеристик взрывчатого вещества 5,5'-бистетразол-1,1'-диолята дигидроксиламмония (ТКХ-50) были выполнены авторами ряда публикаций на основе завышенного расчетного значения стандартной энтальпии образования этого соединения. В Федеральном исследовательском центре химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН путем тщательно проведенных калориметрических измерений была получена существенно более низкая величина энтальпии образования ТКХ-50. С использованием этого значения были выполнены расчеты скорости и давления детонации, теплоты взрыва и метательной способности ТКХ-50. Из результатов оценок следует, что рассматриваемое соединение относится к категории взрывчатых веществ, обладающих умеренной мощностью.
В работах [1–4] соединение 5,5'-бистетразол-1,1'-диолят дигидроксиламмония (ТКХ-50) характеризуется как весьма перспективное взрывчатое вещество (ВВ), которое может быть использовано в качестве более мощной альтернативы гексогену. Утверждается также, что это соединение обладает более низкой чувствительностью к внешним воздействиям, чем гексоген и октоген, а метод синтеза позволяет создать промышленное производство этого ВВ. Однако, как показали дальнейшие исследования, параметры детонации TKX-50 были оценены авторами [1–4] на основании завышенного расчетного значения стандартной энтальпии образования этого вещества: 446.6 кДж · моль–1.
В результате тщательно проведенных калориметрических измерений в Федеральном исследовательском центре химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН (ФИЦ ХФ РАН) была получена существенно более низкая величина энтальпии образования ТКХ-50, а именно: (194.1 ± 0.9) кДж/моль [5]. В связи с тем, что вещество ТКХ-50 вызывает значительный интерес у исследователей и разработчиков взрывчатых материалов, цель настоящей работы заключалась, во-первых, в анализе влияния различий в значениях энтальпии образования на детонационные характеристики ТКХ-50, а во-вторых, в оценке взрывчатых свойств этого соединения в сравнении с параметрами ряда известных ВВ.
В табл. 1 представлены значения детонационных характеристик для ТКХ-50 и с целью сравнения еще для четырех известных ВВ разной мощности. Данные по плотности ρ приведены в работе [1]. Значения стандартной энтальпии образования ВВ, использованные в работах [1–4], обозначены как $\Delta H_{{f1}}^{^\circ }.$ Скорости детонации рассчитаны на основе значений $\Delta H_{{f1}}^{^\circ }$ с использованием термодинамических кодов: EXPLO5.05 – D1 [1], EXPLO5 V6.01 – D2 [2], CHEETAH 2.0 – D3 [3] и EXPLO5 V6.02 – D4 [4]. Величина D5 оценивалась по методу Камлета–Джейкобса [6]. Остальные данные получены расчетным путем авторами настоящей работы с использованием значений энтальпии образования ВВ, измеренных в ФИЦ ХФ РАН $(\Delta H_{f}^{^\circ }).$ Скорость детонации, D, и давление в точке Чепмена–Жуге, PCJ, рассчитывали по методу Камлета–Джейкобса [6]. Для расчета теплоты взрыва Q (Н2О – газ) использовался способ, предложенный в работе [7].
Таблица 1.
ВВ | Формула | ρ, г/см3 | $\Delta H_{{f1}}^{^\circ }$ | $\Delta H_{f}^{^\circ }$ | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D | PCJ, ГПа | Q, МДж/кг | η, % |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
кДж/моль | км/с | ||||||||||||
ТНТ | C7H5O6N3 | 1.648 | –55.5 | –62.7 | 7.459 | 7.287 | – | – | 7.01 | 7.00 | 20.6 | 4.43 | 75.5 |
Гексоген | C3H6O6N6 | 1.806 | 86.3 | 70.7 | 8.983 | 8.834 | 8.965 | – | 8.85 | 8.82 | 34.6 | 5.67 | 96.0 |
Октоген | C4H8O8N8 | 1.904 | 116.1 | 85.8 | 9.221 | 9.175 | 9.339 | – | 9.18 | 9.15 | 38.3 | 5.70 | 100.0 |
CL-20 | C6H6O12N12 | 2.035 | 365.4 | 374.9 | 9.455 | 9.674 | – | – | 9.59 | 9.60 | 43.9 | 6.14 | 106.1 |
TKX-50 | C2H8O4N10 | 1.877 | 446.6 | 194.1 | 9.698 | 9.766 | 9.656 | 10.026 | 9.19 | 8.75 | 34.8 | 4.64 | 91.8 |
Метательная способность (МС) является одной из важнейших характеристик ВВ. В предлагаемой работе рассматривается МС, соответствующая условиям испытаний по методу М-40. Эта методика в нашей стране принята в качестве базовой [8]. В методе М-40 исследуется процесс ускорения стальной пластины диаметром 40 и толщиной 4 мм, метаемой с торца цилиндрического заряда диаметром и толщиной 40 мм в канале толстостенной стальной оболочки. Мерой МС служит скорость пластины на расстоянии 40 мм от торца заряда. Относительная скорость пластины, η (эталон – октоген при плотности 1.904 г/см3) оценивалась способом, предложенным в работе [9].
Как следует из табл. 1, в случае гексогена, октогена и CL-20 различие в результатах расчета значений D1, D2, D3 и D5, с одной стороны, и D, с другой, невелико, так как $\Delta H_{{f1}}^{^\circ }$ и $\Delta H_{f}^{^\circ }$ для этих ВВ различаются на относительно небольшую величину. Напротив, в случае ТКХ-50 наблюдается значительное расхождение значений скоростей, рассчитанных с использованием двух разных величин энтальпии образования. Кроме того, согласно значениям D1, D2, D3 и D4, рассчитанным по термодинамическим кодам, вещество ТКХ-50 по скорости детонации должно не только превосходить гексоген и октоген, но и, по крайней мере, не уступать CL-20. При этом обращает на себя внимание очень высокое значение D4 для ТКХ-50 (≈10 км/с). Более низкая скорость для ТКХ-50 получена по методу Камлета–Джейкобса [6], хотя и в этом случае величина D5 остается на уровне значения скорости детонации октогена.
В соответствии с результатами расчета, выполненного с использованием измеренных в ФИЦ ХФ РАН энтальпий образования $\Delta H_{f}^{^\circ },$ ТКХ-50 по скорости детонации D незначительно уступает гексогену, но заметно проигрывает октогену и, в особенности, веществу CL-20. По давлению детонации это соединение близко к гексогену. Однако МС и теплота взрыва у ТКХ-50 ниже, чем у гексогена. Более того, по теплоте взрыва ТКХ-50 приближается к ТНТ, веществу с относительно невысокими параметрами детонации.
Для повышения работоспособности ВВ широко используются энергетические добавки. Наиболее распространенной добавкой такого рода является порошкообразный алюминий. Известно, что введение алюминия в состав с ВВ приводит к увеличению теплоты взрыва и МС. Наибольший эффект достигается для ВВ с положительным кислородным балансом [10–12]. Кислородный баланс CL-20, гексогена (октогена) и ТКХ-50 равен ‒11%, –21.6% и –27.1% соответственно. В связи с этим не следует ожидать более значительного повышения теплоты взрыва и МС при добавлении алюминия к ТКХ-50, чем в случае, когда алюминий вводится в состав с гексогеном, октогеном и CL-20.
Таким образом, результаты сравнения данных, представленных в табл. 1, подчеркивают необходимость использования при расчетах взрывчатых свойств ВВ надежных значений энтальпии образования как одной из их важнейших характеристик. Некоторые выводы, сформулированные авторами работ [1–4] по поводу высокой мощности ТКХ-50, не подтверждаются результатами расчета, проведенного на основе измеренного в ФИЦ ХФ РАН значения энтальпии образования этого ВВ.
Работа выполнена за счет субсидии, выделенной ФИЦ ХФ РАН на выполнение государственного задания по темам 0082-2019-0016 “Создание высокоэнергетических материалов нового поколения и исследование их характеристик” (регистрационный номер АААА-А18-118031490034-6) и 0082-2019-0006 “Фундаментальные исследования процессов превращения энергоемких материалов и разработка научных основ управления этими процессами” (регистрационный номер АААА-А21-121011990037-8).
Список литературы
Fischer N., Fischer D., Klapötke T.M. et al. // J. Mater. Chem. 2012. V. 22. P. 20418; https://doi.org/10.1039/c2jm33646d
Golubev V.K., Klapötke T.M. // Proc. 17th Sem. on New Trends in Research of Energetic Materials. Pardubice: University of Pardubice, 2014. P. 672.
Klapötke T.M., Witkowski T.G., Wilk Z., Hadzik J. // Proc. 19th Sem. on New Trends in Research of Energetic Materials. Pardubice: University of Pardubice, 2016. P. 642.
Golubev V.K., Klapötke T.M. // Proc. 20th Sem. on New Trends in Research of Energetic Materials. Pardubice: University of Pardubice, 2017. P. 152.
Kon’kova T.S., Matyushin Yu.N., Miroshnichenko E.A. et al. // Proc. 47th Intern. Annual Conf. of ICT. Pfinztal: Fraunhofer Institute for Chemical Technology, 2016. P. 90.
Kamlet M.J., Jacobs S.J // J. Chem. Phys. 1968. V. 48. P. 23.
Махов М.Н., Архипов В.И. // Физика горения и взрыва. 1989. Т. 25. № 3. С. 87.
Андреев С.Г., Бабкин А.В., Баум Ф.А. и др. Физика взрыва (в 2-х томах) / Под ред. Орленко Л.П. Т. 1. М.: Физматлит, 2002.
Makhov M.N. // Proc. 32nd Intern. Annual Conf. of ICT. Pfinztal: Fraunhofer Institute for Chemical Technology, 2001. P. 97.
Махов М.Н. // Горение и взрыв. 2019. Т. 12. № 1. С. 122;
Махов М.Н. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 1. С. 23; https://doi.org/10.31857/S0207401X20010094
Махов М.Н. // Хим. физика. 2020. Т. 39. № 9. С. 71; https://doi.org/10.31857/S0207401X20090083
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Химическая физика