Теплофизические явления в полимерных материалах при интенсивном и кр

ВВЕДЕНИЕ

Проблема прогнозирования свойств сложных полимерных высокоэнергетических смесевых материалов весьма актуальна и по сей день, особенно с учетом неизученности поведения этих материалов при интенсивных и кратковременных воздействиях. В литературе эти аспекты практически не освещены. Задача прогнозирования свойств перспективных смесевых высокоэнергетических составов существенно усложняется, поскольку необходимо обеспечивать разнообразные свойства различной физико-хи- мической природы. Эти свойства обусловлены как требованиями выделения большой энергии на конечном этапе жизненного цикла составов, так и требованиями безопасности производства, эксплуатации, хранения и др. По отечественным и зарубежным данным [1], создание новых высокоэнергетических материалов представляет собой достаточно длительный и трудоемкий процесс, состоящий из нескольких стадий, на каждой из которых производится корректировка рецептуры и дисперсности компонентов с целью более полного удовлетворения комплексу требований.

Исходная (базовая) высокоэнергетическая композиция, состоящая из основных компонентов (окислитель, горючее-связу- ющее, пластификатор, металлическое горючее), имеет, как правило, близкие к наилучшим энергомассовые характеристики (сочетание расчетного удельного импульса и плотности). Противоречие состоит в том, что введение различного рода добавок для улучшения баллистических, физико-механических, эксплуатационных характеристик, стабильности, технологичности, экологичности и т.п. приводит, как правило, к ухудшению энергомассовых характеристик. Кроме того, как известно из опыта, введение добавок

рания в камере и на срезе сопла, требующие снижения. При этом должны сохраняться импульсные и другие характеристики.

В таких условиях целесообразно ориентироваться на требования системного подхода и проводить сравнительные оценки композиций по совокупности выходных параметров в рамках единой методики, что обеспечивает одинаковую погрешность разных параметров.

Если строго следовать принципам системного подхода, требуется уже на ранних стадиях разработки полимерных композиций оперировать оценками системной эффективности, осуществляя прогноз соответствующих показателей по всем стадиям ПЖЦ, включающим в себя лабораторные исследования, собственно разработку, отработку в составе двигателя, производство, эксплуатацию, применение, ликвидацию.

Не ставя себе задачей разбор и анализ существующих моделей и методик определения параметров гетерогенных сред вообще и в частности смесевых высокоэнергетических составов, отметим их общую черту. Каждая из них пригодна лишь для определения значений параметра какой-либо определенной природы и непригодна для других.

Обилие вновь создаваемых гетерогенных материалов (суспензионных, смесевых, композитных и др.) делает насущной проблему создания вычислительных методов определения их параметров. Эта проблема актуальна, поскольку экспериментальное ее решение зачастую ограничено либо экономическими причинами, либо технической сложностью эксперимента, либо просто невозможностью его осуществления. Определение значений этих параметров сводится к вычислению значений характеристик различной физико-химической природы гетерогенных материалов. Это возможно не всегда и далеко не для всех характеристик.

Рассмотрим другой современный и актуальный аспект. Совершенствование технических комплексов, в том числе высокоточных, идет в направлении повышения интенсивности энергии и уменьшения времени действия этой энергии. При таком харак-

7

тере воздействия, независимо от его природы, помимо специфических поражающих факторов образуется ударная волна в конструкциях, материалах, подвергнутых воздействию. Следовательно, временной фактор можно выделить как основополагающий. Практическая неизученность последствий поведения, в частности, деталей из полимерных высокоэнергетических материалов делает актуальной постановку таких задач для получения решений проблемы вплоть до инженерных рекомендаций.

Мощное СВЧ-излучение пока в основном рассматривается как средство воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. Однако на сегодняшний день является актуальной задача оценки воздействия СВЧ-излучения и на другие элементы техники, в частности на детали из полимерных высокоэнергетических материалов. Это обусловлено тем, что основную массу современных сложных технических комплексов составляют именно детали из полимерных высокоэнергетических материалов. Кроме того, большинство корпусов изготавливается из композитных материалов, которые прозрачны для СВЧ-излучения. Большинство полимерных высокоэнергетических составов относятся к классу диэлектриков, которые нагреваются под воздействием СВЧ-излу- чения. Изменение характеристик деталей под воздействием кратковременного СВЧ-излучения может привести к изменению или невыполнению требуемых функций технического устройства.

РАЗДЕЛ 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ ДАННЫХ ПО РАССМАТРИВАЕМОЙ ПРОБЛЕМЕ

1.1. Виды интенсивных и кратковременных воздействий

В данной работе рассматриваются кратковременные внешние воздействия, длительность которых относится к микросекундному ( ≈10−6 с) диапазону. Интенсивность воздействий опре-

деляется энергией, передаваемой материалу объекта воздействия. При этом объемная плотность энергии, «закачиваемой» воздействием в материал, сопоставима (но все же меньше) с плотностью энергии сублимации, т.е. с плотностью энергии, при которой произойдет разрыв связей между молекулами, атомами материала.

К таким интенсивным и кратковременным можно отнести следующие виды воздействий:

1.Ударно-волновое нагружение, создаваемое в каком-либо материале вполне конкретной конструкции ударом тел либо контактным взрывом заряда взрывчатого вещества. В таких условиях нагружения длительность ударной волны в материале, т.е. длительность процесса нагружения, составляет от долей микросекунды до нескольких микросекунд. Сюда не относится фугасное действие, при котором длительность воздушных ударных волн находится в диапазоне от миллисекунд до секунд.

2.Нагружение с помощью детонационной волны. Такой вид нагружения реализуется, если подвергаются воздействию высокоэнергетические материалы либо детали из высокоэнергетических материалов. Длительность нагружения в этом случае определяется временем протекания химической реакции превращения высокоэнергетического материала в продукты детонации (продукты взрыва). Время реакции совпадает с длительностью химического пика за фронтом детонационной волны. При ширине химического пика от долей миллиметра до миллиметра и скорости

детонации в несколько километров в секунду для типичных

9

штатных взрывчатых составов получаем длительность химического пика от долей микросекунды до одной микросекунды. Таким образом, время воздействия детонационной волны составляет от долей микросекунды до микросекунды.

3.Нагружение потоком осколков, осколочным полем. Поток может состоять из макроосколков, имеющих размеры от миллиметров до сантиметров, а также из микроосколков, имеющих размеры в десятки микрон. В потоке характерное расстояние между осколками сопоставимо с размерами осколков.

4.Нагружение с помощью потока энергии электромагнитного излучения. Этот вид воздействий можно разделить на несколько подвидов. Во-первых, это излучение ядерного взрыва. Диапазон длин волн излучения при срабатывании ядерных зарядов достаточно широк: от видимого света до рентгеновского (мягкого

ижесткого) и гамма-излучения. Длительность одиночного импульса составляет от долей микросекунды до микросекунды. Действие этого вида излучения на конструкции из полимерных высокоэнергетических материалов практически не изучено. Вовторых, это электромагнитное излучение оптических квантовых генераторов с различными длинами волн излучения. Типичная дли-

тельность одиночного импульса лазерного излучения 10−9 −10−6 с. Однако такие генераторы в настоящее время не могут быть мобильными техническими средствами. В-третьих, это электромагнитное излучение в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ-излу- чение). Частота излучения при этом составляет 3–300 ГГц. Длительность одиночного импульса колеблется в диапазоне 5–100 нс. Стационарные СВЧ-генераторы позволяют создавать пачки импульсов с частотой следования последних до 400 Гц и с мощностью в одном импульсе 10–100 ГВт. Экспериментальные образцы СВЧ-средств воздействия производят одиночные импульсы указанной длительности с мощностью 0,5–10 ГВт.

Следует отметить, что поведение самих высокоэнергетических материалов и деталей из них при интенсивных и чрезвычайно кратковременных воздействиях практически не изучено. Кро-

10