Основы теории детонации

Теория детонации

Разложение ВМ, инициированное взрывным импульсом, получило название детонационного разложения. Основные положения теории детонации, объясняющей механизм распространения взрыва, были сформулированы в 1889 г. русским физиком, профессором Московской сельскохозяйственной академии В. А. Михельсоном в применении к нитроглицерину. Дальнейшее развитие теория детонации нашла в трудах российских ученых Л. Д. Ландау, Я. Б. Зельдовича, К. П. Станюковича и др.

Согласно этой теории, называемой гидродинамической, передача детонации обусловлена распространением по заряду ВВ ударной волны, поддерживаемой химическими реакциями.

Известно, что если каким-нибудь источником в среде вызваны смещение частиц значительной амплитуды и соответственно изменение давления и плотности конечной величины по сравнению со звуковыми, то возникает волна, существенно отличающаяся по свойствам от звуковой (рис. 24.1).

Схема распространения ударной волны, вызванной взрывом в воздухе

Рис. 24.1. Схема распространения ударной волны, вызванной взрывом в воздухе

При распространении такой волны ее фронт обращается в поверхность разрыва, на которой происходит резкое скачкообразное изменение параметров среды (давление, плотность, температура, скорость движения). Такую волну, характеризующуюся наличием поверхности разрыва основных параметров среды, называют ударной волной.

Такие волны образуются при детонации ВВ, соударении тел с высокими скоростями, сильном электрическом разряде.

Ранее отмечалось, что горение ВМ распространяется в результате сравнительно медленных диффузионных и теплопередающих процессов. Скорость горения ВМ при атмосферном давлении составляет миллиметры или десятки миллиметров в секунду и всегда ниже скорости распространения звука.

Детонационное разложение ВМ в корне отличается от процесса горения. Оно характеризуется значительно большими скоростями, измеряемыми километрами в секунду, иным механизмом возбуждения и распространения процесса. Значительно увеличивается разрушающая способность при детонации. Так, если взять за единицу разрушающую силу дымного пороха при разложении его по механизму горения, то при детонации дымного пороха наблюдается повышение разрушающей силы в пять раз, а детонация нитроглицерина приводит к десятикратному росту разрушающего эффекта.

Возбуждение горения происходит за счет зажжения. Детонация же возбуждается мощным ударом в виде детонационного импульса, получаемого в результате взрыва инициирующего ВВ, непосредственно прилегающего или находящегося на незначительном расстоянии от заряда бризантного ВВ.

Характерной особенностью ИВВ является способность быстрого перехода горения в детонацию. Возбуждение взрыва самого ИВВ осуществляется простым первичным импульсом (удар, накол, нагрев, пламя, искра и т. д.).

В отличие от БВВ, горение которых происходит на поверхности, в ИВВ при воспламенении первичная реакция протекает в конденсированной фазе с выделением газообразных продуктов, вызывающих интенсивное диспергирование, образование пылевого слоя, что приводит к резкому увеличению поверхности горения и, следовательно, повышению скорости выделения тепла. Это, в свою очередь, вызывает рост температуры в зоне горения и, как следствие, увеличивает скорость реакции в конденсированном слое, что ведет к дальнейшей интенсификации диспергирования и развитию спонтанно ускоряющегося процесса разложения ИВВ, заканчивающегося переходом горения в детонацию. Весь этот процесс последовательных и повторяющихся стадий при переходе горения ИВВ в детонацию протекает за доли секунды.

Ранее было отмечено, что горение порохов, РТТ и пиросоставов проходит в стационарном режиме, без перехода в детонацию. Для бризантных ВВ в основном также наблюдается стационарное горение. Однако горение некоторых БВВ может самопроизвольно перейти в детонацию. В частности, это наблюдается при горении ВВ значительной пористости. В этом случае происходит глубокое проникновение горячих газов в массу ВВ, в процесс горения вовлекается большое количество вещества, сопровождающееся его диспергированием. Образовавшиеся частицы увлекаются потоком газа, создавая слой взвеси, в котором за счет развитой поверхности происходит ускоренное горение с выделением значительного количества тепла. Это приводит, в свою очередь, к дальнейшему увеличению температуры и, следовательно, скорости горения. Диспергирование продолжает интенсивно распространяться, толщина слоя взвеси увеличивается и когда достигнет некоторого критического значения, а частицы при образовании взвеси успеют достаточно прогреться, то тогда после их воспламенения реакция будет идти не только в форме горения на поверхности частиц, но и в объеме. При достаточной толщине реагирующего слоя взвеси частиц это может привести к тепловому возникновению взрыва с переходом горения в детонацию. Переход горения в детонацию возможен при горении большой массы таких мощных ВВ, как ТЭН и гексоген.

Детонация заряда ВВ возбуждается действием взрыва инициатора (капсюля-детонатора, детонатора).

Инициатор создает в заряде ударную волну. Если параметры ударной волны больше критической величины, характерной для данного ВВ в данном состоянии (плотность, структура, агрегатное состояние и др.), то за ее фронтом будут возбуждаться интенсивные химические реакции.

Тепловая энергия, выделившаяся в результате химических реакций, пойдет на пополнение потерь энергии во фронте ударной волны. Это обеспечивает поддержание параметров волны на максимально высоком уровне, характерном для данного ВВ. Поэтому детонация распространяется по заряду с постоянной и максимально возможной для данного ВВ скоростью.

Для конденсированных (жидких и твердых) ВВ в зоне сжатия давление достигает (20 -ь 40) • 103 МПа, а температура возрастает до 1000—1200 К. Такой температуры достаточно для возбуждения и завершения химических реакций за время 1СЕ6 -ь l(h7c.

Поскольку химические реакции начинаются в основном в области максимального сжатия, то она называется областью «химического пика». Зона, в которой завершаются химические реакции, зависит от природы ВВ, структуры и плотности заряда и может изменяться от долей до десятков миллиметров. В связи с экзотермич- ностью реакций температура в зоне возрастает и достигает в конце зоны 3000—4000 К. Однако давление в зоне химических реакций падает вследствие образования продуктов взрыва. В конце зоны химических реакций давление составляет (10 -г 28) • 10~3 МПа. Область, в которой завершаются химические реакции, называется областью «Чемпен-Жуге». Эту область называют областью детонационной волны.

Таким образом, детонация представляет собой наиболее совершенную форму взрыва, когда процесс протекает с космической скоростью и максимально возможной для данного ВВ. Величина скорости детонации для некоторых ВВ приведена в табл. 24.1.

Таблица 24.1

Величина скорости детонации для некоторых ВВ

ВВ

Скорость детонации, м/с

ВВ

Скорость детонации, м/с

Гремучая ртуть

4500

Тетрил

7500

Азид свинца

5100

ТЭН

7900

Тротил

7000

Гексоген

8100

В условиях практического применения взрывчатых веществ основным методом возбуждения детонации является действие взрыва инициатора (капсюля-детонатора, промежуточного детонатора). Действующим началом возбуждения является возникшая при взрыве инициатора детонационная волна. Если параметры этой волны больше критической величины, характерной для возбуждаемого ВВ в данном состоянии (плотность, агрегатное состояние, структура и т. п.), то результатом воздействия будет возбуждение детонации. При этом имеют место следующие явления: слой ВМ, прилегающий к инициатору, подвергается резкому удару, вызывающему скачкообразное повышение давления в контактирующем слое. Быстрое и сильное сжатие вызывает нагрев ВМ до высокой температуры, при которой с большой скоростью идут реакции разложения ВМ. Тепловая энергия, выделившаяся в результате химических реакций, обеспечивает поддержание параметров детонационной волны, которая сжимает следующий слой ВМ, и картина последующих явлений повторяется, вовлекая в процесс детонационного разложения слой за слоем. Происходит движение фронта детонации по заряду ВМ. Причем скорость движения фронта волны, называемая скоростью детонации (D), является величиной постоянной и максимально возможной для данного ВМ. Объясняется это тем, что скорость детонации находится в прямой зависимости от скорости реакции разложения ВМ, которая, в свою очередь, определяется количеством тепловой энергии разложения ВМ, являющейся величиной постоянной для данного ВМ. Учитывая сказанное, скорость детонации можно отнести к характеристическим параметрам ВМ.

Рассмотренная картина возникновения и самораспространения детонационного разложения в конечном итоге сводится к совокупности последующих быстропротекающих явлений: механического (удар), физического (нагрев) и химического (реакции разложения).

Вопросы и задания для самоконтроля

  • 1. Дайте определение детонации.
  • 2. Изложите основные положения теории детонации.
  • 3. Чем возбуждается детонация заряда ВВ?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >