Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Характеристика процесса взрыва.

Взрыв - быстро протекающий процесс физического или химического превращения веществ, сопровождающийся освобождением большого количества энергии в ограниченном объеме, в результате которого в окружающем пространстве образуется и распространяется ударная волна, способная создать угрозу жизни и здоровью людей, нанести ущерб народному хозяйству и окружающей среде, стать источником ЧС.

Взрыв представляет собой широкий круг явлений, связанных с очень быстрым выделением значительного количества энергии, сопровождающимся расширением вещества, обладающего избыточной энергией, в среде с меньшим энергетическим потенциалом. Расширение протекает с настолько большой скоростью (сотни м/с), что приводит к резкому повышению давления, плотности, температуры и сопровождается значительными звуковыми эффектами. Источником энергии при взрыве могут быть как химические, так и физические процессы.

В подавляющем большинстве взрывов, с которыми приходится сталкиваться на практике, источником выделения энергии являются химические превращения веществ. Это относится как к взрывам, предназначенным для достижения определенных целей (например в военной области или производственной сфере), так и к взрывам аварийного характера.

Примерами взрывов, энерговыделение при которых обусловлено физическими процессами, могут служить взрывы сжатых газов или взрывы, связанные с образованием перегретых жидкостей. В этом случае энергия, выделяющаяся при взрыве, определяется процессами, связанными с адиабатическим расширением парогазовых сред и перегревом жидкостей. Так при выливании расплавленного металла в воду испарение протекает взрывным образом вследствие фрагментации капель расплава, быстрой теплоотдачи и перегрева холодной жидкости. Возникающая при этом физическая детонация сопровождается образованием ударной волны.

На практике взрывы, имеющие физическую природу, встречаются значительно реже, чем взрывы химического происхождения, и как правило только при авариях, по-этому далее будут рассматриваться только химические взрывы.

Высвобождение энергии при взрывах в общем случае выражается удельной мощностью, т.е. количеством энергии, выделяемой в единицу времени в единице объема. При химических взрывах скорость энерговыделения определяется скоростью распространения детонации или скоростью распространения пламени в соответствующей среде. Для различных твердых и жидких взрывчатых веществ эта скорость находится в интервале 2-9 тыс.м/с, а для газов зависит от динамики изменения значений параметров, характеризующих газовую среду в процессе взрывного горения, и может в несколько раз превосходить скорость звука в невозмущенной среде.

Следует отметить, что при определении этого показателя для твердого или жидкого взрывчатого вещества, в значение массы входят все его составляющие, т.е. части, играющие роль и горючего, и окислителя (в основном кислорода), и инертной компоненты.

Удельная теплота взрыва парогазовых смесей рассчитывается для их стехиометрического состава только по горючему веществу. 1 Так например теплота сгорания водорода по горючему веществу составляет 120 МДж/кг и значительно превосходит соответствующий показатель тротила - 4520 кДж/кг.

Это обстоятельство использовано при создании боеприпасов объемного взрыва. В таких боеприпасах сначала подрывается вспомогательный заряд, разрушая корпус, содержащий горючее. Горючее распыляется в воздухе, образуя в смеси с ним газовое облако, заполняющее негерметизированные полости и укрытия. После некоторой задержки, необходимой для формирования облака смеси по возможности близкой к стехиометрическому составу, оно подрывается при помощи детонатора. В результате, например, мощность взрыва боеприпаса, содержащего этиленоксид, в 3-5 раз превосходит мощность взрыва боеприпаса, начиненного тротилом в количестве, равном массе этиленоксида. Увеличение мощности достигается за счет того, что в качестве окислителя при взрыве этиленоксида используется воздух, находящийся на месте взрыва, т.е. не входивший в состав боеприпаса.

Возможное суммарное выделение энергии при взрыве называется энергетическим потенциалом взрыва и определяет его масштабы и последствия. Для твердых и жидких конденсированных ВВ этот показатель зависит от удельного энергетического потенциа-ла вещества, находящегося в диапазоне 1.5 - 7.5 МДж/кг.

ЭНЕРГИЯ ВЗРЫВА

Взрывчатые материалы удобно сравнивать по удельной энергии Q, рассчитанной на единицу массы. Зная мас­су и скорость пули, а также размеры патрона, легко по­лучить, что 1 г пороха выделяет несколько килоджо­улей. При взрыве ВВ выделяется примерно такая же энергия. Характерная величина 1 ккал/г, или 4,2 кДж/г, соответствует удельной энергии тротила.

Энергия кинетического взрыва при скорости удара V равна mV² /2, а на единицу массы приходится V²/2. Тротиловый эквивалент 4,2 МДж/кг соответствует скорости Ö2 • 4,2 • 10⁶»3000 м/с. Входя в атмосферу Земли, объекты внеземного происхождения имеют скорость больше второй космической. При 12 км/с килограмм массы эквивалентен 16 кг тротила, а при 60 км/с "космическая взрывчатка" в 400 раз калорийнее тротила.

Энергия ядерных взрывов — от килотонн до десят­ков мегатонн тротилового эквивалента. Для атомного взрыва требуется в начальной стадии химический взрыв, образующий критическую массу (например, выстрел одной частью уранового заряда в другую). Тер­моядерный заряд включается предварительным атом­ным взрывом, излучение которого сжимает термоядер- ное горючее. Как видно, мощные взрывы запускаются от более слабых источников.

МАСШТАБ ХИМИЧЕСКОГО ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ

При взрыве и горении из сложных веществ образуются довольно простые, такие, как С0₂, СО, N3, Н₂0. На од­ну молекулу продуктов реакции при Q = 1 ккал/г и среднем молекулярном весе 30 г/моль приходится ~ 2 • 10 ־ ¹⁹ Дж, или около 1 эВ.

Приведем простую, школьную оценку этой вели­чины. Энергия электрона в атоме размера а»10^{-10 м по­рядка Е = е2}/(4pe₀а)» 14 эВ. При химических реакциях происходит обмен электронами, переход их на другие уровни. Значит, э ффект составит некоторую долю Е, а именно порядка электронвольта на молекулу. Из этой оценки следует, что предел энергии взрыва практичес­ки уже достигнут (тем более что далеко не каждое взрывчатое соединение может применяться: ВВ долж­ны удовлетворять очень жестким критериям устойчи- вости).

При нормальной температуре 300 К на поступа­тельное движение двухатомной молекулы приходится энергия 3кТ/2» 0,04 эВ, а при учете вращения — около 0,07 эВ. Энергии 1 эВ на молекулу соответствует температура порядка 4000 К.

ГОРЕНИЕ и ДЕТОНАЦИЯ

Первый дошедший до нас рецепт черного, или дымно­го, пороха (1250 год) гласил: "Возьми 1 фунт живой се­ры, 2 фунта липового или ивового угля, 6 фунтов сели­тры. Очень мелко разотри эти три вещества на мраморной доске и смешай". Как видно, черный порох — смесь горючего и окислителя. Поэтому состав рабо­тает в замкнутом пространстве (гильза, канал ствола), без кислорода воздуха. Из-за малой плотности воздух и не мог бы поддерживать столь интенсивное горение. Эффект взрыва пороха обеспечивают высокая концен­трация окислителя и малый размер частиц. Бездымный баллиститный порох (получен А. Нобелем в 1888 году) представляет собой смесь нитратов целлюлозы с нит­роглицерином. Эти вещества, как и большинство дру­гих ВВ, содержат и горючее и окислитель в каждой мо­лекуле. Атомы углерода и водорода окисляются кислородом, чаще всего входящим в группы К0₂.

Пороховой заряд ружья или орудия горит. Горение это весьма быстрое. Время выстрела порядка отноше­ния длины ствола к скорости пули или снаряда, что со­ставляет около 1 мс (миллисекунда) для стрелкового оружия и нескольких миллисекунд для артиллерии. Нетрудно показать, что при выстреле из пушки давле­ние в стволе порядка 500 МПа, или 5000 атм. Скорость горения пороха растет с давлением, что резко усилива­ет метательное действие. На открытом воздухе порох горит хотя и эффектно, но гораздо медленнее, без осо­бых механических проявлений. Пороховые артилле­рийские бомбы и мины, применявшиеся при осаде крепостей, работали именно за счет ускорения горения пороха в замкнутом объеме.

Ясно, что взрыв начинки современного снаряда еще гораздо мощнее взрыва пороха. Большая мощ­ность означает малое время реакции. Такое быстрое взрывное превращение называют детонацией. Разница между горением и детонацией — в способе распростра­нения процесса. Горение распространяется за счет дви­жения тепловой волны, переноса тепла от горячих про­дуктов реакции к непрореагировавшему заряду. Именно поэтому на скорость горения влияют внешние условия. Например, рост давления усиливает теплооб­мен и ускоряет горение.

Детонацию же распространяет ударная волна — весьма сильное и резкое сжатие вещества. Рост давле­ния, плотности и температуры за фронтом волны запу­скает быструю реакцию. Образуется устойчивый ком­плекс — детонационная волна, состоящая из ударной волны и следующей за ней зоны химической реакции (модель ЗНД, по именам Я.Б. Зельдовича, Дж. фон Неймана и Э. Деринга). Выделение энергии в зоне ре­акции поддерживает ударную волну, так что процесс распространяется с постоянной скоростью, зависящей только от свойств ВВ.

В табл. 1 для трех ВВ приведены суммарные форму­лы и основные детонационные параметры: удельная энергия взрыва 2, начальная плотность р, скорость де­тонации В, давление Р и температура Т на момент за­вершения реакции. Выделяемая энергия (и конечная температура), как и следовало ожидать, примерно те же, что и для пороха. Но скорость детонации весьма ве­лика. Заряд длиной в 20 см полностью прореагирует за 20—30 мкс. Это на два порядка быстрее, чем сгорает по­рох при выстреле. Поскольку достигаются громадные давления в 20-30 ГПа, то есть 200-300 тыс. атм, влиять на детонацию извне очень трудно. Этим и объясняется стабильность детонационной волны.

Между бризантными ВВ и порохами нет принци­пиальной разницы. Тротиловые шашки обычно спо­койно горят в костре без взрыва. Но в замкнутом объе­ме, при измельчении вещества горение ВВ легко переходит в детонацию. Горение пороха гораздо устой­чивее, чем горение ВВ, так что детонации при штатных условиях использования не возникает. Это обеспечива­ется физическими свойствами пороха, в частности ус­тойчивостью к дроблению. Однако при воздействии очень сильной ударной волны некоторые пороха дето­нируют.

Эра черного пороха продолжалась шесть веков. Последний крупный конфликт с преобладанием этого состава - франко-прусская война 1870—1871 годов. Переход артиллерии на бездымный порох требовал мо­дернизации и взрывчатых веществ. Хотя динамит Но­беля применялся в гражданских областях с 1867 года, для снарядов он был недостаточно безопасен. В 1873 года были обнаружены взрывчатые свойства пикрино­вой кислоты (до того давно известной как желтый кра­ситель). Под названиями мелинит, шимоза она приме­нялась в англо-бурской и русско-японской войнах. Однако кислота склонна образовывать в контакте с ме­таллами чувствительные соли — пикраты.

Среди применяемых сейчас ВВ наиболее знаменит тротил (тринитротолуол, ТНТ, тол). К первой мировой войне ТНТ вытеснил пикриновую кислоту. Тротил от­личается химической стойкостью, он исключительно безопасен и нечасто взрывается даже при прострелива нии пулей. Чтобы запустить ТНТ, нужен инициатор — взрыв более чувствительного ВВ.

Таблица 1

Гексоген стал широко применяться в ходе второй мировой войны. Смесью тротила с гексогеном и сейчас снаряжают боеприпасы. Такой состав в определенной степени сочетает безопасность и стойкость тротила с мощностью гексогена.

Следует отметить, что при определении этого показателя для твердого или жидкого взрывчатого вещества, в значение массы входят все его составляющие, т.е. части, играющие роль и горючего, и окислителя (в основном кислорода), и инертной компоненты.

Удельная теплота взрыва парогазовых смесей рассчитывается для их стехиометрического состава только по горючему веществу. 1 Так например теплота сгорания водорода по горючему веществу составляет 120 МДж/кг и значительно превосходит соответствующий показатель тротила - 4520 кДж/кг.

Это обстоятельство использовано при создании боеприпасов объемного взрыва. В таких боеприпасах сначала подрывается вспомогательный заряд, разрушая корпус, содержащий горючее. Горючее распыляется в воздухе, образуя в смеси с ним газовое облако, заполняющее негерметизированные полости и укрытия. После некоторой задержки, необходимой для формирования облака смеси по возможности близкой к стехиометрическому составу, оно подрывается при помощи детонатора. В результате, например, мощность взрыва боеприпаса, содержащего этиленоксид, в 3-5 раз превосходит мощность взрыва боеприпаса, начиненного тротилом в количестве, равном массе этиленоксида. Увеличение мощности достигается за счет того, что в качестве окислителя при взрыве этиленоксида используется воздух, находящийся на месте взрыва, т.е. не входивший в состав боеприпаса.