Лекция 2.1. Основные характеристики бризантных взрывчатых веществ (вв) .

Взрыв — это быстрое выделение энергии. При не­которой нечеткости такое определение достаточно на­глядно. Вначале кратко рассмотрим наиболее харак­терные примеры взрывов.

Химические взрывы. Изобретенный в древнем Ки­тае (и вновь открытый в средневековой Европе) порох был первым компактным и мощным источником энер­гии. Позднее появились взрывчатые вещества (ВВ), та­кие, как тротил, несравненно более разрушительные. Кроме военных нужд ВВ применяются в промышлен­ности и горном деле. Сейчас они производятся сотня­ми тысяч тонн в год. В последнее время все чаще химические взрывы ассоциируются в массовом сознании с террористическими актами и авариями при перевозке и хранении ВВ.

Электромагнитный взрыв. Конденсатор емкостью 100 мкФ, заряженный до напряжения 300 В, эффектно пережигает медную проволочку диаметром 150 мкм (из таких проволочек состоит обыкновенный монтажный провод). Более мощные взрывы возможны при корот­ком замыкании электрических сетей, а также при фо­кусировке мощного импульса света лазера.

Кинетические взрывы. Падение кометы Шумейкеров—Леви на Юпитер в 1994 году было одной из самых грандиозных катастроф в Солнечной системе на памя­ти человечества. Считается, что падение на Землю 70 млн лет назад астероида размером около 10 км привело к вымиранию динозавров, освободив жизненное про­странство для наших предков — млекопитающих.

Ядерные взрывы. Атомные и термоядерные бомбы несомненно относятся к важнейшим символам нашего века. Человек, освоив ядерную энергию, достиг техно­логического могущества, сравнимого по мощности с природными факторами.

Важнейший процесс во Вселенной — взрывы сверх­новых звезд. Звезды второго поколения, в том числе Солнце, содержат выбросы ранних сверхновых. Поэто­му в Солнечной системе и на Земле много сравнительно тяжелых элементов, без которых невозможна жизнь.

Наконец, и сама Вселенная возникла в результате Большого взрыва (Big Bang) около 15 млрд лет назад.

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 2 • 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.