1.4. В чем сложность изучения горения и взрыва.
Сложность состоит в том, что во многих случаях неизвестны важные детали процесса (что там происходит), хотя уже больше ста лет в главных промышленных странах предпринимаются усилия для выяснения этих деталей. В качестве примера можно привести изучение механизма горения твердого ракетного топлива. В ракетном двигателе (обычно при давлении в несколько десятков атм.) на поверхности горения заряда находится тонкая зона (обычно десятые доли миллиметра), в которой исходное твердое вещество заряда прогревается до температуры 400-6000С, совершает ряд превращений и в конце концов покидает эту зону в виде газа с температурой 2000-35000С. Важные для практики выходные характеристики горения (линейная скорость выгорания и ее зависимость от давления и начальной температуры) зависят от характера и параметров упомянутых неизвестных превращений. Их удается экспериментально исследовать только при давлении не больше нескольких атм., когда зона превращений становится в несколько раз больше чувствительного элемента исследовательского прибора (спая микротермопары и входного отверстия пробоотборника) и можно пренебречь возмущающим действием прибора на исследуемый объект. В ракетном диапазоне давлений самые миниатюрные чувствительные элементы, которые на сегодняшний день удается изготовить, оказываются слишком большими. Положение усугубляется высокой температурой, при которой эти элементы должны работать. Таким образом, неизвестно, что происходит в зоне горения при ракетных давлениях, и нет оснований полагать, что там идут те же процессы, что и при низких давлениях. Например, доказано, что интенсивное дымообразование, обнаруженное при горении баллиститных порохов в вакууме, исчезает при давлениях выше 1 атм., а на погашенных образцах топлив с добавкой порошка перхлората аммония NH4ClO4, горевших при давлении от 100 до 250 атм., обнаружена «шуба» из торчащих кристаллических иголок толщиной 10 и длиной 100 мкм, которой не было при других давлениях.
1.5. Классификации горения и взрыва.
Классификация нужна для самого общего представления о различных видах горения и взрыва. Ввиду ограниченности объема курса впоследствии более подробно будут рассмотрены лишь некоторые из этих видов.
Что-либо сортировать можно по разным признакам, поэтому приведем несколько классификаций горения.
1.5.1. По передаваемой субстанции
Подробнее:
СВС означает самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Здесь имеется в виду СВС с твердым исходным веществом и конденсированным окончательным продуктом (нет газа, так что в зоне горения можно пренебречь диффузией, в волне горения происходит только передача тепла по механизму молекулярной теплопроводности от горячих продуктов к холодному исходному веществу). Простейший пример – горение термита, то есть прессованной смеси порошков 3Fe3O4 + 8Al, которая раньше широко применялась, например, для сваривания рельсов.
«Холодное» горение может распространяться в некоторых газовых смесях с цепным механизмом реакций и слабым тепловым эффектом (в этом случае необходимая для поддержания горения высокая скорость превращения вещества в зоне реакции достигается за счет характерного для цепных реакций самоускорения даже при невысокой температуре). Самоускорение ограничено отводом активных частиц из зоны реакции посредством диффузии (это и есть указанная в схеме передача вещества). При этом закон Фика (пропорциональность диффузионного потока частиц крутизне фронта их концентрации) обеспечивает устойчивость процесса: при случайном увеличении скорости реакции (и зависящего от нее движения фронта реакций) крутизна этого фронта возрастает, увеличивается диффузионный отвод активных частиц из зоны реакции, которая в результате снова замедляется
В большинстве случаев горение в газовой фазе происходит не по цепному, а по тепловому механизму. При этом в процессе реакции выделяется тепло, повышающее температуру газовой смеси, а скорость реакции очень резко положительно зависит от температуры, так что создается возможность самоускорения реакции. Процесс стабилизируется теплоотводом из зоны реакций в еще непрогретую газовую смесь. Закон Фурье (пропорциональность теплового потока крутизне фронта температуры) обеспечивает устойчивость процесса: при случайном увеличении скорости реакции (и зависящего от нее движения фронта реакций) крутизна этого фронта возрастает, увеличивается теплоотвод из зоны реакции, которая в результате снова замедляется. Одновременно при тепловом горении газовых смесей имеет место и диффузия, поскольку в пламени (обычно в зоне, в несколько раз превышающей по размеру зону интенсивных химических реакций) диффундируют во встречных направлениях исходное вещество и окончательные продукты сгорания.
В больших лесных пожарах становится существенным тепловое излучение. Этому способствует присутствие в пламени пожара большого количества раскаленных частиц сажи, которые, как известно, излучают гораздо сильнее, чем чистый газ при той же температуре. Достаточно высокий фронт пламени лесного пожара поджигает тепловым излучением отдельно стоящие деревья в нескольких десятках метров впереди себя.
При детонации вытянутого образца ВВ по нему со скоростью 5-7 км/с распространяется волна сжатия. При этом передается только импульс. За фронтом волны в области высоких температуры и давления происходит экзотермическая реакция, поддерживающая распространение волны.