3. Классификация и общая характеристика явлений взрывчатого превращения.
Химическое превращение, возникшее в каком-либо участке взрывчатого вещества, распространяется по последнему. При этом характерно наличие фронта превращения, т. е. узкой зоны интенсивной химической реакции, отделяющей в каждый момент продукты реакции от непрореагировавшего еще исходного ВВ. Расстояние, на которое перемещается фронт реакции в единицу времени, равное толщине слоя ВВ, претерпевшего взрывчатое превращение в единицу времени, характеризует скорость распространения взрывчатого превращения.
Самораспространяющееся химическое превращение ВВ может происходить по двум различным механизмам(А и Б).
А. Энергия, выделившаяся в зоне реакции, передается от горячих продуктов к ближайшим слоям исходного ВВ в форме тепла за счет процессов теплопередачи; температура вещества в этих слоях повышается и в них возникает реакция. В этом случае химическое превращение распространяется при атмосферном давлении со скоростью порядка миллиметров в секунду, и скорость распространения сильно зависит от давления, под которым протекает процесс. Такое превращение называют горением.
Когда горение происходит в незамкнутом пространстве, оно не сопровождается ни характерным звуковым эффектом, ни механической работой. В замкнутом же пространстве, например, в зарядной каморе орудия, процесс происходит энергичнее: быстро поднимается давление, в связи, с чем увеличивается скорость горения; под действием высокого давления происходит быстрое перемещение снаряда или пули, т. е. выстрел, сопровождаемый резким звуковым эффектом. Действие, состоящее в сообщении скорости предмету путем выбрасывания без его разрушения (раскалывания, дробления), называют метательным действием.
При горении дымного пороха в шпуре с забойкой также имеет место повышение давления и соответственно увеличение скорости горения, в результате чего возникает разрушение окружающей среды, например, камня, горной породы и т. д. и перемещение разрушенных частей – происходит взрыв.
Для горения в замкнутом объеме, например, в зарядной каморе орудия или в шпуре, характерно более или менее быстрое, но не резкое нарастание давления газов до значений порядка нескольких тысяч атмосфер.
Б. Второй механизм распространения химического превращения взрывчатого вещества состоит в передаче энергии от слоя к слою волною сжатия (точнее говоря, ударной волной, с которой познакомимся ниже). В этом случае химическое превращение распространяется по веществу со скоростью порядка тысяч метров в секунду, причем, в отличие от горения, скорость распространения не зависит от внешнего давления, под которым протекает химическое превращение. Такое химическое превращение называют детонацией.
Детонация характеризуется резким скачком давления в месте взрывчатого превращения до 200 – 300 тысяч атмосфер и очень резким дробящим действием на окружающую среду.
Определив термины «горение» и «детонация» как характеристики механизма взрывчатого превращения, мы применяем термин «взрыв» как характеристику внешнего проявления взрывчатого превращения, выражающегося в очень быстро протекающей механической работе.
4. Классификация взрывчатых веществ.
Всю совокупность различных энергонасыщенных материалов (ЭМ) классифицируют как по назначению так и агрегатному, фазовому состоянию, технологии изготовления самих материалов и зарядов, а также по другим специфическим признакам (рис. 1.1).
Назначение – один из важнейших классификационных признаков, поскольку он определяет принцип использования химической энергии, основные требования к ЭМ в соответствии с их назначением. Все взрывчатые вещества, применяемые или применявшиеся в практике, можно разделить на следующие группы:
Группа I – метательные ВВ, или пороха.
Группа II – бризантные или дробящие (вторичные) взрывчатые вещества.
Группа Ш – инициирующие (первичные) взрывчатые вещества.
Группа IV – пиротехнические составы, которые удовлетворяют условиям, определяющим возможность химического взрыва; они, как правило, не предназначены для производства взрывов.
Основным признаком разделения ВВ на группы является характерный для каждой из них режим взрывчатого превращения (горение или детонация) и условия его возбуждения.
Группа I. Метательные ВВ, или пороха. Для веществ этой группы характерным видом взрывчатого превращения является горение, не переходящее в детонацию даже при высоких давлениях, развивающихся в условиях выстрела; эти вещества пригодны для сообщения пуле или снаряду движения в канале ствола оружия и для сообщения движения реактивным снарядам.
Группа II. Бризантные или дробящие (вторичные) взрывчатые вещества. Для веществ этой группы характерным видом взрывчатого превращения является детонация; они способны также, и гореть, но при повышении давления горение становится неустойчивым и может при некоторых условиях перейти в детонацию. Дробящие ВВ применяют для снаряжения снарядов и других видов боеприпасов и для взрывных работ. Вещества этой группы называют вторичными потому, что взрывчатое превращение их трудно возбудить простыми видами внешнего воздействия (пламя, трение, удар, накол и т. п.). Детонацию вторичных ВВ вызывают с помощью инициирующих взрывчатых веществ.
Группа III. Инициирующие (первичные) взрывчатые вещества. Инициирующие взрывчатые вещества характеризуются тем, что они легко взрываются от простых видов внешнего воздействия: пламени, накола, трения, и способны вызвать детонацию бризантных взрывчатых веществ. Горение инициирующих ВВ неустойчиво даже при атмосферном давлении, и при поджигании их практически мгновенно возникает детонация; подобно бризантным ВВ они производят при детонации дробящее и пробивное действие на близлежащие предметы.
Группа IV. Пиротехнические составы представляют собой смеси горючего и окислителя с различными полимерными связующими. В качестве горючего часто используются металлические порошки и различные соединения металлов, наличие которых обеспечивает яркость пламени, его цветность или дымообразующие свойства, а в качестве окислителя – перхлораты и нитраты аммония и металлов.
Из возможных агрегатных состояний ЭМ как источников энергии двигателей, средств метания, энергомассовых и других установок предпочтение отдают жидкому и твердому состоянию, отличающимся высокой объемной концентрацией энергии по сравнению с газами. Смесевые системы (многофазные) могут быть гомогенными и гетерогенными.
|
Рис.1.1. Классификация энергетических материалов
В учебном пособии анализируются различные классы ЭМ, находящиеся в условиях применения в жидком и твердом состояниях, называемых энергетическими конденсированными системами (ЭКС).
В соответствии с назначением принято выделять следующие основные классы ЭКС:
взрывчатые вещества (ВВ);
пороха ствольных систем (ПСС);
топлива реактивные (ТР);
топлива специального назначения (ТСН);
пиротехнические составы (ПТС).
Взрывчатые вещества – класс ЭМ, основное назначение которых – возбуждение взрывчатых превращений в других ЭМ, совершение работы разрушения, дробления, метания, формирования воздушных ударных волн, перевода ядерных зарядов в надкритическое состояние, совершение других видов работ и решение других задач военного и народнохозяйственного значения. Основной режим взрывчатых превращений ВВ – детонация. Возможны и другие: предельный – горение и промежуточные режимы.
Пороха ствольных систем предназначены в основном для метания боеприпасов из ствольного оружия (артиллерийского, минометного, стрелкового и др.), сообщения им необходимой скорости и соответственно дальности полета, пробивной и другой способности.
Пороха представляют собой многокомпонентные композиции, способные к устойчивому закономерному горению в широком диапазоне давлений до сотен МПа со скоростью до сотен миллиметров в секунду. Основной (служебный) режим ВП – горение. При определенных условиях могут реализовываться переходные режимы и предельный – детонация.
Топлива реактивные – источники энергии и рабочего тела реактивных двигателей, движущая сила (реактивная) которых в основном создается в результате истечения струи рабочего тела, образующегося при сгорании. Реактивные двигатели подразделяют на автономные и неавтономные. В автономных РД, называемых ракетными, источник энергии и рабочего тела – ракетное топливо, расположен непосредственно на ракете. В неавтономных РД один из компонентов топлива (окислитель) берется из окружающей среды (воздух или вода). Другой компонент, преимущественно горючее, расположен на летательном аппарате. Двигатели, в которых в качестве носителя окислителя и рабочего тела используют атмосферный воздух, а также сами топлива, называют воздушно-реактивными (ВРД и ВРТ соответственно). Если для этих же целей используют воду, то двигатель называют гидрореактивным (ГРД), а топливо – гидрореагирующим (ГРТ).
Топлива специального назначения – класс ЭМ, объединяющий широкую номенклатуру составов, назначение которых и свойства отличаются от рассмотренных выше классов. Условно выделяют наиболее характерные следующие группы: газогенерирующие, плазменные, лазерные и др.
Газогенерирующие (ГГТ) – источники газов и энергии для устройств газогенерации различного назначения, широко используемые в ракетно-космической и другой военной технике, а также в народном хозяйстве. Основные отличия ГГТ от реактивных – преимущественно более высокое удельное газообразование, более низкая температура и регламентируемый состав продуктов сгорания, низкая скорость горения и др. Газогенераторы вырабатывают сжатый газ либо со свободным истечением, либо в замкнутый объем для выполнения различных видов работ: раскрутки турбин, выброса (метания) различных тел, в том числе ракет, торпед, наддува емкостей и др.
Плазменные топлива создают энергию и рабочее тело (плазму) для магнитогидродинамических генераторов (МГДГ), преобразующих химическую энергию топлива в электрическую. Импульсные МГДГ могут быть использованы в военных целях для питания мощных оптико-квантовых генераторов, для сверхдальней связи, создания высокоскоростного оружия. Они широко применяются в народном хозяйстве для геофизических исследований земной коры и верхней мантии в целях поиска полезных ископаемых, долговременного прогноза сильных землетрясений и изучения глубинного строения Земли. Высокометаллизированные топлива с температурой горения ~4500 К применяют также для создания помех (ложных целей) в средствах защиты головных частей ракет и авиации от снарядов и ракет противника с различными системами наведения.
Лазерные топлива – источники энергии и рабочего тела для газодинамических лазеров (ГДЛ), генерирующих лазерное излучение – когерентный (узконаправленный) поток электромагнитной энергии. Для обеспечения требуемого соотношения газов в активной среде ГДЛ на углекислом газе (5…10% СО2, 90% N2, 1…2% H2O) в составе унитарных лазерных твердых топлив используют полиазотистые компоненты с максимальным содержанием азота и минимальным содержанием водорода. ГДЛ на твердом топливе открывают широкие перспективы создания компактных мобильных установок с высокой мощностью в непрерывном режиме излучения для военных и мирных целей.
Основной режим ВП специальных топлив – горение.
Пиротехнические составы – вещества и смеси, преимущественно механические, взрывчатое превращение которых сопровождается световым, дымовым, звуковым и другими специальными эффектами. В общем случае ПТС содержат, как правило, порошкообразные окислители, горючие, функциональные, технологические и другие добавки. Окислителями служат нитраты, хлораты и перхлораты щелочных и щелочноземельных металлов, оксиды и пероксиды некоторых металлов, фтор (хлор) органические соединения. В качестве горючих используют главным образом металлы и бор, а также углеводородные смеси и др. Функциональными добавками являются вещества, обеспечивающие в соответствии с назначением основные функциональные свойства: цвет, дымность, жгучесть, состав, температуру, излучательную способность, электропроводность и другие требуемые свойства продуктов превращения.
Наряду с функциональными в состав ПТС входят добавки, обеспечивающие технологические характеристики и соответственно технологию зарядов и их элементов, а также механические, эксплуатационные и другие свойства.
Основным режимом ВП ПТС является горение, некоторые составы могут детонировать.
ПС используют в военных и мирных, народнохозяйственных целях:
воспламенение боеприпасов стрелкового оружия, артиллерийских и минометных систем, зарядов РДТТ и других энергосиловых систем; создание различных пиротехнических эффектов; в качестве теплогенераторов, источников электрического тока, пожаротушащих, активно воздействующих на атмосферные, геофизические процессы средств и др.
Наряду с приведенными в качестве классификационного признака в отдельных случаях рассматривают способ производства, технологию ЭМ, точнее технологию зарядов или элементов зарядов. По этому признаку выделяют следующие способы формования зарядов и соответствующие классы ЭМ:
свободнолитьевые (вакуумная заливка); литьевые под давлением;
эмульсионные; суспензионные; фильтрационные; гранулированные;
прессованные: глухим, проходным способом, штампованием и др.
Внутри рассмотренных классов ЭМ проводят классификацию низшего уровня, в частности по такому признаку как химический состав, структура и по другим специфическим признакам, которые будут рассмотрены в последующем.
Следует также отметить, что некоторые ЭМ можно разделить на два класса по признаку «назначение» в самом широком смысле этого слова, а именно: военные (оборонные) и народнохозяйственные (мирные, промышленные). Народно-хозяйственные отличаются от военных особенностями решаемых специфических задач и соответственно некоторыми свойствами. Это относится, прежде всего, к классам ЭМ – взрывчатые вещества и пиротехнические составы. Однако в большинстве случаев многие ЭМ одного и того же класса могут решать задачи как военные, так и народнохозяйственные.