книги / Химическая физика энергонасыщенных материалов
..pdfмассой 200 г. Обычно в качестве эталонного вещества используется тротил. Таким образом определяется тротиловый эквивалент иссле дуемого взрывчатого вещества. Достоинство метода заключается в возможности проводить испытания крупных зарядов массой бо лее 2 0 0 г.
В методе баллистической мортиры установка для измерения работоспособности взрывчатых веществ (рис. 30) состоит из мас сивной стальной мортиры 1, подвешенной на подвесах 5 в виде ма ятника, взрывной камеры и расширительной камеры. Во взрывной камере помещается заряд исследуемого взрывчатого вещества 3 массой 1 0 г; в расширительной камере - массивный поршеньснаряд. При подрыве заряда взрывчатого вещества поршень-снаряд массой т выбрасывается с начальной скоростью и, а мортира мас сой М с длиной подвеса I отклоняется на угол ф, регистрируемый измерителем 4.
5 5
Рис. 30. Схема баллистической мортиры: 1- мортира; 2 - снаряд; 3 - заряд взрывчатого вещества; 4 - измеритель отклонения; 5 - подвес
Полная работа взрыва будет равна сумме работ, затраченных на выброс поршня Л1 и отклонение мортиры А<
способами - измерением импульса фазы сжатия ударной волны или измерением избыточного давления на ее фронте.
При измерении импульса фазы сжатия волны используются специальные приборы - импульсомеры различной конструкции (ма ятниковые, поршневые и т.д.). При измерении избыточного давле ния используется датчики давления с высоким временным разреше нием, в частности, пьезоэлектрические датчики.-
Кроме того, величину избыточного давления можно рассчитать по измеренной скорости ударной волны. Эти методы также исполь зуются для нахождения относительной работоспособности. В каче стве эталонного взрывчатого вещества взят аммонит 6 ЖВ (QK= = 4,32 МДж/кг, IVi = 893 л/кг).
6.3.2. Тротиловый эквивалент
Пороха и СТРТ, так же как и ВВ, могут взрываться и детониро вать, поэтому необходимо знать разрушающий эффект при взрыве для расчета сооружений, защиты, оценки опасности для окружаю щих объектов и т.п.
Тротиловый эквивалент - относительная величина а, выра жающая работоспособность данного ЭКМ (пороха, топлива или ВВ) через показатель работоспособности тротила (табл. 13). За эталон принимается тротил с плотностью 1,5 г/см3 и с теплотой взрыва 4186 кДж/кг (1000 ккал/кг), отвечающей данной плотности:
где А„ - работоспособность пороха; Ат- работоспособность тротила. Чаще тротиловый эквивалент определяют как отношение массы тротила к массе данного пороха, обладающих равной работоспособ-
/и. ностью: а = —-
т„
Тротиловый эквивалент зависит от состава топлива, его физи ческого состояния, температуры, наличия или отсутствия оболочки.
|
|
|
Таблица 13 |
|
Тротиловый эквивалент различных ЭКМ |
|
|
||
Природа ЭКС |
а |
Природа ЭКС |
|
а |
Дымный порох |
0,35 |
Тротил |
|
1,0 0 |
Пироксилиновый порох |
0,5 |
Гексоген |
|
1,25 " |
Баллиститный порох |
0,5 |
Окфол (октоген + 2 % |
|
1,62 |
|
|
флегматизатора) |
|
|
СТРТ |
0 ,1 ...1 ,2 |
Нитроглицерин |
|
1,5 |
Стружка баллиститных |
0 ,8 ... 1 ,0 |
Нитроклетчатка с содер |
0,91 |
|
порохов и СТРТ |
жанием азота 13,36 % |
|
||
|
|
|
Определение тротилового эквивалента производится при помощи вышеприведенных методик определения работоспособности ЭКМ.
Тротиловый эквивалент является важнейшей характеристикой порохов и топлив, учитываемой при разработке средств защиты и организации производства. При передаче вновь разработанных по рохов и топлив на освоение в валовом производстве или для исполь зования в ОКР в паспорте топлива или пороха обязательно приво дится его величина.
6.3.3. Безопасные расстояния
При проектировании опасных производственных объектов и их территориальном размещении необходимо оценивать разрушитель ное действие взрыва и связанные с ним безопасные расстояния до окружающих объектов в зависимости от их уровня защиты.
Ударная волна, распространяющаяся при взрыве в окружаю щем воздухе, может вызвать разрушение зданий или сооружений. В зависимости от природы ВВ и массы заряда, а также расстояния до места взрыва и рельефа местности интенсивность этих разруше ний может быть различна.
При взрыве одного заряда возможен взрыв другого, распо ложенного на некотором расстоянии от первого. Это явление назы вают передачей детонации нарасстоянии.
Разрушения, производимые взрывом, делят по интенсивности на 3 категории:
•сильные - разрушения каменных сооружений;
•умеренные или средние - разрушения деревянных построек
итолстых оконных стекол;
•малые — разрушения обыкновенных оконных стекол, дефор мация деревянных филенок, подъем черепицы крыши.
Наконец, возможно поражение людей воздушной ударной вол ной на значительном расстоянии от места взрыва.
Район вокруг места взрыва, в пределах которого наблюдаются сильные и умеренные разрушения, называется опасной зоной, за пределами последней лежит безопасная зона. Следовательно, безо пасная зона включает область малых разрушений.
Расстояния, на которых не имеют места те или иные разру шительные действия взрыва, называют безопасными (табл. 14). Безо пасные расстояния для различных видов воздействия определяют по формуле
S = KiJPa,
где S - безопасное расстояние, м; Р - масса заряда, кг; а - тротило вый эквивалент; Л", — коэффициент, различный для разных видов воздействия, зависящий от рода ВВ, места нахождения заряда (на поверхности земли или под землей) и других факторов. Значения коэффициентов К-, указаны в ПБ 13-407-01 «Единых правилах безо пасности при взрывных работах» (утв. Госгортехнадзором России 30.01.2001).
Напоминаем, что категория зданий и сооружений определяется видом взрывного превращения и характером его воздействия на ок ружающие здания и сооружения.
В зависимости от вероятности возникновения взрыва и харак тера его воздействия на окружение здания и сооружения разделяют ся на категории А, Ал и Б.
Категория А - возможный взрыв разрушает сооружения и соз дает для окружения опасную зону.
Таблица 14
Безопасные расстояния для различных производственных зданий
Уро |
|
Активное здание категории |
|
||
вень |
Пассивное |
А |
Б |
В |
|
защи |
здание |
Обвалованное |
Без защитных Без защитных |
||
ты |
|
|
|||
|
|
|
устройств |
устройств |
|
УЗ-1 |
Без защитных |
S = 2 Jy[p â |
S = 4,5yfpâ |
S = 1,5>/Ра |
50 м |
|
устройств |
|
|
|
|
|
Обвалованное |
S = 2,2jP a |
S = ï j J p â |
S= l,2 -Jp â |
50 м |
УЗ-2 |
Без защитных |
S = l,2-JPa |
S =2,8л/Ра |
|
50-35 м |
|
устройств |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Обвалованное |
S = 0,7л/Рос |
S = 1,2>/Ра |
|
50-35м |
Категория Ал - взрыв локализуется в сооружении. |
|
||||
Категория Б - |
взрыв представляет для окружения опасность |
с вероятностью 1 0 ”4 в год.
Огнеопасные процессы с веществами, способными гореть без доступа воздуха и перехода горения в детонацию, разделяются на категории В и Г.
Категория В - загорание не локализуется в здании и представ ляет опасность для окружения.
Категория Г - загорание локализуется в здании (сооружении). Уровни защиты зданий и сооружений установлены для произ
водственных зданий категорий А и Б с дистанционным управлением исходя из допускаемого материального ущерба, наносимого взры вом или пожаром при аварийном случае.
УЗ-1 - первый уровень защиты обеспечивает защиту находя щихся в зданиях (помещениях) людей, а также ценного оборудова ния и систем управления, влияющих на работу производства в це лом. Для зданий первого уровня допускается слабая степень разру шения.
Первый уровень защиты рекомендован для следующих зданий и сооружений: лабораторные корпуса НИИ, КБ, ЦЗЛ, ЦДЛ, инфор мационно-вычислительные центры, административные здания, сто ловые, отдельно стоящие медпункты и бытовки, производственные здания, ассимилированные под выпуск гражданской продукции, ка раульные помещения, пожарные посты, укрытия.
УЗ-2 - второй уровень защиты обеспечивает защиту размещае мых в зданиях (сооружениях) технологических процессов, оборудо вания, веществ и изделий. Для зданий второго уровня допускается средняя степень разрушения.
Все производственные и складские здания, компрессорные, холодильные и насосные станции, водонапорные башни, централь ные электроподстанции, контрольно-пропускной пункт для прохода людей.
УЗ-З - третий уровень защиты обеспечивает непередачу дето нации. Для третьего уровня допускается сильная степень разруше ния здания (сооружения) и возможность вторичного взрыва пассив ного заряда в случае воздействия на него элементов строительных конструкций здания (сооружения).
Контрольные вопросы
1. Что называется силой пороха? От чего зависит размерность, примерная величина?
2.Какие параметры и в какую сторону надо изменять для уве личения силы пороха?
3.Поясните физический смысл понятия баллистическая эффек тивность пороха.
4.Поясните физический смысл понятия баллистическая эффек
тивность твердого ракетного топлива.
5. Перечислите показатели баллистической эффективности ТРТ, назовите методы их расчета.
6 . Раскройте содержание формулы P = mUa + Ел( ра- ря).
7. Раскройте |
содержание |
формулы |
|
= ^а + |
К { р л - Р ш ) _ тг |
|
|
WJ |
~ и Э ф - |
|
|
|
* |
|
8. Что называется полным и удельным импульсом тяги дви гателя?
9. Как определяется полный и удельный импульс тяги при на личии осциллограммы Р(0 ?
10. Из приведенных вариантов топлив определите наиболее эффективное по уровню энергомассовых характеристик для третьей ступени МБР:
а) /уД= 2500 Н-с/кг; р = 1800 кг/м3; б) / Уд = 2600 Н-с/кг; р = 1700 кг/м3; в) / уд = 2450 Н-с/кг; р = 1900 кг/м3
7. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ
7.1. Факторы, определяющие состав продуктов горения
Продукты горения порохов и ТРТ представлют собой высоко температурную многокомпонентную смесь индивидуальных ве ществ в газообразном и конденсированном состояниях. Конденсат может быть жидким или твердым. На состав продуктов горения влияет ряд факторов. Первым и основным из них является соотно шение между окислительными и окисляющимися элементами, кото рое может быть охарактеризовано кислородным балансом (КБ), ки слородным коэффициентом (коэффициентом избытка окислитель ных элементов) а:
a =(s(-)wivf)/(s(+y.v,.).
Здесь £ <_y.v. - суммарное число окислительных валентностей в условной молекуле топлива, равное сумме произведений числа атомов окислительных элементов V, на их высшую валентность (vv,).
Аналогично для горючего 2 (+)wivi - суммарное число окис ляющихся валентностей.
При стехиометрическом соотношении компонентов а = 1. Ко гда а > 1 , топливная смесь содержит в избытке окислитель, а когда а < 1 - горючее.
Для пороха, состоящего из элементов H, С, О, N, при низких температурах в состав продуктов горения входят следующие газы:
Н20, С 02, N2 при а =1,
Н20, С 02, 0 2, N2 при а > 1,
Н20, С02, СО, N2 при а < 1. Например, тринитрат глицерина (а =1,059),
C3H5(0N 02) 3 = ЗС0 2 + 2,5Н20 + 1,5N2 + 0,25О2.
При значительном недостатке кислорода могут образовывать ся, кроме того, низшие углеводороды (СН4), а также свободный углерод. Например, тротил (а = 0,364)
C6H2(N02)3CH3^ 2С02+ СО + 4С + Н20 + 1,2Н2+ 1,4N2+ 0,2NH3.
Следующим важным фактором, определяющим состав продук тов горения, является температура. При высоких температурах со став продуктов горения отличен от состава при низких температурах из-за диссоциации и ионизации компонентов продуктов горения (рис. 32).
-Pi
Р' Рем
0.6
0.5
0.4
0.3
0,2
0.1
О
0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 5200 Г,К
Рис. 32. Зависимость состава продуктов горения от температуры при а = 1 (Pi- парциальное давление i-го компонента смеси газов, рт = pf )
Диссоциация начинается при температуре =2000 К. Для топли ва, состоящего из H, С, О, N, при температуре выше 2000 К в про дуктах горения дополнительно появляются еще газы ОН, О, Н, N0, N. При очень высоких температурах возможно появление свободно го углерода. Появление этих газов является результатом диссоциа ции сложных соединений на более простые:
С02 <=> СО + 1/2 0 2,