Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физические основы взрыва. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

1 / 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

Министерство образования и науки России

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

И. Ф. Садыков

ФИЗИЧЕСКИЕ

ОСНОВЫ ВЗРЫВА

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2016

УДК 523.5, 539.5 ББК 24.54

/ И. Ф. Садыков;

Рецензенты:

д-р техн. наук, академик РАЕН

д-р техн. наук Н. С. Латфуллин

ISBN 978-5-7882-2114-4

Садыков И. Ф., 2016

Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2016

Садыков И. Ф.

Физические основы взрыва : монография М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2016. – 107 с.

ISBN 978-5-7882-2114-4

Рассмотрена физическая картина основных явлений, процессов и закономерностей, происходящих при взрыве зарядов конденсированных ВВ в воздушной, твердой и водной средах.

Предназначена для специалистов в области получения ВВ, порохов и пиротехнических составов, изготовления из них зарядов, а также для студентов специальностей «Технология энергонасыщенных материалов», «Материаловедение и технология новых материалов», «Взрывное дело» по направлению «Горное дело».

Подготовлена на кафедре «Технология твердых химических веществ».

Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета

М. Х. Хайруллин

Садыков Ильгиз Фатыхович

(1931-2015)

Доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ и РТ, лауреат Государственной премии РФ. Видный специалист в области изучения взрывных процессов и создания энергонасыщенных материалов, технологий интенсификации добычи нефти. Автор более 400 научных работ и изобретений.

ВВЕДЕНИЕ

Взрывчатые вещества (ВВ), способные совершать за весьма

короткие промежутки времени значительную работу, по эффективности являются до сих пор одними из сильнейших источников энергии. В военном деле ВВ применяются в различного рода оружии, в боеприпасах для метательных и разрушительных целей. Кроме того, ВВ широко используются в народном хозяйстве при ведении строительных и горных работ. Поэтому рассмотрение вопросов физики взрыва и явлений, им сопутствующих, представляет исключительный интерес.

В настоящее время имеется фундаментальная монография по

физике взрыва в двух томах (2002 г.) под редакцией Л.П. Орленко, которая предназначена для специалистов, занимающихся физикой взрыва. Для специалистов, работающих в области технологии по изготовлению зарядов ВВ, знание основ взрывных процессов также вполне очевидно, так как это позволяет инженеру-технологу грамотно разрабатывать рецептуры взрывчатых веществ и проводить технологический процесс, обращая особое внимание на те операции, от которых зависят взрывчатые характеристики и в конечном итоге эффективность действия взрыва заряда ВВ.

Предлагаемая монография посвящена изучению физической

картины основных явлений, процессов и закономерностей, происходящих при взрыве зарядов конденсированных ВВ, и ориентирована на специалистов, работающих в области получения ВВ, порохов и пиротехнических составов, изготовления из них зарядов, а также для специалистов, работающих с ВВ на различных снаряжательных предприятиях. Может представлять интерес для студентов специальностей «Технология энергонасыщенных материалов», «Материаловедение и технология новых материалов» и «Взрывное дело» по направлению «Горное дело».

Автор выражает благодарность заведующему лабораторией Т. А. Ларкиной и доценту А. А. Мокееву за участие в подготовке рукописи к печати.

Глава 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗРЫВЧАТЫХ

ВЕЩЕСТВ И ВЗРЫВА

1.1. Основные понятия о взрывчатых веществах и

взрывчатом превращении (взрыве)

В настоящее время в мировой литературе чрезвычайно разнообразный и широкий ряд взрывчатых веществ и составов на их основе принято называть энергонасыщенными или энергетическими материалами (ЭМ). В отечественной литературе также широко используется термин "взрывчатые вещества" (ВВ) и "взрывчатые материалы" (ВМ). Однако термин "энергонасыщенный материал" содержит в себе исключительный смысл, так как ЭМ обладают запасом потенциальной химической энергии. Она может быть выделена только при обязательном изменении агрегатного состояния, особенностью которого является то, что вещество из твердого, жидкого или газообразного состояния обязательно переходит в газообразное состояние, образуя продукты взрывчатого превращения или взрыва (ПВ). При этом ПВ вследствие высокой энергоемкости ЭМ и беспрецедентно высокой мощности энерговыделения приобретают запас внутренней и кинетической энергии, который впоследствии или в процессе энерговыделения расходуется на совершении работы. В практических целях в большей степени используются энергетические свойства ПВ, в меньшей степени - эффекты, сопровождающие взрывчатое превращение, например теплофизические, оптические, электромагнитные и другие свойства ПВ и связанные с ними эффекты в окружающей среде.

Взрывчатым превращением (ВП), или взрывом, называется самораспространяющееся с большой скоростью химическое превращение, протекающее с выделением большого количества тепла и образованием газообразных продуктов. Потенциальная энергия ЭМ может быть выделена и затем реализована только при определенных условиях инициирования, внешних условиях и особенностях свойств и структуры заряда. В зависимости от этих условий проявляются различные механизмы и соответственно определяющие их параметры энерговыделения, которые можно представить как режимы взрывчатого превращения. Различают следующие режимы ВП [1.1]:

- нормальное горение (НГ) - распространение энергии

химической реакции ЭМ от слоя к слою со скоростью, меньшей

скорости звука в заряде, по механизму теплопроводности со стационарным профилем температуры, а внешние условия позволяют надежно управлять процессом;

- конвективное горение (КГ) - разновидность горения твердых

ЭМ, обладающих газодинамической пористостью, КГ возникает при достижении давления срыва нормального горения. Процесс ведется фильтрацией струй горячих продуктов горения из зоны горения в глубь исходного вещества. Роль внешних условий в управлении параметрами режима ограничена, а волновые процессы существенны только в зоне горения;

- низкоскоростная детонация (НСД) - частный случай

преддетонационного волнового процесса с малой долей разложения непосредственно за фронтом волны сжатия. НСД возбуждается и поддерживается слабыми волнами сжатия, генерирующими реакцию в локальных очагах. Физико-механическая структура заряда является определяющим фактором, а наличие оболочки способствует или определяет возможность распространения процесса;

- нормальная детонация (НД) - характеризуется сверхзвуковым

распространением по ВВ химической реакции по ударно-волновому механизму, т.е. распространением стационарного комплекса, состоящего из ударной волны и химической реакции за ней.

В порядке возрастания мощности и уровня параметров режимы располагаются в следующей последовательности: НГ - КГ - НСД - НД. В существующей литературе по теории ВВ методологически принят подход, по которому различные режимы ВП обобщаются в единое понятие «взрыв», как указывалось ранее. Исходя из этого понятия, можно выделить факторы, позволяющие считать тот или иной режим ВП взрывом. К определяющим относятся следующие факторы:

- экзотермичность процесса;

- высокая скорость процесса;

- интенсивное газообразование;

- способность к самораспространению.

Эти факторы или признаки могут быть для различных ВВ выражены в разной степени, однако только их совокупность придает явлению характер взрыва.

Перечисленные факторы определяют параметры и ограничения на практическое применение того или иного режима ВП. Их может оказаться недостаточным, когда речь идет о предельных возможностях режима в конкретной схеме реализации. Необходимо

постадийное рассмотрение процесса от условий возбуждения режима до передачи энергии окружающей среде.

На практике преимущественно реализуются два стационарных вида режимов - нормальное горение и нормальная детонация, представляющих два предельные по физической сущности процесса. По уровню параметров конвективное горение и низкоскоростная детонация занимают промежуточное положение, частично перекрывая диапазон параметров, характерных для горения и детонации.

Схема распространения фронта горения и фронта детонации показаны на рис. 1.1.

А. Фронт горения Б. Фронт детонации

Рис. 1.1. Схемы распространения фронта горения

и фронта детонации.

Возбуждение процесса в виде нормального горения осуществляется путем воспламенения ограниченного участка поверхности заряда, например поверхности левого торца (рис. 1.1 А) с использованием теплового источника инициирования, создающего луч огня, накал электрической спирали и т.п. Под воздействием высокой температуры теплового источника в поверхностном слое ВВ происходит химическая реакция превращения этого слоя исходного ВВ преимущественно в газообразные продукты горения, представляющего зону химической реакции. В зоне химической реакции, протекающей, как правило, с образованием пламени,

достигается максимальная температура горения Т

заряда ВВ. Из этой

зоны часть тепла передается теплопроводностью впереди лежащему слою исходного ВВ, так называемой зоне прогрева, в которой ВВ прогревается от начальной температуры Т максимальной температуре горения Т

до температуры, близкой к

. В зоне прогрева

подготавливается, таким образом, к химической реакции следующий слой ВВ. В результате граница между зоной химической реакции и зоной прогрева, называемая фронтом горения, непрерывно передвигается в направлении к исходному ВВ, обеспечивая самораспространение процесса горения.

Взрывчатое превращение в виде нормальной детонации возбуждается за счет воздействия на определенную поверхность заряда ударной волны, создаваемой соответствующим средством инициирования, например капсюль-детонатором. Ударная волна создает в поверхностном слое заряда зону сильно сжатого ВВ, в результате чего происходит весьма быстрый высокотемпературный нагрев и химическая реакция с выделением энергии. Комплекс из ударной волны, сопровождаемый и поддерживаемый зоной химической реакции, называется детонационной волной. Граница, отделяющая детонационную волну от исходного ВВ, представляет фронт детонации (рис. 1.1 Б). Распространение детонационной волны сопровождается, как и обычной ударной волны, скачкообразным повышением давления на ее фронте, постоянство параметров которого поддерживается за счет энергии, выделяемой в зоне химической реакции. За зоной химической реакции образуются продукты детонации (ПД), в результате разлета и расширения которых давление падает.

В обоих видах взрывчатого превращения - горения и детонации переход потенциальной энергии ВВ в механическую работу осуществляется за счет расширения газообразных продуктов превращения. Отличиями этих видов взрывчатых превращений по совершению механической работы, для которой преимущественно и производится взрыв, является то, что в режиме детонации процесс расширения продуктов взрыва реализуется за счет весьма быстрого создания высокого перепада давления в объеме самого заряда по сравнению с окружающей средой. Для совершения работы за счет продуктов горения обычно искусственно создают высокое давление в замкнутой или полузамкнутой системе, а затем заставляют газы расширяться, создавая тем или иным способом более низкое давление

в системе, например в стволе артиллерийского орудия при выстреле снаряда или в камере двигателя в ракетной технике. Области технического и научного применения взрыва не ограничиваются только использованием работы расширения газообразных продуктов превращения. Перспективными и интересными направлениями являются тепловые, химические, электромагнитные, оптические и другие связанные с этими видами взрывчатого превращения эффекты в окружающей среде.

1.2. Классификация ВВ по составу, области применения и другим подходам

Все ВВ по своему составу разделяются на индивидуальные ВВ и

взрывчатые составы или смеси на их основе (рис. 1.2) [1.2-1.4].

К индивидуальным ВВ относят способные к экзотермическим

реакциям химические соединения, у которых при внешних воздействиях происходит разрыв химических связей в молекулах, в результате чего горючие элементы соединяются с окислительными. В общем случае разрыв химических связей в молекулах является окислительно-восстановительным процессом, при котором осуществляется переход валентных электронов от одних элементов к другим. Процесс потери элементом электронов называют окислением, а сам элемент - восстановителем. Присоединение же элементом электронов называют процессом восстановления, и в этом случае элемент является окислителем. При этом переход электронов от одних элементов к другим сопровождается выделением или поглощением энергии. В этой связи уместно упомянуть принципиальный подход, высказанный академиком Ю. Б. Харитоном о том, что химические соединения, способные к экзотермической реакции, могут являться взрывчатыми.

Из вышеприведенных известных положений можно заключить,

что взрывчатыми соединениями могут быть соединения, не обязательно содержащие в качестве окислительного элемента кислород. Примером такого соединения является азид свинца, разлагающийся при взрыве на свободный азот и свинец. Подобные соединения, как правило, обладают особенно непрочной химической связью и повышенной чувствительностью к взрыву при внешних воздействиях, что значительно ограничивает их практическое применение.

Индивидуальные ВВ, имеющие практическое применение, пре-

имущественно являются органическими азотистыми соединениями ароматического, алифатического и гетероциклического рядов, в том числе, содержащими:

- группу NO2, например тринитротолуол (ТНТ) или тротил (NO2)3CН3;

- ОNO2, например пентаэритриттетранитрат или ТЭН С(СНОNO

- NNO

гексоген (СН

, например циклотриметилентринитрамин или

;

2)4

NNO2)3;

- циклотетраметилентетранитрамин или октоген

(СН

NNO2)4.

К индивидуальным ВВ относят также неорганические соединения

из числа, имеющих сравнительно слабые взрывчатые свойства солей:

- азотной кислоты, например нитрат аммония или аммиачная

селитра NH

- хлорной кислоты, например перхлорат калия KClO

аммония NH

4NO3

ClO4.

;

, перхлорат

Взрывчатые составы или смеси, представляющие собой композиции из химически не связанных между собой веществ, сводят к двум типам:

- взрывчатые составы, состоящие из механической смеси одного

или нескольких индивидуальных ВВ и различного рода добавок, обеспечивающих заданные технологические и эксплуатационные свойства (например, прессуемость, прочность, чувствительность к механическим воздействиям и т.п.);

- смесевые ВВ, представляющие собой механическую смесь

окислителя с горючим.

Большинство индивидуальных ВВ используется в виде взрывчатых составов первого типа. К ним относятся, например флегматизированные гексоген и октоген, которые могут, в свою очередь, образовывать более сложные составы путем введения энергетических добавок, например алюминия.

Взрывчатые составы первого типа могут представлять собой сплавы плавкого ВВ тротила с более мощными порошкообразными ВВ - гексогеном и октогеном, а также алюминием. Преимущества взрывчатых составов первого типа состоят, таким образом, в возможности широкого регулирования энергетических характеристик ВВ при более высоких их детонационных свойствах.

Смесевые ВВ типа окислитель-горючее имеют ряд преимуществ

1 / 111 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]