Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы взрыва. Монография
.pdf
когда параметры давления и скорости ПВ достаточно велики;
- характеризуется сжатием, измельчением, дроблением окружаю-
щей среды или метанием оболочки заряда;
- определяется такими свойствами, как скорость детонации и
плотность заряда ВВ.
Фугасное действие проявляется:
- на расстояниях 5-8r
;
0
- характеризуется действием ударной волны и продуктов взрыва в
виде перемещения, выброса значительных масс окружающей среды;
- в основном зависит от энергии взрыва, в частности, от теплоты
взрыва.
Между этими основными формами работы взрыва могут
проявляться бризантно-фугасное или фугасно-бризантное действия
взрыва [2.5; 2.6].
2.2. Общие представления о разлете продуктов взрыва
2.2.1. Характеристика поля взрыва. Предельные объемы и
расстояния расширения продуктов взрыва
При детонации заряда ВВ образующиеся продукты взрыва (ПВ)
прежде всего разлетаются с поверхности заряда, приобретая
наибольшие скорости и давления. Далее ПВ, расширяясь, занимают
некоторый объем вокруг центра взрыва.
Область пространства, в каждой точке которой можно определить
все параметры (давление, плотность, скорость и т.д.),
характеризующие продукты взрыва, называют полем взрыва. Поле
взрыва является неустановившейся (нестационарной) областью, так
как в каждой точке его все параметры изменяются со временем.
Изучение поля взрыва в какой-либо среде усложняется также тем, что
необходимо знать не только параметры ПВ, но и среды, вовлеченной в
движение. Однако, даже не углубляясь в теорию разлета ПВ, с точки
зрения инженерной практики можно оценить предельные объемы и
расстояния, на которых будет распространяться действие ПВ, исходя
из общих законов расширения газов [2.7]:
k
P
= PkV
0V0
γ
,
k
, V0 и Pk, Vk – соответственно начальные и конечные давления и
где P
0
21
объемы расширения ПВ, а k и γ – показатели адиабаты. На близких
γ
/13/1
0
0
=
k
c
c
k
P
P
P
P
V
V
8
2
0
0
D
Pρ=
от объема
расширяющихся продуктов взрыва
расстояниях от поверхности заряда (I, рис. 2.2), где давления ПВ
достаточно велики, значения k принимают равным 3.
Рис. 2.2. Зависимость давления
Это значение показателя адиабаты справедливо, однако, при
расширении ПВ до определенного среднего давления P
около 200 МПа, т.е.:
(II, рис. 2.2) справедливо выражение:
P
k
P
= PcV
0V0
k
,
c
При дальнейшем расширении ПВ, то есть при P
cVc
γ
= PkV
γ
, где γ = 1,2 – 1,4.
k
менее 200 МПа
c
, равного
c
Сопряжение этих двух выражений закона расширения газов
приводит к формуле, приведенной для удобства в виде степени
расширения ПВ до конечного объема V
объема V
:
0
относительно начального
k
Начальное давление
где для типичных ВВ (типа тротил) ρ
= 1,6 г/см3 и D = 7000 м/с, будет
0
22
составлять ≈ 100.000 кг/см
8002207
,3200050
7/53/1
0
≈⋅=⋅=
V
V
k
1600200050
5/43/1
=⋅
а
б
а
2
(104 МПа). Приняв конечное давление Pk
равным атмосферному, то есть P
- при γ = 7/5 величину
= 1 кг/см2, будем иметь:
k
- при γ = 5/4 она составит
Таким образом продукты взрыва типичных ВВ расширяются
приблизительно в 800 – 1600 раз. Поэтому в случае сферического
взрыва предельный радиус R
объема, занятого продуктами взрыва,
пред
будет в 10 – 12 раз больше начального радиуса заряда, то есть:
R
≈ 10-12r
пред
0
Для цилиндрического взрыва (рис. 2.3) это отношение будет
приблизительно равно:
R
≈ 30r
пред
0
Рис. 2.3. Форма поля взрыва при предельном расширении ПВ
для сферического (а) и цилиндрического (б) зарядов ВВ
При этом поле взрыва при предельном расширении ПВ для
сферического заряда будет в целом иметь сферическую форму (рис.
2.3 а), а для цилиндрического заряда поле взрыва вытянуто в сторону
длины заряда (рис. 2.3 б).
В целом можно утверждать, что действие поля взрыва, то есть
собственно продуктов взрыва, хотя имеет сравнительно большой
объем расширения, ограничивается весьма небольшими
расстояниями. Здесь следует отметить, что вследствие
нестационарности процесса расширения продуктов взрыва, они будут
достигать предельной границы через ряд затухающих колебаний
23
около этой границы. Сначала продукты взрыва, расширяясь, займут
1−
=
γ
kc
ост
VP
E
MQ
QVE
==
0
00
ρ
)
)1
(
(
00
0
0
V
VP
Q
MEEE
k
ост
уд
ρ
γ
−
−=−=
наибольший объем, превышающий предельный так, что среднее
давление в них будет меньше P
их до давления, несколько большего, чем P
. Затем внешнее давление «подожмет»
k
, и т.д. Однако, реальное
k
значение имеет процесс первого расширения и первого сжатия, после
чего процесс практически прекратится. Кроме того, граница раздела
между ПВ и воздушной средой, будучи вначале явно выраженной, в
действительности с течением времени становится все более и более
размытой, т.к. за фронтом воздушной ударной волны движение будет
вихревым. В окрестностях границы раздела возникает турбулентная
область течения газа, которая будет размывать границу раздела. Такая
диффузия ПВ в среду происходит довольно медленно, и лишь после
окончания процесса разлета произойдет полное перемешивание
продуктов взрыва со средой. В этой связи для первой стадии разлета
вполне можно говорить о наличии границы раздела.
Зная предельный объем, можно в первом приближении [2.1]
определить энергию E
, «застрявшую», т.е. оставшуюся в продуктах
ост
взрыва:
Поскольку начальная энергия взрыва E
определяется
0
соотношением:
где M и Q – соответственно масса ВВ и теплота взрыва, то энергия E
,
уд
перешедшая в воздушную ударную волну, будет:
Отсюда E
ВВ Q = 1 ккал/г, ρ
значения V
E
уд/E0
k/V0
= 0,91.
= 1 – P0(Vk/V0)/((γ – 1)ρ0Q). Принимая для типичных
уд/E0
= 1,6 г/см3 и учитывая рассчитанные ранее
0
, находим, что при γ = 7/5 Eуд/E0 = 0,97, при γ = 5/4
Таким образом, подавляющая часть энергии взрыва переходит в
среду, окружающую область взрыва.
24
2.2.2. Направление разлета продуктов взрыва с поверхности
заряда
Рассматривая при взрыве заряда ВВ в воздухе распространение
продуктов взрыва (ПВ) с точки зрения гидродинамической теории
детонации, можно придти к выводу, что максимальная энергия
переносится частицами ПВ, разлетающимися с поверхности заряда,
где проявляется наибольший градиент давления между ПВ и
воздушной средой. Если даже в поверхностном слое заряда детонация
является неполной и выделяется не вся энергия, тем не менее
частицам ПВ поверхностного слоя передается от остальных ПВ с
более глубоких слоев значительная энергия, и эти частицы
определяют основной характер направления действия взрыва в
областях, непосредственно прилегающих к заряду.
При взрыве сферического заряда, инициируемого с центра,
разлетающиеся ПВ направлены во все стороны одинаково, и область
Рис. 2.4. Схема направления разлета
продуктов детонации с поверхности заряда ВВ
ПВ имет также сферическую форму. В общем случае, при взрыве
заряда произвольной формы имеет место, резко выраженное
направление разлета ПВ с поверхности заряда, а задаваясь той или
иной формой заряда, можно четко управлять этим направлением в
областях, прилегающих к поверхности заряда.
Наглядно наличие направленного действия ПВ в области поверх-
ности заряда можно рассмотреть на следующем общем примере.
25
Представим часть плоской поверхности заряда и детонационная волна
OA
AB
tg =
β
α
α
β
CosUC
SinU
tg
⋅+
⋅
=
1+=k
D
U
1+=k
kD
C
α
α
β
Cosк
Sin
tg+=
подходит к точке О этой поверхности под некоторым углом
отношению к нормали поверхности заряда (рис. 2.4).
При выходе в этой точке детонационной волны на поверхность
заряда частицы ПВ поверхностного слоя будут двигаться по
направлениям, которые определяются сложением двух скоростей.
Первая скорость U приобретается в направлении движения
детонационной волны, вторая скорость С – в направлении,
перпендикулярном к поверхности заряда. Получаемая сложением
обеих скоростей в соответствии с правилом параллелограмма
результирующая скорость V является векторной суммой скоростей U
и С.
Направление скорости разлета ПВ составляет по отношению к
нормали от поверхности заряда угол
как
так как АБ=ОВ=U
⋅
Sinα и ОА=С+U⋅Соsα, получим
β
, который можно определить
α
по
учитывая, что согласно гидродинамической теории детонации
и
где D – скорость детонации; к – показатель адиабаты С
характеризующий степень «жесткости» газов, в конечном виде
получим
при
α
= 90о, то есть когда детонационная волна движется параллельно
поверхности заряда, и принимая к вблизи этой поверхности равным 3,
получили tg
случае, когда
В соответствии с приведенными результатами можно сделать
β
= 1/к, а сам угол β = 17о. При другом предельном
α
= 0, угол β = 0.
.
26
/ СV,
р
выводы:
- направление разлета ПВ определяется как геометрией заряда,
характеризующейся углом
α
, а также свойствами продуктов взрыва,
объединенными в одном единственном коэффициенте к;
- направление разлета ПВ с поверхности заряда имеет резко
выраженный характер. Другими словами – вне зависимости от
направления подхода детонационной волны к поверхности заряда,
направление разлета ПВ с этой поверхности изменяется в весьма
узких пределах: 0 ≤
β
≤ 17о
Ввиду того, что остальные параметры ПВ (импульс и т.п.) по
направлению совпадают с направлением максимальной скорости ПВ,
то практически вся энергия ВВ передается с точностью до нескольких
градусов по одному направлению, то есть действительно имеет место
ярко выраженная направленность разлета и действия ПВ в области
поверхности заряда ВВ. В реальных случаях угол
о
17
, так как при разлете ПВ давление быстро падает и показатель
β
несколько меньше
адиабаты к становится меньше 3, приближаясь к значению к=1,4. В
этом случае отклонение потока ПВ от нормали получается равным
о
10
. Истинные значения угла β лежат между данными для к=3 и к=1,4.
Наличие оболочки заряда ВВ также уменьшает значение
β
, при
этом нормальная составляющая С скорости разлета будет увеличиваться. Знание закономерностей разлета продуктов взрыва с
поверхности заряда является необходимым условием при разработке
кумулятивных зарядов, особенно при проектировании формы и
других элементов кумулятивной выемки, при разработке осколочных
боеприпасов, при создании зарядов метательного действия, то есть во
всех случаях конструирования зарядов бризантных форм работы
взрыва зарядов ВВ.
27
2.2.3. Влияние формы и физических свойств заряда ВВ на
ета ПД в форме
цилиндрического или прямоугольного заряда ВВ
структуру детонационной волны и поле взрыва
Основными факторами, влияющими на направление разлета
продуктов взрыва и в целом на поле взрыва, являются форма заряда и
местоположение точки инициирования. Продукты взрыва разлетаются
вблизи поверхностей заряда по направлениям, близким к нормали от
поверхности, но, как отмечено выше, с небольшим (до 17
о
отклонением от нее. В процессе детонации цилиндрического (или
прямоугольного) заряда разлетающиеся с его поверхности продукты
взрыва приобретают форму усеченного конуса (рис.2.5). При полной
Рис. 2.5. Схема разл
усеченного конуса в процессе детонации
детонации такого заряда разлетающееся облако ПВ имеет
крестообразную форму (рис. 2.6), то есть поле взрыва распределяется
в пространстве неравномерно. Характерной особенностью такого
разлета ПВ является то, что наиболее сильное действие ПВ
производят по прямолинейным поверхностям заряда, а у углов и
ребер, наоборот, ослабленное действие (рис. 2.6). В общем случае
можно сказать, что максимальное действие ПВ имеет место у
)
28
поверхностей заряда малой кривизны, а наименьшее – напротив
Ри
при полной детонации заряда ВВ
сильно искривленных поверхностей. Это справедливо только для
поверхностей заряда, не имеющих вогнутости или выемки, так как в
этих случаях может иметь место, наоборот, повышенное действие ПВ,
в частности кумулятивный эффект.
с. 2.6. Схема поля взрыва
в крестообразной форме
Если при полной детонации заряда поле взрыва первоначально
имеет крестообразную форму, то со временем во впадинах фронта ПВ
образуются косые столкновения продуктов взрыва, приводящие к
повышению давления в этих впадинах. Фронт поля взрыва при этом
сначала выравнивается, затем вновь деформируется, но уже с
образованием повышенного давления там, где ранее имело место
наименьшее действие ПВ (рис. 2.7).
Фронт ПВ или УВ как бы «дышит», периодически изменяя свою
форму и постепенно приближаясь к сферической форме. Переход к
сферической форме фронта ПВ, по-видимому, происходит на
расстоянии 10-30 r
ровского, – на расстоянии до 100 r
, а фронт ударной волны, по данным П. И. Пок-
0
.
0
На структуру детонационной волны и соответственно на поле
взрыва определенное влияние оказывает неравномерность физических
свойств по объему заряда, особенно состоящих из смесевых ВВ.
29
Рис. 2.7. Схема деформации
поля взрыва во времени
Под неравномерностью физических свойств по объему заряда
понимается неравномерное распределение компонентов,
неравномерная плотность и т.п., приводящие в общем случае к
неравномерному распределению энергии.
Рис. 2.8. Схема деформированного характера
распространения детонационной волны
и фронта поля взрыва заряда смесевого ВВ
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]