Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теория горения и взрыва. Учебник
.pdf
– скорости горения. Скорость горения черного дымного пороха
(u ≈ 1 см/с) значительно больше, чем бездымного (u ≈ 0,1 см/с). В результате запас тепла, требуемый для создания прогретого слоя для
черного дымного пороха, меньше, чем для бездымного. Поэтому черный дымный порох воспламеняется довольно легко, хотя его температура вспышки (~300 °С) выше, чем у бездымного пороха (~200 °С).
Пироксилин и другие порошкообразные ВВ в прессованном виде
воспламеняются значительно труднее, чем те же ВВ в рыхлом порошкообразном состоянии, потому что с увеличением плотности ВВ скорость горения уменьшается;
– начальной температуры. С увеличением начальной температуры
ВВ необходимый запас тепла линейно уменьшается.
Воспламеняемость является весьма важной характеристикой ВВ,
во многих случаях (например, в условиях возбуждения взрыва ударом, более существенной, чем температура вспышки).
13.3. Возбуждение взрывного превращения
механическим импульсом
В процессе применения ВВ неизбежно подвергаются толчкам, тре-
нию и ударам.
Способность ВВ взрываться при механических воздействиях на-
зывается чувствительностью к механическим воздействиям.
Знание чувствительности к механическим воздействиям необходимо для определения возможности и условий безопасного изготовления и применения бризантных ВВ, а в случае инициирующих ВВ,
еще и для определения возможности и условий безотказного возбуждения детонации.
Для испытания на чувствительность ВВ к удару существуют специальные установки. Они представляют собой так называемые копры
(рис. 13.7), т.е. вертикальные стойки, вдоль которых может падать груз.
Груз ударяет с помощью бойка стандартной формы по небольшому образцу ВВ.
Пока высота падения груза не превосходит некоторой определенной величины, образец ВВ не взрывается ни при одном из многократных ударов. При дальнейшем увеличении высоты падения груза
некоторая часть опытов заканчивается взрывом. По мере увеличения
высоты падения груза взрывы возникают все чаще и чаще. Наконец,
достигается такая высота, при падении с которой груз своим ударом
вызывает взрывы при всех опытах (рис. 13.8).
141
Рис. 13.7. Схема копра для испытания
чувствительности взрывчатых веществ к удару
Рис. 13.8. График зависимости относительного числа взрывов
от высоты падения груза на копре
Процесс возбуждения взрыва механическим импульсом значительно сложнее, чем тепловым. Были выдвинуты следующие основные
гипотезы, объясняющие механизм этого процесса:
1 гипотеза. Взрыв при ударе по ВВ возникает непосредственно
в результате его сжатия. Деформация молекул или кристаллической решетки ВВ вызывает в них химическое превращение.
142
В подтверждение этой гипотезы приводились экспериментальные
= ××=× × =
== »
данные взрыва йодистого азота (в 70 % опытов) под воздействием
статического сжатия давлением в 5000 атм.
Однако результаты экспериментальных исследований других ВВ
говорят против гипотезы непосредственного возбуждения взрыва
ударом. Так, сжатие статическими давлениями до 100 000 атм, т.е.
близкими к давлениям, имеющим место при детонации, таких ВВ как
тринитротолуол, нитрогуанидин, пикрат аммония даже при наличии
некоторой деформации сдвига не приводило к взрыву.
2 гипотеза. Удар по ВВ приводит к его разогреву, который и
возбуждает распад ВВ.
Проверим данную гипотезу на соответствие энергии удара, достаточной для возбуждения взрыва, количеству тепловой энергии, необходимому для разогрева ВВ до температуры вспышки.
Например, тротил взрывается, по данным Н.А. Холево, при падении груза массой M = 5 кг с высоты h = 0,50 м, т.е. энергия удара составляет
5 10 0, 5 25А М gh
Дж.
За счет этой энергии навеска тротила (массой m = 0,03 г, теплоемкость тротила c ≈ 1,25 Дж/(г·град)) могла бы разогреться на
A
t
mc
××
25
0,03 1,25
650
°С.
Температура же вспышки тротила в обычных условиях ее определения составляет около 300 °С. Таким образом, если допустить, что
энергия удара целиком используется для нагрева ВВ, то этой энергии
хватило бы в данном случае для достижения температуры вспышки.
Однако противники данной гипотезы утверждают:
1. Энергия удара, возбуждающего взрыв, в некоторых случаях не-
достаточна для разогрева ВВ до температуры вспышки.
Например, гремучая ртуть (или другие, близкие ей по чувствительности ВВ), может взрываться при падении груза M = 2 кг с высоты
h = 2 см, при этом возможный разогрев составит всего 24°, т.е. будет совершенно недостаточен для достижения температуры вспышки
(160…170 °С).
143
2. Во многих случаях отсутствует непосредственная связь между
чувствительностью ВВ к удару и температурой вспышки (табл. 13.2)
Таблица 13.2
Некоторые характеристики ВВ (по данным ОАО «Промсинтез»)
Взрывчатое вещество
Аммонит 6ЖВ 20 330...336
Граммонит ТМ 20 346...349
Гранулит М 40 260...265
Аммонал-200 (патрон.) 15 310...317
Гранулотол 50 295...305
Граммонит 79/21 50 330...336
Граммонит 30/70 50 315...320
Гранулит АС-4 50 260...265
Гранулит АС-8 25 260...265
Порэмит П-II-С-МС 50 326...338
Чувствительность к удару
(нижний предел), см
Температура вспышки,
°С
3. Помимо этого, опыт показывает, что только небольшая часть
энергии удара поглощается ВВ, а остальная ее часть поглощается металлом наковальни, ударника, затрачивается на отскок ударяющего
груза и т.д.
Кроме того, продолжительность удара гораздо меньше продолжительности нагрева, необходимого для возбуждения вспышки тротила
или гремучей ртути при указанных выше температурах. При малой
же продолжительности нагрева температура, необходимая для получения вспышки, еще выше.
3 гипотеза (гипотеза местных разогревов). Инициирование при
ударе и трении всегда связано с возникновением в ВВ локальных разогревов в виде «горячих точек» конечных размеров (10–3…10–5 см),
которые исполняют роль начальных центров термического воспламенения.
В настоящее время наиболее обоснованной гипотезой, объясняющей возбуждение взрыва при ударе и трении, является гипотеза
местных разогревов, возникающих в ВВ при ударе. Если размеры
очага разогрева и достигнутая в нем температура достаточно велики,
то происходит воспламенение ВВ. Возникшее горение может перейти
во взрыв.
В момент удара, вследствие неоднородности физической структуры ВВ (внутренние полости, неправильная форма, беспорядочное расположение кристаллов и т.п.), на отдельных локализованных
144
участках могут возникать «пики» повышенных напряжений. Эти очаги или «горячие точки» являются наиболее вероятными центрами
возникновения взрыва.
Инициирование взрыва при этом будет достигнуто, если температура «горячей точки» окажется достаточной для воспламенения ВВ
при времени задержки, не превосходящем продолжительность удара. Предположение о возможности возникновения взрыва при ударе под непосредственным влиянием локальных разогревов впервые
было высказано Ю.Б. Харитоном, а А.Ф. Беляевым была впервые
экспериментально доказана способность ВВ к тепловому инициированию под влиянием весьма кратковременных (τ = 10–4 с) местных
разогревов.
Механизмы возникновения очагов разогрева могут быть различны.
Основными из них являются:
1) трение между частицами или слоями ВВ при смещении их относительно друг друга, вызванном нормальным или скользящим ударом;
2) трение между металлическими (или иными) твердыми поверхностями, между которыми находится тонкий слой ВВ; разогрев металла, обусловленный этим трением, вызывает разогрев в ВВ;
3) трение между твердыми и тугоплавкими частицами, если они
присутствуют в ВВ, при смещении их относительно друг друга, вызванном нормальным или скользящим ударом. Разогревы могут возникнуть также от трения указанных частиц о металл; нагрев частиц
вызывает разогрев в ВВ;
4) сжатие пузырьков газов или паров, содержащихся в ВВ, при
ударном сжатии последнего.
13.4. Действие взрывного импульса навзрывчатое
вещество
В 1864 г. Альфред Нобель обнаружил, что взрывчатое превращение нитроглицерина легко и более полно может быть вызвано с помощью металлической гильзы, содержащей 1…2 г гремучей ртути.
Изобретение капсюля-детонатора открыло эпоху практического
применения бризантных ВВ.
Последующими исследованиями было установлено существование
ряда других инициирующих ВВ, обладающих лучшей инициирующей
способностью, чем гремучая ртуть. К их числу относятся некоторые
145
неорганические азиды и, главным образом, азид свинца, в значительной мере вытеснивший в качестве инициатора гремучую ртуть.
Чувствительность ВВ к действию инициатора обычно характеризуется величиной предельного инициирующего заряда. Предельным
инициирующим зарядом называется минимальный заряд инициирующего ВВ, обеспечивающий детонацию определенного количества испытуемого бризантного ВВ. При этом произошла или нет детонация
заряда бризантного ВВ определяют по характеру пробоя свинцовой
пластинки, на которую устанавливают заряд в специальной капсюльной гильзе. Чем меньше предельный инициирующий заряд, тем больше восприимчивость к детонации испытуемого бризантного ВВ.
Некоторые данные по предельным инициирующим зарядам приведены в табл. 13.3.
Таблица 13.3
Предельные инициирующие заряды
Бризантное взрывчатое вещество
Тетрил 0,29 0,025
Пикриновая кислота 0,30 0,025
Тротил 0,36 0,09
Масса предельного инициирующего заряда, г
Гремучая ртуть Азид свинца
Для возбуждения детонации бризантных ВВ с пониженной восприимчивостью к детонации в настоящее время обычно применяются промежуточные детонаторы (боевики) из более чувствительных и
мощных ВВ (тэн, гексоген, тетрил), детонация которых в свою очередь вызывается с помощью капсюля-детонатора (рис. 13.9).
146
Рис. 13.9 Устройство шашки-детонатора:
1 – волновод; 2 – капсюль-детонатор;
3 – шашка-детонатор
Исследованием механизма возбуждения детонации с помощью
взрывного импульса занимались в Советском Союзе А.Ф. Беляев,
Ю.Б. Харитон, Б.И. Шехтер и др.
В соответствии с гидродинамической теорией детонации и результатами экспериментальных исследований механизм этот представляется следующим образом.
Пусть детонатор вплотную соприкасается с инициируемым зарядом (рис. 13.10).
Рис. 13.10. Развитие взрыва в заряде ВВ
При детонации инициатора по веществу основного заряда начнет
распространяться ударная волна. Для простоты предположим, что
физические свойства (плотность и сжимаемость) обоих зарядов одинаковы. Это означает, что при переходе через границу раздела скорость волны не изменяется.
Возможны следующие случаи:
1. Если начальная скорость инициирующей ударной волны меньше или равна скорости звука в инициируемом заряде, то возможность
непосредственного возникновения детонации в заряде по ударному
механизму полностью исключается.
147
Иллюстрацией может служить попытка непосредственного возбуждения детонации в заряде тротила плотностью ρ0 = 1,60 г/см3
с помощью детонатора из аммотола 90/10. Если диаметр последнего взять близким к критическому, то скорость детонации его будет порядка 1600 м/с. При этой скорости в тротиле не может быть
непосредственно возбужден взрыв, так как скорость звука в нем
при плотности ρ0= 1,60 г/см3 (по данным Г. Г. Ре мпеля) составляет с0 ≈ 1900 м/с; при плотности ρ0 = 1,665 г/см3 (что соответствует плотности монокристалла, симметричного тринитротолуола)
с0 ≈ 2700…2800 м/с.
Необходимо отметить, что при указанных выше условиях не исключено воспламенение заряда под воздействием горячих продуктов
детонации инициатора с переходом горения при благоприятных обстоятельствах в детонацию.
2. Если скорость инициирующей ударной волны больше скорости
звука в исходном заряде, но близка к критической скорости Dкр его
детонации, то возможны следующие случаи:
1) параметры инициирующей ударной волны при данных условиях
недостаточны для возбуждения самоускоряющейся химической реакции в инициируемом заряде. Вследствие этого ударная волна быстро
затухнет, подобно тому как это наблюдалось бы при ее распространении по инертному веществу. Детонация в заряде не возникнет, а произойдет лишь разброс в значительной степени непрореагировавшего
ВВ. Этот случай соответствует отказу (кривая 1 на рис. 13.10);
2) при наличии благоприятных условий (достаточная продолжительность действия инициирующей ударной волны, соответствующая
длина, диаметр и пористость заряда, наличие оболочки) возможно
воспламенение ВВ с последующим переходом горения в детонацию
(кривая 2 на рис. 13.10).
3. Если скорость детонации детонатора превосходит собственную
скорость детонации основного заряда возможны следующие случаи:
1) возбужденный детонатором взрыв может на значительном
участке иметь скорость, превышающую собственную скорость детонации основного заряда (кривая 3 на рис. 13.10);
2) возбужденный инициатором взрыв при наличии неблагоприятных условий может затухнуть (кривая 4 на рис. 13.10).
К неблагоприятным условиям относятся: пониженная восприимчивость к детонации, повышенная плотность заряда, небольшой диаметр заряда и др.
148
Резкое затухание процесса наступает после снижения скорости
2
эф
х.р
L
L
инициирующей волны до предела, соответствующего критической
скорости детонации заряда.
Опыт показывает, что если заряд обладает пониженной восприимчивостью к детонации и в нем возбуждается затухающий взрыв, то
с увеличением инициирующей способности детонатора критическая
длина затухания взрыва lкр возрастает. Эта величина увеличивается
также с повышением восприимчивости заряда к детонации.
Таким образом, возникновению детонации всегда будет предшествовать больший или меньший начальный участок преддетонационного развития процесса. Длина этого участка зависит:
1) от параметров инициатора (размеров, скорости детонации);
2) условий инициирования (природа ВВ, размеры кристаллов, диа-
метр заряда, оболочка).
При благоприятных условиях и достаточно мощном начальном
импульсе в заряде практически сразу же возбуждается детонация с
нормальной скоростью распространения.
Итак, первым необходимым условием возбуждения детонации
является требование: скорость инициирующей ударной волны должна превосходить некоторую критическую скорость, зависящую от
свойств ВВ основного заряда и условий опыта. Это требование легко
выполняется, если скорость детонации инициатора достаточно велика, что обычно всегда соблюдается на практике.
Второе условие, необходимое для возникновения детонации, заключается в том, чтобы давление во фронте инициирующей ударной
волны поддерживалось на необходимом уровне за счет энергии, выделяющейся при химической реакции.
Степень использования энергии химической реакции во взрывной
волне зависит от соотношения между шириной зоны химической реакции L
и глубиной эффективной ее части Lэф, т.е. той части зоны
х.р
превращения, которая не затронута волной разрежения (рис. 13.11).
В открытых зарядах скорость волны разрежения D
является ве-
разр
личиной почти постоянной:
D » .
Поэтому, при прочих равных условиях, отношение
D
разр
целиком
определяется скоростью химической реакции; с увеличением скоро-
149
сти реакции уменьшается L
и соответственно возрастает коэффици-
х.р
ент полезного использования энергии химической реакции в волне.
Рис. 13.11. Детонация открытого цилиндрического заряда
При инициировании взрыва начальная глубина волны в значительной степени определяется геометрическими размерами детонатора –
его диаметром и длиной:
1. С увеличением диаметра детонатора соответственно растет площадь контакта с основным зарядом, что приводит к увеличению первоначального очага взрыва; диаметр его равен диаметру самого детонатора. Следовательно, увеличение диаметра детонатора равносильно
увеличению эффективной глубины зоны реакции в инициированном
слое ВВ. Максимальная инициирующая способность детонатора, при
прочих равных условиях, достигается, когда его диаметр равен диаметру основного заряда.
2. Увеличение длины детонатора при заданном его диаметре до известного предела также способствует увеличению Lэф, так как слой
разложившегося ВВ, прилегающего к торцу заряда, будет препятствовать проникновению осевой волны разрежения в глубь очага взрыва.
Чем больше этот «защитный слой», тем позже начнется разлет газообразных продуктов реакции из очага взрыва. Однако известно, что
в направлении распространения детонации разлетается не вся масса продуктов взрыва, а лишь некоторая, так называемая ее активная
часть. Эта часть благодаря боковым волнам разрежения возрастает
с увеличением длины заряда лишь до известного предела, достигая
для открытых зарядов своего максимального значения при длине за-
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]