теория горения-2

Согласно теории Харитона существует три механизма химических реакций в зоне детонации: ударный, баллисти­ ческий и смесевой.

•При ударном м еханизм е ВВ сначала претерпевает сжатие и разогрев, а затем химическое превращение. При­ чем ВВ считается гомогенным, и химическая реакция про­ текает во всем объеме вещества, находящегося в зоне пре­ вращения. Этот механизм характерен для газообразных

ижидких ВВ.

•При баллист ическом м еханизм е продукты взрыва образуются путем сгорания отдельных частиц вещества. При этом предполагается, что химическому превращению подвергается гомогенное вещество, но превращение идет не по всему объему, а лишь в тонком поверхностном слое отдельных сгорающих частиц. Этот тип реакции является основным при детонации твердых ВВ.

При прохождении фронта ударной волны в твердом ВВ возникают многочисленные очаги химической реакции. Газообразные продукты их превращения охватывают зерна вещества, которые быстро сгорают в условиях высоких тем­ ператур и давлений.

Рассмотрим наиболее простой случай мономолекулярной реакции:

■^актЕ

W$=Ze етФ,

где ]¥ф — скорость реакции у фронта детонационной волны; Z = 10й —1014, с-1; Гф — температура у фронта детонацион­ ной волны.

Большая скорость реакции на фронте детонационной волны обеспечивает адиабатический характер процесса. Выделяющаяся при этом энергия расходуется на повыше­ ние температуры и давления, что, в свою очередь, приво­ дит к увеличению скорости реакции и снижению времени ее протекания:

щ

-^акт-'е

где х — время; Те — величина, близкая к температуре взрыва. Между предельным диаметром ВВ и скоростью реакции

существует связь:

4.3. Факторы, влияющие на скорость и устойчивость детонации зарядов... 153

ционной волны является результатом взаимодействия двух или нескольких веществ, не находящихся в молекулярном контакте. Этот механизм характерен для гетерогенных взрывчатых систем и взрывчатых смесей. Процесс развива­ ется, как правило, по следующей схеме (для примера возь­ мем аммонийную селитру):

— сначала происходит разложение ВВ с образованием окисляющих агентов

2NH4N 03 -> 4Н20 + N2 + 2NO; AQ= 120 кДж

(4Н20 + 2N2 + 0 2);

— затем горючие компоненты взрывчатой смеси взаи­ модействуют с NO. На этой фазе реакции выделяется часть теплоты взрыва. Естественно, что одним из важнейших условий увеличения скорости реакции на фронте детона­ ционной волны, а соответственно, и мощности ВВ, его гео­ метрии (dnp), является тщательность смешения составных компонентов (это относится и к аммонитам, и к динамитам).

Существует мнение, что распространение процесса дето­ нации происходит не за счет ударной волны, а в результате струйчато-пробивного механизма возбуждения химической реакции. Согласно этому механизму при детонации проис­ ходят пробой и поджигание впереди лежащих слоев ВВ.

Однако известно, что передача детонации легко осу­ ществляется через прослойки металла, воды и других плот­ ных сред. Очевидно, что инициирование взрыва в основ­ ном происходит лишь под непосредственным воздействием ударной волны.

4.3. Факторы, влияющие на скорость и устойчивость детонации зарядов взрывчатых веществ

Установлено, что скорость детонации заряда из ВВ зависит от характеристик самого ВВ (типа дисперсно­ сти, теплоты взрыва, плотности заряда), диаметра заряда и условий взрывания (наружный или внутренний заряд

в шпуре или скважине, наличие забойки). Во всех слу­ чаях необходимо знать устойчивость и скорость детонации или величину критического диаметра заряда. Для каждого ВВ существует два характерных диаметра заряда (критиче­ ский и предельный).

Критический диаметр dKp — значение диаметра заряда, при уменьшении которого детонация заряда ВВ становится неустойчивой, а при дальнейшем уменьшении полностью затухает.

С увеличением диаметра заряда больше критического скорость детонации растет до определенного значения, но дальнейшее увеличение диаметра на скорость не вли­ яет. Предельный диаметр dnp — значение диаметра заряда, при котором скорость детонации достигает максимального значения (рис. 4.4).

W

/

Рис. 4.4. Зависимость скорости детонации зарядов ВВ

от диаметра

Влияние диаметра на скорость детонации заряда было впервые теоретически объяснено Ю. Б. Харитоном и раз­ вито в трудах Ф. А. Баумана.

Высокое давление на фронте волны детонации вызы­ вает интенсивное расширение продуктов детонации в раз­ ные стороны. Возникающие при этом волны разряжения направляются в зону химической реакции и снижают дав­ ление и температуру продуктов взрыва, в результате сни­ жается скорость детонации за счет снижения величины энергии подпитки фронта волны детонации.

Характер протекания этого процесса зависит от соот­ ношения ширины зоны химической реакции Zp и диа­ метра заряда d. Время химической реакции будет равно

4.3. Факторы, влияющие на скорость и устойчивость детонации зарядов... 155

ц= Lp/W №, а время прохождения волной разряжения рас­ стояния до центра заряда %2 =d/2W p, где Wp —- скорость

волны разряжения, м/с. При < т2 детонация затухает, так как начинается расширение продуктов взрыва, и про­ должается оно до тех пор, пока не завершится химическая реакция. При критическом диаметре выполняется условие Tj = т2, откуда

а поскольку WR ~2Wp, T O Ip ~dKp, т.е. критический диаметр приблизительно равен ширине зоны химической реакции в заряде. Отсюда следует, что любое химическое соедине­ ние или смесь способны детонировать, если реакция их раз­ ложения экзотермична, а выделенной во фронт детонацион­ ной волны энергии реакции достаточно для обеспечения ее распространения по веществу с постоянными параметрами.

Таким образом, у грубодисперсных ВВ с широкой зоной химической реакции критический диаметр будет больше, чем у порошкообразных ВВ.

Если заряд окружен оболочкой, затрудняющей разлет продуктов взрыва, критический диаметр заряда уменьша­ ется. Так, замена стеклянной оболочки на стальную сни­ жает критический диаметр для аммиачной селитры со 100 до 7 мм. Оболочка не оказывает существенного влияния на скорость детонации зарядов при однокомпонентных ВВ большой плотности, но значительно влияет при средней плотности, а также при смесевых ВВ. На скорость детона­ ции влияют главным образом инертные свойства оболочки

и ее сжимаемость. Малая плотность заряжения оказывает влияние на устойчивость детонации и прочность оболочки. Оболочка позволяет снизить величину критического диа­ метра, т.е. достигнуть детонации при меньших диаметрах. При больших диаметрах (близких к предельным) скорости детонации открытых зарядов и зарядов в оболочках стано­ вятся примерно одинаковыми. Поэтому при применении ВВ в зарядах небольшого диаметра необходимо обеспечи­ вать тщательное заполнение шпура ВВ, чтобы последний выполнял роль оболочки, а также делать качественную забойку заряда. При взрывах зарядов большого диаметра эти факторы меньше влияют на устойчивость детонации.

Рис. 45. Зависимость скорости детонации от плотности ВВ:

1 — для однокомпонентных; 2,3 ~ для смесевых ВВ

по этому компоненту, что приведет в результате к увеличе­ нию ее скорости.

При большом диаметре заряда или размещении его в обо­ лочке критическая плотность ВВ увеличивается. С увели­ чением теплоты взрыва скорость детонации ВВ увеличи­ вается, а критический диаметр уменьшается. Так, теплота взрыва тротила 3450 кДж/кг, скорость детонации 6,0 км/с, критический диаметр 10 мм, а для гексогена эти же вели­ чины соответственно равны: 5450 кДж/кг; 8,4 км/с и 1,5 мм (см. табл. 4.1).

Значительное влияние оказывает дисперсность ВВ. При снижении размера частиц для тротила от 0,5 до 0,01 мм критический диаметр снижается с 28 до 9 мм. Все грубоди­ сперсные ВВ имеют большие критические диаметры, чем порошкообразные ВВ того же состава.

Критический диаметр для смесевых ВВ зависит от про­ центного соотношения их компонентов. Так, с уменьше­ нием содержания тротила в аммонитах с 21 до 5% критиче­ ский диаметр увеличивается с 12 до 25 мм.

Влияние скорости детонации инициатора сказывается лишь на начальном участке развития детонации, где в зави­ симости от величины импульса может быть получена ско­ рость детонации выше или ниже характерной для данного диаметра заряда, но в любом случае на участке размером 1—2 диаметра скорость стабилизируется (рис. 4.6).

Для инициирования любого заряда необходимо иметь достаточно мощный точечный источник, который вызовет

Рис. 4.6. Изменение скорости детонации заряда по длине ВВ

(£.шр) при различной мощности инициатора:

1 — малая мощность; 2 —большая мощность

начальную детонацию в критической массе инициирован­ ного заряда и своей энергией обеспечит самораспространение детонации по всему заряду с характерной для него скоростью.

4.4. Переход горения газопаровоздушных смесей во взрыв

При определенных условиях процесс горения ГПВС переходит в детонацию и, соответственно, во взрыв. Рас­ смотрим механизм перехода горения в детонацию. Равно­ мерное распространение пламени с постоянной скоростью происходит при зажигании лишь на начальном этапе. Затем горение идет с непрерывно нарастающей скоростью. При­ чиной самоускорения процесса является сжатие смеси в предфронтальной зоне горения.

Благодаря непрерывному повышению давления, а сле­ довательно, плотности и температуры реакция в каждом последующем слое газа идет быстрее и заканчивается

вболее короткий промежуток времени. Повышение дав­ ления перед фронтом пламени происходит вследствие возникновения в газе волн сжатия, которые образуются из-за расширения продуктов горения. Пламя приводит

вдвижение находящийся перед ним газ, действуя подобно поршню. Каждая последующая волна сжатия распростра­ няется уже в более плотной среде и догоняет предыдущую В результате наложения таких элементарных волн посте­

пенно образуется достаточно крутой фронт ударной волны. По мере распространения пламени интенсивность ударной волны растет, а вместе с ней растет и скорость движения газа. Скорость распространения пламени относительно неподвижной смеси определяется скоростью пламени отно­ сительно движущегося газа и скоростью газа сжатого удар­ ной волной. Возникновение волн сжатия было доказано экспериментально.

Таким образом, механизм перехода горения в детона­ цию состоит из нескольких слагаемых. Сначала горение вызывает движение газа и образование ударной волны (рис. 4.7).

Р

Рис. 4.7. Распределение давления в горящем газе

Вследствие этого распространение пламени осуществля­ ется в сжатом и движущемся газе. По мере ускорения пла­ мени растет и амплитуда ударной волны, вызывая после­ дующее его ускорение, и т.д. Детонация возникает в тот момент, когда амплитуда (интенсивность) ударной волны достигает критического значения, при котором обеспечива­ ются воспламенение газа и постоянство режима на фронте волны за счет энергии химической реакции.

В нормальных условиях скорость пламени в самых быстрогорящих смесях не превышает 10 м/с. Однако при переходе горения в детонацию скорость пламени прохо­ дит через промежуточные значения порядка сотен метров в секунду. Эта скорость слишком велика для распростране­ ния за счет теплопроводности и слишком мала для распро­ странения по детонационному механизму. Объяснить это можно исходя из условий протекания процессов в движу­ щихся газах. Рассмотрим зависимость давления от скоро-

сти распространения горения (кривая Гюгония), представ­ ленную на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Кривая Гюгония

Промежуточные значения скорости между детонацией и медленным горением находятся на участке ВС. Точка М соответствует процессу стационарной детонации; точка F — процессу стационарного медленного горения, если пламя распространяется по газу, имеющему параметры PQV0. Когда давление на фронте ударной волны достигнет критического значения Ркр, при котором скорость ее станет равной ско­ рости детонации, произойдет самовоспламенение сжатого газа, а состояние продуктов реакции будет соответствовать состоянию точки М. Только при этих условиях и следу­ ющей за ней реакцией процесс распространение ударной волны станет стационарным.

Механизм перехода горения в детонацию для конден­ сированных систем ВВ принципиально не отличается от механизма для газовых смесей. Однако переход в дето­ нацию происходит при существенно отличных условиях. При горении конденсированных ВВлрактически исключа­ ются возникновение ударной волны и движение вещества впереди фронта пламени, формирование ударной волны происходит позади фронта пламени в горячих газообразных продуктах реакции. Характерной особенностью реакции горения конденсированных ВВ является резкое увеличение объема в зоне пламени при переходе вещества в газообраз­ ные продукты. При недостаточно быстром отводе газов дав­ ление в зоне реакции и скорость горения будут непрерывно