Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

теория горения-2

.pdf
Скачиваний:
454
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
2.99 Mб
Скачать

Глава 5 МЕХАНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ВЗРЫВА

После изучения этой главы студент должен:

знать

основные особенности перехода химической энергии в механическую при взрыве;

существенные особенности механического взрыва в воздухе, воде

итвердой фазе;

уметь

количественно определять избыточное давление и удельный импульс ударной волны в зависимости от стехиометрического состава, массы заряда, расстояния и характера его расположения;

владеть

методами предотвращения образования газовоздушных и пылевоз­ душных взрывчатых систем в закрытых помещениях и открытом про­ странстве.

5.1. Механическое действие взрыва в воздухе

Действие взрывных газов в атмосфере ограничено тем, что сопротивление воздуха тормозит расширение газов, а в случае направленных газовых струй, кроме того, заставляет газовые струи «расползаться», расширяться и в конечном счете сливаться друг с другом. Таким обра­ зом, на некотором расстоянии от заряда облако расширя­ ющихся взрывных газов приобретает в целом правильную шарообразную форму, хотя в некоторых местах эта форма нарушается из-за того, что расширяющиеся газы начинают вихреобразно смешиваться с окружающим воздухом (тур­ булентное перемешивание).

При этом наблюдается интересное и важное явление: если взрывные газы содержат достаточное количество таких веществ, которые не окислились (т.е. не соединились

скислородом) в процессе детонации, то перемешивание

своздухом вызывает интенсивное догорание взрывных газов. В результате появляется яркое пламя, и энергия взрывных газов возрастает. Это явление особенно харак­

5.1. Механическое действие взрыва в воздухе

163

терно для взрыва тротиловых зарядов в воздухе. Оно уве­ личивает энергию взрыва до 10—20%. Поэтому удельная энергия тротила при взрыве в атмосфере соответственно больше энергии, выделяемой тротилом при взрыве в грунте. Однако энергия, получаемая дополнительно, не успевает перейти к передней части ударной волны и идет главным образом на дополнительное нагревание взрывных газов. В некоторых случаях, например при взрыве в воде, воз­ можны также и сложные химические реакции.

Чтобы охарактеризовать зону, где действуют взрывные газы и происходит их направленное расширение, необхо­ дима условная мера длины, позволяющая свести к единой системе взрывы любого масштаба.

Допустим, что взрывчатое вещество представлено в виде шара. Радиус этого шара для тротила и многих других взрывчатых веществ средней мощности можно прибли­ женно принять

_1

r0 = 0 , 0 5 3 т З .

Здесь г0 — радиус заряда, приведенного к сферической форме, м; т — масса заряда, кг.

Величина г0 является очень распространенной мерой длины при описании действия взрыва в самых разнообраз­ ных средах. Удобство применения этой формулы состоит в возможности свести к единой картине взрывы зарядов всех размеров.

При расширении взрывных газов они встречают и оттес­ няют воздух, окружающий заряд. Если воздух имеет давле­ ние, близкое к нормальному, т.е. если не рассматриваются взрывы, происходящие на больших высотах, где воздух менее плотен, то можно считать, что плотность воздуха примерно в 1200—1500 раз меньше плотности обычных взрывчатых веществ. Поэтому масса воздуха, равная массе заряда, должна содержаться в объеме, равном примерно 1200—1500 объемам заряда, или в шаре, имеющем радиус, равный

г = (11-12)г0.

Этот радиус имеет существенное значение при рас­ смотрении действий взрыва в воздухе. Дело в том, что, пройдя расстояние, равное г, масса взрывных газов вытес­

164 Глава 5. Механическое действие взрыва

няет во все стороны равную себе массу воздуха. Этого оказывается достаточно, чтобы затормозить расш ире­ ние взрывных газов и разрушить их направленные струи. Именно на расстоянии, близком к г, взрывные газы фор­ мируются в сферическое облако, дальнейшее расширение которого протекает медленно. При г <12г0 механизм меха­ нического воздействия на окружающую среду существенно отличается от механизма воздействия при г > 12г0.

При взрыве в воздухе взрывные газы (рис. 5.1), не встре­ чая заметного сопротивления со стороны воздуха, находя­ щегося возле свободных поверхностей заряда, начинают интенсивно расширяться в направлениях, перпендикуляр­ ных этим поверхностям заряда. Скорость этого расшире­ ния у молекул газов, разлетающихся с поверхности заряда, с момента взрыва наибольшая; следующие за ними моле­ кулы движутся все медленнее. Можно с некоторым при­ ближением считать, что взрывной газ расширяется подобно сильно сжатой и мгновенно освобожденной пружине.

Скорость наиболее быстрых молекул нарастает до тех пор, пока к ним не перейдет энергия изнутри массы газов. Это возможно, пока скорость движения наиболее быстрых молекул не достигнет некоторой предельной величины,

Ф РОНТ ВОj j ff

Рис. 5.1. Схема образования воздушной ударной волны

в воздухе

5.1. Механическое действие взрыва в воздухе

165

начиная с которой возникает передача энергии в потоке взрывного газа. Величина эта — скорость звука.

Скорость звука можно определить в рассматриваемых условиях взрыва исходя из величин, определенных ранее. Волна детонации распространяется по взрывчатому веще­ ству вследствие передачи энергии от сильно сжатых взрыв­ ных газов еще не детонировавшей части заряда. Сами газы движутся со скоростью и. Волна детонации обгоняет их и движется со скоростью WR. Почему волна детонации может обогнать взрывные газы? Очевидно, потому, что энергия этих газов передается от них вслед за фронтом волны со скоростью звука с. Иначе говоря, скорость детона­ ции превосходит скорость движения газов WYна величину скорости звука с. На этом основании можно записать

W ^ W ^ + c .

Известно, что скорость звука связана со скоростью дето­ нации:

где k — степень жесткости взрывных газов.

Значит, с = kWT3. Так как для взрывных газов k = 3, то с = 3 Wr Степень жесткости взрывных газов k увеличива­ ется с повышением давления газов. Чем больше давление, тем сильнее сопротивляется газ сжатию.

Анализируя движение взрывных газов на основе тео­ рии детонации, следует отметить, что наибольшая энергия передается молекулами, летящими с поверхности заряда. Частицам поверхностного слоя от остальных молекул газов передается значительная энергия, и эти частицы определяют основной характер действия взрыва. Молекулы поверхностного слоя движутся по направлениям, которые определяются сложением векторов двух скоростей. Первая скорость, приобретаемая под действием волны детонации, направлена по линии, идущей от места инициирования, т.е. от детонатора, к той точке поверхности заряда, где рас­ сматривается движение взрывных газов. Вторая скорость, равная с и превосходящая Wr3 в 3 раза, направлена перпен­ дикулярно к поверхности заряда (рис. 5.2).

При таких условиях взрывные газы движутся в основ­ ном перпендикулярно к поверхности заряда, отклоняясь

166

Глава 5. Механическое действие взрыва

Рис. 52. Схема движения взрывных газов заряда

треугольной призмы с детонатором, расположенным по оси призмы

несколько в сторону, противоположную месту инициирова­ ния взрыва. Картину разлета взрывных газов очень хорошо можно увидеть, если в темноте сфотографировать взрыв прямоугольной шашки взрывчатого вещества, свободно подвешенной в воздухе. Взрывные газы, находящиеся в рас­ каленном состоянии, интенсивно светятся и на фотоснимке оставляют свои следы в виде ярких огненных факелов.

Если шашка имеет форму, близкую к кубу, то пламя взрыва получает крестообразный вид. Если заряд имеет треугольное сечение, то обнаруживается три факела взрыв­ ных газов.

Характерной особенностью такого разлета продуктов взрыва является то, что в пространстве, примыкающем к исходящим углам и ребрам заряда, взрывные газы не рас­ пространяются. В этих местах действие взрыва практиче­ ски отсутствует. Здесь имеются своеобразные «защитные зоны». Наоборот, против средних частей граней заряда, где идет наиболее мощный поток взрывных газов, дей­ ствие взрыва проявляется интенсивно. Здесь происходит так называемое направленное действие взрыва — явление, имеющее большое теоретическое и практическое значение. Оно позволяет управлять действием взрыва путем выбора формы заряда и места его инициирования.

Эту особенность необходимо учитывать при планирова­ нии расположения друг относительно друга зданий, в кото­ рых будут располагаться взрывоопасное производство или храниться опасные взрывчатые вещества.

При сильном взрыве стены разрушаются и осколки раз­ летаются в основном перпендикулярно к плоскости стен. Если отметить на плане зоны разлета этих осколков, полу­ чится ярко выраженная крестообразная фигура. Зона наи­ более сильного поражения осколками будет находиться

5.1. Механическое действие взрыва в воздухе

16 7

против средней части стен. Наоборот, около исходящих углов здания окажутся защитные зоны, где действие взрыва практически отсутствует. С учетом направленного действия взрыва хранилища взрывчатых веществ и помещения, где находятся взрывоопасные установки, надо располагать так, чтобы они находились в защитных зонах по отношению друг к другу.

Обычно в природе всякое движение осуществляется так, что энергия из мест, где она сконцентрирована в боль­ шей степени, переходит в места, где концентрация энергии меньше. При взрыве эта закономерность также соблюда­ ется: взрывные газы движутся из места, где их давление больше, туда, где давление меньше. Энергия, выделенная при взрыве, быстро рассеивается, и температура взрывных газов постепенно приближается к температуре окружа­ ющей среды.

Направленное действие взрыва в целом не изменяет этой закономерности. Однако можно создать такие условия, когда с помощью направленного действия взрыва получа­ ется необычайный результат — создаются более высокое давление, более высокая температура и более высокая ско­ рость движения взрывных газов.

Для получения такого результата необходимо приме­ нить заряд с выемкой той или иной формы. При взрыве взрывные газы устремляются в основном перпендикулярно к поверхности выемки, к ее центральной оси. Сходящиеся струи газов соударяются друг с другом и образуют очень мощный газовый поток, направленный вдоль оси выемки. Этот поток называется кумулятивной струей. Выемка в заряде, вызывающая формирование такой струи, называ­ ется кумулятивной выемкой, а все явление — кум уляцией,

т.е. собиранием энергии взрыва, повышением ее концентра­ ции (рис. 5.3).

Рис. 53- Схема кумуляции взрывных газов

168

Глава 5. Механическое действие взрыва

Газовая кумулятивная струя имеет очень высокую плот­ ность. Скорость се движения заметно выше скорости рас­ ширения взрывных газов. Однако газовая кумулятивная струя, едва успев образоваться, немедленно начинает рас­ ширяться. Ее плотность, давление и скорость быстро сни­ жаются. Поэтому кумуляция взрывных газов не может считаться наиболее ярким и сильным проявлением повы­ шенной концентрации энергии направленного взрыва.

Явление кумуляции можно существенно усилить и сде­ лать более устойчивым, если образовать кумулятивную струю не из взрывных газов, а из металла. Это осущест­ вляется лучше всего при наличии в заряде конической кумулятивной выемки. Выемка снабжается металлической облицовкой, плотно прилегающей к поверхности взрыв­ чатого вещества. Если облицовка изготовлена из стали, то ее толщина должна составлять примерно 1/30— 1/60 часть диаметра отверстия кумулятивной выемки.

При взрыве металл облицовки с такой силой сжимается под действием взрывных газов, что внутри металла возни­ кают давления, измеряемые миллионами атмосфер. Металл при таких условиях начинает течь подобно жидкости, потому что давление существенно превосходит временное сопротивление любого самого прочного металла. В резуль­ тате из сжимающейся массы металла по оси выемки выпле­ скивается тонкая струя металла, движущаяся необычайно быстро. Расчеты, выполненные на основе гидродинамиче­ ской теории кумуляции, позволили определить формулу скорости кумулятивной струи:

(5.2)

где W0— скорость, сообщаемая взрывными газами металлу облицовки кумулятивной выемки; а — угол между образу­ ющими конической кумулятивной выемки и ее осью.

Величина W0 составляет примерно 2—3 км/с. Расчеты показывают, что скорость кумулятивной струи может достигать 17 км /с. Если кумулятивная струя движется в воздухе сравнительно недолго, то она интенсивно разру­ шается и сгорает в воздухе подобно тому, как это проис­ ходит с метеоритами. Устойчивые струи в воздухе получа­ ются при скорости WK, заметно меньшей, — она составляет 5—10 км/с.

5.1. Механическое действие взрыва в воздухе

169

Кумулятивная струя, ударяясь о преграду, оказывает на нее чрезвычайно большое давление, составляющее, напри­ мер, при ударе струй из металла с плотностью р0 по преграде из такого же металла 2 • 106 кгс/см2. При таком давлении металл становится подвижным, как жидкость, и кумулятив­ ная струя пробивает в нем отверстие, диаметр которого при­ мерно в 10 раз больше диаметра кумулятивной струи.

Толщина пробиваемого слоя (Впс), согласно гидродина­ мической теории (формула Лаврентьева — Тейлора), равна

(5.3)

где р0 — плотность материала струи; рпр — плотность пре­ грады.

Длина кумулятивной струи LK должна теоретически равняться длине образующей кумулятивной выемки. Ф ак­ тически она оказывается нередко значительно больше. Это обусловлено тем обстоятельством, что при полете кумуля­ тивной струи ее «голова» имеет более значительную ско­ рость, чем ее «хвост». Поэтому струя в полете растягива­ ется и ее пробивная способность растет.

Обычно кумулятивная струя достигает наиболее зна­ чительной пробивной силы на расстоянии от заряда, рав­ ном примерно двум диаметрам отверстия кумулятивной выемки. При этом струя способна пробить стальную броню,

в3 раза и более превосходящую по толщине диаметр отвер­ стия кумулятивной выемки. На более значительных рас­ стояниях от заряда струя начинает разрушаться и быстро теряет свою пробивную силу.

Если выемка имеет небольшую глубину, то при взрыве образуется сравнительно короткая кумулятивная струя, движ ущ аяся сравнительно медленно. О на пробивает небольшие по толщине преграды. Однако в этом случае разрушение струи в полете протекает значительно медлен­ нее и струя сохраняет пробивное действие на расстояниях,

всотни раз превышающих диаметр кумулятивной выемки. Примером таких зарядов с неглубокими кумулятивными

выемками являются обычные детонаторы и электродетона­ торы в металлических оболочках с углублением в торцовой части.

При взрыве таких детонаторов возникают очень малень­ кие кумулятивные струи, имеющие форму кусочков металла

170

Глава 5. Механическое действие взрыва

размером в 1—2 мм. Если оболочка детонатора медная, то возникающая при его взрыве кумулятивная струйка сохра­ няет сильное пробивное действие на расстоянии до 5 м. В гражданской взрывной технике кумулятивные заряды применяются сравнительно редко. Их мощное пробивное действие пока еще не нашло достаточно широкого приме­ нения.

Совершенно другой механизм механического действия наблюдается на расстояниях, превышающих 12г0. Согласно закону механики «действие равно противодействию » взрывные газы при торможении воздухом сжимают этот воздух и сообщают ему некоторую скорость в направлении радиусов, идущих от центра взрыва. Масса взрывных газов, расширяясь, вытесняет окружающий ее воздух и образует вокруг себя зону сжатого, уплотненного и разогретого воз­ духа. Эта зона действует на окружающий, еще не возму­ щенный воздух, и сжимает его. Таким способом сжатие быстро передается все дальше и дальше от места взрыва (см. рис. 5.1).

Чтобы пояснить это явление, можно рассмотреть вме­ сто невидимых молекул воздуха обычную металлическую витую пружину (рис. 5.4), подвешенную горизонтально на достаточно длинных нитях. Если с одного конца уда­ рить по этой пружине, то она сожмется сначала в преде­ лах сравнительно небольшого участка, а потом это сжатие станет быстро, но все же заметно распространяться по пру­ жине, пока не достигнет другого конца. Так возникает и распространяется в телах вызываемая быстрым ударом волна сжатия.

Именно такая волна сжатия образуется при взрыве и в воздухе. Разница состоит лишь в том, что в отличие от опыта с пружиной волна сжатия в воздухе распространя­ ется во все стороны от места взрыва. Впрочем, и при взрыве

Рис. 5-4. Схема распространения волны сжатия по пружине

5.1. Механическое действие взрыва в воздухе

171

можно получить движение волны только в одном направле­ нии. Такое явление наблюдается при взрыве в штольне или туннеле, т.е. когда волны взрыва распространяются в огра­ ниченном столбе воздуха.

При внимательном наблюдении за волной, идущей вдоль пружины, можно заметить, что вслед за волной сжатия сле­ дует волна разрежения.

Теория и опыт показывают, что в воздухе вслед за вол­ ной сжатия также следует волна разрежения. В волне сжа­ тия давление, плотность и температура воздуха превышают эти величины для воздуха, еще не захваченного волной. В волне разрежения, наоборот, давление, плотность и тем­ пература воздуха ниже, чем в невозмущенной атмосфере.

Совокупность волн сжатия и разрежения передает дей­ ствие взрыва через воздух на значительные расстояния, существенно превышающие величину г0.

Если взрыв очень сильный, то воздушные волны могут охватить весь земной шар, что наблюдалось при взрыве Тунгусского метеорита в 1908 г., при взрыве вулкана Кра­ катау в 1883 г., а также при ядерных взрывах.

Во всех подобных случаях волна сжатия проявляется в виде плавного увеличения давления воздуха, регистри­ руемого самопишущими барометрами — барографами. Такие волны отмечаются на расстояниях, не превышающих нескольких сотен километров от взрыва.

Волны сжатия распространяются в воздухе несколько быстрее, чем звук. При этом, чем значительнее повыше­ ние давления, тем быстрее движется волна. Эта простая и естественная закономерность приводит к тому, что волна сжатия имеет в своей передней части наиболее высокое давление. Далее давление постепенно падает, и зона сжа­ тия переходит плавно в зону разрежения. Таким образом, на переднем фронте волны сжатия давление скачкообразно достигает максимального значения. Волны такого рода называются ударными волнами. Воздушные ударные волны являю тся основными носителями энергии, переданной окружающему воздуху при взрыве.

Основной характеристикой воздушной ударной волны является избыточное давление воздуха непосредственно за фронтом ударной волны.

Избыточное давление — скачок давления ДРф, который происходит практически мгновенно при подходе волны к месту регистрации давления.