1.3 Характеристика поражающего действия взрыва.

Как уже отмечалось ранее, практически любой взрыв сопровождается образованием нагретых и находящихся под большим давлением газов, которые, расширяясь, производят механическую работу.

При аварийном или преднамеренном взрыве взрывчатых веществ (ВВ, ГВС, УВГ и ПВС) можно выделить три зоны (рис.1.2).

Рис. 1.2 Зоны очага взрыва: I - зона детонационной волны;

II - зона действия продуктов взрыва; III - зона действия воздушной ударной волны

Зона детонационной волны (I) в пределах облака ГВС, УВГ и ПВС с оптимальным соотношением горючего вещества и кислорода воздуха, что способствует взрывчатому превращению в виде детонации. В этом случае давление в зоне может достигать нескольких тысяч килопаскалей (кПа). Что же касается ВВ, то размер зоны детонационной волны ограничен размером (объемом) упаковки ВВ. Учитывая, что при взрыве ВВ выделяется много газов (например, при взрыве 1 кг тротила до 900 л), а они нагреваются до температуры 3000^о - 4000°С, то в зоне детонации образуется давление, достигающее значений мПа. Этим и объясняется большое разрушительное действие взрывчатых веществ.

В зоне действия продуктов взрыва (II) давление газов по мере их удаления от центра взрыва уменьшается, оттесняя и сжимая окружающий место взрыва воздух. Считается, что внешней границей зоны действия продуктов взрыва является давление газов в 300 кПа и дальше разрушительное действие на окружающую среду оказывает воздушная ударная волна (зона III).

Воздушная ударная волна (ВУВ) представляет собой зону сильно сжатого воздуха, распространяющегося во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Передняя граница зоны сжатого воздуха имеет наибольшее давление и называется фронтом ударной волны. В момент прихода фронта ударной волны давление мгновенно повышается от нормального (атмосферного) P_о (рис.1.3) до максимального во фронте ударной волны P_ф.

Рис. 1.3 График изменения давления во фронте воздушной ударной волны.

1 – фронт ударной волны; 2 – кривая изменения давления

По мере удаления ударной волны от центра взрыва давление в ее фронте и скорость распространения быстро уменьшаются. Разность между давлением во фронте ударной волны P_ф и атмосферным давлением P_о называется избыточным давлением ΔP_ф.

Основными параметрами воздушной ударной волны, определяющими ее разрушительное действие, являются избыточное давление ΔP_ф, скоростной напор ΔP_ск и время действия ударной волны t_у.в. (Рис. 1.4)

Скоростной напор воздуха

Фронт УВ

Зона сжатия

Рис. 1.4 Основные элементы ударной волны (УВ)

Избыточное давление ΔP_ф обладает разрушительным действием, выводя из строя устойчивые, крупногабаритные массивные сооружения, конструкции с фундаментами (здания, опоры мостов, водонапорные башни и т.д.). Эти сооружения противостоят смещению, поэтому время действия ударной волны будет значительным, хотя составляет всего доли секунды. Фронт ударной волны, дойдя до передней стенки сооружения, отражается от нее. В результате этого избыточное давление, действующее на переднюю стенку сооружения, быстро возрастает, увеличиваясь в несколько раз (создается давление отражения). По мере прохождения фронта ударной волны избыточное давление, действующее на переднюю стенку сооружения, быстро падает до значения давления в ударной волне ΔP_ф (до отражения). Затем ударная волна охватывает все стороны сооружения, создавая разрушительную статическую нагрузку путем всестороннего сжатия.

Быстрое движение ударной волны вызывает такое же быстрое движение воздуха в ней. За время фазы сжатия (рис.1.3) воздух движется от центра взрыва за фронтом ударной волны со сверхзвуковой скоростью и представляет собой ветер ураганной силы.

Движение воздуха в ударной волне называется скоростным напором (Рис.1.4). Он создает динамическую нагрузку ΔP_ск, смещая, опрокидывая или отбрасывая малогабаритные, быстро обтекаемые и малоустойчивые сооружения, такие как опоры воздушных линий связи и контактной сети, мостовые фермы, транспортные и технические средства (вагоны, автомобили, краны и др.).

Наибольший метательный эффект проявляется в местах с избыточным давлением более 50 кПа, где скорость перемещения воздуха более 100 м/с.

Избыточное давление и скоростной напор измеряются в системе СИ в Па, кПа и мПа, внесистемная единица измерения кг/см.

1 кг/см≈ 100 кПа

Существует зависимость величины скоростного напора ΔP_ск от избыточного давления ΔP_ф (формула 1.1)

, кПа (1.1)

Эта же зависимость представлена на графике (Рис. 1.5)

Рис. 1.5. График зависимости скоростного напора ΔP_ск от избыточного давления ΔP_ф

Время действия ударной волны t_уд.в. зависит от фазы сжатия t, время действия которой измеряется секундами (рис.1.3). К концу фазы сжатия давление воздуха снижается до атмосферного. Чем больше время действия ударной волны, тем больше ее разрушающее воздействие. Это время зависит от вида взрывоопасного вещества, его количества (массы) и удаления от центра взрыва.

Моделирование взрывов основано на закономерности подобия взрывов и имеет целью определить величину избыточного давления ΔP_ф в зависимости от расстояния от центра взрыва R.

Эта закономерность заключается в том, что если два одинаковых по свойствам взрывчатых вещества, но различной массы взрываются в одной и той же атмосфере (в одинаковых условиях), то расстояния, соответствующие фиксированным избыточным давлениям, выражаются соотношением:

(1.2)

где: R_т – известное (табличное) значение расстояния от центра взрыва для приведенной в таблице массы Q_т;

R_фак – фактическое значение расстояния для фактической массы Q_фак;

Это соотношение называется законом подобия взрывов. Использование закона позволяет получить ряд фиксированных значений R_фак при любой массе взрывоопасного вещества для фиксированных значений ΔP_ф и построить график зависимости ΔP_ф = f(Q,R), т.е. график зависимости избыточного давления ΔP_ф от массы Q взрывоопасного вещества и расстояние R от центра взрыва.