Теория горения и взрывов. Переход горения в детонацию. Взрыв. Лекция 10

Учебные вопросы
ВЗРЫВ
Тема 3: Классификация процессов горения газов, жидкостей и твердых веществ
3.2. Переход горения в детонацию. Взрыв

Учебная литература:
Зинченко А.В. Теория горения и взрыва, 2016. URL:
http:// elib.spbstu.ru/dl/2/s16-138.pdf

Типы взрывов

Взрывчатые вещества – индивидуальные вещества или смеси, способные под влиянием какого-либо внешнего воздействия (нагревание, удар, трение, взрыв другого ВВ) к быстрой самораспространяющейся химической реакции с выделением большого количества энергии и образованием газов.
Для взрывчатых веществ характерны два режима химического превращения – детонация и горение.
Детонация – распространение со сверхзвуковой скоростью зоны быстрой реакции в результате передачи энергии посредством ударной волны. Материалы, находящиеся в контакте с зарядом детонирующего ВВ, сильно деформируются и дробятся (местное или бризантное действие взрыва), а образующиеся газообразные продукты при расширении перемещают их на значительное расстояние (фугасное действие).
Бризантность – способность ВВ при взрыве производить дробление среды в непосредственной близости к заряду. Чем мельче осколки, тем более бризантное вещество.

Инициирующие ВВ применяются для возбуждения в других ВВ взрывчатого превращения в виде горения или детонации. Поэтому их используют для снаряжения средств инициирования: капсюлей-детонаторов, капсюлей-воспламенителей и др.
Важнейшим представителем ИВВ являются однородные вещества: гремучая ртуть, азид свинца, ТНРС и др., а также некоторые механические смеси, содержащие ИВВ и ряд других добавок: ударные, накольные, воспламенительные и другие составы. ИВВ очень чувствительны к тепловым и механическим внешним воздействиям.

Бризантные ВВ служат для целей дробления и разрушения. Применяются в качестве зарядов в инженерных и других боеприпасах. Они сравнительно мало чувствительны к внешним воздействиям (удару, трению, тепловому воздействию, прострелу пулей) и для возбуждения вних взрывчатого превращения применяются ИВВ. Поэтому, иногда инициирующие ВВ называют первичными, а бризантные - вторичными.
Основной вид взрывного превращения БВВ - детонация. Бризантные ВВ могут представлять собой однородные вещества: тротил, гексоген, тэн, тетрил и др. и неоднородные вещества, к которым относятся смеси и сплавы веществ (МС, ПВВ-4, ТГ-40 (60), ПВВ-7, ЭВВ-11 и др.). Применение смесей и сплавов вызвано тем, что индивидуальные ВВ не всегда удовлетворяют всем техническим и производственно-экономическим требованиям, предъявляемым к БВВ. Кроме того, применение сплавов и смесей расширяет сырьевую базу БВВ.

Метательные ВВ – под действием начального импульса горение в детонацию не переходит. К ним относится порох и твердое ракетное топливо. В ствольных системах используют порох на основе нитрата целлюлозы: пироксилиновые и баллиститы. В ракетных системах в основном применяют композиции, содержащие небольшое количество полимерного связующего, окислитель, горючее (алюминий), а иногда и мощные индивидуальные ВВ.
Пиротехнические составы- это механические смеси неорганического окислителя с органическими, металлическими горючими и цементаторами (регулирующими добавками), дающие при горении световые, тепловые, дымовые, звуковые и реактивные эффекты. Основным видом их взрывчатого превращения является горение, при известных условиях они способны к детонации и обладают сравнительно высокой чувствительностью к внешним воздействиям. Применяются они для получения соответствующего пиротехнического эффекта (сигнального, осветительного, трассирующего, зажигательного и др.)

Сокращенные названия взрывчатых веществ:
ТНТ – тринитротолуол
ТЭН (пентолит) – тетранитропентоэритрит
ТГ – смесь или сплав тротила с гексогеном
ПВВ – пластичное взрывчатое вещество (пластит)
ГР – граммонит
ДИНА – диэтанолнитраминдинитрат
Тетрил – тринитрофенилметилнитрамин
Октоген – циклотетраметилентетранитрамин
Гексоген – 1,3,5-тринитро-3,5-триозоциклогексан
Окфол – флегматизированный октоген.

Характеристики и свойства взрывчатых веществ
К основным характеристикам ВВ относятся:
плотность ВВ - r0, кг/м3;
удельная энергия взрывного превращения - Q0, ккал/кг;
скорость детонации - DД, м/с;
бризантность, мм;
фугасность, см3;
физическая стойкость;
химическая стойкость.
удельный объем образовавшихся при взрыве газов - V, м3/кг;
температура взрыва – T (К, 0C).
Плотность ВВ - одна из основных характеристик. Плотность ВВ в значительной мере влияет на удельную энергию взрывного превращения и скорость детонации.
Удельная энергия взрывного превращения - одна из основных характеристик, рассчитывается теоретически на основе реакций взрывчатого превращения или определяется опытным путем при помощи специальной калориметрической установки, внутри которой взрывается (сжигается) определенное количество ВВ. По изменению температуры, зная массу и теплоемкость материала установки, а также вес испытуемого ВВ, вычисляют Q0.
Скорость детонации - является одной из важных характеристик ВВ. Она определяет давление продуктов взрыва до начала их разлета. Чем выше скорость детонации, тем больше мощность взрыва и его местное действие.

Инициирующие взрывчатые вещества (ИВВ)
Инициирующие ВВ отличаются от других групп ВВ тем, что они горят неустойчиво и при поджигании их горение практически мгновенно переходит в детонацию.
Было установлено, что даже при малых давлениях ИВВ горят с большой скоростью, которая резко возрастает с увеличением давления до значений, при которых горение становится неустойчивым. Однако это не единственная возможная причина неустойчивого горения ИВВ.
ИВВ характеризуются большой скоростью полного сгорания, что обусловливает достижение высокой температуры продуктов сгорания; вследствие этого новые слои ИВВ легко воспламеняются и повышается массовая скорость горения.

При наличии значительной пористости пламя легко проникает вглубь, что сопровождается резким увеличением поверхности горения, а следовательно, и увеличением массовой скорости горения, которая быстро становится больше предела, при котором еще возможно устойчивое горение.
Повышение массовой скорости горения в указанных случаях приводит к неустойчивому горению и, следовательно, к быстрому переходу в детонацию.
Под действием начального импульса на взрывчатое вещество скорость возникающего при этом превращения достигает своего предельного для данных условий значения не сразу, а лишь спустя некоторый промежуток времени. Нарастание скорости детонации можно характеризовать также толщиной слоя ВВ, при прохождении которого достигается предельная (устойчивая) скорость детонации. Толщину этого слоя ВВ называют участком разгона детонации.

Основными параметрами, характеризующими процесс взрыва в
замкнутом объеме газа-, паравоздушных смесей являются:
• максимальное давление взрыва;
• скорость нарастания взрыва;
• температура взрыва;
• время достижения максимального давления взрыва.
В зоне А происходят интенсивный подогрев горючей смеси, диффузия активных центров и протекание химической реакции. Эта зона характеризуется распространением фронта пламени по горючей газа-, паравоздушной смеси. Фронт пламени часто рассматривают как поверхность, разделяющую холодную горючую смесь и горячие продукты сгорания.
Скорость перемещения фронта пламени по горючей смеси определяет интенсивность процесса горения и является его важнейшей характеристикой.
В зоне Б наблюдается резкое изменение давления до Рмах за счет образования большого количества газообразных продуктов в результате химической реакции. При достижении максимального давления возникает взрыв, причем Рвзрыва > Рмах·