Промышленные взрывчатые вещества (ВВ)

Промышленные взрывчатые вещества (ВВ)

 

 

Понятие о физической сущности детонации промышленных ВВ

 

Детонация представляет собой самоподдерживающийся процесс перемещения по ВВ со сверхзвуковой скоростью ударного фронта (скачка давления), сопровождающейся химическим превращением веществ. Химическая реакция возникает в результате адиабатического сжатия и разогрева вещества в ударном фронте. Комплекс из ударного фронта и зоны химической реакции называется детонационной волной. Давление на ударном фронте имеет порядок от десятков атмосфер (газы) до сотен тысяч атмосфер (мощные бризантные ВВ). Установившаяся (стационарная) детонационная волна распространяется по ВВ с постоянной скоростью (1-10 км/с). Постоянство параметров детонационной волны объясняется тем, что потери энергии, связанные со сжатием и вовлечением в движение вещества, компенсируются теплом, выделяющимся в ударно-сжатом ВВ при его химическом превращении.

Первую математическую модель детонационной волны в газах, опирающуюся на теорию ударных волн, в виде гидродинамической теории детонации разработали одновременно несколько ученых – В.А.Михельсон в России, Д.Л.Чепмен в Англии, Е.Жуге во Франции. Эта модель не рассматривает кинетики химической реакции в детонационной волне, а представляет ударный фронт в виде поверхности разрыва, отделяющей исходное вещество от продуктов его химического превращения. В подвижной системе координат, процесс представляется таким образом, что в ударный фронт втекает вещество в исходном состоянии, и вытекает из него в виде продуктов своего химического превращения. В этом случае, как и в теории ударных волн, но с учетом энерговыделения при детонации, основные соотношения между начальными и конечными параметрами состояния вещества, а также кинематическими параметрами детонации – скоростью детонации D и массовой скоростью движения продуктов превращения за фронтам u находится из законов сохранения массы, количество импульса и энергии в волне.

Развитие этой теории получило в работах Я.Б.Зельдовича, Д.Неймана, В.Дёринга, независимо предложивших модель детонационной волны, учитывающую физическую зону превращения исходного ВВ в конечные продукты. Основные представления об этой модели дают рис. 8.1. и 8.2.

Согласно данной модели, исходное вещество с начальными параметрами p0υ0 в точке А, которая приведена на рис. 8.2., сжимается в ударном фронте до состояния отвечающего точке В. В этом состоянии в результате адиабатического сжатия и разогрева, в веществе возникает экзотермическая реакция взрывчатого превращения, заканчивающаяся в точке С, называемой точкой Жуге или Чепмена – Жуге и лежащей на адиабате продуктов детонации. Процесс превращения сопровождается расширением нагретых газообразных продуктов детонации, поэтому давление продуктов детонации в точке Жуге 

pж примерно в два раза ниже, чем в точке В. За точкой Жуге происходит дальнейший спад давления в продукты детонации вследствие их расширения. Прямую АВ, являющуюся касательной к адиабате Гюгонио в точке Жуге, называют прямой Михельсона.

На рис. 8.1 адиабатическому сжатию вещества отвечает прямая АВ с очень малым наклоном относительно оси абсцисс, что свидетельствует о крайне малом времени сжатия и малой толщине сжатого слоя. Зоне химпика отвечает участок BC на кривой спада давления, точка излома С отвечает точке Жуге, участок за этой точкой характеризует спад давления в расширяющийся продуктов детонации.

Зона сжатия ВВ в ударной волне очень мала, которая составляет до 0,1 мкм, зона химических реакций зависит от физических и химических свойств ВВ и имеет протяженность для азида свинца и тротила, соответственно 0,5 мм и 10 мм. Продолжительность химической реакции в детонационной волне составляет 0,1÷1,0 мкс.

Параметры детонационной волны – давление, объем, температура в точке, скорость детонации и скорость распространения продуктов взрыва за фронтом детонации – рассчитывают путем решения системы уравнений, основных законов сохранения массы, количества движения, энергии состояния продуктов детонации и так называемого правила отбора скорости детонации Чепмена – Жуге, согласно которому, в точке Жуге, скорость детонации определяют по формуле:

νд=ω+с

где,    ω – скорость движения продуктов взрыва, м/с;

          с – скорость звука в продуктах взрыва, м/с.

Давление в плоскости Чепмена-Жуге рассчитывают с учетом основных законов сохранения и приведенных выше уравнений:

clip_image002

где,    ρ0 – начальная плотность ВВ, кг/м3;

          νд – скорость детонации, м/с;

          n – показатель политропы, равный 3 для ВВ плотностью 1-1,2 г/см3.

Плотность продуктов детонации определяют по формуле:

clip_image004

Скорость движения продукта взрыва за плоскостью Чепмена-Жуге определяют по формуле: clip_image006

Давление, скорость детонации и скорость движения продуктов взрыва связаны зависимостью: clip_image008

Скорость детонации находится по теплоте взрыва и показателю политропы продуктов взрыва из выражения: clip_image010

где,    Q – теплота взрыва, КДж/кг.

Из всех перечисленных параметров ВВ одним из наиболее важных является скорость детонации, которая в частности, определяет давление в детонационной волне.