Разрушающие факторы взрывчатых веществ - Использование взрывчатых веществ

Детонация ВВ

Детонация представляет собой самоподдерживающийся процесс перемещения по ВВ со сверхзвуковой скоростью ударного фронта (скачка давления), сопровождающийся химическим превращением вещества. 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 вещества). Установившаяся (стационарная) детонационная волна распространяется по ВВ с постоянной скоростью (от 1 до 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 в конце прошлого века одновременно несколько ученых - В. А. Михельсон в России, Д. Л. Чепмен в Англии, Е. Жуге во Франции. Эта модель не рассматривает кинетики (пространственно-временных характеристик) химической реакции в детонационной волне, а представляет ударный фронт в ней формально 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 перемещения фронта (скоростью детонации) D и массовой скоростью движения продуктов превращения за фронтом U находят из законов сохранения массы, количества движения (импульса) и энергии в волне.

Развитие эта теория получила в работах Я. Б. Зельдовича [10],

Д. Неймана, В. Деринга, независимо предложивших модель детонационной волны, учитывающую физическую зону превращения исходного ВВ в конечные продукты (зону "химпика"). Основные представления об этой модели дают рисунки 3.1 и 3.2. На рисунке 3.1 схематически показан профиль детонационной волны в координатах "давление-расстояние", а на рисунке 3.2 - PV_диаграмма волны.

Согласно данной модели исходное вещество с начальными параметрами P 0 , V 0 (точка А на рисунке 3.2) сжимается в ударном фронте до состояния, отвечающего точке В. В этом состоянии в результате адиабатического сжатия и разогрева в веществе возникает экзотермическая реакция взрывного превращения, заканчивающаяся в точке С, называемой точкой Жуге или Чепмена-Жуге и лежащей на адиабате продуктов детонации (адиабате Гюгонио). Процесс превращения сопровождается расширением нагретых газообразных продуктов детонации (ПД), поэтому давление ПД в точке Жуге РЖПримерно в два раза ниже, чем в точке В. За точкой Жуге (плоскостью Чепмена-Жуге) происходит дальнейший спад давления в ПД вследствие их расширения (волна разгрузки). Прямую АВ, являющуюся касательной к адиабате Гюгонио в точке Жуге, называют прямой Михельсона.

На рисунке 3.1 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 химического пика отвечает участок ВС на кривой спада давления, точка излома С отвечает точке Жуге, участок за этой точкой характеризует спад давления в расширяющихся продуктах детонации.

Исходя из гидродинамической модели, основными соотношениями для детонационной волны являются, согласно законам сохранения:

Массы

,(3.5)

Импульса

,(3.6)

Энергии

,(3.7)

Где U - массовая скорость движения продуктов взрыва за фронтом;

D - скорость детонации ВВ;

Е 1 , Е 2 - внутренняя энергия продуктов взрыва соответственно в начальном и конечном состоянии;

QВзр - теплота взрыва;

V 0 и P 0 - соответственно удельный объем и давление исходного вещества;

P и V - соответственно давление и удельный объем продуктов детонации.

Совместное решение уравнений (3.5) и (3.6) дает формулы для расчета кинетических параметров детонации:

, (3.8)

. (3.9)

Данные выражения являются одной из форм записи уравнения ударной адиабаты Гюгонио для продуктов детонации.

Большинство исследователей пришли к выводу, что при

R0 і1 г/см3 скорость детонации (D ) может быть описана линейной зависимостью вида

D= A+ B (r0 ) (3.10)

Или, как это предложил М. А. Кук:

D 2 = D 1 + M (r2 - r1 ), (3.11)

Где D 2 и D 1 - скорость детонации при плотности ВВ соответственно r2 и r1 ;

М - размерный коэффициент.

М. А. Кук в качестве усредненного коэффициента М рекомендует величину 3500. Значения коэффициентов А , В и величин D 1,0 (плотность 1,0 г/см3 ) и D 1,6 (плотность 1,6 г/см3 ) для некоторых веществ приведены в таблице 3.6 [7].

Таблица 3.6 - Значения коэффициентов А , В и величин D 1,0 и D 1,6 для некоторых ВВ

Вещество	А, км/с	В	D 1,0 , км/с	D 1,6 , км/с
Тротил	1,84	3,20	5,10	6,97
Гексоген	2,40	3,59	6,08	8,03
Гексоген флегматизированный	2,12	3,80	-	-
Октоген	2,56	3,48	6,09	8,08
Октоген флегматизированный	1,09	4,31	-	-
ТЭН	2,25	3,41	5,90	7,85

Приведенные основные соотношения в детонационной волне приемлемы для случая плоской волны, когда вся потенциальная химическая энергия реализуется в детонационной волне и определяет параметры детонации - ее скорость, давление и другие. В случае неодномерного течения за ударным фронтом параметры детонации в определенных границах становятся зависимыми от поперечных размеров заряда, как это впервые показал Ю. Б. Харитон. Так как зона химического превращения в детонационной волне имеет конечные размеры, то за время химической реакции (участок ВС на рисунке 3.2) образующиеся сжатые газообразные продукты стремятся к расширению в радиальном направлении. В результате этого в зону реакции с боковой поверхности входит волна разрежения, а охваченная ею масса вещества теряется как поставщик энергии относительного ударного фронта. Так как глубина проникновения волны разрежения обратно пропорциональна радиусу заряда, то относительные потери энергии в детонационной волне должны уменьшаться с увеличением радиуса заряда, т. е. детонация может устойчиво распространяться по заряду, если продолжительность реакции t в волне меньше времени разброса вещества q в радиальном направлении. Исходя из этого, существует такой минимальный диаметр заряда D Кр , при котором еще возможно устойчивое распространение детонации. Этот диаметр называется Критическим диаметром детонации . Его величина находится из условий устойчивости:

При D З >D Кр потери энергии в детонационной волне должны уменьшаться, а параметры волны соответственно возрастать, асимптотически приближаясь к своему максимуму. Диаметр заряда, при котором параметры детонации близки к максимальным (рисунок 3.3), называют предельным диаметром детонации D Пр . Детонацию, протекающую в заряде с D Кр < D З < D Пр , называют детонацией в неидеальном режиме.

Критический диаметр зависит от многих физико-химических факторов и уменьшается с увеличением реакционной способности ВВ, которая зависит от природы вещества, его физического состояния - размеров частиц, пористости (плотности) заряда, для смесевых ВВ - от равномерности смешивания. На рисунке 3.4 приведена зависимость критического диаметра заряда тротила от плотности при различных размерах частиц.

Критические диаметры детонации в стеклянных трубках для некоторых веществ при их плотности около 1,0 г/см3 и размере частиц от 0,05 до 0,20 мм приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Критические диаметры детонации некоторых ВВв стеклянных трубах при плотности 1,0 г/см3 и размере частицот 0,05 до 0,20 мм

Вещество	D Кр , мм
Азид свинца	0,01-0,02
ТЭН	1,0-1,5
Гексоген	1,0-1,5
Тротил	8-10
Нитроглицерин	1-2
Аммонит 6Ж В	10-12

Для жидких и газообразных ВВ имеются другие объяснения критических условий распространения детонации. Они основываются на механизме срыва реакции на стенке. Соответственно значение DКрОпределяется не временем собственно реакции в детонационной волне, а временем индукции этой реакции, развивающейся по законам теплового взрыва. При диаметре меньше критического теплового взрыва не происходит. Такой механизм [11] позволяет объяснить очень малый диапазон между значениями DКр и DПр для жидких ВВ.

Для твердых промышленных ВВ характерен большой разрыв между величинами DКр и DПр , их отношение может достигать 10. Так, например, значение DКр тонкодисперсных аммонитов в открытых зарядах диаметром 40 мм составляет 150 мм, а максимальная скорость детонации фиксируется в зарядах диаметром более 200...300 мм (рисунок 3.5). В прочных оболочках этот разрыв сужается.

Определение скорости детонации

Сущность определения скорости детонации заключается в измерении времени прохождения детонационной волны между двумя заданными точками с помощью хронографа или сравнении определяемой скорости детонации с известной скоростью детонации. Например, сущность метода определения скорости детонации в конденсаторном хронографе (рисунок 3.6) заключается в том, что за время детонации заряда определенной длины происходит разряд конденсатора C через сопротивление R .

Зная емкость конденсатора C и его начальный и конечный заряды Q 0 и Q T , время разряда, т. е. время детонации t, вычисляется по фор-муле:

. (3.13)

1 - гранулит АС-4; 2 - граммонит 79/21; 3 - аммонит 6ЖВ; 4 - граммонит 30/70; 5 - гранулотол; 6 - акватол

Рисунок 3.5 - Зависимость скорости детонации гранулированных и водосодержащих ВВ от диаметра заряда

Рисунок 3.6 - Схема конденсаторного хронографа

Особенность данного метода, дающая возможность определять скорость детонации на малых участках (от 5 до 10 см), заключается в механизме размыкания тока. Для разрыва цепи тока в хронографе использованы два стальных стержня 3 и 4, соприкасающихся с испытуемым зарядом 2. На свободных концах к стержням пришлифованы металлические контакты 3а и 4а, которые только силой сцепления удерживаются на стержне. При прохождении детонационной волны стержень испытывает толчок, пришлифованная пластинка отскакивает и тем самым нарушает контакт. Действие устройства заключается в следующем. До детонации заряда конденсатор С заряжается от батареи Е . Начальный заряд Q 0 может быть определен, если переключатель Р установить на баллистический гальванометр GИ измерить количество электричества по гальванометру. В момент прохождения детонационной волны стержень 3 испытывает удар и контакт 3а разрушается, при этом батарея оказывается отключенной от цепи и конденсатор разряжается через сопротивление R . При достижении детонационной волной второго стержня нарушается контакт 4а и цепь С- R разрывается. После чего с помощью переключателяР измеряется остаточный заряд Q T .

Более простым и распространенным методом определения скорости детонации является метод Дотриша, заключающийся в сравнении определяемой скорости детонации с известной скоростью детонации детонирующего шнура [5].

Наиболее точным методом определения скорости детонации и параметров фронта детонации являются осциллографические и фоторегистрирующие методы, например, с помощью камер ждущей и скоростной фоторегистрации (ЖФР, СФР).

Формы работы взрыва

В общем случае коэффициент полезного действия взрыва зависит от многих факторов: характера работы взрыва, физико-механических свойств объектов разрушения, свойств ВВ и их взаимосвязи [12]. Схематически работу взрыва можно описать на примере типового случая дробления и выброса горной породы при взрыве углубленного заряда (рисунок 3.7).

Возникающая впереди фронта расширяющихся продуктов взрыва волна сжатия (ударная волна) сжимает массив горных пород и вызывает в нем тангенциальные напряжения, приводящие к образованию радиальных трещин. При отражении волны от свободной поверхности возникают растягивающие усилия, приводящие к образованию кольцевых трещин, вблизи от поверхности - откольные явления.

1 - зона вытеснения; 2 - зона раздавливания; 3 - зона трещин

Рисунок 3.7 - Схема действия взрыва (а) и образованиям радиальных трещин (б)

Таким образом, в результате ударно-волновой составляющей действия взрыва в массиве, в дополнение к естественным трещинам, образуется объемная сетка трещин, которая намечает контуры отдельностей, т. е. форму и размеры кусков породы. Работу разрушения завершают расширяющиеся продукты взрыва, которые сдвигают горную массу с частично нарушенными связями. При этом трещины расширяются и окончательно формируются куски раздробленной породы. При последующем выбросе горной массы куски дополнительно дробятся в результате соударения.

Описанная схематически картина дробления, сдвига и выброса горной массы указывает на две основные формы работы, совершаемой продуктами взрыва: работу дробления и работу перемещения горной массы. Первую называют Бризантным или дробящим действием взрыва, вторую - ФугаснымИли метательным действием.

Бризантное действие взрыва осуществляется за очень короткий интервал времени порядка 10-6 ...10-5 С и пропорционально головной части импульса взрыва. Фугасное действие пропорционально полному импульсу взрыва I и совершается в течение миллисекунд.

, (3.14)

Где P - давление продуктов взрыва, кг/см2 ;

M - масса заряда, кг;

T К - время достижения ПД давления окружающей среды, с;

QВзр - теплота взрыва, ккал/кг.

Таким образом, бризантное действие обусловлено динамическим ударом продуктов детонации, находящихся под очень высоким давлением (от 20000 до 500000 кгс/см2 ), и наблюдается лишь в непосредственной близости от заряда ВВ. На бризантном действии основано применение ВВ в осколочных снарядах, бомбах, гранатах и других боеприпасах; в промышленности для разрушения горных выработок и бетонных конструкций.

В последние годы значительное внимание учеными уделяется изучению бризантного действия ВВ на иерархическую структуру геофизической среды, в том числе и при взрывном дроблении горных пород и бетонных блоков. Так, например, в работе [13] приведены результаты исследования по определению влияния массы M (г) заряда ВВ на величину кусков взорванного материала.

Опыты проводили с искусственными средами - бетонными блоками в форме куба, что позволило исключить из экспериментов влияние таких трудноконтролируемых параметров структурных сред, как трещиноватость и неоднородность. Опыты проводились с различными типами зарядов ВВ и различными величиной и прочностью бетонных блоков. Полученный в результате взрыва кусковой материал разделялся ситовым анализом по фракциям, для них определялся средний размер куска и массовая доля каждой фракции в общей массе раздробленного материала.

На рисунке 3.8 на основе экспериментальных данных представлены гистограммы в полулогарифмических координатах распределения кусков бетона при разрушении внутренним взрывом.

Получены двухмодальные распределения Р (L) кусков по размерам. Полимодальность распределений свидетельствует о наличии в раздробленном материале кусков бетона с характерным размером массой Q , равным значению абсциссы максимумов. Такие куски встречаются чаще всего. По полученным данным построены зависимости характерных (M ) и средних размеров кусков L (M ) при разрушении блоков внутренним взрывом (рисунок 3.9).

Данные зависимости удовлетворительно описываются выражениями:

= 80,89M -0,936 ,

(3.15)

L = 70,39 M - 1,382

Рисунок 3.8 - Распределение кусков бетона по размерампри разрушении внутренним взрывом

Рисунок 3.9 - Зависимости (m ) и l (m ) от массы заряда при разрушении блоков внутренним взрывом

Аналогичные исследования выполнены при разрушении бетонных блоков накладными зарядами.

Таким образом, результаты разрушения бетонных блоков наружными и внутренними взрывами свидетельствуют о наличии характерных размеров кусков. Величина их монотонно снижается с увеличением массы зарядов ВВ и находится в корреляционной связи со средним размером кусков LРаздробленного материала. Описанная работа [13] представляет научный интерес, так как результаты взрывного дробления бетонных блоков накладными и внутренними зарядами взрывчатого вещества (т. е. бризантное действие ВВ) рассмотрены с позиции иерархии размеров образовавшихся кусков и установлено, что характерный размер кусков нелинейно зависит от массы зарядов, причем существует связь между характерным и средним L размерами кусков раздробленного материала:

= 1,149 M 0,446 L .

Оценка бризантности взрывчатых веществ

Наиболее простым и распространенным методом испытания на бризантность является проба на обжатие свинцовых столбиков, проба Гесса (рисунок 3.10). Для испытаний применяется свинцовый столбик 2 диаметром 40 мм и высотой 60 мм, который устанавливается на массивной стальной плите 1 в вертикальном положении.

Рисунок 3.10 - Схема прибора определения бризантности по пробе Гесса

На столбик 2 помещают стальную пластинку 3 толщиной 10 мм и диаметром 41 мм, на которой устанавливается заряд 4 испытываемого ВВ массой 50 г диаметром 40 мм в бумажной оболочке. При взрыве заряда ВВ свинцовый столбик деформируется. Мерой бризантности ВВ является величина обжатия, т. е. разность высот столбика до и после обжатия.

Более точно бризантность оценивают, как это показано в работах П. Ф. Похила и М. А. Садовского, величиной a:

A = DH /( H 0 - DH ) = DH / HK , (3.16)

Где a - коэффициент бризантности;

DH - величина обжатия столбика (бризантность);

H 0 - высота столбика до обжатия;

HK - высота столбика после обжатия.

Функция a учитывает увеличение сопротивления столбика по мере обжатия. В таблице 3.8 приведены величины бризантности и показателя A для некоторых ВВ при плотности 1 г/см3 .

Таблица 3.8 - Величина бризантности DH , мм и показатель a для некоторых ВВ

Показатели	Тротил	Аммониты	Детонит М
6ЖВ	Скальный	ПЖВ-20	АП-5ЖВ
Бризантность, мм	16	14	18	13	14	17
A	0,364	0,305	0,43	0,277	0,305	0,396

Методы определения работоспособности ВВ

Газообразные продукты реакции, образующиеся при горении или детонации ВВ, имеющие высокую температуру и находящиеся в сильно сжатом состоянии, способны производить определенную механическую работу, которая проявляется в виде Фугасного действия бризантных веществ.

Количество механической работы, совершенной продуктами взрывчатого вещества, зависит от целого ряда условий, причем главными из них являются скорость процесса, удельный объем газообразных продуктов и предельные значения давления и температуры газов, до которых они снижаются при производстве работы. Очевидно, что чем ниже будут конечные значения температуры и давления, тем меньше энергии останется неиспользованной в процессе расширения газов взрыва.

Работоспособность ВВ можно выразить величиной удельной энергии или удельной работоспособности

, (3.17)

Где Е - удельная работоспособность;

P 0 - давление продуктов реакции;

V 0 K - объем газообразных продуктов реакции;

Т - температура продуктов взрыва.

Работа, производимая ВВ при практическом их применении, составляет небольшую долю ее максимального теоретического значения, в лучшем случае не более 30...50 %, что еще более затрудняет оценку действительно возможной работоспособности по вычисленным значениям. Поэтому чаще предпочитают сравнивать работоспособность на основе величин, полученных опытным путем.

Для определения относительной работоспособности наиболее широко используется метод свинцовой бомбы (проба Трауцля). Принятая на II Международном конгрессе прикладной химии в качестве стандартной, бомба Трауцля (ГОСТ 4546-81) представляет собой массивный свинцовый цилиндр с несквозным осевым каналом, на дно которого помещают заряд исследуемого ВВ массой 10 г в бумажной гильзе. Свободную часть канала бомбы засыпают сухим кварцевым песком. После взрыва в бомбе образуется характерное вздутие (рисунок 3.11), объем которого и является мерой относительной работоспособности ВВ. Величины относительной работоспособности V (см3 ), определенные этим методом для наиболее характерных веществ, приведены в таблице 3.9.

Таблица 3.9 - Значения относительной работоспособности V (см3 ) для некоторых взрывчатых веществ

Взрывчатое вещество	V, см3
Тротил	285-310
Гексоген	475-495
Аммонит 6ЖВ	360-380
Аммонал №3	460-480
Детонит М	440-460
Аммонит ПЖВ	265-290
Угленит Э-В	130-170

Более точным методом определения работоспособности является метод Баллистического маятника , основой которого является груз, подвешенный на жестких тягах к неподвижной опоре. При воздействии на маятник потока продуктов взрыва или ударной волны, он получает какое-то количество движения и отклоняется на некоторый угол, по которому и судят о величине работоспособности.

Широкое распространение получила оценка работоспособности (мощности) ВВ в видеТротилового эквивалента . Это - относительная величина, выражающая работоспособность данного ВВ через показатель работоспособности тротила. За этот эталон принимается тротил с плотностью 1,5 г/см3 и с теплотой взрыва 4186 кДж/кг (1000 ккал/кг).

Исходя из определения, тротиловый эквивалент DT можно выразить уравнением:

, (3.18)

Где X и T - индексы, которые относятся соответственно к исследуемому ВВ и к тротилу;

- идеальная работоспособность; - идеальный термодинамический коэффициент по-лезного действия взрыва;

QВзр - удельная теплота взрыва, кДж/кг.

В другой, адекватной по физическому смыслу, трактовке тротиловый эквивалент определяется как отношение масс тротила MТ и данного ВВ MХ , обладающих равной работоспособностью (), и описывается выражением

. (3.19)

Если мерой работоспособности служит величина энергии генерируемой в воздухе ударной волны, то исходя из уравнения (3.19) тротиловый эквивалент может быть охарактеризован как отношение масс тротила и исследуемого ВВ, генерирующих ударные волны Равной интенсивности .

Экспериментально тротиловый эквивалент чаще всего находят путем измерения параметров ударной волны в воздухе. Находят такие массы тротила, которые генерируют ударные волны такой же интенсивности, как единицы масс исследуемых ВВ. Выбор именно этого метода объясняется тем, что процесс формирования ударной волны в воздухе в наибольшей мере приближается к идеальному адиабатическому расширению продуктов взрыва, производящему уплотнение воздуха.

Ударная воздушная волна и ее параметры

Ударная волна (УВ) - наиболее мощный поражающий фактор при взрыве. Она образуется за счет колоссальной энергии, выделяемой в центре взрыва, что приводит, как было показано, к наличию огромной температуры и давления. Раскаленные продукты взрыва при стремительном расширении производят резкий удар по окружающим слоям воздуха, сжимают их до значительного давления и плотности, нагревая до высокой температуры. Такое сжатие происходит во все стороны от центра взрыва, образуя фронт ударной воздушной волны (УВВ). Вблизи центра взрыва скорость распространения УВВ в несколько раз превышает скорость звука. По мере движения скорость ее распространения падает. Снижается и давление во фронте. В слое сжатого воздуха, называемого фазой сжатия УВВ (рисунок 3.12), наблюдаются наиболее разрушительные последствия.

Рисунок 3.12 - Фазы и фронт ударной воздушной волны (УВВ)

Параметры воздушных ударных волн рассчитываются по закону подобия взрывных волн, суть которого состоит в том, что при взрыве зарядов сферической формы параметры УВ являются функциями только массы ВВ или ее энергетического эквивалента и расстояния от геометрического центра взрыва и не зависят от детонационных параметров ВВ. Этот закон выведен из теории точечного взрыва при следующих допущениях: энергия при взрыве заряда выделяется мгновенно и сосредоточенно, а возникающие в воздухе сферические УВ распространяются без диссипативных потерь, их параметры уменьшаются с увеличением расстояния от центра взрыва только вследствие увеличения поверхности волны и соответствующего уменьшения в ней плотности энергии. На основании этих допущений выведены конкретные виды функций параметров УВ от массы заряда и расстояния:

1. Избыточное давление определяется разностью между фактическим давлением воздуха в данной точке и атмосферным давлением (Ризб =Рф - Рат = DР ).

. (3.20)

2. Скоростной напор воздуха (динамическая нагрузка, т. е. поток энергии) обладает метательным действием. Совместное воздействие этих двух параметров УВВ приводит к разрушениям объектов и жертвам

. (3.21)

3. Импульс избыточного давления

. (3.22)

4. Длительность фазы сжатия

. (3.23)

5. Длина ударной волны

, (3.24)

Где - размерные коэффициенты;

M - масса ВВ, кг;

R - расстояние от центра заряда, м;

R - радиус заряда, м.

Заряды имеют сферическую форму.

В выражениях (3.20)-(3.24) коэффициенты отражают энергетические эквиваленты единицы массы ВВ. Соответственно они являются индивидуальными характеристиками каждого ВВ. Численно они равны соответствующему параметру волны, измеренному при взрыве 1 кг ВВ на расстоянии 1 м от центра заряда.

Если же массу ВВ заменить на ее энергетический эквивалент, например, на величину hN Q Взр , т. е. на ту часть энергии взрыва, которая переходит в ударную волну, то коэффициенты становятся постоянными величинами, не зависящими от вида ВВ. В таком виде формулы часто используют для решения обратной задачи: нахождения показателя hN и величины идеальной работоспособности ВВ по измеренным параметрам ударной волны.

На практике зависимости выражают через так называемые приведенные величины, например, приведенные расстояния. Тогда параметры ударной волны становятся функциями приведенных расстояний. Справедливость выражений (3.20)-(3.23) была проверена М. А. Садовским для реальных зарядов тротила [15]. Им было установлено, что зависимость для импульса ударной волны соблюдается с удовлетворительной точностью, а избыточное давление более точно описывается выражением типа полинома:

. (3.25)

С помощью формул (3.20) и (3.25) можно определить тротиловый эквивалент исследуемого ВВ. На рисунке 3.13 приведены кривые изменения давления в ударной волне в зависимости от приведенного расстояния при взрыве тротила на поверхности земли и в воздухе.

1 - взрыв на поверхности земли; 2 - взрыв в воздухе

Рисунок 3.13 - Зависимость давления в воздушной ударной волне от приведенного расстояния

Большой интерес представляют ударные воздушные волны в ближней зоне действия взрыва как с точки зрения безопасности (при проведении аварийно-спасательных работ), так и при практическом использовании, например, при разделке судов или других конструкций на металлолом [16]. В этом случае зачастую взрывные работы приходится вести в стесненных условиях: в доках, вблизи конструкций и сооружений, внутри отсеков кораблей и т. п. Поэтому важно правильно оценить действие взрывов на окружающие сооружения и конструкции, организовать их защиту и рассчитать предельно-допустимый эффективный заряд. Для этого необходимо знать параметры поля взрыва, прежде всего в ближней зоне действия.

В работе [17] показано, что в ближней к заряду зоне, т. е. на расстоянии R =(1...15)R 0 (R 0 - радиус заряда), геометрический закон подобия выполняется только для одного и того же взрывчатого вещества при его постоянной плотности r0 . На малых расстояниях от заряда на параметры УВВ влияет начальная скорость продуктов взрыва. При этом скорость фронта УВВ сферического заряда D (м/с) рассчитывается по формуле [17]:

, (3.26)

Где A , N - постоянные величины, принимающие определенные значения в различных интервалах аргумента ;

- расчетный аргумент (безразмерная величина);

- полная энергия взрыва заряда, ккал;

R - расстояние от места взрыва, м;

QV - удельная теплота взрыва, ккал/кг;

M - масса заряда, кг.

Зависимость (3.26) уточнена авторами Л. А. Шушко, Ю. А. Каганер в работе [18] на основании обработки данных целого ряда испытаний и собственных экспериментов, в которых исследовались сферические заряды различных ВВ (бризантных и инициирующих, индивидуальных и смесевых, в твердом состоянии и жидких). При этом диапазон начальных плотностей ВВ охватывал все виды зарядов (насыпные, прессованные и сплавы) и составлял от 0,4 до 1,68 г/см3 . В результате исследований получены следующие значения постоянных зависимости (3.26): А =271, N =2/3 в интервале 0,005 Ј x Ј 0,07 и А =112, N =1 при

0,07 < x Ј 0,2.

Параметры ударной воздушной волны, вычисленные по этому соотношению, наиболее близки к полученным для литого заряда ТГ 50/50 при r0 =1,67 г/см3 , D =7700 м/с и QV =1140 ккал/кг. Уточненная зависимость (3.26) приведена на рисунке 3.14 и принимает вид

. (3.27)

Таким образом, зная параметры УВВ в ближней зоне и при распространении на значительные расстояния, можно не только произвести расчет разрушающего действия взрыва, но и определить безопасные расстояния до конструкций защитных сооружений.

Воздействие ударной воздушной волны на человека

При взрыве образуется очаг поражения с ударной волной и световым излучением. В очаге взрыва можно выделить три сферических зоны (рисунок 3.15) [14].

Рисунок 3.15 - Очаг поражения при взрыве ВВ

Зона I детонационной волны находится в пределах облака взрыва, радиус которого определяется как

Где M - масса продуктов взрыва, кг.

В пределах зоны I избыточное давление можно считать постоянным и равным 1,7...2,0 МПа.

Зона II - зона действия продуктов взрыва, которая охватывает всю площадь разлета продуктов взрыва ВВ в результате их детонации. Радиус зоны II в 1,7 раза больше радиуса зоны I, т. е. R 2 =1,7R 1 , а избыточное давление по мере удаления уменьшается до 0,3...0,4 МПа.

Зона III - зона действия УВВ. Здесь формируется фронт УВВ.

Воздействие УВВ на человека может быть косвенным или непосредственным. При косвенном поражении УВВ, разрушая постройки, вовлекает в движение огромное количество твердых частиц, осколков стекла и других предметов массой до нескольких грамм при скорости до 35 м/с. Так, при величине избыточного давления порядка 60 кПа плотность таких опасных частиц достигает 4500...5000 шт./м2 . Наибольшее число пострадавших - жертвы косвенного воздействия УВВ.

Непосредственное поражение УВВ людей приводит к травмам:

- крайне тяжелые (обычно несовместимы с жизнью) наблюдаются при воздействии избыточного давления величиной свыше 100 кПа; - тяжелые (сильная контузия организма, поражение внутренних органов, потеря конечностей, сильное кровотечение из носа и ушей) возникают при избыточном давлении от 60 до 100 кПа; - средние (контузия, повреждение органов слуха, кровотечение, вывихи) имеют место при избыточном давлении от 40 до 60 кПа; - легкие (ушибы, вывихи, временная потеря слуха, общая контузия) наблюдаются при избыточном давлении от 20 до 40 кПа.

Эти же параметры УВВ приводят к разрушениям, характер которых зависит от нагрузки, создаваемой УВВ, и реакций предмета на действия этой нагрузки. Поражения объектов, вызванные УВВ, можно характеризовать степенью их разрушений в зависимости от расстояния (зоны разрушений).

Зона полных разрушений Является зоной, в которой восстановить разрушенные объекты невозможно. Массовая гибель всего живого. Занимает до 13 % всей площади очага поражения. Здесь полностью разрушены строения, до 50 % противорадиационных укрытий, до 5 % убежищ и подземных коммуникаций. Сплошных пожаров не возникает из-за сильных разрушений, срыва пламени ударной волной, разлета воспламенившихся обломков и засыпки их грунтом. Эта зона характеризуется величиной избыточного давления более 50 кПа.

Зона сильных разрушений занимает площадь до 10 % очага поражения. Строения сильно повреждены, убежища и коммунальные сети сохраняются, 75 % укрытий сохраняют свои защитные свойства. Есть местные завалы, зоны сплошных пожаров. Зона характеризуется избыточным давлением от 30 до 50 кПа.

Зона средних разрушений наблюдается при избыточном давлении от 20 до 30 кПа, занимает площадь до 15 % очага поражения. Строения получают средние разрушения, а защитные сооружения и коммунальные сети сохраняются. Могут быть местные завалы, участки сплошных пожаров, массовые санитарные потери незащищенного населения.

Зона слабых разрушений характеризуется избыточным давлением от 10 до 20 кПа и занимает до 62 % площади очага поражения. Строения получают слабые повреждения (разрушения перегородок, дверей, окон), могут быть отдельные завалы, очаги пожаров, а у людей - травмы.

Рельеф местности оказывает влияние на распространение УВВ: на склонах холмов, обращенных в сторону взрыва, давление выше, чем на равнинной местности (при крутизне склона 30 градусов давление на нем на 50 % выше), а на обратных склонах - ниже (при крутизне склона 30 градусов - в 1,2 раза). В лесных массивах избыточное давление может оказаться на 15 % выше, чем на открытой местности, но по мере углубления в лес скоростной напор уменьшается. Метеоусловия оказывают влияние только на слабую УВВ, т. е. с избыточным давлением менее 10 кПа. Летом наблюдается ослабление УВВ по всем направлениям, а зимой - ее усиление, особенно в направлении ветра. Дождь и туман оказывают влияние на УВВ при избыточном давлении до

30 кПа. Снегопад не снижает давления УВВ.

Кумулятивное действие взрыва

Действие взрыва можно усилить в определенном направлении, например, в сторону разрушаемого объекта. Такое направленное действие взрыва основано на явлении кумуляции (Cumulatio - увеличивать, суммировать), заключающемся в том, что заряды, имеющие на поверхности выемку, обеспечивают в направлении последней повышенный разрушительный эффект (впервые явление кумуляции наблюдалось в 1864 г. русским военным инженером М. М. Божевским).

Если заряд 1 (рисунок 3.16) взрывчатого вещества имеет выемку 2 в виде конуса, то при взрыве заряда 1 газообразные продукты, движущиеся от поверхности конуса по нормали, образуют сходящийся поток, имеющий вид мощной тонкой струи. Сущность явления кумуляции состоит в концентрации, направлении энергии взрыва и создании уплотненного газового потока в области кумулятивной выемки 2. В результате столкновения и сжатия продуктов взрыва кумулятивный поток приобретает высокую плотность, скорость, температуру и давление.

Одним из интереснейших физических эффектов, реализующихся за счет создания условий, обеспечивающих кумуляцию энергии, является формирование высокоскоростных кумулятивных струй при взрыве осесимметричного заряда ВВ с выемкой, облицованной тонкой металлической оболочкой. Благодаря большой скорости (до 10 км/с) такие кумулятивные струи обладают высокой пробивной способностью, определяемой (в соответствии с гидродинамической теорией проникновения) их длиной и плотностью материала.

1 - заряд ВВ; 2 - выемка; 3 - детонатор

Рисунок 3.16 - Схема действия кумулятивного заряда

Изменяя форму и размеры заряда ВВ и кумулятивной облицовки, а также материал облицовки, можно реализовать различные режимы кумуляции и варьировать пробивное действие кумулятивных зарядов в широких пределах. Наибольшим пробивным действием обладают кумулятивные заряды, формирующие высокоградиентные кумулятивные струи из достаточно высокоплотных материалов, обладающих хорошей пластичностью. При рациональном выборе конструктивных параметров таких зарядов и прецизионной технологии их изготовления, глубина пробития стальной преграды может составлять свыше десяти диаметров заряда, что близко к ее предельному значению. Дальнейший рост пробивного действия заряда связан с поиском новых нетрадиционных путей управления процессами кумуляции и реализацией новых физических эффектов.

Одним из таких путей, позволяющих "вторгнуться" в физические механизмы процессов, определяющих эффективность функционирования кумулятивного заряда, с целью изменить характер их протекания в нужном направлении, является использование различных вариантов электромагнитных воздействий. В зависимости от решаемой задачи такие воздействия могут приводить как к увеличению, так и к снижению пробивного действия кумулятивного заряда. Данные работы по явлению электромагнитных воздействий на эффект кумуляции проводились в МГТУ им. Баумана (г. Москва) совместно с институтом гидродинамики им. М. А. Лаврентьева (г. Новосибирск) [20]. Электромагнитные воздействия, осуществляемые на различных стадиях функци-онирования кумулятивного заряда, представлены на рисунке 3.17.

Рисунок 3.17 - Варианты электромагнитных воздействий управления кумулятивным эффектом взрыва [20]

К числу воздействий, направленных на снижение пробивного действия, относятся создание аксиального магнитного поля в облицовке кумулятивного заряда непосредственно перед его подрывом (см. рисунок 3.17, воздействие 1,), пропускание мощного электрического тока по кумулятивной струе (воздействие 2) и создание поперечного к направлению движение струи магнитного поля в материале проводящей преграды (воздействие 3). На повышение пробивной способности кумулятивного заряда направлены "мягкое" токовое воздействие на струю (воздействие 4), а также варианты создания продольного низкочастотного (воздействие 5) и высокочастотного (воздействие 6) магнитных полей в области деформирования струи в полете до ее взаимодействия с преградой. Воздействия 2, 4, 5 и 6 на сформировавшуюся кумулятивную струю ориентированы на управление процессом ее деформирования и последующего разрушения. Воздействие 1 позволяет влиять на процесс схлопывания облицовки и формирование кумулятивной струи в начальной стадии.

Представление, например, о степени снижения пробития преграды кумулятивным зарядом при электродинамическом воздействии различной интенсивности дает рисунок 3.18, где приведены кривые изменения разрядного тока, протекающего через кумулятивную струю, полученные в экспериментах с зарядом диаметром 50 мм при его действии на стальную (рисунок 3.18 а) и алюминиевую (рисунок 3.18 б) преграды (при размещении одного из электродов непосредственно на преграде).

Для каждой кривой указана глубина пробития преграды, соответствующая данному режиму электродинамического воздействия. В отсутствие воздействия глубина пробития стальной преграды составляет 210 мм, а алюминиевой преграды - 365 мм.

Наиболее вероятные физические причины снижения глубины пробития преграды кумулятивной струей при электродинамическом воздействии - это развитие магнитогидродинамической (МГД) неустойчивости перетяжечного типа и объемное разрушение материала струи. Оба этих механизма обусловлены действующими на струю при протекании по ней тока пондеромоторными нагрузками, эквивалентными приложенному к поверхности струи магнитному давлению

Где 0 =4pЧ 10-7 Гн/м - магнитная постоянная;

I - сила тока, протекающего по кумулятивной струе, А ;

R - радиус шейки кумулятивной струи, мм.

Объемное разрушение кумулятивной струи проявляется в виде радиального рассеивания материала струи при ее выходе из межэлектродного промежутка. Это влечет за собой последующее уменьшение средней плотности материала элементов струи и, как следствие, снижение ее пробивной способности.

Таким образом, учеными [20] экспериментально и теоретически показана возможность электромагнитного управления кумулятивным эффектом взрыва. Снижение пробития достигается пропусканием мощного импульсного электрического воздействия по кумулятивной струе, созданием аксиального магнитного поля в кумулятивной облицовке непосредственно перед подрывом заряда, а также созданием поперечного магнитного поля в материале проводящей преграды. На повышение пробивной способности струи за счет увеличения ее предельного удлинения ориентированы варианты воздействия на нее продольного низкочастотного и высокочастотного магнитных полей, а также "мягкое" токовое воздействие.

Разрушающие факторы взрывчатых веществ - Использование взрывчатых веществ

Похожие статьи