книги / Химическая физика энергонасыщенных материалов

2.2. Формы взрывного превращения

Химическое превращение в ЭКМ может протекать в виде мед­ ленного химического разложения или самораспространяющегося взрывного превращения.

Реакция медленного химического разложения протекает одно­ временно во всем объеме вещества, это сравнительно медленный процесс распада вещества при его нагреве ниже температуры вспышки. Скорость распада возрастает с увеличением температуры нагрева ЭКМ. В случае преобладания теплового выделения в ре­ зультате экзотермической реакции распада ЭКМ над отводом тепла в окружающую среду процесс термического разложения может пе­ рейти во взрывное превращение.

Подробно химическое разложение порохов и ТРТ будет рас­ смотрено при определении критических параметров теплового взрыва и прогнозировании сроков служебной пригодности зарядов из порохов и ТРТ.

Взрывное превращение в общем случае может протекать в двух формах: гомогенный взрыв и самораспространяющееся взрывное превращение. Однако гомогенный взрыв имеет место тогда, когда процесс идет одновременно во всей массе вещества. Гомогенное взрывное превращение присуще горючим газам, жидкостям и твер­ дым веществам, способным при нагревании выделять значительное количество летучих. Гомогенное горение - это горение горючих га­ зов и паров в среде газового окислителя (в большинстве случаев ки­ слорода воздуха). При гомогенном горении исходные вещества имеют одинаковое агрегатное состояние (горение газов).

В твердых продуктах гомогенный взрыв практически неосуще­ ствим из-за неравномерного теплоотвода из ЭКМ, в результате чего в материале всегда имеет место возникновение одного или несколь­ ких очагов горения, из которых горение затем распространяется на остальную массу ЭКМ.

При самораспространяющемся взрывном превращении хими­ ческое превращение, начавшееся в какой-либо точке заряда, само­

произвольно распространяется до его границ. Характерной особен­ ностью такого самораспространякяцегося взрывного превращения является наличие фронта превращения, т.е. узкой зоны интенсивной химической реакции, отделяющей в каждый момент времени про­ дукты реакции от непрореагировавшего вещества.

Впереди этой зоны находится исходный материал, позади нее - продукты превращения. Температуры впереди фронта, позади него и в самой зоне химической реакции существенно различаются; име­ ет место также неравенство давлений и плотности.

Расстояние, на которое перемещается фронт реакции за едини­ цу времени, характеризует скорость распространения взрывного превращения. Самораспространяющееся взрывное превращение яв­ ляется основой современной ракетно-артиллерийской и взрывной техники.

2.3. Виды самораспросграняющегося взрывного превращения

Взависимости от природы, физической структуры, а иногда

идругих причин линейная скорость распространения химического превращения в ЭКМ бывает различной: она колеблется в пределах от долей миллиметра до тысяч метров в секунду.

Для одних веществ скорость имеет значения порядка милли­ метров или долей миллиметра в секунду при атмосферном давле­ нии. Для этих веществ скорость сильно зависит от давления, под которым происходит процесс превращения. Для других веществ скорость превращения имеет значения порядка сотен, иногда тысяч метров в секунду. Наконец, для третьей категории ЭКМ скорость

превращения имеет значения порядка тысяч метров в секунду (1...9тыс. м/с).

Скорости превращения ЭКМ второй и третьей категорий даже в случае одинаковых значений резко отличаются по степени устой­ чивости: для второй категории скорости переменны, неустойчивы, для ЭКМ третьей категории они постоянны, устойчивы.

Для каждой категории ЭКМ при данных внешних услови­ ях (начальный импульс, вызывающий химическое превращение; давление) линейная скорость химического превращения меняется в сравнительно узких пределах, т.е. остается величиной одного по­ рядка.

Явление химического превращения ЭКМ со скоростью порядка долей миллиметра или миллиметров в секунду называется стацио­ нарным (послойным) горением. Сама возможность процесса и ско­ рость его распространения определяются, прежде всего, кинетикой химической реакции, т.е. скоростью тепловыделения и скоростью теплопередачи из зоны реакции в исходное вещество, что свидетель­ ствует о тепловом механизме горения. Выделяющееся при химиче­ ской реакции тепло предшествующего слоя нагревает следующий слой. Процесс зависит от характера протекающей химической реак­ ции и скорости передачи тепла к новому, прогреваемому слою. В обычных условиях послойное горение - сравнительно медленный процесс. Если изменить условия теплопередачи, то это сразу же скажется на процессе горения ЭКМ.

Заметное влияние на характер и скорость распространения про­ цессов горения могут оказать следующие факторы: свойства ЭКМ, давление, начальная температура, плотность заряда, диаметр заряда, толщина и качество оболочки.

Послойное горение лежит в основе использования порохов, твердых ракетных топлив и пиротехнических смесей. Когда ста­ ционарное горение происходит в незамкнутом пространстве, т.е. на открытом воздухе, то оно не сопровождается ни характерным звуко­ вым эффектом, ни механической работой разрушения или переме­ щения близлежащих предметов. В замкнутом же пространстве, на­ пример в зарядной камере орудия, процесс происходит энергичнее; он сопровождается резким звуком и быстрым перемещением снаря­ да, пули или пыжа. Для явления стационарного горения характерно более или менее быстрое, но не резкое нарастание давления газов при выстреле. Действие, состоящее в сообщении скорости предмету путем его выбрасывания без разрушения (дробления, раскалывания),

называется метательным действием, а пороха и ТРТ, осуществляю­ щие это действие, называются метательными ЭКМ.

Явление химического превращения со скоростью порядка сотен (а иногда и тысяч) метров в секунду носит название нестационар­ ного (взрывного) горения, т.е. взрыва в узком значении этого слова; оно сопровождается характерным звуковым эффектом и производит работу дробления или раскалывания в месте взрыва.

Нестационарное горение можно наблюдать в пористом, волок­ нистом или порошкообразном веществе при давлении, превышаю­ щем определенное критическое значение. В этом случае газообраз­ ные горячие продукты горения могут проникать вглубь вещества и поджигать его перед фронтом горения, и тогда горение будет проте­ кать уже не послойно, не параллельными слоями, а охватывать оп­ ределенный объем. При объемном горении возникает высокий газоприход продуктов горения, что вызывает подъем давления, в окру­ жающей среде возникает ударная волна, процесс приобретает взрывной характер.

Если при местном прохождении химической реакции с тем же энергетическим эффектом возникает большое давление, то передача энергии может осуществляться путем распространения скачка дав­ ления, так называемой ударной волной. Скорость передачи энергии таким путем несравненно выше скорости теплопередачи, следова­ тельно, быстрее распространяется и химическая реакция. Повыше­ ние давления при ней весьма велико, равно как и обусловленное им разрушительное действие. Это явление называется детонацией взрывчатого вещества.

Детонация - процесс перемещения по заряду ВВ с очень вы­ сокой скоростью (от 3 до 9 км/с) зоны химической реакции со скач­ кообразным повышением давления на крутом фронте (ударная вол­ на). Ударная волна представляет собой резкое повышение давления, сопровождающееся сжатием, нагревом и изменением скорости дви­ жения вещества. Под действием ударной волны происходит разру­ шение молекулы ЭКМ, и, освободившись от связей, нагретые до высокой температуры горючие элементы и кислород вступают за

фронтом ударной волны в химическую реакцию с выделением тепла и превращением ЭКМ в продукты взрыва (ПВ). Детонационная вол­ на - это незатухающая ударная волна, которая адиабатически сжи­ мает и разогревает ВВ, вызывая в нем химическую реакцию взрыв­ ного превращения. При этом нагретые до десятков тысяч градусов газообразные продукты взрыва (ПВ), занимающие первоначально объем исходного вещества, развивают давление несколько десятков тысяч мегапаскалей. Такой механизм передачи называется волновым механизмом.

Все процессы, сопровождающиеся образованием в окружаю­ щей среде скачка давления (ударной волны), обобщенно называют взрывом. К этой категории явлений относятся как детонация, так и взрывное горение, но первая распространяется по ЭКМ со сверх­ звуковой, а второе - с дозвуковой скоростью. При взрывном горе­ нии энергия переносится продуктами реакции взрывного превраще­ ния, при детонации - ударной волной, к которой примыкает зона реакции. Детонация оказывает наиболее сильное разрушительное действие.

При определенных условиях горение может переходить во взрыв или детонацию, а взрыв или детонация вырождаться в горе­ ние. Эти переходы крайне нежелательны, ибо переход горения во взрыв приводит к катастрофам, а переход детонации (взрыва) в го­ рение - к отказу действия боеприпасов у цели.

Для инициирующих ВВ горение обычно является неустойчи­ вым и легко переходит в детонацию. Для порохов, наоборот, горе­ ние протекает в весьма устойчивой форме и переход его в детона­ цию оказывается возможным лишь при особых условиях, которые редко выполняются на практике. Бризантные вещества в отношении способности к нормальному горению занимают промежуточное по­ ложение между инициирующими и метательными ЭКМ. Установле­ но, что большинство бризантных ВВ при определенных условиях опыта оказываются способными к устойчивому горению с постоян­ ной скоростью, не зависящей от длины заряда.

2.4. Стадии взрыва

Взрыв протекает в две стадии.

Первая стадия - превращение того или иного вида энергии в энергию сильно сжатых газов. В примере баллона со сжатым газом первой стадией является превращение электрической или механиче­ ской энергии двигателя при наполнении в упругую энергию сильно сжатого газа. В примере взрыва дымного пороха первой стадией яв­ ляется очень быстро протекающая экзотермическая химическая ре­ акция, при которой образуются сильно сжатые газы и пары.

Вторая стадия - мгновенное расширение сильно сжитых газов и паров. В данном выше определении взрыва выделена вторая его стадия, а именно - очень быстрое проявление механической работы, вызываемое расширением сильно сжатых газов или паров.

Наоборот, оттеняя первую стадию химического взрыва, можно дать ему такое определение: «Химическим взрывом называют бы­ строе экзотермическое химическое превращение, протекающее с об­ разованием сильно сжатых газов и паров и сопровождающееся меха­ ническойработойразрушения или перемещения окружающей среды».

2.5. Условия химического взрыва

Взрывное превращение представляет собой совокупность реак­ ций окисления горючих элементов, входящих в состав ЭКМ (угле­ род, водород), за счет кислорода, также входящего в состав ЭКМ, поэтому взрыв происходит в любых условиях замкнутого простран­ ства без доступа кислорода извне.

В веществах и смесях, содержащих горючие и окислительные элементы, способные участвовать в реакции окисления, возмож­ ность химического взрыва определяется четырьмя условиями:

1)экзотермичностью химической реакции,

2)наличием газов или паров в продуктах реакции,

3)большой скоростью химической реакции,

4)способностью реакции к самораспространению.

2.5.1. Экзотермичность реакции

Для совершения механической работы необходимо затратить эквивалентное количество энергии, источником которой при взрыв­ ном превращении является теплота химической реакции. Если для химического превращения вещества требуется приток энергии извне (эндотермическая реакция), то такое превращение не может сопро­ вождаться производством внешней работы. За счет тепловой энер­ гии реакции происходит разогрев газообразных продуктов до темпе­ ратуры в несколько тысяч градусов, их сильное сжатие в объеме взрывчатого вещества и последующее интенсивное расширение.

Теплота взрыва является одной из важнейших характеристик взрывчатого вещества, знание которой необходимо при решении многих задач. Так, например, знание теплоты взрыва необходимо при вычислении температуры взрыва, потенциала ВВ, при составле­ нии уравнений взрывных превращений. Теплоты взрывного превра­ щения (Qr, МДж/кг) некоторых ЭКМ:

2.5.2. Наличие газообразных веществ в продуктах химического превращения

Условие экзотермичности является необходимым, но недоста­ точным для протекания реакции в форме взрыва. Так, известен це­ лый ряд реакций, протекающих с выделением большого количества тепла, но не являющихся взрывными. Например, термитная реакция

2А1 + Fe20 3 —►А120з + 2Fe + 830 кДж/моль

протекает без взрыва, хотя выделяющегося тепла достаточно для на­ грева продуктов реакции до 3000 °С. Газообразные продукты - не­

посредственные физические агенты, которыми осуществляется пре­ вращение тепловой энергии взрыва в механическую работу.

Как во всякой тепловой машине, при взрыве для превращения теплоты химической реакции в механическую работу необходимо рабочее тело - газы или пары. Образование большого количества га­ зообразных и парообразных продуктов реакции обеспечивает созда­ ние в локальном объеме высокого давления и обусловленного им разрушительного эффекта.

Вследствие нагревания до высокой температуры (3500...4000 К) продукты взрыва оказываются в чрезвычайно сжатом состоянии (давление при взрыве достигает нескольких десятков тысяч мегапа­ скалей) и способны разрушить очень прочные преграды. В процессе расширения продуктов взрыва осуществляется быстрый переход по­ тенциальной химической энергии ЭКМ в механическую работу или в кинетическую энергию движущихся газов.

При взрыве 1 кг штатных порохов, ТРТ или ВВ образуется от 0,75 до 0,96 м3 газов и паров. Такой объем газы и пары занимают при приведении их к нормальным условиям (Т = 273 К, р = 0,1 МПа).

2.5.3. Большая скорость химической реакции

Большая скорость распространения процесса является одним из характерных признаков взрыва, резко отличающим его от обычных химических реакций.

Переход исходного ЭКМ к конечным продуктам взрывного превращения может завершаться за одну миллионную секунды, а скорость распространения взрыва по массе вещества может дости­ гать нескольких километров в секунду.

Скорость взрывного превращения является важной характери­ стикой, определяющей скорость выделения энергии и, как следст­ вие, эффективность действия взрыва.

Для небольших зарядов взрывчатых веществ продолжитель­ ность взрывного превращения измеряется временем от сотых до стотысячных и даже миллионных долей секунды. Этим определяет­

ся большая мощность, развивающаяся при взрыве. Покажем это на примере тротила.

При взрыве 1 кг тротила выделяется 3980,5 кДж/кг. Принимая расширение продуктов взрыва адиабатным и коэффициент полезно­ го действия равным 0,1, находим, что работа, производимая при взрыве 1 кг тротила, приблизительно равна 400 кДж. Принимая не­ которые упрощающие допущения, полагаем продолжительность взрыва равной примерно 0,00001 с. Отсюда мощность взрыва 1 кг тротила получается равной 41010 Дж, или, учитывая, что 1 л.с. равна 745,7 Дж/с, получаем ~55 000 000 л.с. Известно, что не существует тепловой машины, способной развить такую колоссальную мощность.

Большая мощность взрывчатых веществ обусловлена не боль­ шим запасом внутренней энергии, а чрезвычайно малой продолжи­ тельностью взрыва.

2.5.4. Способность к самораспространению

Согласно теории Ю.Б. Харитона, процесс взрывного превра­ щения в виде детонации может протекать устойчиво и реакция будет самораспространяться, если продолжительность реакции в реакци­ онной зоне меньше, чем время, в течение которого давление успеет разбросать реагирующее вещество. Иначе говоря, должно иметь ме­ сто неравенство т < 0, где т - время реакции, а 0 - время разброса реагирующего вещества. Величина т зависит от свойств ЭКМ. Вели­ чина 0 определяется диаметром заряда и массой оболочки.

Время 0, необходимое для разлета частиц ЭКМ, убывает с уменьшением диаметра заряда, тогда как продолжительность ре­ акции от диаметра не зависит. При достаточно малом диаметре за­ ряда величина 0 может настолько уменьшиться, что условие т < 0 окажется невыполненным, взрывное превращение - невозможным. В этом случае вещество будет разбросано раньше, чем химическое превращение успеет пройти до конца. Минимальный диаметр, при котором ЭКМ способен к устойчивой детонации, называется крити­ ческим диаметром детонации. Критические диаметры детонации не­ которых ВВ, мм:

Наиболее простым методом определения критического диамет­ ра детонации является использование ступенчатых цилиндрических зарядов (рис. 2). Длина /, каждого цилиндра должна быть достаточ­ ной для того, чтобы в заряде завершились все переходные процессы, связанные с поршневым действием предшествующего цилиндра с большим диаметром. При d > 5dhV этому соответствует 1 > 3dhV. При d ~ dxp необходимая длина отдельных цилиндров возрастает до

(1 0 ...1 2 Х

Рис. 2. Экспериментальные методы определения dkV

Измерение dhVвысокоплотных зарядов ВВ требует тщательного изготовления цилиндрических зарядов, иногда очень малого диа­ метра, что сопряжено с большими технологическими трудностями.

Инициирование детонации осуществляется с торца заряда наи­ большего диаметра, так что детонация распространяется в направ­ лении уменьшения толщины заряда. Место обрыва детонации опре­ деляется на ограничивающей заряд ВВ металлической пластине.

Аналогично вводится понятие критического диаметра горения.

Если цилиндрический заряд пороха или ТРТ забронировать с боковой поверхности, чтобы горение происходило только с торца, то оно распространяется устойчиво, при этом диаметр заряда пре­ восходит некоторую величину, называемую критическим диамет­