Характеристики конденсированных взрывчатых веществ

Давление во фронте детонационной волны и скорость ее фронта определяются соотношениями:

где – давление во фронте, Па; – скорость фронта, м/с; – плотность взрывчатого вещества, кг/м³; – теплота взрыва, Дж/кг; – показатель адиабаты продуктов взрыва.

Как показывают результаты эксперимента, значение показателя адиабаты для продуктов взрыва можно принять равным 3, тогда для тринитротолуола (ТНТ) получим давление во фронте детонационной волны  Па и ее скорость  м/с.

Воздушная ударная волна. Практически вся (>90 %) энергия взрыва конденсированных ВВ расходуется на образование воздушной ударной волны, которая способна разрушать объекты на значительном расстоянии от точки взрыва.

При выходе детонационной волны на границу “ВВ – невозмущенный воздух” (рис. 1.12) расширяющиеся продукты взрыва действуют на окружающий воздух как твердый сверхзвуковой поршень. В результате этого формируется воздушная ударная волна (ВУВ).

О бразование воздушной ударной волны и ее отличие от продольной упругой волны в воздухе можно пояснить на следующем примере. Рассмотрим движение твердого поршня со скоростью (рис. 1.13) в длинной трубе, содержащей воздух при нормальных условиях ( Па,  К,  кг/м³).

1) Пусть скорость движения поршня (рис. 1.13-а). Скорость звука в воздухе одного порядка со средней скоростью теплового движения молекул :

где – постоянная адиабаты для воздуха ();  Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная;  кг/моль – молярная масса воздуха. Сделав вычисления по формуле (1.14), получим: 331 м/с, 446 м/с.

Вызванное движением поршня возмущение воздуха посредством “эстафеты” (рис. 1.13-б) – от молекулы к молекуле за счет теплового движения будет перемещаться по трубе вправо – т. е. по трубе вправо будет распространяться продольная упругая волна сжатия – звуковая волна. При этом не будет массового движения воздуха, давление, температура и плотность воздуха не изменяются.

2) Пусть теперь скорость поршня . Поскольку скорость теплового движения молекул воздуха мала по сравнению со скоростью поршня, молекулы не могут “убежать” от поршня, а остаются перед ним, т. е. перед поршнем воздух сжимается (эффект “бульдозера”), давление, температура и плотность его повышаются: . Масса сжатого перед поршнем воздуха движется со скоростью поршня (рис. 1.13-в). Если поршень остановить, то эта масса сжатого воздуха по инерции будет двигаться вправо. На передней границе сжатой области будет наблюдаться, как описано выше, “сгребание” атмосферного воздуха. С тыльной же границы сжатой области будет отток воздуха в пространство между сжатой областью и поршнем – это область разрежения – пониженного давления.

Область сжатия воздуха, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью, называется воздушной ударной волной (пояснение названия “ударная” ниже). Изменение давления с течением времени в какой – то точке, находящейся на расстоянии от взрыва, показано на рис. 1.14, время прихода ВУВ - . Передняя граница области сжатия называется фронтом ВУВ. Толщина фронта ВУВ порядка средней длины свободного пробега молекул в воздухе ( м). Кроме первого – самого интенсивного изменения давления (в падающей ударной волне) могут наблюдаться повторные повышения давления, обусловленные отражением волны от преград. Максимальное давление, плотность, температура воздуха наблюдаются во фронте ВУВ.

Область пространства, в которой избыточное давление называется зоной сжатия, ее протяженность в направлении распространения волны – длина ВУВ. Область, в которой , называется зоной разрежения. Воздух в зоне сжатия движется в том же направлении, что и фронт ударной волны – от точки взрыва; в зоне разрежения – в обратном направлении – к точке взрыва.

Основной параметр ВУВ, характеризующий ее интенсивность – это избыточное давление во фронте волны . Через величину обычно выражают характеристики воздуха во фронте ударной волны: плотность , скорость фронта волны , массовую скорость воздуха , движущегося за фронтом волны, давление скоростного напора , импульс давления в фазе сжатия и др.:

где ; , – показатель адиабаты для воздуха.

Избыточное давление во фронте ВУВ при взрыве в однородной атмосфере (воздушный взрыв) зависит от вида и массы взрывчатого вещества (или общей энергии взрыва ) и расстояния до точки взрыва. Исследования многих авторов показали, что для воздушных взрывов конденсированных ВВ справедлив закон подобия и величину можно рассчитывать с помощью приведенного расстояния (переменная Садовского – Гопкинсона) . Расчет избыточного давления воздушных взрывов наиболее часто используемого взрывчатого вещества тринитротолуола (тротила) производят с помощью эмпирической формулы (формула Садовского):

где – избыточное давление, кПа, – масса тротила (ТНТ), кг; – расстояние до взрыва, м.

В случае воздушного взрыва его энергия распределяется во всем пространстве ( телесного угла) и фронт ударной волны имеет форму сферы.

При наземном взрыве (подстилающая поверхность – абсолютно твердая) его энергия распределяется в верхнем полупространстве ( телесного угла), фронт волны – полусфера. В этом случае вид зависимости сохраняется, но постоянные коэффициенты увеличиваются так, как было бы при замене величины на (эксперимент дает от 1,6 до 2,0 в зависимости от вида подстилающей поверхности). Тогда для наземного взрыва принимают:

Второй параметр ВУВ, определяющий ее поражающе действие, – это импульс давления в фазе сжатия. Для обоих видов взрывов он также зависит от и и для тротила рассчитывается по формуле:

где - импульс давления, Па·с; - масса ТНТ, кг; - расстояние до взрыва, м.

Амплитуда давления в волне разрежения значительно меньше величины , поэтому в большинстве исследований отрицательная фаза не учитывается, однако она и вторичные волны могут быть важными факторами поражения при возникновении резонансных явлений.

Отражение воздушной ударной волны от преграды. Ударная волна, образующаяся при воздушном взрыве ВВ – падающая ВУВ – распространяясь в воздухе, встречает на своем пути преграды – поверхность земли, здания, сооружения и т. п. При этом происходит отражение падающей ВУВ от преграды и образуется отраженная воздушная ударная волна. Учет отражения ударной волны важен, поскольку при этом происходит повышение избыточного давления.

Простейший случай формирования отраженной воздушной ударной волны имеет место при нормальном падении ВУВ на плоскую жесткую преграду – когда фронт падающей волны параллелен плоскости преграды (рис. 1.15).

П осле соприкосновения фронта падающей ВУВ с преградой воздух, движущийся за фронтом падающей ВУВ, начинает тормозиться преградой. В результате этого кинетическая энергия движущегося воздуха переходит в потенциальную энергию сжатия, давление воздуха у преграды возрастает и по падающей ВУВ вверх распространяется возмущение – отраженная ударная волна. Избыточное давление в ее фронте . Отражение ВУВ характеризуется коэффициентом отражения: . Для нормального падения ударной волны, распространяющейся в идеальном газе:

где – постоянная адиабаты для воздуха.

Из этой формулы видно, что давление в отраженной волне превышает давление в падающей волне в 2…8 раз (“2” – при – “слабая” ВУВ, “8” – при – “сильная” ВУВ). Для реального газа . Таким образом, явление отражения ВУВ приводит к увеличению избыточного давления, действующего на объект.

Е сли фронт падающей плоской волны образует некоторый угол с отражающей поверхностью (косой удар), картина отражения усложняется (рис. 1.16). В зависимости от угла падения и значения избыточного давления в падающей волне возможны два режима отражения: регулярное отражение и нерегулярное.

Регулярное – имеет место при , линия соприкосновения падающей и отраженной волн лежит на отражающей поверхности – ближняя зона. При нерегулярном отражении (если ) кроме отраженной ВУВ образуется головная ударная волна, которая распространяется вдоль земной поверхности, ее фронт перпендикулярен отражающей поверхности – дальняя зона.

При распространении ударной волны от точки взрыва ее интенсивность уменьшается и на некотором расстоянии она вырождается в звуковую волну.

Взрывы различных конденсированных ВВ. Значение избыточного давления во фронте ВУВ при взрыве тротила определяется по формуле Садовского (1.16) или (1.17). Расчеты для других взрывчатых веществ проводятся на основе энергетического подхода – приравниваются энергии взрыва данного ВВ и тротила: , где – удельная теплота взрыва данного ВВ и тротила соответственно (табл. 1.8); – масса ВВ и тротила. Тротиловым эквивалентом взрыва данного ВВ называется величина:

которая и используется при расчете избыточного давления по формуле Садовского.

Повреждение объектов ударной волной. Попадая за фронт ВУВ, объект испытывает ударные силовые нагрузки, связанные в общем случае, во-первых, с избыточным давлением за фронтом волны, и, во-вторых, с движущимся за фронтом волны воздухом. Нагрузки – ударные, так как толщина фронта ВУВ около 10^-7 м, а его скорость превышает скорость звука, и небольшой по линейным размерам объект при прохождении ВУВ оказывается за ее фронтом и начинает испытывать нагрузку практически мгновенно. Время, в течение которого действуют нагрузки, определяется длительностью фазы сжатия , зависящей от энергии взрыва и расстояния до него. По порядку величины – это сотые доли секунды.

Избыточное давление воздуха за фронтом ВУВ вызывает всестороннее обжатие объекта (действует как гидростатическое давление при погружении в воду).

Движущийся за фронтом ВУВ сжатый воздух при торможении его преградой оказывает на нее давление – давление скоростного напора (аналог ветровой нагрузки). Оно обусловливает метательное действие ударной волны – объект смещается (отбрасывается) ударной волной.

В общем случае основные параметры, характеризующие поражающее действие ударной волны – это избыточное давление во фронте (оно определяет и ) и импульс давления в фазе сжатия.

Воздействие ударной волны на конструкцию вызывает ее деформацию; разрушение происходит, если величина деформация превышает пороговое значение. При расчете деформации необходимо учитывать соотношение между длительностью фазы сжатия и периодом собственных колебаний конструкции . Выделяют три типа отклика (режима нагружения) конструкции на действие ударной волны: статический, импульсный и динамический.

1 ) Статический тип отклика: (рис 1.17). В этом случае величина деформации определяется начальным перепадом давления во фронте волны и поражение пропорционально . Квазистатическое воздействие имеет место при .

2) Импульсный тип отклика: . В этом случае величина деформации нарастает в течение фазы сжатия и поражение пропорционально импульсу давления в фазе сжатия . На практике такое воздействие наблюдается при .

3) Динамический тип нагрузки – переходная область от статической к импульсной нагрузке: . Деформация зависит от обеих величин: избыточного давления во фронте волны и импульса .

Для различных взрывов длительность фазы сжатия разная, поэтому и типы нагружения одного и того же объект могут отличаться. Например, для элементов зданий типа стен импульсный характер воздействия будет при  с, а статический – при с; для оконных стекол: импульсный – при  с, а статический – при  с.

Совокупность параметров ударной волны избыточного давления и импульса , которые позволяют оценить поражение объекта, принято отображать на - диаграмме (диаграмма поражения) – рис. 1.18. Кривые на диаграмме – это линии равной степени поражения объекта (слабые, средние, сильные, полные разрушения). Если на объект действуют нагрузки (избыточное давление и импульс), отображаемые точкой, расположенной выше кривой, то объект будет поражен. Если точка, отображающая воздействие находится ниже кривой, объект не будет поражен.

При статическом режиме нагружения конструкции () поражение объекта происходит, если вне зависимости от импульса . Причем большей степени поражения соответствует большее значение критического избыточного давления: .

При импульсном режиме нагружения () поражение определяется импульсом давления, значение критического импульса соответствует степени поражения: .

Следует отметить, что такие диаграммы справедливы только для рассматриваемого объекта (или определенного типа похожих объектов) и данной степени повреждения.

Для сооружений, техники рассматриваются степени повреждения: полное разрушение, сильные, средние и слабые повреждения, характеристики которых приведены в приложении 2.

Поражение людей ударной волной. Поражение людей при взрыве происходит как за счет действия самой ударной волны – прямое действие, так и летящими обломками разрушенных зданий, оборудования, деревьев, осколками разбитых стекол, а также пылью, поднятой ударной волной – косвенное действие УВ (приложение 4).

Прямое действие ВУВ – действие избыточного давления и давления скоростного напора. Воздействие избыточного давления на человека воспринимается как удар по всей поверхности тела ( м²). При этом возможны повреждения внутренних органов, разрыв барабанных перепонок, кровеносных сосудов, сотрясение мозга, переломы и т. п. Действие давления скоростного напора – метательное действие УВ – удар по телу со стороны, обращенной к взрыву. В результате этого человек может быть отброшен на значительное расстояние и травмирован при ударе о различные препятствия и землю.

Поражения при прямом воздействии ВУВ делятся на легкие, средние, тяжелые и крайне тяжелые.

Легкие – при  кПа наблюдаются: легкая контузия, временная потеря слуха, ушибы, вывихи. Безопасным на открытой местности (прямое воздействие) считается избыточное давление  кПа, в помещениях – 5 кПа, что соответствует разрушению остекления и возможным травмам вследствие этого (косвенное воздействие).

Средние – при  кПа – травмы мозга с потерей сознания, повреждения органов слуха, кровотечения из носа и ушей, вывихи и переломы конечностей.

Тяжелые – при  кПа – сильная контузия, переломы конечностей, разрывы внутренних органов.

Крайне тяжелые – при  кПа – как правило, сопровождаются летальным исходом.

Косвенное воздействие ВУВ также может очень опасным. Например, при избыточном давлении 30 кПа массовая скорость воздуха за фронтом волны составляет около 60 м/с и двигающиеся с воздухом метеоры могут быть причиной травм, увечий и гибели людей. Данные по последствиям аварийных промышленных взрывов свидетельствуют о том, что поражение персонала и населения происходит, в основном, за счет косвенного воздействия ударной волны.

Взрыв газовоздушной смеси в атмосфере. Взрывы смесей горючих газов и паров легковоспламеняющихся жидкостей с воздухом на химических и нефтеперерабатывающих предприятиях, а также в быту часто являются причиной гибели людей, разрушения зданий и производственных объектов.

Облако газо- и паровоздушной смеси (ниже для краткости – газовоздушная смесь – ГВС) может образоваться при разгерметизации емкостей для хранения сжатых или сжиженных горючих газов, при разрывах газо-, нефте-, продуктопроводов, а также в результате испарения разлитых по поверхности легковоспламеняющихся жидкостей. Образование ГВС может происходить в открытой атмосфере, около технологических установок, в помещениях. При наличии источника зажигания определенной энергии происходит воспламенение и взрыв ГВС, который может протекать в режиме дефлаграции (наиболее часто) или детонации.

Важной особенностью газовоздушных смесей является наличие концентрационных пределов воспламенения, т. е. интервала концентрации горючего вещества от нижнего – НКПВ («бедного») до верхнего – ВКПВ («богатого»), в котором возможно самостоятельное распространение пламени от источника зажигания. Для большинства типичных углеводородовоздушных смесей значения этих пределов составляют 55 % (НКПВ) и 330 % (ВКПВ) от стехиометрической концентрации горючего вещества в смеси. Исключение из наиболее часто встречающихся газов составляют водород, ацетилен, аммиак, сероуглерод.

Стехиометрической называется оптимальная по составу смесь, в которой количество всех компонентов (горючего вещества и воздуха) полностью соответствует реакции взрывного превращения. Стехиометрическому соотношению компонентов смеси соответствуют наиболее высокие параметры взрыва. Недостаток воздуха («богатая» смесь) ведет к неполному сгоранию горючего вещества; избыток воздуха («бедная» смесь), не участвуя в реакции горения, лишь нагревается за счет взрыва, уменьшая тем самым энергию, идущую на ударную волну. Основные характеристики горючих газов и их смесей с воздухом приведены в табл. 1.9.

При взрыве ГВС выделение энергии происходит в объеме десятки – сотни кубических метров, скорость продвижения фронта реакций взрывного горения меньше, а общее время взрыва больше, чем при взрыве конденсированных ВВ. Поэтому давление в ударной волне взрыва ГВС нарастает

медленнее, а длительность фазы сжатия больше, чем при взрыве конденсированных ВВ. При взрыве ГВС на образование воздушной ударной волны идет до 40 % энергии взрыва, остальная доля энергии расходуется на нагревание воздуха и продуктов реакции.

Т а б л и ц а 1.9