ВВ сказывается в том, что с уменьшением размеров отдельных частиц увеличивается восприимчивость к начальному импульсу.
Присутствие примеси в составе ВВ заметно влияет на их чув ствительность, причем в зависимости от свойств примеси могут
увеличивать или уменьшить чувствительность ВВ к начальному импульсу. Примеси, имеющие твердость больше твердости ВВ, по вышают чувствительность последнего; примеси с меньшей твер достью уменьшают чувствительность ВВ. К числу примесей, повы шающих чувствительность и называемых сенсибилизатор а- м и, относятся металлические опилки, толченое стекло, песок и т. п. Процесс введения таких примесей в состав ВВ и тем самым повы шение его чувствительности называется сенсибилизацией.
Явление сенсибилизации объясняется концентрацией усилий на острых углах примесей, что способствует возникновению местных разогревов, приводящих к началу химической реакции в отдельных точках в массе ВВ. Примеси, понижающие чувствительность ВВ, называются флегматизаторами; они представляют собой легкоплавкие вещества или жидкости, к которым относятся: вода,
масла, вазелин, парафин, церезин и т. п. Лучшей флегматизирую-
щей способностью обладают вещества с большой вязкостью, тепло емкостью и высокой температурой вспышки. Процесс введения этих примесей в ВВ и имеющее место при этом понижение их чувстви тельности называется флегматизацией. Происходящее при этом снижение чувствительности объясняется тем, что флегматизатор обволакивает частицы ВВ тонкой пленкой, которая смягчает удар и позволяет частицам передвигаться относительно друг друга без разрушения кристаллической решетки.
§ 41. Основы теории детонации
В то время как скорость распространения горения по массе ВВ измеряется миллиметрами или сантиметрами в секунду, ско рость распространения детонации выражается в тысячах метрах
в секунду. Отличие заключается не только в скорости, но и в ме
ханизме распространения обоих явлений. Распространение процес са горения по ВВ обусловлено передачей энергии (тепла) от слоя к слою путем теплопроводности и излучения тепла горячими газо образными продуктами горения. Распространение детонации об
условлено прохождением по заряду ВВ особой волны колебаний, называемой ударной волной, которая возбуждает в каждом последующем слое вещества интенсивную химическую реакцию, со
провождающуюся выделением энергии, необходимой для после дующего самораспространения процесса.
Механизм детонации объясняет современная теория, называе
мая гидродинамической. Эта теория впервые высказана русским ученым В. А. Михельсоном в 1889 г. и была разработана для газов. Затем она была развита трудами советских ученых (Я. Б. Зельдович, К. П. Станюкович, Л. Д. Ландау и др.) и допол нена необходимыми положениями применительно к детонации кон
165
денсированных ВВ, что имеет весьма серьезное значение в технике использования бризантных и инициирующих ВВ. В частности, в
гидродинамической теории использован принцип распространения в
среде ударной волны сжатия, т. е. поверхности внезапного разры ва плотности, давления и температуры. Этот внезапный разрыв или скачкообразность процесса служит отличительным признаком детонации.
Ударные волны возникают в любой сжимаемой среде (в том числе и твердой) в результате крутого подъема давления в этой
среде, который может явиться следствием взрыва, удара, сильного электрического разряда, быстрого перемещения поршня в трубе и т. п. Ударная волна отличается от звуковой не только большой скоростью, но и тем, что вслед за ударной волной происходит дви жение потока среды в том же направлении.
Для лучшего усвоения процессов, протекающих при скачко образном распространении детонации, рассмотрим наиболее простой случай распространения детонации по бесконечно длинно му однородному заряду1. Предположим, что вследствие большого
расстояния от центра детонации волна будет плоской и стационар
ной, т. е. такой, параметры которой во время движения не меняют ся. Из этого заряда выделим цилиндрическую часть с площадью поперечного сечения, равной единице, и с таким условием, чтобы образующие цилиндра были перпендикулярны поверхности фронта
волны детонации. Волна детонации распространяется по
этому участку справа налево в направлении, указанном стрелкой. На рис. 72 показаны два последовательных положения фронта ударной волны, отделенные друг от друга промежутком времени,
равным единице. В начальной позиции (рис. 72, а) давление газа обозначим через Ро, его удельный объем через v0 и скорость частиц
газа через «о. В конечной позиции внутри ударной |
волны |
(рис. |
|||||
72, б) |
примем соответствующие обозначения |
Р, о, и. |
|
|
|
|
|
|
|
За единицу времени фронт волны сме |
|||||
|
|
стится в пространстве на расстояние w, |
|||||
|
|
которое равно скорости его перемещения. |
|||||
|
|
Частицы газа, которые в начальной пози |
|||||
|
|
ции совпадали с плоскостью АВ |
фронта |
||||
|
|
волны, будут продолжать свое движение |
|||||
|
|
со скоростью и, и за единицу времени они |
|||||
|
|
переместятся на расстояние, |
равное |
и, |
|||
|
|
заняв положение в |
плоскости А\В\. |
Те |
|||
|
|
частицы, которые в первой позиции нахо |
|||||
Рис. 72. |
Схема процесса де |
дились в плоскости CD и |
двигались |
со |
|||
|
тонации |
скоростью и0, будут совпадать с.фронтом |
|||||
|
|
волны CiDt. Объем |
газа, |
находящийся |
|||
между плоскостями АВ и CD, т. е. в начальной позиции, |
равен |
||||||
объему цилиндра, высота которого АС равна w—и0, |
а |
поперечное |
|||||
1 О. Е. Власов, Основы динамики взрыва, изд. Военно-инженерной ака демии, Москва, 1945.
166
сечение равно единице. Из удельного объема газа в начальном со стоянии' v0 находим его вес С:
(39)
v0
В конечном положении удельный объем газа равен v и зани мает объем, равный объему цилиндра, ограниченного плоскостями
AiB} и С1£>1, т. е, имеющего высоту w—и, и его вес будет равен:
„ w — и |
. |
С =----- . |
40) |
V |
|
По закону сохранения массы оба вычисленные значения равны, что дает следующее соотношение:
w~u = w^Uo
V v0
Решая это уравнение относительно скорости распространения
ударной волны w, получаем:
w — |
v„u — vu0 |
.. |
——----- . |
(42) |
|
|
v0 — v |
|
Если допустить, что Uo = O, |
то формула (41) |
примет вид |
По формуле (43) вычисляют максимальную скорость детона
ции. 1
Не приводя дальнейших сложных выводов, ограничимся указа нием, что, исходя из закона сохранения количества движения и за кона сохранения энергии, выведены следующие формулы.
1. Для исчисления минимально возможного объема |
продуктов |
||||
детонации |
|
|
|
|
|
^=(-* .+ |
2^ |
|
|
(44) |
|
k 4- 1 |
|
|
|
|
|
где k — отношение теплоемкости при |
постоянном |
давлении ср |
к |
||
|
Л |
а |
ср |
|
|
теплоемкости пои постоянном объеме cv, |
к=— \ |
|
|
||
а — коволюм. занимаемый самими молекулами; |
cv |
|
ко- |
||
величина |
|||||
волюма определяется по формуле а = А , |
где М — молеку |
||||
лярный вес газов; Д — величина общего объема |
молекул, |
||||
определяемая по уравнению |
|
|
|
|
|
А = 1,47 —- 6
где d — диаметр молекулы;
167
N — число молекул в |
килограмм-молекуле газа, определяемое |
|||
|
с большой степенью точности по уравнению |
|||
|
Af = 6,023-1026 |
-----?-----. |
|
|
|
|
|
кг моль |
|
2. |
Для исчисления начальной |
скорости |
и собственного движе |
|
ния газа |
|
|
|
|
|
м= V~(kT+\Qo1’ |
(45> |
||
где |
g — ускорение силы тяжести; |
газовых продуктов взрыва в |
||
Qo—общий запас |
энергии |
|||
|
ккал/кг, который исчисляется по |
формуле |
||
|
|
Qo = Q + Uo, |
|
|
где Qi—теплота взрыва, отнесенная к 1 кг |
ВВ, в ккал*кг; / |
|||
Uo— дополнительный запас тепловой энергии, содержащийся |
||||
|
в продуктах взрыва для нагревания их от температуры |
|||
|
абсолютного нуля до начальной, равной 0°; эта величина |
|||
|
(в первом приближении) |
равна внутренней энергии газа и |
||
определяется по формуле
=
0 М
где cv — теплоемкость продуктов взрыва при постоянном объеме;
То—начальная температура в град. Кельвина; М— молекулярный вес газа.
/— механический эквивалент тепла.
3.Для исчисления среднего давления газов взрыва
Р |
= |
(46) |
с |
|
M(V — а)’ |
где R — газовая постоянная, |
равная 848 кгм/кг моль град; |
|
Т — температура взрыва в |
град. Кельвина; |
|
М — молекулярный вес газов; v — удельный объем газов;
а •— коволюм.
При вычислениях в числитель вводят дополнительный множи
тель 1 000 для перевода удельного объема из литров в кубические метры, а в знаменатель — дополнительный множитель 10 000 для выражения окончательного результата в атмосферах, а не в мил-, лиметрах водяного столба, как то следовало бы в системе техниче
ских единиц. |
при детона |
4. Для исчисления максимального давления газов |
|
ции |
|
р _ 2(k- 1)QO |
(47) |
* макс — |
|
t'o —а |
|
168
5.Для исчисления температуры газов в момент детонации
У'_ 2fe44Qt, |
(48) |
(k — 1) cv ’ |
|
где значения членов уравнения приняты те же, что указаны выше. Детонация может быть устойчивой, т. е. протекающей с макси мальной скоростью, присущей данному ВВ, или неустойчивой. При устойчивой детонации скорость постоянная, не меняющаяся в за висимости от каких-либо' факторов. При неустойчивой детонации скорость явления колеблется, причем колебания (плавные или рез кие) приводят в конечном итоге к уменьшению скорости подчас до
значительных пределов, выражающих собой затухание явления
детонации и переход в выгорание — процесс, протекающий с очень
малыми скоростями. При выгорании никакой работы разрушения не происходит, что по существу означает срыв поставленного перед взрывом задания. Больше того, при взрывных работах в шахтах с опасной средой (взрывчатые пыль или газ) выгорание может быть
причиной воспламенения или взрыва опасной среды и связанных с этим несчастных случаев. Даже в шахтах, где отсутствует опасная среда, выгорание также может явиться причиной травматизма, так как при замедленном процессе реакция превращения ВВ идет по совершенно иному направлению с образованием большого коли
чества сильно ядовитых окислов азота.
Поэтому весьма важно при всякого рода взрывных работах обеспечить условия, при которых возможна только устойчивая детонация.
Устойчивость детонации зависит от целого ряда факторов, из которых главными являются: диаметр и оболочка заряда, мощность начального импульса, состав и состояние ВВ.
Влияние диаметра заряда сказывается в том, что для каждого ВВ существует некий минимальный диаметр заряда, при котором детонация данного ВВ (при нормальном его состоянии) протекает
нормально, без колебаний в скорости. Этот диаметр носит назва ние критического. Если диаметр заряда менее этой величины, то устойчивая детонация его невозможна, так как начавшийся процесс быстро затухает. Повышая величину диаметра выше кри тического, можно постепенно повышать скорость детонации, но до некоторого, определенного для каждого ВВ предела (называемого предельным диаметром), после которого дальнейшее уве личение не влечет за собой повышения скорости детонации. Ско
рость, присущая критическому диаметру для данного ВВ при дан ных условиях, называется критической скоростью дето нации. Критическая скорость детонации зарядов однородных ВВ находится в пределах 2 000—3 000 м/сек, а для зарядов аммонитов она составляет от 1 000 до 1 200 м/сек-, при этом нужно помнить,
что нормальная скорость детонации при диаметре зарядов, равном
или более |
предельного, составляет для однородных ВВ 6000— |
8 500 м/сек, |
а для аммонитов — 4 000—6 000 м/сек. |
169