Основные понятия физики горения и взрыва
Внаиболее широком смысле слова взрывомназывают физическое или химическое превращение вещества, сопровождающееся крайне быстрым переходом его энергии в энергию сжатия и движения исходного вещества или продуктов его превращения и окружающей среды. Для нас практический интерес представляет взрыв, происходящий за счет потенциальной химической энергии, которая превращается в энергию сжатых газов в результате быстрого протекания химической реакции.
Взрыв ВМ может протекать в двух различных формах: гомогенного превращения, происходящего при постепенном, медленном нагреве ВМ во всем его объеме, и самораспространяющегося превращения. Чаще всего, когда говорят о взрыве ВМ, имеют в виду самораспространяющееся с большой скоростью химическое превращение, протекающее с выделением большого количества тепла и образованием газов.
Вследствие быстроты, с которой реакция проходит по ВМ, образующиеся газы даже при отсутствии прочной оболочки имеют высокое давление и производят сильный удар по окружающей среде, разрушают ее, разбрасывают и вызывают в ней ударные волны.
Из определения взрыва следуют четыре основных условия, которым должна удовлетворять химическая реакция для того, чтобы она могла протекать в форме взрыва:
· экзотермичность;
· образование газов;
· высокая скорость;
· способность к самораспространению.
Все эти условия не являются абсолютными и независимыми друг от друга и в своем сочетании определяют не только возможность самораспространения химической реакции в форме взрыва, но и механическое действие последнего.
Экзотермичность превращения определяется тем, что прочность связей между атомами в продуктах превращения значительно больше, чем в самом ВМ. Отсюда ясно, что способность к экзотермической реакции зависит от химической структуры вещества.
Характерной особенностью ВМ является способность вызванной в них локальной химической реакции к неограниченному самораспространению в определенных условиях. Это происходит в результате распространения по ВМ тепловой волны, передаваемой теплопроводностью или ударной волной (УВ) и вызывающей при своем прохождении химическую реакцию. Тепловая волна поддерживается химической реакцией, которую она вызывает. Таким образом, способность реакции к самораспространению зависит не только от термохимических и кинетических характеристик вещества, но определяется также возможностью создания высокой концентрации энергии в слоях ВМ, соседних с первоначальным очагом реакции.
Таким образом, само понятие взрывчатости не имеет абсолютного характера и является не качественным, а количественным. Невозможно безотносительно к характеристикам заряда говорить, что вещество, в котором произошла реакция, взрывчато. Необходимо указать условия, при которых оно является взрывчатым. Если же эти условия не оговорены, то это означает, что вещество, о котором идет речь, взрывчато при обычных условиях, характерных для его технического применения.
Возможность и особенно скорость самораспространения реакции зависят, кроме термохимических и кинетических характеристик вещества, также от условий передачи энергии.
Если энергия передается путем относительно медленного процесса теплопроводности, то скорость реакции мала. Этот случай имеет место при горении. Повышение давления при отсутствии оболочки очень мало, и механическое действие продуктов реакции незначительно.
Если же при местном прохождении химической реакции с тем же энергетическим эффектом возникает большое давление, то передача энергии может осуществляться путем распространения скачка давления, так называемой ударной волной. Скорость передачи энергии таким путем несравненно выше скорости теплопередачи, соответственно быстрее распространяется и химическая реакция. Повышение давления при ней весьма велико, равно как и обусловленное им разрушительное действие. Это явление называется детонацией взрывчатого вещества.
Необходимым условием существования режима распространения реакции является наличие среди ее продуктов (при соответствующей температуре) газов. В этом заключается значение образования газов как условия детонационного самораспространения химической реакции.
Именно высокая скорость реакции обеспечивает ту огромную мощность, которая является характерным признаком взрыва. Поэтому, если даже выполняются остальные условия, но скорость реакции низка, то взрыва не происходит. Так, уголь горит без всякого взрыва и при этом выделяется много тепла и газов, но скорость реакции невысока, так как она протекает только на поверхности контакта кислорода воздуха с горящим материалом, потому что отношение поверхности горения к объему горящего материала мало. Таким образом, для ВМ существуют две формы быстрого химического превращения: горение и детонация.Они имеют различные механизмы передачи тепла из зоны реакции к новым порциям ВМ, вступающим в реакцию, и различные скорости распространения.
Горение - самораспространяющийся процесс химического превращения вещества, при котором, распространение химической реакции в структурных слоях вещества обеспечивается теплопроводностью. Выделяющееся при химической реакции тепло предшествующего слоя нагревает следующий слой. Процесс зависит от характера протекающей химической реакции и скорости передачи тепла к новому, прогреваемому слою. В обычных условиях горение - сравнительно медленный процесс. Если изменить условия теплопередачи, то это сразу же скажется на процессе горения ВМ. Каждый материал, в том числе ракетные топлива, имеет свою строго определенную скорость горения.Под скоростью горения понимают линейную скорость распространения фронта реакции вглубь вещества перпендикулярно поверхности горения. Распространение горения по поверхности заряда происходит значительно быстрее. В зависимости от условий скорость горения изменяется в широких пределах (от долей миллиметра до нескольких метров в секунду) даже у одного и того же вещества.
Скорость горения ВМ с увеличением давления возрастает согласно закону, конкретное выражение которого зависит от индивидуальных свойств ВМ. Конкретное аналитическое выражение закона горения имеет большое значение в практике. Горение лежит в основе использования порохов, твердых ракетных топлив и пиротехнических смесей.
Различают нормальное послойное горение и взрывное горение.
Если вещество пористое или порошкообразное, то при давлении, превышающем определенное критическое значение газообразные горячие продукты горения могут проникать вглубь вещества и поджигать его перед фронтом горения. Тогда горение будет протекать уже не послойно, не параллельными слоями, а охватывать определенный объем.
Скорость горения вещества при этом резко возрастает до десятков и даже сотен м/с. Такой вид горения обычно называют взрывным горением(конвективное горение, дефлаграция).
В природе существуют различные виды взрывного горения, но наиболее распространенным из них является так называемое фильтрационное (конвективное) горение. Этот вид горения происходит тогда, когда проникновение газов внутрь вещества, например, шашки топлива, происходит только при наличии внешнего по отношению к горящему веществу давления (горение в замкнутом объеме, в камере ракетного двигателя и т.п.). Другим видом взрывного горения является процесс, для протекания которого необязательно наличие внешнего давления, а необходим только локальный очаг высокого давления для инициирования процесса. В дальнейшем роль оболочки выполняет само вещество. В этом случае его сгорание происходит за доли секунды и оно превращается в газы, сжатые в первоначальном объеме вещества, и такой вид горения называют объемным горением.
Детонация–самораспространяющийся процесс чрезвычайно быстрого химического превращения вещества. Детонация обеспечивается распространением по веществу механической волны с очень крутым фронтом, которую называют ударной волной. Распространяясь по веществу, УВ сжимает его в своем фронте до очень высоких давлений (порядка десятков и сотен тысяч атмосфер), и за счет этого выделяется очень большое количество тепла, в результате чего происходит химическая реакция. Выделяющаяся тепловая энергия при этом поддерживает параметры УВ, и она становится стационарной. Такая волна называется детонационной. Детонационная волна в зависимости от индивидуальных свойств вещества - плотности, химического состава и других факторов - может распространяться со скоростью от десятых долей км/с до нескольких км/с. Например, шашки ВМ имеют скорость детонации 5-7 км/с. Превращение исходного вещества в газы при детонации происходит в его собственном объеме. При этом плотность вещества в элементах детонационной волны в 1,5-2 раза превышает исходную.
Из сказанного следует, что в одном и том же ВМ можно возбудить процессы горения или детонации в зависимости от подбора инициаторов, физического состояния вещества и ряда внешних факторов.
Знание условий возбуждения и протекания взрывных процессов в ВМ чрезвычайно важно с точки зрения недопустимости несанкционированного возникновения любых взрывных процессов, особенно детонации. Очевидно, что даже загорание на отдельной фазе технологического потока чревато тяжелыми последствиями, так как современное производство ВМ отличается многотоннажностью и крупными габаритами единичных изделий из них.
По своему служебному назначению все взрывчатые системы, в зависимости от требуемого для выполнения целевой функции процесса, делятся на четыре группы:
· инициирующие взрывчатые вещества (ИВВ);
· бризантные взрывчатые вещества (БВВ);
· метательные ВВ,ракетные топлива и пороха;
· пиротехнические смеси.