Основы теории взрывчатых веществ

Введение

Взрывом называют чрезвычайно быстрое химическое или физическое превращение вещества (или системы), сопровождающееся таким же быстрым переходом потенциальной энергии в механическую работу. Характерным признаком взрыва является образование ударной волны (УВ) в среде, примыкающей к месту взрыва. Причиной возникновения УВ является быстрое расширение (со сверхзвуковой скоростью в данной среде) газов или паров, содержащихся до взрыва или возникших в системе в момент взрыва. Взрывы делят на физические и химические.

При физических взрывах, вызванных, например, взрывом парового котла, баллонов с газом и т.п., изменяется только физическое состояние вещества с сохранением постоянства его химического состава. В горном деле примерами таких взрывов являются отбойка угля при помощи металлических патронов "кардокс", содержащих жидкую углекислоту, или металлических патронов "эрдокс", содержащих сжатый воздух.

Химическое превращение вещества является обязательным условием химического взрыва. Взрывчатое химическое превращение вещества обуславливается наличием трех факторов: высокой скоростью, образованием газов или паров, выделением теплоты.

Общими чертами физических и химических взрывов является то, что выделяющаяся энергия при взрыве переходит в механическую работу, которую совершают сжатые газы, имевшиеся до взрыва (физический взрыв) или образовавшиеся в момент взрыва (химический взрыв). Высокая скорость выделения энергии как следствие высоких скоростей изменения состояния вещества и весьма высокое давление (от десятков до сотен тысяч атмосфер) сжатых газов предопределяет особый быстропротекающий разрушительный характер механического действия взрыва.

Ударные волны

Быстро расширяющиеся сжатые газы вызывают в окружающей среде (газовой, жидкой, твердой) скачок давления или волну возмущений, которую называют ударной волной. Скорость распространения ударной волны в среде всегда превышает скорость звука этой среды. Линейная зависимость скорости ударной волны от параметров среды записывается следующим образом:

(1.1)

где D – скорость ударной волны; С – скорость звука в среде; l – коэффициент (находят в таблицах или определяют экспериментально); U – массовая скорость частицу за фронтом ударной волны.

При взрыве одного и того же взрывчатого вещества (ВВ) одинаковой

массы в воздухе, воде и в горной породе скорости соответствующих ударных волн и давления будут подчиняться неравенствам:

D_горн.п.>D_вод.>D_воздух; Р_горн.п.>Р_вод.>Р_{воздух.} (1.2)

Фронт ударной волны можно представить как линию, разделяющую два принципиально различных физических состояния в одной среде. Состояния, возникшего в результате прохождения ударной волны, и невозмущенной среды, по которой УВ еще не прошла. Таким образом, фронт УВ, распространяющийся со сверхзвуковой скоростью в среде, представляет скачкообразное изменение давления, температуры и плотности. На некотором расстоянии от заряда ВВ по среде распространяется ударная волна, которая с расстоянием постепенно вырождается в звуковую, т.е. D стремится к С при U > 0.

Ударная волна отличается от упругой тем, что создает поток вещества, следующий за ее фронтом. Расстояние, на котором ударная волна ослабляется до звуковой, в газе намного больше, чем в твердом веществе. При заданном диаметре заряда это расстояние в воздухе составляет несколько десятков и даже сотен диаметров заряда, в воде – около 2–3 диаметров, в твердом теле – меньше одного диаметра.

Условия на фронте ударной волны (часто говорят "на ударном скачке") особенно удобно записывать в следующем виде:

(здесь индексом "0" и "1" обозначены соответственно параметры невозмущенной среды и величины, характеризующие состояние вещества, сжатого

ударной волной)

закон сохранения массы: , (1.3)

закон сохранения количества движения:

, (1.4)

закон сохранения энергии:

. (1.5)

Обычно считается, что невозмущенная среда находится в состоянии покоя. Но при выводе уравнений сохранения массы (1.3), импульса (1.4) и энергии (1.5) предполагалось, что имеется начальная скорость U₀. Этот более общий характер решения в некоторых случаях оказывается полезным.

Если считать, что невозмущенная среда покоится и U₀=0, пренебрегая начальным давлением Р₀, уравнения (1.3) - (1.5) можно переписать в более удобном для расчетов виде:

; (1.6)

; (1.7)

, (1.8)

где V₀ и V₁ соответственно начальный и конечный объем; Е₁ – внутренняя энергия; Р₁ – давление в среде;

Ширина фронта ударной волны в воздухе на уровне моря составляет 0,025 мкм (для сравнения: длина волны в инфракрасной области примерно равна 1 мкм). При распространении ударной волны в любой среде давление, плотность и температура в возмущенной области увеличиваются во много раз. Поэтому люди и животные, попавшие в зону действия ударной волны, гибнут, а сооружения разрушаются. Кроме этого, поток воздуха, возникающий за фронтом ударной волны, также наносит большой ущерб живым организмам и сооружениям. На рис.1 показан профиль ударной волны в координатах давление - расстояние.

Если профиль давления ударной волны в среде рассмотреть во времени, то окажется, что Р_max (максимальное давление) падает быстро - обратно пропорционально расстоянию (1/R). На рис.2 представлена схема, изображающая взрыв заряда ВВ в моменты времени t₁, t₂ и t₃. Образовавшийся при взрыве газ "толкает" взрывную волну с крутым фронтом, давление в которой падает с увеличением расстояния.

Рис.1 Профиль давления при взрыве:

– зона разрежения (Р < Р₀); в этой зоне поток вещества будет направлен в сторону, противоположную движению фронта ударной волны, т.е. к источнику взрыва; R – расстояние. Стрелками показано направление движения фронта ударной волны и частиц окружающей среды

Газ, образовавшийся при взрыве, расширяется до конечного колеблющегося объема, в то время как объем воздуха, охватываемый и нагреваемый ударной волной, растет с увеличением расстояния – ударная волна расходует свою энергию и затухает.

Избыточное давление (в Па) на фронте ударной волны в воздухе при

взрыве наземного заряда ВВ массой q рассчитывают по формуле Г.И. Покровского:

(1.9)

где R – расстояние от заряда до измеряемой точки.

Если заряд ВВ взрывается над поверхностью земли, то давление можно найти из следующего выражения:

(1.10).

Избыточное давление на преграде при отражении ударной волны Р_отр легко рассчитать, используя известную формулу:

(1.11)

где Р_в - давление ударной волны в воздухе; Р₀ - атмосферное давление или начальное давление в среде.

Важным параметром воздушных ударных волн является время действия фазы сжатия (с) t_ф.сж.:

(1.12).

Рис.2 Схематическое изображение взрывов цилиндрического или сферического заряда ВВ.