Физическая сущность процесса детонации промышленных взрывчатых веществ

Отличительные особенности детонации ВВ, так же как и взрыва смесей некоторых газов, становятся более ясными, если сравнить это явление с горением различных химических соединений, например, со способностью смеси водорода или метана с кисло­родом быстро сгорать. Обычная скорость распространения пла­мени в таких смесях 10—20 м/с. Чтобы ее измерить, смесью газов наполняют стеклянную трубку и поджигают с одного конца элек­трической искрой. Пока искра слаба, горение в газе распростра­няется с указанной выше небольшой скоростью. Однако сильная искра или взрыв небольшого заряда вызывает совсем другое явление; пламя распространяется по газу со скоростью около 2 км/с; а происходящий при этом взрыв разрушает трубку. В этом случае имеет место детонация (взрыв) газовой смеси.

Известно, что обычное пламя передается от одного участка газа к соседнему за счет процессов теплопроводности и диффузии. Тепло, выделившееся в зоне горения, разогревает прилегающий слой газа, пока в нем не начнется реакция.

Смесь, которая при комнатной температуре не прореагирует, при 1000—1500 °С воспламеняется и сгорает за малые доли се­кунды. Однако всегда скорость горения (распространения пла­мени) значительно меньше скорости звука.

Скорость детонации, наоборот, в несколько раз больше ско­рости звука и в сто с лишним раз превышает скорость горения, и, следовательно, никакими процессами теплопереноса объяснить явление детонации нельзя. Детонация — это сложное газодина­мическое явление, - детали которого в настоящее время еще не­достаточно хорошо изучены, но в целом это явление объясняется распространением ударных волн по массе ВВ. Ударная волна в массе ВВ возбуждается однократным начальным импульсом от внешнего источника, которым чаще всего является взрыв кап­сюля-детонатора и электродетонатора.

В настоящее время общепризнанной для порошкообразных ВВ является гидродинамическая теория детонации, разработанная в основном советскими и французскими учеными. Согласно этой теории, распространение взрыва по ВВ обусловлено ударной волной, которая вызывает скачкообразное изменение давления, температуры и плотности в очень узком слое ВВ. При этом на фронте волны происходит мгновенное разогревание этого слоя ВВ и так же быстро раз­вивается интенсивная химическая реакция, за счет энергии которой поддер­живается постоянство параметров ударной волны и детонационного процесса ВВ (скорость распространения, давление, температура).

Совокупность ударной волны и прилегающей к ней зоны взрывчатого хими­ческого превращения в заряде ВВ называется детонационной волной.

При взрыве детонатора, выполняющего роль начального импульса, продукты взрыва производят резкий удар по прилегающему к детонатору слою ВВ и фор­мируют в заряде ВВ ударную волну, имеющую следующие особенности: скорость ее распространения всегда выше скорости звука в данной среде; на фронте волны 2 происходит скачкообразное (мгновенное) изменение давления, плот­ности и температуры среды от значений р₀Т₀р₀ до существенно больших p₁T₁ p₁ (рис. 3.1, а). При этом среда 1 движется вслед за фронтом ударной волны; ско­рость ударной волны зависит от величины давления (амплитуды) на фронте волны; ударная волна распространяется в виде однократного скачка уплотне­ния по массе заряда ВВ (см. рис. 3.1, а).

В результате действия ударной волны на ее фронте возбуждается интен­сивная, чрезвычайно быстро протекающая химическая реакция с выделением тепла и газов. Энергия реакции этого слоя поддерживает амплитуду и скорость распространения ударной волны на определенном уровне, обеспечивая постоян­ство скорости детонации υ_д данного диаметра заряда. Ширина зоны химиче­ской реакции очень мала и составляет для порошкообразных ВВ доли милли­метра, у гранулированных ВВ она увеличивается до 30—40 мм. Данная ударная волна называется детонационной, т. е. вызывающей детонацию заряда. При вы­ходе этой волны за границы заряда она распространяется как ударная 6 со сни­жением ее скорости и амплитуды (рис. 3.1, б). За фронтом детонационной волны начинается расширение продуктов детонации (продуктов взрыва) 3 с образова­нием волны разрежения 5, распространяющейся к оси заряда. Фронт волны разрежения не достигает фронта детонационной волны, и внутри заряда остается динамически стабильный некоторый объем нерасширившихся газов 4, прилега­ющих к детонационной волне и поддерживающий постоянство ее параметров (см. рис. 3.1, б). Если это динамическое равновесие нарушается, то скорость детонации или увеличивается (при увеличении объема нерасширившихся газов), или уменьшается вплоть до затухания детонации (в случае, когда волна раз­режения достигает фронта детонационной волны).

Теория детонации наиболее глубоко разработана для газовых смесей. Для твердых смесей она обоснована слабее. Основы теории детонации твердых ВВ созданы советскими исследователями Л. Д. Ландау и К. П. Станюковичем. Они установили, что давление во фронте детонационной волны пропорционально кубу плотности ВВ ρ или квадрату v²_д скорости детонации: ρ = Вρ⁸, или ρ = ρυ²_д/4,где В — коэффициент.

Скорость движения газов взрыва за фронтом детонационной волны v_ω = υ_д/4.

Основное уравнение определения скорости детонации имеет вид: υ_д = v_ω + с,

где с — скорость звука в продуктах детонации, км/с.

Скорость детонации может быть определена в зависимости от энергетиче­ской характеристики ВВ по формуле

где Q_v — теплота взрыва ВВ при постоянном объеме, кДж/кг.

Значение k для Q_v = 4190 кДж/кг принимается в зависимости от начальной плотности ВВ:

ρ₀, г/см³................................................. 0,1 0,25 0,5 0,75 1,0

k............................................................. 1,3 1,6 2,22 2,8 3,05

Из вышесказанного следует, что детонация является сверхзвуковым про­цессом и ее величина непосредственно зависит от энергетических характери­стик ВВ.

В теоретических исследованиях принято, что плоский фронт детонацион­ной волны, распространяясь по заряду, сжимает находившиеся впереди слои ВВ, вызывая их химические превращения. Такой механизм детонации называется однородным (гомогенным), он может иметь место для однородных мощных ВВ (гексоген, ТЭН) при скоростях детонации 6—7 км/с.

Промышленные ВВ являются физически и химически неоднородными си­стемами, чем объясняются особенности их детонации по сравнению с классиче­ской теорией.

В промышленных ВВ могут содержаться высокоактивные индивидуальные ВВ, реагирующие в детонационной волне с большой скоростью (нитроглицерин, гексоген, ТЭН), и менее активные, но с сильно выраженными взрывчатыми свой­ствами (тротил); вещества со слабо выраженными взрывчатыми свойствами (аммиачная селитра), разлагающиеся при детонации со скоростью существенно (в 2—4 раза) меньшей, чем мощные ВВ; горючие материалы, не обладающие взрывчатыми свойствами (алюминий, древесная мука, парафин и др.), и совер­шенно инертные вещества, не принимающие участия в реакциях и претерпе­вающие лишь переходы из твердого или жидкого состояния в газообразное (пла­мегасители, вода в водосодержащих ВВ). Поэтому химические реакции промыш­ленных смесевых ВВ происходят в несколько стадий.

Типичной для промышленных ВВ схемой взрывчатого превращения яв­ляется первоначальное разложение или газификация в детонационной волне исходных компонентов (первичные реакции) и последующее взаимодействие продуктов разложения между собой или с веществами, не претерпевшими на первой стадии химических или фазовых превращений, например, алюминий и др. (вторичные реакции).

На детонационную способность промышленных ВВ существенно влияет равномерность размещения компонентов в заряде. Объясняется это тем, что общее время и полнота завершения реакции зависят не только от скорости сгорания отдельных частиц (первичные реакции), но и от скорости вторичных реакций, проходящих в газовой фазе и определяемых условиями смешивания продуктов первичного распада. Чем мельче частицы разнородных компонентов и равно­мернее их распределение в объеме, тем быстрее завершается их сгорание, а также смешивание и взаимодействие продуктов сгорания.

Выполненные исследования позволяют предположить, что химическая реак­ция в детонационной волне начинается и развивается в отдельных гранулах (частицах) ВВ и завершается подобием вспышки. Если ВВ представляет собой смесь нескольких компонентов, то на второй стадии продукты разложения гра­нул разнородных веществ взаимодействуют между собой. В производственных условия» при взрывании скальных пород скважинными зарядами диаметром

200—250 мм гранулированные и водосодержащие ВВ детонируют со скоростью, приближающейся к максимальной. При взрывании зарядами меньшего диаме­тра и особенно шпуровыми скорость детонации этих ВВ не достигает максимума, т. е. детонация протекает не в идеальном режиме.

Такой механизм детонации грубодисперсных ВВ аналогичен ранее описан­ному А. Я. Апиным механизму взрывного горения для порошкообразных ВВ, согласно которому при детонации имеет место горение отдельных зерен, а их воспламенение происходит за счет адиабатического сжатия газовых включений в ВВ или за счет струй газов взрыва, проникающих между частицами ВВ (про­бойно-струйчатый механизм детонации).