Механическое действие взрыва в воде

При взрыве в воде, так же как и при взрыве в воздухе или другой среде, происходит детонация заряда. В результате образуются взрывные газы, которые в первый момент имеют давления, во много раз превышающие давление окружающей среды. Образуется и также распространяется ударная волна. Однако взрыв в воде обладает и некоторыми особенностями.

Первая особенность является следствием более высокой плотности воды. При взрыве в воздухе начальная плотность продуктов взрыва примерно в 1000 раз больше плотности окружающей среды, потом по мере расширения области, занимаемой продуктами взрыва, она начинает очень быстро падать, асимптотически приближаясь к плотности окружающей среды. При взрыве в воде плотность продуктов взрыва уже в начале процесса примерно равна плотности окружающей среды, а по мере их расширения становится значительно меньше ее. В связи с этим область, занимаемая продуктами взрыва (ее называют газовым пузырем), ведет себя в воде иначе, чем в воздухе. Ее расширение идет значительно медленнее, поэтому параметры продуктов взрыва очень быстро выравниваются.

Кроме того, из-за большого различия значений плотности продуктов взрыва и окружающей среды на газовый пузырь в воде действует значительная архимедова сила, поэтому при рассмотрении пульсации газового пузыря нельзя пренебрегать ускорением силы тяжести, что можно было свободно делать при исследовании взрыва в воздухе.

Вторая особенность взрыва в воде является следствием малой сжимаемости воды. Из уравнений динамических адиабат воды имеем.

р _с2

где В = —— = 2945, Р_Л, р₀, с — давление, плотность и ско- пРц ^U1.

рость звука на поверхности водоема; п = 7,15 при P/Pq < 3 • 10⁴ и п = 6,29 при Р/Р₀ > 3 • 10⁴.

Можно легко установить по формуле (5.46), что даже при Р/Р₀ = 3 • 10⁴, которое наблюдается при взрыве сферических зарядов тротила нормальной плотности р₀ = 1560 кг/м³ и относительном расстоянии г/г₀ = 2, плотность воды увеличивается не более чем на 40% по сравнению с первоначальным. По этой причине плотность воды на поверхности газового пузыря (по мере его расширения и падения давления в продуктах взрыва) очень быстро убывает до начального значения р,. Так что, не внося большой погрешности, можно считать, что на контактной поверхности плотность воды остается постоянной.

По этой же причине жидкость в центральной части возмущенной области может нести в себе преимущественно кинетическую энергию. Вследствие этого слои жидкости, непосредственно примыкающие к газовому пузырю, двигаются, но инерции до тех пор, пока не угаснет кинетическая энергия этих слоев. Так как давление в продуктах взрыва из-за значительного их расширения по прошествии некоторого времени становится меньше давления не только в периферийных слоях возмущенной области, но и в окружающей ее среде, то жидкость начинает обратное движение к центру. Газовый пузырь сжимается, а достигнув некоторого минимального объема и накопив некоторый запас внутренней энергии за счет кинетической энергии жидкости, снова расширяется и г. д. Наряду с этим, он иод действием архимедовой силы поднимается вверх. Так, пульсируя с убывающей во времени амплитудой и поднимаясь вверх, газовый пузырь постепенно приходит в равновесное состояние. Если глубина погружения заряда не велика, но все же достаточна, чтобы воспрепятствовать непосредственному прорыву продуктов взрыва в атмосферу, то после трехчетырех пульсаций газовый пузырь достигает свободной поверхности и рассеивается в атмосфере. При значительной глубине погружения заряда может наблюдаться до 10 и более пульсаций.

Ударная волна в воде может рассматриваться исходя из тех же предпосылок, которые были положены в основу изучения воздушной ударной волной. Можно считать, что вода представляет собой газ, чрезвычайно сильно сжатый молекулярными силами, г. е. с очень сильным притяжением молекул друг к другу. Это притяжение настолько уплотняет воду, как если бы она была сжата внешним давлением, примерно в 10 000 раз превосходящим нормальное давление атмосферного воздуха. Так как различные внешние нагрузки почти не могут изменить плотность воды, то обычно она считается несжимаемой. Но при взрыве некоторое сжатие ее все же возникает, и это сопровождается появлением в воде весьма высоких давлений за фронтом водяной ударной волны.

Еще недавно расчет избыточного давления в водяной ударной волне считался очень сложным и недоступным. Однако в настоящее время оказалось возможным найти такие способы расчета, которые вполне доступны любому взрывнику. Проанализируем этот расчет.

Обобщенная формула Садовского для различных сред, внутри которых действует давление отличное от нормального давления воздуха Р₀, может быть представлена в виде.

Поскольку считается, что давление воды в 10 000 раз больше давления воздуха, то.

Однако расчеты, производимые таким путем, сложны, в то время как на практике оказывается вполне достаточным применять и более простые способы, хотя они и не вполне точны при очень больших или очень малых давлениях, не имеющих практического значения. На практике для расчета давления на фронте ударной волны в воде обычно применяют формулу американского ученого Коула.

Ученый А. И. Салжановский предложил следующие формулы для расчета избыточного давления на фронте ударной волны:

— для сферического заряда.

— для удлиненных цилиндрических зарядов.

Эти выражения справедливы при условии г/г₀ > 10.

Расчет ДРф, проведенный по трем разным формулам (табл. 5.2), дает практически одинаковые результаты для расстояний г= 0,50—40 м.

Таблица 5.2.

Значение ДРф, рассчитанное по формулам разных авторов.

При рассмотрении действия взрыва в воде чрезвычайно большое значение имеет свободная поверхность.

Когда фронт водяной ударной волны доходит до свободной поверхности, дальнейшее распространение волны сжатия становится невозможным.

Вода, находящаяся под действием огромного давления за фронтом ударной волны, получает возможность свободно двигаться в сторону слабо сопротивляющегося воздуха. При этом сначала наблюдается небольшой всплеск за счет быстрого расширения сильно сжатого поверхностного слоя воды. Затем начинается общий подъем всей массы воды, находящейся между ее поверхностью и газовым пузырем. В результате этого возникает мощный столб воды («султан»), поднимающийся на значительную высоту над местом взрыва.

Энергия, необходимая для образования этого столба, передается воде в основном за счет расширения взрывных газов, находящихся в газовом пузыре. Энергия сжатия быстро переходит в энергию движения воды, и избыточное давление в воде и газовом пузыре очень быстро исчезает.

Вглубь воды от ее свободной поверхности начинает двигаться фронт волны разрежения, за которым избыточное давление практически сразу исчезает.

Волна разрежения является волной, отраженной от поверхности воды. В отличие от условий отражения ударных волн от массивных несжимаемых преград, когда давление повышается, при отражении волн от свободной поверхности избыточное давление исчезает совсем.

Фронт волны разрежения представляет собой шаровую поверхность, центр которой находится в воздухе, над поверхностью воды на высоте h, равной глубине, на которой расположен центр взрыва, под поверхностью воды.

При таких условиях зона повышенного давления в воде имеет в вертикальном разрезе форму полумесяца, ограниченную снизу фронтом ударной волны, а сверху фронтом волны разрежения. Оба фронта пересекаются на поверхности волны (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Схема сжатия и разрежения при взрыве в воде.

Значительное влияние свободная поверхность оказывает на движение воды при взрыве. Если на пути движения фронта ударной волны находится преграда, за которой находится воздух, то механическое действие волны будет в 2—6 раз интенсивнее, чем в случае, когда за преградой находится вода.

При взрывее после прохождения фронта ударной волны вода начинает сначала двигаться по направлению радиусов, исходящих из центра взрыва, со скоростью, обратно пропорциональной квадрату расстояния от центра взрыва. Энергия взрыва расходуется на движение воды и ее сжатие, часть ее остается во взрывных газах. Общая энергия движения воды равна где b означает долю энергии, переданной на движение; U — энергия ВВ; т — масса заряда; р₀ — плотность воды; г₀ — радиус заряда; W₀ — скорость воды в начальный момент времени:

На любом расстоянии от места взрыва скорость движения воды определяется выражением.

После установления в воде такого движения через воду проходит волна разрежения и создает дополнительные скорости в направлении свободной поверхности к центру, из которого как бы исходит волна разрежения (см. рис. 5.7). Этот мнимый центр находится над поверхностью воды на высоте, равной глубине, на которой находится заряд ВВ. При возникновении новых скоростей старые скорости сохраняются. В каждой точке обе скорости складываются по закону параллелограмма скоростей.