Элементы теории детонации

Детонация — это самораспространяющаяся реакция взрывчатого превращения, обусловленная прохождением по массе ВВ ударной волны и протекающая со сверхзвуковой скоростью, постоянной для данного вида ВВ и заданного диаметра его заряда.

Ударная волна — это область сжатия с резким скачком температуры, давления и плотности среды на фронте. Ударные волны возникают в различных средах: воде, воздухе, породах — и распространяются со сверхзвуковой скоростью. Процесс распространения ударных волн в инертных средах необратим и сопровождается потерями энергии, затрачиваемой на нагрев среды. Затухая, ударная волна вырождается в звуковую.

Из определения детонации следует, что взрывчатое превращение возбуждается прохождением по заряду ВВ ударной волны. Для этого необходимо, чтобы интенсивность волны превышала некоторое критическое значение, характерное для данного ВВ. Если интенсивность волны меньше критического значения, то ударная волна будет распространяться по заряду, как в инертной среде, постепенно затухая.

Схематически механизм возбуждения и распространения детонации может быть описан следующим образом. В общем случае при взрыве заряда — инициатора, размещенного в массе ВВ, образуются сильно сжатые (давление до 4,0· 10⁵ ктс/см²) и нагретые до высокой температуры (4000 К) газы.

Образовавшиеся газы (ПВ) при расширении наносят резкий удар по слою ВВ, прилегающему к инициатору. Происходит механическое сжатие слоя. В процессе сжатия слой ВВ разогревается до значительной температуры, так как из-за высокой скорости ударное сжатие происходит адиабатически, т. е. без теплоотвода в окружающую среду.

Под действием высокой температуры возбуждается экзотермическая химическая реакция взрывчатого разложения, которая протекает с образованием сильно сжатых газов и выделением тепла. Продукты взрыва прореагировавшего слоя ВВ подобно ПВ инициатора воздействуют на следующий слой ВВ в ударном режиме с последующим возбуждением реакции и т. д. В рассматриваемом случае ударная волна — это последовательное сжатие слоев заряда ВВ со сверхзвуковой скоростью.

Из сказанного следует, что роль заряда — инициатора заключается в генерировании ударной волны, которая в процессе распространения по заряду переводит конденсированное ВВ в газовую фазу. Температура и давление при этом повышаются до пределов, обеспечивающих протекание реакции со сверхзвуковыми скоростями. Процесс химического превращения в слое длится около 1· 10^-7 с.

Высокая скорость превращения при детонации объясняется тем, что передача энергии от слоя к слою путем ударного сжатия происходит значительно быстрее, чем теплопередача при горении.

Описанной механизм развития детонации называют гомогенным, поскольку он наиболее справедлив для однородных ВВ. В твердых ВВ при наличии воздушных включений детонация развивается иначе. При движении по заряду ВВ ударной волны в результате ударного сжатия сжимаются пузырьки воздуха. Этот процесс сопровождается повышением температуры за счет необратимого перехода энергии сжатия в тепло. Значительный вклад в разогрев вносит тепло, выделяющееся при трении частиц ВВ в процессе ударного сжатия. В результате происходит локальный разогрев и образуются «горячие точки» — очаги химической реакции. Под действием высокой температуры частицы ВВ воспламеняются.

Продукты взрыва образуются за счет сгорания отдельных частиц ВВ в тонком слое. Чем выше дисперсность ВВ, тем больше очагов реакции возникает в зоне сжатия. Среднее время сгорания частиц уменьшается, что ведет к сокращению зоны и увеличению скорости реакции. Этот механизм детонации называют взрывным горением в детонационной волне.

По А. Я. Апину распространение детонации по заряду ВВ объясняется так называемым пробойно-стручатым механизмом возбуждения реакции. Суть гипотезы заключается в том, что струи газов из зоны реакции пробивают впереди лежащие слои не прореагировавшего ВВ. Наличие пор и воздушных включений облегчает развитие процесса.

М.А. Кук считает, что ударная волна, распространяюсь по ВВ, вызывает сильную ионизацию вещества на фронте и тем самым повышает теплопроводность ВВ. Скорость распространения тепла (тепловой волны) может превысить скорость ударной волны. Роль ударной волны сводится к ионизации вещества, тепловая же волна разогревает…

м/с где к — показатель политропы (графическая зависимость давления от удельного объема), к=1,6−4,4; Q_B — теплота взрыва при постоянном объеме, ккал/кг.

По скорости детонации ВВ делятся на высокобризантные (D>4,5 км/с), бризантные (D=3,5−4,5 км/c), низкобризантные (D=2,5−8,5 км/c) и метательные (D<2,5 км/c). Скорость детонации не зависит от мощности инициатора, если он достаточен для возбуждения реакции. Мощность инициатора лишь определяет длину участка, на котором достигается скорость детонации, характерная для конкретного ВВ. Чем выше скорость детонации, тем сильнее разрушительное действие взрыва. Для детонации с малой скоростью характерно метательное действие и более крупное дробление.

В зависимости от сочетания ряда факторов детонация может быть устойчивой (с максимально возможной постоянной скорость) и неустойчивой. Устойчивость детонации имеет большое практическое значение, так как в противном случае детонация затухает, что приводит к отказу. Кроме того, при неустойчивой детонации взрывчатое превращение переходит в дефлаграцию (взрывное горение ВВ), что в шахтах, опасных по газу и пыли, может явиться причиной воспламенения рудничной атмосферы.

Устойчивость детонации зависит от природы ВВ, диаметра заряда и наличия примесей. Из приведенной выше зависимости следует, что чем выше теплота взрыва, тем выше скорость детонации. Например, для тэна Q_в=1400 ккал/кг, D=8,4 км/с; для тротила Q=1000 ккал/кг, D=7.0 км/c. Исключением являются алюмосодержащие ВВ. Содержание алюминия в них увеличивает выделение тепла при детонации, но реакция взаимодействия металла с газами протекает медленно, частично за плоскостью Чепмена-Жуге, и не влияет на скорость детонации.

Каждое ВВ принято характеризовать двумя диаметрами заряда: критическим d_кр и предельным d_пр. Если диаметр заряда меньше d_кр, то детонация невозможна. Если диаметр равен или больше d_пр, то его дальнейшее увеличение не приводит к увеличению скорости детонации.

Для однородных ВВ критическая скорость D_min=2−3 км/с, предельная скорость D_max=6−8 км/с, для смесевых ВВ типа аммонитов соответственно 1−2 и 3−6 км/c.

Влияние диаметра заряда на скорость детонации объяснил Ю. Б. Харитон. Зона реакции имеет конечные размеры. В момент завершения реакции образующиеся ПВ стремятся к расширению в радиальном направлении. В результате в зону реакции входит волна разрежения и охватывает некоторую часть реагирующего вещества. Как поставщик энергия в ударную волну волна разрежения теряется, и детонация затухает. Глубина протекания волны разряжения обратно пропорциональна радиусу заряда, поэтому относительные потери ВВ уменьшаются с увеличением радиуса заряда.

Диаметры заряда зависят от природы ВВ, плотности, степени измельчения и наличия оболочки.

С увеличением плотности однородных ВВ критический диаметр уменьшается, так как увеличивающееся давление в детонационной волне приводит к ускорению реакции, уменьшению времени ее протекания и ширины зоны.

У смесевых ВВ с увеличением плотности критический диаметр и скорость детонации возрастают. Однако при достижении критической плотности детонация становится неустойчивой или вообще не происходит. Это объясняется тем, что при уплотнении уменьшаются или вообще исчезают воздушные включения между частицами ВВ, являющиеся центрами развития реакции.

Чем выше дисперсность смесевого ВВ, тем меньше критический диаметр. Например, у аммонита № 6 d_кр=12 мм, у граммонита 79/21 d_кр=30−40 мм.

Оболочка заряда также снижает критический диаметр. Так, у гранулотола насыпного d_кр=60−80 мм, у гранулотола в оболочке d_кр=5−10 мм. Скорость детонации соответственно возрастает с 4,5−6 до 5,5−6,0 км/с.

Примеси, как правило, снижают скорость детонации. Чистый нитроглицерин имеет скорость детонации 7,4 км/с. при смешении его с 25% кизельгура она снижается до 6,6 км/с.

При изучении механизма детонации она возбуждалась инициатором, размещенным в массе ВВ. Однако практическое значение имеют также условия возбуждения взрыва, когда инициатор (активный заряд) отделен от массы ВВ (пассивного заряда) инертной средой — слоем буровой мелочи, воды или воздуха, стенками здания и т. д. В подобных случаях возбуждение взрыва называется детонацией через влияние, детонацией на расстоянии или передачей детонации.