Исследование детонации и переходных процессов в смесях типа «металлическое горючее + твердый окислитель + воздух»

В настоящее время в основном существуют два типа взрывчатых систем. Это конденсированные взрывчатые вещества, которые выделяют химическую энергию в малом объёме и соответственно производят сильные разрушения вблизи от места взрыва, при этом необратимо теряя большое количество выделившейся теплоты. Взрывные волны, рожденные такими зарядами, достаточно быстро затухают. Вторая система это топливо воздушные смеси, которые генерируют более длинные волны, но, к сожалению, довольно низкой амплитуды. Было бы заманчиво использовать системы, в которых комбинировались бы свойства обоих типов энергетических материалов. Такими системами могли бы быть смесевые конденсированные энергетические материалы, содержащие твердый окислитель и топливо, реагирующие на начальной стадии в режиме быстрого сгорания при давлениях не превышающих 1 кбар. В этом случае разлетающееся облако горящей смеси будет обладать плотностью, которая существенно выше чем плотность облака обычных топливо воздушных смесей и начальный объём реагирующего взрывчатого материала будет значительно больше, чем исходный объём конденсированного взрывчатого материала, то есть взрывные волны, рожденные такими облаками, будут иметь амплитуды на уровне от нескольких атмосфер до сотен атмосфер в диапазоне расстояний ог центра взрыва значительно большего, чем при взрыве обычных ВВ. К сожалению, исследований о распространении ударных волн с реакцией за ними или детонационноподобных явлений в таких системах практически нет. А эти исследования очёнь важны, в частности для оценки взрывоопасности пылевых систем, как на транспорте, так и на производстве. В принципе, данные системы могут использоваться также и при моделировании ударных волн образующихся вследствие ядерных взрывов на уровне около давлений 100 атм. Поскольку можно ожидать, что длительность таких волн может существенно превышать даже длительность волн созданных при помощи TBC, такие гетерогенные системы могли бы найти применение в промышленности при штамповке, формовке или плакировании различных изделий, поскольку они обеспечивают высокое давление при «мягком» взрыве.

Настоящая работа была предпринята с целью изучения как режимов волновых процессов, имеющих место в разлетающемся облаке реагирующих конденсированных систем, так и возможности вовлечения кислорода воздуха в генерацию и поддержание взрывных волн, рожденных при таких взрывах. Процессы взрывчатого превращения в гетерогенных системах такого класса включают в себя: а) Конвективное сгорание смеси внутри взрывного устройства происходящие с образованием как конечных продуктов, так и промежуточных газовых и конденсированных продуктов, особенно если в зарядах используются смеси богатые горючимб) Продолжающиеся реакции конденсированных компонентов в материале, инжектируемого в воздух, а также смешение с воздухом и сгорание. Кроме того, при разлете, в облаке могут рождаться градиенты концентраций и температур, которые способствуют образованию нестационарных ударных волн с реакцией, которые близки по свойствам к детонационным волнам. Процесс формирования таких волн в гетерогенных системах экспериментально не исследовался. С точки зрения энергетики, среди смесевых систем твердый окислитель + твердое горючее наиболее перспективными являются перхлорат аммония и нитрат аммония. В связи с этим, для исследований была выбрана система алюминий + нитрат аммония, энергетика которой выше чем у обычного ВВ. В работе были изучены волновые процессы при инжектировании горящих частиц этой системы в воздух. При этом внимание в исследованиях было сосредоточено на внешней задаче, то есть на образовании взрывных волн в разлетающемся гетерогенном облаке. Кроме того, как показывают термодинамические расчеты, продукты взрыва таких облаков могут быть сильно ионизованы. В связи с этим, в диссертации также была рассмотрена проблема электрических и излучательных свойств таких взрывов.

В главе 2 рассмотрены оценки отклонения от идеального газа в таких облаках, которые могли бы ожидаться при достаточно высоких плотностях, и показано, что эти отклонения до плотностей в 10 кг/м пренебрежимо малы. Наиболее важной характеристикой, определяющей поведение гетерогенной взрывчатой системы, является кинетика выделения тепла. Ответ на вопрос о возможности детонации облаков сильно зависит от того, являются ли времена воспламенения и горения частиц достаточно малыми, чтобы их горение могло поддерживать ударную волну. В главе 4 экспериментально рассмотрены вопросы воспламенения алюминия в воздухе и взвесей алюминий +твёрдый окислитель в условиях близких к тем, в которых должны реализоваться детонационные волны. Продемонстрировано, что эксперименты на ударных трубах с обычным способом впрыска горючего материала могут дать существенно большие времена сгорания, чем следовало бы ожидать на основании данных о временах сгорания индивидуальных частиц, что было объяснено образованием агломератов при впрыске, что также подтверждается непосредственной регистрацией зоны реакции в детонационной волне распространяющейся по «хорошо» приготовленной взвеси твердый окислитель + алюминий в воздухе1. Поскольку приготовление взвесей в гетерогенных системах является самостоятельной проблемой, а также то, что в реальных условиях твёрдые конденсированные материалы присутствуют в каналах в виде слоев, были также экспериментально определены характеристики подъёма порошкового материала за ударной волной высокой амплитуды, данные о которых отсутствуют в литературе. Эти результаты представлены в главе 6.

1 В дальнейшем, для сокращения, в некоторых местах такие смеси будут называться сокращенно: УТВГС, или усиленные топливо воздушные гетерогенные смеси.

Основной материал диссертационной работы, в котором изложены характеристики взрывных волн, рождаемых в гетерогенных системах, представлен в главе 7. Анализируются вопросы распространения ударных волн с реакциями за ними в трубах, как в случае инициирования волны в холодной взвеси, так и в случае подъёма материала газовой детонационной волной. Продемонстрирована возможность образования детонационных волн с амплитудами до 200 атм. Также рассмотрена возможность использования для образования взвеси и инициирования детонации при помощи инжектора расположенного на одном конце канала. При этом использованы две схемы: с внешним инициированием детонации, и без инициатора. Продемонстрирована возможность образования детонационных процессов без вторичного инициатора. Показана возможность образования мощных взрывных волн при взрывах облаков взвесей в открытом пространстве. Электрические и эмиссионные характеристики взрывов облаков изложены в главе 8.

Основные результаты и выводы.

Оценками продемонстрировано, что характеристики продуктов взрыва гетерогенных систем алюминий + твердый окислитель + воздух с плотностями до 10 кг/м3, могут быть с достаточной точностью описаны уравнениями для идеального газа.

Экспериментально показано, что задержки воспламенения, а также времена сгорания в ударных трубах взвесей алюминия марки ПАП-2 в воздухе для сте-хиометрических смесей составляют от 60 до 2500 мкс. (для задержек воспламенения), и от 100 до 5000 мкс (для времен сгорания), и являются слишком длительными, для того чтобы ожидать от этих систем высокую детонационную способность. Тройные смеси имеют приблизительно такие же времена сгорания. Опыт, проведенный для проверки возможности быстрого реагирования гетерогенной смеси за ударными волнами, соответствующих по амплитуде детонационным волнам во взвесях, при генерировании взвеси путем подъёма пыли из слоя ударной волной, показал значительное, приблизительно на порядок меньшее, время сгорания, на основании чего высказано предположение о сильном влиянии способа образования взвеси (имеется в виду распад агломератов в генерирующей взвесь волне) на характеристики воспламенения и горения гетерогенных систем.

Экспериментальное изучение подъёма пыли за сильными ударными волнами со скоростями 1500 м/с, при начальном давлении 1 атм. показало, что характерные времена подъёма пылевого слоя при таких высоких параметрах волны короче времен подъёма полученных в экспериментах другими авторами со слабыми УВ. Показано, что скорость подъёма пыли с образования в виде цилиндрического валика не выше чем с плоского слоя. Оценена скорость подъёма пыли которая составила 0,2 гр/мкс.

Получены детонационноподобные режимы сгорания в трубах, при образовании взвеси при помощи газовой детонационной волны, с амплитудой до 200 атм. при начальном давлении в 1 атм. Аналогичное инициирование детонации при распределенном инжектировании холодной смеси «алюминий + нитрат аммония» привело к детонационноподобным волнам с существенно меньшей скоростью и давлением, то есть повышение температуры газа, окружающего взвесь, и меньшее количество агломератов, приводит к существенному повышению детонационной способности взвеси.

• Показано, что инжектирование взвеси, частично сгоревшей в условиях с плотностью порядка 800 кг/м3 в инжекторе, приводит к образованию нестационарных взрывных волн с реакцией амплитудой до 200 атм., при средней плотности инжектированного материала, рассчитанной на всю трубу с учетом кислорода воздуха внутри трубы, в 4 кг/м3. Следовательно, благодаря благоприятным градиентам концентрации и температуры, процесс в инжектированной смеси близок к переходу горения в детонацию или во взрыв.

• Показано, что аналогичный процесс образования взрывных волн с реакцией, имеющих высокую амплитуду и длительность, имеет место при инжектировании частично сгоревшей смеси в неограниченное пространство. Измерены тро-тиловые эквиваленты таких взрывов для зарядов массой до 200 гр, которые составляют 4−9 для давлений в диапазоне 2−20 атм, и более чем 10 в импульсах, что существенно превышает ТНТ-эквиваленты обычных TBC.

• Экспериментально определены значения удельной проводимости в высокоио-низированных продуктах в системах A1+NH4N03 и А1+КС104, при инжектировании реагирующей взвеси в смесь водорода с кислородом. Получена плазма с проводимостью до 104 См/м, со скоростью распространения плазменного образования до 4000 м/с, что существенно превосходит аналогичные характеристики при взрывах обычных взрывчатых веществ, и, таким образом, подобные системы являются перспективными для использования в качестве рабочего тела в импульсных МГД-генераторах.