Основные понятия физики горения и взрыва

Внаиболее широком смысле слова взрывом называют физическое или химическое превращение вещества, сопровождающееся крайне быстрым переходом его энергии в энергию сжатия и движения исход­ного вещества или продуктов его превращения и окружающей среды. Для нас практический интерес представляет взрыв, происходящий за счет потенциальной химической энергии, которая превращается в энер­гию сжатых газов в результате быстрого протекания химической ре­акции.

Взрыв ВМ может протекать в двух различных формах: гомогенного превращения, происходящего при постепенном, медленном нагреве ВМ во всем его объеме, и самораспространяющегося превращения. Чаще всего, когда говорят о взрыве ВМ, имеют в виду самораспространяю­щееся с большой скоростью химическое превращение, протекающее с выделением большого количества тепла и образованием газов.

Вследствие быстроты, с которой реакция проходит по ВМ, образу­ющиеся газы даже при отсутствии прочной оболочки имеют высокое давление и производят сильный удар по окружающей среде, разруша­ют ее, разбрасывают и вызывают в ней ударные волны.

Из определения взрыва следуют четыре основных условия, которым должна удовлетворять химическая реакция для того, чтобы она могла протекать в форме взрыва:

· экзотермичность;

· образование газов;

· высокая скорость;

· способность к самораспространению.

Все эти условия не являются абсолютными и независимыми друг от друга и в своем сочетании определяют не только возможность самораспространения химической реакции в форме взрыва, но и механическое действие последнего.

Экзотермичность превращения определяется тем, что прочность связей между атомами в продуктах превращения значительно больше, чем в самом ВМ. Отсюда ясно, что способность к экзотермической ре­акции зависит от химической структуры вещества.

Характерной особенностью ВМ является способность вызванной в них локальной химической реакции к неограниченному самораспрост­ранению в определенных условиях. Это происходит в результате рас­пространения по ВМ тепловой волны, передаваемой теплопроводнос­тью или ударной волной (УВ) и вызывающей при своем прохождении химическую реакцию. Тепловая волна поддерживается химической ре­акцией, которую она вызывает. Таким образом, способность реакции к самораспространению зависит не только от термохимических и кине­тических характеристик вещества, но определяется также возможнос­тью создания высокой концентрации энергии в слоях ВМ, соседних с первоначальным очагом реакции.

Таким образом, само понятие взрывчатости не имеет абсолютного характера и является не качественным, а количественным. Невозможно безотносительно к характеристикам заряда говорить, что вещество, в котором произошла реакция, взрывчато. Необходимо указать условия, при которых оно является взрывчатым. Если же эти условия не оговоре­ны, то это означает, что вещество, о котором идет речь, взрывчато при обычных условиях, характерных для его технического применения.

Возможность и особенно скорость самораспространения реакции зависят, кроме термохимических и кинетических характеристик веще­ства, также от условий передачи энергии.

Если энергия передается путем относительно медленного процесса теплопроводности, то скорость реакции мала. Этот случай имеет место при горении. Повышение давления при отсутствии оболочки очень мало, и механическое действие продуктов реакции незначительно.

Если же при местном прохождении химической реакции с тем же энергетическим эффектом возникает большое давление, то передача энергии может осуществляться путем распространения скачка давле­ния, так называемой ударной волной. Скорость передачи энергии та­ким путем несравненно выше скорости теплопередачи, соответственно быстрее распространяется и химическая реакция. Повышение давле­ния при ней весьма велико, равно как и обусловленное им разруши­тельное действие. Это явление называется детонацией взрывчатого ве­щества.

Необходимым условием существования режима распространения реакции является наличие среди ее продуктов (при соответствующей температуре) газов. В этом заключается значение образования газов как условия детонационного самораспространения химичес­кой реакции.

Именно высокая скорость реакции обеспечивает ту огромную мощ­ность, которая является характерным признаком взрыва. Поэтому, если даже выполняются остальные условия, но скорость реакции низка, то взрыва не происходит. Так, уголь горит без всякого взрыва и при этом выделяется много тепла и газов, но скорость реакции невысока, так как она протекает только на поверхности контакта кислорода воздуха с го­рящим материалом, потому что отношение поверхности горения к объе­му горящего материала мало. Таким образом, для ВМ существуют две формы быстрого химического превращения: горение и детонация.Они имеют различные механизмы передачи тепла из зоны реакции к новым порциям ВМ, вступающим в реакцию, и различные скорости распространения.

Горение - самораспространяющийся процесс химического превращения вещества, при котором, распространение химической реакции в структурных слоях вещества обеспечивается теп­лопроводностью. Выделяющееся при химической реакции тепло пред­шествующего слоя нагревает следующий слой. Процесс зависит от ха­рактера протекающей химической реакции и скорости передачи тепла к новому, прогреваемому слою. В обычных условиях горение - сравни­тельно медленный процесс. Если изменить условия теплопередачи, то это сразу же скажется на процессе горения ВМ. Каждый материал, в том числе ракетные топлива, имеет свою строго определенную скорость горения. Под скоростью горения понимают ли­нейную скорость распространения фронта реакции вглубь вещества пер­пендикулярно поверхности горения. Распространение горения по поверх­ности заряда происходит значительно быстрее. В зависимости от условий скорость горения изменяется в широких пределах (от долей миллиметра до нескольких метров в секунду) даже у одного и того же вещества.

Скорость горения ВМ с увеличением давления возрастает согласно закону, конкретное выражение которого зависит от индивидуальных свойств ВМ. Конкретное аналитическое выражение закона горения имеет большое значение в практике. Горение лежит в основе использования порохов, твердых ракетных топлив и пиротехнических смесей.

Различают нормальное послойное горение и взрывное горение.

Если вещество пористое или порошкообразное, то при давлении, превышающем определенное критическое значение газообразные го­рячие продукты горения могут проникать вглубь вещества и поджигать его перед фронтом горения. Тогда горение будет протекать уже не по­слойно, не параллельными слоями, а охватывать определенный объем.

Скорость горения вещества при этом резко возрастает до десятков и даже сотен м/с. Такой вид горения обычно называют взрывным горе­нием (конвективное горение, дефлаграция).

В природе существуют различные виды взрывного горения, но наи­более распространенным из них является так называемое фильтраци­онное (конвективное) горение. Этот вид горения происходит тогда, ког­да проникновение газов внутрь вещества, например, шашки топлива, происходит только при наличии внешнего по отношению к горящему веществу давления (горение в замкнутом объеме, в камере ракетного двигателя и т.п.). Другим видом взрывного горения является процесс, для протекания которого необязательно наличие внешнего давления, а необходим только локальный очаг высокого давления для инициирова­ния процесса. В дальнейшем роль оболочки выполняет само вещество. В этом случае его сгорание происходит за доли секунды и оно превра­щается в газы, сжатые в первоначальном объеме вещества, и такой вид горения называют объемным горением.

Детонация– самораспространяющийся процесс чрезвычайно быс­трого химического превращения вещества. Детонация обеспечивается распространением по веществу механической волны с очень крутым фронтом, которую называют ударной волной. Распространяясь по ве­ществу, УВ сжимает его в своем фронте до очень высоких давлений (порядка десятков и сотен тысяч атмосфер), и за счет этого выделяется очень большое количество тепла, в результате чего происходит хими­ческая реакция. Выделяющаяся тепловая энергия при этом поддержи­вает параметры УВ, и она становится стационарной. Такая волна назы­вается детонационной. Детонационная волна в зависимости от индиви­дуальных свойств вещества - плотности, химического состава и других факторов - может распространяться со скоростью от десятых долей км/с до нескольких км/с. Например, шашки ВМ имеют скорость детонации 5-7 км/с. Превращение исходного вещества в газы при детонации про­исходит в его собственном объеме. При этом плотность вещества в эле­ментах детонационной волны в 1,5-2 раза превышает исходную.

Из сказанного следует, что в одном и том же ВМ можно возбудить процессы горения или детонации в зависимости от подбора инициа­торов, физического состояния вещества и ряда внешних факторов.

Знание условий возбуждения и протекания взрывных процессов в ВМ чрезвычайно важно с точки зрения недопустимости несанкциони­рованного возникновения любых взрывных процессов, особенно дето­нации. Очевидно, что даже загорание на отдельной фазе технологичес­кого потока чревато тяжелыми последствиями, так как современное производство ВМ отличается многотоннажностью и крупными габари­тами единичных изделий из них.

По своему служебному назначению все взрывчатые системы, в за­висимости от требуемого для выполнения целевой функции процесса, делятся на четыре группы:

· инициирующие взрывчатые вещества (ИВВ);

· бризантные взрывчатые вещества (БВВ);

· метательные ВВ,ракетные топлива и пороха;

· пиротехнические смеси.