Сторінка 4 з 32
Детонація вибухових речовин
Службовим формою вибухових перетворень промислових ВР є детонація. представляє собою самоподдерживающий процес переміщення по ВВ з надзвуковою швидкістю ударного фронту (стрибка тиску), що супроводжується хімічним перетворенням речовини. Імпульсом для початку розвитку хімічної реакції є, як правило, ударна хвиля, що збуджується вибухом капсуль-детонатора або електродетонатори, тобто проміжних детонаторів. Таким чином, хімічна реакція виникає в результаті адіабатичного стиснення і розігріву речовини в ударному фронті. Комплекс з ударного фронту і зони хімічної реакції називається детонаційної хвилею.
В залежність від типу ВВ, тиск на ударному фронті може бути від десятків атмосфер (газові вибухові суміші) до сотень тисяч (брізантние ВВ). У режимі стаціонарного поширення швидкість фронту детонації може для різних ВВ складати від 1 до 10 км / с. Тепло, що виділяється при детонаційної формі хімічного перетворення, компенсує втрати енергії, що йдуть на стиск і рух речовини, забезпечуючи сталість параметрів детонаційної хвилі. Слід підкреслити, що швидкість детонації не залежить від початкового імпульсу; вона є характеристикою і постійною величиною даного ВВ. Ділянка заряду від точки ініціювання до початку поширення детонації зі стаціонарної швидкістю називають ділянкою нестаціонарної детонації.
Теоретичні основи детонації були закладені в кінці ХIX століття В.А. Михельсоном (Росія), Д.Л. Чепменом (Англія) і Е. Жуге (Франція). Математична модель, створена ними не враховувала кінетики хімічної реакції в детонаційної хвилі, а представляла ударний фронт формально у вигляді поверхні розриву, що відокремлює вихідне ВВ від продуктів вибуху.
Екзотермічна реакція, порушується механічним ударом, який передається від реагує шару до сусіднього шару, поширюється у вигляді хвилі тиску. Такий процес можливий лише за тієї умови, що хімічна реакція закінчується раніше, ніж спаде тиск за рахунок хвилі розвантаження, що йде від вільної поверхні зі швидкістю звуку. Такий сценарій можливий тільки при дуже високому тиску, коли хвилі тиску переходять в ударну хвилю. Таким чином, детонацію можна уявити як поєднання ударної хвилі з зоною хімічної реакції.
Ударна хвиля збуджує реакцію в речовині, а реакція підсилює ударну хвилю, поки не встановиться рівновага між переданої і розсіюється енергією не встановиться стаціонарний режим поширення хвилі детонації. Дослідження процесів в такий усталеною хвилі в одновимірному випадку є завданням гідродинамічної теорії детонації. З урахуванням енерговиділення при детонації, основні співвідношення між початковими і кінцевими параметрами стану речовини, а також швидкістю детонації і масової швидкістю руху продуктів хімічного перетворення за фронтом знаходяться із законів збереження маси, імпульсу і енергії в хвилі.
Незалежно один від одного Я.Б. Зельдович, Д. Нейман, В. Дерінг запропонували модель детонаційної хвилі, яка враховує хімічну зону перетворення (зону "хімпіка") ВВ в кінцеві продукти. У відповідність з такою моделлю, вихідне ВВ з початковими параметрами p0. v0 (рис.4) стискається в ударному фронті (точка В), розкладається і виходить із зони реакції (точка С) зі швидкістю, зменшеної на величину u, рівну швидкості газоподібних продуктів вибуху. У разі одновимірного потоку закони збереження маси і імпульсу записують наступним чином:
де Р0 і Р - початковий тиск і тиск ПВ відповідно; r 0 = 1 / v0, r = 1 / v - відповідно початкова щільність ВВ і щільність ПВ.
Закон збереження енергії записується в формі:
де Е, Е0 - відповідно питома внутрішня енергія в кінцевому і початковому станах. Вираз (1.16) є однією з форм запису рівняння ударної адіабати Гюгоньо для ПВ.
Рис.4 Схема фронту детонації: D - швидкість поширення детонаційної хвилі; u - швидкість ПВ.
На P-v-діаграмі детонаційної хвилі, рис.5, початкового стану відповідають точка А, стиску ВВ ударним фронтом - точка В. Екзотермічна реакція в ВВ, що почалася на ударному фронті (точка В), закінчується на поверхні Чепмена-Жуге, рис. 4, або в точці С, рис.5. Точка С називається точкою Жуге або Чепмена-Жуге; вона лежить на адіабаті продуктів вибуху (адіабаті Гюгоньо). Процес перетворення супроводжується розширенням ПВ, тому тиск ПВ падає: в точці Жуге тиск РЖ майже вдвічі нижче давАдіабатіческому стиску речовини відповідає пряма АВ, рис.6 з дуже малим нахилом відносно осі абсцис, що свідчить про вкрай малу хвилю стиску і малій товщині стисненого шару. Зоні хіміка відповідає ділянка ВС на кривій спаду тиску. Точка С відповідає точці Жуге, ділянку за цією точкою характеризує спад тиску в розширюються ПД.
Таким чином, речовина в детонаційної хвилі послідовно проходить їхні капітали шляхом АВС Зона стиснення в ударній хвилі дуже мала (порядку 0,1 мкм), зона хімічної реакції залежить від хімічних і фізичних властивостей ВВ і має ширину 0,5 мкм (для азиду свинцю ) до 10 мм (для тротилу і тетрилу). Тривалість часу хімпіка в Високощільна флегматизированні гексоген становить
(2,5 ± 5) · 10 -9 с при максимальному тиску в хвилі - 40 ГПа.