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; r0 = 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.
Незважаючи на те, що описана модель не у всіх випадках відповідає спостережуваним явищам в структурі детонаційних хвиль, загальні залежності вписуються в гідродинамічну теорію шляхом просторово-часового усереднення параметрів детонаційної хвилі з неоднорідним фронтом.
Рис.5 P-v-діаграма детонаційної хвилі.
Детонація по Чепмену-Жуге задовольняє умові (точка С):
де U - масова швидкість частинок ПД; C - швидкість звуку в ПД; D - швидкість детонації, рівна швидкості переміщення зони хімічної реакції. Іншими словами, хімічна реакція у вибуховій речовині в формі детонації відповідає умові (1.17).
Якщо D> Dч.ж. тиск може перевищити Рж і тоді говорять про "пересжатія" детонації. при D Рис.6 Профіль детонаційної хвилі в координатах тиск-відстань Спільне рішення рівнянь (1.14) і (1.15) дає формули для розрахунку кінематичних параметрів детонації: Серед наближених методів розрахунку параметрів детонації потужних ВВ часто використовується співвідношення: де Р - тиск; k - показник політропи - входить в рівняння стану ПВ у вигляді політропи Pv k = const. Величина k може бути різною. Часто в розрахунках приймається k = 3. Шведов К.К. рекомендує при розрахунках тиску детонації користуватися такими значеннями k: - k = 3,25-3,3 - для тротилу при = 1,59.1,63 г / см 3; - k = 2,7-3,0 - для гексогену і октогена. Якщо до складу ВВ входять інертні добавки (наприклад, NaCl або алюміній), то тиск можна розрахувати за формулою: де - вагова частка добавки в складі ВВ; - початкова щільність добавки, г / см 3. При виведенні основних співвідношень в детонаційної хвилі розглядалася одномірна задача для плоскої хвилі. У цьому випадку вся потенційна хімічна енергія реалізується в детонаційної хвилі і визначає параметри детонації - її швидкість, тиск і т.д. У разі багатовимірного течії за ударним фронтом параметри детонації в певних межах стають залежними від поперечних розмірів заряду. Вперше це показано Ю.Б. Харитоном. Оскільки зона хімічного перетворення в детонаційної хвилі має кінцеві розміри, то за час хімічної реакції, що протікає на ділянці ВС, рис.5, що утворюються стислі газоподібні продукти прагнуть до розширення в радіальному напрямку. В результаті цього в зону реакції з бічної поверхні заряду вибухової речовини входить хвиля розрідження, рис.9, а охоплена нею маса речовини втрачається як постачальник енергії щодо ударного фронту. Оскільки глибина проникнення хвилі розрідження обернено пропорційна радіусу заряду, то відносні втрати енергії в детонаційної хвилі повинні зменшуватися зі збільшенням радіуса заряду. Принцип Харитона стверджує наступне: детонація може стійко поширюватися по заряду, якщо тривалість реакції у хвилі () менше часу розкиду речовини в радіальному напрямку (). Виходячи з цього, можна знайти такий мінімальний діаметр заряду, при якому ще можливо стійке поширення детонації, тобто знайти критичний діаметр заряду вибухової речовини. Умови стійкості визначають наступним чином. Тривалість хімічної реакції в детонаційної хвилі буде дорівнює або, враховуючи, що U = D / 4 Час розкиду речовини в радіальному напрямку складе Рис.7 Зона хімічної реакції в детонаційної хвилі: d3 - діаметр заряду вибухової речовини; - хвиля розрідження; = 0,5 · DВВ; b - глибина проникнення хвилі розрідження; - ширина зони реакції; D - швидкість детонації ВР. З урахуванням виразу (1.20) і того, що. формулу (1.21) можна переписати таким чином тобто критичний діаметр близький за величиною до ширини зони хімічної реакції. При d3> dкр втрати енергії в детонаційної хвилі повинні зменшуватися, а параметри хвилі відповідно зростати, асимптотично наближаючись до максимуму. Детонацію з максимальними параметрами для даного ВВ і даної щільності називають ідеальною детонацією або детонацією в ідеальному режимі. Діаметр заряду, при якому параметри детонації близькі до максимальних (рис.8), тобто до Dи. називають граничним діаметром (dпр). Рис.8 Залежність швидкості детонації ВР від діаметра заряду. Детонацію, що протікає в зарядах з dкр Величина критичного діаметра залежить від щільності ВВ, наявності оболонки і її матеріалу, зовнішнього тиску, температури і інших параметрів.
Схожі статті