Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2014 » Март » 8 » Горение и детонация
21:35
Горение и детонация


Мы неоднократно касались различных путей разложения энергонасыщенных материалов и выяснили, что основные виды превращений: послойное горение, турбулентное горение (дефлограция) и сверхзвуковое горение (детонация). Детонацию называют сверхзвуковым горением, так как, скорость распространения взрывного превращения в материале близка или превышает скорость распространения в нем звука. Как Вы помните еще из школьного курса, чем выше плотность материала, тем больше скорость звука в нем.

Послойное горение можно наблюдать на примере горения головки спички или горки бездымного пороха. Турбулентное или "околозвуковое горение” является переходным процессом между детонацией и послойным горением. Классический пример турбулентного горения – действие заряда минного пороха при подрыве прочной породы (закрытый шурф). При этом горение происходит при очень высоком давлении, которое приводит к разрушению пороховых элементов (или шашки), но, главное, высокое давление очень плотно прижимает область высокотемпературных процессов послойного горения к поверхности материала (еще твердой фазе). Это приводит к разрушению твердой поверхности и проникновению фронта пламени в образовавшиеся дефекты. Как известно, чем выше давление, тем быстрее происходит горение, чем быстрее горение, тем больше выделяется газообразных продуктов и выше их давление, то есть, это лавинообразный процесс.

Выше описанный механизм характерен для перехода послойного горения в турбулентное, это реализуется в устройствах использующих дымной порох для совершения работы (чаще всего, их именуют "петарды”). Аналогично ведут себя ряд пиротехнических составов, в том числе, спичечные головки. Другой, более актуальный в изучении процесс – обратный переход, детонации в турбулентное горение, этот процесс получил название "дефлограция”. Чаще всего, дефлограция наблюдается для АСБВВ (букву "Б” чаще всего опускают, так как, АС порохов, топлив и пиротехнических смесей практически не используется) или других смесевых БВВ низкой мощности.

Дефлограция происходит из-за замедления фронта детонации и/или увеличения его толщины (протяженности). Как известно, детонационная волна это поперечная акустическая волна, распространяющаяся в шашке БВВ. Так как, волна – это лишь перенос энергии, вещество при этом подвергается лишь сотрясению, то происходит отток энергии от детонатора концентрическими слоями (сферические волны). Проходя через вещество, волна постепенно теряет энергию на трение между приводимыми ею в движение частицами (от фрагментов молекул до отельных кристаллов и крупинок БВВ). Потерянная волной энергия превращается, исходя из закона сохранения энергии, в тепловую энергию, которая нагревает вещество, вызывая его термическое разложение. Продукты разложения БВВ реагируют между собой с выделением энергии. При этом продукты разложения газообразны и имеют высокую температуру (так как, еще содержат выделившуюся энергию).

Расширяясь, газообразные продукты разложения БВВ создают новую акустическую волну, которая распространяется во внешнюю массу БВВ. Так процесс повторяется бесконечное количество раз, в зависимости от размеров заряда. В результате имеем три условные стадии: разогрев вещества от прохождения через него ударной волны (разогрев от сжатия и колебания при прохождении волны), реакция полученных в результате термического разложения БВВ веществ между собой с выделение газообразных продуктов реакции и большого количества энергии и последняя стадия – расширение газообразных продуктов разложения с образованием от быстрого движения последних, акустической волны в прилегающем веществе. Следует отметить, что эти стадии сильно перекрываются между собой и их выделяют лишь теоретически для упрощения изучения данных процессов и облегчения понимания природы процессов учащимися ВУЗов и военных училищ.

Если процессы слишком замедляются и фронт волны детонационных процессов становится значительной толщины, то возможно доминирование процессов вихревого горения в предварительно прогретом ударной волной слое вещества. Это приводит к еще большему замедлению взрывной волны в массе БВВ, вплоть до полного перехода к вихревому горению. Это может произойти по одной (а, чаще всем сразу) из трех причин: низкая восприимчивость компонентов смесевого БВВ к воздействию взрывной волны, то есть, их высокая термическая стойкость по сравнению с энергетикой взрывного превращения данного БВВ. Вторая причина состоит в низкой плотности состава, что замедляет акустическую волну и делает тепловое воздействие ударной волны на новые порции материала более плавным. Третья причина состоит в неоднородности химических процессов, протекающих в различных фазах БВВ. С первыми причинами все более-менее понятно, подробнее остановимся на последней причине.

Обычно различные компоненты смесевых БВВ имеют различную термическую устойчивость. Например, аммиачная селитра начинает активно разлагаться с поглощением энергии примерно при 210*С и выше, при этом, разложение протекает вплоть до температур 500-600*С с поглощением энергии. Лишь при резком нагреве до 800-900*С и выше происходит экзотермический процесс разложения. Алюминий воспламеняется в атмосфере кислорода (или оксидов азота) при резком нагреве до 400-500*С и выше. В случае разбавления окислителя азотом, водяными парами или другими малоактивными компонентами, воспламенение может происходить только при температурах выше 700*С. Древесный уголь (в зависимости от сорта) воспламеняется в атмосфере оксидов азота при резком нагревании до 300-450*С и выше. А, тетрил или ТЭН быстро разлагаются при резком нагреве уже до 180-220*С. Некоторые компоненты БВВ склонны при разложении поглощать энергию с выделением горючих продуктов, которые при дополнительной активации способны вступать в экзотермические реакции. Например: многоосновные карбоновые кислоты, их соли, древесина, другие поли и моносахариды и пр.

Таким образом, если смесь состоит из нескольких компонентов с различной термической устойчивостью, большая часть вещества (более 80% по массе) имеет высокую термическую устойчивость, а компоненты неоднородно измельчены, то данный состав будет иметь высокую склонность к детонационно-дефлограционному переходу. Эту склонность может повысить сорбция воды отдельными компонентами, слабый детонатор, слишком отрицательный кислородный баланс, не соблюдение критического диаметра детонации и другие причины. Как было сказано ранее, слишком отрицательный кислородный баланс способствует эндотермическим процессам при разложении БВВ под действием ударной волны, что растягивает во времени процессы первой стадии (разложение БВВ). Сорбция воды приводит к эндотермическим процессам разложения кристаллосольватов, что так же, снижает температуру на фронте распространяющейся в БВВ акустической волны.

Иногда, склонность к дефлограции вызывает наличие в составе БВВ каталитических компонентов, ускоряющих послойное горение. Обычно, это соединения переходных поливалентных металлов, отличающихся достаточной активностью. Классические примеры: бихромата, перманганаты, оксиды свинца и др. Эти компоненты являются катализаторами горения и при этом, облегчают термическое воспламенение смеси. Но, они способствуют доминированию турбулентного горения над детонацией.

Все факторы, облегчающие детонацию и воспламенение вещества, так же, повышают склонность к дефлограции. То есть, низкое содержание топливных компонентов, высокая влажность, высокая плотность прессования и ряд других факторов, снижают склонность к дефлограции. Но, при этом, резко растет минимальный детонатор. Поэтому сегодня наибольшее применение в промышленных взрывных работах получили смесевые БВВ содержащие воду – акваниты. Пастообразные акваниты имеют низкую восприимчивость к детонатору, менее чем от 300 гр. ТНТ они не заводятся (обычный применяемый заряд промежуточного детонатора 1-5 кг). При этом, склонность к дефлограции нулевая.

В ряде случаев, обычно при кустарном изготовлении БВВ, стремятся напротив, повысить восприимчивость к детонатору, ценой повышения склонность к дефлограции. Печально известный норвежец Брейвик использовал заряд игданита около 1 тонны, при этом, он использовал запал на ТОСе, что привело к 99% дефлограции. Иначе говоря, заряд сгорел причинив сравнительно скромные разрушения. Если не считать нескольких рекламных щитов у дороги, осыпавшегося остекления ближайших зданий и десятка случайных прохожих в радиусе тридцати метров, то заряд, лишь разнес микроавтобус и наделал шума и дыма. Если бы он использовал нормальный детонатор, количество жертв было бы на порядок больше (вспомните взрыв в Оклахоме в 1995 году, когда 3 тонны игданита в аналогичных условиях унесли полторы сотни жизней).

В заключение стоит сказать, что переходы между тремя видами разложения различных энергонасыщенных соединений на практике почти всегда крайне нежелательны. Если состав предназначен для послойного горения (порох, ракетное топливо, некоторые пиротехнические смеси) то переход к вихревому горению и даже детонации почти однозначно приведет к несчастному случаю. Если состав предназначен для детонации, то переход в дефлограцию снизит силу бризантного действия при минимальном снижении фугасности (опять-таки, зависти от конкретного состава). Поэтому, всегда стремятся снизить вероятность переходов, сделав состав максимально стабильным и предсказуемым при использовании по прямому назначению.

В следующей беседе мы поговорим подробнее о влиянии природы превращения на показатели различных классов энергонасыщенных соединений.

Категория: Энергонасыщенные соединения | Просмотров: 2783 | Добавил: Chemadm | Теги: мощность ВВ, взрывное превращение, дефлограция | Рейтинг: 4.8/22
Всего комментариев: 12
1
10  
Скажите, а от чего зависит скорость горения твердых смесей типа "горючее-окислитель", какие свойства влияют на скорость горения?
И еще вот такой вопрос интересует - почему смеси солей аммония (нитрат, перхлорат) с горючими веществами так медленно горят при атмосферном давлении?

0
11  
Ответы на данные вопросы достаточно объемные, поэтому им посвящена отдельная статья.

1
12  
Спасибо!

0
7  
Позвольте еще один вопрос про детонацию?
В литературе часто упоминается такой параметр как давление на фронте детонационной волны. Указываются гигантские величины порядка 20-30 ГПа для разных БВВ. Хочется узнать: вот это давление - оно существует только лишь в момент прохождения детонационной волны в узком слое ВВ, или же оно распространяется на весь объем заряда и сохраняется до начала разлета газообразных продуктов?

0
8  
Это давление фронта ударной волны в момент прохождения через массу БВВ, оно существует во всем объеме шашки вплоть до начала расширения газов из объема шашки. Иначе, это мгновенное давление на поверхность, абсолютно плотно прилегающую к поверхности шашки, в момент когда фронт взрывного превращения выходит из шашки и касается поверхности материала. Измерение данной величины связано с деформацией металлической поверхности в момент воздействия на нее взрывной волны. Данный критерий связан с бризантностью, но, если бризантность зависит от давления фронта взрывной волны и кинетической энергии летящих частиц (от молекул газов, до твердых включений), то, давление на фронте волны включает только давление газовой среды.

0
9  
Понятно, спасибо!

0
5  
На втором фото башня замка, видимо тоже разрушенная с применением ВВ или пороха. Скажите, а какой примерно заряд пороха требовался для разрушения такой вот башни, как на этом фото?

0
6  
Три фото символизируют: толовые шашки - детонацию, разрушенная взрывом башня - конвективное горение пороха, горящая дорожка пороха - горение при н.у.
Для разрушения оборонительных сооружений из камня использовали деревянные ящики укрепленные металлом. Масса ящика около 100 кг, заряд пороха в нем примерно 15-20 кг. Для достижения требуемого эффекта, ящик закладывали в предварительно выбитую в стене нишу, повторяющую по форме и размеру ящик. Таким образом, заряд оказывался с пяти сторон ограничен камнем стены, кроме того, имел собственную прочность.
     Камень это достаточно хрупкий и тяжелый материал, поэтому, даже сильные трещины и сотрясения от взрыва часто достаточно для осыпание стены под собственным весом. В небезызвестном фильме "Марко Поло" (последняя, 10 серия) неплохо показан процесс осыпания каменной стены после обстрела из требюшета (вид катапульты). Аналогично и здесь.
     Работы по выниманию камня из кладки (долбление зарядной камеры) производили вручную, под прикрытием больших щитов (защита от стрел и пр. "радостей", сыпавшихся сверху).
     На фото снимок башни в восточной Германии, башня разрушена более 300 лет назад. Часть разрушений (особенно, в центральной части) это работа времени и метеорологических факторов.

0
1  
Можно подробнее о запале, использованном Брейвиком?

1
2  
Гипотетически, любой энергонасыщенный состав можно инициировать от любого другого энергетически насыщенного материала (ТОС, МВВ, БВВ, АСВВ и пр.). Материалов по технологиям, использованным Брейвиком мне попадалось крайне мало. В единственном документальном видео упоминался заказ в Польше нитрата натрия (для детонатора). Он мог быть использован для получения нитрита с последующей конденсацией с формальдегидом и аммиаком до циклогексотриметилентринитроамина. Но, данное вещество требует отдельного детонатора. Да, и получение нитрита производится через сплавление со свинцом с последующим упариванием под вакуумом.
Поэтому, скорее всего, запал включал простенький ТОС из натриевой селитры с алюминиевой пудрой и каким-либо горючим (сера, уголь, фосфор и пр.). Данный состав в количестве 10-500 гр. должен был иметь прочный корпус из металла. Подобный запал прост в изготовлении, не особенно надежен, и позволяет вызвать лишь турбулентное горение. Основной заряд при этом не обязательно помещать в прочный корпус. В Осло функцию корпуса выполнил салон микроавтобуса.

0
3  
Если заводить игданит от дымного пороха, возможна ли детонация?

0
4  
При горении любого пороха или ТОС нет бризантной ударной волны, процесс переноса энергии осуществляется только за счет нагрева. Поэтому, порох может лишь поджечь АСВВ, но, переход горения в детонацию, в данном случае, мало зависит от инициатора. В большей степени он зависит от размеров заряда, прочности корпуса и свойств АСВВ. В любом случае для игданитов и большинства динаммонов вероятность перехода горения в детонацию не превышает 4-7%.
   Поэтому, АСВВ и другие БВВ никогда не поджигают - это не имеет смысла (см. следующую статью про горение и детонацию, ссылка на которую в конце данной статьи). Проще потратить эти 10-30 рублей и купить КД№8А или КД№8Б (в зависимости от условий проведения работ).

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]