Кафедра «Спецприборостроение»

Кафедра «Спецприборостроение»

Журавлев А.П., Смирнов Е.Б.

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

(тематика КБ-1 РФЯЦ-ВНИИТФ)

 

Методическое пособие

для специальностей

171400 – «Средства поражения и боеприпасы»,

«Боеприпасы и взрыватели» (170103 по ОКСО)

 

г. Снежинск

2013 г.

Журавлев А.П., Смирнов Е.Б., «ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ (тематика КБ-1 РФЯЦ-ВНИИТФ)». – Снежинск; СФТИ НИЯУ МИФИ, 2013. – 150 стр.

 

Настоящее пособие содержит 150 страниц, 27 рисунков, 9 таблиц.

Предназначено для студентов технических вузов, обучающихся по специальностям, связанным с проектированием спецбоеприпасов.

 

 

Рецензент —

 

 

Утверждено на заседании кафедры____________________	«___»_____________2013 г.
Одобрено учебно-методическим советом СФТИ НИЯУ МИФИ	«___»_____________2013 г.

 

 

©Журавлев А.П., Смирнов Е.Б., СФТИ НИЯУ МИФИ, 2013.

Содержание

1. Области использования специальности СПР и профессиональная деятельность специалистов
2. Взрыв и взрывные явления
3. Химическое превращение вещества
4. Распространение химического превращения в ВВ
5. Создание атомной бомбы в США
6. Создание ядерного оружия в СССР
7. Основы ядерного оружия
8. Разработка и отработка ЯЗ
9. Ядерные испытания в СССР и США
10. Мирные ЯВ
Список использованных источников

 

Перечень сокращений

СПР – спецприборостроение

СБП – спецбоеприпас

КД – конструкторская документация

ЭД – эксплуатационная документация

ЯБП – ядерный боеприпас

ТТЗ – тактико-техническое задание

МО – министерство обороны

ЯО – ядерное оружие

СПБ – средства поражения и боеприпасы

ГК – госкорпорация

НИР – научно-исследовательская работа

ПФЯВ – поражающие факторы ядерного взрыва

РФ – Российская Федерация

ВС – вооруженные силы

ТТТ – тактико-технические требования

ККС – конструкторско-компоновочная схема

ТЗ – техническое задание

ОКР – опытно-конструкторские работы

СП – спецприборы

ОБЧ – обычные боевые части

ЦЧ – центральная часть

ЯЗ – ядерный заряд

ФС – фокусирующая система

ВНИИЭФ – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики

ВНИИТФ – Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики

ГР – газовый реактор

СТК – система термокомпенсации

ВВ – взрывчатое вещество

ВМ – взрывчатый материал

ПВ – продукт взрыва

ЯР – ядерный реактор

ТВЭЛ – тепловыделяющие элементы

ЯУ – ядерная установка

АН – академия наук

ГКО – государственный комитет обороны

КТР – коэффициент термического расширения

РДС – реактивный двигатель специальный

ДМ – делящиеся материалы

АЗ – атомный заряд

АБ – авиабомба

НТЦ – научно-технический центр

ВОУ – высокообогащенный уран

РВ – радиоактивное вещество

ГВБ – групповая взрывобезопасность

НИИК – научно-исследовательский испытательный комплекс

БЧ – боевая часть

УРС – уравнение состояния

ГДТС – газодинамический термоядерный синтез

ПФ – поражающие факторы

ЯИ – ядерное испытание

КВИ – канал вывода излучения

ФО – физический опыт

ФУ – физическая установка

ЛНС – линия наименьшего сопротивления

ЯВУ – ядерное взрывное устройство

ЯВ – ядерный взрыв

ДВЗЯИ – договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний

ЦП – центральный полигон

НВЭ – неядерно-взрывной эксперимент

ВЗК – взрывозащитная камера

 

Области использования специальности СПР и профессиональная деятельность специалистов

Области использования

1. Теория и обоснование рациональности программ и системы СБП, прогнозирования и планирования, развития потребностей в них.

В основном, это вопросы государственного значения, базирующие на военную доктрину страны. Рассматривается перспектива потребностей ВС страны в том или ином виде вооружений, чтобы обеспечить обороноспособность страны на ближайшее время. К числу таких разработок можно отнести «Программы вооружений …», договора о сокращении определенных типов вооружений.

На этом этапе осуществляется связь ядерных центров с ГК «Росатом», ВПК.

2. Модели и методы исследования новых физических явлений, процессов, технических решений, источников энергии и материалов (веществ) для разработки перспективных и совершенствования существующих образцов СБП и их элементов.

Данное направление деятельности относится к проведению исследовательских работ в различных областях науки и техники применительно к разработке спецбоеприпасов. Так, в подразделениях ВНИИТФ создаются исследовательские отделы и группы для ряда областей исследования. К числу их можно отнести изучение динамических свойств материалов, разработка программных комплексов для сквозных расчетов изделий в условиях отсутствия испытаний ЯО, лазерная тематика, разработка осколочных боевых частей и др. Результаты исследований (экспериментальные и теоретические) используются теоретиками, конструкторами и экспериментаторами при разработке и модернизации образцов спецбоеприпасов.

3. Методы обоснования требований к СБП и их системам.

Проектирование СБП проводится в расчете на удовлетворение определенных нагрузок, характерных по виду и уровням. Разработка их в основном находится в ведении военных институтов, занимающихся вопросами стратегии и тактики действия вооруженных сил в той или иной ситуации. Задачей подразделений института, занимающихся перспективными разработками, является взаимодействие с ними и координация работ разработчиков СБП в части уточнения и соблюдения заданных требований.

На данном этапе осуществляется связь с военными организациями в части проектирования будущих разработок, что, как правило, является глубокой НИР.

4. Теория и методы проектирования СБП, обоснование способов улучшения их характеристик и совершенствование технологии производства.

Данное направление характеризует конструкторскую и производственную сторону деятельности разработчиков СБП. Постоянное совершенствование методов конструирования на основе накопленного опыта, технологических процессов изготовления конструкций, внедрение современной техники в производственные процессы, использование новых материалов – вот те немногие функции разработчиков. Существенная роль отводится стандартизации – разработке руководящей документации по всем производственным вопросам.

Конструкторская составляющая разработок – это выпуск КД, удовлетворение требований теоретиков, газодинамиков, прочнистов.

Именно на этой стадии осуществляется путь разработок – от физсхемы до КД, и выдвигается на первый план производственная составляющая – связь с заводами серийного и опытного производства по разработке и утилизации продукции.

5. Разработка и совершенствование методов анализа и оптимизации тактико-технических характеристик.

К данному направлению относятся функции обоснования заданных тактико-технических характеристик разрабатываемых конструкций по прочности, надежности, характеристикам работоспособности, газодинамическим параметрам, их оптимизация, проведение исследовательских работ по разработке и совершенствованию методов обоснования.

На этой стадии осуществляется подтверждение характеристик по результатам расчетов, экспериментальной отработки и испытаний.

 

6. Методы экспериментальной отработки.

Развитие методов экспериментальной отработки – приоритетное направление деятельности. В институте созданы специализированные подразделения, выполняющие отработку в лабораторных условиях, на физических установках, моделирующих те или иные виды воздействия, во взрывных испытаниях на внутреннем полигоне или внешних полигонах РФ.

Направления экспериментальной отработки – обоснование заданных характеристик изделий, их безопасности, стойкости к ПФЯВ. Для проведения экспериментальных работ проводится разработка макетов, физустановок, испытательной и измерительной оснастки.

7. Исследование условий эксплуатации и боевого применения (анализ внешнего воздействия).

Разработчики СБП постоянно занимаются вопросами эксплуатации – координация работ с подразделениями ВС и серийными предприятиями отрасли по контрольным и периодическим проверкам изделий, находящихся в эксплуатации, по продлению гарантийных сроков изделий, по утилизации.

На данном этапе осуществляется проведение периодических контрольных проверок изделий, находящихся в эксплуатации, их утилизация.

8. Создание теоретических и экспериментальных методов исследования внешних и внутренних воздействий.

К числу функций экспериментальных подразделений относится разработка новых методов испытаний и совершенствование материальной испытательной базы. Разработкой теоретических методов исследования воздействий занимаются теоретики, математики, специалисты по прочности, надежности, газодинамики, баллистики, материаловеды и др.

9. Создание методов комплексного противодействия техническим средствам разведки и защиты от средств противодействия иностранных государств.

Вопросам сохранения государственной тайны всегда уделялось большое значение. Поэтому на предприятиях отрасли созданы подразделения, обеспечивающие как секретность работ, так и развитие методов комплексного противодействия техническим средствам разведки и защиты от СП иностранных государств и контроль за соблюдением за выполнением режимных и производственных требований.

Специальность СПБ входит в общее направление подготовки специалистов – «Оружие и системы вооружения».

 

Взрыв и взрывные явления

Энергия вещества или какого-либо процесса определяет его способность выполнять механическую работу или выделить определенное количество тепла. Энергия природных процессов колеблется в широких пределах, представление о которых дает табл. 1.

 

Таблица 1 – Значения энергии некоторых процессов

Процесс	Энергия, Дж
Падение яблока с высоты 1м
Рентгеновское излучение (смертельная доза)	10^4
Взрыв 1 кг. тротила	4,2×10^6
Горение 1кг бензина	4,5×10^7
Разряды атмосферного электричества	10^8
Взрыв атомной бомбы	10^18
Землетрясение	10^20
Взрыв звезды	10^44

 

Понятие взрыва тесно связано с понятием энергии. Как правило, взрыв соотносят с шумовыми и тепловыми эффектами, а также с производимыми разрушениями. В общем случае взрыв может рассматриваться как быстрое физическое или химическое изменение состояния, сопровождающееся высвобождением тепловой и кинетической энергии. По способу распространения взрыв может быть объемным (часто называют гомогенным) – возникающим и протекающим одновременно во всем объёме вещества и распространяющимся (часто называют само-распространяющимся) – возникающим в некоторой области объёма и последовательно распространяющийся по объёму вещества. Распространяющееся с конечной скоростью взрывное превращение вещества в определенных условиях может стать самопроизвольным или самоподдерживающимся, именно такой вид взрыва получил широкое применение на практике. В зависимости от источника энергии взрывчатого превращения можно рассматривать физические и химические взрывы.

 

Химические взрывные явления

Химические взрывы сопровождаются высвобождением тепловой энергии при химических реакциях.

Химический взрыв. Изобретенный в древнем Китае и вновь открытый в средневековой Европе порох был первым компактным и мощным источником энергии. Позднее появились взрывчатые вещества (ВВ), несравненно более разрушительные. Взрывчатые материалы (ВМ) удобно сравнивать по удельной энергии Q, рассчитанной на единицу массы. Зная массу и скорость пули, а также размеры патрона, легко получить, что 1 г пороха выделяет несколько килоджоулей. При взрыве ВВ выделяется примерно такая же энергия. Характерная величина 1 ккал/г, или 4,2 кДж/г, соответствует удельной энергии тротила.

При взрыве и горении из сложных веществ образуются довольно простые, такие, как CO₂, CO, N₂, H₂O. На одну молекулу продуктов реакции при Q = 1 ккал/г и среднем молекулярном весе 30 г/моль приходится
~2 ∙ 10^-19 Дж, или около 1 эВ.

Приведем простую оценку этой величины. Энергия электрона в атоме размера a ≈ 10^-10 м порядка E = e²/(4πε₀a) ≈ 14 эВ. При химических реакциях происходит обмен электронами, переход их на другие уровни. Значит эффект составит некоторую долю E, а именно порядка электронвольта на молекулу. Из этой оценки следует, что предел энергии взрыва практически уже достигнут (тем более что далеко не каждое взрывчатое соединение может применяться: ВВ должны удовлетворять очень жестким критериям устойчивости).

При нормальной температуре 300 К на поступательное движение двухатомной молекулы приходится энергия 3kT/2 ≈ 0,04 эВ, а при учете вращения – около 0,07 эВ. Энергии 1 эВ на молекулу соответствует температура порядка 4000 К.

При ядерных взрывах происходят цепные реакции деления ядер с образованием новых элементов.Атомные и термоядерные бомбы, несомненно, относятся к важнейшим символам нашего века. Человек, освоив ядерную энергию, достиг технологического могущества, сравнимого по мощности с природными факторами. Энергия ядерных взрывов – от килотонн до десятков мегатонн тротилового эквивалента.

Ядро урана находится на грани устойчивости из-за отталкивания протонов. По этой причине уран – последний естественный элемент в Периодической системе. При распаде на примерно одинаковые осколки выделяется энергия их кулоновского взаимодействия, порядка (Ze/2)²/(4πε₀R) (Z= 92 – число протонов в ядре, R – его радиус). Эта величина превышает химическую энергию в Z²a/(4R) раз. Радиус R на четыре порядка меньше атомного размера a, так что получается коэффициент около 2 ∙ 10⁷, то есть энергия распада примерно 200 МэВ. Отметим, что атомная энергия, как и химическая, в основном электрической природы.

Атом урана на порядок тяжелее молекул продуктов горения нормальных ВВ, и на единицу массы при распаде ядра выделяется примерно в миллион раз больше энергии. Хотя взрывается не весь заряд, но даже при 10%-ной эффективности ядерное ВВ на пять порядков превосходит обычное.

Для атомного взрыва требуется в начальной стадии химический взрыв, образующий критическую массу (например, выстрел одной частью уранового заряда в другую). Термоядерный заряд включается предварительным атомным взрывом, излучение которого сжимает термоядерное горючее. Как видно, мощные взрывы запускаются от более слабых источников.

 

 

Физические взрывные явления

При физических взрывах нет выделения тепла, а источником взрыва служит энергия, подводимая к веществу или системе извне. Когда с веществом происходит физическое изменение, состав его молекул остается прежним, т.е. вещество сохраняет свою химическую индивидуальность. Вместе с этим физические явления могут сопровождаться скачкообразным изменением объема, давления или температуры вещества. Поэтому для возникновения взрыва необходимо, чтобы физически превращающееся вещество было заключено в оболочку. В данном случае правильнее говорить о взрыве системы, состоящей из претерпевающего физическое превращение вещества и оболочки. Скачкообразные изменения состояния вещества сопровождают фазовые переходы первого рода. Потенциальными источниками взрыва могут являться такие физические превращения как – плавление, испарение и сублимация,поскольку, такие переходы, как правило, сопровождаются увеличением объёма вещества.

При физических взрывах происходят только физические преобразования без изменения химического состава веществ (взрывы паровых котлов, баллонов со сжиженным газом и др.). Приведем некоторые примеры физических взрывов.

Потенциальный взрыв.

Примерами его являются взрыв баллона, взрыв льда (взрыв системы).

Кинетический взрыв. Энергия кинетического взрыва при скорости удара V равна mV²/2, а на единицу массы приходится V ²/2. Тротиловый эквивалент 4,2 МДж/кг соответствует скорости . Входя в атмосферу Земли, объекты внеземного происхождения имеют скорость больше второй космической. При 12 км/с килограмм массы эквивалентен 16 кг тротила, а при 60 км/с килограмм вещества в 400 раз калорийнее тротила.

В 1993 году супруги К. и Ю. Шумейкер и Д. Леви открыли комету SL9, захваченную Юпитером несколько десятилетий назад. Комета разрушилась при одном из пролетов вблизи планеты. С 16 по 22 июля 1994 года на Юпитер упало 25 крупных обломков размерами в несколько километров со скоростью около 60 км/с. За падениями следили все земные обсерватории, а также орбитальный телескоп им. Э. Хаббла и космический аппарат “GALILEO”.

Места падения находились на невидимой с Земли части Юпитера. Однако через 10–20 мин после ударов вращение планеты выносило эти точки в пределы видимости. Заметим, что собственно удара в нашем земном понимании не происходило. Юпитер не имеет поверхности, в его атмосфере нет границы раздела между твердой и жидкой фазой; приводимый в справочниках радиус планеты условен (он соответствует давлению 1 атм). Поэтому каждое событие было растянуто во времени: осколки тормозились, проходя сотни километров, в конце концов, испарялись, порождая ударные волны. Размер области влияния взрывов достигал тысяч километров; следы ударов были заметны в течение недель. Типичный осколок массой около 10000 т выделял ~10²² Дж, или несколько миллионов мегатонн.

Возраст известного кратера в Аризоне – тысячи или десятки тысяч лет, то есть он возник уже в присутствии на Земле современного человека. Диаметр кратера 1200 м, глубина 175 м. Минимальная работа для поднятия грунта из такой ямы на уровень почвы порядка 3 ∙ 10¹⁴ Дж. Поскольку только часть энергии взрыва пошла на выброс, вероятная энергия была 3 ∙ 10¹⁵ Дж, или около 1 Мт тротила. Масса метеорита (при второй космической скорости) порядка 50 тыс. т, размер около 20 м. Такой метеорит способен уничтожить крупный город.

Энерговыделение Тунгусского метеорита оценивается в 10 Мт. Возможны падения и километровых объектов с энергией в миллионы раз больше. Сейчас прорабатываются возможности защиты Земли от астероидной опасности.

Электромагнитный взрыв. Конденсатор емкостью 100 мкФ, заряженный до напряжения 300 В, эффектно испаряет медную проволочку диаметром 150 мкм (из таких проволочек состоит обыкновенный монтажный провод). Более мощные взрывы возможны при коротком замыкании электрических сетей, а также при фокусировке мощного импульса света лазера.

В данном пособии будут рассматриваться взрывы, в которых источником энергии выступает химическое превращение вещества.

Следуя классическим представлениям теории взрывчатых веществ, химическим взрывом будем называть крайне быстрое самораспространяющееся химическое превращение вещества (системы веществ), протекающее с выделением большого количества теплоты и образованием газообразных продуктов. Из этого определения вытекают четыре основных условия, которым должна удовлетворять химическая реакция для того, чтобы она могла протекать в форме взрыва, а именно: экзотермичность, образование газов или паров, большая скорость, способность к самораспространению. Такой взрыв можно уподобить своеобразной тепловой машине, в которой потенциальная химическая энергия преобразуется в тепловую, а затем в механическую работу, которую совершают в окружающей среде нагретые и сжатые продукты взрыва (ПВ) в процессе своего расширения.

Объемный тепловой взрыв

Главные энергетические характеристики взрыва ВВ – объём газообразных продуктов, теплота, температура и давление взрыва. Для большинства взрывчатых веществ (ВВ) количество газов, выделяющихся при взрыве 1 кг взрывчатого вещества (ВВ), находится в пределах 0,3...1 м³, количество теплоты – 1,9…6,3 МДж (460...1500 ккал).

 

Определение теплоты взрыва

Теплота взрыва может быть определена как теоретическим, так и опытным путём. Ещё в середине XIX века русский академик Г.И. Гесс, основываясь на первом законе термодинамики, предложил метод расчёта теплового эффекта химической реакции, согласно которому суммарный тепловой эффект некоторой последовательности реакций не зависит от пути превращения исходных веществ в конечные продукты, а зависит только от начального и конечного состояний системы. Применительно к реакции взрыва этот закон. Гесса можно сформулировать так: количество теплоты, выделяющейся при взрыве, равно суммарной молярной теплоте образования продуктов взрыва за вычетом молярной теплоты образования самого ВВ

Q _т = Q _пв – Q _ВВ,

где Q _т – молярная теплота взрыва 1 кмоля ВВ, которая выделяется после расширения продуктов взрыва до нормального давления (101325 Па) и температуры 288 К, кДж/кмоль;

Q _пв – молярная теплота образования продуктов взрыва 1 кмоля ВВ, кДж/кмоль;

Q _ВВ – молярная теплота образования 1 кмоля ВВ, кДж/кмоль.

Очевидно,

Q _пв = q ₁ n ₁ + q ₂ n ₂ +,..., + q_n n_n,

где q ₁, q ₂,…, q_n – молярная теплота образования одноимённых продуктов взрыва (при Т =288 К и Р ₀ =101325 Па), кДж/кмоль;

n ₁, n ₂,…, n_n – количество кмолей одноимённых продуктов взрыва 1 кмоля ВВ.

Для взрывчатых механических смесей

Q _BB = Q _BB1 N ₁ + Q _BB2 N ₂ +.... + Q _{BB n} N_n,

где Q _BB1, Q _BB2,..., Q _{BB n} – удельная теплота образования одноимённых компонентов смеси, кДж/кг.

Удельная теплота взрыва ВВ, кДж/кг, определяется по формуле

В расчётах параметров взрыва используют теплоту, которая выделяется при взрыве ВВ в постоянном объёме (без совершения внешней работы). Её называют общей энергией химического превращения ВВ или потенциальной энергией взрыва Q _V.

Молярная теплота взрыва при постоянном объёме больше значения Q _Т на количество теплоты ∆ Q _Т, расходуемой на расширение газов, т. е.

Q_V = Q _T + ∆ Q _Т,

где ∆ Q _Т – количество молярной теплоты, расходуемое на работу расширения газов взрыва, кДж/кмоль.

При температуре, равной 288 К, ∆ Q _Т = å nRT = 8,32 288å n = 2396å n.

Следовательно, молярная теплота, кДж, взрыва 1 кмоля ВВ при постоянном объёме (т.е. в момент взрыва – до расширения газов взрыва)

Q_V = Q _T + 2396Σ n

Для 1 кг ВВ теплота, кДж, взрыва при постоянном объёме составит

Q ^΄ _V = Q_V / М _ВВ,

Опытным путём теплота взрыва определяется взрыванием или сжиганием ВВ в калориметрической бомбе, которая помещается в водяной калориметр.

 

Определение давления взрыва

В случае очень высокого давления, которое в момент взрыва возникает в зарядной камере (шпуре, скважине), плотность газов взрыва близка к плотности жидкости. Поэтому при определении давления газов взрыва нельзя пренебрегать объёмом молекул этих газов. Кроме того, при взрыве ВВ, содержащих твёрдые добавки, когда твёрдые компоненты образуются в процессе химического превращения, необходимо учитывать также объём твёрдого остатка.

Давление взрыва (ед. измерения Па) можно рассчитать по упрощённому уравнению состояния Ван-дер-Ваальса. Формула применительно к взрыву 1 кг ВВ

где

Р ₀ – нормальное атмосферное давление при температуре 0ºС, примерно равное 1,01·10⁵ Па;

–объём газов взрыва 1 кг ВВ при нормальных условиях (при 0ºС и давлении 1,01·10⁵ Па);

Т – температура взрыва ВВ, К;

V –объём заряжания, м³;

a – коволюм газов взрыва, т. е. несжимаемый объём молекул газов взрыва, м³;

b – объём твёрдых компонентов продуктов взрыва 1 кг ВВ (твёрдый остаток), м³.

Величина a определяется размерами молекул газа и выражает собой несжимаемый объём, занятый самими молекулами.

Для практических расчётов рекомендуются следующие значения a при плотности ВВ более 1 кг/дм³ a = 0,0006 '; до 1 кг/дм³ – a = 0,001 .

Параметр b вычисляется по формуле

где n _T1, n _{T 2},..., n _{T n} - число молей твёрдых компонентов в продуктах взрыва;

m ₁, m ₂,..., m_n - масса твёрдых компонентов продукта взрыва, г;

- физическая плотность твёрдых компонентов, кг/м³.

Для упрощения расчётов целесообразно объём заряжания заменить плотностью заряжания

где m _ВВ – масса ВВ, кг.

При взрыве 1 кг ВВ, т. е. для условий расчёта давления

Подставив значение V в уравнение Ван-дер-Ваальса и сделав преобразования, получим:

Продукты взрыва мощных взрывчатых веществ не содержат твердых компонентов, в этом случае для давления можем записать

 

Ядовитые газы взрыва

Взрывчатые вещества содержат органические и неорганические нитраты, нитросоединения и различного рода нитроуглеродистые соединения, поэтому основными ядовитыми газами, выделяющимися при взрыве, являются оксид углерода (угарный газ), оксид (NO) и диоксид (NO₂) азота.

На состав и количество ядовитых газов взрыва в первую очередь влияет кислородный баланс: чем больше он отклоняется от нуля, тем меньше потенциальная энергия ВВ по сравнению с тем уровнем, который был бы при нулевом Б_к, и тем больше выделяется ядовитых газов. При избытке кислорода образуется некоторое количество оксидов азота, а при недостатке – оксид углерода.

Рецептуры ВВ составляются с таким расчётом, чтобы при реакции взрыва образовались в основном пары воды, азот и углекислый газ, т.е. газообразные продукты, наименее опасные для человека. Взрывчатые вещества с нулевым кислородным балансом теоретически не должны давать ядовитых газов. Однако практика взрывных работ показала, что из общего количества газообразных продуктов взрыва 5...10 % приходится на ядовитые примеси.

 

Горение

Горение ВВ –это самораспространяющееся химическое превращение, обусловленное тем, что энергия реагирующих слоёв ВВ передаётся следующим слоям путём теплопередачи, и протекающее с некоторой непостоянной дозвуковой скоростью от десятков до сотен метров в секунду, зависящей от давления окружающей среды.

При рассмотрении условий воспламенения ВВ при его контакте со стенкой, нагретой до постоянной и высокой температуры, был отмечен случай, когда превращение вещества начинается не по механизму объемного теплового взрыва, то есть за счет накопления тепла во всем объеме, а в узкой зоне вблизи нагретой стенки, когда отстоящие от поверхности слои ВВ остаются практически холодными. Полное химическое превращение всего объема ВВ, наблюдаемое в опыте, говорит о том, что зона, в которой первоначально выделилось тепло реакции, в дальнейшем сыграла роль нагретой стенки для воспламенения последующего близлежащего слоя ВВ, который в свою очередь воспламенил следующий слой и так далее. Иными словами, взрывчатое превращение всего объема произошло за счет распространения волны химической реакции, последовательно «переработавшей» все исходное вещество.

Перемещение этой узкой зоны волны химического превращения большинства ВВ часто является распространением пламени. Пламя в каждый момент времени отделяет исходное, практически не затронутое химической реакцией вещество, от конечных продуктов его превращения. Границу, разделяющую состояния вещества, называют фронтом процесса.

В основе рассмотрения движения пламени в большинстве ВВ, а также в газах при высоких давлениях лежит представление о тепловой природе ускорения химической реакции. Учет наличия цепных и автокаталитических механизмов превращения позволяет уточнить картину процесса. Согласно закону Аррениуса скорость реакции (тепловыделение) экспоненциально растет с увеличением температуры, причем при малых температурах ее можно считать равной нулю. За счет этого основное тепловыделение происходит только в узкой зоне, в которой среда разогрета до температур, очень близких к максимальной температуре в продуктах превращения. Для того чтобы превращение охватило весь объем, необходим механизм, который обеспечивал бы перемещение волны химической реакции относительно холодных слоев ВВ.

Распространение пламени за счет теплопередачи называют горением.

Если теплопередача осуществляется теплопроводностью или излучением, то говорят о так называемом «нормальном» горении, которое, как правило, реализуется для каждого ВВ в определенном диапазоне условий. Вне этого диапазона ВВ либо не горят, либо горят в режимах отличных от нормального, например, в режиме конвективного горения при развитой конвективной теплопередаче.

Различают гомогенное и гетерогенное горение. Если ВВ гомогенное, то есть его можно рассматривать либо как совокупность молекул одного сорта, способных к реакции, либо как равномерно перемешанную на молекулярном уровне смесь окислителя и горючего. В этом случае скорость горения определяется только температурой и концентрацией реагентов и реакция, как правило, на определяющей стадии проходит гомогенно.

Гомогенно горят также и смеси окислителя с горючим перемешанные на молекулярном уровне. В этом случае говорят о гомогенном горении гетерогенного ВВ.

Если ВВ представляет собой смесь отдельных частиц горючего и окислителя, либо взвесь частиц горючего в окислителе (реже наоборот) таких размеров, что время перемешивания до гомогенного состояния больше времени их нагрева до температур интенсивной реакции, то процессы окисления будут проходить по поверхности раздела компонентов горящего образца. В этом случае скорость энерговыделения определяется не только температурой и концентрацией реагентов в объеме, но и такими, ставшими уже определяющими, факторами как величина поверхности соприкосновения горючего и окислителя через продукты реакции. Процесс горения при этом является гетерогенным.

 

Детонация

При определённых условиях, способствующих быстрому подъёму давления, например, при взрыве ВВ в замкнутом прочном объёме или при горении на открытом воздухе больших количеств ВВ, горение ВВ может перейти в детонацию.

Детонация – это самораспространяющееся химическое превращение, обусловленное прохождением ударной волны по ВВ и протекающее для данного ВВ при данном его состоянии и при определённых условиях с постоянной сверхзвуковой скоростью порядка нескольких тысяч метров в секунду. Детонация является естественной формой химического превращения промышленных ВВ. Все другие формы паразитные, поэтому на практике с ними ведут борьбу и разрабатывают способы их недопущения. Термины «взрыв» и «детонация» употребляют применительно к ВВ как синонимы.

Для объяснения явления детонации были выдвинуты различные теории и гипотезы. Из современных наибольшим признанием пользуется гидродинамическая теория, согласно которой детонация возбуждается и распространяется ударной волной, проходящей по взрывчатому веществу.

Ударной волной называется скачкообразное изменение давления, распространяющееся в среде со сверхзвуковой скоростью. Эта волна обладает следующими отличительными свойствами:

- скорость ударной волны очень высока и всегда сверхзвуковая;

- при прохождении ударной волны в среде наблюдается движение потока вещества вслед за ударной волной;

- в ударной волне имеет место очень большое давление, нарастание которого (∆ Р) происходит мгновенно, скачкообразно (рис. 2).

P1

Рис. 2 – Геометрическая форма ударной волны

Как следствие этих особенностей во фронте ударной волны (в зоне сжатия, ширина которой весьма мала) наблюдается очень высокая температура и повышенная плотность среды. Повышение температуры является следствием адиабатического сжатия вещества в ударной волне. Температура и плотность возрастают также мгновенно, скачкообразно как и давление. За фронтом ударной волны давление, температура и плотность среды быстро уменьшаются. Сжатие приводит к разрушению молекул ВВ. Освободившись от первоначальных связей, нагретые до высокой температуры горючие элементы и кислород вступают в зоне за фронтом ударной волны в интенсивную химическую реакцию с выделением теплоты и превращением ВВ в газообразное состояние (рис. 3).

Рис. 3 – График детонационной волны (волна движется влево)

Относительно узкая зона, в которой происходит интенсивная химическая реакция, называется зоной химической реакции, или фронтом химического превращения. Впереди фронта находится исходное ВВ, позади – продукты детонации. Распространяющаяся по ВВ ударная волна (зона сжатия) и прилегающая к ней зона химической реакции обобщаются понятием детонационной волны. Передний фронт этой волны принято называть фронтом детонационной волны (детонационным фронтом, фронтом детонации).

Зона химической реакции заканчивается условной границей, называемой плоскостью (поверхностью) Чепмена–Жуге (звуковой поверхностью ). Когда ударная волна выйдет за пределы заряда ВВ, то её энергия, не поддерживаемая более теплотой взрывных химических реакций, быстро угасает. Амплитуда и крутизна фронта волны уменьшаются, и ударная волна переходит в звуковую. Газообразные продукты взрыва, образовавшись за фронтом детонационной волны (в зоне реакций), не остаются на месте, а движутся вслед за нею с массовой скоростью, в 4...10 раз меньшей скорости детонации. Позади детонационной волны давление и плотность продуктов взрыва быстро уменьшаются из-за расширения вещества.