книги / Основы технологической безопасности производств энергонасыщенных материалов и изделий

циирующие ВВ). Большинство же взрывчатых веществ от теплового импульса в небольших количествах не детонируют, а поэтому определение их теплоты взрыва с помощью калориметрической бомбы невозможно. Вследствие этого теплоту взрывчатого превращения таких ВВ приходится вычислять теоретически. Теплоты взрывного превращения в различных ЭКМ приведены в табл. 7, 8.

Таблица 7

Энергетические и баллистические характеристики метательных ЭКМ

Таблица 8

Взрывчато-энергетические характеристики основных бризантных ВВ

81

Окончание табл. 8

Температура взрывного превращения Т. Температурой взрыва называют ту максимальную температуру, до которой нагреваются продукты взрыва за счет теплоты, выделяющейся при взрывчатом превращении ВВ.

Вычисление температуры взрыва основано на предположении, что взрыв есть процесс адиабатический, протекающий при постоянном объеме, и что, следовательно, выделяющаяся при взрыве теплота расходуется только на нагревание продуктов взрыва. При этом предположении температура взрыва может быть вычислена по формуле

T = QV , cV

где T – искомая температура взрыва; QV – теплота взрыва; сV – средняя теплоемкость продуктов взрыва в интервале от 0 до t °С.

Температуры взрывного превращения в различных ЭКМ приведены в табл. 7, 8.

Удельный объем газов W1. Удельный объем газов W1 – объем газообразных и парообразных продуктов, образующихся при

82

взрывном превращении 1 кг ЭКМ (в вакууме или инертной среде), приведенный к нормальным условиям (Т = 273 К, р = 101 325 Па). При этом вода, находящаяся в продуктах взрывного превращения, условнорассматриваетсяв видепара.

Удельный объем газов W1 (м3/кг или л/кг) является важной характеристикой ЭКМ, определяющей величину давления пороховых газов в канале ствола и в РД, «силу пороха» и метательное действие заряда.

Величина удельного объема газов зависит от состава по-

n

роха и может быть рассчитана по формуле W1 = ni wi , где ni –

i=1

содержание i-го компонента, %; wi – коэффициент, показывающий, на сколько литров изменяется удельный объем газов при изменении содержания i-го компонента на 1 %.

Экспериментальное определение удельного объема газов основано на измерении объема газообразных и парообразных продуктов горения, образующихся при сгорании определенного количества пороха с последующим приведением полученного объема к нормальным условиям, а также пересчетом объема газов на 1 кг пороха. В полученное значение объема вводится также поправка на объем, который занимала бы вода, если бы она была в виде пара. Для большинства порохов значение удельного объема газов находится в пределах 800–1000 л/кг (см. табл. 7).

Сила пороха. Сила пороха по своему физическому смыслу представляет собой работу, которую произвели бы газообразные продукты горения пороха в количестве 1 кг, расширяясь изобарно (при атмосферном давлении) при нагревании их от 0 до Т1.

Сила пороха может быть рассчитана по формуле f = RT1, где f – сила пороха, кДж/кг; T1 – температура горения пороха, К.

Экспериментально сила пороха определяется путем сжигания пороха в манометрической бомбе.

Значение силы нитроцеллюлозных порохов находится в пределах 800 000–1 200 000 Дж/кг.

83

Удельный импульс тяги. Удельным импульсом тяги двигателя Jуд называют отношение силы тяги двигателя Р к массовому расходу продуктов горения dт/dt:

Jуд = P / m .

При заданных величинах давления продуктов горения в камере сгорания РДТТ и на срезе сопла удельный импульс тяги является характеристикой твердого топлива и поэтому используется для сравнительной оценки различных твердых теплив.

Удельный импульс тяги часто определяется при условии, что давление в выходном сечении сопла равно давлению окружающей среды. В этом случае, при прочих равных условиях, величина удельного импульса тяги максимальна.

Величина удельного импульса тяги (единичного импульса) твердых топлив различных составов колеблется в пределах от 2000 до 2600 Н·с/кг.

Бризантное действие взрыва. Бризантное действие взрыва вызывает местное разрушение в результате резкого удара продуктов детонации по прилегающей к заряду среде или близко расположенным объектам.

Бризантное действие проявляется в дроблении, пробивании или весьма сильной деформации объектов. Оно происходит лишь вблизи заряда ВВ на расстоянии не более двух радиусов заряда, т.е. в первой зоне, где параметры продуктов детонации достаточно велики.

Бризантное действие зависит не только от заряда ВВ, но и от характеристики объекта, а именно от соотношения между временем воздействия продуктов детонации на объект τ и временем прохождения волны деформации по объекту τ1, т.е. времени разрушения объекта.

Для контроля производства и при практическом применении ВВ бризантность оценивают по стандартной пробе – по величине обжатия свинцового цилиндра при взрыве на нем заряда

(см. табл. 8).

84

Фугасное действие взрыва. Очень часто под фугасным действием взрыва понимается действие взрыва в форме раскалывания и отбрасывания среды, в которой происходит взрыв. Фугасное действие обусловлено расширением продуктов детонации до сравнительно невысоких давлений и прохождением ударной волны в окружающей среде. За пределами зоны фугасного действия лежит еще значительно более глубокая область распространения сравнительно слабых ударных и звуковых волн. Фугасное действие взрыва определяется работоспособностью ВВ, т.е. работой, которую может совершить данный заряд ВВ, при неограниченном расширении продуктов взрыва в среде. Эта работа зависит от теплоты взрыва QV, удельного объема W1 и теплоемкости продуктов взрыва.

Для оценки работоспособности (фугасности) ВВ наибольшее распространение имеет метод, при котором измеряется расширение, образуемое взрывом в свинцовой бомбе (см. табл. 8).

Величина давления, образующегося при взрыве. Причина явления взрыва заключается, как указано выше, в чрезвычайно быстром превращении вещества в газообразные продукты, нагретые до высокой температуры. При этом мгновенно возникает очень высокое давление порядка тысяч мегапаскалей (десятков тысяч килограмм на каждый квадратный сантиметр), которое действует как толчок или удар на окружающие предметы.

Рассмотрим это на примере тротила. При взрыве 1 кг тротила образуется около 700 л газа: такой объем занимает газ при температуре 0 °С и давлении 0,1 МПа. Согласно закону Бойля– Мариотта давление газа обратно пропорционально занимаемому им объему. Поэтому при уменьшении объема газа от 700 до 1 л его давление увеличивается в 700 раз, т.е. будет равно 70 МПа.

Но при взрыве газ был нагрет до температуры около 3000 °С. Так как по закону Гей–Люссака при повышении температуры газа на 1 °С его объем увеличивается на 1/273 его первоначального объема, то при нагревании от 0 до 3000 °С этот объем увеличивается в 12 раз (3000:273), т.е. займет объем в 12 л. После

85

этого еще раз уменьшим объем в 12 раз, т.е. до 1 л; от этого давление увеличится в 12 раз, т.е. станет равным 840 МПа (70·12).

1 кг тротила при плотности 1,5 г/см3 заполняет объем 0,66 л, следовательно, надо сжать газ до объема в 0,66 л, чтобы он занял первоначальный объем взрывчатого вещества. При этом давление увеличится во столько раз, во сколько мы уменьшили объем 840/0,66 = 1271 МПа, т.е. около 12 000 кг на каждый квадратный сантиметр поверхности оболочки.

Следовательно, при взрыве 1 кг тротила образуется газ, который производит на оболочку давление с силой 1271 МПа. Так как такое давление образуется в 1/500 000 долю секунды, то оно произведет такое же действие, как если бы мы произвели удар огромной силы. Поэтому при взрыве тротила происходит разрушение оболочки, например корпуса снаряда или технологического оборудования, который разрывается на большое количество мелких осколков, разлетающихся при этом с большой скоростью.

Тротиловый эквивалент. Тротиловый эквивалент является сравнительной оценкой работоспособности различных ЭКМ. Метательные ЭКМ (пороха и ТРТ) могут взрываться и детонировать, поэтому необходимо знать разрушающий эффект при взрыве для расчета сооружений, защиты, оценки опасности для окружающих объектов и т.п.

Тротиловый эквивалент – относительная величина, выражающая работоспособность данного пороха или топлива через показатель работоспособности тротила. За эталон принимается тротил с плотностью 1,5 г/см3 и с теплотой взрыва 4186 кДж/кг

(1000 ккал/кг), отвечающей данной плотности α = Ап 100 % , где

Ат Ап – работоспособность пороха; Ат – работоспособность тротила.

Тротиловый эквивалент является важнейшей характеристикой порохов и топлив, учитываемой при проектировании объектов и их территориальном размещении, при разработке средств защиты и организации производства. При передаче вновь разработанных порохов и топлив на освоение в валовом

86

производстве или для использования в ОКР в паспорте топлива или пороха обязательно приводится его величина.

Определяется тротиловый эквивалент при положительных и отрицательных температурах. Одна из методик заключается в том, что заряд или ДУ, снаряженный топливом, устанавливается в яму, засыпается грунтом и затем с помощью активного заряда из ВВ инициируется взрыв изделия (инициирование с верхнего торца изделия). Замеряется размер воронки. По этим размерам вычисляется количество тротила, которое понадобилось бы для образования такой же воронки. По полученным данным вычисляется тротиловый эквивалент.

По другой методике тротиловый эквивалент определяется по избыточному давлению на фронте ударной волны. В ходе эксперимента находят величину избыточного давления на строго определенном расстоянии от заряда. Затем вычисляют массу тротила, взрыв которого на том же расстоянии дает ту же величину избыточного давления.

В обоих этих случаях тротиловый эквивалент определяют как отношение массы тротила к массе данного пороха

α= тт 100 %.

тп

Тротиловый эквивалент зависит от состава топлива, его физического состояния, температуры, наличия или отсутствия оболочки (табл. 9).

Таблица 9

Тротиловый эквивалент различных ЭКС

87

Скорость горения порохов и твердых ракетных топлив.

Различают линейную и массовую скорость горения.

Линейной скоростью горения называют скорость переме-

щения горящей поверхности вглубь пороховых элементов по нормали к поверхности пороха. Обозначается и и измеряется обычно в миллиметрах в секунду (мм/с).

Массовая скорость горения пороха характеризуется ко-

личеством пороха, сгорающего в единицу времени с единицы площади горящей поверхности. Массовая скорость горения свя-

зана с линейной скоростью следующим уравнением um = uρ, где

ρ – плотность пороха.

Скорость горения является важнейшей баллистической характеристикой порохов и ТРТ, так как ее величина в значительной степениопределяетбаллистические характеристики зарядов.

Установлено, что скорость горения зависит от очень большого числа факторов, основными из которых являются: природа и состав пороха, давление газов среды, в которой происходит горение, и начальная температура пороха.

Аналитическое выражение зависимости скорости горения от давления принято называть законом скорости горения. Для подавляющего большинства порохов ствольного оружия, горение которых происходит при высоких давлениях (р > 30 МПа), закон скорости горения имеет вид u = u1·р, где u1 – коэффициент скоро-

аопределяется только природой и составом пороха. Поэтому она применяется для сравнения различных порохов по скорости горения при строго определенных значениях начальной температуры и давления. «Единичная» скоростьгоренияu1, мм/(с·МПа), при15 °C:

пироксилиновый порох для стрелкового оружия.... 0,9–1,0

пироксилиновый орудийный порох ...................... 0,75–0,85

нитроглицериновый минометный порох .............. 1,15–1,20 нитроглицериновый ракетный порох ................... 0,7

88

Для твердых ракетных топлив, горение которых происходит при сравнительно невысоких давлениях (р = 5–15 МПа), наиболее общим законом скорости горения является следующий:

u = a + bpν , где a, b, ν – коэффициенты, зависящие от состава ТРТ и интервала давлений. Определяются опытным путем. Частными случаями этого закона могут быть u = a + bp или u = bpν .

При этом для одного и того же твердого топлива в диапазоне давлений 3–5 МПа обычно справедлив закон скорости го-

рения вида u = bpν , а при более высоких давлениях – вида u = a + bp .

Зависимость скорости горения от начальной температуры заряда. С повышением начальной температуры скорость горения порохов и твердых ракетных топлив увеличивается. Для оценки температурной чувствительности скорости горения используется температурный коэффициент β:

β = (d ln u )p . dT0

Таким образом, β характеризует относительное изменение скорости горения пороха при изменении начальной температуры на один градус.

Для современных нитроцеллюлозных порохов и ТРТ

β = 0,0038–0,0050 град–1.

Сравнительно высокая температурная чувствительность скорости горения является весьма существенным недостатком нитроцеллюлозных порохов и ТРТ. Она обусловливает зависимость баллистических характеристик готовых зарядов от их начальной температуры. При достаточно большом диапазоне температур эксплуатации (от –50 до +50 °C) это усложняет условия боевого применения зарядов (необходимо вводить поправки на температуру заряда), а в отдельных случаях и конструкцию РД (наличие сменных сопловых вкладышей).

Скорость детонации. Детонационную волну можно рассматривать как устойчивый комплекс из ударной волны и сле-

89

дующей за ней зоны химических реакций. Этот комплекс распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью. Тепловая энергия, выделившаяся в результате реакций, пойдет на пополнение потерь энергии ударной волны. Это обеспечивает поддержание волны на максимально высоком уровне, характерном для данного ВВ. Поэтому детонация распространяется по заряду с постоянной и максимально возможной для данного ВВ скоростью.

Скорость детонации зависит от природы взрывчатого вещества, его плотности, содержания и природы примесей. В табл. 10 приведены данные о зависимости скорости детонации D от плотности ρ четырех бризантных ВВ. В интервале плотностей от 1,0 до 1,6–1,7 г/см3 зависимость скорости детонации от плотности для таких ВВ может быть выражена приближенной формулой Б.И. Шехтера: D = Aρα, где D – скорость детонации; ρ – плот-

ность ВВ; А – коэффициент, зависящий от свойств ВВ; α ≈ 0,67.

90