книги / Химическая физика энергонасыщенных материалов

ром dhV. Его существование обусловлено следующим. Известно, го­ рение распространяется в результате передачи тепла, выделившего­ ся в реагирующем слое, слою исходного вещества. Одновременно с выделением тепла в этом слое происходят потери его в окружаю­ щую среду через стенки заряда. Если суммарные теплопотери ста­ новятся очень большими и теплоприход не может их компенсиро­ вать, то горение становится невозможным. При уменьшении диа­ метра заряда теплоприход уменьшается пропорционально квадрату диаметра, а теплоотвод — пропорционально диаметру, т.е. умень­ шается слабее. Поэтому при уменьшении диаметра заряда наступает момент, когда теплопотери не могут быть компенсированы теплоприходом и горение затухает. Наименьший диаметр заряда, в кото­ ром сохраняется способность самораспространения реакции взрыв­ ного превращения, называют критическим rfKp.

В общем случае все факторы, которые увеличивают скорость эк­ зотермических реакций и затрудняют теплопотери, благоприятствуют горению и уменьшают d^. Поэтому критический диаметр зависит от условий горения и, в первую очередь, от давления и начальной темпе­ ратуры. При их увеличении dhVуменьшается. Кроме того, чем выше скорость горения, тем меньше dhV, поскольку меньше время сущест­ вования прогретого слоя, а теплопотери пропорциональны времени.

Для баллиститных (БП) и смесевых порохов d ^ имеет неболь­ шую величину, зависящую от состава и особенно от давления и тем­ пературы заряда (табл. 1).

Таблица 1

Значения d*р БП при различном давлении

Так, критический диаметр dhV для пороха ВП-54, содержащего повышенное (40 %) количество НГЦ, меньше, чем пороха Н (28 % НГЦ), который горит медленнее, чем образец ВП-54.

Катализаторы горения (окись свинца РЬО, углекислый свинец РЬСОз и т.п.), увеличивающие скорость горения, уменьшают <ЛЩ.

Смесевые ТРТ также имеют небольшие d^. Мелкодисперсный ПХА при малой плотности заряда (0,6 и 1 г/см3) устойчиво горит при атмосферном давлении при диаметре 30 мм. Органические ве­ щества повышают способность ПХА к горению и значительно сни­ жают ^кр.

Итак, условиями взрывного превращения являются: 1 ) экзотермичность химической реакции, 2 ) наличие газов или паров в продуктах реакции,

3)большая скорость химической реакции,

4)способность реакции к самораспространению

Если хотя бы одно из перечисленных условий не выполняется, то взрывного превращения не произойдет!

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте общее определение взрыва. Какие виды взрывов вы знаете? Назовите их принципиальное различие.

2.Что такое взрывное превращение? Назовите виды самораспространяющегося взрывного превращения.

3.Что общего и в чем различие между горением и детонацией?

4.Какой тип горения используется в порохах и ТРТ?

5.Назовите стадии взрыва. Сформулируйте определение хими­ ческого взрыва.

6. Назовите условия химического взрыва.

7.Назовите примерную величину теплоты взрывного превра­ щения ЭКМ.

8. Что такое «удельный объем газов» и в каких пределах лежит

его величина для порохов и ТРТ?

9.Что такое критический диаметр горения?

10.Что такое критический диаметр детонации?

Э. МЕХАНИЗМЫ ВЗРЫВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ЭКМ

Взрывное превращение - это самораспространяющиеся хими­ ческие процессы. В этом случае:

1 ) имеет место фронт химического превращения - относитель­ но узкая зона, в которой происходит интенсивная химическая реак­ ция;

2 ) параметры процесса (температура, давление и др.) изменя­ ются по мере удаления от фронта;

3) скорость реакции сильно зависит от количества выделяю­ щейся при реакции энергии и способа ее передачи.

Процесс горения отличается от взрыва и детонации сравни­ тельно малой линейной скоростью распространения фронта реакции (миллиметры в секунду), которая является функцией внешнего дав­ ления и увеличивается с увеличением последнего. При горении по­ ток газообразных продуктов направляется в сторону, противопо­ ложную распространению фронта горения.

Взрыв представляет собой крайне быструю химическую реак­ цию, которая протекает с выделением газов, тепла и со скоростью от нескольких сотен до тысяч метров в секунду. Процесс неустойчив, скорость его зависит от многих факторов. Продукты взрыва в мо­ мент образования движутся в направлении распространения фронта взрывной реакции.

Детонация - это стационарная форма взрыва. Особенность дан­ ного процесса - постоянная, максимально возможная для данного заряда ВВ скорость превращения.

Разница в скоростях химических превращений при горении и детонации обусловливается различным механизмом передачи вы­ деляющейся энергии. При горении теплота, выделяющаяся в зоне реакции, передается от слоя к слою путем теплопередачи, т.е. тепло­ вым механизмом. При взрыве и детонации вследствие быстрого хи­ мического превращения возникает резкое локальное повышение давления, создаваемое газами - продуктами превращения вещества, в результате чего образуется волна сжатия или ударная волна, кото-

где с - удельная теплоемкость пороха; А. - коэффициент теплопро­ водности пороха; и„,- массовая скорость горения пороха.

Зона 2 называется зоной физико-химических реакций в конден­ сированной фазе. Располагается в поверхностном слое К-фазы.

В этой зоне происходят как физические (плавление, испарение, возгонка, диспергирование твердого вещества), так и химические (термическое разложение, внутримолекулярное окисление) превра­ щения компонентов пороха. Суммарный тепловой эффект химиче­ ских реакций (Qo) - слабо положительный. Температура по ширине зоны плавно повышается и достигает на границе зоны значения Т» которое приближенно может быть рассчитано по формуле

где со - средняя теплоемкость продуктов разложения пороха в по­ верхностном слое К-фазы.

Внешняя граница зоны 2 геометрически и физически обычно строго не определена и имеет довольно сложную структуру. Эта зо­ на характеризуется наличием на поверхности наряду с твердой кар­ касной структурой вязкожидкого слоя.

Вторая стадия процесса горения пространственно реализуется

взоне 3.

Взоне 3, называемой парогазодымной, «смешанной» зоной га­ зификации, происходит дальнейшее физико-химическое превраще­

ние первичных продуктов разложения, поступающих из К-фазы, и к концу зоны достигается их полная газификация. В этой зоне вы­ деляется около 15 % от всего тепла, выделяемого при сгорании по­ роха, температура в конце зоны достигает 1000... 1300 К.

Эта зона является светящейся, что объясняется наличием рас­ каленных твердых частиц.

Третья стадия процесса горения реализуется в зонах 4 и 5.

В зоне 4, называемой «темной» зоной, происходят окислитель­ но-восстановительные процессы с образованием в основном продук­ тов неполного сгорания (СО, Н2). При этом выделяется примерно

25...30% тепла от общего количества, а температура на внешней границе «темной» зоны достигает 1400... 1500 К.

Тепловыделение в зоне 4, а также ее ширина существенно зави­ сят от давления газов. С увеличением давления тепловыделение увеличивается, а ширина зоны сокращается. При достаточно высо­ ком давлении (для пороха Н при давлении р = 1 МПа) «темная» зона вообще исчезает.

В зоне 5, называемой зоной пламени, протекают главным обра­ зом бимолекулярные реакции, которые приводят к образованию ко­ нечных продуктов горения и выделению наибольшего количества тепла - 40.. .50 %. Температура в конце зоны пламени достигает рав­ новесного для данного пороха значения (2400.. .3000 К).

Все три стадии процесса горения оказывают влияние на ско­ рость горения пороха. Например, с увеличением давления зона пла­ мени приближается к поверхности К-фазы, увеличивается градиент температуры и вследствие этого увеличивается скорость горения пороха.

3.2. Механизм горения гетерогенных (смесевых) твердых ракетных топлив

Основные закономерности механизма горения гомогенных порохов и ТРТ остаются в силе и для смесевых твердых топлив - это многостадийность процесса горения, зависимость роли каждой ста­ дии от давления и т.д.

Особенности же механизма горения гетерогенных ЭКМ обу­ словлены спецификой их физической структуры.

Условно процесс горения смесевых ТРТ во времени можно представить протекающим в три стадии.

Первая стадия - процессы прогрева, плавления, испарения, де­ струкции и газификации отдельных компонентов топлива, проте­ кающие в поверхностном слое К-фазы.

Из-за различия физико-химических свойств окислителя и горю- чего-связующего вещества поверхность горения топлива имеет весь­

Если размеры частиц окислителя достаточно велики, то гази­ фикация и смешение не успевают закончиться в зоне 2, и горение системы в этом случае будет протекать в диффузионном режиме, а скорость горения будет существенно зависеть от размеров частиц.

Таким образом, скорость горения СТРТ определяется ин­ тенсивностью протекания процессов газификации и смешения про­ дуктов газификации окислителя и ГСВ и скоростью химических ре­ акций между ними.

3.3. Механизм детонации взрывчатых веществ

Детонация, подобно горению, характеризуется тем, что хими­ ческая реакция не протекает во всем объеме вещества одновремен­ но, а распространяется последовательно от слоя к слою. Общим при детонации и горении является то, что по веществу перемещается фронт химического превращения, который в зависимости от проте­ кающего процесса называют детонационным фронтом или фронтом горения, в пределах которого вещество проходит через все проме­ жуточные стадии от исходного состояния до продуктов реакции.

Горение и детонация отличаются друг от друга тем, что при го­ рении нормальная скорость движения фронта химического превра­ щения меньше скорости звука в исходном веществе, а при детона­ ции она превышает эту скорость. При горении внешние факторы (давление, скорость обтекания горящей поверхности продуктов го­ рения и т.п.) оказывают влияние на величину скорости горения, в то время как скорость детонации не зависит от параметров окружаю­ щей среды.

Согласно гидродинамической теории передача детонации обу­ словлена распространением по заряду ЭКМ ударной волны, под­ держиваемой химическими реакциями. Если параметры ударной волны больше критической величины, характерной для данного ЭКМ в данном состоянии (плотность, структура, агрегатное, состоя­ ние и др.), то за ее фронтом будут возбуждаться интенсивные хими­ ческие реакции.