Лекция № 4. Механизм возбуждения взрыва при механических воздействиях. Сущность теплового и нетеплового механизмов при возбуждении взрыва механическими воздействиями
4.1 Механизм возбуждения взрыва при механических воздействиях
На всем пути своего существования ВМ подвергаются механическим воздействиям различной силы и продолжительности. Преднамеренно или случайно эти воздействия могут привести к взрыву ВМ. Поэтому вопросам чувствительности ВМ к механическим воздействиям всегда уделяется большое внимание.
Для оценки чувствительности ВМ к механическим воздействиям было предложено много методов, которые различались способом приложения силы и аппаратурным оформлением. Критерием чувствительности являлись минимальная величина энергии механического воздействия, которая необходима для возбуждения взрыва. При этом было установлено, что разные методы дают различный порядок расположения ВВ по чувствительности (различные ряды чувствительности).
Чувствительность взрывчатых систем к удару и трению определяют в основном с помощью приборов, называемых копрами.
Чувствительность к удару и трению порохов, смесевых твердых ракетных топлив, бризантных ВВ исследуется с целью оценки степени опасности обращения с ними в условиях производства, переработки, снаряжения, транспортировки и т.п., где избежать механического воздействия практически невозможно.
Чувствительность инициирующих ВВ к механическим воздействиям исследуется как для оценки уровня их опасности, так и для оценки безотказности их срабатывания от удара, трения, накола.
При разработке методов и выборе критериев оценки чувствительности к механическим воздействиям, как правило, руководствуются существующими представлениями о механизме возбуждения и развития взрывного процесса в условиях конкретных механических воздействий, а также учитывают факторы, способные оказать заметное влияние на уровень чувствительности ВМ к механическим воздействиям.
4.1.2 Сущность теплового и нетеплового механизмов при возбуждении взрыва механическими воздействиями
В учении о чувствительности ВМ получили распространение две концепции о причинах возникновения взрыва при механических воздействиях – нетепловая и тепловая.
Нетепловая теория допускает, что химическое превращение при механическом воздействии начинается вследствие деформации или разрушения молекул. Имеются две разновидности нетепловых гипотез. Согласно первой из них, механическое воздействие приводит за счет всестороннего сжатия к взаимному сближению атомов в молекулах или молекул между собой на такие расстояния, что возникает химическая реакция, приводящая к взрывчатому превращению (гипотеза критических напряжений).
Однако эксперименты не подтвердили состоятельность гипотезы критических напряжений. Изучение действия высоких давлений на термический распад ВВ показало, что даже такое высокое давление, как 4,5 ГПа, в общем, слабо влияет на скорость химической реакции распада. Кроме того, Бриджмен, проводя прямые опыты по статическому нагружению ВВ до 10 ГПа, не получил взрыва испытанных им ВВ.
Согласно второй нетепловой гипотезе, причиной взрыва является непосредственное разрушение химических связей в молекулах ВВ за счет сдвиговых напряжений (трибохимическая гипотеза). В отношении трибохимической гипотезы следует заметить, что при простой механической деформации, например органических ВВ (молекулярные кристаллы), невозможно осуществить непосредственное разрушение молекул, так как энергия внутримолекулярных связей намного выше, чем межмолекулярных. Но этот механизм может быть реализован в основном при действии ударных волн или крайне редко при механических воздействиях на органические ВВ, имеющие достаточно сложную структуру. Эти доводы указывают на физическую несостоятельность нетепловых гипотез возбуждения взрывного процесса в условиях механических воздействий.
С другой стороны,
в конце ХIХ
века Аррениус показал, что скорость
химической реакции, а высокая скорость
является одним из неотъемлемых признаков
взрывчатого превращения, быстро растет
с температурой по закону
.
Это обстоятельство послужило отправной
точкой тепловой теории, сформулированной
Бертло, согласно которой энергия
механического воздействия первоначально
переходит в тепловую. За счет этого ВВ
нагревается до такой температуры, при
которой в нем возникает быстрая
экзотермическая реакция, заканчивающаяся
взрывчатым превращением.
В своем первоначальном виде тепловая теория была подвергнута обоснованной критике. Она не выдерживает такой проверки, как расчет соответствия энергии механического воздействия, достаточной для возбуждения взрыва, количеству тепловой энергии, необходимому для нагрева ВВ даже до температуры вспышки (для большинства ВВ температура вспышки лежит в пределах 450-650 К).
Проиллюстрируем это следующим примером.
Рассчитаем величину температуры, до которой может нагреться навеска ВВ массой 500 мг в условиях испытания ВВ по, так называемой, «русской пробе». Условимся, что вся энергия удара груза копра будет расходоваться на нагрев всей навески вещества.
Известно, что потенциальная энергия груза, сброшенного с высоты, будет расходоваться на нагрев навески ВВ в соответствии со следующим выражением:
где M = 10 кг – масса груза; g=9,8 м/с2 – ускорение свободного падения; h = 0,25 м – высота сбрасывания груза; m = 500 мг – навеска ВВ; с ≈ 1,25 кДж/(кг∙К)– теплоемкость ВВ; То = 293°К – начальная температура ВВ ; Т – конечная температура ВВ;
Согласно расчету T-To ≈ 78° K; тогда T ≈ 371° K
Таким образом, температура всей навески ВВ не достигает значения температуры вспышки, которая должна быть не менее 400° К. Однако необходимо отметить, что при испытании большинства штатных ВВ в условиях «русской пробы» регистрируют взрывы.
Для устранения несоответствия между тепловой теорией и практикой в 1938 году Ю.Б.Харитоном было высказано предположение о локальности разогрева ВВ при механическом воздействии, сущность которого сводится к следующему:
1) энергия механического воздействия распределяется (диссипирует) не равномерно по всему объему ВВ, а локализуется в отдельных участках; за счет этого температура таких участков, которые получили название «горячих точек» намного превышает температуру окружающего их ВВ и в них возникает интенсивная экзотермическая реакция распада ВВ (происходит тепловое воспламенение, тепловой взрыв «горячей точки»);
2) из горячих точек взрывчатое превращение распространяется на всю массу ВВ.
Принципиальная возможность локального инициирования за малые промежутки времени была доказана А.Ф.Беляевым и Ф.Боуденом.
А.Ф.Беляев в своих экспериментах имитировал локальный очаг путем помещения в жидкие ВВ проволочек микронного размера (диаметр 2 мкм), по которым пропускался разряд тока. Несмотря на весьма малые для очага размеры, время жизни (около 10 мкс) и энерговыделение (около 0,1 Дж) в испытуемом ВВ, возбуждались взрывы.
Ф.Боуден в экспериментах по изучению чувствительности жидких ВВ к удару искусственно создавал локальный очаг путем введения в испытуемое ВВ небольшого пузырька воздуха. При ударе происходит быстрое сжатие пузырька, и температура воздуха в нем повышается до 800-1000° К. В опытах с пузырьком воздуха, введенным в ВВ, Ф.Боуден показал, что взрывы наблюдаются при энергии удара, в 400 раз меньше, чем в опытах без пузырька воздуха.
Для оценки возможности взрыва необходимо знать не только условия его возникновения, но и возможность распространения на всю массу ВВ. Так как разложение ВВ по любому механизму приводит к выделению тепла, то нетепловая теория в чистом виде, тем более, существовать не может. Механизм возникновения взрывчатого превращения как минимум смешанный. Однако и в тепловой и в нетепловой теории пользуются понятием «локальный очаг».
Локально-тепловая (очаговая) теория является сейчас общепризнанной. Её успехи связаны с работами выдающихся советских ученых: Ю.Б. Харитона, А.Ф. Беляева, А.Г. Мержанова, К.К. Андреева, Г.Т. Афанасьева, А.В. Дубовика, В.К. Боболева, Н.А. Холево, В.С. Козлова, а также их зарубежных коллег А. Робертсона, Ф. Боудена и других.
Существенный вклад в теорию чувствительности ВМ внесла и школа ученых СамГТУ, которую основал и долгое время возглавлял В.С. Козлов.
В общем случае тепловая теория очагового инициирования ВВ отвечает на следующие вопросы:
1) какими критическими параметрами (температура, размер, длительность существования) следует характеризовать очаг реакции, который может привести к взрыву ВВ;
2) каковы причины появления очага разогрева при механическом воздействии;
3) каков механизм и каковы условия распространения взрывчатого превращения из очага на всю массу ВВ.
Ниже рассмотрим каждый из этих вопросов подробнее.