УДК 534.222.2
DOI: 10.18698/2308-6033-2020-11-2028
Оценка амплитуды давления на преграду продуктов
недосжатой уходящей детонационной волны
структурированного заряда
© С.Г. Андреев, М.М. Бойко
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия
Рассмотрены особенности воздействия взрыва структурированных зарядов на
сжимаемые преграды на основе представлений о различных механизмах разложения
взрывчатых веществ при сверхзвуковом распространении зон реакции недосжатой
детонации. В таких зарядах искусственным или естественным образом
могут быть сформированы стержнеобразные высоко детонационно-способные
образования, пронизывающие заряд и обеспечивающие распространение зоны завершенного
тепловыделения со скоростью большей, чем нормальная, идеальная
скорость детонации монодисперсного заряда той же плотности. Предложена
простая алгебраическая модель взрывного процесса структурированных зарядов,
протекающего в форме недосжатой детонации. Получены алгебраические выражения,
позволяющие сравнивать пиковые значения давлений на преградах в зависимости
от направления распространения детонации относительно преграды
и от режима (нормального или недосжатого) детонации.
Ключевые слова: недосжатая детонация, структурированный заряд, преграда,
направление распространения, давление воздействия
Введение. Задача усовершенствования технических устройств,
в которых используется выделение энергии при сгорании или детонации
взрывчатых веществ (ВВ), до сих пор является актуальной [1–6].
При этом одна из основных задач заключается в выявлении того, как
зависит от структурных характеристик заряда и особенностей инициирования
взрывного превращения в нем амплитуда и длительность
импульса давления на элементы устройства, а также возможность
управлении этими характеристиками. В настоящей статье рассматриваются
особенности влияния направления распространения детонации
зарядов ВВ разных структур на одну из характеристик действия
продуктов детонации на окружающие объекты (величину амплитуды
импульса давления) применительно к задачам разработки устройств
генерации ударно-волновых воздействий большой длительности и
сравнительно низкой амплитуды. Необходимость рассмотрения этих
особенностей обусловлена двумя обстоятельствами.
1. Эксперименты с взрывными ударными трубами [6], проводимыми
для исследования поведения энергетических и реакционных
материалов под действием длительных импульсов давления амплитудой
0,1…1,0 ГПА, создаваемых посредством использования низкоамплитудных
низкоплотных ВВ, показали, что реализуемые временИнженерный
журнал: наука и инновации # 11·2020
1
Стр.1
С.Г. Андреев, М.М. Бойко
ные профили давления на исследуемые материалы могут отличаться
от расчетных. Этот эффект объясняется особенностями эволюции
взрывного процесса в газопроницаемых низкоамплитудных зарядах
ВВ, возбуждаемого продуктами детонации инициирующего заряда,
достаточно подробно представленными в работах [1, 2]. Для достижения
удовлетворительного совпадения реализуемых импульсов
давления с расчетными данными приходится применять трудоемкие
методы формирования структуры газопроницаемых зарядов ВВ.
Альтернативный метод устранения нестабильности временного
профиля давления зарядов с низкой амплитудой может быть связан с
введением в этот заряд каркасообразных элементов из ВВ с повышенной
детонационной способностью. Оценка особенностей влияния
таких предполагаемых каркасных элементов на временной профиль
давления продуктов детонации на материалы, изучаемые с помощью
взрывных ударных труб, представляется актуальной.
2. Каркасообразные элементы в зарядах ВВ или взрывчатых составах,
приводящие к тому, что скорость детонации начинает определяться
не термодинамическими характеристиками исходного вещества и
продуктов его разложения, могут быть не только искусственно сформированными
элементами заряда, но и возникать «естественным» образом.
Например, если в заряде объемная доля предположительно
сферических частиц условно одинакового размера, близкого к критическому
диаметру детонации, лежит в диапазоне 0,26…0,66, то возможно
появление так называемых плотнейших шаровых упаковок или
плотных шаровых укладок. При этом детонация уже может распространяться
от частицы к частице ВВ с повышенной детонационной
способностью, а скорость детонации заряда (как целого) будет определяться
не средней плотностью заряда, а скоростью детонации каркасного
компонента и геометрическими особенностями каркаса. Соответственно,
бризантное действие таких зарядов будет связано с
плотностью заряда и его термодинамически определяемой скоростью
детонации соотношениями, отличными от традиционно рассматриваемых
в физике взрыва и удара.
Цель настоящей статьи — получить алгебраические выражения,
позволяющие оценить параметры функционирования взрывных
устройств со специальными режимами выделения энергии в разрывных
разрядах взрывчатых веществ.
Модель заряда взрывчатых веществ и детонации. Рассмотрим
плоско-симметричное течение продуктов детонации (ПД) заряда,
находящегося в абсолютно жесткой трубе и контактирующего со
сжимаемой инертной средой (там же помещенной), называемой
в дальнейшем преградой (обозначается с индексом W). Сжимаемость
преграды задается ее начальной плотностью
ρ 0W и ударной адиабатой
в форме связи волновой WD и массовой u скоростей:
2
Инженерный журнал: наука и инновации # 11·2020
Стр.2
Оценка амплитуды давления на преграду продуктов недосжатой уходящей…
DWW Wu
αβ ,
где αW и βW — коэффициенты ударной адиабаты.
В простейшем случае детонирующий заряд образован стержнями
из ВВ с начальной плотностью 0ρс (суммарная площадь поперечных
сечений стержней — 2 ),c
проходящими по всей его длине, и ВВ
с начальной плотностью 0ρ ,a которое заполняет пространство между
ними. Площадь поперечного сечения сформированного таким образом
структурированного заряда обозначим 2,a удельную теплоту
взрыва этих ВВ — соответственно cQ и ,aQ а показатель изоэнтропы
ПД — cn и .an Тогда выражения для осредненных значений плотности
ρ
0сa и удельной теплоты взрыва caQ заряда будут иметь вид:
ρρ00 ca
с
c
сa a0
22
1
QQ Q aa
Qc
a
ρρ
11 1
aa
ρρ 1
с
c
00
00
c
с
ca
с0
ρρ ,
ca
22 1
.
(1)
(2)
Предположим, что в общем случае показатель изоэнтропы ПД
низкоплотных ВВ [7] в плоскости Чепмена — Жуге линейно зависит
от начальной плотности заряда ВВ 0ρ :
nn *0ρ , n
n * 1,33;
n — эмпирический коэффициент,
(3)
где *n — коэффициент, значение которого близко к показателю идеального
газа,
n ≈
≈ 11 30
кг/м3.
При этом определяемая правилом отбора скорость идеальной детонации
[6]
DnJ ,Q212
где Q — удельное количество энергии (теплоты), выделяющееся
к моменту окончания реакции.
Если течение в детонационной волне является плоско-симметричным,
то поверхность завершения реакции (на которой массовая
доля продуктов разложения ВВ становится равной единице,
а скорость разложения — равной нулю) совпадает с поверхностью,
на которой продукты детонации удовлетворяют правилу отбора скоИнженерный
журнал: наука и инновации # 11·2020
3
Стр.3