Источники энергии взрывов и их параметры

Разнообразные виды взрывов различаются физической природой источника энергии и способом ее освобождения.

Источником энергии химического взрыва являются быстропротекающие самоускоряющиеся экзотермические реакции взаимодействия горючих веществ с окислителями (горение) или термического разложения нестабильных соединений (детонация).

Источники энергии сжатых газов (паров) в замкнутых объемах могут быть как внешними, так и внутренними. Внешние – это электрическая энергия, используемая для сжатия газов и нагнетания жидкостей; теплоносители, в том числе электрические, обеспечивающие нагрев жидкостей и газов в замкнутых объемах. К внутренним источникам относятся энергия экзотермических физико-химических и тепломассообменных процессов в замкнутом объеме, приводящих к интенсивному испарению жидких сред или газообразованию, росту температуры и давления без внутренних взрывных явлений.

Энергоносители химических взрывов могут быть твердыми, жидкими или газообразными веществами, а также аэровзвесями горючих веществ (жидких и твердых) в окислительной среде (чаще всего в воздухе).

Твердые и жидкие энергоносители относятся в большинстве случаев к классу конденсированных взрывчатых веществ. В состав этих веществ или их смесей входят восстановители и окислители или другие химически нестабильные соединения. При инициировании взрыва в этих веществах с огромной скоростью протекают экзотермические окислительно-восстановительные реакции или реакции химического разложения, при которых энергия межмолекулярных связей выделяется в виде теплоты.

Для взрывчатых веществ характерно увеличение скорости химического разложения при повышении температуры. При сравнительно низкой температуре химическое разложение протекает очень медленно, так что взрывчатое вещество в течение длительного времени может не претерпевать заметного изменения в своем состоянии. В этом случае между взрывчатым веществом и окружающей средой устанавливается тепловое равновесие, при котором непрерывно выделяющиеся небольшие количества теплоты отводятся за пределы вещества посредством теплопроводности. Если создаются условия, при

которых выделяющаяся теплота не успевает отводиться за пределы взрывчатого вещества, то благодаря повышению температуры развивается самоускоряющийся процесс химического разложения, который называется тепловым взрывом. В связи с тем, что теплота отводится через внешнюю поверхность взрывчатого вещества, а ее выделение происходит во всем объеме вещества, тепловое равновесие может быть нарушено при увеличении общей массы взрывчатого вещества. Это обстоятельство учитывается при хранении взрывчатых веществ.

Во взрывной технике в основном применяются конденсированные взрывчатые вещества, преимущество которых заключается в заначительной концентрации энергии в единице объема. В сочетании с большой скоростью процесса это позволяет получать при взрыве огромные мощности. Так, по заряду из 1 кг гексогена, объем которого 0,6 литра, а теплота взрыва 5,4 МДж (1300 ккал), детонация может пройти за 10 микросекунд (1∙10^-5 с), что соответствует мощности 500 млн. кВт (в десятки раз больше, чем мощность самой крупной электростанции). Реакция при детонации идет так быстро, что образовавшиеся газообразные продукты с температурой в несколько тысяч градусов оказываются сжатыми в объеме, близком к исходному объему заряда, до давлений в десятки гигопаскалей (сотни тысяч кгс/м²). Резко расширяясь, сжатый газ наносит по окружающей среде удар огромной силы. Происходит взрыв.

Газообразные энергоносители представляют собой гомогенные смеси горючих газов (паров) с газообразными окислителями – воздухом, кислородом, хлором и др., либо нестабильные газообразные соединения, такие как ацетилен С₂Н₂ и этилен С₂Н₄, склонные к термическому разложению в отсутствие окислителей. Источником энергии взрывов газовых смесей являются экзотермические реакции окисления горючего вещества или реакции разложения нестабильных соединений. Так, при взрывном разложении ацетилена С₂Н₂ в отсутствие кислорода О₂ выделяется 8,7 МДж/кг энергии, которой достаточно,чтобы разогреть продукты реакции до 2800^оС. Этилен разлагается на метан СН₄ и углерод С.

Двухфазные взрывоопасные аэровзвеси состоят из мелкодисперсных горючих жидкостей («туманов») или твердых веществ (пыли) в окислительной среде, в основном в воздухе. Источником энергии их взрывов также является тепло сгорания этих веществ.

К основным параметрам источников взрыва, которые определяют амплитуду, продолжительность и другие характеристики взрывной волны, относятся энергия взрыва Е, удельная теплота взрыва (энергосодержание единицы массы) и скорость энерговыделения , то есть удельную мощность (количество энергии, выделяемой в единицу времени на единицу объема).

Энергию взрыва парогазовых сред определяют по теплотам сгорания горючих веществ в смеси с воздухом (окислителем); конденсированных взрывчатых веществ – по теплоте, выделяющейся при их детонации (реакции разложения; при физических взрывах систем со сжатыми газами и перегретыми жидкостями – по энергиям адиабатического расширения парогазовых сред и перегрева жидкости.

Удельную мощность при химических взрывах можно определить по скоростям распространения детонации или пламени в газовой среде. Скорость распространения детонации в твердом или жидком взрывчатом веществе приблизительно соответствует скорости звука в веществе и находится в интервале 2-9 км/с; при газовых химических и физических взрывах волны сжатия двигаются со скоростью, близкой к скорости звука в воздухе (330 м/с).

Сила физических взрывов сосудов со сжатым или сжиженным газом (паром) характеризуется внутренним давлением, а разрушения вызываются ударной волной от расширяющегося газа или осколками разорвавшегося резервуара.

Кроме того, физические взрывы возникают при смешивании горячей и холодной жидкостей, когда температура одной из них значительно превышает температуру кипения другой (например при выливании расплавленного металла в воду). Испарение в этом случае протекает взрывным образом вследствие фрагментации капель расплава, быстрой теплоотдачи от них и перегрева холодной жидкости. Возникающая при этом физическая детонация сопровождается образованием ударной волны с избыточным давлением в жидкой фазе, достигающим в ряде случаев сотен МПа.

В таблице 9.2 приведены характеристики некоторых конденсированных взрывчатых веществ. Как видно, удельная теплота взрыва конденсированных взрывчатых веществ характеризуется значениями от 1,5 до 7,5 МДж/кг. Наибольшей удельной теплотой взрыва (но и очень низкой стабильностью) обладает стехиометрическая смесь жидкого водорода и жидкого кислорода – 16,7 МДж/кг.

Таблица 9.2

Характеристики некоторых конденсированных взрывчатых веществ

Для оценки случайных и преднамеренных взрывов широко применяется метод адекватности разрушений, вызванных различными взрывчатыми веществами. Объясняется это тем, что взрывная волна имеет тенденцию к быстрой утрате особенностей, обусловленных природой взрыва, так что ее последующее движение в основном определяется лишь величиной энергии, передаваемой окружающей среде. Благодаря этому обстоятельству взрывные волны, порожденные в одной и той же среде взрывами разного типа, в основных чертах оказываются подобными, что позволяет ввести для характеристики взрывов так называемый тротиловый эквивалент, то есть определяют массу тротила (тринитротолуола, ТНТ), которая требуется, чтобы вызвать данный уровень разрушений. Если взрывчатое вещество известно, то тротиловый эквивалент – это масса заряда тротила ,энергия взрывчатого разложения которого равна энергии, выделяемой при взрыве известного заряда. Удельные тротиловые эквиваленты взрыва известных конденсированных взрывчатых веществ, найденные по теплоте взрыва тротила (4520 кДж/кг), находятся в пределах от 0,340 до

1,667, а смеси жидких водорода и кислорода – составляют 3,7.