Возбуждение взрывных превращений и начальный импульс

Наличие взрывчатых свойств у того или иного вещества определяет его потенциальную способность к взрывным превращениям в форме горения или детонации. Чтобы вызвать взрывное превращение, необходимо на взрывчатое вещество оказать определенное внешнее воздействие. Это внешнее воздействие называют начальным или инициирующим импульсом. Возможность возникновения взрывного превращения под действием начального импульса зависит от количества энергии, сообщаемой при этом ВВ.

В зависимости от природы ВВ его взрывное превращение можно вызвать различными начальными импульсами: тепловым (нагревом, лучом огня), механическим (ударом, трением, прострелом пулей), взрывным (взрывом другого ВВ).

Вид начального импульса влияет на характер взрывного превращения, что учитывается для тех или иных условий применения ВВ.

В настоящее время достигнут определенный уровень исследований проблемы ударно-волнового инициирования ВВ. В работе [6] показаны механизм возникновения источников локальной генерации тепла при инициировании ВВ и сравнение эффективности элементарных процессов в веществе.

При инициировании жидких и твердых (литых, прессованных) ВВ существуют принципиальные отличия, которые являются следствием того, что жидкие ВВ гомогенны, а твердые, изготовленные каким-либо из известных технологических способов, гетерогенны. Поэтому критические параметры ударно-волнового инициирования для однородных бездефектных систем существенно выше, чем для структурно-неоднородных с пористостью от 1 до 3%. Это связано с тем, что для гомогенных ВВ необходимо в течение определенного времени прогреть объём за фронтом инициирующей ударной волны.

Модель формирования детонационных волн в гомогенных ВВ (например, нитрометан и его смеси) была предложена Чепменом и уточнена А. Н. Дреминым и сотрудниками [3]. Определение критических условий инициирования детонации для гомогенных ВВ сводится к задаче адиабатического теплового взрыва в условиях изменяющейся во времени температуры с заданным начальным давлением инициирующей ударной волны (УВ).

Гетерогенные же ВВ являются химически однородными, но структурно они неоднородны. Для данной группы ВВ существенны процессы, протекающие на неоднородностях структуры непосредственно за фронтом УВ. При этом для гетерогенных ВВ влияние температурного фона из-за объёмного разогрева значительно, особенно на стадии резкого ускорения инициирующей УВ и установления стационарной детонации. Критические параметры инициирования и пространственно-временная картина течения за фронтом инициирующей УВ для данной группы зависят от баланса между энергией, вводимой в ВВ ударной волной, и энерговыделением от разложения. При этом к локализации выделения энергии приводят следующие структурные дефекты в материале заряда:

макроуровневые срезы и разрушения на неоднородностях структуры заряда;

разрыв сплошности течения вблизи пустот, на границах кристаллов и включений;

дробление и впрыск вещества в полости материала;

макрокумулятивные эффекты в порах;

внутрикристаллические дефекты.

Совокупность структурных неоднородностей в веществе — источников локальной генерации тепла — представлена схемой на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 — Механизм локальной генерации тепла [6].

Превалирующая роль того или иного механизма локальной генерации тепла до настоящего времени не выяснена. Условия начала разложения в очаге могут быть достигнуты при любом механизме генерации тепла в зависимости от физико-механической структуры и свойств ВВ, его пористости, совокупности термокинетических характеристик и характера действующей нагрузки. Однако эффективность этих механизмов не равнозначна и по проведенным оценкам может быть в порядке возрастания представлена следующим образом (рисунок 2.5): деформационный разогрев — ударно-волновой разогрев — фрикционное тепловыделение — вязкопластический локальный разогрев.

Рисунок 2.5 — Сравнение эффективности элементарных процессов инициирования [6].

Необходимо отметить, что достаточный для начала химической реакции разогрев в очаге еще не гарантирует распространения процесса в объёме и, следовательно, создания предпосылок формирования самоподдерживающейся инициирующей ударной волны и ее перехода в детонационную. Последнее возможно только в тех случаях, когда создаются необходимые условия для суммирования энергии элементарных процессов, когда развитие процесса в очагах приобретает коллективный характер и роль газодинамики становится преобладающей. В результате возрастает влияние фронтальных процессов и формируется локальная зона максимума давления и массовой скорости, а именно ударно-волновой комплекс с энерговыделением в непосредственной близости от фронта, способный при определенных условиях перестроиться в стационарный, детонационный.