Учебное пособие: Использование взрывчатых веществ

Работоспособность ВВ можно выразить величиной удельной энергии или удельной работоспособности

, (3.17)

где Е - удельная работоспособность;

P ₀ - давление продуктов реакции;

V _{0 k} - объём газообразных продуктов реакции;

Т - температура продуктов взрыва.

Работа, производимая ВВ при практическом их применении, составляет небольшую долю ее максимального теоретического значения, в лучшем случае не более 30…50 %, что еще более затрудняет оценку действительно возможной работоспособности по вычисленным значениям. Поэтому чаще предпочитают сравнивать работоспособность на основе величин, полученных опытным путем.

Для определения относительной работоспособности наиболее широко используется метод свинцовой бомбы (проба Трауцля). Принятая на II Международном конгрессе прикладной химии в качестве стандартной, бомба Трауцля (ГОСТ 4546-81) представляет собой массивный свинцовый цилиндр с несквозным осевым каналом, на дно которого помещают заряд исследуемого ВВ массой 10 г в бумажной гильзе. Свободную часть канала бомбы засыпают сухим кварцевым песком. После взрыва в бомбе образуется характерное вздутие (рисунок 3.11), объём которого и является мерой относительной работоспособности ВВ. Величины относительной работоспособности V (см³ ), определенные этим методом для наиболее характерных веществ, приведены в таблице 3.9.

Таблица 3.9 - Значения относительной работоспособности V (см³ ) для некоторых взрывчатых веществ

Более точным методом определения работоспособности является метод баллистического маятника , основой которого является груз, подвешенный на жестких тягах к неподвижной опоре. При воздействии на маятник потока продуктов взрыва или ударной волны, он получает какое-то количество движения и отклоняется на некоторый угол, по которому и судят о величине работоспособности.

Широкое распространение получила оценка работоспособности (мощности) ВВ в видетротилового эквивалента . Это - относительная величина, выражающая работоспособность данного ВВ через показатель работоспособности тротила. За этот эталон принимается тротил с плотностью 1,5 г/см³ и с теплотой взрыва 4186 кДж/кг (1000 ккал/кг).

Исходя из определения, тротиловый эквивалент d_T можно выразить уравнением:

, (3.18)

где X и T - индексы, которые относятся соответственно к исследуемому ВВ и к тротилу;

- идеальная работоспособность;

- идеальный термодинамический коэффициент по-лезного действия взрыва;

Q_взр - удельная теплота взрыва, кДж/кг.

В другой, адекватной по физическому смыслу, трактовке тротиловый эквивалент определяется как отношение масс тротила m_Т и данного ВВ m_Х , обладающих равной работоспособностью (), и описывается выражением

. (3.19)

Если мерой работоспособности служит величина энергии генерируемой в воздухе ударной волны, то исходя из уравнения (3.19) тротиловый эквивалент может быть охарактеризован как отношение масс тротила и исследуемого ВВ, генерирующих ударные волны равной интенсивности .

Экспериментально тротиловый эквивалент чаще всего находят путем измерения параметров ударной волны в воздухе. Находят такие массы тротила, которые генерируют ударные волны такой же интенсивности, как единицы масс исследуемых ВВ. Выбор именно этого метода объясняется тем, что процесс формирования ударной волны в воздухе в наибольшей мере приближается к идеальному адиабатическому расширению продуктов взрыва, производящему уплотнение воздуха.

Ударная воздушная волна и ее параметры

Ударная волна (УВ) - наиболее мощный поражающий фактор при взрыве. Она образуется за счет колоссальной энергии, выделяемой в центре взрыва, что приводит, как было показано, к наличию огромной температуры и давления. Раскаленные продукты взрыва при стремительном расширении производят резкий удар по окружающим слоям воздуха, сжимают их до значительного давления и плотности, нагревая до высокой температуры. Такое сжатие происходит во все стороны от центра взрыва, образуя фронт ударной воздушной волны (УВВ). Вблизи центра взрыва скорость распространения УВВ в несколько раз превышает скорость звука. По мере движения скорость ее распространения падает. Снижается и давление во фронте. В слое сжатого воздуха, называемого фазой сжатия УВВ (рисунок 3.12), наблюдаются наиболее разрушительные последствия.

Рисунок 3.12 - Фазы и фронт ударной воздушной волны (УВВ)

Параметры воздушных ударных волн рассчитываются по закону подобия взрывных волн, суть которого состоит в том, что при взрыве зарядов сферической формы параметры УВ являются функциями только массы ВВ или ее энергетического эквивалента и расстояния от геометрического центра взрыва и не зависят от детонационных параметров ВВ . Этот закон выведен из теории точечного взрыва при следующих допущениях: энергия при взрыве заряда выделяется мгновенно и сосредоточенно, а возникающие в воздухе сферические УВ распространяются без диссипативных потерь, их параметры уменьшаются с увеличением расстояния от центра взрыва только вследствие увеличения поверхности волны и соответствующего уменьшения в ней плотности энергии. На основании этих допущений выведены конкретные виды функций параметров УВ от массы заряда и расстояния:

1. Избыточное давление определяется разностью между фактическим давлением воздуха в данной точке и атмосферным давлением (Р_изб =Р_ф -Р_ат = DР ).

. (3.20)

2. Скоростной напор воздуха (динамическая нагрузка, т.е. поток энергии) обладает метательным действием. Совместное воздействие этих двух параметров УВВ приводит к разрушениям объектов и жертвам

. (3.21)

3. Импульс избыточного давления

. (3.22)

4. Длительность фазы сжатия

. (3.23)

5. Длина ударной волны

, (3.24)

где - размерные коэффициенты;

m - масса ВВ, кг;

R - расстояние от центра заряда, м;

r - радиус заряда, м.

Заряды имеют сферическую форму.

В выражениях (3.20)-(3.24) коэффициенты отражают энергетические эквиваленты единицы массы ВВ. Соответственно они являются индивидуальными характеристиками каждого ВВ. Численно они равны соответствующему параметру волны, измеренному при взрыве 1 кг ВВ на расстоянии 1 м от центра заряда.

Если же массу ВВ заменить на ее энергетический эквивалент, например, на величину h_n Q _взр , т.е. на ту часть энергии взрыва, которая переходит в ударную волну, то коэффициенты становятся постоянными величинами, не зависящими от вида ВВ. В таком виде формулы часто используют для решения обратной задачи: нахождения показателя h_n и величины идеальной работоспособности ВВ по измеренным параметрам ударной волны.

На практике зависимости выражают через так называемые приведенные величины, например, приведенные расстояния . Тогда параметры ударной волны становятся функциями приведенных расстояний. Справедливость выражений (3.20)-(3.23) была проверена М.А. Садовским для реальных зарядов тротила [15]. Им было установлено, что зависимость для импульса ударной волны соблюдается с удовлетворительной точностью, а избыточное давление более точно описывается выражением типа полинома:

. (3.25)

С помощью формул (3.20) и (3.25) можно определить тротиловый эквивалент исследуемого ВВ. На рисунке 3.13 приведены кривые изменения давления в ударной волне в зависимости от приведенного расстояния при взрыве тротила на поверхности земли и в воздухе.

1 - взрыв на поверхности земли; 2 - взрыв в воздухе

Рисунок 3.13 - Зависимость давления в воздушной ударной волне от приведенного расстояния

Большой интерес представляют ударные воздушные волны в ближней зоне действия взрыва как с точки зрения безопасности (при проведении аварийно-спасательных работ), так и при практическом использовании, например, при разделке судов или других конструкций на металлолом [16]. В этом случае зачастую взрывные работы приходится вести в стесненных условиях: в доках, вблизи конструкций и сооружений, внутри отсеков кораблей и т.п. Поэтому важно правильно оценить действие взрывов на окружающие сооружения и конструкции, организовать их защиту и рассчитать предельно-допустимый эффективный заряд. Для этого необходимо знать параметры поля взрыва, прежде всего в ближней зоне действия.

В работе [17] показано, что в ближней к заряду зоне, т.е. на расстоянии R =(1…15)r ₀ (r ₀ - радиус заряда), геометрический закон подобия выполняется только для одного и того же взрывчатого вещества при его постоянной плотности r₀ . На малых расстояниях от заряда на параметры УВВ влияет начальная скорость продуктов взрыва. При этом скорость фронта УВВ сферического заряда D (м/с) рассчитывается по формуле [17]:

, (3.26)

где A , n - постоянные величины, принимающие определенные значения в различных интервалах аргумента ;

- расчетный аргумент (безразмерная величина);

- полная энергия взрыва заряда, ккал;

R - расстояние от места взрыва, м;

Q_V - удельная теплота взрыва, ккал/кг;

m - масса заряда, кг.

Зависимость (3.26) уточнена авторами Л.А. Шушко, Ю.А. Каганер в работе [18] на основании обработки данных целого ряда испытаний и собственных экспериментов, в которых исследовались сферические заряды различных ВВ (бризантных и инициирующих, индивидуальных и смесевых, в твердом состоянии и жидких). При этом диапазон начальных плотностей ВВ охватывал все виды зарядов (насыпные, прессованные и сплавы) и составлял от 0,4 до 1,68 г/см³ . В результате исследований получены следующие значения постоянных зависимости (3.26): А =271, n =2/3 в интервале 0,005 Ј x Ј 0,07 и А =112, n =1 при

0,07 < x Ј 0,2.

Параметры ударной воздушной волны, вычисленные по этому соотношению, наиболее близки к полученным для литого заряда ТГ 50/50 при r₀ =1,67 г/см³ , D =7700 м/с и Q_V =1140 ккал/кг. Уточненная зависимость (3.26) приведена на рисунке 3.14 и принимает вид

. (3.27)

Таким образом, зная параметры УВВ в ближней зоне и при распространении на значительные расстояния, можно не только произвести расчет разрушающего действия взрыва, но и определить безопасные расстояния до конструкций защитных сооружений.

Воздействие ударной воздушной волны на человека

При взрыве образуется очаг поражения с ударной волной и световым излучением. В очаге взрыва можно выделить три сферических зоны (рисунок 3.15) [14].

Рисунок 3.15 - Очаг поражения при взрыве ВВ

Зона I детонационной волны находится в пределах облака взрыва, радиус которого определяется как

,

где m - масса продуктов взрыва, кг.

В пределах зоны I избыточное давление можно считать постоянным и равным 1,7…2,0 МПа.

Зона II - зона действия продуктов взрыва, которая охватывает всю площадь разлета продуктов взрыва ВВ в результате их детонации. Радиус зоны II в 1,7 раза больше радиуса зоны I, т.е. R ₂ =1,7R ₁ , а избыточное давление по мере удаления уменьшается до 0,3…0,4 МПа.

Зона III - зона действия УВВ. Здесь формируется фронт УВВ.

Воздействие УВВ на человека может быть косвенным или непосредственным. При косвенном поражении УВВ, разрушая постройки, вовлекает в движение огромное количество твердых частиц, осколков стекла и других предметов массой до нескольких грамм при скорости до 35 м/с. Так, при величине избыточного давления порядка 60 кПа плотность таких опасных частиц достигает 4500…5000 шт./м² . Наибольшее число пострадавших - жертвы косвенного воздействия УВВ.

Непосредственное поражение УВВ людей приводит к травмам:

· крайне тяжелые (обычно несовместимы с жизнью) наблюдаются при воздействии избыточного давления величиной свыше 100 кПа;

· тяжелые (сильная контузия организма, поражение внутренних органов, потеря конечностей, сильное кровотечение из носа и ушей) возникают при избыточном давлении от 60 до 100 кПа;

· средние (контузия, повреждение органов слуха, кровотечение, вывихи) имеют место при избыточном давлении от 40 до 60 кПа;

· легкие (ушибы, вывихи, временная потеря слуха, общая контузия) наблюдаются при избыточном давлении от 20 до 40 кПа.

Эти же параметры УВВ приводят к разрушениям, характер которых зависит от нагрузки, создаваемой УВВ, и реакций предмета на действия этой нагрузки. Поражения объектов, вызванные УВВ, можно характеризовать степенью их разрушений в зависимости от расстояния (зоны разрушений).

Зона полных разрушений является зоной, в которой восстановить разрушенные объекты невозможно. Массовая гибель всего живого. Занимает до 13 % всей площади очага поражения. Здесь полностью разрушены строения, до 50 % противорадиационных укрытий, до 5 % убежищ и подземных коммуникаций. Сплошных пожаров не возникает из-за сильных разрушений, срыва пламени ударной волной, разлета воспламенившихся обломков и засыпки их грунтом. Эта зона характеризуется величиной избыточного давления более 50 кПа.

Зона сильных разрушений занимает площадь до 10 % очага поражения. Строения сильно повреждены, убежища и коммунальные сети сохраняются, 75 % укрытий сохраняют свои защитные свойства. Есть местные завалы, зоны сплошных пожаров. Зона характеризуется избыточным давлением от 30 до 50 кПа.

Зона средних разрушений наблюдается при избыточном давлении от 20 до 30 кПа, занимает площадь до 15 % очага поражения. Строения получают средние разрушения, а защитные сооружения и коммунальные сети сохраняются. Могут быть местные завалы, участки сплошных пожаров, массовые санитарные потери незащищенного населения.