Горение конденсированных взрывчатых веществ

Для инициирующих взрывчатых веществ (ВВ) горение обычно неустойчивое и легко переходит в детонацию. Для порохов, наоборот, горение протекает в весьма устойчивой форме и переход его в детонацию оказывается возможным лишь при особых условиях, которые редко выполняются на практике. Бризантные вещества в отношении способности к нормальному горению занимают промежуточное положение между инициирующими и метательными ВВ (порохами).

Большинство инициирующих и бризантных ВВ при определенных условиях способно устойчиво гореть с постоянной скоростью. Заметное влияние на характер и скорость горения могут оказать следующие факторы:

– свойства (природа) ВВ;

– давление;

– начальная температура;

– плотность заряда;

– диаметр заряда;

– толщина и качество оболочки.

Возможность процесса горения и его скорость определяется, прежде всего, кинетикой химической реакции, то есть скоростью тепловыделения и скоростью теплопередачи из зоны реакции в исходное вещество. Условия теплообмена зависят от теплопроводности ВВ.

Если скорость химической реакции очень высокая, то теплоприток существенно превышает теплоотвод, температура в зоне реакции повышается, скорость реакции еще больше возрастает и т.д. В итоге очень быстро такое горение перейдет в детонацию, то есть распространение процесса путем теплообмена становится вообще невозможным.

Если скорость химической реакции при данных условиях опыта мала, то потери тепла вследствие теплоотвода наружу не будут компенсированы теплопритоком, вследствие чего процесс горения будет неустойчивым и горение прекратится. С другой стороны, если теплопроводность ВВ велика, то теплота реакции может проникнуть в ВВ на большую глубину, вследствие чего температура в зоне превращения окажется недостаточной для протекания интенсивной химической реакции, способной обеспечить самораспространение процесса.

Особенностью горения бризантных и инициирующих ВВ является возможность одновременного протекания физико-химических процессов как в конденсированной, так и в газовой фазах. У веществ, обладающих большой летучестью, горение может протекать исключительно в парообразной фазе при том условии, что температура его кипения или возгонки ниже температуры, при которой химическая реакция в конденсированной фазе может протекать с заметной скоростью.

В данном случае процесс горения будет определяться двумя факторами: испарением конденсированной фазы и условиями развития химической реакции в парах вещества. Тепло из зоны пламени будет поступать к конденсированной фазе через слой нагретых, но еще не прореагировавших паров ВВ. В качестве примера можно привести горение нитрогликоля.

Для нелетучих и слаболетучих веществ химическая реакция в зависимости от ее механизма может протекать либо только в конденсированной фазе, либо одновременно в конденсированной, дымо-газовой и газовой фазах. В первом случае реакция почти сразу ведет к образованию конечных продуктов реакции, во втором случае горение представляет собой весьма сложный процесс, в котором определяющее значение могут иметь промежуточные реакции. Этот вид горения чаще всего встречается на практике. Типичные примеры – горение пироксилина и гексогена.

Наиболее существенное влияние на скорость горения ВВ оказывает давление. С повышением давления скорость горения, как правило, возрастает, а при достаточно высоких давлениях горение становится неустойчивым и переходит в детонацию.

Наблюдения над горением инициирующих ВВ при различных давлениях ниже атмосферного приводят к заключению, что скорость горения в широком диапазоне меняется с давлением почти по линейному закону:

v = a + bp.

Это обстоятельство говорит о том, что существенную роль в процессе горения имеет газовая фаза, так как скорость реакции в газовой фазе зависит от числа столкновений молекул, которое растет с давлением линейно. Влияние газовой фазы наиболее существенно при давлениях, близких к атмосферному. При давлениях, много меньших атмосферного, определяющее значение приобретает первичная реакция в конденсированной фазе.

Характерная особенность типичных инициирующих ВВ – это устойчивое горение при очень низких давлениях (даже при глубоком вакууме p < 10 мм рт.ст.).

Для бризантных ВВ при давлениях ниже 2 атм зависимость скорости горения от давления тоже выражается зависимостью:

v = a + bp,

но значения коэффициентов а и b существенно меньше, чем у инициирующих ВВ, то есть скорости горения заметно ниже и слабее зависимость v от p. Например:

– для гексогена (бризантное ВВ) а = 9×10^-5 м/с;

b = 5,1×10^-9 м³/(с×Н);

– для гремучей ртути (инициирующее ВВ) а = 4×10^-3 м/с;

b = 1,12×10^-7 м³/(с×Н).

Таким образом, бризантные ВВ более устойчиво горят при относительно высоких давлениях. При снижении давления ниже некоторого минимума процесс горения затухает. Это говорит о том, что для бризантных ВВ очень большое значение в процессе горения играет газовая фаза. При снижении давления скорость реакции и скорость тепловыделения в газовой фазе уменьшаются, а скорость теплообмена в конденсированной фазе практически не зависит от давления, что при определенном малом давлении приводит к нарушению теплового равновесия и затуханию процесса в целом.

Таким образом, член а в выражении v = a + bp формально представляет составляющую скорости горения, обусловленную условиями теплообмена и прохождения реакции в конденсированной фазе, а коэффициент b зависит от условий протекания реакции в газовой фазе.

При повышенных давлениях горение конденсированных ВВ протекает различно в зависимости от их физического состояния. В этом отношении ВВ можно разделить на:

– непористые твердые ВВ;

– пористые (порошкообразные и прессованные) ВВ;

– жидкие ВВ.

Представители первой группы способны устойчиво гореть при давлениях в десятки и даже более 100 МПа (желатин-динамиты, гремучий студень и др.).

ВВ второй группы устойчиво горят до давлений порядка 2,5-6,5 МПа в порошкообразном виде и примерно 20 МПа в прессованном и литом виде.

Характер горения жидких ВВ в зависимости от давления несколько отличается от характера горения твердых ВВ. Жидкие ВВ устойчиво горят при давлениях до 2-6 МПа. При более высоких давлениях происходит возмущение поверхности жидкости, и процесс представляет собой как бы ряд следующих друг за другом вспышек.

Почти для всех ВВ линейная скорость горения с возрастанием плотности уменьшается, так как уменьшается пористость вещества. Плотность ВВ определяет не только скорость, но и саму возможность устойчивого горения. Для некоторых ВВ существует нижний предел плотности (тетрил, гексоген), для других (пироксилин) – верхний предел плотности, при которых горение затухает.

Для конденсированных ВВ, как и для газовых смесей, существует критический диаметр, ниже которого при данных условиях опыта горение с торца не распространяется. Критические диаметры не являются постоянными для ВВ. Они зависят от плотности, материала и толщины оболочки и ряда других факторов. Численные значения критических диаметров примерно 2-32 мм для различных ВВ. Чем выше скорость горения, тем меньше критический диаметр.

С повышением начальной температуры скорость горения ВВ повышается, но не сильно. На 100° роста начальной температуры скорость горения возрастает примерно в 1,5-2 раза.

Согласно теории горения конденсированных ВВ Беляева – Зельдовича поле температур в ВВ имеет следующий вид: