Горение порохов

Для порохов, в отличие от бризантных и инициирующих ВВ, горение – это типичный вид взрывчатого превращения. Характерная для порохов устойчивость горения определяется их способностью гореть параллельными концентрическими слоями даже при высоких давлениях (до 500-600 МПа).

В горении пороха различают три фазы:

– зажжение (местное возбуждение самораспространяющейся реакции);

– воспламенение (распространение возбужденного процесса по поверхности вещества);

– собственно горение (распространение реакции вглубь вещества).

По своей природе эти три фазы принципиально не отличаются, но при практическом применении порохов они протекают с различными скоростями.

Зажжение – это начало разложения пороха, обычно под влиянием местного нагрева.

Скорость воспламенения порохов зависит от природы пороха, состояния его поверхности и особенно сильно от давления. По способности к воспламенению дымные пороха стоят на первом месте. Скорость воспламенения возрастает с увеличением удельной поверхности пороха, то есть шероховатый, пористый порох воспламеняется легче, чем гладкий.

С возрастанием давления скорость воспламенения существенно увеличивается. Это связано с тем, что при высоком давлении горячие газообразные продукты горения дольше пребывают у поверхности порохового элемента.

При горении пороха на открытом воздухе скорость распространения процесса по поверхности значительно больше скорости горения. Это связано с догоранием продуктов реакции за счет кислорода воздуха.

Горение пороха в замкнутом объеме происходит параллельными слоями по нормали к поверхности. Это достигается благодаря высокой плотности и однородности физических свойств пороховых элементов.

При прочих равных условиях скорость горения пороха зависит от калорийности, начальной температуры пороха, внешнего давления и ряда других факторов.

С увеличением калорийности пороха скорость горения его возрастает. Заметно растет скорость горения при уменьшении плотности пороховых элементов. Так Вьель для дымного пороха получил следующий результат: при увеличении плотности на 17% скорость горения уменьшилась более чем в 19 раз. При увеличении плотности уменьшается пористость вещества и затрудняется проникновение горячих продуктов реакции вглубь вещества.

С увеличением начальной температуры пороха скорость его горения возрастает. При увеличении T₀ от 0 °С до 100 °С скорость горения нитроглицеринового пороха с 28% нитроглицерина возросла в 2,9 раза.

Зависимость скорости горения от давления и проста, и сложна одновременно. С ростом давления скорость горения растет. Но вот по какой зависимости? Разные ученые предлагали разные виды зависимостей:

v = Ap^y;

v = Ap;

v = a + bp;

v = a + bp^y,

но ни одна из них не является универсальной.

Так v = Ap дает хорошую сходимость с опытом при давлениях порядка 100 МПа и выше, а v = a + bp – при p £ 40 МПа. В артиллерии пользуются формулой v = Ap,учитывая величину давления в канале ствола.

Чувствительность к давлению у различных порохов разная. Так дымный порох при атмосферном давлении горит примерно в 10 раз быстрее пироксилинового ружейного пороха, а при давлениях порядка 200-300 МПа скорость горения пироксилинового пороха значительно больше, чем у дымного.

По Зельдовичу основное отличие горения пороха от горения инициирующего или бризантного ВВ состоит в том, что вместо испарения или сублимации ВВ наблюдается газификация пороха, то есть разложение пороха на газообразные продукты, которые далее сгорают.

Теория Зельдовича качественно правильно отражает закономерности, наблюдаемые при горении пороха, но плохо сходится количественно с результатами экспериментов.

Стадии горения пороха по Зельдовичу представлены на рисунке:

Позже было доказано, что горение пороха – более сложный процесс, чем это описано у Зельдовича. Горение протекает не только в газовой, но и в конденсированной фазе, причем в конденсированной фазе выделяется примерно 50% тепла реакции, то есть эта реакция весьма важна.