Основные физические явления, происходящие при

Взрыве

В подавляющем большинстве случаев взрывы производятся с целью определенного воздействия на среду, окружающую источник взрыва.

Из опыта известно, что взрыв заряда, не имеющего большого различия в размерах по всем измерениям на расстояниях порядка среднего размера заряда, эквивалентен по действию взрыву сферического заряда той же массы. Поэтому будем считать, что заряд имеет сферическую форму.

Выясним основные физические закономерности, происходящие при взрыве.

Если бы взрыв происходил в вакууме (например, в космосе), то продукты взрыва, обладая определенным давлением, беспрепятственно расширялись бы, подчиняясь законам нестационарного движения. При этом в каждый заданный момент времени распределение давления, плотности и скорости продуктов взрыва на различных расстояниях от места взрыва будет различным. Давление и плотность наименьшими будут во внешних областях и наибольшими – во внутренних областях продуктов взрыва, а скорость газа, наоборот, будет наибольшей во внешних областях и наименьшей – во внутренних. В случае сферического заряда в центре взрыва скорость будет, очевидно, равна нулю.

Расширение продуктов взрыва в неограниченном "пустом" пространстве будет происходить неограниченно, причем плотность и давление на границе продуктов взрыва будут равны нулю.

Наибольшая скорость истечения газов w_max будет на границе продуктов взрыва и для сферического заряда, когда продукты взрыва газообразные, определяется выражением:

где k_ср – средний показатель адиабаты процесса расширения.

Для типичных ВВ q_V = 4184 кДж/кг; k_ср = 1,25; w_max = 10607 м/с.

При использовании гипотезы мгновенной детонации

м/с.

В случае взрыва конденсированных ВВ, когда в начальной стадии продукты взрыва не являются идеальным газом, эти простые формулы несколько усложняются. Величины же наибольших скоростей истечения остаются почти теми же: при реальной детонации – w_max » 12000 м/с, при мгновенной – w_max » 10000 м/с.

При детонации наиболее мощных ВВ (например, гексогена) предельные скорости истечения достигают 18000 м/с.

В случае взрыва в какой-либо среде процесс разлета продуктов взрыва будет происходить несколько иначе, чем при разлете в пустоту. Могут возникнуть два принципиально различных режима разлета. При разлете продукты взрыва на границе заряда начнут взаимодействовать со средой, окружающей заряд. В случае очень плотной среды граница разлета между зарядом и средой начнет медленно двигаться от центра заряда. Если процесс взрыва протекал детонационно, то продукты детонации, движущиеся за фронтом детонационной волны, будут двигаться быстрее, чем граница раздела, и набегая на нее, будут сжиматься. Давление продуктов детонации у границы раздела будет в первые моменты времени после окончания детонации возрастать; лишь по истечении некоторого времени давление продуктов детонации начнет падать. Дело в том, что по продуктам детонации пойдет от границы раздела вглубь ударная волна, являющаяся следствием удара продуктов детонации о среду (то есть отраженная от окружающей среды) и лишь, дойдя до центра, ударная волна "превратится" в волну разрежения, и тогда везде в продуктах взрыва давление начнет падать.

Если среда не очень плотная, то граница раздела между продуктами детонации и средой будет двигаться быстрее, чем продукты детонации, и с самого начала процесса расширения давление в продуктах взрыва будет падать. В этом случае по продуктам взрыва сразу пойдет волна разрежения, а по среде, сразу вовлекаемой в движение, пойдет ударная волна.

Картина взрыва, как видите, значительно усложняется по сравнению со взрывом в пустоте, и, говоря о взрыве, нужно определять не только параметры продуктов детонации, но и среды, вовлеченной в движение.

Однако, даже не развивая теории разлета продуктов взрыва, можно оценить расстояния, на которых действие продуктов взрыва уже практически не будет сказываться, а также оценить расстояния, на которых будет действовать ударная волна, распространяющаяся в среде, окружающей источник взрыва.

При взрыве в неограниченной среде продукты взрыва через некоторое время после начала разлета займут предельный объем v_пред, отвечающий остаточному давлению продуктов взрыва, равному давлению окружающей среды p_а.

Среднее начальное давление продуктов взрыва:

При k = 3

При V = V_пред давление p_пред = p_а.

Вычислим предельный объем продуктов взрыва V_пред.

Для типичных ВВ до давлений p_к » 200 МПа продукты взрыва расширяются по закону pV ³ = const, то есть p_{н ср}V₀³ = p_кV_к³.

При p < p_к мы считаем, что расширение происходит по закону pV^k = const, то есть p_кV_к^k = p_аV_а^k, где k =1,2-1,4. Тогда

Для типичных ВВ r ₀ = 1600 кг/м³, D = 7000 м/с, тогда

Па » 10000 МПа.

p_a = 0,1 МПа.

При k = 1,4

При k = 1,2

Таким образом, продукты взрыва типичных ВВ расширяются примерно в 850-2000 раз. В случае сферического взрыва предельный радиус объема, занятого продуктами взрыва, будет в 9,5-12,8 раз больше начального радиуса заряда r₀. То есть мы можем утверждать, что действие продуктов взрыва ограничено весьма небольшими расстояниями. "Диффузия" продуктов взрыва в среду происходит, но довольно медленно, поэтому на момент окончания разлета продуктов взрыва можно говорить о наличии границы разлета.

Энергия "застрявшая" в продуктах взрыва:

Начальная энергия взрыва: E_н = r₀V₀ q_V = mq_V, где m – масса ВВ.

Энергия, перешедшая в ударную волну:

Отсюда

Оценим это отношение. Пусть q_V = 4184 кДж/кг, r₀ = 1600 кг/м³.

При k = 1,4 и

При k = 1,2 и

Результаты этого расчета завышены примерно в 2 раза, так как поверхностный слой ВВ "сгорает" с неполным выделением энергии, поэтому выделяемая энергия составляет примерно (0,8 – 0,9)E_н. Кроме того, часть продуктов взрыва до установления состояния равновесия будет двигаться к центру взрыва и уносить примерно треть выделившейся энергии.

Оценим размеры области заметного действия ударной волны в воздухе, образующейся при взрыве. При ударе продуктов детонации о воздух начальное давление на фронте ударной волны достигает 70-130 МПа, причем это давление быстро спадает со временем.

Известно соотношение, связывающее скорость газа со скоростью ударной волны:

то есть

Если предельный объем

то объем, занятый ударной волной:

При k = 1,4 и V_{уд пред} = 0,728 V_пред = 612V₀.

При k = 1,2 и V_{уд пред} = 0,331V_пред = 687V₀.

При этом путь, пройденный ударной волной к этому моменту более, чем в раз больше пути, пройденного границей раздела, то есть это расстояние в 11,4-14 раз больше радиуса заряда.

Среднее давление воздуха в ударной волне, считая всю энергию заторможенной, будет

Для k = 1,4 p_{уд ср} £ 0,47 МПа, для k = 1,2 p_{уд ср} £ 2,03 МПа.

В дальнейшем среднее давление будет падать примерно пропорционально , где r – расстояние от центра взрыва. На расстоянии 25r₀ p_{уд ср} £ 1 МПа. В дальнейшем падение давления будет менее интенсивным, а сама ударная волна уже не будет сильной. Поэтому, если разрушения определяются давлением ударной волны, то расстояние в (25 -50)r₀можно считать предельным в смысле ее сильного воздействия на среду.

Рассмотрим принципиальные особенности действия взрыва в неограниченной жидкости (в воде).

Расширение продуктов взрыва будет происходить более медленно, чем в воздухе, вследствие большей сопротивляемости воды на сжатие, однако размеры полости при p = p_a, заполненной продуктами взрыва будут теми же, что и в воздухе. Если взрыв глубинный, то предельный объем полости, естественно, уменьшится.

Поле возникающей ударной волны будет резко отличаться от поля воздушной ударной волны:

– начальное давление на фронте, которое в воздухе для самых мощных ВВ не превышает 150-200 МПа, в воде будет для типичных ВВ порядка 15000 МПа;

– вследствие малой сжимаемости воды ее температура будет увеличиваться незначительно, при этом рост энтропии тоже будет небольшим и, следовательно, перешедшая в ударную волну энергия будет тратиться не на нагрев воды, а на перемещение волны.

Таким образом, действие ударной волны будет несколько более сильным, чем в воздухе.

Форма ударной волны в воде будет сильно отличаться от формы воздушной ударной волны: падение давления, плотности и скорости за фронтом будет очень резким, то есть наибольшая плотность энергии в ударной волне будет локализована в очень узкой зоне.

Предельные расстояния, на которых еще проявляется значительное действие взрыва, имеют приблизительно те же значения, что и при взрыве в воздухе.

Сильное разрушительное действие взрыва проявляется в объеме, занимаемом продуктами взрыва. Действие водяной ударной волны в объемах, больших, чем объем, занятый продуктами детонации, уже незначительно, несмотря на большую величину начальных давлений, поскольку давление весьма быстро падает.

Следует заметить, что, говоря о сильном воздействии взрыва, имеется в виду его действие на конструкции, сооружения и т.п., а не на человека.

Действие взрыва в неограниченном грунте сказывается в объемах, соизмеримых с объемом расширения продуктов взрыва до атмосферного давления. Действие взрыва у свободной поверхности, как известно, сопровождается появлением воронки, радиус которой

R ~ .

При этом происходит выброс грунта на расстояние, превышающее на 1-2 порядка размеры воронки. Ударная волна, которая образуется при этом в грунте, по своим свойствам несильно отличается от ударной волны, распространяющейся в воде.

Действие взрыва в неограниченной металлической среде проявляется в объемах, значительно меньших, чем предельный объем продуктов детонации, причем объем определяется величиной давления, еще производящего заметные пластические деформации металла. Для стали это давление более 1000 МПа, следовательно, получается объем, который лишь в два с небольшим раза превосходит начальный объем ВВ.

При взрыве у свободной поверхности металла или внутри нетолстой металлической облицовки часть металла будет дробиться, и действие взрыва будет сопровождаться осколочным действием.