Расчетные зависимости энергии взрыва.

Лазерный взрыв.

Наряду с детонирующим воздействием лазерное излучение является мощным средством инициирования взрыва. Это объясняется высокой концентрацией энергии в лазерном луче. Поэтому в фокусе луча происходят взрывы воздуха, сопровождаемые свечением области взрыва.

Некоторые представления о параметрах взрыва можно получить в результате энергетической оценки импульса реального неодимового лазера с энергией излучения 600 Дж за 2 мкс.

Оценка энергии инициированного лазером взрыва атмосферного воздуха.

1. Реакция взрыва.

компоненты продукты

воздуха реакции
N₂ + О₂ → Н₂О + С + О₂

1) Не зная точно количества С и О₂ , примем С → 0
О₂ → 0

2) Это означает, что азот воздуха разлагается на Н и О и реакция образования воды идет нацело: 2Н + О = Н₂О (из 1 кг воздуха получается 1 кг воды /пара/).

2. Теплота реакции известна Q_Н = 121 МДж/кг (водорода).

3. Объем взрыва V_взр. ~2 л.

Масса воздуха G_вз = ρ_вз × V_вз = 1,2 × 0,002 = 0,0024 кг.

4. Количество водорода, получающегося из этого воздуха (по соотношению атомных весов в Н₂О → водорода 1/9):

G _н = (1 / 9)G_вз = = 0,000267 кг водорода

5. Теплота реакции, отнесенная к объему взрыва:

Q_взр= Q_н×G_н = 121×0,000267 = 0,0322 МДж (32,2 кДж)

(получено в 32200/600 = 54 раз больше, чем затрачено неодимовым лазером /600 Дж/).

6. Теплота реакции, отнесенная к 1 кг воздуха:

МДж/кг воздуха

7. Теплота реакции, отнесенная к 1 кг топлива (на 1 кг органического топлива требуется ~15 кг воздуха):
Q_т = 15Q_возд. = 15 × 13,5 = 200 МДж/кг топлива (~в 5 раз больше, чем Q бензина).

8. Мощность взрыва (при скорости детонации ~6 км/с и радиусе облака ~10 см):

- время взрыва τ_вз = = 0,0000166 с = 16,6 мкс;

- мощность взрыва N_вз = Q_{взр./τвз} = 0,032200∙10⁶/ 16,6 = 1940 МВт – = 1,94ГВт

(Мощность импульса лазерa (τ_л = 2 мкс) N_л = ∙10⁶=
= 300 МВт = 0,3 ГВт).

9. Температура в облаке взрыва (из условия 90% тепла – на нагрев, остальное –на ионизацию)

Е_вз = Т₀ + К (средняя)

10. Давление.

Среднее давление Р_вз = Q_вз / V_вз = 32200 Дж/0,002 м³ = = 16100000 Дж/м³ (Па) =16,1 МПа(161 атм.). Давление в эпицентре Р_э 350...400 атм.

11 . Удельная мощность инициирующего воздействия лазера.

Толщина луча в фокусе d_Λ 1 мм;

объем зоны инициации V_Λ = d_Λ³ = 1 мм³ =10^-9м³.

Удельная мощность q_Λ =

(Удельная теплоемкость при взрыве, например, бензина в воздухе составляет ориентировочно 50 ГВт/м³, что на 8 порядков уступает удельной мощности лазерного луча в его фокусе).

Воздушный взрыв.

Как видно из приведенных выше примеров воздушные взрывы могут произойти внезапно при наличии плазмы и электронов в достаточном количестве. Если состояние раздробленности воздуха не полное и азот не участвует в реакциях, то наличие одного электрона связи на каждые два атома молекулы кислорода не вызывает ни горения, ни взрыва: нужен еще донор одного электрона на молекулу кислорода, чтобы осуществить горение, а при условии разгона фронта горения –взрыв. При этом происходит частичный распад атома кислорода и энергия взрыва вычисляется как произведение массы кислорода в объеме плазмы на величину удельной энергии связи элементарных частиц в атоме и на долю утраченной массы атомов кислорода:

Q_вз = Мо₂ ∙q_я ∙ Аm = Мо₂ ∙ 3,2885351∙10¹⁴ Дж/кг ×
× 4,27∙10^-8 = 14∙10⁶ Мо₂ Дж.

В случае участия в реакции азота оба атома его молекулы обеспечены собственными электронами по одному на каждый атом. Тогда приближенно можно считать, что на каждую единицу массы кислорода добавляется примерно 4 единицы реагирующего вещества, то есть мощность взрыва увеличивается – в пять раз:

Q_вз = 5 ∙ 14 ∙ 10⁶ Мо₂ = 70∙10⁶ Мо₂ Дж.

Величину Мо₂ вычисляют для конкретных условий содержания кислорода в воздухе.

В связи с неизученностью данного направления – атомные взрывы кислорода и азота атмосферного воздуха – всякие расчеты будут приближенными. Поэтому мощность взрыва следует уточнять или определять экспериментально.

10.5.3. Взрыв объемно – детонирующей смеси.

Выполним пример приближенного расчета обычного взрыва ОДС с образованием облака при аварийном испарении пропана (объем V_б = 100 л, масса G_А = 80 кг). Другие исходные данные: диаметр облака ОДС D_о = 20 м, форма облака – полусфера; расчетный состав воздуха: азота g_N2 = 79%, кислорода g_O2 = 21%; параметры воздуха – нормальные давление Р_а = 1∙10⁵ Па, температура Т_а = 293 К (20° С).

Пример расчета

1 . Объем полусферы облака ОДС

2. Плотность воздуха

кг/м³

3. Масса воздуха в полусфере.

G_в = ρ/V₀ = 1,2 × 2000 = 2400 кг.

4. Масса прореагировавшего кислорода при полном сгорании пропана при стехиометрическом соотношении

V_в 15 кг воздуха на 1 кг топлива:

G_в.р. = V_в × С_а = 15 × 80 = 1200 кг.

5. Количество прореагировавшего кислорода

G₀₂._р = G_в.р. × g₀₂._р = = 1200×0,21 = 252 кг.

6. Энергия взрыва

Q_вз = 14∙10⁶ × G₀₂._р = 14∙10⁶ × 252 = 3500∙10⁶ Дж.

7. Давление взрыва (среднее) как удельная энергия:

Р_вз=Q_вз/V_о= =1,75∙10⁶ Дж/м³(Па) =1,75 МПа =
= 17,5 атм.

8. Дополним пример расчета пунктом для взрыва ОДС с учетом реакции азота:

Р_вз._N2=5×Р_вз=5×17,5 =87,5 атм

При наличии избыточного количества электронов происходит не частичный как в данном случае, а более полный распад вещества как, например, в случае атомной и водородной бомбы. Эти случаи расчету, даже приближенному, пока не поддаются. В случае абсолютно полного распада вещества, причем любого, удельная (на единицу массы) энергия связи элементарных частиц в нем, выделившаяся при взрыве составляет q_я = 3,2885351∙10¹⁴ .

10.6. Методы защиты от
несанкционированного взрыва.

10.6.1. Исключение запыленности
и загазованности.

Как уже было сказано выше, условиями взрыва азота и кислорода атмосферного воздуха являются: плазма и достаточное количество электронов. Также убедились, что количество свободных электронов при диссоциации молекул воздуха на атомы достаточно только для частичного расщепления вещества. В этом случае незначительный дефицит массы позволяет сохранить химические свойства элементов, осуществить рекомбинацию атомов в продукты реакции с использованием всех частиц нацело, кроме излученных фотонов, то есть – исключить радиацию и образование радиоактивных веществ.

Однако, для разрушения молекулы азота требуется энергии примерно в 2 раза больше, чем для молекулы кислорода, а если учесть, что азота в 4 раза больше кислорода, то соотношение энергий инициации обычного и ядерного взрыва воздуха должно быть более 1:8. За счет чего это может произойти?

Разрушение молекул, в конечном итоге, происходит за счет действия на них контактно или электродинамически потока элементарных частиц и других частиц, а также атомов и молекул более прочного вещества. Это может быть: нагрев, удар, взрыв, сброс давления, излучения разного рода, электрический ток и разряд. Иногда одного типа действия недостаточно, но их бывает несколько , в том числе, катализаторы.

Рассмотрим механизм воспламенения топлива (его частиц) в воздухе облака ОДС. Каждая частица топлива образует микрозону горения (не взрыва), которые сливаются между собой в общий фронт горения. Энергия этих микрозон и фронта недостаточна для разрушения молекул азота. Добавление энергии и концентрация ее в микрозонах может, видимо, произойти с помощью твердопорошковых добавок, распыленных в воздухе. Добавками могут быть различные вещества, в том числе: металлы (алюминий, магний...в виде пудры); мелкодисперсные кремний (микрокремнезем, аэросил), углерод (фуллерен); твердые ВВ (пластит, гексаген, тротил...). Практика взрывов с добавками показывает, что мощность взрыва бывает больше, чем без них.

По своей теплотворной способности – теплоте горения, указанные вещества не намного отличаются между собой и от органических топлив. Поэтому энергии они дают не больше, но скорость реакции выше, то есть в единицу времени в малом объеме выделяется большая мощность, что и нужно для разрушения молекул азота, попавших в эту зону. Кроме того, зоны могут пересекаться между собой, и тогда на молекулу азота, находящуюся в зоне разрежения внезапно действует фронт давления соседней зоны так, что перепад давления и динамические нагрузки на молекулу превышают передел ее прочности, и она разрушается на атомы. А дальше начинают действовать электроны – генераторы энергии, которая и выделяется при взрыве.

Поэтому одним из способов защиты является исключение запыления или загазованности атмосферы в помещениях и на открытых территориях.

10.6.2. Исключение повторных
инициирующих воздействий.

Взрывы ОДС, как правило, двухтактные: первый такт – распыливание топлива и – второй такт – взрыв облака ОДС инициирующим воздействием. После взрыва ОДС внутри облака образуется вакуум. Как рассматривали выше микрозоны с вакуумом, так же будем подходить к рассмотрению макрозоны с вакуумом. Но оставшиеся внутри облака ОДС сразу после взрыва молекулы (их еще очень много) активированы этим предыдущим взрывом и готовы распасться. Теперь, если на них будет действовать случайный второй инициирующий импульс с малой задержкой, обеспечивающей почти незамедлительное последовательное прохождение детонационной волны за предыдущей, то оставшиеся молекулы должны разрушиться, и должен начаться их частичный распад на элементарные частицы с выделением дополнительной энергии. Поскольку это должно произойти практически одновременно, то мощность взрыва увеличится. Это и будет третьим тактом взрыва ОДС. В принципе, может быть несколько последовательных тактов, так как молекулы могут неоднократно вступать в ядерную реакцию их частичного расщепления. Мощность взрыва зарядов твердого ВВ так же можно увеличить несколькими последовательными подрывами за счет энергии некоторого объема воздуха.

Если на первом такте подрывается первый заряд твердого ВВ, а на втором такте, в фазе разрежения 1-го такта, подрывается другой заряд, то все происходит аналогично описанному в предыдущем параграфе. Взрываются оставшиеся в вакууме молекулы, в том числе, азота, в объеме, занимаемом фазой разрежения от 1-го такта.

Казалось бы, вакуум должен поглотить второй взрыв. Но это не происходит: мощность увеличивается. Чтобы проверить это, делали такой опыт (Новиков В.И.). Между двух телевизионных трубок, сближенных стеклами, размещали заряд ДШ (детонационный шнур) и подрывали его. Измерения давления проводили штатными датчиками. Оказалось, что среднее давление было в 1,5 раза больше, чем без вакуумных трубок. В эпицентре эта разница, естественно, была выше. Теперь, как видно, дано объяснение этому ранее непонятному явлению.

В указанном взрыве твердого ВВ может быть не один, второй такт, а несколько последовательных для увеличения мощности взрыва. Для защиты от избыточной мощности необходимо возможность последовательных подрывов ВВ исключить.

Следует отметить, что взрывы с детонацией вещества вызывают мощный поток мелких элементарных частиц – электрино, которые являются материальными носителями магнитного поля, а их траектории движения являются магнитными силовыми линиями. Так что детонация – это своеобразный электромагнитный импульс с очень высокой индукцией, поток частиц, который разрушает молекулы на атомы. Это подтверждается изменениями, которые показывают сильное изменение магнитного поля при взрывах. Так что ЭМИ, в частности, например, при грозе, тоже может привести к взрыву.

Мерой защиты может служить исключение и первичных и вторичных индукционных воздействий. Для этого во взрывоопасных помещениях, объемах и вокруг них, в том числе, вблизи двигателей внутреннего сгорания, надо тщательно выполнить заземление для отвода потоков положительных зарядов, грозозащиту и защиту от атмосферных и иных перенапряжений, принять другие необходимые меры в соответствии со смыслом сказанного.