Методи визначення працездатності ВВ
Газоподібні продукти реакції, які утворюються при горінні або детонації ВВ, що мають високу температуру і знаходяться в сильно стислому стані, здатні виробляти певну механічну роботу, яка проявляється у вигляді фугасної дії бризантних речовин.
Кількість механічної роботи, досконалої продуктами вибухової речовини, залежить від цілого ряду умов, причому головними з них є швидкість процесу, питомий об'єм газоподібних продуктів та граничні значення тиску і температури газів, до яких вони знижуються при виробництві роботи. Очевидно, що чим нижче будуть кінцеві значення температури і тиску, тим менше енергії залишиться невикористаною в процесі розширення газів вибуху.
Працездатність ВВ можна висловити величиною питомої енергії або питомою працездатності
де Е - питома працездатність;
P0 - тиск продуктів реакції;
V0k - обсяг газоподібних продуктів реакції;
Т - температура продуктів вибуху.
Робота, вироблена ВВ при практичному їх застосуванні, становить невелику частку її максимального теоретичного значення, в кращому випадку не більше 30 ... 50%, що ще більш ускладнює оцінку дійсно можливої працездатності за обчисленими значеннями. Тому частіше вважають за краще порівнювати працездатність на основі величин, отриманих дослідним шляхом.
Для визначення відносної працездатності найбільш широко використовується метод свинцевою бомби (проба Трауцля). Прийнята на II Міжнародному конгресі прикладної хімії в якості стандартної, бомба Трауцля (ГОСТ 4546-81) являє собою масивний свинцевий циліндр з непрямим осьовим каналом, на дно якого поміщають заряд досліджуваного ВВ масою 10 г в паперовій гільзі. Вільну частину каналу бомби засипають сухим кварцовим піском. Після вибуху в бомбі утворюється характерне здуття (рисунок 3.11), обсяг якого і є мірою відносної працездатності ВВ. Величини відносної працездатності V (см 3), визначені цим методом для найбільш характерних речовин, наведені в таблиці 3.9.
Таблиця 3.9 - Значення відносної працездатності V (см 3)
для деяких вибухових речовин
Малюнок 3.11 Схема по визначенню працездатності
(Фугасна) ВВ в свинцевою бомбі
Більш точним методом визначення працездатності є метод балістичного маятника. основою якого є вантаж, підвішений на жорстких тязі до нерухомій опорі. При впливі на маятник потоку продуктів вибуху або ударної хвилі, він отримує якусь кількість руху і відхиляється на певний кут, за яким і судять про величину працездатності.
Широке поширення отримала оцінка працездатності (потужності) ВВ у вигляді тротилового еквівалента. Це - відносна величина, що виражає працездатність даного ВВ через показник працездатності тротилу. За цей еталон приймається тротил з щільністю 1,5 г / см 3 і з теплотою вибуху 4186 кДж / кг (1000 ккал / кг).
Виходячи з визначення, тротиловий еквівалент dT можна виразити рівнянням:
де X і T індекси, які відносяться відповідно до досліджуваного ВВ і до тротилу;
ідеальний термодинамічний коефіцієнт по-корисного дії вибуху;
Qвзр - питома теплота вибуху, кДж / кг.
В іншій, адекватної по фізичному змісту, трактуванні тротиловий еквівалент визначається як відношення мас тротилу MТ і даного ВВ mХ. що володіють рівною працездатністю (), і описується виразом
Якщо мірою працездатності служить величина енергії, що генерується в повітрі ударної хвилі, то виходячи з рівняння (3.19) тротиловий еквівалент може бути охарактеризований як відношення мас тротилу і досліджуваного ВВ, що генерують ударні хвилі рівної інтенсивності.
Експериментально тротиловий еквівалент найчастіше знаходять шляхом вимірювання параметрів ударної хвилі в повітрі. Знаходять такі маси тротилу, які генерують ударні хвилі такої ж інтенсивності, як одиниці мас досліджуваних ВВ. Вибір саме цього методу пояснюється тим, що процес формування ударної хвилі в повітрі в найбільшій мірі наближається до ідеального адіабатичному розширення продуктів вибуху, що проводить ущільнення повітря.
Ударна повітряна хвиля і її параметри
Ударна хвиля (УВ) - найбільш потужний вражаючий фактор при вибуху. Вона утворюється за рахунок колосальної енергії, що виділяється в центрі вибуху, що призводить, як було показано, до наявності величезної температури і тиску. Розпечені продукти вибуху при стрімкому розширенні виробляють різкий удару оточуючим верствам повітря, стискають їх до значного тиску і щільності, нагріваючи до високої температури. Таке стиснення відбувається в різні боки від центру вибуху, утворюючи фронт ударної повітряної хвилі (УВВ). Поблизу центру вибуху швидкість поширення УВВ в кілька разів перевищує швидкість звуку. У міру руху швидкість її поширення падає. Знижується і тиск у фронті. В шарі стисненого повітря, званого фазою стиснення УВВ (рисунок 3.12), спостерігаються найбільш руйнівні наслідки.
Малюнок 3.12 Фази і фронт ударної повітряної хвилі (УВВ)
Параметри повітряних ударних хвиль розраховуються за законом подібності вибухових хвиль, суть якого полягає в тому, що під час вибуху зарядів сферичної форми параметри УВ є функціями тільки маси ВВ або її енергетичного еквівалента і відстані від геометричного центру вибуху і не залежать від детонаційних параметрів ВВ. Цей закон виведений з теорії точкового вибуху при наступних припущеннях: енергія при вибуху заряду виділяється миттєво і зосереджено, а виникають в повітрі сферичні УВ поширюються без дисипативних втрат, їх параметри зменшуються зі збільшенням відстані від центру вибуху тільки внаслідок збільшення поверхні хвилі і відповідного зменшення в ній щільності енергії. На підставі цих припущень виведені конкретні види функцій параметрів УВ від маси заряду і відстані:
1. Надмірний тиск визначається різницею між фактичним тиском повітря в даній точці і атмосферним тиском (Різб = Рф-Рат = Р). При проході фронту ударної хвилі надлишковий тиск впливає на людину з усіх боків
2. Швидкісний напір повітря (динамічне навантаження, тобто потік енергії) має метальним дією. Спільний вплив цих двох параметрів УВВ призводить до руйнувань об'єктів і жертвам
3. Імпульс надлишкового тиску
4. Загальна тривалість фази стиснення
5. Довжина ударної хвилі
де розмірні коефіцієнти;
R - відстань від центру заряду, м;
r - радіус заряду, м.
Заряди мають сферичну форму.
У виразах (3.20) - (3.24) коефіцієнти відображають енергетичні еквіваленти одиниці маси ВВ. Відповідно вони є індивідуальними характеристиками кожного ВВ. Чисельно вони рівні відповідного параметру хвилі, виміряного під час вибуху 1 кг ВВ на відстані 1 м від центру заряду.
Якщо ж масу ВВ замінити на її енергетичний еквівалент, наприклад, на величину nQвзр. тобто на ту частину енергії вибуху, яка переходить в ударну хвилю, то коефіцієнти стають постійними величинами, що не залежать від виду ВВ. У такому вигляді формули часто використовують для розв'язання оберненої задачі: знаходження показника n і величини ідеальної працездатності ВВ по виміряним параметрам ударної хвилі.
На практиці залежно висловлюють через так звані наведені величини, наприклад, наведені відстані. Тоді параметри ударної хвилі стають функціями наведених відстаней. Справедливість виразів (3.20) - (3.23) була перевірена М.А. Садовським для реальних зарядів тротилу [15]. Їм було встановлено, що залежність для імпульсу ударної хвилі дотримується з задовільною точністю, а надлишковий тиск точніше описується виразом типу полінома:
За допомогою формул (3.20) і (3.25) можна визначити тротиловий еквівалент досліджуваного ВВ. На малюнку 3.13 наведені криві зміни тиску в ударній хвилі в залежності від наведеного відстані при вибуху тротилу на поверхні землі і в повітрі.
1 - вибух на поверхні землі; 2 - вибух в повітрі
Малюнок 3.13 Залежність тиску в повітряної ударної
хвилі від наведеного відстані
Великий інтерес представляють ударні повітряні хвилі в ближній зоні дії вибуху як з точки зору безпеки (при проведенні аварійно-рятувальних робіт), так і при практичному використанні, наприклад, при обробленні судів або інших конструкцій на металобрухт [16]. У цьому випадку найчастіше вибухові роботи доводиться вести в умовах обмеженого простору: в доках, поблизу конструкцій і споруд, усередині відсіків кораблів і т.п. Тому важливо правильно оцінити дію вибухів на навколишні споруди і конструкції, організувати їх захист і розрахувати гранично-допустимий ефективний заряд. Для цього необхідно знати параметри поля вибуху, перш за все в ближній зоні дії.
В роботі [17] показано, що в ближній до заряду зоні, тобто на відстані R = (1 ... 15) r0 (r0 радіус заряду), геометричний закон подоби виконується тільки для одного і того ж вибухової речовини при його постійної щільності 0. На малих відстанях від заряду на параметри УВВ впливає початкова швидкість продуктів вибуху. При цьому швидкість фронту УВВ сферичного заряду D (м / с) розраховується за формулою [17]:
де A, n - постійні величини, що приймають певні значення в різних інтервалах аргументу;
розрахунковий аргумент (безрозмірна величина);
повна енергія вибуху заряду, ккал;
R відстань від місця вибуху, м;
QV - питома теплота вибуху, ккал / кг;
m - маса заряду, кг.
Параметри ударної повітряної хвилі, обчислені по цьому співвідношенню, найбільш близькі до отриманих для литого заряду ТГ 50/50 при 0 = 1,67 г / см 3. D = 7700 м / с і QV = 1140 ккал / кг. Уточнена залежність (3.26) наведена на малюнку 3.14 і набирає вигляду
Таким чином, знаючи параметри УВВ в ближній зоні і при поширенні на значні відстані, можна не тільки зробити розрахунок руйнуючої дії вибуху, але і визначити безпечні відстані до конструкцій захисних споруд.
Вплив ударної повітряної хвилі на людину
Під час вибуху утворюється вогнище ураження з ударною хвилею і світловим випромінюванням. В осередку вибуху можна виділити три сферичних зони (рисунок 3.15) [14].
Зона I детонаційної хвилі знаходиться в межах хмари вибуху, радіус якого визначається як
де m - маса продуктів вибуху, кг.
В межах зони I надлишковий тиск можна вважати постійним і рівним 1,7 ... 2,0 МПа.
Зона II - зона дії продуктів вибуху, яка охоплює всю площу розльоту продуктів вибуху ВВ в результаті їх детонації. Радіус зони II в 1,7 рази більше радіуса зони I, тобто R2 = 1,7R1. а надлишковий тиск в міру віддалення зменшується до 0,3 ... 0,4 МПа.
Зона III - зона дії УВВ. Тут формується фронт УВВ.
Вплив УВВ на людини може бути непрямим або безпосереднім. При непрямому ураженні УВВ, руйнуючи будівлі, втягує в рух величезну кількість твердих частинок, осколків скла та інших предметів масою до кількох грам при швидкості до 35 м / с. Так, при величині надлишкового тиску близько 60 кПа щільність таких небезпечних частинок досягає 4500 ... 5000 шт. / М 2. Найбільше число потерпілих - жертви непрямого впливу УВВ.
Безпосереднє ураження УВВ людей призводить до травм:
вкрай важкі (зазвичай несумісні з життям) спостерігаються при впливі надлишкового тиску величиною понад 100 кПа;
важкі (сильна контузія організму, ураження внутрішніх органів, втрата кінцівок, сильна кровотеча з носа і вух) виникають при надмірному тиску від 60 до 100 кПа;
середні (контузія, пошкодження органів слуху, кровотеча, вивихи) мають місце при надмірному тиску від 40 до 60 кПа;
легкі (забиті місця, вивихи, тимчасова втрата слуху, загальна контузія) спостерігаються при надлишковому тиску від 20 до 40 кПа.
Ці ж параметри УВВ призводять до руйнувань, характер яких залежить від навантаження, створюваної УВВ, і реакцій предмета на дії цього навантаження. Поразки об'єктів, викликані УВВ, можна характеризувати ступенем їх руйнувань в залежності від відстані (зони руйнувань).
Зона повних руйнувань є зоною, в якій відновити зруйновані об'єкти неможливо. Масова загибель всього живого. Займає до 13% всієї площі осередку ураження. Тут повністю зруйновані будівлі, до 50% протирадіаційних укриттів, до 5% притулків і підземних комунікацій. Суцільних пожеж не виникає через сильних руйнувань, зриву полум'я ударною хвилею, розльоту займистото уламків і засипки їх грунтом. Ця зона характеризується величиною надлишкового тиску понад 50 кПа.
Зона сильних руйнувань займає площу до 10% вогнища ураження. Будівлі сильно пошкоджені, притулку і комунальні мережі зберігаються, 75% укриттів зберігають свої захисні властивості. Є місцеві завали, зони суцільних пожеж. Зона характеризується надлишковим тиском від 30 до 50 кПа.
Зона середніх руйнувань спостерігається при надмірному тиску від 20 до 30 кПа, займає площу до 15% вогнища ураження. Будівлі отримують середні руйнування, а захисні споруди і комунальні мережі зберігаються. Можуть бути місцеві завали, ділянки суцільних пожеж, масові санітарні втрати незахищеного населення.
Зона слабких руйнувань характеризується надлишковим тиском від 10 до 20 кПа і займає до 62% площі вогнища ураження. Будівлі отримують слабкі пошкодження (руйнування перегородок, дверей, вікон), можуть бути окремі завали, вогнища пожеж, а у людей - травми.
Рельєф місцевості впливає на поширення УВВ: на схилах пагорбів, звернених у бік вибуху, тиск вище, ніж на рівнинній місцевості (при крутизні схилу 30 градусів тиск на ньому на 50% вище), а на зворотних схилах нижче (при крутизні схилу 30 градусів - в 1,2 рази). В лісових масивах надлишковий тиск може виявитися на 15% вище, ніж на відкритій місцевості, але в міру поглиблення в ліс швидкісний натиск зменшується. Метеоумови впливають тільки на слабку УВВ, тобто з надлишковим тиском менше 10 кПа. Влітку спостерігається ослаблення УВВ в усіх напрямках, а взимку - її посилення, особливо в напрямку вітру. Дощ і туман впливають на УВВ при надмірному тиску до
30 кПа. Снігопад не знижує тиску УВВ.