CC BY
63
УДК 662.215.12
С.В. Мочалов, В.П. Удовиченко, Е.А. Петров
ФГУП «Федеральный научно-производственный центр «Алтай»
Особенности формирования воздушных ударных волн при детонации смесевых взрывчатых веществ
Исследованы процессы формирования воздушных ударных волн и их поражающего действия при детонации смесевых взрывчатых веществ
Для исследования процессов формирования воздушных ударных волн (ВУВ) и их поражающего действия при детонации смесевых взрывчатых веществ (ВВ) были выбраны рецептуры составов, которые приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Рецептуры смесевых составов
Состав Массовая доля компонентов
НГЦ ДНДЭГ ПХА О ЫаО! ЫИ4О! №N03 А! Полимер Прочие
Угленит 0,07 0,07 - - 0,07 0,29 0,46 - - 0,04
№1 - - 0,47 0,25 - - - 0,19 0,055 0,035
№2 - - 0,344 0,196 - - - 0,25 0,16 0,051
№3 - 0,15 0,222 0,375 - - - 0,215 0,024 0,014
№4 0,13 - 0,14 0,497 - - - 0,19 0,034 0,008
Примечание. НГЦ - нитроглицерин; ДНДЭГ - динитрат диэтиленгликоля; ПХА - перхлорат аммония; О - октоген
Экспериментально оценивались закономерности изменения параметров ВУВ с расстоянием; зависимости тротилового эквивалента (ТЭ) от массы заряда; действие взрыва на выброс в наземных условиях.
Эксперименты проводились в рамках традиционной методики: заряды инициировались от электродетонатора и промежуточного заряда массой не более 3 % от основного; скорость распространения ВУВ регистрировалась при помощи датчиков ЦИС-5, импульс фазы сжатия ВУВ - датчиками АИДА-М; обмер воронки и некоторых параметров выброса проводился при наземном расположении зарядов. Расстояние до датчиков от центра взрыва выбиралось из расчета, чтобы на момент прохождения фронта ВУВ избыточное давление составляло не менее 0,05 МПа. Заряды малой массы (до 5 кг) подрывались на высоте около 15 приведенных радиусов Р0 над землей, часть из них подрывалась в прочных или массивных корпусах. Результаты экспериментов отражены на рисунках 1- 3.
А Р, кг/см2
1 - малые заряды ТНТ (взрыв воздушный); 2 - зависимость Садовского для наземного взрыва; 3, 4 - малые и большие заряды состава № 1 (взрыв воздушный); 5, 6 - малые заряды состава № 2 (взрыв воздушный и наземный); 7 - малые заряды составов № 3 и 4 (взрыв воздушный); 8 - большие заряды составов № 2 и 4 (взрыв наземный); 9 - большие заряды угленита (взрыв наземный)
Рисунок 1 - Зависимость амплитуды воздушной ударной волны АР от относительного расстояния Р/р
На рисунке 1 представлены зависимости амплитуды давления в воздушной ударной волне от безразмерного расстояния Р/р (отношение расстояния от точки наблюдения до заряда Р к Р0) для смесевых ВВ. Здесь же представлены данные по подрыву зарядов литого тротила (ТНТ) массой до 4 кг и расчетная зависимость Садовского для ТНТ.
Из рисунка 1 видно, что кривые зависимостей для зарядов малой и большой массы всех рассматриваемых составов существенно отличаются на небольших расстояниях от центра взрыва как по углу наклона, так и по удаленности друг от друга, но, начиная с некоторого расстояния, сближаются и становятся практически параллельными. Различия, вероятнее всего, определяются условиями наземного и воздушного подрыва и химическими потерями, зависящими от массы заряда.
Что касается зависимости амплитуды давления ВУВ ДР от высоты расположения заряда, то с ростом расстояния от центра взрыва можно было бы ожидать ее ослабления вплоть до полного исчезновения. Это и наблюдалось в экспериментах для малых зарядов ТНТ (кривая 1) и состава № 2 (кривые 5 и 6): характерное расстояние, начиная с которого изменение ДР уже описывается зависимостью Садовского как для ТНТ, так и для смесевых ВВ, составляет примерно 65-70 Р0. Важно отметить, что для зарядов литого ТНТ малой массы ТЭ возрастал с 0,35 на расстоянии 17,6 Р0 до 0,7 на расстоянии 70 Р0, далее рост ТЭ прекращался. Это объясняется влиянием отражения волны от земной поверхности, т.е. в случае, когда точка регистрации находится на малых расстояниях от центра взрыва, возмущение, возникающее при отражении от поверхности земли, не успевает сказаться в точке регистрации. С увеличением же расстояния влияние упомянутого возмущения начинает проявляться все сильнее, приближаясь в итоге по характеру к наземному подрыву, что и вызвало практически пропорциональное увеличение ТЭ.
На кривых рисунка 2 отражены данные по изменению ТЭ в зависимости от диаметра компактного заряда. Здесь же представлены результаты подрыва зарядов в оболочке. В последнем случае данные отложены на кривых только в соответствии со значением ТЭ вне зависимости от фактического диаметра заряда. Как видно из кривой, при подрыве зарядов ТНТ диаметром 90 мм в прочных стеклопластиковых (толщина стенки 6=5 мм) и стальных (6=3 мм) оболочках ТЭ увеличивался до значений 0,75 - 0,82, а при подрыве в свинцовых оболочках (6=5 мм) до 0,920,97. Те же самые значения ТЭ наблюдались при подрывах открытых зарядов ТНТ диаметром 300 мм и массой 34 кг. Таким образом, из результатов следует, что изменение ТЭ, зависящее, вероятнее всего, от изменения химических потерь, значимо лишь до 30-50 кг, т.е. для области малых масс.
Для смесевых составов сильная зависимость ТЭ от массы также наблюдается в интервале 1-30 кг. Наиболее полные данные получены для состава № 1 (критический диаметр 35 мм, предельный диаметр 70-75 мм).
• - заряд ТНТ; + - состав № 1; х - состав № 2; А - состав №4; *- угленит; заряд в оболочке: □ - свинцовой; О - стальной; А - стеклопластиковой
Рисунок 2 - Зависимость тротилового эквивалента от диаметра компактного заряда
Из кривой 3 рисунка 1 (подрыв в воздухе зарядов диаметром 90 мм) видно, что на расстоянии 15 радиусов ТЭ составляет 0,216, что меньше аналогичного показателя для ТНТ равной массы (подрыв в воздухе), однако на расстоянии примерно 19 - 21 радиусов становится равным весьма близко к ТЭ малых зарядов ТНТ. При подрывах зарядов состава № 1 в стеклопластиковой оболочке (6=5 мм) ТЭ увеличивается до значения 0,85, а в свинцовой - до 1,2 (рисунок 2). Приблизительно такие же значения ТЭ получены при подрыве зарядов диаметром 150 мм и массой около 5 кг. Максимального значения (примерно 1,87) ТЭ достигает в зарядах диаметром 300 мм и массой около 35 кг и не увеличивается вплоть до 850 кг.
Из рисунка 3 видно, что зависимость времени фазы сжатия от расстояния более сильная, чем это предсказывается формулой Садовского, во всяком случае, до расстояний в 65^. Так, например, если на расстоянии 35^ экспериментально замеренное время фазы сжатия (10,76 мс)
совпадает со значением, рассчитанным по формуле Т = кпри величине коэффициента
к = 0,85, то на расстоянии в 62,5^ совпадение расчетного времени (17,56 мкс) с экспериментальным может быть получено уже только при значении к =1,04.
р, МПа
Рисунок 3 - Зависимость давления от времени в воздушной ударной волне на расстояниях 35^^ (1); 62,5 Р/Р0 (2) и 104 Р/Р0 (3) от центра взрыва заряда массой 850 кг (состав № 1)
Приведенные данные свидетельствуют в пользу того, что при детонации взрывчатых смесей, состоящих из компонентов различной чувствительности, формирование ВУВ должно происходить поэтапно, а следовательно, зона ее формирования должна быть больше, чем для индивидуальных ВВ. Так, если для ТНТ принято ограничивать зону ближнего действия 15-20 Р0, то для состава № 1 она никак не меньше 70 Р0.
Интересно проследить, как меняется радиус ближней зоны с увеличением доли высокочувствительных компонентов на примере составов № 2, 3, 4 (диаметр образцов 90 мм, критические диаметры соответственно 18; 18,5 мм), представленных на кривых 5, 6 и 7 (рисунок 1). Для них в ближней зоне ТЭ ниже, чем у ТНТ, но существенно выше, чем у состава № 1. На расстоянии в 36 радиусов, что является весьма значительным удалением от центра взрыва, ТЭ состава
№ 2 составляет 0,79, тогда как для состава № 1 - 0,71. С увеличением расстояния до центра взрыва ТЭ также растет, достигая на 70 радиусах значения 1,1. Применение стеклопластиковой оболочки для 90-миллиметровых зарядов состава № 2 дает увеличение ТЭ на этом же расстоянии до 1,75-1,8. Аналогичный результат наблюдается для зарядов диаметром 120 мм. При наземных подрывах зарядов массой 30-50 кг в дальней зоне, начиная с 70 радиусов, зафиксировано значение ТЭ, равное 1,8-1,9, которое сохраняется с изменением массы заряда. Аналогичные результаты получены для состава № 4.
При изучении состава № 4 подрывались заряды массой 1,7 и 57 кг в наземных условиях. Из анализа кривых 7, 8 (рисунок 1) видно, что зависимость ТЭ от расстояния существенно менее выражена, чем, например, для состава № 1. Другая особенность данного состава заключается в том, что при весьма высоком относительном содержании сенсибилизаторов ТЭ на расстоянии примерно 70^ не превышает ТЭ состава № 1. Можно отметить, что с увеличением доли высокочувствительного компонента в смеси при постоянном содержании алюминия скорость нарастания ТЭ на участке до 40-55 радиусов заряда увеличивается, однако предельных значений он достигает также примерно к 70 радиусам. Это, возможно, связано со слабой зависимостью скорости окисления алюминия от детонационного давления, которое с повышением доли сенсибилизатора возрастает от 6000 МПа для состава № 1 до 15000-17000 МПа для состава № 4.
Для нитроэфиросодержащих смесевых составов типа угленитов при формировании ВУВ наблюдаемые основные особенности также сохраняются (кривая 9, рисунок 1). Однако зависимость ТЭ от массы заряда наблюдается в более узком диапазоне изменения последнего - до 100 мм (рисунок 2). Кроме этого, формирование ВУВ завершается примерно к 40-50 Р0.
При оценках поражающего действия случайных взрывов весьма важными являются данные о работоспособности, определенные по объему воронки выброса грунта (таблица 2).
Таблица 2 - Работоспособность составов
Состав Масса, кг Глубина воронки, м Радиус воронки,м Отношение глубины к радиусу Объем выброса, м3 Удельный объем, м3/кг
33 0,51 1,6 0,32 1,83 0,055
№1 41 0,63 1,65 0,38 2,47 0,060
850 2,5 5,0 0,50 87,5 0,103
30000 8,0 15,0 0,44 2520,0 0,084
№4 57 1,2 1,4 0,86 3,29 0,058
Гексоген 46 1,28 1,35 0,95 3,27 0,072
20 0,8 0,75 1,07 0,47* 0,024
Углениты 40 0,9 1,2 0,75 1,87 0,047
52 0,7 1,3 0,54 1,53 0,036
96 1,1 1,8 0,61 4,82 0,050
* Взрыв произведен в грунте с промерзшим на 0,2 м верхним слоем
Из таблицы 2 видно, что с ростом массы заряда растет глубина и радиус воронки, удельный же объем выброшенного грунта перестает расти после достижения определенного значения. Для состава № 1, например, эта величина составляет приблизительно 0,1 м3/кг. Наибольший удельный объем выброса наблюдается при подрыве зарядов состава № 4, наименьший - в случае подрыва угленитов. При сравнении действия на выброс установлено, что удельный объем выброса смесевых ВВ сопоставим с выбросом индивидуальных ВВ, таких как ТНТ, и несколько меньше, чем выброс гексогена. Наконец, следует отметить, что при подрыве индивидуальных ВВ грунт размельчается до более мелких фракций, чем в случае смесевых ВВ.
Для определения сравнительной работоспособности смесевых ВВ при подрыве относительно крупных зарядов изучалось действие взрыва на некоторые строительные конструкции: кирпичные и железобетонные стены, легкие перегородки, стеклопакеты, собственно остекление. В результате можно отметить, что строительные конструкции (фрагменты стен), находившиеся в ближней зоне взрыва, практически не имели повреждений, тогда как остекление было полностью разрушено на расстояниях, более чем в полтора раза превышавших безопасные, рассчитанные по действующим нормативным документам.
Из всего приведенного выше можно сделать следующие выводы:
1 Химические потери при подрыве смесевых ВВ сильно зависят от габаритов заряда, и эта зависимость ослабевает с ростом габаритов существенно быстрее, чем это наблюдалось Садовским при подрыве ТНТ. Размеры заряда, при которых потери энергии становятся минимальными, значительно превышают предельные диаметры.
2 Формирование ВУВ от взрывов смесевых ВВ происходит на относительно больших расстояниях от центра взрыва, чем при взрывах ТНТ. Это выражено тем сильнее, чем меньше доля взрывчатого компонента в составе. В зоне ближнего действия амплитуда давления и импульс ВУВ смесевых ВВ существенно меньше аналогичных характеристик ТНТ, однако с ростом расстояния ТЭ смесевых ВВ растет и для ряда смесевых ВВ приближается к двум. Увеличение доли взрывчатого компонента ведет к снижению размеров зоны ближнего действия.
3 При взрыве смесевых ВВ импульсивное действие ВУВ, а следовательно, и разрушения, им вызванные, выражены слабее, чем у ТНТ, тогда как статическое действие в дальней зоне, наоборот, сильнее. Следовательно, оценки размеров зон сильных разрушений по действующим методикам будут иметь завышенные значения, в то время как для зон слабых разрушений эти оценки будут заниженными.
