Бажин В.Е. Взрыв, взрывчатые вещества, их применение

Подождите немного. Документ загружается.

заключается в повышении действия взрыва заряда в определенном

направлении.

Вблизи от заряда действие взрыва зависит от формы заряда. Так,

в случае заряда кубической формы в направлении сторон куба

действие значительно сильнее, чем в направлении углов. Уже на этом

примере мы встречаемся с направленным взрывным действием,

вызванным тем, что продукты взрыва в начальной стадии движутся

перпендикулярно поверхностям заряда. В кумулятивном действии

эффект направленности взрыва проявляется особенно сильно и

рельефно.

На рисунке 4.1а изображен заряд в форме бутылки, поставленной

на стальном цилиндре. Рисунок выполнен в масштабе, и основные

размеры указаны в миллиметрах. В качестве ВВ был использован

пентолит (сплав тротила и тэна); масса заряда 150 г. После взрыва

(инициирование производили сверху) в стальной подставке

образовалась вмятина, показанная на рисунке 4.1а (в разрезе)

зачерненной областью.

На таком же стальном цилиндре взорвали заряд, имеющий

коническую выемку, обращенную к поверхности стали (рисунок 4.1б).

Наружные размеры заряда прежние, но масса его уменьшилась до 115

г.

Казалось бы, что действие такого заряда должно быть слабее, чем

сплошного: масса заряда меньше, причем удалена именно та часть

заряда, которая непосредственно примыкает к стальному цилиндру и в

случае взрыва сплошного заряда является наиболее активной. В

действительности действие заряда с выемкой оказывается более

интенсивным, как это можно видеть по вмятине (зачерненная область

на рисунке 4.1б). После взрыва заряда с конической выемкой глубина

полученной вмятины примерно в четыре раза больше, чем от

сплошного

заряда. Такое усиление действия взрыва в заданном направлении,

осуществляемое зарядом определенной формы, и называют

кумулятивным действием, а соответствующие заряды –

кумулятивными зарядами. Иногда термин «кумулятивное действие»

применяют также к эффектам, производимым комбинацией нескольких

зарядов.

Кумулятивное действие проявляется наиболее сильно, если на

внутренней поверхности конической выемки поместить тонкий слой

металла.

На рисунке 4.1в показан результат аналогичного опыта с зарядом,

кумулятивная выемка которого облицована сталью толщиной 0,6 мм.

Пробоина в стали (показана в разрезе зачерненной областью) имеет

несколько меньший диаметр, но глубина ее примерно в четыре раза

больше глубины выемки от кумулятивного заряда без облицовки и,

следовательно, примерно в 16 раз больше глубины вмятины, полученной

от сплошного заряда. Нужно отметить, что наибольшая глубина, в случае

заряда с облицовкой, получается тогда, когда он расположен не на самой

поверхности пробиваемой мишени, а на небольшом расстоянии, как

показано на рисунке 4.1в.

1 – заряд; 2 – отверстие в стальной подставке; образованное взрывом;

3 – стальная подставка; 4 – металлическая облицовка

Рисунок 4.1 – Действие на стальную подставку сплошного заряда (а),

заряда с кумулятивной выемкой (б) и заряда с кумулятивной выемкой

при наличии облицовки (в)

Кумулятивные заряды с металлической облицовкой имеют

исключительно большое практическое значение.

На рисунке 4.2 показаны последовательные стадии процесса

обжатия детонационной волной металлической облицовки конической

кумулятивной выемки. Детонационная волна распространяется слева

направо. Под действием давления детонационной волны облицовка

начинает двигаться к центру, как бы обжимаясь и смыкаясь. После

смыкания вещество облицовки делится на две части, роль которых

существенно различна. Слева от точки смыкания («узла») из наружных

слоев облицовки образуется «пест» 2 (или стержень), в который

переходит большая часть массы облицовки. Пест (стержень) не играет

какой-либо роли в пробивающем действии. Справа от точки смыкания из

внутренних слоев облицовки образуется кумулятивная струя 3 – струя

металла, движущегося с большой скоростью направо. Именно эта струя,

несмотря на то, что ее масса невелика, обеспечивает пробивание преград

значительной толщины.

1 – положение фронта детонации; 2 – пест; 3 – струя

Рисунок 4.2 – Последовательные стадии формирования

кумулятивной струи

На рисунке 4.2 в кадрах а, б, в и г слева направо схематически

показан процесс формирования струи и песта по мере распространения

детонации. На кадре а детонационная волна начала обжимать вершину

конуса, на кадре в детонационная волна прошла конец заряда, на кадре г

показано дальнейшее развитие явления, некоторое время спустя после

того, как детонационная волна прошла конец заряда. Такие

последовательные снимки процесса формирования кумулятивной струи

могут быть получены при помощи импульсной рентгеновской съемки.

Если между рентгеновской трубкой и фотопластинкой находится

изучаемый объект, то на пластинке будет запечатлено мгновенное

распределение масс.

Проведя несколько подрывов совершенно аналогичных объектов, но

снимая в разные моменты (от начала взрыва), можно получить полное

представление о развитии явления во времени. Импульсная рентгеновская

съемка весьма эффективна при исследовании таких явлений, как например,

разрыв снаряда и начальная стадия разлета осколков, и особенно

эффективна при исследовании явления кумуляции. Были использованы

также разные оптические методы, но в данном случае их возможности

ограничены.

Разработана гидродинамическая теория кумулятивных зарядов с

облицовкой, рассматривающая материал облицовки как идеальную

несжимаемую жидкость. Впервые решение задачи было дано М.А.

Лаврентьевым [14]; оно же является наиболее строгим. Изложим

вкратце некоторые основные положения и выводы гидродинамической

теории кумуляции. На рисунке 4.3а дано сечение кумулятивного заряда

с металлической облицовкой. Из этого сечения может быть получен

клинообразный кумулятивный заряд – параллельным переносом

перпендикулярно оси симметрии или конический – путем вращения

сечения вокруг оси симметрии. Дальнейшие выводы, строго говоря,

будут относиться к клинообразному заряду. К коническому заряду их

можно применить лишь при условии, что толщина конической

облицовки уменьшается от вершины конуса к основанию таким

образом, что масса оболочки на единицу длины (вдоль оси симметрии)

остается постоянной. Впрочем, с некоторой погрешностью изложенные

ниже выводы могут быть применены и к коническому заряду с

постоянной толщиной слоя конической облицовки. Важной

характеристикой облицовки является угол α между стороной клина

(образующей конуса) и осью симметрии.

1 – положение фронта детонации

Рисунок 4.3 – Схема кумулятивного заряда (а) и образования струи (б)

На рисунке 4.3б схематически показан процесс разрушения

облицовки кумулятивного заряда. Рассматривается простейший случай

плоской детонационной волны. Под действием этой волны облицовка

начинает двигаться к центру; угол 2β между движущимися стенками

будет больше первоначального угла 2α между стенками оболочки.

Слева от «узла» – точки О схождения стенок – находится пест,

образующийся из наружных частей облицовки. Справа – кумулятивная

струя,

образующаяся из внутренних частей облицовки. По мере обжатия

облицовки «узел» (точка О) будет передвигаться с некоторой скоростью

в направлении распространения детонации. Если ввести подвижную

систему координат, скрепленную с «узлом», то в этой системе материал

оболочки будет как бы втекать в узел с некоторой скоростью и' и с той

же скоростью вытекать из узла направо – в струю и налево – в пест.

По отношению к неподвижной системе координат скорость струи

= и

+ и'; скорость песта будет различной; если в подвижной системе

координат он движется налево, то по отношению к неподвижной

системе он будет двигаться направо, но со скоростью, значительно

меньшей скорости струи и

= и

– и'. Считая материал несжимаемым и

применяя уравнение Бернулли, получим следующие соотношения:

 



























tgsincos

sin

Dи

;

 



























tgsincos

sin

где D – скорость детонации ВВ.

Если т – масса материала облицовки, то массы вещества,

образующие соответственно струю и пест, определяются следующим

образом:

 



cos

 1

;

 



cos

 1

Из этих отношений следует, что масса струи меньше массы песта, но

обладает значительно большей скоростью; в результате пробивающее

действие определяется именно струей. Чем меньше угол α, тем больше

скорость струи. Для конуса с углом α = 30° скорость кумулятивной струи

должна быть близкой к скорости детонации и даже несколько превышать

ее.

Если α → 0, то v

→ 2D. Таким образом, максимальная

теоретическая скорость струи в пределе равна удвоенной скорости

детонации. Если использовано ВВ с достаточно высокой скоростью

детонации от 7,5 до 8,5 км/с, то соответственно высокой будет и скорость

струи. В результате столкновения с преградой такой струи, обладающей к

тому же значительной плотностью, должны развиваться давления в сотни

тысяч атмосфер. При таких давлениях даже прочные металлы должны

течь, что и дает основание применять к металлу в струе уравнения

гидродинамики.

Из теории также следует, длина струи l

, длина песта l

(стержня) и

длина образующей клина (конуса) l должны быть равны между собой.

Нужно отметить, что выведенные соотношения дают правильные

качественные зависимости, но в количественном отношении являются,

несомненно, приближенными. Опытные исследования показывают, что

действительное распределение массы облицовки в пест и струю

несколько отличается от того, что дает рассмотренная приближенная

теория. Оказалось, что головная часть струи движется с большей

скоростью, чем ее тыльная часть. Поэтому по мере движения струя

растягивается и длина ее увеличивается. Кроме того, струя может еще

выдавливаться после полного смыкания стенок вследствие крайне

высоких давлений, развивающихся в осевой части песта. Поэтому

теоретическое соотношение l

= l

= l если и справедливо, то лишь в

начале образования струи; в дальнейшем при ее движении l

> l.

Рассмотрим случай кумулятивного заряда, сечение которого дано

схематически на рисунке 4.4. В данном случае полость представляет

собой цилиндр и угол α = 0. Кроме того, на пути распространения

детонации находится массивная стальная пластина (экран), которую

детонационная волна огибает. В результате распространение

детонационной волны будет происходить под некоторым переменным

углом γ к направлению распространения плоской волны. (Волна с

углом γ = 0 является плоской, скользящей вдоль облицовки; волна с

углом γ = 90° падает на облицовку нормально). Как мы уже видели,

при α = 0 и γ = 0

= 2D.

Если γ ≠ 0, то



cos



Наконец, если γ → 90°, то и

→ ∞.

Нужно, однако, иметь в виду, что при γ → 90° одновременно и β →

0, а следовательно, и m

→ 0.

При устройстве, показанном на рисунке 4.4, угол

распространения детонационной волны γ является переменным.

Вблизи от экранирующей пластины значение γ близко к 90°, но затем

уменьшается.

Изучая кумулятивные заряды типа снаряда, изображенного на

рисунке 4.4, американские исследователи измерили скорости струи для

облицовки из разных материалов. Эти скорости оказались тем больше,

чем меньше атомный вес материала облицовки. Для облицовки из

бериллия получено рекордное значение скорости струи 90 км/с.

Нужно, правда, отметить, что такая скорость получена для струи,

распространяющейся в вакууме. При этом масса и плотность струи

весьма малы и пробивающее действие струи ничтожно; если вакуум

ухудшается и давление достигает всего 0,1 мм рт. ст., то струя уже

заметно замедляется. Из некоторых теоретических соотношений

следует, что давление на оси цилиндрической выемки (при ее обжатии

и формировании кумулятивной струи) может достигать нескольких

миллионов атмосфер.

1 – детонатор; 2 – экран из инертного материала; 3 – фронт

детонационной волны в некоторый промежуточный момент;

4 – облицовка

Рисунок 4.4 – Схема кумулятивного заряда с цилиндрической

выемкой и облицовкой

До сих пор мы рассматривали формирование кумулятивной струи

и ее параметры. Обратимся теперь к взаимодействию струи с

преградой. Встречая на своем пути преграду, кумулятивная струя

деформирует ее; материал преграды начинает растекаться в

радиальных направлениях, образуя отверстие, которое углубляется с

некоторой скоростью. Опять-таки из-за весьма больших скоростей

движения струи взаимодействие ее с преградой можно рассматривать

как взаимодействие идеальных жидкостей, применяя к ним уравнения

гидродинамики, что и было предложено Лаврентьевым [14].

Предположим, что мы имеем кумулятивную струю плотностью ρ

длиной l

, движущуюся со скоростью и

. На рисунке 4.5 показано

проникновение струи в преграду. Точка А (точка «удара»)

перемещается вглубь с некоторой скоростью u

до тех пор, пока струя

не израсходуется. Стрелки наверху показывают действительные

значения скоростей.

Рисунок 4.5 – Схема пробивания преграды кумулятивной струей

Перейдем теперь к координатной системе, движущейся вместе с

точкой А. По отношению к этой системе координат материал преграды

будет двигаться налево со скоростью и

, а струя – направо со скоростью

– и

. Эти скорости показаны стрелками на рисунке 4.5 внизу. Для

движущейся координатной системы мы имеем установившееся

движение и можем, считая жидкости несжимаемыми, применить

уравнение Бернулли (p + ρu

= const). Полагая давление р с обеих сторон

поверхности соприкосновения струи и преграды (в точке А)

одинаковым, получим

 

мммсс

иии





откуда

мс

ии







Глубина полного проникания (глубина пробивания)

L = u

где t – время действия струи, равное

мc





следовательно,

мс

ии









Таким образом, согласно гидродинамической теории глубина

пробивания пропорциональна длине кумулятивной струи и корню

квадратному из отношения плотностей струи и преграды. Эта глубина

не зависит явным образом от и

; чем больше скорость струи, тем

быстрее она проникает, но вместе с тем она быстрее и исчерпывается.

Приведенная формула, конечно, идеализирована, но она в общем

согласуется с опытом. Нужно только иметь в виду, что l

нельзя

полагать равной начальной длине образующей конуса l. Если в

формулу подставить величину l, то фактическая глубина пробития

окажется в 2–4 раза большей, чем по расчету. Дело в том, что, как уже

отмечалось, кумулятивная струя растягивается при движении, и l

> l.

Именно поэтому наибольшая глубина пробивания получается в том

случае, когда преграда находится на некотором расстоянии от нижнего

среза кумулятивного заряда; при этом струя успевает достаточно

удлиниться. При дальнейшем увеличении расстояния струя теряет

устойчивость, разрывается, расширяется, и пробивающее действие ее

резко падает. Отметим, что то расстояние от заряда до преграды, на

котором струя имеет наибольшую пробивную способность, иногда

условно называют фокусным расстоянием кумулятивного заряда.

При дальнейшем уточнении теории пробивания необходимо

учесть такие факторы, как прочность, сжимаемость материала струи и

преграды, силы внутреннего трения и вязкости. Диаметр отверстия,

образуемого при растекании вещества преграды, обычно значительно

превосходит диаметр струи и зависит от значения энергии струи на

единицу глубины проникания и от прочности и текучести материала

преграды. Отверстия в свинце значительно шире, чем в стали, хотя

глубины пробивания в обоих металлах близки.

Длина кумулятивной струи, от которой существенно зависит

глубина пробивания, теоретически должна возрастать с увеличением

высоты выемки, а также с увеличением диаметра выемки у ее основания.

На практике обычно применяют конические выемки с диаметром, почти

равным диаметру нижней части заряда, и с высотой, равной одному-

полутора диаметрам (угол α ≈ 30…40°). Заряды с выемкой большей

высоты дают струю малой устойчивости. Конические выемки

эффективны и удобны.

Иногда применяют кумулятивные выемки (с облицовкой) и

другой формы. Выемки в виде полусферы (рисунок 4.6) используют в

тех случаях, когда максимальное разрушающее действие должно быть

получено на большом расстоянии от нижнего среза заряда; у

полусферических выемок фокус кумулятивной струи дальше отстоит

от нижнего среза заряда, чем у зарядов с конической выемкой.

1 – детонатор; 2 – заряд ВВ; 3 – металлическая облицовка

Рисунок 4.6 – Схема кумулятивного заряда с выемкой

в виде полусферы

Свойства кумулятивной струи и, в частности, ее пробивающая

способность зависят также от материала облицовки и ее толщины. Как

слишком большая, так и чрезмерно малая толщина облицовки

невыгодны. На практике применяют облицовки стальные, медные,

алюминиевые и пр.; толщина их в зависимости от размеров и

конструкции заряда меняется в пределах от 0,5 до 3 мм.

Свойства кумулятивной струи и, в частности, ее пробивное

действие, зависят также от свойств ВВ. У веществ малой плотности и

малой скорости детонации кумулятивный эффект проявляется слабо.

Для того чтобы кумулятивные эффекты были выражены наиболее

ярко, необходимо использовать ВВ с возможно большей плотностью и

скоростью детонации.

С помощью кумуляции можно эффективно управлять явлением

взрыва, получать, хотя бы в малых объемах, концентрации энергии и

давления, большие, чем в продуктах взрыва самого ВВ, получать

направленный эффект взрыва, при котором действие в заданном

направлении значительно усиливается на ограниченной площади.

5 КЛАССИФИКАЦИЯ ВВ

В зависимости от назначения ВВ и вида взрывного разложения

все ВВ делятся на несколько групп:

группа 1 – первичные инициирующие ВВ (ИВВ);

группа 2 – бризантные ВВ (БВВ);

группа 3 – метательные ВВ, пороха, смесевые твердые ракетные

топлива (СТРТ);

группа 4 – пиротехнические составы.

5.1 Первичные инициирующие ВВ (ИВВ)

ВВ этой группы отличаются высокой чувствительностью к

внешним воздействиям.

Взрывная реакция этих ВВ начинается от простого начального

импульса, горение практически мгновенно переходит в детонацию.

Они в основном применяются для изготовления средств

воспламенения и инициирования. К ним относятся: азид свинца

Pb(N

)

, тринитрорезорцинат свинца – ТНРС – С

Н(NO

)

Pb·H

гремучая ртуть – Нg(ONC)

, тетразен – С

ОN

Основные характеристики ИВВ приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Свойства ИВВ

Наименован

ие

Плотность,

кг/м

Плотность

запрессованно

го ВВ, кг/м

Температура

вспышки,

Скорость

детонаци

и, м/с

Азид свинца 4710 3000–3500 340 4500