ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2004, том 23, № 1, с. 27-49
ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВ
УДК 541.011.2
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ДЕТОНАЦИИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
© 2004 г. К. К. Шведов
Институт проблем химической физики Российской академии наук, Черноголовка
Поступила в редакцию 23.05.2003
Обсуждаются экспериментальные наблюдения детонации конденсированных ВВ (КВВ), касающиеся стационарности процесса, структуры фронта, состояния вещества на ударном фронте и причин его химического разложения. Анализируется обоснованность некоторых новых, противоречащих теориям Чепмена-Жуге (ЧЖ) и Зельдовича-Неймана-Деринга (ЗНД) представлений и лежащих в их основе экспериментальных данных. К ним относятся: утверждения о невозможности стационарного процесса в жидких ВВ с пульсирующим фронтом и газах вследствие срыва химической реакции; концепция о нетепловой природе процессов превращения вещества в ударных и детонационных волнах и экспериментальные данные о несоответствии на несколько порядков задержки взрыва нитрометана тепловой теории; соображения о несоответствии состояния вещества за ударным фронтом (УФ) детонационной волны состоянию на ударной адиабате исходного вещества из-за частичного или полного разложения его внутри УФ по нетепловому механизму, связанному с механическим разрывом химических связей или сильным перегревом поступательных степеней свободы, и экспериментальные данные о существовании стационарных режимов детонации без химпика в прессованных до близких к монокристаллу плотностей зарядах ряда мощных ВВ. Показано, что в стационарных режимах макроструктура детонационного фронта в гомогенных (жидких) ВВ с гладким и негладким ударным фронтом и гетерогенных (твердых) ВВ, как и в газах, качественно подобна и соответствует модели ЗНД. Нет никаких оснований выделять в особые режимы детонацию жидких ВВ с негладким фронтом, так как срыв химической реакции и пульсации состояния ЧЖ в таких ВВ невозможны. Стационарность процесса независимо от макроструктуры детонационного фронта в силу ударного механизма превращения обеспечивается условием касания прямой Михель-сона адиабаты продуктов равновесного или замороженного состава. Разложение КВВ в ударных волнах имеет тепловую природу, период индукции адиабатического теплового взрыва нитрометана и других жидких ВВ в области давлений ~7.0-15.0 ГПа соответствует расчету с использованием данных о равновесной температуре и кинетических константах, определенных в обычных условиях. В стационарных режимах детонации зарядов КВВ любой структуры (включая агатированные) наблюдается предсказанный моделью ЗНД химпик. Состояние ВВ на УФ соответствует состоянию нереагирующего вещества. Данные некоторых работ о существовании режимов детонации без химпика в мощных КВВ высокой плотности (гексоген, октоген, ТЭН) обусловлены некорректной трактовкой результатов. Причиной возникновения химического разложения вещества на УФ детонационных волн жидких и твердых КВВ является его сильный нагрев. Представления о механической деструкции не находят экспериментального подтверждения.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на более чем вековую историю открытия детонации (обзор [1]), многие стороны этого уникального явления остаются неясными, что стимулирует развитие новых идей и подходов для его объяснения и описания. Важнейшим этапом на этом пути была разработка в 40-х годах минувшего века на базе созданной Михельсоном (1893), Чепменом (1899) и Жуге (1905) классической теории Чепмена-Жуге (ЧЖ) современной гидродинамической теории детонации в работах Зельдовича [2], Неймана [3] и Деринга [4] (ЗНД). Основы этой теории и ее отличие от модели ЧЖ хорошо известны и описаны во многих монографиях [5-8]. Процесс идеальной самоподдерживающейся детонации на диаграмме давление (Р) -
удельный объем (V) описывается в обеих теориях совместным решением уравнения для прямой Ми-хельсона (прямая ОА на рис. 1а), тангенс угла наклона которой к оси абсцисс определяет квадрат
скорости фронта О2/ VI = (Р - Р0)/(У0 - V), и адиабаты Гюгонио (кривая 2 на рис. 1а), отвечающей полному выделению теплоты химической реакции. В соответствии с опытом единственному значению скорости отвечает касание прямой Ми-хельсона кривой 2 в точке В. В этой точке (ЧЖ) скорость волны относительно продуктов реакции равна местной скорости звука, чем объясняется стационарность процесса. Принципиальное различие моделей состоит в том, что по первой из них состояние вещества во фронте детонационной волны из начального (точка О) в конечное
Р
Р(Ц)
А
О
У г
Рис. 1. Диаграмма давление - удельный объем (а) и профиль давления (массовой скорости) во времени процесса детонации по различным моделям (•): 1 -ЗНД, 2 - ЧЖ, 3 - "взрывное горение" или гипотетическая модель ЧЖ с конечной зоной реакции.
(точка В) изменяется на Р-У-диаграмме снизу вверх мгновенно. Это означает, что химическое разложение начинается в исходном состоянии вещества и полностью заканчивается за время его сжатия в ударном фронте (УФ), что не удавалось объяснить исходя из теплового механизма химического разложения вещества и вызывало обоснованные сомнения [6]. По второй модели, наоборот, разложение вещества происходит за времена, гораздо (на порядки) большие, чем его сжатие в УФ. В процессе неравновесного перехода вещества от исходного к сжатому в УФ химический состав его не изменяется, состояние непосредственно за фронтом описывается ударной адиабатой исходного вещества (кривая 1 на рис. 1а). В стационарном самоподдерживающемся режиме детонации, имеющем скорость, определяемую точкой касания В, исходное вещество по модели ЗНД из начального состояния сначала переходит в состояние, соответствующее точке А, лежащей на ударной адиабате исходного вещества, а затем его состояние по мере протекания химической реакции непрерывно изменяется сверху вниз до точки В. Детонация по модели ЗНД представляет собой стационарное распространение по взрывчатому веществу от слоя к слою комплекса из плоского УФ и зоны химической реакции. Инициирует химическую реакцию УФ, а образующиеся при высоком давлении и температуре газы оказывают "поршневое" действие, поддерживая постоянными параметры УФ. Предполагалось (это не вызывало сомнения для газов), что причиной химического разложения вещества за УФ является его сильный нагрев, хотя конкретный механизм и его кинетика не рассматриваются.
Из Р-У-диаграммы процесса детонации следует, что профиль давления или массовой скорости и по времени г или координате по модели ЗНД должен качественно отличаться от модели ЧЖ
(кривая 2 на рис. 16) областью повышенных давлений в зоне реакции ("химпик"), как показано на рис. 16 (кривая 1). Кривой 3 на рис. 16 показан возможный профиль и(г) в случае, если детонация ведется струями продуктов (взрывное горение), или в гипотетическом варианте модели ЧЖ с конечной скоростью реакции, когда вещество разлагается в процессе сжатия. Оба эти варианта кроме формального отличия в профиле и (г) от модели ЗНД требуют, как и в модели ЧЖ, обоснования механизма превращения вещества за времена ~10-7 с. В зоне реакции по модели ЗНД профиль давления или массовой скорости определяется кинетикой химических реакций, а за звуковой поверхностью в волне разрежения - зависит от геометрических размеров заряда (длины, диаметра, толщины слоя, наличия и свойств оболочки и т.п.).
Предложенный в модели ЗНД ударный механизм превращения вещества послужил основой доказательства невозможности осуществления недосжатых режимов детонации (состояния на адиабате 2 ниже точки В, рис. 1а) и обоснования тем самым единственности режима детонации, определяемого точкой касания. Однако это доказательство было дано для случая одномерности течения за УФ и экзотермичности от начала до конца химической реакции. Опыт показывает, что в действительности чаще всего УФ детонационной волны не является гладким, что может приводить к турбулентности потока за ним, а механизм и кинетика химических реакций при детонации конденсированных ВВ (КВВ) детально не изучены. Поэтому вопрос о доказательстве невозможности осуществления недосжатых режимов детонации в общем случае остается открытым. Рассмотрение его для детонации с негладким фронтом привело к выводу о том, что он может быть решен на основе модели ЗНД путем соответствующего способа усреднения параметров турбулентного потока [9-11]. В частности в [11], показано, что если коэффициент Грюнайзе-на для продуктов реакции Г > 2/3 и состояние вещества в процессе реакции и затухания турбулентности приходит к состоянию термодинамического равновесия на Р-У-диаграмме сверху вниз (существует "химпик"), то условие касания будет выполняться. По-видимому, этот вывод справедлив и по отношению к адиабате продуктов замороженного состава, так как во многих случаях детонации смесевых ВВ наблюдаются стационарные режимы при явном отсутствии химического равновесия продуктов разложения в состоянии ЧЖ. Условие касания является важным в теории детонации не только с позиции объяснения стационарности процесса. Оно дает недостающее уравнение для расчета параметров детонации при известных уравнении состояния продуктов детонации и теплоте взрывчатого превращения.
Таким образом, модель детонации ЗНД послужила фундаментом для развития экспериментальных и теоретических работ не только в целях подтверждения или опровержения самой теории, но и изучения явления в целом, включая состояние вещества за УФ, механизм и кинетику его разложения на основе измерений газодинамических параметров и их распределения за УФ. Несмотря на известный формализм, большинство экспериментально наблюдаемых фактов детонации как газовых смесей, так и конденсированных ВВ, удается объяснить в рамках этой теории. Важнейшее предсказание ее о наличии химпика в зоне реакции было подтверждено экспериментально десятки лет спустя после создания теории во многих работах (см., например, [8], а также ссылки в [12-14]. Многочисленные данные по структуре фронта и свойствам спиновой или, как потом стали называть, пульсирующей детонации в газах были интерпретированы ее исследователями, исходя из модели ЗНД и неустойчивости плоского фронта воспламенения из-за реа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.