История развития ЭМ показывает, что стремление получить процессы, обладающие максимально возможной мощностью (скоростью), всегда больше интересовали исследователей. Детонация является неким барьером, который составляет 10 км/с. Существуют ли режимы, по своим параметрам лежащие между детонацией и внутриядерными процессами? На основе существующего опыта логично отрицать их возможность.
В основу данных рассуждений положен известный физический факт: если движущаяся материальная система используется для передачи энергии, то этот процесс имеет «энергетический барьер», который достигается, когда скорость передачи энергии приближается к критической величине.
«Звуковой барьер» в воздухе достигается, когда скорость среды превышает поступательные скорости молекул O2 и N2.
«Тепловой барьер» достигается, если скорость среды превышает вибрационные скорости молекул O2 и N2.
«Детонационный барьер» достигается при превышении уровня вибрации атомных связей во взрывчатом веществе (связи C-H; O-H; N-H). В пользу существования «детонационного барьера» можно привести довод, в силу которого детонационный фронт, движущийся со скоростью 8…9 км/с, проходит межатомные расстояния за 10-13 с. Константа скорости разложения также составляет 10-13 с. Так как нет другой системы передачи энергии, кроме вибрационного движения атомов, то детонация не может «разлагать» ВВ со скоростью более чем 107 кг×м2/с.
Важно и другое – преодоление любого из перечисленных барьеров требует резкого увеличения скорости, затрат, выделения энергии. Приведенный механизм является не единственным в обосновании предела скорости детонации мощных ВВ.
Для C-H-O-N составов достигнут энергетический предел – не «добираются» единицы процентов от их предельной возможности, поэтому предложен логичный путь – введение высокоэнергетических металлических добавок. Это изменило структуру течения за детонационным фронтом, таким образом, часть общей энергии может выделяться в неизоэнтропической волне разгрузки. В результате работоспособность системы увеличилась, а давление на фронте детонационной волны (ДВ) снизилось. Надо сказать, что это не всегда выгодно в практических целях, метательная и нагружающая способности ВВ стали в большей степени зависимыми от условий передачи отбора энергии от ПД
|
|
|
В практических целях надо знать и сравнивать качества режима не только на уровне параметров, закономерностям стационарной формы, но и по характеру энергообмена с окружающей средой, возможностью возбуждения режима, степени управляемости, влиянию внешних условий на возможность распространения режима, либо экстремальные условия, в которых он еще может быть реализован. В табл. 1.1 суммированы некоторые основные качества режимов ВП, имеющие практический смысл [Орленко ФВ].
В существующей литературе по ВВ методологически принят подход, когда различные режимы ВП обобщаются в единое понятие взрыв и даются факторы, позволяющие считать тот или иной режим ВП взрывом. К определяющим относят следующие факторы: экзотермичность процесса, высокая скорость процесса, интенсивное газообразование, способность к самораспространению. Не умаляя роли принятых положений, их можно рассматривать как первое приближение в понимании физических основ процесса.
|
|
Параметры режима. Обычно представляют интерес следующие параметры режима: линейная скорость, фронтальные параметры энерговыделения и мощность процесса. Совместно с энергосодержанием ЭМ параметры режима позволяют оценить его потенциальные возможности и, главное, нагружающую и метательную способность ЭМ. Параметры режима определяют и ограничения на его практическое применение. Однако перечисленного оказывается недостаточно, когда речь идет о предельных возможностях режима в конкретной схеме реализации. Необходимо рассмотрение процесса от условий возбуждения режима до передачи энергии окружающей среде.
Склонность к переходу. Как правило, самопроизвольный переход от одного режима ВП к другому является нежелательным и недопустимым явлением: пороха, ТРТ, пиротехнические составы должны устойчиво гореть, а ВВ – детонировать. ЭМ обладают различной склонностью к переходу. Основным фактором, определяющим возможность перехода, является качество заряда ЭМ, его структура и внешние ограничения, в которых находится заряд. То и другое по отдельности и вместе могут определять срыв стационарного процесса и переход в высокопорядковый или его затухание.
Возможность управления и, в частном случае, прерывание режима в ряде практических случаев является необходимым. Чем «медленнее» процесс, тем «легче» им управлять, тем больше управляющих факторов может быть использовано. Режимами горения управлять проще, прерывать их можно, меняя как внешние условия (температуру, давление), так и структурные особенности заряда (пористость), геометрические ограничения. Управлять режимами, которые ведутся волновым образом и являются сверхзвуковыми, существенно сложнее. Связано это с тем, что динамика режима определяется параметрами процесса в узкой зоне энерговыделения и практически не зависит от внешних условий. Большая мощность процесса и его направленность, течение вещества за фронтом в направлении его распространения, для конденсированных систем не позволяет использовать внешние управляющие факторы. Это связано еще и с тем, что при высоких параметрах течения не удается создать внешние условия, способные по интенсивности конкурировать с фронтальными параметрами, а следовательно и управлять ими, а тем более прерывать волновой процесс. Режимы, которые ведутся ударной волной, являются сверхзвуковыми, по этой причине подвод и отвод тепла практически невозможен. Для конденсированных высокоплотных систем единственным путем управления процессом остается гидродинамическая разгрузка, когда за счет разброса вещества создается дефицит выделяющейся энергии, необходимой для поддержания и распространения режима, что имеет место при существенном ограничении линейных размеров заряда.
|
|
Доля энергии, выделяющейся во фронте, является принципиальным качеством процесса. Как правило, чем ниже фронтальные параметры, тем энерговыделение более затянуто. Фронт процесса в этом случае рассматривается в более широком смысле, чем ударный фронт, и может состоять из характерных зон, в каждой из которых преобладающим является тот или иной процесс (зона прогрева, зона испарения, зона фильтрации, зона догорания и т.д.). Например, фронт горения – совокупность зон прогрева, испарения, энерговыделения, тогда как фронт детонации – это ударный фронт со следующим за ним энерговыделением. В общем случае за фронт процесса принимают некую регулярную поверхность, разделяющую исходное вещество от последовательных состояний, предшествующих энерговыделению. Обычно, чем «ближе» энерговыделение к фронту процесса, тем «мощнее» режим, тем выше параметры процесса.
Вместе с тем в ряде практических случаев необходимо, оставив на неизменном уровне суммарное энерговыделение, снизить фронтальные параметры (давление, массовую скорость, температуру). Для этого создают такие условия распространения режима, при которых физический комплекс, включающий стадии ведения процесса и энерговыделения, растягивается во времени. В первом, лидирующем возмущении выделяется незначительная доля энергии, содержащейся в ЭМ, которая в результате обмена с акустически жесткой оболочкой (как правило, наличие оболочки в этом случае обязательно) определяет возможность существования и скорость процесса. Остальная энергия выделяется позже, по механизму иногда отличному от первой стадии.
В этом случае реализуются как бы два комплекса: волновой и догорания; при этом волновой является своего рода стимулятором процесса горения. Здесь необходимо создать такие условия, чтобы комплекс был разорван в пространстве и во времени, выделяющаяся во второй стадии энергия не должна питать первую стадию, догорание вещества должно происходить в неизэнтропической волне разгрузки. В данном случае роль гидродинамической разгрузки как негативного фактора возрастает, такие течения практически трудно реализовывать и любое несовершенство в «гидродинамической системе» приводит к срыву процесса. Сказанное в большей степени относится к НСД, однако, общие черты реализации затянутого энерговыделения можно обнаружить и при КГ. При КГ стимулируется режим горения, при НСД подавляется роль волнового процесса.
Изменение агрегатного состояния совместно с энерговыделением – главная цель любого режима ВП. Изменение агрегатного состояния при переходе через режим всегда поступательно – конечными продуктами реакции для C-H-O-N систем являются в основном газообразные продукты. Все рассмотренные режимы являются газодинамическими. Образующиеся газообразные продукты разложения в момент образования являются энергоносителем, их релаксационная способность обеспечивает демпфирование локального повышения параметров, характерное для того или иного режима. С точки зрения совершения работы, а это главное для чего и используется любой из режимов, газообразные продукты являются лучшими из реально существующих рабочих тел. И независимо от того, каким способом передается энергия окружающей среде: за счет ударной волны, за счет плавно меняющегося давления при расширении горячих газов или за счет того и другого вместе, они позволяют передать значительную часть потенциальной химической энергии окружающей среде.
Диапазон возможных плотностей. Плотность заряда следует рассматривать с двух позиций: получения максимальной плотности энергии и возможности реализации того или иного режима. Предельная плотность C-H-O-N ВВ не превышает 2×103 кгс/м-3. Для стационарного детонационного режима все параметры процесса пропорциональны плотности. Для общности следует отметить, что некоторые ВВ вообще не могут детонировать в отсутствие неоднородной механической структуры. Для режима НГ как раз при предельной плотности реализуются минимальные скоростные параметры режима. А для КГ и НСД предельная плотность (плотность монокристалла) недопустима, так как только наличие пористости и создает условия для их существования. Для одного и того же ЭМ структурные характеристики заряда (плотность и пористость) и позволяют реализовывать тот иной режим ВП.
Механизм передачи энергии окружающей среде предопределен режимом ВП. Режимы, имеющие волновую природу, всегда будут передавать энергию окружающей среде волновым образом, а режимы с кондуктивной или конвективной природой будут создавать на границе давление, меняющееся во времени, при этом не исключено, что в окружающей среде будут формироваться и ударные волны.
Характер нагружения среды, окружающей ЭМ, в процессе энерговыделения и в последующие стадии определяется опять же ведущим процесс механизмом. Здесь следует обратить внимание на качественное отличие изэнтропического сжатия вещества от ударно-волнового. Изэнтропическое сжатие вещества – это «холодный» процесс относительно медленного подъема параметров, в течение которого возможен как подвод, так и отвод тепла от внешнего источника. Изэнтропическое сжатие позволяет разделять давление и температуру. Ударно- волновое воздействие на вещество является принципиально отличным от изэнтропического воздействием и, в своем роде, уникальным динамическим методом реализации экстремальных состояний. Уникальность процесса ударно-волнового воздействия на вещество состоит в том, что он одновременно создает в веществе высокие давление и температуру и по своей природе необратим.
Все это приводит к процессам и явлениям, которые обычными методами достигаются либо с большим трудом, либо не могут быть достигнуты вообще. Например, фазовые переходы, образование новых полиморфных модификаций, сверхбыстрая высокотемпературная кристаллизация, оптимально высокие скорости химических реакций и так далее. Как часто бывает, несомненное достоинство динамического воздействия на вещество в ряде случаев является негативным фактором. Действительно, рост давления и температуры происходит во фронте УВ одновременно за время 10-12…10-9 с, а затем спустя 10-6 с происходит снятие давления изэнтропическими волнами разгрузки, причем температура за счет необратимости процесса уменьшается до некоторой величины (а не до уровня окружающей температуры). Таким образом, весь процесс ударного сжатия и разгрузки длится 10-4…10-5 с, а дальнейшее охлаждение разгруженного вещества происходит по обычным законам теплопроводности. Здесь необратимость процесса, как уникальное свойство ударно-волнового сжатия, представляется его существенным недостатком, высокие остаточные температуры ликвидируют образовавшиеся при сжатии структурные состояния.
Особо следует остановиться на вопросе состояния вещества – добавки, введенной в ЭМ, при детонационном режиме. В детонационной волне увеличено время действия высоких давлений и температур по сравнению с процессом ударного сжатия и, вместе с тем, вводимый материал находится в контакте с не равновесно реагирующей средой. Такой химический реактор в своем роде уникален и может быть реализован только на базе энергетических материалов и соответствующего режима ВП.
 | |||
|
