Взрыв

ВЗРЫВ (а. explosion, blast; н. Explosion, Abschuß; ф. explosion; и. explosion) — процесс быстрого физико-химического превращения вещества, при котором выделяется энергия и совершается работа. Источником энергии взрыва чаще всего служат экзотермические химические (химический взрыв) и ядерные реакции (ядерный взрыв).

Высвобождение потенциальной химической энергии заряда взрывчатых веществ результате его детонации или быстрого сгорания (пороховой заряд) приводит к резкому повышению давления в его объёме, что вызывает характерное движение окружающей среды и продуктов химического превращения. Полость, занятая первоначально зарядом, расширяется, окружающая среда деформируется и разрушается, отдельные её части приобретают значительную кинетическую энергию и т.п. Характерная особенность движения среды при взрыве — образование взрывной волны, распространяющейся по среде со скоростью, превышающей или равной скорости звука, благодаря чему в движение за короткое время вовлекаются большие объёмы среды.

В более широком смысле под взрывом понимают совокупность химических и механических эффектов, вызываемых быстрым выделением энергии в ограниченном объёме, не обязательно связанных с применением взрывчатых веществ.

Механические эффекты взрыва обусловлены работой, совершающейся при расширении продуктов химического превращения исходного вещества. Эти эффекты условно делятся на местные (бризантные) формы и фугасные (общие). Бризантное действие взрыва проявляется в непосредственной окрестности заряда, когда взрыв происходит в твёрдой среде или вблизи поверхности твёрдого тела, общее (фугасное) действие — на расстояниях, много больших размеров заряда, и сводится к действию взрывной волны. Для бризантного действия (ближняя зона взрыва) характерно сильное деформирование и дробление среды, а его общий эффект (величина воронки выброса, степень дробления и т.п.) определяется импульсом, сообщаемым среде продуктами детонации, т.е. начальным давлением в полости взрыва и её размерами.

Фугасное действие взрыва зависит только от энергии заряда, т.к. ею определяются параметры взрывной волны (интенсивность и длительность). Разрушительное действие взрыва на больших расстояниях от заряда связано полностью с параметрами взрывной волны. Максимальная работа взрыва зависит от полного запаса энергии в заряде взрывчатого вещества (теплоты взрыва), свойств продуктов детонации, формы заряда и свойства среды. Форма заряда и его детонационные характеристики существенно влияют лишь на бризантные действия взрыва; фугасное действие в значительной степени связано с теми свойствами среды, от которых зависит полная работа взрыва.

Так как расширение химического превращения взрывчатого вещества (продуктов детонации) происходит без теплообмена с окружающей средой, то энергия, сообщаемая среде, равна работе расширения газообразных продуктов реакции в полости взрыва. Эту работу чаще всего оценивают по формуле Чельцова — Беляева, т.е. как работу изоэнтропического расширения продуктов от давления газового пузыря Рн до конечного давления Рк:

где Q — теплота взрыва;

g — показатель изоэнтропы.

Для воздуха Рк = 0,1 МПа и (если справедливо условие Рк << Рн) почти вся потенциальная энергия заряда переходит в энергию взрывной волны. При взрыве заряда в горные породы конечное давление зависит от прочности среды и может составлять заметную долю от начального давления.

При взрыве заряда в вакууме (или в атмосфере на большой высоте) потенциальная энергия продуктов детонации расходуется на сообщение им кинетической энергии, продукты могут расширяться беспрепятственно. Скорость движения продуктов при этом максимальна на периферии облака, а давление — в центре. В центральной части заряда произвольной формы всегда имеется множество точек, в которых скорость движения равна нулю. Максимальная скорость разлёта продуктов в вакууме зависит от теплоты взрыва и при детонации мощных взрывчатых веществ составляет 10-15 км/с.

При взрыве заряда в какой-либо среде расширение продуктов детонации будет происходить иначе. В момент взрыва заряда в среде во все стороны распространяется ударная волна, параметры которой определяются ударной адиабатой среды и начальным давлением на границе заряд — среда. Если акустическая жёсткость продуктов детонации выше, чем среды, то в продукты распространяется волна разрежения, в противном случае — также ударная (отражённая) волна. В первом случае давление в продуктах детонации на их границе раздела со средой непрерывно уменьшается, во втором — сначала скачком увеличивается и затем падает.

При взрыве заряда в воздухе (акустическая жёсткость которого всегда меньше, чем продуктов детонации) возникает ударная волна, за фронтом которой давление спадает по определённому закону. Если взрыв заряда происходит в неограниченной среде (например, на достаточной высоте от поверхности Земли), то расширение продуктов детонации будет происходить до тех пор, пока они не займут некоторый предельный объём Vпp, при котором их давление уравновешивается давлением окружающего воздуха. Для типичных взрывчатых веществ объём Vпp примерно в 800-1600 раз превышает объём исходного заряда, поэтому непосредственное действие продукты взрыва могут оказывать на расстояниях порядка десятков радиусов заряда Zo. На больших расстояниях действие взрыва целиком определяется сформировавшейся взрывной волной, в которую переходит 80-90% энергии заряда.

При взрыве в воде выход детонационной волны на поверхность заряда приводит к образованию интенсивной ударной волны, распространяющейся в воде, движению границы раздела, колебаниям газового пузыря, который всплывает к поверхности (см. Подводный взрыв).

Наибольшее народно-хозяйственное значение имеют взрывы в грунтах и горных породах. Реальные горные породы в отличие от воздуха и воды представляют собой многокомпонентные среды, состоящие из твёрдых частиц, жидкости (нефть, вода) и пузырьков воздуха. Кроме того, в условиях естественного залегания горные породы проявляют явно выраженное слоистое и блочное строение, трещиноватость и т.п. Свойства отдельных блоков могут изменяться от одного участка к другому. Это делает изучение и предсказание результатов взрыва трудной и не всегда разрешимой задачей. Тем не менее, некоторые общие закономерности взрыва в грунтах можно установить.

При проведении промышленных взрывов с химическими взрывчатыми веществами ударные волны практически никогда не возникают, т.к. давление продуктов детонации промышленных взрывчатых веществ Rд оказывается меньше характерного произведения rv²зв для среды (r — плотность среды, v_зв. — скорость звука в ней). Мощные ударные волны образуются только при ядерных подземных взрывах на не очень больших расстояниях от заряда. Так как отношение R_д/rv²_зв. характеризует сжимаемость среды, которая в данном случае оказывается малой, то во многих случаях можно рассматривать грунт как несжимаемую жидкость. Прочность среды, как правило, много ниже давления детонации R_д и сказывается только на последних стадиях расширения взрывной полости, поскольку от величины прочности зависит конечное давление продуктов взрыва в момент прекращения движения среды. Общая картина движения грунта при взрыве намного более сложна по сравнению с взрывами в воздухе и воде, т.к. расширение полости сопровождается сильным деформированием и разрушением породы, прилегающей к заряду (см. Взрывное разрушение).

После взрыва часть его энергии остаётся в среде в виде упругой энергии остаточных напряжений. Так как ударные волны при подземном взрыве не возникают, то основная часть энергии расходуется на необратимые деформации среды в ближней зоне, а энергия излучаемых упругих волн составляет малую долю в общем балансе энергии.

При подземных взрывах вокруг полости, занятой расширившимися продуктами детонации, можно выделить зону дробления, за которой следует зона радиальных трещин, и зону упругих деформаций, от границ которой излучается сейсмическая волна. При взрыве возле поверхности Земли (взрыв на выброс) движение грунта осложняется влиянием силы тяжести и отсутствием симметрии общей картины движения. Процессы образования воронки выброса изучены экспериментально для ряда грунтов как для химического, так и для ядерных зарядов, определены скорости и смещения среды на различных расстояниях от заряда.

Если взрыв заряда проводится на большой глубине сравнительно с радиусом заряда ro, то на поверхность выходят только взрывные волны и никаких видимых изменений её не наблюдается (см. камуфлетное взрывание). По мере уменьшения глубины заложения заряда интенсивность взрывных волн возрастает и при некоторой глубине выброса грунта не происходит, но грунт над полостью взрыва разрушается и обрушивается в полость — образуется провальная воронка. При дальнейшем уменьшении глубины увеличивается скорость выброса частиц грунта и при некотором оптимальном значении глубины объём воронки выброса достигает максимума. Этот объём становится меньше по мере дальнейшего снижения глубины заложения заряда.

Взрывы большого масштаба, проводимые в народно-хозяйственных целях, часто являются направленными (см. направленный взрыв). Прогнозирование результатов взрыва в таких условиях чрезвычайно важно, а теоретический расчёт затруднён. Поэтому большое значение приобрели методы моделирования, позволяющие проверить исходные предпосылки при проектировании крупных взрывов на моделях значительно меньшего масштаба.

Основной принцип моделирования взрыва в произвольной среде заключается в том, что при соблюдении геометрического подобия увеличение линейных размеров заряда в n раз поле взрывной волны останется тем же самым, если расстояния и время измеряются в единицах, в n раз больших исходных. Предельным случаем этого принципа является энергетическое подобие взрыва, получающееся при условии, что размеры заряда малы по сравнению с остальными линейными размерами.

Согласно закону энергетического подобия, единственным аргументом задачи является приведённое расстояние r⁰ = r/Е^1/3,

где r — расстояние от центра взрыва до точки измерения параметров взрывной волны,

Е — энергия взрыва.

При изучении взрыва в безграничной среде было установлено, что любую из характеристик поля взрывной волны pi можно выразить как зависимость типа p_i = f(r⁰).

При частном случае взрыва в грунтах установление законов переноса от одного масштаба к другому оказывается более сложной задачей, т.к. основное число параметров определяется не полем взрывной волны (для которого сохраняется энергетическое подобие), а такими величинами, как сила тяжести, прочность среды и т.п. Поэтому при изменении масштабов взрыва нужно не только соблюдать геометрическое подобие, но и правильно моделировать горные породы, а также учитывать влияние силы тяжести. По этим причинам в предложенном М. А. Садовским и В. Н. Родионовым методе моделирования взрыва на выброс, в которых сила тяжести играет существенную роль, а прочность породы s много меньше давления продуктов детонации, в качестве породы может быть использован слабосвязанный песок, а заряд взрывчатого вещества имитируется газовым пузырём с малым давлением газа. При этих условиях в модельных опытах безразмерные отношения Р/sgW и R/s сохраняются такими же, как и при крупномасштабных взрывах горной породы (здесь R — давление продуктов взрыва, g — ускорение силы тяжести, W — глубина заложения заряда).

Дробление горной породы взрывом оказывается не подчиняющимся простым соотношениям подобия, т.к. на эффекты измельчения среды оказывает сильнейшее влияние её исходная трещиноватость.

Эффекты, характерные для взрыва, наблюдаются при разрушении сосудов, содержащих газы под большим давлением (паровые котлы, патроны "Гидрокс" и т.п.), при электрическом пробое диэлектриков (искра, молния), при ряде других физических процессов. Удар метеорита о поверхность планеты приводит к взрывоподобному образованию кратера (воронки взрыва) и появлению взрывной волны; скачкообразное изменение напряжённого состояния горной породы сопровождается появлением сейсмической волны (Горные удары, Землетрясения).

О научных исследованиях в области взрыва см. в статье Физика взрыва.