«Направленный взрыв.»

Для этого мы сначала рассмотрим понятие взрыва как такового, затем понятие ударных волн, затем процесс детонации, в котором химическая реакция во взрывающихся веществах идет под действием распространяющейся в взрывчатом веществе ударной волны; затем мы рассмотрим явление направленного взрыва, как следствия распространения детонационной волны и в заключение рассмотрим области, в которых применяется направленный взрыв.

Взрыв это невообразимая разрушительная сила, которая может стать созидательной, если к понятию взрыв человечество добавит слово мирный.

Для того чтобы использовать эту страшную силу, которую имеет взрыв, необходимо его контролировать. Контролируемый взрыв, при котором окружающая среда перемещается в заданном направлении – называется «направленный взрыв».

С целью изучения направленного взрыва в работе будут разобраны явления, происходящие при взрыве, а именно ударная волна и детонация.

Трудно представить себе человека, который не мог бы ответить на вопрос, что такое взрыв. Взрыв можно увидеть на экранах телевизоров, в кинофильмах о войне, на суше, на море и в воздухе. Обычно запоминается яркий огонь, бурно клубящийся дым, хаотически летящие в воздухе комья земли.

Если у пятилетнего малыша спросить: Что такое взрыв?, он скажет: Это когда громкий БУМ. Действительно, резкий звук - неотъемлемый атрибут любого взрыва. Этот звук происходит из-за резкого скачка давления вызываемого ударной волной.

В наше время взрыв больше всего ассоциируется с военными действиями и гибелью людей, но я хотел бы рассмотреть не менее важное применение направленного взрыва, а именно в мирных целях.

В конце войны в газетах появилось сообщение о нашем летчике, которому во время воздушного боя пришлось прыгнуть с горящего самолета. Парашют не раскрылся, и летчик должен был бы неминуемо погибнуть, но в последние секунды на земле как раз под ним взорвалась авиационная бомба. Взрывная волна оказалась, говоря словами заметки, отличным амортизатором, затормозившим падение, и обреченный на гибель благополучно приземлился.

Что же нужно, чтобы в достаточной мере понять явление взрыва?

Во взрывной технике существуют специальные инструкции, наставления и другие документы, без изучения которых нельзя не только вести взрывные работы, но даже иметь какое-либо соприкосновение со взрывчатыми веществами и устройствами для их взрывания.

Для глубокого понимания официальных документов необходима серьезная подготовка, так как в настоящее время невозможно решить ни одной технической задачи без понимания физической сущности тех явлений, которые при этом используются и без количественного расчета, который может строиться только на основе объективных законов природы и в первую очередь на основе законов физики.

Итак, ответ на вопрос, что такое взрыв, необходимо давать, исходя из тех законов физики, которые определяют возникновение, развитие и действие взрыва.

Впервые определение взрыва в России дал М.В. Ломоносов (О природе и рождении селитры, 1748 год): Взрыв - это очень быстрое выделение большого количества энергии и большого объема газов.

Глава 1 Взрыв

§ 1 Десять веков в глубь истории

Еще в первые века нашей эры в таких развитых странах, как Византия, люди заметили, что многие вещества могут интенсивно гореть. При этом горение может происходить обычно только в воздухе. Если бросить горящее тело в воду, горение прекращается.

Однако это происходит не всегда.

Если горящее тело имеет щели, отверстия или иные полости, заполненные селитрой, то оно продолжает гореть и под водой. Это происходит потому, что кислород, необходимый для горения, выделяется в большом количестве при нагревании селитры. На этом принципе византийцы получали горючее для так называемого греческого огня, с помощью которого они боролись с кораблями противника. В многочисленных боях у берегов и в открытом море византийцы причинили много неприятностей кораблям противников своим не гаснущим в воде огнем.

Дальнейшее развитие не гаснущего в воде горючего привело к тому, что горючее вещество и вещество, поддерживающее горение выделяющимся при горении кислородом, стали размалывать все мельче и мельче и тщательно смешивать друг с другом. Это привело к ускорению реакции горения, что является одной из характерных особенностей взрыва.

§ 2 Сведения о порохе

Если же в сосуде, где находится порох, имеется достаточно большое отверстие, то порох горит сравнительно долго, а образующиеся при горении пороховые газы вырываются из отверстия в виде мощной струи. Такой сосуд с горящим порохом является простейшим вариантом реактивного двигателя. Он начинает стремительно двигаться в сторону, противоположную направлению струи пороховых газов.

Это явление было замечено уже в X веке нашей эры создателями первых пороховых ракет.

Разными путями проникали в XIV веке в Европу и Россию сведения о порохе. Историческая обстановка средневековья не располагала к быстрому развитию техники. Поэтому в течение нескольких столетий порох применялся только для военных целей, притом нередко со значительным искусством. Техника взрывного дела уже в то время позволяла достаточно точно определить вес заряда для разрушения крупных зданий, обеспечить взрыв заряда (произвести инициирование его) в заданный момент времени.

В этом отношении выдающихся успехов достигли русские артиллеристы в XVI веке. При осаде Казани в 1552 году войска Ивана Грозного подкопали одну из наиболее крупных башен Казанского Кремля и в подземную камеру заложили заряд черного пороха массой примерно в одну тонну. Этот заряд был подорван с помощью фитиля. При этом был обеспечен довольно точный расчет момента взрыва.

§ 3 Развитие взрывного дела

Развитие взрывного дела имело преимущественно практическое направление. В XVII веке в Венгрии и Германии стали применять порох в шахтах для дробления крепких скальных пород. Еще раньше - в 1548-1572 годах - в Литве (входившей в то время в состав Польши) были проведены большие по тому времени работы по разрушению крупных камней, мешавших судоходству на реке Немане. Здесь было проявлено большое искусство при проведении взрывов под водой (черный порох должен быть совершенно сухим для получения полноценного взрыва).

Дальнейшее развитие пороховая промышленность получила в России во время царствования Петра I. К этому времени относится создание первых приборов, предназначенных для определения удельной энергии взрыва черного пороха. Образцы таких приборов, изготовленных из золоченой бронзы, находятся в ленинградском Эрмитаже. Они настолько хорошо сохранились, что могут быть и сейчас применены для экспериментов.

Сущность устройства этих приборов состоит в следующем. Определенное количество пороха помещается внутри небольшой мортирки, в которую плотно входит снаряд-поршенек. Порох поджигается через очень узкое отверстие в стенке цилиндрика. Этот цилиндрик удерживается в момент наибольшего подъема. Это дает возможность определить высоту подъема цилиндрика. Умножая массу снаряда-цилиндрика на высоту его подскока при взрыве и деля это произведение на массу пороха, заложенного в мортирку, можно получить достаточно точно значение удельной энергии взрыва пороха.

§ 4 Разработка теории взрывчатых веществ

В XVIII веке уровень артиллерийской и взрывной науки в России был высоким. В эти годы в Россию приехал молодой швейцарец Леонард Эйлер, впоследствии ставший всемирно известным академиком. Он подтвердил, что своими успехами и знаниями многим обязан тем опытам в области артиллерии, которые он проводил, приехав в Россию в молодости.

Сохранились сведения, что были проведены испытания способа тушения пожара взрывом (одно из первых применений Направленного взрыва). В присутствии царя и всего царского двора. Были одновременно подожжены две избы, одна из которых имела ниже описанную защиту от пожара, а другая — нет. В результате незащищенная изба сгорела, а в защищенной пожар потух.

При возникновении пожара огонь попадал на один из шнуров и достигал по нему порохового заряда. Заряд взрывался и с большой силой разбрасывал воду по всему помещению, в результате чего пожар прекращался.

Дальнейшее развитие взрывного дела в течение этого столетия имело преимущественно практическое направление, причем главным достижением этого времени было создание многочисленных новых взрывчатых веществ, весьма мощных, со значительной удельной энергией взрыва.

Далее теория взрыва стала развиваться только во второй половине XIX века. В это время немецкий ученый Риман ввел понятие об ударных волнах, имеющих в теории взрыва решающее значение. Французский ученый Гюгонио разработал теорию связи давления и объема в газах при быстром изменении их состояния.

§ 5 Возбуждение взрыва

Многие взрывчатые вещества взрываются только при определенных и достаточно сильных воздействиях. Если такого воздействия нет, можно усомниться, действительно ли является это вещество взрывчатым или нет.

Вот, например, шашки тротила. Тротил прессуется в виде небольших цилиндриков и кирпичиков, внешний вид которых ничем не напоминает о том, какая огромная разрушительная сила таится в них. Случалось, что печь растапливали тротиловыми шашками и шашки спокойно сгорали, не производя никаких разрушений и давая такое количество теплоты, которое заметно превышало энергию взрыва.

Это объясняется постепенной отдачей энергии при горении в противоположность очень быстрому выделению энергии при взрыве.

Но такое использование тротиловых шашек может привести и к роковым последствиям. Если газы при расширении встретят препятствие (горящая шашка тротила окажется прижатой к какой-либо преграде), давление и температура станут быстро расти и горение может перейти в сильный взрыв.

Следовательно, взрыв возникает только при каком-либо определенном воздействии. В чем же состоит такое воздействие и как его обеспечить?

Чтобы вызвать взрыв какого-либо заряда, т.е. произвести инициирование взрыва химического взрывчатого вещества, необходимо вызвать реакцию взрывного разложения сначала в небольшой части этого заряда.

§ 6 Удельная энергия взрывчатого вещества

Дело в том, что некоторые современные взрывчатые вещества отличаются не только значительной энергией взрыва, но и способностью выделять ее в течение очень небольшого промежутка времени. При этом возникает очень большое давление во взрывных газах: оно может доходить до 100 тысяч атмосфер и более. Такое давление во много раз превосходит пределы прочности самых прочных металлов. Под действием такого давления любой материал переходит в текучее состояние и испытывает значительные деформации даже при очень кратковременном действии его. А это значит, что создать прибор, который мог быть применен для определения энергии взрыва и не выходил бы из строя при первом же применении, невозможно.

Однако можно поставить задачу иначе, если деформации материала рассматривать как средство измерения силы взрыва. Именно этот способ и применяется в современных условиях.

Заряд определенной массы помещают в массивный свинцовый сосуд стандартной формы и, закрыв его достаточно плотной и массивной пробкой (забойкой) из песка, производят взрыв. При взрыве свинцовый сосуд деформируется и его внутренний объем увеличивается. Это увеличение легко измерить, заполняя сосуд водой до и после взрыва.

§ 7 Сила взрыва рождается в мире молекул

В Советском Союзе вопросы теории взрыва разрабатывали Я.Б. Зельдович, А.С. Компанеец, М.А. Лаврентьев, К.П. Станюкович, М.А. Садовский, А.И. Седов, А.А. Черниговский, Ф.А. Баум и многие другие ученые.

В настоящее время появился ряд оригинальных теоретических и экспериментальных работ, касающихся взрыва. Учеными освоены способы проведения очень крупных взрывов на выброс.

Одним из крупных взрывов, осуществленных в Канаде, является взрыв скалы Рипл-Рок на Тихоокеанском побережье. Масса заряда была при этом равна 1200 т.

Самым крупным взрывом времён социализма является взрыв на выброс, проведенный под руководством советских ученых в Китае в районе Ланьчжоу в 1956 году, при котором масса заряда составила 9200 т. Теория расчета принадлежит в этом случае Г.И. Покровскому, а общее руководство взрывом - М.М. Докучаеву.

Взрыв представляет собой выделение того или иного количества энергии. Чем больше выделяется энергии, тем сильнее взрыв. Взрывчатые вещества хранят в своих молекулах запасы энергии, которые при определенных условиях вырываются наружу. Способность производить работу при взрыве можно применить для оценки того, какой запас энергии был скрыт внутри взрывчатого вещества. Количество такой энергии, находящейся в каждом килограмме взрывчатого вещества, является очень важным показателем как для практических выводов, так и для теоретических расчетов. Такая энергия называется удельной энергией взрывчатого вещества.

Что означает очень быстрое выделение энергии? (Быстрота - понятие относительное.) Суть этого заключается в том, что выделение энергии при взрыве является более быстрым, чем другие формы выделения энергии в сходных условиях (например, при горении). Чтобы выделившаяся энергия могла осуществить механическое действие, нужно рабочее тело, то есть вещество, которое могло бы передать достаточно большое давление окружающей среде. Этим рабочим телом являются газообразные продукты взрыва, которые, будучи вначале сильно нагретыми и сжатыми, расширяются и производят механическую работу.

Что же такое ударная волна? Было время, когда ею интересовались лишь немногие — военные и вообще те специалисты, которым приходится иметь дело со взрывами. Далеко не все физики имели об ударных волнах ясное представление.

Глава 2 Ударные волны.

Ударные волны. возникают при взрывах, при сверхзвуковых движениях тел, при мощных электрических разрядах и т.д.

§ 8 Определение ударной волны.

Ударная волна — скачок уплотнения, распространяющийся в среде со сверхзвуковой скоростью.

Например, при взрыве взрывчатых веществ образуются сильно нагретые продукты взрыва, обладающие большой плотностью и находящиеся под высоким давлением. Вначале они окружены покоящимся воздухом при нормальной плотности и атмосферном давлении. Расширяющиеся продукты взрыва сжимают окружающий воздух, причём в каждый момент времени сжатым оказывается лишь воздух, находящийся в определённом объёме; вне этого объёма воздух остаётся в невозмущённом состоянии. С течением времени объём сжатого воздуха возрастает. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущённого, и представляет собой ударную волну (или, как говорят, — фронт ударной волны).

Резкий звук - неотъемлемый атрибут любого взрыва. Этот звук происходит из-за резкого скачка давления вызываемого ударной волной.

§ 9 Звуковые волны.

Звук представляет собой движение молекул воздуха вызываемое колеблющимся физическим телом (например, струной гитары, камертоном или мембраной громкоговорителя). Воздушная среда необходима для распространения звука в пространстве; её возвратно - поступательные движения во время колебаний сопровождаются последовательными волнами сжатия и разрежения воздуха, которые не распространяются в вакууме, в котором, стало быть всегда царит абсолютная тишина.

Сплошная среда — твердая, жидкая или газообразная — способна передавать колебательное движение в виде звуковых волн. Всякое неравномерное, а значит и колебательное, движение обязано каким-нибудь силам: при отсутствии сил тела могут двигаться только прямолинейно и равномерно. Колебания среды вызываются силами упругости в ней. Так, если сжать объем воздуха и предоставить ему расширяться, его упругость приведет в движение окружающий воздух. При этом первоначально сжатый воздух расширится не до первоначального объема, а больше: расширяясь, он приобретет разгон. Работа, первоначально затраченная на сжатие, перейдет в кинетическую энергию движения; последняя, в свою очередь, будет затрачена на работу сжатия окружающей воздушной среды. Но и она не останется сжатой — расширяясь, она тоже превратит произведенную над ней работу в кинетическую энергию и сожмет новый прилегающий слой воздуха. Так по воздуху побежит звуковая волна.

Известно, что жидкость и газ сопротивляются только изменению объема, но не формы: по отношению к разным перекосам или скручиваниям они никакой упругостью не обладают. Поэтому при распространении звуковой волны в воздухе надо учитывать только расширение и сжатие каждого объема.

В свободном пространстве звуковая волна бежит от источника во все стороны

§ 10 Сверхзвуковые волны. [1]

Скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна примерно 330 м/с. Звук — это относительно малые возмущения плотности воздуха.

Чтобы разобраться в данном явлении, удобно воспользоваться аналогией звуковых волн и волн на поверхности воды. Если бросить камешек в воду, от места падения кругами разбегутся волны. Движение в воздухе вызывает похожие волны, только они невидимы.

Если бросать камешек за камешком в одну и ту же точку в покоящейся воде, расходящиеся круги на поверхности будут концентрическими.

Если вода движется с небольшой скоростью v, картина несколько исказится — центры кругов сместятся, но всё же будут находиться внутри кругов. Когда скорость движения воды увеличится, центры приблизятся к краю кругов.

Рис1.

Наконец, когда скорость движения воды совпадёт со скоростью движения волны, все окружности, образованные волнами, будут соприкасаться в одной точке. Если скорость воды превысит скорость волны, круги на поверхности заполнят область, ограниченную двумя лучами — огибающими этих кругов.

Вне этой области поверхность воды а останется спокойной, волновые возмущения туда не успеют дойти. Наиболее сильно будет возмущена вода вблизи двух огибающих.(рис 1)

Аналогичный процесс происходит и в воздухе.

Возьмём систему отсчёта, в которой движется воздух, а в покое находится тело (например, самолёт).

Если скорость самолёта сравнима со скоростью звука, но не превышает её, то виден бесшумно движущийся самолёт и слышен звук его двигателей. Однако направление, откуда доносится этот звук, слегка отстаёт от самолёта.

Если самолёт летит со сверхзвуковой скоростью, возмущения, создаваемые им, остаются внутри области, называемой конусом Маха. Пока находишься вне этого конуса, кажется, что самолёт движется бесшумно. Когда поверхность конуса Маха достигает ваших ушей, раздаётся резкий неприятный хлопок, и только затем становится слышен шум двигателей самолёта.

Причиной хлопка, очень похожего на шум взрыва, является внезапно возросшее давление. Возмущения, которые создаются движущимся самолётом, как бы скапливаются на поверхности конуса Маха, за счёт чего давление резко увеличивается.

Такое внезапное скачкообразное изменение давления называется ударной волной. Она образуется при движении со сверхзвуковой скоростью и при взрывах.

С изучением сверхзвукового течения связан ряд важных практических проблем, возникающих при создании самолётов, ракет и артиллерийских снарядов со сверхзвуковой скоростью полёта, паровых и газовых турбин, высоконапорных турбокомпрессоров, аэродинамических труб для получения потоков со сверхзвуковой скоростью и др.

Особенности сверхзвукового течения газа имеют ряд качественных отличий от дозвуковых течений. Прежде всего, слабое возмущение в газе распространяется со скоростью звука, влияние слабого изменения давления, вызываемого помещенным в равномерный сверхзвуковой поток источником возмущений (например, телом), не может распространяться вверх по потоку, а сносится вниз по потоку со скоростью v а, оставаясь внутри т. н. конуса (рис 2) возмущений COD . В свою очередь, на данную точку О потока могут оказывать влияние слабые возмущения, идущие только от источников, расположенных внутри конуса АОВ с вершиной в данной точке и с тем же углом при вершине, что и у конуса возмущений, но обращенного противоположно ему. Если установившийся поток газа неоднороден, то области возмущений и области влияния ограничены не прямыми круглыми конусами, а коноидами — конусовидными криволинейными поверхностями с вершиной в данной точке.

Рис2.

Сверхзвуковое течение - течение газа, при котором в рассматриваемой области скорости v его частиц больше местных значений скорости звука a.

Именно сверхзвуковое течение газа создает ударную волну.

Таким образом, течение газов, или движение тел, со сверхзвуковой скоростью порождает мощную ударную волну, которая распространяется в окружающем пространстве со скоростью выше скорости звука в данной среде.

Ударная волна распространяется по невозмущённому веществу со сверхзвуковой скоростью u0 a0 (где a0 — скорость звука в невозмущённом веществе) тем большей, чем больше интенсивность ударной волны, то есть чем больше (p1 — p0)/ p0. При стремлении интенсивности ударной волны к 0 скорость её распространения стремится к a0. Скорость ударной волны относительно сжатого газа, находящегося за ней, является дозвуковой: u1 a1 (a1— скорость звука в сжатом газе за Ударной волной).

При переходе через фронт ударной волны меняются давление, температура, плотность вещества среды, а также скорость её движения относительно фронта ударной волны. Все эти величины изменяются не независимо, а связаны с одной-единственной характеристикой ударной волны, числом Маха.

Число Маха представляет собой отношение скорости течения волны к местной скорости распространения звука в движущейся среде - названо по имени австрийского ученого Эрнста Маха.

Число Маха: M=v/a, где v— скорость течения волны, а a— скорость звука

При прохождении газа через ударную волну его параметры меняются очень резко и в очень узкой области. Можно с большой точностью заменить фронт ударной волны - поверхностью разрыва, считая, что при прохождении через неё параметры газа изменяются скачком (отсюда название скачок уплотнения).

§ 11 Скачок уплотнения. [2]

В свободном пространстве звуковая волна бежит от источника во все стороны; нам для дальнейших рассуждений удобнее считать, что звук бежит по трубе: тогда все объемы сжимаются и расширяются подобным друг другу образом.

Что же произойдет, если поршень будет вдвигаться и тем самым сжимать газ в трубе?.

Рис. 3.

Пусть поршень начинает вдвигаться очень медленно. Тогда передняя граница сжатого газа побежит со скоростью звука по газу несжатому. Постепенно поршень будет ускоряться. Образуется волна сжатия, в которой воздух адиабатически нагрет и движется вправо (рис. 3). Поэтому возмущение из волны сжатия непременно нагонит ее переднюю границу: в нагретом воздухе скорость звука больше, и, кроме того, она складывается со скоростью течения. Следовательно, передняя граница волны сжатия непременно «узнает» о том, что поршень движется ускоренно, сжимая газ.

Можно нарисовать профиль волны сжатия, то естьраспределение давления в ней в зависимости от координаты (рис. 4а). Допустим, что на этот профиль накладывается небольшой «выступ» давления а. Он не может остаться на месте даже относительно того объема газа, в котором возник, а как всякое сжатие газа побежит по нему со скоростью звука, переменной на профиле, от точки к точке. Но любую точку, например, б, можно рассматривать как небольшой выступ над хордой, обозначенной пунктиром. Итак, каждое сжатие газа распространяется по нему с местной скоростью звука, причем на профиле, изображенном на рис. 4а, большее давление догонит и даже, казалось бы, перегонит меньшее. Но если бы так случилось, профиль, изображенный на рис. 4а, перестроился бы в профиль, соответствующий рис. 4б, который отвечает физически абсурдной ситуации, когда в одной и той же точке, например, А, давление газа имеет на профиле два или даже три значения (р, и рг на рис. 4б, р,, рг и рг на рис. 4в). Очевидно, что на самом деле так получиться не может, а осуществится нечто совсем иное.

Рис. 4б. Рис. 4в.

Прежде, чем рассмотреть, что произойдет в газе, полезно обратиться к другому, очень сходному случаю волнового движения — морскому прибою. Оказывается, что законы распространения волн по поверхности воды в неглубоком водоеме очень похожи на законы распространения волн сжатия в газе. Одни волны, как говорят, моделируют другие. Все, вероятно, знают, что электрический колебательный контур из емкости и самоиндукции моделирует колебания груза, подвешенного на пружине. Роль упругого звена играет емкость, роль массы — самоиндукция. Несмотря на совершенно разную физическую природу явлений, они подчиняются закономерностям одинакового вида. Это и есть моделирование.

Не всякое волновое движение в жидкости моделирует волны сжатия в газе. Например, мелкая рябь на поверхности имеет другой закон распространения. Аналогия возникает только тогда, когда длина волны сравнима с глубиной водоема. Тогда высота уровня воды в данной точке есть величина, аналогичная давлению в газе. Профилю давления в газе отвечает зримый профиль волны в воде.

Рассмотрим, как возникают в прибое волны, похожие по профилю на изображенные на рис. 46. Если волны набегают на отлогий берег, их гребни имеют большую скорость, чем впадины. Легко убедиться, что это должно быть так: под гребнями местная глубина больше, чем под впадинами. Но скорость волн может зависеть только от двух величин: глубины и ускорения силы тяжести. А из них можно построить только одну величину, имеющую размерность скорости: корень квадратный из глубины, умноженной на это ускорение. Ту же форму имеет выражение скорости падения тела с заданной высоты. Но если гребни бегут быстрее впадин, они должны выбегать вперед, так что волны сперва приобретают вертикальный участок переднего фронта, который затем наклоняется, как на рис. 46, в. Имея такую форму, волны бежать не могут и обрушиваются в виде прибоя.

Рис. 5а. Рис. 5б.

Проследим теперь, как будет изменяться профиль волны сжатия в газе. Прежде чем возникнет физически невозможное перехлестывание, в некоторой точке профиля должен образоваться очень маленький вертикальный участок (рис. 5а, б). В зависимости от закона движения поршня этот вертикальный участок может получиться как в передней точке волны сжатия, так и в ее середине. Давление с левой стороны от этого участка будет продолжать повышаться за счет сигналов, приходящих со стороны поршня. Но как бы оно ни повышалось, вертикальная касательная аб к профилю не наклонится вправо, чтобы не дать начало невозможному профилю, изображенному на рис. 46.

Следовательно, единственный выход состоит в том, что из вертикальной касательной разовьется разрыв давления (рис. 6а, б).

Место разрыва можно рассматривать как участок кривой со сколь угодно большим наклоном, так что неоднозначности давления не возникает.

Мы начали рассуждения, предполагая, что все величины в волне сжатия изменяются непрерывно, так же, как и в волне разрежения. Но оказалось, что в волне сжатия неминуемо должен наступить такой момент, когда

движение больше не сможет остаться непрерывным. Однако, перемещением поршня в принципе можно располагать по произволу, так что газ должен найти какой-нибудь естественный выход. Единственное возможное предположение состоит в том, что в газе возникнет скачок.

Такого рода скачок называется ударной волной. К выводу о необходимости образования ударной волны из волны сжатия газовая динамика пришла не из качественных рассуждений, а из строгих уравнений. Но те, кто пришел к этому выводу впервые, сами в него не поверили, исходя из метафизического предрассудка, что «природа не делает скачков». Вероятно, в основе этого ложного принципа лежит допущение, что скачок — это нечто беззаконное, нарушающее естественный ход вещей. На самом деле, однако, ударная волна управляется такими же строгими закономерностями, как и гладкое, непрерывное течение газа. Она возникает, развивается и распространяется в таком же согласии с механикой и общими свойствами газа, как и звуковая волна.

§ 12 Действие ударных волн

Поражающее действие взрыва обязано ударным волнам. Если волна достаточно велика по размерам, как это бывает при ядерных взрывах, то при избыточном давлении всего 0,35 атмосферы рушатся здания. При нескольких сотых атмосферы вылетают оконные рамы. Не причиняют заметных повреждений только волны со скачком давления в несколько тысячных атмосферы.

Действие ударной волны на человека зависит от условий, в которых он находится относительно волны.

Во введении мы упоминали о летчике, которого поддержала ударная волна во время падения. Человек, летящий с большой высоты, достигает из-за сопротивления воздуха предельной скорости около 60 м/сек. Следовательно, такой должна была оказаться наименьшая встречная скорость воздуха в ударной волне. Этому соответствует давление менее пол-атмосферы, обычно не смертельное, согласно приведенной только что оценке. Стоящего на земле человека, возможно, убивает не сама волна, а причиняемый ею бросок. Скорость воздуха в волне с амплитудой давления в одну атмосферу равна 170 м/сек. Ясно, что если она сообщит человеку скорость порядка нескольких десятков м/сек, при ударе о землю он вряд ли выживет.

Для целей защиты от ударных волн очень важно уметь рассчитывать их силу заранее.

Сильные волны, возникающие на близких расстояниях от ядерных взрывов. Защититься от них можно, только уйдя очень глубоко под землю. Но их свойства очень важны для дальнейшего развития взрыва и потому интересны сами по себе, безотносительно к защите. Они накаляют воздух, давая начало обжигающему тепловому излучению. Дальше мы увидим, что ударная волна сказывается на распространении гамма-лучей и нейтронов, увеличивая их поражающее действие. Наконец, из сильных волн рождаются сравнительно слабые, которые уходят на большие расстояния. По разрушительному действию они при этом отнюдь не являются слабыми, как мы только что видели. Зато и защита от этих «слабых» волн не безнадежна.

Условимся называть волну сильной, когда давление и плотность энергии в ней гораздо больше, чем были в невозмущенном воздухе. Такова, например, волна с давлением сто атмосфер в воздухе.

§ 13 Свойства ударной волны

В сильной ударной волне имеет место как раз обратное: температура подскакивает во много раз на одном пробеге. Поэтому термин «теплопроводность» неточно отражает весьма сложный необратимый процесс, происходящий внутри скачка.

Чем выше температура за фронтом, тем больше поток излучения с поверхности скачка и тем выше температура газа перед скачком.

Нагретый газ перед скачком не пропускает видимый свет, идущий из-за фронта У. в., экранируя фронт. Поэтому яркостная температура У. в. не всегда совпадает с истинной температурой за фронтом.

У. в. в реальных газах. В реальном газе при высоких температурах происходят возбуждение молекулярных колебаний, диссоциация молекул, химические реакции, ионизация и т.д., что связано с затратами энергии и изменением числа частиц. При этом внутренняя энергия e сложным образом зависит от р и r.

В скачке уплотнения нагреваются не только тяжёлые частицы, но и электроны, а обмен энергии между ионами и электронами происходит медленно вследствие большого различия их масс.

У. В. в твёрдых телах. Энергия и давление в твёрдых телах имеют двоякую природу: они связаны с тепловым движением и с взаимодействием частиц (тепловые и упругие составляющие). Теория между частичных сил не может дать общей зависимости упругих составляющих давления и энергии от плотности в широком диапазоне для разных веществ и, следовательно, теоретически нельзя построить функцию e(р /r). Поэтому ударные адиабаты для твёрдых (и жидких) тел определяются из опыта или полуэмпирически.

Глава 3 Детонация.

Детонация (нормальная) — сверхзвуковой стационарный комплекс, состоящий из ударной волны и экзотермической химической реакции за ней.

Принципиальная возможность явления детонации следует из того, что при прохождении через фронт всякой ударной волны вещество нагревается. Если ударная волна достаточно сильна, то это нагревание может поджечь горючую смесь, что и приводит к детонации. Возникающая при этом поверхность нормального разрыва называется детонационной волной.

§ 14 Скорость волны детонации

Чтобы выразить в определенных числах особенности процесса детонации, необходимо учесть, что распространение волны детонации зависит, во-первых, от того, в какой мере изменяется давление при расширении взрывных газов, и, во-вторых, от удельной энергии детонирующего взрывчатого вещества.

Изменение давления взрывных газов при изменении их объема выражается так называемым законом состояния. Этот закон в наиболее простой, хотя и несколько приближенной форме, был предложен в 1944 году советскими учеными Л.Д. Ландау и К.П. Станюковичем.

Величина к характеризует степень жесткости взрывных газов. Чем больше эта величина, тем сильнее сопротивляется газ сжатию, тем быстрее растет его давление при уменьшении объема. Для газов, сжимаемых сравнительно медленно при небольших давлениях, можно принять, что к = 1. Тогда давление оказывается обратно пропорциональным объему газа. Это не что иное, как общеизвестный закон Бойля—Мариотта. При очень быстром сжатии взрывных газов, имеющих высокое давление, их сопротивление уменьшению объема оказывается весьма значительным. В соответствии с этим величина к возрастает. Л.Д. Ландау и К.П. Станюкович, исходя из теоретических соображений, установили, что приближенно для всех химических взрывчатых веществ к = 3.

Это значит, что при изменении объема в 2 раза давление изменяется в 8 раз.

§ 15 Скорость расширения газов

Чтобы обеспечить сильное нагревание выделившихся при взрыве газов и создать в них высокое давление, необходимо, чтобы энергия выделилась либо в этих газах, либо была передана им до того, пока еще не произошло заметных потерь энергии и заметного увеличения их объема. Это значит, что процесс выделения или передачи энергии должен распространяться со скоростью, заметно превосходящей скорость расширения взрывных газов.

Обычно при взрыве начальная скорость расширения газов достигает около одного километра в секунду. Скорость распространения процесса взрыва, называемого детонацией, у взрывчатых веществ несколько больше и находится в пределах от двух до восьми километров в секунду.

При взрыве какого-либо взрывчатого вещества, например тротила, происходит его преобразование в раскаленные взрывные газы, имеющие высокое давление. При этом энергия выделяется первоначально в виде теплоты, заключенной в сильно сжатых газах.

§ 17 Гидродинамическая теория детонации

Это возможно потому, что определяющее значение при взрыве имеет волна детонации, распространяющаяся через заряд. Эта волна движется во взрывчатом веществе так, как если бы это вещество было сжимаемой жидкостью. Поэтому в основе теории взрыва всех взрывчатых веществ лежит гидродинамическая теория детонации.

Исходным условием гидродинамической теории детонации является то, что реакция взрывного разложения осуществляется в зоне, непосредственно примыкающей к фронту детонационной волны. Фронт детонационной волны представляет собой поверхность, отделяющую зону, где происходит реакция взрыва, от еще не захваченного взрывом взрывчатого вещества. Фронт волны детонации движется с очень большой скоростью в направлении, перпендикулярном к поверхности этого фронта. Непосредственно за фронтом волны температура и давление скачкообразно повышаются.

Именно этим объясняется, что реакция взрыва очень быстро протекает за фронтом волны детонации и полностью осуществляется в очень небольшом по толщине слое. Этот слой перемещается за фронтом волны детонации со скоростью этой волны и оставляет за собой раскаленные и имеющие высокое давление газы, стремящиеся расшириться и производящие механическое действие взрыва.

§ 18 Процесс передачи взрыва волной сжатия

При такой нагрузке взрывчатое вещество уплотняется, а при уплотнении и сдвиге нагревается. Повышение температуры может в отдельных точках быть очень значительным; в этих точках и может произойти инициирование взрыва. Если таких точек достаточно много и они расположены близко друг к другу, то микроскопические зоны взрыва сливаются друг с другом и взрывной процесс распространяется на весь образец взрывчатого вещества.

Взрыв может произойти также и при нагревании. Если пламя прикоснется к взрывчатому веществу, то оно загорается и горит более или менее спокойно, не вызывая взрыва. Объясняется это тем, что прогревается только поверхностный слой взрывчатого вещества, который немедленно разлагается, превращаясь в продукты взрыва, а высокое давление и высокая температура не передаются внутрь заряда.

Рассмотренные примеры показывают, что возникновение и распространение взрыва связаны с передачей через заряд мощного сжатия, приводящего к быстрому и сильному нагреванию взрывчатого вещества. Такое сжатие и нагрев могут быть вызваны газами, возникающими при взрыве какой-либо части заряда, например, под действием детонатора. Именно такой механизм передачи взрыва следует считать основным процессом, обеспечивающим полноценный взрыв применяемых на практике зарядов взрывчатых веществ.

Изменение термодинамических параметров среды при прохождении через фронт детонационной волны описывается детонационной адиабатой.

Чаще всего в обычной жизни детонация встречается в автомобильных моторах. Двигатели внутреннего сгорания, реализующие цикл Отто, быстро разрушаются, так как рассчитаны на медленное горение горючей смеси. Быстрое детонационное сгорание резко повышает давление в камере сгорания, что приводит к быстрому выходу двигателя из строя. При сильной детонации - меньше чем за минуту. Топливо с более высоким октановым числом лучше противостоит детонации.

Явление детонации лежит в основе действия бризантных взрывчатых веществ, широко применяемых как в военном деле, так и в гражданской хозяйственной деятельности при производстве взрывных работ.

ДЕТОНАЦИОННАЯ ВОЛНА - ударная волна, распространяющаяся по взрывчатому веществу со сверхзвуковой скоростью и сопровождающаяся экзотермической химической реакцией превращения взрывчатого вещества. Давление, которое создается при распространении детонационной волны, - сотни кПа (газообразные взрывчатые смеси) и тыс. МПа (жидкие и твердые взрывчатые вещества).

§ 19 Что означает большое количество энергии?

Например, выделение энергии при взрыве значительно быстрее, чем выделение энергии при горении. Наиболее важным при взрыве является то, что энергия выделяется в пределах заряда взрывчатого вещества быстрее, чем она потом передается окружающей среде.

Это определение надо рассматривать, сравнивая энергию взрыва с той энергией, которая так или иначе содержится в среде, окружающей место взрыва. В этом определении важно то, что выделяющаяся при взрыве энергия намного больше энергии, содержащейся в окружающей среде.

Необходимо также уточнить понятие выделение энергии. Как известно, энергия не может возникать из ничего или исчезать бесследно. Поэтому под выделением энергии понимают превращение в энергию взрыва соответствующего запаса энергии, которая накоплена и находится в скрытой, потенциальной форме в том или ином месте.

Глава 4 Направленный взрыв.

Сначала рассмотрим простой взрыв. Взрыв - это очень быстрое горение, при котором выделяется большое кол-во газов, которые создают давление, это давление распространяется во все стороны и называется взрывной волной. Эта взрывная волна имеет страшную силу, если взрыв произошел не в замкнутом пространстве, то взрывная волна разлетается во все стороны, конечно она кое-что разрушит, но эффективность будет маленькой. Но если взрыв произошел в замкнутом пространстве, например в подъезде, то даже небольшой заряд нанесёт серьёзные повреждения (если в подъезде взорвать гранату, то взрывной волной выбьет все стёкла, и двери, а место на котором произошел взрыв, будет разрушено). А теперь представьте, что ту страшную силу которую имеет взрыв, направить в одну сторону, эта сила пробьёт всё на своём пути. Чтобы создать направленный взрыв надо:

Сделать так, чтоб взрывная волна распространялась в нужную сторону. Для этого нужно заряд поместить в замкнутую ёмкость. Например в стене выдолбить канал, в которой заложили заряд, и при детонации которого, взрывная волна будет пытаться распространятся во все стороны, но в этом ей будет мешать стена и она устремится в ту сторону где есть выход. Конечно, взрывная волна повредит стену, но основная её сила будет направлена в сторону выхода.

Направленный взрыв начинается там, где поджигают заряд. То есть, если детонация в канале произойдёт не со стороны выхода, а внутри канала, то эффективность взрыва будет меньше, если бы его подожгли с выхода.

Заряд должен иметь вытянутый вид.

Направленный взрыв — взрыв, при котором объект окружающей среды (как правило, горные породы, грунтовые или скальные массы) перемещается в заданном направлении;

§ 20 Виды направленного взрыва

Различают взрывы на сброс (при наличии наклонной или вертикальной свободной поверхности) и взрывы на выброс (при горизонтальной свободной поверхности).

Суммарная масса зарядов взрывчатых веществ может достигать нескольких тыс. т. Применяется при строительстве каналов, гидротехнических сооружений, железных дорог, вскрытии месторождений полезных ископаемых и т. п.

Метод взрывания на выброс, обеспечивающий перемещение взорванной массы в заданном направлении; применяется для образования перемычек, набросных плотин, разрезных траншей.

Механизм Направленного взрыва в общем виде сводится к следующему. При взрыве заряда в деформируемой среде на первой стадии распространяется взрывная волна, которая создаёт движение элементов среды в радиальных направлениях. Газообразные продукты взрыва образуют газовую полость, которая расширяется в сторону границы среды (свободной поверхности), увеличивая скорость перемещения разрушенной породы. В дальнейшем происходит прорыв газов из полости и выброс кусков породы из массива. Направленный взрыв может быть осуществлен посредством соответствующего расположения заряда взрывчатого вещества (ВВ) по отношению к границе среды, в которой производится взрыв, использованием зарядов специальной формы, выбором очерёдности взрывания зарядов ВВ. Заряды ВВ размещают внутри массива горных пород, как правило, в камерах или скважинах.

Условно различают взрывы на выброс (рис 7а, 7б) и на сброс. Взрывами на выброс называют Направленный взрыв при горизонтальной поверхности массива; смещение породы преимущественно в нужную сторону достигается применением системы наклонных скважинных зарядов (рис., 7а) либо системы двух (или более) камерных зарядов (рис., 7б).

рис 7(а, б)

В последнем случае заряды взрывают не одновременно и основной выброс породы происходит в сторону заряда, взрываемого в первую очередь. Направленный взрыв на выброс применяются при строительстве каналов и выемок (например, образование обводного канала р. Чусовой, 1935), а также для вскрытия месторождений полезных ископаемых, когда выброшенная взрывом горная масса должна расположиться на одном борту траншеи (например, вскрытие бокситового месторождения Красная шапочка на Урале, 1936).

Взрывами на сброс называют Направленный взрыв при наличии наклонной или вертикальной поверхности массива. Применяют систему скважинных зарядов (рис.,7 в) либо один или несколько камерных зарядов (рис.,7 г).

Рис 7(в, г)

Направленный взрыв на сброс эффективны для возведения дамб и плотин, причём навал породы, выброшенной взрывом, может перекрыть реку со значительным расходом воды. При помощи Направленный взрыв на сброс осуществлены реконструкция Волго-Исадского рукава р. Оки (1931) и строительство уникальных гидротехнических объектов: плотина на р. Терек (1958), опорная призма верхового откоса плотины Нурекского гидроузла на р. Вахш (1966), селезащитная (см. Сель) плотина в урочище Медео высотой около 100 м (взрыв первой очереди в 1966, общая масса ВВ около 5000 т и второй очереди в 1967, масса ВВ около 4000 т), плотина ирригационного гидроузла в Байпазе на р. Вахш (1968, масса ВВ около 1800 т), транспортная дамба в ущелье Ахсу в Дагестане высотой 90 м (1972, масса ВВ около 550 т). Направленный взрыв успешно применяется на открытых горных работах для сброса покрывающих пород в выработанное пространство карьера.

Направленный взрыв может быть осуществлен также в др. условиях, например, при взрывах под водой.

§ 21 Короткозамедленное взрывание

Представим себе, что имеется массив породы, ограниченный плоской свободной поверхностью. В этом массиве пробурен на равных расстояниях и на равную глубину ряд параллельных скважин, в которые заложены одинаковые заряды.

Эти заряды можно взорвать одновременно. В этом случае происходит такое взаимодействие взрывных волн, идущих от отдельных зарядов, при котором давления внутри породы возрастают, но волны разрежения могут идти только от первоначальной свободной поверхности породы.

Если же ввести небольшое замедление взрывов зарядов с таким расчетом, чтобы происходило последовательное инициирование всех зарядов и взрыв каждого следовал бы за взрывом предыдущего через определенный промежуток времени, то каждый заряд будет разрушать породу, действуя не только в сторону свободной поверхности, но и в сторону только что образовавшейся зоны дробления соседнего заряда. Волны разрежения пойдут внутрь породы не только от свободной поверхности, но и из зоны дробления соседнего заряда. Трещины, возникшие при дроблении, будут действовать как дополнительные пустоты в породе.

§ 22 Эффективность действия взрыва

Наоборот, если свободная поверхность породы ограничена примыкающим массивом так, что свободный разлет кусков породы может произойти только по сравнительно небольшой части свободной поверхности, то эффективность действия взрыва соответственно снижается.

Влияние свободной поверхности породы на ее дробление особенно заметно при применении зарядов в шпурах сравнительно малого диаметра. В этом случае заряд взрывчатого вещества имеет удлиненную форму и центр заряда находится на заметном расстоянии от конца шпура. В целом картина дробления породы взрывом определяется расположением центра заряда. Кроме того, значительную роль в дроблении породы имеет внешняя зона дробления, обусловленная действием волны разрежения. В результате этого в обычных условиях практики порода дробится в достаточной степени, начиная от центра заряда вплоть до наружной поверхности.

Между тем в сторону массива породы дробление не распространяется на заметное расстояние, так как действия волны разрежения здесь нет: порода сопротивляется взрывной волне в условиях всестороннего сжатия. Поэтому нередко дробление даже не доходит до конца шпура. После того как куски породы, возникшие при взрыве, убраны, остается конец шпура, так называемый стакан.

§ 23 Взрывные волны в грунтах и горных породах

Так как удельная энергия сравнительно мало изменяется при переходе от одних взрывчатых веществ к другим и в приведенной формуле эти величины стоят под знаком кубичного корня, что еще более снижает влияние удельной энергии.

Величина к обычно равна 0,1 т 0,4 м/у/кт и зависит от прочности породы, в которой происходит взрыв.

Величина может использоваться для оценки энергии, выделяемой при взрыве, крупные камуфлетные полости обычно трудно сохранить. Их верхняя часть не выдерживает горного давления и обрушивается под весом вышележащей породы, прочность которой нарушена при взрыве.

При взрыве в породе возникает взрывная волна, распространяющаяся во все стороны от места взрыва. Эта волна имеет много общего со взрывными ударными волнами в воздухе и особенно в воде. Однако имеются и отличия, которые выражены тем сильнее, чем определеннее выражена структура породы и чем эта порода является более пористой. Сущность таких отличий сводится к следующему. При небольших давлениях и деформациях структура породы сохраняется. Сжимаемость породы в этих условиях оказывается небольшой.

§ 24 Направленный ядерный взрыв в мирных целях.

Огромная энергия, выделяющаяся при ядерных взрывах, с самого начала работ над ядерным оружием приводила к мысли о ее использовании в мирных целях. Каждый килограмм термоядерного топлива способен в составе термоядерного устройства выделить энергию, эквивалентную взрыву 30 тыс. т взрывчатого вещества.

Промышленное, управляемое использование могучих сил, высвобождающихся при ядерных взрывах, играет важную роль в осуществлении планов глубокого преобразования природы. В природе немало явлений, которые нам хотелось бы изменить. Но мы не станем расходовать ядерную энергию на то, что можно сделать динамитом или толом,- ее применение начинается там, где кончаются возможности классических взрывчатых веществ.

Чтобы проложить железнодорожное полотно или автомобильную дорогу в скалистой местности, требуются тысячи взрывов, сотни тысяч рабочих часов и целый арсенал современных землеройных машин и методов. Атомная энергия здесь может помочь лишь в преобразованной в электрический ток форме. Но для прокладки трассы через горный массив, сооружения гаваней и каналов нужны ядерные взрывы.

Количество энергии, выделяющейся при ядерном взрыве, зависит от величины заряда, которая выражается так называемым тротиловым эквивалентом. Этот эквивалент позволяет сравнить энергию ядерного взрыва с энергией взрыва определенного количества тротила (он же тол, тринитротолуол, или ТНТ), которым во время второй мировой войны снаряжали авиационные бомбы.

Ядерное взрывчатое вещество эффективнее самых сильных химических веществ на несколько порядков: так, 25 килотонн (кт) ядерного заряда (тротиловый эквивалент 25000 т) можно поместить в цилиндре диаметром меньше 1 м, впрочем, даже 1 мегатонна (Мт) ядерного заряда займет немногим больше места, тогда как для 25 000 т тротила потребовался бы цилиндрический резервуар диаметром 30 м.

Ядерные взрывчатые вещества относительно дешевы. Согласно отчету Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), 10 кт ядерного ВВ стоят 350 тыс. долл., а 2 Мт - 600 тыс. долл. Эквивалентные количества тротила стоили бы соответственно 4 млн. и 800 млн. долл. Отсюда видно, насколько экономически выгоднее ядерные взрывчатые вещества.

Стремление использовать ядерные взрывы в мирных целях зародилось еще во время первого атомного взрыва в Аламогордо, укрепилось при взрывах на атолле Бикини и нашло подчеркнутое выражение после первого ядерного взрыва в СССР. Еще в 1949 г. советский представитель в ООН заявил: Мы хотим использовать атомную энергию для реализации великих планов мирного строительства, чтобы перемещать горы, менять течение рек, орошать пустыни, чтобы создать условия для жизни даже там, где редко ступала нога человека. В Советском Союзе тщательно изучали перспективы использования чудовищной энергии ядерных взрывов как средства воздействия на природу и преобразования ее.

Первый научный анализ перспектив промышленного использования ядерных взрывов был опубликован в СССР в 1956 г. В 1970 г. в Москве состоялись советско-американские технические переговоры о промышленном использовании ядерных взрывов, в ходе которых ученые пришли к общему мнению об их эффективных возможностях.

Очень интересные предложения отечественных физиков. Они предлагали использовать ядерные взрывы для получения электроэнергии, при строительстве каналов и гаваней, вскрышных работах, рытье котлованов, для интенсификации добычи нефти и газа, получения больших масс негашеной извести, карбида кальция и ацетилена, а также в металлургии и азотной промышленности.

Американцев тоже трудно упрекнуть в отсутствии воображения – проект Plowshare рассматривал ядерные взрывы как весьма эффективное средство для сооружения гаваней, водохранилищ, карьеров, каналов, плотин, емкостей для отвода воды в случае наводнения, емкостей для захоронения сильно загрязненных отходов, дробления сланцев, интенсификации добычи нефти и газа и даже создания искусственных водоемов в зонах отдыха. Наиболее перспективным считался проект прокладки через Панамский перешеек нового современного канала к 1980 году «всего» тремястами ядерными взрывами.

По расчетам специалистов, взрывная сила ядерных арсеналов великих держав составляет 100 млрд. т ТНТ. Иными словами, на каждого жителя планеты приходится 30 т взрывчатки. Эта невообразимая разрушительная сила (накопленная в виде ядерного оружия) может стать созидательной, если к понятию взрыв человечество добавит слово мирный.

Проведенная в российских ядерных центрах огромная работа больших коллективов теоретиков, математиков, конструкторов, экспериментаторов позволила создать чистые промышленные заряды, приступить к разработке проектов по их мирному применению и осуществить некоторые эксперименты.

Выделение огромной энергии ядерного взрыва происходит чрезвычайно быстро и с такой интенсивностью, что менее чем за миллионную долю секунды сам заряд и материал прилегающих к нему конструкций превращаются в горячую (с температурой до десятков миллионов градусов) плотную плазму. При подземном взрыве этот раздувающийся шар с гигантским давлением обрушивается на окружающую взрывную камеру горную породу, превращая ее в плотный, но менее горячий газ. Сжатие вещества достигает 4-5 раз. От центра взрыва распространяется мощная сферически расходящаяся ударная волна со скоростью десятков километров в секунду. Амплитуда ударной волны в горной породе столь велика, что на расстоянии нескольких сот метров от центра взрыва происходит интенсивное дробление горных пород. При выходе на земную поверхность ударная волна откалывает целые плиты горной породы толщиной ной до десятков-сотен метров и шириной до нескольких километров. За тысячи километров от места взрыва, даже на противоположной стороне земного шара, эхо взрыва может быть зафиксировано как сейсмическое колебание земной коры. Давление вблизи ядерного взрыва достигает миллиарда атмосфер, что может сравниться с давлением внутри звезд.

§ 25 Ядерные «экскаваторы».

Первый советский промышленный ядерный взрыв 15 января 1965 года на реке Чаган должен был по многим параметрам перекрыть американский взрыв Sedan, проведенный 6 июля 1962 года. Американская воронка была «сухая», советскую же планировалось заполнить водой. К тому же советский заряд был значительно чище – уровень чистоты 94% (значит, только 6% радиоактивной начинки не «сгорало», а разносилось взрывом по окружающему пространству) против 70% у американцев.

По замыслам советских ученых, такие воронки от ядерных взрывов должны были в скором времени покрыть территорию засушливых среднеазиатских районов – только для Казахстана требовалось создать примерно сорок водоемов общим объемом до 120–140 млн. м3. Исследование показало, что для аккумуляции весенних стоков в долинах рек можно создать емкости в виде глубоких воронок, каждая из которых способна вместить до 3–5 млн. м3 воды при незначительном зеркале испарения. Задержанная с помощью воронок вода могла быть использована для нужд энергетики, орошения и предотвращения засоления Каспийского, Аральского и Азовского морей.

Технология создания водоемов в поймах рек была следующей: глубокая воронка создавалась с помощью ядерного взрыва на выброс. В образованном взрывом навале прокладывался канал, соединявший русло реки с воронкой. Канал строился или взрывами химических ВВ одновременно с ядерным взрывом, или после него обычными средствами строительной техники.

Именно так и прошел эксперимент в устье реки Чаган: 170-килотонный термоядерный заряд, взорванный на глубине 178 м образовал воронку диаметром 430 м, глубиной 100 м и объемом 10,3 млн. м3. Уровень гамма-излучения в районе воронки к концу первых суток доходил до 30 Р/ч, через 10 дней упал до 1 Р/ч, а в настоящее время составляет 2–3 мР/ч (естественный радиоактивный фон – 15–30 мкР/ч). Весной 1965 года русло реки соединили с воронкой каналом, а позднее в левобережной части была построена каменно-земляная плотина с водопропускными сооружениями. Сооружение канала, плотины и водосбросов создало условия для образования водоема общей емкостью около 17 млн. м3.

В оценках последствий создания этого водохранилища нет единодушия. Правозащитники указывают, что облако от взрыва накрыло территорию десяти населенных пунктов с населением в 2000 человек. Расчетные дозы облучения щитовидной железы у тех из них, кто проживал на наиболее загрязненных территориях, только за первые полтора года после взрыва составили более 14 бэр. Много это или мало? Нормы радиационной безопасности (НРБ-99), принятые в России, устанавливают предельный уровень облучения в 0,5 бэр в год, или 5 бэр за 50 лет.

С другой стороны, руководивший взрывом Иван Турчин вспоминал: «Дозиметрическая служба полигона вела систематический контроль радиационной обстановки в воронке и водоеме. Вода в водоеме была чистая: мы неоднократно купались в нем, ловили и ели карасей (я здоров, чувствую себя хорошо, хотя мне уже 75 лет, а тогда не было и пятидесяти)».

§ 26 Переброска рек взрывом

Все помнят про пресловутые проекты переброски северных рек, но мало кто знает, какими методами планировалось их осуществлять. Одним из самых эффективных считался метод ядерных взрывов. 21 октября 1968 года на Семипалатинском полигоне был проведен промышленный взрыв «Телькем», целью которого было изучение экскавационного действия ядерного взрыва в целях прокладки канала. Для проведения взрыва был выбран ранее разработанный во ВНИИТФ заряд небольшой мощности в 0,24 кт, заложенный на глубину 31 м. Взрыв привел к образованию воронки диаметром 80 м и глубиной 20 м. 12 ноября 1968 года в этих же целях был проведен второй взрыв «Телькем-2» с одновременным подрывом уже трех ядерных зарядов, аналогичных использованному в опыте «Телькем», заложенных через каждые 40 м. В результате взрыва образовалась выемка в виде траншеи длиной 140 м, шириной 70 м и глубиной 16 м. «Телькем-2» был модельным взрывом для прокладки реального канала «Печора–Колва» с целью переброски вод Печоры в Каспийское море. Настала пора переходить от экспериментов к практике.

23 марта 1971 года на проектируемой трассе Печоро-Колвинского канала в Пермской области в 100 км северо-западнее города Красновишерска раздался мощный строенный взрыв – это сработали три ядерных заряда мощностью 15 кт каждый (напомним, такая же мощность была у бомбы, сравнявшей с землей Хиросиму), закопанных на расстоянии 162–167 м друг от друга на глубине 127 м. В результате взрыва образовался канал длиной 700 м, шириной 340 м и глубиной от 10 до 15 м с устойчивыми бортами с углом откоса 8–10 градусов. С инженерной точки зрения результат был блестящим. Проблемы пришли из-за границы.

Несмотря на то, что использовались новые ядерные заряды с очень малой мощностью по делению, образовался след радиоактивного загрязнения длиной примерно 25 км. Но самое главное, радиоактивные продукты были обнаружены также за пределами СССР – в Швеции и США, руководство которых направило протесты СССР, ссылаясь на нарушение Московского договора 1963 года, запрещающего проведение мирных ядерных взрывов, если продукты радиоактивного распада попадают на территории соседних государств. Рытье канала таким экзотическим способом было приостановлено.

Аналогичные эксперименты несколько ранее проводились и в США. Например, 12 марта 1968 года был проведен мирный ядерный эксперимент Buggy, который представлял собой одновременный подрыв цепочки из 5 ядерных зарядов по 1,1 кт каждый, заложенных на глубину 41 м. В результате взрыва образовалась траншея длиной 262 м, шириной 85 м и глубиной 21 м. В программе Plowshare значительное место занимали проекты по созданию искусственных гаваней. Эти идеи восходят к результатам наземных испытаний мощных термоядерных зарядов Mike и Bravo на атоллах Эниветак и Бикини, в результате которых в коралловом грунте образовались огромные выемки диаметром около 2 км. Как отмечалось, одним из первых проектов Plowshare был проект создания искусственной гавани на побережье Аляски. Для его реализации предполагалось провести одновременный взрыв четырех зарядов в 20 кт и пятого заряда в 200 кт. В качестве международного проекта рассматривался вопрос о возможности создания искусственной гавани на северо-западном побережье Австралии. В одном из вариантов для этого предусматривалось размещение цепочки из пяти зарядов 200 кт каждый на расстоянии около 300 м друг от друга и на глубине в 240 м под морским дном. Одновременный взрыв должен был создать гавань длиной около 2 км, шириной в 400–500 м и глубиной в центре около 60–120 м. По краям траншеи образовалась бы линия навала, которая, на несколько десятков метров возвышаясь над уровнем моря, должна была защищать гавань от штормов.

§ 28 Образование огромных подземных емкостей

для хранения воды, нефти, природного газа и т. п.- еще одна область, где можно эффективно применять ядерный взрывы: В Советском Союзе при помощи ядерного заряда 15 кт создана полость объемом 50 000 м3 на глубине 1140 м; в нее закачивают газовый конденсат, добытый из близлежащего крупного месторождения. В среднем, хранение газов в подземных емкостях, образованных ядерными взрывами, обходится в восемь раз дешевле, чем сооружение и содержание наземных газохранилищ.

§ 29 Сооружения портов, морских и речных судоходных каналов

Ядерные взрывы можно с успехом использовать для сооружения портов там, где глубина моря вблизи берега недостаточна для подхода больших судов. Подходящие места предложены на Аляске и в Австралии.

По проекту Седан был произведен ядерный взрыв мощностью 100 кт, образовавший огромный кратер.

Серия экспериментальных взрывов связана с сооружением морских и речных судоходных каналов, строительством железных и шоссейных дорог в гористых местностях. Первым таким экспериментом был проект Багги-1, который включал пять одновременных ядерных взрывов на глубине 40 м мощностью 1 кг каждый. Результатом проекта явился канал в твердой породе глубиной 20 м, шириной 75 м и длиной 260 м.

§ 30 Термоядерное стимулирование

Вторым (если не первым) важным применением ядерно-взрывных технологий считалась нефтегазодобывающая промышленность. Первыми додумались взорвать ядерный заряд для увеличения выхода нефти и, что самое главное, взорвали его советские ученые. Произошло это в далеком 1965 году на действующем Грачевском нефтяном месторождении в Башкирии (объект «Бутан»). Здесь были проведены три взрыва небольшой мощности (от 2,3 до 8 кт).

В отличие от экскавационных взрывов «нефтегазовые» производились по так называемой камуфлетной технологии, когда продукты взрыва не попадали на поверхность, что было большим шагом вперед с точки зрения экологии. Первый же эксперимент «Бутан» дал увеличение выхода нефти в 1,5–2 раза, что считалось превосходным результатом. Мало того, в 1980 году на этом же месторождении были произведены еще два стимулирующих взрыва. Вообще же ядерные заряды взрывали на шести месторождениях вплоть до 1987 года: в 1969 году на Осинском месторождении, в 1981–1987 годах на Тяжском месторождении, в год Олимпиады-80 на Еси-Еговском нефтяном месторождении в Западной Сибири и в 1985 году на Среднебалыкском, тоже в Западной Сибири.

Ядерными взрывами месторождения не только стимулировались, но и создавались. Например, с 1976 года в Якутии на площади 400 км2 проводился широкомасштабный эксперимент по переводу запасов нефти и газа в промышленное состояние. После проведения восьми камуфлетных ядерных взрывов ожидалось образование промышленного месторождения с запасами нефти до 30 млн. т и газа до 16 млрд. м3. Сейчас здесь расположено Среднеботуобинское газоконденсатное месторождение.

Практически все заряды в упомянутых экспериментах взрывали непосредственно в толще нефтегазоносных слоев, за исключением Осинского и Среднебалыкского месторождений, где взрывы проводились под нефтяными пластами. Все ядерные взрывы были проведены без радиоактивного загрязнения атмосферы или территории промыслов. Отмечался лишь незначительный и кратковременный выход радиоактивных газов через устья двух скважин в результате их неполной герметичности. Нефть из скважин на всех месторождениях, кроме «Осинского», в течение всего периода эксплуатации не содержала следов загрязнения радионуклидами. Надо прояснить ситуацию насчет Осинского месторождения, предмета частых спекуляций. С момента проведения взрывов и до конца 1976 года радиационная обстановка на опытной площадке месторождения (объект «Грифон») не превышала фонового значения. Позднее промысловики по собственной инициативе пробурили в центральной зоне взрыва так называемую прокольную скважину, пробив нефтеносные слои и добравшись до полости под промышленными пластами, откуда и началась миграция радионуклидов по нефтяной залежи и их незначительный вынос на поверхность. Однако сегодня радиационная обстановка на опытной площадке не превышает предельно допустимых норм. Аналогичные эксперименты проводились и в США. 10 декабря 1967 года в рамках эксперимента Gasbuggy вблизи нижнего слоя газоносной породы на глубине 1,3 км был взорван заряд мощностью 29 кт, показавший высокую эффективность проведения ядерных взрывов для увеличения выхода газа из низкопроницаемых газовых пластов. Измерения показали наличие в составе газа радиоактивности, уровень которой быстро снижался. Второй взрыв (Rulison) мощностью 47 кт был проведен 10 сентября 1969 года на глубине 2580 м с целью повышения продуктивности выхода газа из сверхглубоких пластов. Третий, заключительный эксперимент Rio Blanco, проведенный 17 мая 1973 года в Колорадо, представлял собой одновременный взрыв в одной скважине трех 33-килотонных ядерных устройств.

В США также рассматривалось применение ядерных зарядов к нефтяным месторождениям, в которых обычные способы извлечения нефти не действуют, – подземным нефтеносным сланцам. В толще нефтеносного слоя ядерным взрывом предполагалось создать зону дробления. Далее планировалось осуществить процесс частичного горения сланца с подачей в зону горения воздуха. При нагреве нефтеносных сланцев происходит разложение содержащихся в них нефтепродуктов и их переход в извлекаемые газообразные и жидкие углеводороды, откачиваемые из месторождений обычными технологиями. По предварительным оценкам, заряд с энерговыделением в 50 кт был способен перевести в состояние, пригодное для разработки, около миллиона тонн нефтеносных сланцев. Проект, к сожалению, не был реализован на практике.

§ 31 Аварийные работы

Посредством ядерных взрывов были перекрыты две аварийные газовые скважины в Узбекистане.

Физикам-ядерщикам было дано задание в кратчайшие сроки создать ЯЗ для перекрытия скважины, выдерживающий температуру 73 градуса по Цельсию на глубине 1б5 км . Опыт прошел успешно: через несколько секунд после взрыва факел пламени погас навсегда.

§ 32 Взрыволет

Наконец, еще один нереализованный, но практически разрабатывавшийся в свое время проект использования ЯВ — ядерный взрыволет(рис 8), идея которого была высказана Андреем Дмитриевичем Сахаровым в 1962 году в Федеральном ядерном центре. Идея А. Д. Сахарова состояла в использовании ЯВ для вывода в космос огромного полезного веса. В двигательной установке предполагалось использовать энергию последовательных взрывов ЯЗ. Полезная нагрузка в 1000 т и более должна была обеспечивать экипажу многолетнее пребывание в космосе. Задача разработки такого взрыволета оказалась очень сложной. Тем не менее, в результате проектных работ все же был сделан вывод о возможности создания двигательной системы, использующей энергию ЯЗ.

Рис 8.

§ 33 Пока мы впереди

В рамках программы мирных ядерных взрывов Plowshare США провели 27 экспериментов, советская же программа была намного шире: 124 мирных взрыва плюс 27 взрывов для отработки промышленных зарядов. Последний промышленный взрыв в СССР был проведен 6 сентября 1988 года в Архангельской области на объекте «Рубин», после чего программа была приостановлена в связи с введением моратория на ядерные испытания.

Термоядерный взрыв сегодня — это самый мощный и в то же время самый дешевый источник энергии на Земле. Существующие возражения против технического применения ядерного взрыва (ЯВ) достаточно серьезны и обоснованны. В первую очередь они связаны с опасностью радиоактивного заражения окружающей среды и большим энерговыделением при ЯВ.

Ведь ошибки при использовании ядерных зарядов (ЯЗ) даже при отсутствии радиоактивности могут привести к большим бедам именно из-за больших масштабов работ, производимых ЯВ.

Заключение:

К сожалению, взрывные, или ударные волны до сих пор погубили гораздо больше жизней, чем спасли. Но силы природы сами по себе не бывают «злыми» или «добрыми» — все зависит от того, какое применение дает им человек.

Так и Направленный взрыв находит себе применение не только на войне, но и при больших взрывах, намного облегчающих труд на строительстве плотин и каналов, или при открытой разработке полезных ископаемых.

Направленный взрыв применяется при гашении пожаров нефтяных и газовых скважин: мощными потоками воздуха он задувает гигантское пламя, как горящую свечку. Ударные волны сопровождают полет космических ракет при пролете сквозь атмосферу. Мешая при взлете, они зато помогают приземлению. Поэтому учение об ударных волнах — необходимая часть новой области науки и техники — космонавтики.

Контролируемый взрыв может сыграть решающую роль в деле мирного освобождения термоядерной энергии, которая навсегда решит энергетическую проблему для человечества при любом уровне потребления.

Мы выяснили что ударная волна – сверхзвуковой скачок уплотнения, движущийся в среде и влекущий за собой изменение температуры и давления. Всеэти изменения связаны с одной характеристикой ударной волны – числом Маха

Если ударная волна распространяется в экзотермическом процессе со свехзвуковой скоростью то происходит детонация.

Направденный взрыв – контролируемая детонация, при которой основная часть ударной волны движется в определённом направлении.

Направленная детонация, «Направленный взрыв» позволяет решать большое количество мирных задач.

Список используемой литературы

1. Компанеец А.С., Ударные волны М., Физматгиз, 1963 г.

2. Новиков С.А. Соросовский образовательный журнал, N 7, 1996 г

3. Сахаров А.Д., «Мирный ядерный взрыв».

4. Черный Г. Г., Течения газа с большой сверхзвуковой скоростью, М., 1959.

5. Покровский Г. И., Федоров И. С., Возведение гидротехнических земляных сооружений направленным взрывом, М., 1971.

6. Большая Советская Эциклопедия, электронная обновляемая версия, все статьи действительны на 13.04.09; Статьи: «Направленный взрыв»; «Ударные волны»;

7. Энциклопедия – Аванта+ «Физика», Москва 2005 год часть первая.

[1] Излагается по Аванта + « физика» 1 том, 435 – 437 стр, 2005 год Москва.

[2] Изложение ведётся по А.Компанеец «Ударные волны», стр 10 – 13, 1963г , Москва.

Скачать архив с текстом документа