Укажите параметр воздушной ударной волны повышенное атмосферное давление

Основными параметрами ударной волны являются:

• — избыточное давление во фронте ударной волны;
• — скоростной напор ударной волны, действующий на поверхность объекта;
• — время действия ударной волны;
• — импульс волны и др.

Избыточное давление во фронте ударной волны Ар характеризуется разностью давления во фронте волны и атмосферного давления:

Ар=р1-р0, (10.1)

где р! — давление во фронте ударной волны; р0 — давление в невозмущенной среде (атмосферное давление).

Ударная волна характеризуется скоростью нарастания давления до его максимального значения.

Под максимальным давлением взрыва понимается наибольшее давление, которое возникает при дефлаграционном сгорании наиболее взрывоопасной газо-, паро-, пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начальном давлении 101,3 кПа.

Максимальное давление при взрыве аэросмеси можно рассчитать по формуле:

где ро — начальное давление, при котором находится аэровзвесь, кПа; Т0 — начальная температура исходной смеси, К; Тг — адиабатическая температура горения стехиометрической смеси с воздухом при постоянном объеме, К; пк — число молей газообразных продуктов сгорания; пн — число молей исходной газовой смеси.

Ударная волна характеризуется пиком. Пик — это участок ударной волны от момента ударного сжатия до завершения химической реакции, где формируется самое высокое давление.

Параметром ударной волны является импульс волны. Величина импульса волны (7) будет различной в зависимости от среды, в которой протекает взрыв. В общем виде импульс волны описывается законом подобия:

где С — масса взрывчатого (горючего) вещества; Я — расстояние действия ударной волны; ср — угол отражения волны.

Действие ударной волны с достаточной точностью определяется либо значением избыточного давления Лр = р} — ро на ее фронте, либо величиной удельного импульса фазы сжатия:

Характер воздействия ударной волны на заданную систему зависит от соотношения между временем действия фазы сжатия ?сж и временем релаксации системы г, а для упругих систем — периодом колебаний Т.

Если ?сж»г, то действие ударной волны определяется величиной избыточного давления на ее фронте.

Если, напротив, ?сж «г, то давление за фронтом волны снижается за столь малый промежуток времени, что система практически не успевает деформироваться и дальнейшие деформации ее определяются приобретенным ею количеством движения, а следовательно, удельным импульсом ударной волны.

Время действия фазы сжатия выразится формулами:

где г0 — радиус заряда; С — масса заряда; К — расстояние действия ударной волны; Е — энергия взрыва; Ей Рз — функциональная зависимость.

Ударная волна характеризуется скоростным напором. Скоростной напор образуется в результате торможения о какую-либо преграду движущихся масс воздуха в ударной волне. Ударная волна распространяется в пространстве со сверхзвуковой скоростью. Так, ударная волна при ядерном взрыве проходит 1000 м за 2 с, 2000 м — за 5 с, 3000 м — за 8 с.

Сила ударной волны очень велика и приводит к значительным разрушениям. Степень повреждения конструкций в зависимости от давления в ударной волне представлены в таблице 6.

Таблица 6 — Повреждения при взрыве от ударной волны

Ударная волна вызывает поражения людей, которые подразделяются на четыре степени:

первая степень — легкие поражения (избыточное давление Ар = = 0,2…0,4 МПа);

вторая степень — поражение средней тяжести {Ар = 0,5 МПа). Наблюдается поражение органов, кровотечение изо рта, ушей, носа, а также разрывы связок, переломы костей;

третья степень — тяжелые поражения (Ар > 0,5 МПа). Наблюдаются все признаки поражения, характерные для второй степени, но в более выраженной форме;

четвертая степень — крайне тяжелое поражение (Ар = 1 МПа). Наблюдается резкое нарушение жизненно важных функций организма, сопровождающееся потерей сознания, расстройством кровообращения и дыхания. Такое поражение заканчивается летальным исходом.

Определяющим параметром при характеристике взрыва является образующаяся и распространяющаяся в окружающем пространстве воздушная ударная волна.

Рассмотрим облако взрывоопасной смеси в окружающем воздушном пространстве. До момента возгорания давление в объеме облака равно атмосферному. При сгорании (взрыве) облака в его объеме давление возрастает, преграды с окружающей средой нет, и область высокого давления увеличивается в объеме, а давление внутри нее уменьшается (рис. 1). Распространение области сжатия воздуха происходит со сверхзвуковой скоростью и получило название воздушной ударной волны — ВУВ. Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущенного, называется фронтом ударной волны.

При прохождении фронта ударной волны через воздух в очень узкой зоне скачком возрастают давление, температура и плотность, а воздух за фронтом начинает двигаться в сторону области пониженного давления. Скорость движения воздуха меньше скорости движения фронта ВУВ. После того как фронт ударной волны проходит данную точку пространства, давление в ней постепенно снижается до атмосферного. В дальнейшем давление продолжает уменьшаться и становится ниже атмосферного, а воздух начинает двигаться в обратную сторону. Постепенно давление выравнивается с атмосферным и действие воздушной ударной волны в данной точке прекращается (рис. 2). Время, в течение которого давление превышает атмосферное, называется фазой сжатия, а время действия пониженного давления — фазой разрежения. Основные разрушения происходят в фазе сжатия, поэтому действие фазы разрежения обычно не учитывается.

Ударная волна имеет два основных отличия от звуковой волны:

• — параметры среды в ней (давление, температура, плотность) изменяются практически скачком;
• — скорость ее распространения превышает скорость звука в невозмущенной среде.

Рис. 1. — Давление во фронте воздушной ударной волны как функция расстояния от места взрыва:

Рис. 2. — Изменение давления в некоторой точке пространства при прохождении через нее ударной волны:

Рассмотрим параметры ВУВ.

До прихода волны давление в точке определялось атмосферным давлением P0. В момент прихода фронта волны давление возрастает на величину, равную Pф. После скачка давление начинает падать и через промежуток времени 0+ достигает величины P0. Дальнейшее снижение давления приводит к образованию в рассматриваемой точке разрежения с амплитудой P-, после чего рост давления возобновляется и оно снова достигает величины P0. Период 0+ называется фазой сжатия.

По мере удаления от места взрыва происходит постепенное “затухание” ударной волны. При этом уменьшаются амплитуды Pф и P-, уменьшаются крутизна скачка и крутизна спада давления, увеличиваются интервалы 0+ и 0-, уменьшается скорость распространения ударной волны и она постепенно трансформируется в звуковую. Скорость “затухания” ударной волны зависит от состояния среды, в которой эта волна распространяется, и от расстояния до места взрыва.

Поражающее действие ВУВ определяется следующими параметрами.

Первым параметром, определяющим поражающее действие ВУВ, является избыточное давление Pф.

Рассмотрим, во-первых, величину Pф. Энергетическое содержание ВВ, в частности ГВС, одинаково независимо от режима горения, однако скорость взрывчатых превращений разная при дефлаграции и при детонации, поэтому при детонации объем горящей ГВС не успевает увеличиться и давление возрастает до значительно больших значений, чем при дефлаграции.

Рис. 3. — Формы фронта ВУВ при дефлаграционном и детонационном взрывах:

Скачок давления в месте взрыва (а, следовательно, и во фронте ВУВ) при детонационных взрывах ГВС на открытом воздухе может достигать 2 Мпа. При взрывах конденсированных ВВ это давление может достигать значительно более высоких значений, измеряемых даже Гпа.

Во-вторых, разница в скорости процессов приводит к тому, что продолжительность нарастания давления (наклон фронта) разная. При детонации продолжительность нарастания давления ~ 10-3 c для воздушных смесей и ~ 10-5 для конденсированных ВВ, а при дефлаграции ~ 0,1-0,2 с.

Формы фронта ВУВ при разных режимах взрывного горения показаны на рис. 3.

Вторым параметром ВУВ, определяющим ее поражающее действие, является импульс давления i. Импульс характеризует суммарное воздействие избыточного давления за время 0+. Он числено равен площади под кривой избыточного давления на рис. 2.

Поражающее действие ВУВ характеризуется также давлением скоростного напора Pск воздуха. Скоростной напор возникает вследствие того, что частички воздуха во всех точках фронта ударной волны совершают резкое смещение по направлению от центра взрыва, а затем в обратную сторону. Тело, находящееся на пути смещения частиц воздуха, испытывает силовое воздействие.

Скоростной напор вызывает отбрасывание предметов, оказавшихся на пути распространения ударной волны, т. е., оказывает на них метательное воздействие.

В результате метательного воздействия незакрепленные предметы, а также люди могут быть отброшены на расстояние в несколько метров и, вследствие этого, получить повреждения и травмы по своей тяжести соизмеримые с последствиями воздействия избыточного давления ВУВ. Скоростной напор ВУВ приводит к разрушению (слому) сооружений, имеющих значительную протяженность по сравнению с поперечным сечением (столбы электропередач, заводские трубы, опоры и т. п.)

Перечисленные параметры ударной волны (давление, импульс, скоростной напор) являются основными, но не единственными параметрами, определяющими ее поражающее действие. Так при встрече ударной волны с препятствием, например со стеной здания, давление вблизи от отражающей поверхности препятствия возрастает в несколько раз. Степень роста амплитуды зависит от угла наклона отражающей поверхности к направлению распространения ударной волны и от состояния среды у отражающей поверхности, от других величин.

Основными параметрами воздушной ударной волны будем считать:

• — избыточное давление во фронте волны, Рф;
• — время действия давления (фазы сжатия);
• — скорость распространения ударной волны, v;
• — давление скоростного напора Рск.

Ударная волна ядерного взрыва.

Основные параметры, характеризующие ударную волну ЯВ, для заряда мощностью 30кт приведены в таблице.

В зависимости от высоты ЯВ распространение воздушной ударной волны имеет свои особенности.

При наземном взрыве воздушная ударная волна имеет форму полусферы с центром в точке взрыва ядерного боеприпаса. Значения Pф в этом случае будут примерно удваиваться по сравнению с воздушным взрывом.

При воздушном взрыве ударная волна, достигая поверхности земли, отражается от нее. Форма фронта отраженной волны близка к полусфере с центром в точке встречи ударной волны с поверхностью земли.

На близких расстояниях от проекции эпицентра на поверхность земли угол наклона падающей волны мал и точки, из которых исходят отраженные волны, перемещаются вдоль поверхности земли. Эта зона называется зоной регулярного отражения и ее радиус на поверхности земли Rэ примерно соответствует высоте воздушного взрыва H, т. е., Rэ=H.

Таблица — Параметры ударной волны ЯВ мощностью 30 кт:

На расстояниях Rэ>H в результате того, что отраженная волна движется в воздухе уже прогретом падающей волной, она имеет большую скорость и постепенно «набегает» на падающую волну, образуя головную ударную волну. Сложение волн усиливает избыточное давление во фронте головной волны. Коэффициент усиления составляет от 1,6 до 3 крат и зависит от состояния приземного слоя воздуха. Наибольшее повышение давления наблюдается при взрывах зимой, когда приземный слой воздуха почти не прогревается световым излучением.

При прогреве приземного слоя воздуха, например за счет его запыления, скачок давления во фронте головной волны уменьшается, но увеличивается время фазы сжатия и скоростной напор движущихся частиц воздуха. Это приводит к усилению метательного действия ударной волны.

На распространение ударной волны при ЯВ могут оказать существенное влияние: рельеф местности, характер застройки, лесные массивы, метеорологические условия. На расстояниях близких к месту взрыва амплитудные значения PФ очень велики и к тому моменту, когда они снижаются до значений, указанных в таблице, т. е., до значений, представляющих практический интерес с точки зрения анализа степени разрушающего воздействия ударной волны ЯВ, зависимость P(t) успевает видоизмениться.

Эти изменения состоят в увеличении, снижении скорости роста давления во фронте ударной волны и более плавному падению давления за фронтом волны. В связи с этими изменениями приведенным в таблице значениям PФ для ЯВ соответствует больший удельный импульс, чем для аналогичных значений давления при взрыве конденсированного ВВ. Поэтому ударную волну ЯВ иногда называют “длинной волной”.

Поражающее действие взрыва.

Поражающими факторами при взрывах являются:

• — прямое воздействие фронта ударной волны;
• — так называемые вторичные поражающие факторы, определяемые воздействием обломков разрушающихся зданий и сооружений, осколков породы или оболочки заряда и т. д.;
• — сейсмическое воздействие подземных взрывов.