Механизм инициирования и развития в твердых гетерогенных взрывчатых веществах

Введение 
 
1 
ФГУП «Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский  
научно-исследовательский институт экспериментальной физики» 
 
 
 
 
 
 
В. М. Бельский 
 
 
МЕХАНИЗМ ИНИЦИИРОВАНИЯ  
И РАЗВИТИЯ ДЕТОНАЦИИ 
В ТВEРДЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ 
ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВАХ 
 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2019 
 

 
Содержание 
 
2
 
УДК 662.215.4 
ББК 35.63 
       Б44 
 
Бельский В. М. Механизм инициирования и развития детонации в 
твeрдых гетерогенных взрывчатых веществах. Монография. – Саров: 
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2019. 265 с. 
 
ISBN 978-5-9515-0399-2 
 
 
В монографии проанализированы механизмы образования очагов 
локальной химической реакции взрывчатого разложения в твердых гетерогенных взрывчатых веществах при их инициировании ударными волнами. 
Анализ, проведенный на основе элементарных актов пластической деформации, позволил выявить общие закономерности возбуждения детонации 
ударными волнами, которые не всегда удается проследить экспериментально, и систематизировать многообразные факторы, влияющие на параметры процесса. 
Указаны возможные способы управления ударно-волновой чувствительностью ВВ и регулирования кинетики химических превращений, основанные на изменении механизма и скорости процессов релаксации напряжений. 
Проанализированы современные феноменологические кинетические 
модели разложения ВВ за фронтом инициирующих ударных волн, базирующихся на концепции очагового возникновения реакции разложения и ее 
распространении на весь объем ВВ в форме волны горения.  
В качестве перспективного направления совершенствования кинетических моделей предложено применение к явлениям инициирования детонации теории нестационарного горения Я. Б. Зельдовича, адаптированной к 
условиям, реализующимся за ударным фронтом.  
Книга предназначена специалистам, область научных интересов которых связана с исследованием и применением взрывчатых веществ, а также аспирантам и студентам соответствующих специальностей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9515-0399-2  
 
 
      ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2019 

 
Содержание 
 
3 
 
 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
Введение  .............................................................................................................. 
6 
 
 
16 
16 
 
18 
 
21 
22 
24 
25 
26 
28 
28 
30 
30 
34 
37 
42 
42 
 
42 
 
46 
48 
48 
53 
56 
58 
59 
 
62 
65 
65 
67 
71 
71 
 
Часть 1. Механизм образования очагов   
        Глава 1. Экспериментальные методы исследования  
        инициирования детонации  .......................................................... 
               1.1. Методы сравнения  ........................................................................ 
               1.2. Оптический метод непрерывной регистрации движения 
                      фронта ударной волны по заряду  ................................................ 
               1.3. Радиоволновый метод непрерывной регистрации движения 
                      фронта ударной волны по заряду ................................................ 
               1.4. Электромагнитный метод регистрации массовой скорости ..... 
                      1.4.1. Метод торможения границы раздела ................................ 
               1.5. Метод манганинового датчика .................................................... 
               1.6. Метод лазерной интерферометрии .............................................. 
               1.7. Метод инфракрасной радиометрии ............................................. 
                      1.7.1. Фотоэлектрический метод .................................................. 
        Глава 2. Механизмы пластической деформации при ударном сжатии ... 
                2.1. Механизмы деформации монокристаллов  ................................ 
                2.2. Механизмы деформации поликристаллов ................................. 
                2.3. Ударная деформация пористых тел  ........................................... 
        Глава 3. Механизмы образования очагов разогрева ................................ 
                3.1. Образование очагов разогретыми газами в порах  .................... 
                       3.1.1. Влияние природы газов на пределы возбуждения  
                                 детонации ............................................................................ 
                       3.1.2. Влияние природы газов на глубину формирования  
                                 детонационного режима .................................................... 
                       3.1.3. Факторы, влияющие на инициирование пористых ВВ ... 
                                 3.1.3.1. Влияние крутизны спада давления ...................... 
                                 3.1.3.2. Влияние фильтрации газа ..................................... 
                                 3.1.3.3. Влияние макро- и микроструктуры частиц ........ 
                3.2. Кумулятивный механизм  ............................................................ 
                3.3. Гидродинамический механизм ................................................... 
                3.4. Образование очагов при упруго- и вязкопластических  
                       деформациях ................................................................................. 
                3.5. Фрикционный разогрев  ............................................................... 
                       3.5.1. Разогрев на границах контакта частиц ............................. 
                       3.5.2. Разогрев в плоскостях скольжения  .................................. 
                       3.5.3. Разогрев в полосах адиабатического сдвига  ................... 
                3.6. Образование очагов при аннигиляции дислокаций .................. 
 

Содержание 
 
4
 
 
73 
82 
 
86 
90 
 
91 
95 
97 
104 
105 
 
110 
 
115 
 
115 
118 
 
128 
                       3.6.1. Влияние предварительной обработки частиц гексогена 
                                 и октогена на ударно-волновую чувствительность ВВ 
                                 на их основе ........................................................................ 
                       3.6.2. Влияние отжига .................................................................. 
                       3.6.3. Ударно-волновая чувствительность ВВ, облученных 
                                 мягким рентгеновским излучением  ................................. 
                3.7. Образование очагов при электрическом пробое ....................... 
                       3.7.1. Экспериментальные исследования поляризационных  
                                 и деполяризационных эффектов  ...................................... 
                       3.7.2. Электрическая концепция очагов разогрева ................... 
                       3.7.3. Рro et contra  ......................................................................... 
        Глава 4. Критические условия выхода реакции за пределы очага ......... 
                4.1. Постановка и решение задачи ..................................................... 
                4.2. Связь критического размера очага с параметрами волны 
                       стационарного горения ................................................................ 
        Глава 5. Микроструктура и ударно-волновая чувствительность 
                       взрывчатых веществ  .................................................................... 
                5.1. Влияние размера частиц на ударно-волновую  
                       чувствительность твердых ВВ .................................................... 
                5.2. Физическая интерпретация экспериментальных результатов ... 
        Глава 6. О возможностях управления ударно-волновой  
                       чувствительностью ВВ ................................................................ 
 
136 
 
158 
162 
 
163 
167 
 
169 
169 
171 
172 
 
174 
 
180 
 
181 
 
Часть 2. Модель разложения ВВ за фронтом ударной волны  
        Глава 7. Кинетические модели химической реакции разложения ......... 
        Глава 8. Основные аспекты и упрощения теории  
                       нестационарного горения ............................................................ 
        Глава 9. Фундаментальные свойства стационарной волны горения ...... 
                9.1. Стационарный режим горения газов  
                       (модель Зельдовича – Франк-Каменецкого) .............................. 
                9.2. Горение твердых «безгазовых» систем ...................................... 
                9.3. Горение жидких (летучих) взрывчатых веществ 
                      (модель А. Ф. Беляева) .................................................................. 
                9.4. Горение нелетучих взрывчатых веществ ................................... 
                9.5. Структура волны горения ............................................................ 
                9.6. Свойства стационарного режима горения ................................. 
                9.7. Зависимость скорости стационарного горения от давления  
                       и начальной температуры ............................................................ 
                9.8. Зависимость скорости стационарного горения  
                       от градиента температуры ........................................................... 
                9.9. Влияние внешних условий на структуру волны  
                       стационарного горения ................................................................ 
 

Содержание 
 
5 
190 
190 
192 
 
194 
197 
197 
200 
202 
202 
 
207 
208 
209 
 
210 
212 
213 
 
215 
 
221 
 
223 
228 
232 
232 
233 
236 
        Глава 10. Вывод уравнений теории нестационарного горения .............. 
                10.1. Определение лимитирующей стадии волны горения ............. 
                10.2. Влияние соседей на горение очагов ......................................... 
                10.3. Влияние кривизны фронта волны горения  
                         на закономерности горения очагов  .......................................... 
                10.4. Постановка задачи в безразмерных переменных .................... 
                         10.4.1. Уравнение теплопроводности ....................................... 
                10.5. Закон нестационарного горения  ............................................... 
        Глава 11. Экспериментальные результаты ............................................... 
                11.1. «Кривые потухания». Методика эксперимента ....................... 
                11.2. Критические режимы горения ВВ за фронтом 
                         инициирующей ударной волны ................................................ 
                         11.2.1. Предельные законы снижения давления ..................... 
                                     11.2.1.1. Автомодельный режим горения .................... 
                                     11.2.1.2. Режим горения со ступенчатым  
                                                    изменением скорости ...................................... 
                         11.2.2. Экспериментальная проверка ....................................... 
                                     11.2.2.1. Автомодельный режим горения .................... 
                                     11.2.2.2. Режим горения со ступенчатым  
                                                    изменением скорости ...................................... 
                         11.2.3. О критериях инициирования ВВ металлическими 
                                     ударниками ..................................................................... 
        Глава 12. Кинетическая модель с учетом реакции пламени  
                         на внешнее воздействие ............................................................. 
                12.1. Уравнение разложения ВВ ........................................................ 
                12.2. Проверка адекватности кинетического закона разложения .... 
                         12.2.1. Постановка задачи и метод расчета ............................. 
                         12.2.2. Результаты расчета ........................................................ 
Заключение .......................................................................................................... 
Список литературы ............................................................................................. 
 
244 
 
 
 
 
 

 
Введение 
 
6
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Задачи прогнозирования развития взрыва в конструкциях, содержащих 
твердые взрывчатые вещества (ВВ), не могут успешно решаться без детального 
количественного теоретического анализа последовательности газодинамических 
процессов во всех элементах этих устройств. Наиболее остро необходимость в 
методах количественного инженерного прогноза ощущается при решении задач 
проектирования новых зарядов, оптимизации их конструкции, определения степени их безопасности и надежности при эксплуатации в различных условиях, 
устойчивости к различным физико-механическим воздействиям (тепловые, 
ударные, ударно-волновые, радиационные, комплексные), поведения в аварийных ситуациях и т. д. Все это требует знания механизмов и законов, описывающих протекание химической реакции взрывчатого превращения. При этом под 
механизмом химической реакции взрывчатого превращения понимают количество и последовательность элементарных актов и промежуточных стадий протекания химического процесса. Поэтому для адекватного его описания, вообще 
говоря, необходимо рассматривать временные зависимости всего набора параметров, характеризующих реагирующее ВВ, при этом необходимо знать законы 
зарождения химического разложения и законы его развития, описывающие как 
случаи погасания реакции, так и случаи ее ускоренного развития вплоть до возбуждения детонации. Однако развитие химической реакции происходит на фоне 
различных физических процессов, которые предшествуют реакции разложения, 
а затем и сопровождают ее течение. Все это означает, что процесс инициирования и развития детонации есть сложный физико-химический процесс, скорость 
которого определяется интенсивностью физических и химических явлений и 
особенностями их взаимодействия. Очевидно, что система уравнений, отражающая функциональные связи между всеми параметрами изучаемого физикохимического процесса, будет слишком громоздка и сложна для практического 
применения даже при наличии современных вычислительных средств. Поэтому 
в качестве замены понятия «закон развития химического процесса» как некоторой абсолютной категории на данном уровне знаний вводят понятие кинетической модели химического процесса, которое основано на упрощении его реального протекания (доказательном сокращении числа его стадий), отражающем 
лишь основные стороны изучаемого явления. Кинетическая модель исследуемого процесса должна быть достаточно простой, обладать ясным физическим содержанием и обеспечивать необходимую точность и адекватность его описания. 
Применительно к гетерогенным ВВ задача упрощения физики процесса разложения ВВ за фронтом инициирующей ударной волны состоит в определении:  
– механизма возбуждения и развития химической реакции разложения,  
– степени важности отдельных стадий рассматриваемого процесса, 
– иерархии этих стадий для определения наиболее медленных (лимитирующих) из них, во многом определяющих суммарную скорость процесса, 

Введение 
 
7 
– числа параметров, достаточных для его удовлетворительного описания.  
В этой связи экспериментальные исследования различных физикохимических свойств, характеризующих ВВ или заряд в целом, влияющих на 
возбуждение и развитие реакции разложения, определение степени значимости 
того или иного параметра в формировании детонационного режима, подробное 
изучение самой картины формирования детонационного режима, являются важными научными и практическими задачами, поскольку выявляют физические и 
химические основы процесса. Результаты этих исследований, представляя несомненный научный интерес, имеют важное прикладное значение, в частности, 
для обоснованного прогноза результатов стойкости конструкций, включающих в 
свой состав взрывчатые вещества, к внешним воздействиям. 
Не следует забывать и материаловедческий аспект исследований механизма инициирования. Современные темпы развития различных отраслей науки и 
техники предъявляют все более высокие требования к эксплуатационным характеристикам используемых ВВ. Возможность создания особых, зачастую уникальных, их свойств основывается на глубоком понимании сущности происходящих в них физических процессов. Как показывает практика, во многих случаях не только физические, но и детонационные свойства материалов в большей 
мере определяются их структурной организацией, чем химическим составом. 
В качестве примера достаточно упомянуть существенные различия в детонационных свойствах литого и прессованного тротила при одинаковой плотности. 
Чтобы целенаправленно воздействовать на детонационные свойства взрывчатых 
веществ, необходимо четко выделить микропроцессы, определяющие ударноволновую чувствительность и детонационную способность ВВ в заданных условиях. Исследования механизма физических явлений и химических превращений, 
происходящих во взрывчатых веществах при механических воздействиях вообще, и ударно-волновых в частности, могут сыграть заметную роль в поисках нетрадиционных путей проведения технологических процессов их переработки и в 
выборе новых методов управления реакционной способностью, поскольку 
именно механизм непосредственно указывает на те каналы, по которым извне 
возможно целенаправленное воздействие на инициирование реакции и скорость 
ее протекания. 
Недостаточность имеющихся представлений о механизме инициирования 
ВВ ударными волнами и причинах колебаний ударно-волновой чувствительности ВВ при их производстве затрудняет в определенной степени наиболее эффективное использование потенциальных возможностей, заключенных в ВВ по 
мощности и снижению чувствительности к внешним воздействиям. 
Основополагающий для исследования кинетики и механизмов инициирования взрыва принцип локальности разогрева, предшествующего возбуждению 
реакции взрывчатого превращения, впервые был сформулирован Ю. Б. Харитоном в работе [1]. В ней процесс инициирования взрыва был сведен к трем разделенным во времени стадиям: 
– диссипации энергии внешнего воздействия, приводящей к появлению в 
отдельных местах очагов разогрева, 

Введение 
 
8
– химической реакции взрывчатого превращения ВВ внутри очага разогрева, 
– возникновению в веществе самораспространяющегося процесса, приводящего в конечном итоге к формированию детонационного режима. 
Такая идеализация существенно упростила экспериментальное и теоретическое исследование механизма развития процесса, поскольку поведение вещества в каждой из стадий теперь могло изучаться независимо. В физике детонации сформировались три самостоятельных направления исследований. 
Первое направление – исследование механизмов возникновения локальных очагов разогрева в гетерогенном материале – тесно связано с изучением реальных механизмов пластической деформации в ударных волнах [1] и возможностью их учета при построении кинетических моделей. При этом исторически 
сложилось так, что изучение механизмов деформации твердых тел в ударных 
волнах и развитие теории чувствительности ВВ происходило параллельно и 
независимо, что связано с различием объектов исследования и методов проведения экспериментов. По мере развития и углубления представлений о механизме 
высокоскоростной деформации твердых тел последовательно появлялись и гипотезы, связывающие возможность локального разогрева с тем или иным конкретным механизмом деформации. 
Интенсивные исследования по рассматриваемой проблеме, практически 
завершенные к настоящему времени, выявили целый ряд реалистичных механизмов, связанных с взаимодействием ударной волны с порами в образце ВВ, 
фрикционным разогревом ВВ на поверхностях трения при ударном сжатии и 
аннигиляцией дислокаций. Однако несмотря на несомненный прогресс в понимании механизмов возникновения очагов локального разогрева, полной ясности 
в интерпретации процессов инициирования до сих пор не достигнуто, и работы 
в этом направлении продолжаются. Так до сих пор не выяснены:  
– причина немонотонной зависимости ударно-волновой чувствительности 
ВВ от размера его частиц, когда с ростом давления инициирования чувствительность ВВ с меньшим размером частиц становится меньше, чем у ВВ с более 
крупными частицами [2–4] (факт, входящий в полное противоречие с группой 
гипотез, связанных с фрикционным разогревом на поверхностях трения); 
– последовательность вовлечения очагов, образованных по различным механизмам, в динамику формирования детонационного режима.  
Вне поля зрения остаются электрофизические явления, сопровождающие 
механическую деформацию и способные как облегчить возникновение очагов 
разогрева, так и стать причиной химической реакции разложения. Необходимо и 
выяснение причин существующей противоречивости экспериментальных результатов, полученных разными авторами на одном и том же ВВ в сходных 
условиях эксперимента, ибо противоречивость экспериментальных данных служит источником ошибок при построении физического механизма [5] и, кроме 
этого, вносит неоднозначность при оценке численных значений коэффициентов 
в уравнениях макрокинетики. 

Введение 
 
9 
Основной задачей второго направления исследований в физике детонации – очагового взрывного разложения – является определение необходимого и 
достаточного условий создания предпосылок формирования самоподдерживающейся инициирующей ударной волны и ее перехода в волну детонационную. 
Это тепловая часть проблемы чувствительности к внешним механическим воздействиям.  
Очаговая задача формулируется в виде двух независимых тепловых задач: 
о воспламенении взрывчатого вещества в самом очаге (необходимое условие) и 
устойчивом зажигании воспламенившимся очагом окружающего его ВВ (достаточное условие), – после чего, как показывают эксперименты [6–8], в окружающем ВВ реакция распространяется в форме волны послойного горения. 
В очаговых задачах определяют качественные и количественные характеристики случайного очага разогрева (форма, размер, температура, распределение температуры в очаге, время индукции химической реакции, профиль давления за фронтом ударной волны), способного вызвать устойчивое воспламенение 
окружающего его ВВ.  
Третье направление – теоретическое описание эволюции очагов – является 
ключевым в определении явного вида кинетического уравнения, связывающего 
скорость разложения ВВ с параметрами ударного сжатия за фронтом инициирующей ударной волны, и одним из наиболее сложных в физике детонации. 
Объясняется это тем, что практически неизвестны специфические закономерности горения ВВ в условиях ударного сжатия. Дело в том, что, в свете общепринятых модельных представлений, поток вещества за фронтом инициирующей 
ударной волны представляет собой движущуюся совокупность сгоревших и несгоревших микрообъемов, разделенных поверхностями пламён. Экспериментальное определение закономерностей такого горения затруднено из-за невозможности непосредственного наблюдения за процессом распространения пламени. Это в значительной мере сдерживает прогресс в этом направлении. Именно поэтому моделирование химических процессов в конденсированной фазе – 
самое слабое место моделей. Полученные в последнее время в алмазных наковальнях экспериментальные зависимости скорости горения отдельного очага в 
ТЭНе [9], ТАТБ [10], октогене [11] и гексогене [12] от давления в диапазоне  
1–30 ГПа, несомненно, являются огромным шагом вперед в изучении закономерностей очагового горения в условиях, сравнимых с условиями ударного сжатия. Однако полученные в изотермических условиях алмазных наковален закономерности горения единичного очага ВВ, инициированного сфокусированным 
пучком лазерного излучения, не могут быть непосредственно применены для 
адекватного описания процессов горения ВВ за фронтом инициирующей ударной волны, поскольку горение совокупности очагов в изменяющихся условиях 
за ударным фронтом представляет собой нестационарный процесс, проходящий 
в условиях изменения температуры матричного ВВ и давления в окружающей 
среде. Действительно, горение совокупности очагов за фронтом инициирующей 
ударной волны сопровождается изменением давления пропорционально массе 
сгоревшего ВВ. Изменение давления вызывает смещение равновесия химиче