Нетрадиционные задачи газодинамики взрыва

ФГУП «Российский федеральный ядерный центр – 
Всероссийский научно-исследовательский институт 
экспериментальной физики» 
 
 
 
 
Э. Э. Лин, А. Н. Малышев,  
А. В. Сиренко, З. В. Танаков 
 
 
 
НЕТРАДИЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ 
ГАЗОДИНАМИКИ ВЗРЫВА 
 
 
Монография 
 
 
Под редакцией доктора технических наук  
А. Л. Михайлова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Саров 
2013 

     УДК  530/541 
     ББК  22.253.3 
 
Н 57 
 
Лин Э. Э., Малышев А. Н., Сиренко А. В., Танаков З. В. 
Нетрадиционные задачи газодинамики взрыва: Монография / Под 
редакцией А. Л. Михайлова. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2013. 
261 с. 
 
ISBN 978-5-9515-0210-0 
 
В книге дается обзор и анализ результатов проведенных в РФЯЦВНИИЭФ исследований взрывных процессов различной физической природы с характерными давлениями P, значительно меньшими давления PH 
в точке Жуге детонационной волны в твердом ВВ, и с длительностями 
протекания τ > 10–5 с. Цель книги – продемонстрировать на конкретных 
примерах разнообразие подходов к постановке и решению задач экспериментальной газодинамики и физики взрыва. Представленные результаты 
дополняют общеизвестные представления о протекании взрывных процессов с темпом динамического нагружения объектов менее 105 с–1. Установлено, что для приближенного описания умеренных взрывных воздействий оказывается достаточным знания небольшого числа параметров, 
измеряемых в опыте. Книга может быть полезна специалистам, занимающимся исследованиями процессов горения и взрыва, детонации, распространения ударных волн, а также импульсного воздействия на материалы 
и элементы конструкций.  
 
Ключевые слова: умеренные взрывные воздействия, функциональные характеристики, продукты взрыва, сильное расширение, калорическое уравнение состояния, плоский заряд, объемно-распределенный заряд, 
деформирование и разрушение пластин, динамическое нагружение порошка детонационных наноалмазов, множественное воздействие твердых 
тел, разрушение преград, режимы сгорания газовых смесей, замкнутый 
объем, сталкивающиеся открытые облака, среды с уменьшающейся плотностью, кумулятивные процессы.  
 
Табл. – 11, рис. – 153, список лит. – 280 назв.   
 
ISBN 978-5-9515-0210-0                          © ФГУП  «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2013 

Содержание 
 
Введение ………………………………………………………………  5 

Глава 1. Определение параметров полуэмпирического кало- 
               рического уравнения состояния продуктов взрыва  
               твердых ВВ на стадии сильного расширения ……….  14 
1.1. Методика определения …………………………….   14 
1.2. Экспериментальное изучение расширения продук- 
       тов взрыва пластического ВВ ………………………  21 
1.3. Исследование сильного расширения продуктов  
       взрыва тротил-гексогеновых составов ……………  30 
1.4. Сравнение экспериментальных и расчетных дан- 
       ных по давлению ……………………………………  36 
1.5. Обсуждение результатов …………………………… 41 
Выводы …………………………………………………… 45 

Глава 2. Особенности поведения ударных волн в трубах на  
               стадии сильного расширения продуктов взрыва …… 46 
2.1. Взрыв плоского пластического заряда ВВ  
       в воздухе …………………………………………….  47 
2.2. Взрыв объемно распределенного заряда пластичес- 
       кого ВВ в воздухе …………………………………… 67 
Выводы …………………………………………………… 78 

Глава 3. Поведение элементов конструкций и материалов 
               при умеренных взрывных воздействиях …………….  79 
3.1. Деформирование и разрушение круглых алюми- 
       ниевых пластин при действии на них ударной  
       волны …………………………………………………  79 
3.2. Ударно-индуцированный рост кристаллов в порис- 
       той среде из детонационных наноалмазов ………… 87 
3.3. Характер разрушения преград при множественном  
       ударе твердых тел с умеренной скоростью ………  107 
Выводы …………………………………………………  151 

Глава 4. Режимы сгорания углеводородов в замкнутых объе- 
               мах и в открытых облаках ……………………………  152 
4.1. Сгорание ацетиленовых смесей в закрытых трубах .. 152 
       4.1.1. Постановка и результаты опытов …………   152 
       4.1.2. Обсуждение результатов ……………………  168 
4.2. Сгорание открытых сталкивающихся пропановоз- 
       душных облаков ……………………………………  175 
Выводы …………………………………………………  190 

Глава 5. Кумулятивные процессы в средах с уменьшающейся  
               плотностью …………………………………………….  192 
5.1. Расчетные модели детонации слоя конденсирован-  
       ного ВВ с уменьшающейся плотностью …………  192 
       5.1.1. Плоская геометрия …………………………  192 
       5.1.2. Сферическая и цилиндрическая геометрия … 203 
5.2. Сходящиеся ударные волны в средах с уменьшаю- 
       щейся плотностью …………………………………  207 
       5.2.1. Общее решение для политропических сред … 207 
       5.2.2. Автомодельное рассмотрение ……………… 212 
5.3. Световое излучение ударной волны в трубе со 
       ступенькой плотности ксенона …………………… 215 
5.4. Коллективный направленный разгон твердых тел  
       потоком продуктов пересжатой детонации конден- 
       сированного ВВ ……………………………………  219 
Выводы …………………………………………………  221 

Глава 6. Определение основных закономерностей и функцио- 
               нальных характеристик рассмотренных взрывных  
               процессов ……………………………………………….   223 

Заключение ……………………………………………………….   233 

Список литературы ……………………………………………….  234 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Традиционной задачей физики взрыва является создание и исследование экстремальных состояний вещества (см., например, [1, 2]). 
Эти состояния реализуются при чрезвычайно высоких импульсных 
давлениях Pi ≥ PHE, величина которых сравнима с давлением PHE 
во фронте детонационной волны (ДВ) в твердом взрывчатом веществе (ВВ), а время действия лежит в диапазоне τ = 10–7÷10–5 с. Существуют также взрывные явления умеренной интенсивности, когда развиваемые давления значительно меньше PHE, а темп создаваемых динамических воздействий менее 105 с–1 [3–5]. Характерными процессами в задачах такого рода являются перекачка упругой энергии продуктов взрыва по мере их расширения в кинетическую и тепловую энергии, формирование нестационарных течений 
и ударных волн (УВ) в различных средах, импульсное воздействие 
УВ и метаемых твердых тел на элементы конструкций. Отдельно 
можно выделить кумулятивные эффекты в газодинамических течениях в средах с уменьшающейся плотностью. Исследования всех 
перечисленных процессов связаны как с лабораторным моделированием действия различных факторов взрыва на объекты окружающей среды, так и с развитием методов обработки конструкционных материалов взрывом.  
В известной мере эти процессы изучены достаточно подробно. 
Характер взаимодействия расширяющихся продуктов взрыва (ПВ) 
с различными средами связан с термодинамическим состоянием 
ПВ, которое определяется из полуэмпирических уравнений состояния (УРС) (см., например, [2, 6–9]). Эти уравнения позволяют определить давление ПВ p в зависимости от плотности ρ при заданном показателе политропы k (или коэффициенте Грюнайзена γ). 
Эффективный показатель политропы k изменяется с плотностью, 
уменьшаясь от величины, приблизительно равной 3 в точке Жуге, 
где велика роль упругих сил взаимодействия частиц ПВ, до вели

чины, близкой к единице, когда взаимодействие разреженных ПВ 
имеет в основном тепловой характер.  
Лабораторное моделирование действия сильного атмосферного 
взрыва на различные объекты, как правило, осуществляется с помощью взрыва сферического заряда ВВ [2, 7, 10–12]. Механическое 
действие нестационарной УВ на элементы конструкций может 
быть рассмотрено на примере импульсного деформирования пластин. Эта задача рассматривалась в работах [7, 13–17] как теоретически, так и экспериментально. В экспериментах однозначно устанавливается связь интегральных характеристик деформирования – 
остаточного прогиба пластины и деформации срединной поверхности с параметрами нагружения, в частности с величиной удельного 
импульса давления, распределенного либо по всей поверхности 
пластины, либо по ее части (локальное нагружение). В расчетном 
плане задача обычно рассматривается в рамках модели [14] жесткопластического тела, позволяющей определить деформации растяжения срединной поверхности пластины, т. е. учесть влияние мембранных сил при больших прогибах.  
Исследованиям высокоскоростного метания и удара твердых тел 
при взрывах зарядов твердых ВВ посвящено большое количество 
как экспериментальных, так и теоретических работ. Результаты этих 
исследований проанализированы и обобщены в работах [18–20].  
В подавляющем большинстве задач рассматривается одиночное 
воздействие ударника с начальной массой m0 ∼ 1÷10 г на различные материалы при начальной скорости соударения U0 ∼ 1÷10 км/с. 
Рассматриваются различные механизмы соударения и проникания 
тел в материал преграды, которые обусловливают тот или иной режим образования и распространения трещин. Достигнутые результаты, в целом, позволяют прогнозировать поведение различных 
конструкционных материалов при высокоскоростном одиночном 
ударе. Исследование группового удара твердых тел представляет 
интерес в плане разработки средств защиты конструкций космического базирования от догонного воздействия потоков фрагментов 
техногенного происхождения [21–23].  
 

Развитие взрывных технологий, в первую очередь, связано с утилизацией штатных ВВ. Один из наиболее реальных путей утилизации ВВ – получение из них синтетических алмазов [2, 24, 25]. 
В ряде работ достаточно подробно рассматривались вопросы синтеза 
наноалмазов из твердых ВВ (см., например, [26–31]). В работе [32] 
предпринималась попытка получения сверхтвердого материала (СТМ) 
путем ударного компактирования алмазного порошка, включающего в себя ультрадисперсную фракцию. В этой работе уровень давлений составлял 30–90 ГПа. Указанная область давлений с характерной длительностью действия порядка 10–6 с характерна для 
большинства работ по динамическому (ударно-волновому) синтезу 
алмазов (см. [2, 24, 33]). При столь интенсивном нагружении происходит значительный разогрев пористой углеродной среды, что 
приводит к графитизации алмаза и ухудшению кристаллических 
свойств получаемых образцов.  
Можно выделить ряд специфических вопросов, которые требуют более тщательного рассмотрения. В первую очередь, это связано с однозначным установлением термодинамических параметров ПВ при их сильном расширении, когда относительное увеличение удельного объема ПВ V по сравнению с удельным объемом VH 
в точке Жуге достигает значительных величин порядка 102–103. На 
стадии сильного расширения ПВ, соответствующей отсутствию 
упругих сил («идеальному» газу), показатель политропы обычно 
определяется либо априори, либо расчетным путем и лежит в диапазоне k0 = 1,14÷1,375 для различных бризантных ВВ. При этом 
величина k0 может различаться для одного и того же ВВ в зависимости от выбранного вида уравнения состояния [7, 8]. Вместе 
с тем, в ряде задач точное знание этого параметра оказывается 
принципиально важным, так как он определяет уровень остаточных 
давлений в области взрыва. Для индивидуальных ВВ, у которых 
состав ПВ известен, величина k0 может быть найдена путем вычислений теплоемкостей отдельных компонентов. Для смесевых ВВ, в 
частности для ВВ с добавками различного рода, такой подход 
представляется затруднительным из-за сложности состава ПВ и 
протекающих в них релаксационных процессов. Отсюда возникает 

необходимость прямого экспериментального определения k0 на 
стадии сильного расширения ПВ, когда практически отсутствуют 
упругие силы взаимодействия молекул.  
Характер и параметры создаваемых импульсных нагрузок связаны со спецификой той или иной прикладной задачи. При разработке изложенных в работе [34] принципов ослабления поражающих факторов взрыва удаленного заряда ВВ возникает необходимость корректного задания зависимости давления от времени p(t) 
на поверхности объекта с целью определения его отклика на создаваемое динамическое нагружение [35]. Например, при отражении 
нестационарной УВ от твердой преграды профиль давления во времени связан с геометрией заряда ВВ и с расстоянием от заряда до 
преграды. При взрыве удаленного сосредоточенного заряда спад 
давления во времени на начальной стадии отражения УВ происходит более круто, чем при взрыве протяженного заряда, расположенного вблизи преграды. Корректное определение зависимости 
амплитуды и длительности импульса давления от начальных условий эксперимента позволяет исследовать отклик нагружаемых объектов в широком диапазоне изменения параметров воздействия. 
Мало изученным фактором до настоящего времени остается процесс догорания продуктов взрыва ВВ с отрицательным кислородным балансом при распространении УВ в атмосфере [3].  
В упомянутых выше работах [13–16] по деформированию пластин не проведено широкого масштабирования условий задачи, т. е. 
величины удельного импульса давления, диаметра области нагружения и размеров пластины. Подобное масштабирование осуществлено в экспериментах [17] с целью получения обобщенных зависимостей остаточных прогибов и разрушающих деформаций пластин от характеристик воздействия.  
Коллективный характер процесса взаимодействия преграды с потоком твердых макроскопических тел наиболее отчетливо может 
проявляться в условиях, при которых одиночное воздействие оказывается слабым. Таким условиям соответствуют «малые» скорости 
соударения, значительно меньшие критической скорости удара U∗, 
выше которой прочностные свойства материала преграды не влия

ют на характер взаимодействия с ударником. В работе [36] на основе неравенств, связывающих начальную скорость частицы, ее 
размер и критическую скорость деформации, при превышении ко-
торой происходит сдвиговое упрочнение и отрывное охрупчивание 
материала, высказано предположение о возможности повышения 
эффективности проникания в твердые среды группы ударников 
достаточно больших размеров. В плане определения эффективности и механизмов осколочного действия взрыва и разработки соответствующих средств защиты актуальным является вопрос о множественном ударе сравнительно легких твердых тел (поражающих 
элементов) с такой скоростью, при которой эффекты ударного сжатия и нагрева среды сравнительно слабы и ведущую роль играют 
деформационные (прочностные) процессы. Такое воздействие на 
объекты может оказывать, например, отстающая (хвостовая) часть 
поля осколков. Имеются специально разрабатываемые системы 
(генераторы фрагментов) для создания поля поражающих элементов (ПЭ) с ограниченной скоростью [37–39]. С другой сторо- 
ны (см. [5]), начальная скорость соударения U0 должна быть не 
меньше величины Uliq, соответствующей началу плавления материала преграды: Uliq ≥ (2Eliq)1/2 (Eliq – удельная энергия, необходимая для превращения твердой среды в жидкость, включая скрытую 
теплоту фазового перехода) [20, 40]. Тогда условие по скорости соударения имеет вид Uliq ≤ U0 << U∗. Например, в случае алюминиевой преграды, в соответствии с данными, приведенными в работе [20] 
(Eliq = 4⋅105 Дж/кг, Uliq = 890 м/с, U∗ = 4000 м/с), это условие выполняется в узкой области скоростей 1000–2000 м/с, в которой 
происходит перегиб эмпирической зависимости отношения глубины z проникания ударника к его диаметру d0 от скорости соударения для сочетания материалов ударника и преграды железо–
алюминий [41]. Отмеченный перегиб связан с разрушением материала ударника при высоких давлениях. Это приводит к резкому 
изменению характера проникания твердого тела в среду при одиночном ударе, поэтому соответствующая ему область скоростей 
может представлять интерес с точки зрения эффективности множественного удара. Отсюда возникает необходимость разработки 

взрывных устройств для коллективного направленного разгона 
твердых тел, движущихся с умеренной скоростью. 
Предложенное в работе [42] развитие описанных в работе [33] 
динамических методов получения сверхтвердых материалов, в частности «взрывных» алмазов, привело к применению «мягкого» 
динамического нагружения порошка наноалмазов, при котором 
не происходит глобального фазового превращения (графитизации) в наноструктурированных образцах. Следовало определить условия и механизм такого воздействия, которое приводило бы к значительному укрупнению алмазоподобных наночастиц, полученных 
в работе [31] при детонационном синтезе в зарядах ВВ, помещенных в водяную оболочку.  
При разработке энергетических установок на основе сжигания 
газовых смесей в замкнутых объемах с необходимостью возникают 
вопросы безопасности эксплуатации таких установок и их ресурса 
прочности. Эти вопросы однозначно связаны с темпом выделения 
энергии, определяемым режимом сгорания смеси, а также с характером создаваемого нагружения на стенки установки. Одним из 
наиболее распространенных видов горючей компоненты являются 
высшие углеводороды, для которых характерно быстрое горение 
и образование каскадных процессов, связанных с взаимодействием 
отраженных волн сжатия с фронтом пламени [43, 44]. В свете 
этого представлялось целесообразным исследовать режимы сгорания в замкнутых объемах топливных смесей двух типов на основе ацетилена: C2H2 + mO2 + nN2 и C2H2 + mN2O + nN2 [45–47]. Такой выбор смесей обусловлен как тем обстоятельством, что горение высших углеводородов может протекать через стадию образования C2H2 [48], так и разработкой газодинамических лазеров на 
продуктах сгорания ацетилена [49].  
Исследования режимов сгорания приповерхностных топливновоздушных облаков (ТВО) позволяют прогнозировать последствия 
аварийных выбросов горючего, в частности сжиженных углеводородов в атмосферу [50–53]. При разгерметизации нескольких сравнительно близко расположенных резервуаров со сжиженным топливом может происходить взаимодействие встречных потоков пара 

и жидких капель, приводящее к изменению режима сгорания образующейся топливно-воздушной смеси по сравнению с горением 
одиночных огненных шаров [54]. В частности, возникает вопрос о 
возможности возникновения и развития процесса спонтанного горения топливно-воздушной смеси (ТВС), а также процессов «взрыва внутри взрыва» [43]. Открытым остается также вопрос о возможности и условиях формирования волны детонации ТВС в «незагроможденном» пространстве. В свете этих соображений в работе [55] предложено техническое решение для проведения модельных исследований подобных процессов.  
Вопросам кумуляции энергии ударных и детонационных волн 
посвящено большое число работ, подробная библиография которых приведена в [56, 57]. В этих работах исследована как геометрическая кумуляция сходящихся УВ и детонационных волн (ДВ) 
в средах с однородной плотностью, так и кумуляция энергии при 
распространении волн в сторону уменьшающейся плотности. Так, 
например, путем автомодельного подхода было показано, что в среде с переменными плотностью и калорийностью возможно распространение пересжатой детонации [58, 59]. Представляет интерес рассмотрение ДВ в конденсированном ВВ с уменьшающейся плотностью без наложенного условия автомодельности, т. е. в задачах 
с заданным параметром длины [60, 61]. В работе [62] на основе метода Уизема [57] получен закон изменения параметров газа во 
фронте концентрических УВ, сходящихся в сторону уменьшения 
плотности. Установлено, что в этом случае температура газа растет 
«круче», чем в случае однородной плотности. Этот эффект может 
быть использован в целях получения высокотемпературной плазмы. Вместе с тем, установленный эффект «двойной» кумуляции 
энергии может быть применен в более широком классе задач прикладной газодинамики. Например, представляется актуальной задача 
изоэнтропического сжатия мишеней [63]. В свою очередь, это требует 
более широкого и подробного изучения распространения УВ в средах с уменьшающейся плотностью с нахождением распределений 
параметров течения за фронтом УВ [64]. Другой интересной задачей является изучение распространения сходящейся УВ сильного