Способ образования и взрыва топливно-воздушного облака

 

Изобретение относится к области исследования сгорания крупномасштабных топливно-воздушных облаков и может быть использовано в оборонной технике для создания объемно-детонирующих систем (ОДС) в боеприпасах объемного взрыва (ОВ), а также в технике гражданского назначения для борьбы с летучими насекомыми-вредителями (саранчой) и в испытательной технике для моделирования аварий на химических производствах. Предложен способ образования и взрыва топливно-воздушного облака, включающий взрывное диспергирование жидкого топлива в воздух с образованием топливно-воздушного облака посредством взрыва разрывного заряда и инициирование взрыва топливно-воздушного облака. В качестве жидкого топлива используют сжиженный углеводород, инициирование взрыва топливно-воздушного облака осуществляют взрывным диспергированием высокодисперсного порошка горючих металлов в топливно-воздущное облакo, при этом диспергирование жидкого топлива и высокодисперсного порошка горючих металлов производят одновременно при концентрации жидкого топлива в топливно-воздушном облаке, достаточной для осуществления поджига, и понижают температуру продуктов взрыва разрывного заряда с помощью охлаждающей жидкости. Изобретение направлено на создание простого, безопасного и надежного серийно осуществимого способа образования и взрыва топливно-воздушного облака. 1 ил.

Изобретение относится к исследованиям режимов сгорания крупномасштабных паровых топливно-воздушных облаков и может быть использовано: I) в оборонной технике для создания объемно-детонирующих систем (ОДС) в боеприпасах объемного взрыва (ОВ), а также в технике гражданского назначения для борьбы с летучими насекомыми-вредителями (саранчой); II) в испытательной технике для моделирования аварий на химических производствах.

Известно, что сгорание (взрыв) топливно-воздушных облаков может протекать в двух режимах: 1) в режиме горения (дефлаграции) в виде расширяющегося огненного шара (ОШ) с видимой скоростью пламени ~10¹ м/с; 2) в режиме детонации со скоростью ~10³ м/с, сопровождающейся формированием и распространением ударной волны (УВ) (см., например, [I]. Маршалл В. Основные опасности химических производств. - М.: Мир, 1989, с.112-356; [2]. Нетлетон М. Детонация в газах. - М.: Мир, 1989, с.84-157; [3]. Карелин В.А. Взрыв объемный // Энергетические конденсированные системы. Краткий энциклопедический словарь /Под ред. Жукова Б.П. - М.: Янус-К, 2000, с.75-77). Соответственно этому основным поражающим фактором ОШ является воздействие мощных тепловых потоков величиной более 2,1•10⁴ Вт/м², основным поражающим фактором УВ - механическое воздействие избыточного давления величиной более 0,03-0,04 МПа. Кроме того, возможен промежуточный режим сгорания облака со скоростью ~10² м/с, возникающий при ускорении пламени и соответствующий переходу горения в детонацию. Для всех режимов сгорания характерно обеднение атмосферы кислородом в зоне энерговыделения и образование монооксида углерода. Различают топливно-воздушные облака либо в свободном (незамкнутом) незагроможденном пространстве, либо в частично загроможденном пространстве (например, при наличии строений), в различных складках местности и полузамкнутых объемах, а также в квазизамкнутых объемах (внутри строений). В зависимости от химического состава и концентрации топлива в смеси с воздухом, геометрии и размеров облака, состояния пространства (свободное или замкнутое, незагроможденное или загроможденное), а также от способа и энергии инициирования процесса сгорания смеси в облаке реализуется либо дефлаграция, либо переходный режим сгорания, либо детонация.

I. Создание ОДС в боеприпасах ОВ основано на использовании в качестве горючей компоненты жидких органических соединений (окись этилена, окись пропилена, метан, бензин) и мелкодисперсных твердых горючих материалов (алюминий, углерод и пр.), помещаемых в корпус боеприпаса. После срабатывания диспергирующего заряда твердого взрывчатого вещества (ВВ) горючее распыляется в окружающей атмосфере, в результате чего образуется облако топливно-воздушной смеси. Подрыв облака осуществляется различными способами: а) взрывом заряда обычного твердого ВВ; б) химическим инициированием путем использования специальных видов окислителя (например, СlF₃ или BrF₃) и катализатора (F); в) фотохимическим воспламенением под воздействием ультрафиолетовых лучей, вызывающих фотодиссоциацию соединений; г) использованием теплового механизма инициирования под действием лазерного излучения ([4]. Дмитриев В. Боеприпасы объемного взрыва. // Зарубежное военное обозрение. 1983, 9, с.48-53). Усиление поражающего действия ОДС по сравнению с взрывом равной массы обычного твердого ВВ связано как с увеличением полной энергии взрыва (например, тротиловый эквивалент детонации углеводородов по энергии УВ составляет 2,5-3), так и со значительным увеличением размера зоны энерговыделения, что, в свою очередь, приводит к увеличению размера зоны поражения УВ. Например, при взрыве боеприпаса ОВ с метановым зарядом весом 1000 кг диаметр зоны детонации составляет 20-40 м, а диаметр зоны поражения УВ оценивается в 300-500 м ([5]. Колесников Ю. Боеприпасы объемного взрыва. // Зарубежное военное обозрение. 1980, 8, с.23-26).

Общим недостатком ОДС является снижение эффективности (надежности) их применения при повышенной влажности, атмосферных осадках, низкой температуре, сильном ветре.

В настоящее время разработка боеприпасов ОВ включает в себя применение высокоэнергетических топлив, оптимальное формирование топливно-воздушных облаков и их иницирование, ослабление зависимости эффективности действия ОДС от метеорологических условий, использование разнообразных средств доставки боеприпаса к цели. Следует отметить необходимость использования сравнительно дешевых видов топлива, а также необходимость обеспечения простоты изготовления боеприпаса и безопасности обращения с ним, которая достигается как надежностью конструкции, так и отсутствием токсических окислителей и катализаторов.

II. Аварии на химических производствах с использованием жидких топлив (в частности, углеводородов), как правило, протекают в виде пожаров. Оценочный анализ [1] показал, что, размер зоны поражения тепловыми потоками с 50% летальных исходов приблизительно в 2,5 раза больше диаметра ОШ D_ош, размер зоны с 1% летальных исходов составляет приблизительно 3D_ош, а порог образования волдырей соответствует размеру, равному приблизительно 6D_ош. Более подробные исследования показали, что, например, при сгорании 1000 кг жидкого углеводорода диаметр ОШ составляет около 55 м, а диаметры зон поражения ОШ составляют 160-260 м при ожогах третьей степени и 300-480 м при ожогах второй степени. Эти расстояния сравнимы с указанными выше размерами зоны поражения УВ при взрыве боеприпаса ОВ, содержащего 1000 кг метана. Исследование возможных последствий несанкционированных выбросов жидких углеводородов осуществляется в модельных и в натурных экспериментах (см. [1, 2], а также [6] . Махвиладзе Г. М., Якуш С.Е. Моделирование огненных шаров при горении выбросов углеводородных топлив // Сборник "Химическая физика процессов горения и взрыва". XII Симпозиум по горению и взрыву. Часть II. Черноголовка: Институт проблем химической физики, 11-15 сентября 2000, с.95-97; [7]. Болодьян И. А. , Карпов В.Л., Лагозин А.Ю. и др. О режиме сгорания газопаровоздушных облаков на объектах нефтегазодобычи // Сборник "Химическая физика процессов горения и взрыва". XII Симпозиум по горению и взрыву. Часть III. Черноголовка: Институт проблем химической физики, 11-15 сентября 2000, с. 35-36. ). При внезапной разгерметизации сосудов со сжиженным углеводородом происходит вскипание жидкости и образование двухфазной смеси паров и мелкодисперсных жидких капель, истекающей из сосуда в окружающую атмосферу. При перемешивании паров и капель с воздухом образуется облако из топливно-воздушной смеси, способной к возгоранию под действием внешнего воздействия (теплового, химического, излучательного, взрывного). Исследования взрывов таких смесей показали, что при линейных размерах неограниченных облаков величиной до 50 м сгорание их в свободном незагроможденном пространстве происходит в режиме дефлаграции. Для детонации же требуются размеры облаков более 50 м. Общим недостатком моделирования аварий на химических производствах является отсутствие систематических исследований режимов сгорания сталкивающихся облаков из топливно-воздушных смесей. Подобные конфигурации возникают при разгерметизации двух и более сосудов со сжиженным топливом. Турбулизация топливно-воздушных потоков в области столкновения облаков способствует ускорению пламени, что, в свою очередь, способствует переходу горения в детонацию.

Известен способ возбуждения взрыва топливно-воздушной смеси, заключающийся в диспергировании в воздухе с помощью взрыва облака жидких капель, 50% которых составляет окись этилена и 50% - окись пропилена, детонировании облака капель под воздействием детонаторов, диспергированных вместе с ним во время взрыва ([8]. Патент США 4157928, МКИ С 06 В 23/00).

К недостаткам известного способа относится размещение диспергирующего (разрывного) заряда и детонаторов внутри сосуда с топливом, что усложняет изготовление боеприпаса и понижает безопасность обращения с ним.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является малокалиберная бомба, работающая на взрывной топливно-воздушной смеси ([9]. Патент США 3940443, МКП F 42 В 25/12). Авиационная бомба малого калибра, предназначенная для создания и диспергирования сплошного рассеивающегося в горизонтальной плоскости выбранной цели облака из топливно-воздушной смеси, состоит из а) удлиненного герметично закрытого корпуса с насечками по всей длине; б) горючей жидкости, заполняющей указанный корпус; в) удлиненного разрывного заряда, заключенного по центру внутри указанного корпуса для образования детонационных волн, разрушающих указанный корпус по указанным насечкам и быстро проталкивающих указанную жидкость радиально из указанного корпуса в окружающую атмосферу, при этом указанная горючая жидкость распыляется, частично испаряясь и смешиваясь с воздухом, образуя таким образом по существу сплошное и симметричное облако воспламеняющейся среды, расширяющееся в радиальном направлении из указанного корпуса; г) по крайней мере одного запаздывающего по времени детонатора, включающего взрывной заряд и запаздывающий временной механизм, приспособленный к тому, чтобы быть сынициированным детонационными волнами, пропускаемыми через него, и чтобы осуществить детонацию указанного взрывного заряда с предварительно подобранной задержкой; д) средств для установки указанного запаздывающего по времени детонатора внутри указанного корпуса таким образом, чтобы детонационные волны, производимые при посредстве детонации указанного разрывного заряда, могли бы сталкиваться на нем, обуславливая инициирование указанного детонатора и выталкивание его наружу в облако горючей жидкости по мере его формирования, посредством чего последующая детонация указанного облака может быть вызвана с помощью задержанной детонации указанного взрывного заряда; е) взрывателя и вспомогательных средств для осуществления его детонации.

Эффективность бомбы подтверждается следующим примером.

Вертикально направленную полость, ограниченную тонкими, вертикально насеченными алюминиевыми стенками, заполняют зарядом жидкого топлива из окиси этилена массой около 5 кг. Разрывной (вышибной) заряд массой около 90 г детонируют внутри полости. В результате этого в течение 40 миллисекунд (мс) устанавливается горизонтально расположенное, существенно симметричное облако с горизонтальными размерами приблизительно 6х9 м и толщиной около 0,6 м. По истечении периода задержки в 40 мс облако детонируют с помощью "пиро-запаздывающих" устройств. Устанавливается детонация со скоростью приблизительно 1500 м/с, в результате чего на поверхности, предварительно покрытой облаком, достигается избыточное давление величиной приблизительно 14 кг/см². Длительность действия этого установленного избыточного давления была равна приблизительно 2,5-3 мс, что полагается достаточным для боевых целей.

Недостатками известного устройства являются: а) необходимость вертикального расположения корпуса (контейнера), что не всегда может быть выполнено при бомбометании на складки местности; б) наличие насечек на корпусе, ослабляющих его стенки, что снижает надежность конструкции и безопасность обращения с боеприпасом; в) расположение разрывного заряда внутри контейнера, что усложняет конструкцию; г) применение сложной системы инициирования; д) использование в качестве горючей жидкости окиси этилена, что "ограничивает боевое применение в условиях отрицательных температур", поскольку "при температурах ниже -7^oС возникает объемное сжатие окиси этилена, что обусловливает образование пустот внутри контейнера и оголение вышибного заряда", что, в свою очередь, приводит к образованию топливно-воздушного облака "с неопределенной концентрацией, что вызовет снижение боевой эффективности" (см. ссылку [4] , с.50); е) детонация разрывного заряда вызывает детонацию окиси этилена до разрыва стенки контейнера, что приводит к частичным потерям энергии горючей жидкости до образования облака; ж) сравнительно малая толщина дискообразного облака и короткий период времени его образования до инипирования приводят к неполному перемешиванию топлива с воздухом, в результате чего в процессе детонации облака используется около 80% окиси этилена, около 20% топлива остается в основном в виде осадков на грунт и в виде несгоревших паров (см. ссылку [4], с.50).

Решаемой технической задачей является разработка достаточно простого, безопасного и надежного, серийно осуществимого способа образования и взрыва топливно-воздушного облака, обеспечивающего его применение в боеприпасах объемного взрыва, а также при моделировании аварий, возникающих при выбросах углеводородов на химических производствах.

Новый технический результат, получаемый при осуществлении предлагаемого способа, заключается в упрощении процесса формирования и инициирования топливно-воздушного облака.

Указанный технический результат достигается способом, заключающимся во взрывном диспергировании жидкого топлива в воздух и инциировании его взрыва, при котором, согласно изобретению, в качестве топлива используют сжиженный углеводород, инициирование осуществляют взрывным диспергированием высокодисперсного порошка горючих металлов в топливно-воздушное облако, диспергирование топлива и порошка производят одновременно при концентрации топлива в облаке, достаточной для осуществления поджига, при этом понижают температуру продуктов взрыва разрывного заряда с помощью охлаждающей жидкости. Использование сжиженного углеводорода позволяет избежать преждевременного детонирования топлива внутри контейнера. Осуществление инициирования образовавшегося топливно-воздушного облака взрывным диспергированием высокодисперсного порошка горючих металлов позволяет создавать на развитой поверхности облака множество очагов реакций сгорания, локализованных в области интенсивного перемешивания топлива с воздухом. Одновременное диспергирование топлива и порошка обеспечивает достижение концентрации топлива в облаке, достаточной для его поджига. Понижение температуры продуктов взрыва разрывного заряда предотвращает преждевременное возгорание топлива до его перемешивания с воздухом и образования топливно-воздушного облака.

Предлагаемый способ реализуется в схеме, приведенной на чертеже.

Система формирования и инициирования топливно-воздушного облака состоит из замкнутого герметичного контейнера 1, заполненного сжиженным углеводородом 2, разрывного заряда ВВ 3, установленного в непосредственном контакте с наружной поверхностью контейнера, охлаждающей жидкости 4 в пластиковой оболочке, окружающей разрывной заряд ВВ и контейнер, инициирующего заряда ВВ 5, размещенного вне контейнера, слоя высокодисперсного порошка горючего металла 6, нанесенного на поверхность инициирующего заряда ВВ.

Система работает следующим образом.

Подрыв разрывного и инициирующего зарядов ВВ 3 и 5 производят одновременно. Образование топливно-воздушного облака осуществляется путем взрывного диспергирования сжиженного углеводорода 2 из контейнера 1 в окружающую атмосферу, происходящего в результате взрыва разрывного заряда ВВ 3, что приводит к сквозному разрушению стенки контейнера. Для предотвращения преждевременного воспламенения углеводорода 2 в процессе его истечения из контейнера 1 в атмосферу температуру продуктов взрыва разрывного заряда ВВ 3 понижают за счет перемешивания с охлаждающей жидкостью 4. Инициирование топливно-воздушного облака осуществляют путем взрывного диспергирования в него высокодисперсного порошка горючего металла 6, предварительно нанесенного на поверхность инициирующего заряда ВВ 5, размещенного вне контейнера на заданном расстоянии, обеспечивающем концентрацию топлива в облаке, достаточную для осуществления поджига.

Реализация предлагаемого способа подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Контейнер - промышленный баллон емкостью 27 л, заполненный сжиженным пропан-бутаном массой около 11 кг, устанавливают горизонтально на поверхности земли. Сверху на стенку баллона накладывают разрывной заряд ВВ массой около 70 г в виде продольной полосы длиной 26 см, на конце которой устанавливают электродетонатор (ЭД). Полосу ВВ с ЭД сверху закрывают слоем воды высотой около 2 см в полиэтиленовой оболочке. На расстоянии 2,7 м от "центра" баллона помещают инициирующий заряд ВВ массой около 200 г со слоем алюминиевой пудры массой около 200 г, нанесенным на обращенную к баллону поверхность заряда ВВ. Указанное расстояние соответствует средней концентрации пропана в облаке при вскрытии баллона, равной 5,7% и достаточной для поджига топливно-воздушной смеси. На обратную поверхность заряда ВВ устанавливают ЭД. Электрические импульсы подают одновременно на оба ЭД. Киносъемка процесса показала, что через 100 мс после взрыва разрывного и инициирующего зарядов ВВ над поверхностью земли сформировалось топливно-воздушное облако высотой около 10 м и продольным (вдоль поверхности земли) размером около 7 м, которое воспламенилось в зоне вбрасывания в него алюминиевой пудры. В процессе сгорания и расширения облака средняя видимая скорость распространения пламени по его поверхности составляла приблизительно 20-30 м/с. Приблизительно через 0,4 с после воспламенения облака максимальный размер огненного шара составлял около 10-12 м. Измеренные характеристики приблизительно соответствуют теоретическим оценкам, полученным на основании зависимостей [1, 6] параметров сгорания топливно-воздушного облака от массы топлива: масштаб видимой скорости пламени равен 10 м/с, диаметр огненного шара равен 12 м, масштаб времени выгорания облака составляет 1 с. Следовательно, в соответствии с представлениями [1] о поражающих факторах огненного шара, в данном варианте формирования и инициирования топливно-воздушного облака радиус зоны поражения тепловым потоком составляет 12-19 м при ожогах третьей степени и 22-36 м при ожогах второй степени. Это дает основания для применения предлагаемого способа как в оборонных целях, так и в задачах моделирования аварийных выбросов углеводородов на химических производствах.

Пример 2. Два описанных в примере 1 контейнера устанавливают горизонтально на поверхности земли на расстоянии 5 м друг от друга. С целью повышения эффективности разрушения баллонов массу каждого разрывного заряда ВВ увеличивают до 160-170 г. Соответственно этому высота слоя воды над разрывными зарядами ВВ увеличивается приблизительно в 1,5-2 раза. На одной линии с баллонами на расстоянии 2,5 м от "крайнего" (т.е. не между баллонами) помещают инициирующий заряд ВВ массой 270 г с нанесенным слоем алюминиевой пудры массой 250 г. На каждый заряд ВВ (разрывные и инициирующий) помещают ЭД. Электрические импульсы на каждый ЭД подают одновременно. Киносъемка процесса показала, что приблизительно через 100 мс после взрывов зарядов ВВ над поверхностью земли произошло столкновение двух пропано-воздушных облаков, аналогичных описанному в примере 1, которое привело к их слиянию. Одновременно с этим произошло воспламенение ближнего к инициирующему заряду облака. В течение времени 0,4 с видимая скорость распространения пламени вдоль поверхности земли возрастала от 30 м/с до 90 м/с. Затем, при выходе пламени на границу облака с продольным размером около 15 м видимая скорость его распространения уменьшилась до 20 м/с. Таким образом, столкновение пропано-воздушных облаков над поверхностью земли привело к ускорению пламени.

Наблюдаемое в примере 2 увеличение скорости распространения пламени от величины порядка 10¹ м/с до величины порядка 10² м/с свидетельствует о том, что сгорание открытых сталкивающихся топливно-воздушных облаков в незагроможденном пространстве происходит в режиме перехода горения в детонацию. Это создает возможности для применения предлагаемого способа с целью расширения диапазона моделирования аварийных выбросов углеводородов на химических производствах.

Для образования детонации в пропано-воздушной смеси с концентрацией С₃Н₈ в 5,7% размеры облака должны превышать 86 м (см. ссылку [2], с.130). Такое облако создается с помощью множества баллонов, располагаемых на поверхности земли на заданном расстоянии друг от друга, обеспечивающем указанную выше среднюю концентрацию C₃H₈ в топливно-воздушной смеси. В этом случае к поражающим факторам огненного шара добавляется механическое действие избыточного давления в детонационной волне внутри облака и в ударной волне за пределами облака.

Промышленные баллоны с пропаном сохраняют свою работоспособность при температуре стенки от минус 40 до плюс 45^oС при гарантийном сроке эксплуатации в 2,5 года (см. Межгосударственный стандарт на баллоны стальные сварные для сжиженных углеводородных газов на давление до 1,6 МПа. Технические условия ГОСТ 15860-84. ИПК Издательство стандартов, 1999. С.9). Это открывает возможности для серийного применения предлагаемого способа при создании объемно-детонирующих систем в боеприпасах ОВ.

Формула изобретения

Способ образования и взрыва топливно-воздушного облака, включающий взрывное диспергирование жидкого топлива в воздух с образованием топливно-воздушного облака посредством взрыва разрывного заряда и инициирование взрыва топливно-воздушного облака, отличающийся тем, что в качестве жидкого топлива используют сжиженный углеводород, а инициирование взрыва топливно-воздушного облака осуществляют взрывным диспергированием высокодисперсного порошка горючих металлов в топливно-воздушное облако, при этом диспергирование жидкого топлива и высокодисперсного порошка горючих металлов производят одновременно при концентрации жидкого топлива в топливно-воздушном облаке, достаточной для осуществления поджига, и понижают температуру продуктов взрыва разрывного заряда с помощью охлаждающей жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1