УДАРНАЯ ВОЛНА

Примером возникновения и распространения У. в. может служить газа в трубе поршнем. Если поршень вдвигается в медленно, то по газу со скоростью звука а бежит акустич. (упругая) волна сжатия. Если же поршня не мала по сравнению со скоростью звука, возникает У. в., скорость распространения к-рой по невозмущённому газу больше, чем скорость движения ч-ц газа (т. н. массовая скорость), совпадающая со скоростью поршня. Расстояния между ч-цами в У. в. меньше, чем в невозмущённом газе, вследствие сжатия газа. Если поршень сначала вдвигают в газ с небольшой скоростью и постепенно ускоряют, то У. в: образуется не сразу. Вначале возникает волна сжатия с непрерывными распределениями плотности r и давления р. С течением времени крутизна передней части сжатия нарастает, т. к. возмущения от ускоренно движущегося поршня догоняют её и усиливают, вследствие чего возникает резкий скачок всех гидродинамич. величин, т. е. У. в.

Законы ударного сжатия. При прохождении газа через У. в. его параметры меняются очень резко и в очень узкой области. Толщина фронта У. в. имеет порядок длины свободного пробега молекул, однако при многих теоретич. исследованиях можно пренебречь столь малой толщиной и с большой точностью заменить фронт У. в. поверхностью разрыва, считая, что при прохождении через неё параметры газа изменяются скачком (отсюда назв. « »). Значения параметров газа по обе стороны скачка связаны . соотношениями, вытекающими из законов сохранения массы, импульса и энергии:

r1v1 =r0v0, р1+p1v21 =p0+r0v20, e1+p1/r1 +v21/2=e0+ p0/r0+v20/2, (1)

Воздушная ударная волна представляет собой область резкого сжатия воздуха, распространяющуюся во все стороны от центра взрыва со сверхзвуковой скоростью. Источником возникновения воздушной ударной волны является высокое давление в центре взрыва, достигающее 10 5 млрд. Па. Основные параметры ударной волны, характеризующие ее разрушающее и поражающее действие: избыточное давление во фронте ударной волны, давление скоростного напора, продолжительность действия ударной волны.

Продукты взрыва, стремясь расшириться, сжимают окружающие их слои воздуха. Эта уплотненная масса воздуха в свою очередь расширяется и передает давление соседним слоям.

Так, давление быстро передается от слоя к слою, образуя ударную волну в воздухе. Передняя граница сжатого слоя воздуха, характеризующаяся резким увеличением давления, называется фронтом ударной волны. В непосредственной близости от центра взрыва скорость распространения ударной волны в несколько раз превышает скорость звука в воздухе. По мере удаления от центра скорость постепенно уменьшается, а ударная волна ослабевает.

Скорость движения и расстояние, на которое распространяется ударная волна, зависят от мощности взрыва. Чем мощнее взрыв, тем больше скорость и радиус действия ударной волны. Кроме того, на радиус действия ударной волны оказывают влияние рельеф местности, метеорологические условия и ветер.

При быстром движении ударной волны происходит также перемещение частиц воздуха в сжатом слое в направлении распространения ударной волны. Воздух движется за фронтом волны со сверхзвуковой скоростью и представляет собой ураган огромной силы.

Направление и скорость движения воздуха за фронтом ударной волны изменяются. Когда фронт ударной волны доходит до какой-либо точки на поверхности земли, то в этой точке мгновенно повышаются избыточное давление и температура, а воздух начинает перемещаться в сторону движения ударной волны.

В дальнейшем, по мере продвижения ударной волны, давление падает ниже атмосферного, и воздух движется в обратную сторону. Следовательно, за фазой сжатия следует фаза разрежения. Характер действия ударной волны зависит от вида взрыва. При воздушном ядерном взрыве образуется сферическая ударная волна, которая в ближней зоне, т. е. на расстоянии, меньшем высоты взрыва (RH), скорость отраженной волны больше скорости волны падающей. В результате происходит сложение падающей и отраженной волн и образуется головная волна, давление в которой в 4-5 раз больше давления во фронте свободно распространяющейся сферической волны. Головная волна распространяется вдоль поверхности земли (рисунок 6).

1 - падающая волна; 2 - отраженная волна; 3 - головная волна.

Рисунок 6 - Распространение ударной волны при воздушном взрыве.

Таким образом, поражающее действие ударной волны воздушного ядерного взрыва в ближней зоне определяется давлением отраженной волны, а в дальней зоне - давлением головной ударной волны.

При наземном ядерном взрыве ударная волна, имеющая форму непрерывно увеличивающегося полушария, распространяется параллельно поверхности земли (рисунок 7) и не имеет столь сложной картины, как при воздушном взрыве.

Рисунок 7 - Распространение ударной волны при наземном взрыве.

Радиус поражения ударной волной наземного ядерного взрыва примерно на 20% меньше, чем радиус поражения воздушного взрыва одинаковой мощности.

Основными параметрами, определяющими поражающее действие ударной волны, являются избыточное давление, скоростной напор воздуха и время действия избыточного давления (время действия фазы сжатия).

Поражающее действие ударной волны определяется главным образом избыточным давлением.

Избыточное давление - это разность между нормальным атмосферным давлением перед фронтом волны и максимальным давлением во фронте ударной волны. Оно измеряется в ньютонах на квадратный метр (1 H/m 2 s 1 Па). Эта единица давления - паскаль (Па); (1 кПа = 0,01 кгс/см).

Скоростной напор воздуха - это динамическая нагрузка, создаваемая потоком воздуха. Как и избыточное давление, скоростной напор воздуха измеряется в Паскалях (Па). Величина скоростного напора воздуха зависит от скорости и плотности воздуха за фронтом волны и тесно связана со значением максимального избыточного давления ударной волны. Скоростной напор воздуха заметно сказывается при избыточных давлениях свыше 50 кПа.

Продолжительность действия избыточного давления (время действия фазы сжатия) измеряется секундами (с). Чем продолжительнее воздействие ударной волны, тем сильнее ее поражающее действие. С увеличением мощности взрыва время действия фазы сжатия увеличивается. Например, при взрыве мощностью 20 кт время действия фазы сжатия составляет 0,6 с, а при мощности взрыва 1 Мт - 3 с.

Непосредственное поражение человека ударной волной возникает в результате воздействия избыточного давления и скоростного напора воздуха. Ударная волна почти мгновенно охватывает человека и сжимает его со всех сторон. Мгновенное повышение давления в момент прихода ударной волны воспринимается как резкий удар. Скоростной напор воздуха действует с одной стороны, обладает метательным действием и может отбросить человека, причинив ему травмы.

Косвенными поражениями называются поражения, наносимые человеку обломками зданий, деревьев и другими предметами, которые под действием скоростного напора воздуха перемещаются с большой скоростью. Воздействуя на людей, ударная волна вызывает переломы, повреждение внутренних органов, контузии, т. е. вызывает травмы различной тяжести, которые подразделяются на:

а) легкие, возникающие при избыточном давлении 20 - 40 кПа и характеризующиеся ушибами, вывихами, временными повреждениями слуха, общей контузией;

б) средние, появляющиеся при избыточном давлении 40 - 60 кПа, характеризующиеся серьезными контузиями всего организма, повреждениями органов слуха, кровотечением из носа и ушей, а также сильными вывихами конечностей;

в) тяжелые, возникающие при избыточном давлении 60 - 100 кПа, характеризующиеся сильными контузиями всего организма, тяжелыми переломами конечностей и сильными кровотечениями из носа и ушей;

г) крайне тяжелые, наблюдающиеся при избыточном давлении свыше 100 кПа. Эти травмы могут привести к смертельному исходу.

Радиусы поражения ударной волной ядерного взрыва и виды травм зависят от мощности взрыва.

Радиус поражения людей обломками зданий, особенно осколками стекол, разрушающихся при избыточном давлении 2 - 7 кПа, может превышать радиус непосредственного поражения ударной волной.

Для защиты от ударной волны необходимы подземные сооружения -убежища, рассчитанные на сопротивление воздействию ударной волны. При отсутствии убежищ используются построенные укрытия, а также подземные выработки, шахты, естественные укрытия и рельеф местности. Защитные свойства рельефа местности зависят от его характера. Лучшую защиту обеспечивают крупные формы рельефа: возвышенности, лощины, овраги больших размеров. Однако и небольшие курганы, ямы, воронки способны ослабить действие ударной волны.

Воздействие воздушной ударной волны ядерного взрыва на здания и сооружения связано с величиной избыточного давления и скоростного напора воздуха, движущегося за фронтом ударной волны. Однако в зависимости от конструктивных особенностей того или иного сооружения степень его разрушения может определяться либо избыточным давлением, либо скоростным напором.

Большие здания, имеющие значительную площадь стен, разрушаются главным образом под действием избыточного давления. При этом разрушение происходит вследствие первоначального кратковременного удара, возникшего в результате отражения ударной волны. Это происходит потому, что для обтекания ударной волной такого здания требуется некоторое время, а это вызывает сравнительно длительное действие давления отражения ударной волны.

Пока ударная волна движется, не встречая препятствий, она создает изменяющуюся во времени нагрузку, равную избыточному давлению в проходящей ударной волне. При подходе ударной волны к преграде она отражается (образуя давление отражения) и происходит торможение масс движущегося воздуха, избыточное давление повышается. В результате этого преграда испытывает удар огромной силы, увеличившийся вследствие давления отражения.

Такое давление преграда (например, здание) испытывает в первоначальный момент. Вслед за этим ударная волна начинает обтекать здание, оказывая давление на боковые стены и верх, а затем и на заднюю стену. В результате этого здание оказывается охваченным высоким давлением и сжато со всех сторон. Однако наибольшее давление испытывает стена, обращенная к взрыву.

Характер действия ударной волны при обтекании зданий представляет собой сложное взаимодействие потоков, обтекающих здание сверху и с боков и создающих завихрения и зоны повышенного давления. Обтекание ударной волной вертикальной преграды показано на рисунке 8, когда ударная волна отражается от поверхности земли за преградой. Обтекание здания ударной волной с боков создает повышенное давление в результате встречи двух потоков (рисунок 9). По мере обтекания здания ударной волной давление отражения на переднюю стену ослабляется.

а - фронт достиг преграды, и действует полное давление отражения; б -фронт проходит преграду, и частично действует давление отражения; в - заканчивается действие давления отражения, но за преградой ударная волна отражается от поверхности земли

Рисунок 8 - Обтекание ударной волной вертикальной преграды.

а - фронт достиг преграды, создается давление отражения и начинается обтекание; б - фронт прошел преграду, и два потока движутся к тыльной стороне; в - фронт движется далее, за преградой образуется зона повышенного давления вследствие соударения потоков

Рисунок 9 - Обтекание ударной волной преграды (вид в плане).

В большей степени разрушаются отдельно стоящие здания и высокие сооружения, особенно расположенные фасадом к направлению движения ударной волны.

Из наземных зданий и сооружений наиболее устойчивыми являются здания с металлическим каркасом и сооружения антисейсмической конструкции, которые разрушаются при давлении ударной волны 50 - 80 кПа. Жилые кирпичные здания менее устойчивы и полностью разрушаются при давлении ударной волны 30-40 кПа, а деревянные строения полностью разрушаются при давлении 10-20 кПа.

На разрушение зданий и сооружений влияет наличие в стенах проемов (окон, дверей), так как ударная волна, легко разрушая их, быстро проникает внутрь здания, а давление отражения ослабляется вследствие действия избыточного давления изнутри. Полное разрушение остекления различных зданий происходит при избыточном давлении во фронте ударной волны 2-7кПа, а частичное разрушение - при 1-2 кПа, т. е. при значительно меньших давлениях.

Высокие сооружения с малой площадью (телеграфные столбы, заводские трубы, мачты, буровые вышки и другие сооружения) быстро обтекаются ударной волной и сжимаются со всех сторон, а противоположные давления уравновешиваются. Поэтому они менее чувствительны к воздействию избыточного давления. Для этих сооружений разрушающее действие ударной волны определяется действием скоростного напора воздуха.

Скоростной напор воздуха, подобно урагану, действует с одной стороны и вызывает разрушение (срыв с опор) таких сооружений, так как эти сооружения, рассчитанные на действие ветровой нагрузки, разрушаются под действием скоростного напора воздуха, превышающего ветровые нагрузки в несколько раз.

Сооружения, заглубленные в землю, меньше подвержены воздействию ударной волны, так как при своем движении ударная волна не встречает препятствия и не происходит увеличения избыточного давления из-за отражения ударной волны. По этой причине убежища, укрытия и подземные сети коммунального хозяйства, заглубленные в грунт, могут выдержать значительно большие давления, чем наземные здания.

Особенностью действия ударной волны является ее способность (в следствии относительно большой продолжительности ее действия- несколько секунд) затекать внутрь убежищ, укрытий и других сооружений через воздухозаборные трубы, отдушины, наносить там разрушения и поражать людей.

При проникании ударной волны внутрь сооружения там быстро повышается давление, которое может стать причиной гибели людей. Во избежание поражения людей затекающей волной воздухозаборные каналы убежищ снабжаются волногасительными устройствами.

Другой особенностью ударной волны является разряжение, возникающее вслед за высоким давлением. Разряжение значительно слабее ударной волны, но увеличивает эффект воздействия прямого удара и вызывает ряд специфических явлений, которые следует учитывать при проведение спасательных работ.

Степень разряжения, т.е. снижение давления ниже атмосферного, не превышает 300кПа и быстро затухает по мере удаления от центра взрыва и снижения давления на фронте ударной волны. Однако длительность фазы разряжения превышает время фазы сжатия.

Так при взрыве мощностью 1Мт фаза сжатия длится 1-5 секунд в зависимости от расстояния, а фаза разряжения-до 13 секунд при воздействии ударной волны сооружения испытывают всестороннее сжатие. В фазе разряжения сооружения так же испытывают нагрузки, но усилие значительно слабее и действует в обратном направлении (так называемый отсос). Оголовки смотровых колодцев на сетях коммунального хозяйства перекрывают стальными или чугунными крышками. Они выдерживают давление ударной волны 200-300кПа. Однако эти же крышки будут испытывать силу отсоса и за счет суммарного усилия направленного из нутрии колодца крышка может быть отброшена. Завал может быть завершен после того, как ударная волна прошла. Поэтому крышки закрепляют.

Здания и сооружения в зависимости от нагрузок, создаваемых ударной волной, могут получать полные, сильные, средние и слабые разрушения:

а) полное разрушение характеризуется разрушением и обрушением всех или большей части стен, сильной деформацией или обрушением перекрытий (Рисунок 10 а,б). Из обломков образуется завал в пределах контура здания и вокруг него. Восстановление разрушенных зданий невозможно;

Рисунок 10 а

Рисунок 10б

б) сильное разрушение характеризуется разрушением части стен и перекрытий нижних этажей и подвалов, в результате чего повторное использование помещений невозможно или нецелесообразно (Рисунок 11а,б);

Рисунок 11а

Рисунок 11б

в) среднее разрушение характеризуется разрушением главным образом встроенных элементов: внутренних перегородок, дверей, окон и крыш; появлением трещин в стенах и обрушением чердачных перекрытий и отдельных участков верхних этажей (Рисунок 12). Подвалы сохраняются и пригодны для временного использования после разборки завалов над входами. Вокруг здания завалов не образуется, но отдельные обломки конструкций могут быть отброшены на значительное расстояние. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта;

Рисунок 12

г) слабое разрушение характеризуется разрушением оконных и дверных заполнений и легких перегородок, появлением трещин в стенах верхних этажей (рисунок 13). Подвалы и нижние этажи сохраняются и пригодны для временного использования. Восстановление возможно в порядке капитального ремонта.

Рисунок 13

Объем разрушений в городе зависит от характера строений, их этажности и плотности застройки. При плотности застройки 50 % давление ударной волны на здания может быть меньше (на 20 - 40 %), чем на здания, стоящие на открытой местности, на таком же расстоянии от центра взрыва.

При плотности застройки менее 30% экранизирующее действие зданий незначительно и не имеет практического значения.

Энергетическое, промышленное и коммунальное оборудование может иметь следующие степени разрушений:

а) слабые разрушения: деформации трубопроводов, их повреждения на стыках; повреждения и разрушения контрольно-измерительной аппаратуры; повреждение верхних частей колодцев на водо-, тепло-, газовых сетях, отдельные разрывы на ЛЭП, повреждение станков, требующих замены электропроводки, приборов и других поврежденных частей (Рисунок 14);

Рисунок 14

б) средние разрушения: отдельные разрывы и деформации трубопроводов, кабелей; деформации повреждения отдельных опор ЛЭП; деформация и смещение на опорах цистерн, разрушение их выше уровня жидкости; повреждение станков, требующих капитального ремонта (Рисунок 15);

Рисунок 15

в) сильные разрушения: массовые разрывы трубопроводов, кабелей, разрушение опор ЛЭП и другие разрушения, которые нельзя восстановить капитальным ремонтом.

Наиболее стойки подземные энергетические сети. Они разрушаются только при наземных взрывах в непосредственной близости от центра при давлении ударной волны 600-1500 кПа. Степень и характер разрушения зависят от диаметра и материала труб, глубины их прокладки.

Станочное оборудование предприятий разрушается при избыточном давлении 35-70 кПа, а измерительное – при 2030 кПа. Для гидроузлов наиболее опасными являются надводный и подводный взрывы со стороны верхнего бьефа.

Наиболее устойчивые элементы гидроузлов - бетонные и земляные плотины, которые разрушаются при давлении более 1000КПа. Наиболее слабые - гидрозатворы водосливных плотин, оборудование и различные надстройки. Транспортные средства повреждаются в зависимости от их положения относительно направления распространения ударной волны. Наиболее устойчивы морские и речные суда и железнодорожный транспорт, очень уязвим самолет.

При избыточном давлении более 50КПа происходит полное повреждение лесного массива.

Для определения возможного характера разрушений и установления объема поисково-спасательных и других неотложных работ, обусловленных воздействием воздушной ударной волны, очаг ядерного поражения делят на четыре зоны (Рисунок 16).

Рисунок 16

Зона полных разрушений возникает там, где избыточное давление во фронте ударной волны достигает 50кПа (0,5 кгс/см 2) и более. На рисунке 17 показаны полные разрушения после бомбардировки Нагасаки 24 сентября 1945 года

Нагасаки до и после ядерного взрыва Нагасаки через 6 недель

Рисунок 17

Характер разрушений этой зоны такой же как при землетрясении 9 и более балов. В этой зоне полностью разрушаются жилые дома, промышленные здания и противорадиационные укрытия. Вокруг центра взрыва разрушаются убежища, получают различные разрушения или повреждения подземные сети коммунально-энергетического хозяйства.

Большинство убежищ в зоне полных разрушений сохраняются. На территории населенных пунктов и объектов образуются сплошные завалы.

Для зоны полных разрушений характерны массовые потери среди незащищенного населения, а также будут наблюдаться горения и тления в завалах.

Зона сильных разрушений образуется при избыточном давлении во фронте ударной волны от 50 до 30 кПа (0,5-0,3 кгс/см^2) и составляет около 10% всей площади очага. Характер разрушений как при землетрясении баллов. Наземные здания и сооружения в основном будут иметь сильные разрушения. Сильное разрушение характеризуется разрушением несущих конструкций и перекрытий верхних этажей, образованием трещин в стенах и деформацией перекрытий нижних этажей.

Убежища и подземные сети коммунально - энергитического хозяйства, а также большинство противорадиационных укрытий сохраняются.

Подвалы в зданиях не повреждаются, если их перекрытия удержат нагрузку от обрушенных стен и междуэтажных перекрытий.

В результате разрушений зданий и сооружений образуются местные завалы, переходящие ближе к границе зоны полных разрушений в сплошные.

Для зоны характерны массовые, в значительной части безвозвратные потери среди незащищенной части населения.

Люди, оставшиеся в зданиях, могут быть завалены, либо могут получить травмы и ожоги вне зданий легкой и средней тяжести. Кроме того, возможны поражения обломками построек, осколками стекла и другими летящими предметами, а также ‘’ вторичные ожоги ‘’ от пламени горящих зданий горючесмазочных материалов и т.п.

При попадании в зону радиоактивного заражения, образующуюся при наземных и подземных взрывах, население подвергнется воздействию радиоактивных веществ.

Зона средних разрушений характеризуется избыточным давлением во фронте ударной волны от 30 до 20кПа (0,3-0,2кгс/см^2) и занимает около 18% площади очага ядерного поражения. Характер разрушений как при землетрясении баллов.

Убежища, противорадиационные укрытия и подвальные помещения полностью сохраняются. Деревянные здания будут сильно или полностью разрушены, каменные - получают средние и слабые разрушения.

Среднее разрушение проявляется в разрушении крыш и встроенных перегородок, окон, а также в возникновении трещин в стенах, обрушении отдельных участков чердачных перекрытий и стен верхних этажей. Подвалы сохраняются. После расчистки и ремонта может быть использована часть помещений нижних этажей.

Слабое разрушение проявляется в разрушении оконных и дверных заполнений, легких перегородок; Частично разрушается кровля, возможны трещины в стенах верхних этажей. Подвалы и нижние этажи сохраняются полностью. Находиться в здании безопасно, и оно может эксплуатироваться после проведения текущего ремонта.

В зоне средних разрушений образуются отдельные завалы. Для зоны характерны массовые санитарные потери среди незащищенного населения. Люди могут получить легкие травмы, ожоги, а при наземных взрывах возможны поражения радиоактивными осадками.

Зона слабых разрушений образуется при избыточном давлении во фронте ударной волны от 20 до 10кПа (0,2-0,1кгс/см^2). На ее долю приходиться до 60% площади всего очага. В пределах этой зоны здания получают слабые разрушения. В некоторых местах образуются отдельные завалы.

Незащищенные люди могут получить ожоги, легкие травмы, а также поражения радиоактивными веществами при наземных взрывах.

За приделами зон разрушений очага поражения здания и сооружения могут получить незначительные повреждения: разрушение остекления, повреждение оконных рам, дверей, кровли. Возможно также возникновение отдельных очагов пожаров. В этих условиях люди могут получить легкие ранения и ожоги.

В системе мероприятий гражданской обороны важное значение имеет организация и ведение работ по спасению населения, оказавшегося в очагах поражения и ликвидации последствий аварий, катастроф и стихийных бедствий.

Как показывают аварии на АЭС, а также на крупных химических, нефтеперерабатывающих, металлургических и многих других предприятиях могут привести к катастрофическим последствиям, гибели людей, большим материальным потерям.

Для успешного выполнения аварийных работ требуется заблаговременная инженерная подготовка городского и объектового КЭХ, повышение его устойчивости, умение быстро находить грамотные решения по организации и ведению этих работ.

Последнее достигается обучением личного состава формирований гражданской обороны и населения умелым действиям в ЧС. Для формирования инженерно-технических мероприятий ОХК, необходимо заблаговременно оценить возможную инженерную и пожарную обстановку.

Инженерная обстановка - состояние современной системы инженерного оборудования в городах, на промышленных и других объектах. Она включает многочисленные линии трубопроводов городского и промышленного водоснабжения, канализации, газовых сетей теплоснабжения, электрокабелей и др., а также различных зданий и сооружений.

Инженерная обстановка выявляется с целью определения характера возможных разрушений, аварий и поражений на объектах хозяйствования при образовании очагов поражения ЧС техногенного и природного характера. На планах и схемах границы зон разрушений показываются в виде концентрических окружностей красного цвета.

Радиусы окружностей зоны разрушений определяют по таблицам, а также по формуле Закона подобия взрывов.

Ударная волна - это область резкого сжатия среды, которая в виде сферического слоя распространяется во все стороны от места взрыва со сверхзвуковой скоростью.

В зависимости от среды распространения различают ударную волну в воздухе, в воде или грунте.

Ударная волна в воздухе образуется за счет огромной энергии, выделяемой в зоне взрыва, где высокая температура и большой давление. Например, при ядерном взрыве давление в зоне реакции достигает миллиардов атмосфер.

Раскаленные пары и газы стремясь расшириться, производят резкий удар по окружающим слоям воздуха, сжимают их до больших давлений и плотности и нагревают до очень высокой температуры. Эти слои приводят в движение последующие слои воздуха. Таким образом сжатие и перемещение воздуха происходит от одного слоя к другому во все стороны от центра взрыва, образуя воздушную ударную волну. Основным носителем действия взрыва является воздушная ударная волна, скорость распространения которой вблизи центра взрыва в несколько раз превышает скорость звука в воздухе и уменьшается по мере удаления от места взрыва до скорости звука - 340 м/с.

Например, при ядерном взрыве средней мощности воздушная ударная волна проходит 5000 м за 12 секунд. Поэтому человек, увидев вспышку ядерного взрыва до прихода ударной волныможет укрыться (в складке местности, канаве и пр.).

Передняя граница ударной волны называется фронтом ударной волны. После прохождения ударной волной данной точки пространства давление в этой точке снижается до атмосферного. Фронт ударной волны движется вперед. Образовавшийся слой сжатого воздуха называется фазой сжатия.

С удалением от центра взрыва давление во фронте ударной волны уменьшается, а толщина слоя сжатия из-за вовлечения новых масс воздуха возрастает, в то же время давление снижаясь, становится ниже атмосферного и воздух начинает движение к центру взрыва. Эта зона пониженного давления называется фазой разрежения.

Разрушительное действие большее в фазе сжатия.

С фронтом ударной волны в области сжатия движутся массы воздуха, которые при встрече с преградой тормозятся и при этом моментально возрастают до максимума: скоростной напор воздушной ударной волны и избыточное давление во фронте ударной волны.

Избыточное давление измеряется в Паскалях (Па) или в кг-сила на квадратный сантиметр: 1 Па - 1 Н/м2 (Ньютон на метр квадратный) = 0. 102 кгс/м2 = 1. 02 * 10^(-5) кгс/см2 ; 1 кгс/см2 = 98. 1 кПа или 1 кгс/см2 примерно равен 100 кПа.

Таким образом, основные параметры ударной волны, характеризующие ее разрушающее и поражающее действие: избыточное давление, во фронте ударной волны, давление скоростного напора, продолжительность действия волны - длительность фазы сжатия и скорость фронта ударной волны. Величина этих параметров в основном зависит от мощности, вида взрыва и расстояния.

При наземном взрыве энергия взрыва распределяется в полусфере и ударная волна перемещается вдоль поверхности земли, при этом на поверхности земли действует такое давление, до которого сжат воздух в соответствующей части воздушной ударной волны.

При воздушном взрыве падающая ударная волна вызывает при встрече с поверхностью земли отраженную ударную волну.

Рассмотрим термины (рис. 84).

Эпицентр воздушного взрыва - точкана поверхности земли под центром взрыва.

Зона регулярного отражения - зона с расстоянием от эпицентра, не превышающим высоты взрыва.

Зона нерегулярного отражения - зона с расстоянием от эпицентра более высоты взрыва.

В зоне регулярного отражения на предмет, расположенный на некотором расстоянии от земли, воздействует давление падающей волны, а через некоторое время - давление отраженной волны. В зоне нерегулярного отражения падающая волна опережает отраженную, последняя распространяясь в нагретом воздухе и сжатом падающей волной, движется быстрее падающей волны. В результате происходит слияние этих волн и образуется общий фронт головной ударной волны, перпендикулярной поверхности земли, высота которого по мере удаления от центра взрыва увеличивается.

Предметы, находящиеся в области действия головной ударной волны испытывают ее воздействие, а расположенные выше (верх высотных домов) - два удара - от падающей и отраженной волн.

Давление во фронте головной ударной волны значительно выше, чем во фронте падающей волны и зависит не только от мощности взрыва и расстояния от эпицентра, но и от высоты ядерного взрыва.

Оптимальной высотой взрыва считается такая, при которой наибольшая площадь разрушения. Например, для взрыва мощностью в 1 мегатонну эта высота равна 2100 м (при этом на постройки воздействует давление 20-30 кПа (0. 2-0. 3 кг/см2).

При наземном взрыве радиус поражения на сравнительно больших расстояниях больше, чем радиус поражения воздушной ударной волны, а на более удаленных - меньше, так как сказывается влияние совместного воздействия падающих и отраженных волн - головной ударной волны.

Давление (избыточное) во фронте ударной волны можно определить расчетом (см. В. Г. Атаманюк и др. Гражданская оборона. -М7: Высшая школа, 1986. с. 26).

Ударная волна в воде при подводном ядерном взрыве качественно напоминает ударную волну в воздухе, но давление во фронте ударной волны в воде больше, а время действия меньше. Например, давление на расстоянии 900 м от центра ядерного взрыва мощностью 100 кт в воде составляет 19000 кПа, а при взрыве в воздухе - около 100 кПа.

При наземном взрыве часть энергии взрыва расходуется на образование сжатия в грунте.

При взрыве в грунте происходит мощное сотрясение грунта землетрясение.

02.05.2013 23:20

Лента новостей

• 20:32
• 19:32
• 14:25
• 13:22
• 12:24
• 17:02
• 16:22
• 16:24
• 15:32
• 14:23
• 13:32
• 20:02
• 19:02

Для простоты и наглядности вывода соотношений для фронта прямой ударной волны представим себе, что в трубу (рисунок 4.2) площадью поперечного сечения , заполненную сжимаемой средой, с постоянной скоростью вдвигается поршень.

Среду будем считать идеальной, а процесс адиабатным. В момент времени в сечении 0 - 0 поршень мгновенно начал двигаться с постоянной скоростью . При этом от поршня начнет распространяться фронт ударной волны 2 - 2 со скоростью . Среда перед фронтом ударной волны имеет параметры , , , . За фронтом ударной волны (зона 1-1 - 2-2) параметры обозначим , , , .

Для того, чтобы найти связь между параметрами среды до и после фронта ударной волны, воспользуемся законами сохранения массы, импульса и энергии.

За время поршень относительно невозмущенного газа пройдет расстояние , а фронт ударной волны – на расстояние . Масса ударно сжатого газа равна ; с другой стороны, эта масса до сжатия определяется величиной . Приравнивая эти выражения, получим

Рисунок 4.2 – К выводу зависимостей на фронте ударной волны

Поскольку изменение количества движения данной массы равно импульсу действующей на нее силы, то получим:

Составим теперь уравнение сохранения энергии. Для адиабатного процесса изменение полной энергии среды равно произведенной над ней работе. Обозначим внутреннею энергию единицы массы среды через , а кинетическую энергию через /2. Следовательно, полная энергия невозмущенной среды будет равна:

а полная энергия ударно сжатой среды:

Полное изменение энергии среды равно работе внешних сил:

Это уравнение сохранения можно записать в виде:

. (4.11)

Преобразуем выведенное соотношение. Напишем уравнение (4.6) в виде:

. (4.12)

Здесь - удельный объем. Умножив обе части этого уравнения на , получим:

. (4.14)

Вычитая из обеих частей равенства, найдем:

, (4.15)

. (4.16)

. (4.17)

Сравнивая два последних выражения, получим:

Из найденных выражений легко получается скорость распространения ударной волны:

. (4.19)

Если среда перед фронтом покоится, т.е. , то

. (4.20)

Весьма важное значение в теории ударных волн имеет адиабата Гюгонио, устанавливающая связь между параметрами среды до и после прохождения через нее скачка уплотнения. Изобразив эту связь в виде диаграммы в координатах , , мы получим так называемую кривую Гюгонио (рисунок 4.3).

P

Ударная адиабата

		V

Рисунок 4.3 – Адиабата Гюгонио

Используя эту диаграмму, можно в простой и наглядной форме исследовать некоторые особенности ударных волн. Проведём через точку , характеризующую состояние невозмущенной среды, и точку , характеризующую состояние среды, сжатой ударной волны, прямую. Очевидно, что , где - угол наклона этой прямой к оси абсцисс. Таким образом, очевидно, что величины и целиком определяются углом наклона .

Для ударных волн всегда > 0, причем < , т.е. среда перемещается в направлении распространения фронта, но с меньшей, чем у фронта скоростью.

4.8 Контрольные вопросы

4.8.1 В чем принципиально заключается отличие физического взрыва от химического?

4.8.2 Классификация взрывчатых веществ.

4.8.3 Как определяется кислородный баланс взрывчатого вещества?

4.8.4 В чем заключается тепловая и нетепловая теории механического воздействия на взрывчатые системы?

4.8.5 В чем различие между электроогневыми и электрическими способами взрывания?

4.8.6 Как устроен детонационный шнур?

4.8.7 Какие величины на адиабате Гюгонио определяется углом наклона α ?

4.8.8 Какие законы используются при выводе скорости ударной волны?

Детонация

Взрыв вызывается ударной волной. Если в каком-либо слое вещества резко повышается давление, то от этого места начинает распространяться фронт повышенного давления. Эта волна приводит к значительному скачку температуры, который передается от слоя к слою. Повышение температуры дает начало взрывной реакции, а взрыв приводит к повышению давления и поддерживает ударную волну, интенсивность которой иначе быстро падала бы по мере ее распространения. Таким образом, ударная волна вызывает взрыв, а взрыв в свою очередь поддерживает ударную волну. Такой взрыв и называется детонацией.

Детонация - это процесс химического превращения взрывчатого вещества, сопровождающийся выделением теплоты и распространяющийся с постоянной скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе.

1 - зона исходного вещества; 2 - фронт волны; 3 - зона химической реакции; 4 – зона продуктов детонации; Р о – начальное давление; X - простран­ственная координата.

Рисунок 5.1 - Распределение давления в детонационной волне

В отличие от горения, где распространение пламени обусловлено мед­ленными процессами диффузии и теплопроводности, детонация представля­ет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за её фронтом хи­мические превращения вещества (детонационная волна).

Ударная волна сжимает и нагревает взрывчатое вещество, вызывая в нём реакцию, продукты которой сильно расширяются, т.е. создаются условия взрыва.

Ударная волна представляет собой область резкого и сильного сжатия среды, распространяющейся во все стороны от центра взрыва

со сверхзвуковой скоростью.

Ударные волны возникают при взрывах практически в любых средах и передают действие взрыва на значительное расстояние.

В зависимости от среды, в которой распространяется ударная волна, различают волны: воздушные (распространяются в воздушной среде); ударные (распространяются в водной среде); сейсмовзрывные

(распространяются в грунте).

2.3. 1. Основные свойства и механизм образования

ударных волн

Процесс образования ударной волны рассмотрим на примере взрыва заряда взрывчатого вещества (ВВ).

При взрыве заряда взрывчатого вещества газообразные продукты взрыва, находящиеся под давлением порядка десятков и даже сотен тысяч атмосфер, расширяются, сжимая окружающую среду (воздух, воду, грунт и т. п.). Развитие процесса взрыва в среде схематически показано на рис. 2.2. После прохождения детонационной волны М1 по заряду ВВ (пунктиром обозначена продетонировавшая часть заря­ да) начинается расширение продуктов детонации.

Зона расширяюшихся продуктов в данный момент времени огра­ ничена кривой СМ1 С 1 , фронт ударной волны, возбужденной взры­ вом, - ВА и А1 В 1 Скорость детонации и связана со скоростями удар­

Волна сжатия, вызывающая заметный разогрев среды, может устойчиво существо­

вать только в форме ударной волны со скач­

кообразным изменением давления во фрон­ те; фронт с плавным нарастанием давления

неустойчив и быстро превращается в скачко­ образный с резким изменением давления.

Вслед за ударной волной идет волна разреже-

Рис npouecca . 2.2. Схе ма развития взры ва в среде

188 Раздел 2. Взры в

ния, которая, двигаясь по сжатому и разогретому воздуху, будет наго­ нять фронт ударной волны.

Схема изменения давления во времени при прохождении удар­ ной волны показана на рис. 2.3.

1 0 l 1 1 е 1 2

Рис. 2.3. Схема изменения давления во времени при прохождении ударной волны:

1 - фаза сжатия; 2 - фаза разрежения (nри взрывах в плотных средах - фаза рас­

тяжения или разгрузки)

В момент прихода волны в определенную точку пространства дав­ ление в прилегающей к ней области скачком увеличивается от р0 (в невозмущенной среде) до р1 (во фронте ударной волны). За фрон­ том давление быстро падает и через время /еж (время действия фазы сжатия), после прихода волны в точку, оказывается меньше р0 - фаза сжатия сменяется фазой разрежения.

Время, в течение которого давление в ударной волне сохраняется выше атмосферного, называется фазой сжатия, а время, в течение ко­ торого давление остается ниже атмосферного, - фазой разрежения.

В момент прихода ударной волны в некоторую точку среда, при­ легающая к этой точке, начинает двигаться со скоростью и в направ­ лении распространения этой волны. Характер изменения и(t) схож с характером изменения p(t). В фазе сжатия среда движется в сторону перемещения ударной волны, в фазе разрежения - в обратном на­ правлении, но с несколько меньшей скоростью.

Фронт ударной волны распространяется со сверхзвуковой скоро­

стью (V> с0), а ее хвостовая часть, где р < -р0, движется со скоростью, близкой к скорости звука с0 в невозмушенной среде, поэтому по мере движения ударная волна растягивается во времени. Давление во фронте ударной волны р 1 , скорость перемешения фронта V и скорость потока среды и не являются постоянными. При удалении удар­ ной волны от очага взрыва она уменьшается, и на больших расстоя-

ниях V приближается к с0, а и - к нулю, т. е. ударная волна вырожда­

ется в акустическую (упругую) волну. Следовательно, ударная волна

имеет как область сжатия, так и разрежения. На практике действие

ударной волны определяется фазой сжатия. Действие фазы разреже­

ния обычно несущественно, поэтому не учитывается, за исключени­

ем некоторых частных эффектов.

2.3.2. Па ра метры ударной волны

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 характеризуется разностью давления во фронте волны и атмосферного давления.

др = Р1 - Ро,

где р1 - давление во фронте ударной волны;

р 0 - 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 наибо­ лее взрывоопасной газа- , пара-, пылевоздушной смеси в замкнутом сосуде при начал ьном давлении 1 0 1 ,3 кПа. Максимальное давление при взрыве аэросмеси можно рассчитать по формуле:

где р0 - начальное давление, при котором находится аэровзвесь, кПа;

Т 0 - начальная температура исходной смеси, К;

Tr - адиабатическая температура горения стехиометрической

смеси с воздухом при постоянном объеме, К; пк - число молей газообразных продуктов сгорания; f/11 - 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 имnульса волны будет различной в зависимости от среды, в которой nротекает взрыв. В общем виде имnульс волны оnисывается законом

где G R - масса взрывчатого (горючего) вещества; - расстояние действия ударной волны;

<р - угол отражения волны.

Расnространение ударной волны зависит от множества факторов, оnределяющих ее действие и силу.

Для оценки действия ударной волны необходимо знать характер нагрузки и nараметры системы, на которую эта нагрузка действует. Характер нагрузки обычно оnисывается функцией изменения давле­ ния ударной волны во времени p(t) в nределах от нуля до времени фазы сжатия tсж· Однако во многих частных случаях действие ударной волны с достаточной точностью оnределяется либо значением избы­

Характер воздействия ударной волны на заданную систему зави­ сит от соотношения между временем действия фазы сжатия tсж и вре-

менем релаксации системы "t, а для уnругих систем - nериодом коле­ баний Т.

Если fсж >> "t, то действие ударной волны оnределяется величи­ ной избыточного давления на ее фронте, так как в этом случае систе­ ма будет деформирована за такой nромежуток времени (nорядка

(1/4- 1/З}t}, в течение которого давление во фронте не усnеет сущест­

венно уnасть. Если, наnротив, tсж << "t, то давление за фронтом волны

снижается за столь малый nромежуток времени, что система nракти­

чески не усnевает деформироваться и дальнейшие деформации ее оn­ ределяются nриобретенным ею количеством движения, а следова­ тельно, удельным имnульсом ударной волны.

Время фазы сжатия зависит от множества факторов: размеров и формы заряда ВВ, среды, в которой nротекает взрыв, nрироды взрыв-

чатого вещества, энергии взрыва и др. Время действия фазы сжатия tсж nри использовании соответствующих форм законов подобия выразит­

ся формулами (2.4).

		fсж = г0
		r fсж = WF (}
		fс ж = VE F3
где г0	Радиус заряда;
G - масса заряда;
	Расстояние действия ударной волны;
Е - энергия взрыва;

F1 , F2, F3 - функциональная зависимость.

Огромное значение для оценки параметров ударных волн и их действия имеет закон подобия при взрывах, позволяющий сравнивать характеристики ударных волн, возбужденных взрывами зарядов раз­ личной массы, состоящих из разных ВВ, а также взрывами, вызван­ ными горением взрывоопасных смесей.

Детонационное горение возникает во взрывоопасной среде при прохождении по ней достаточно сильной ударной волны (или волны ударного сжатия). Например, если в замкнутом объеме с горючей га­ зовой смесью взорван точечный заряд взрывчатого вещества, либо произошло возгорание от источника зажигания, то по всей газовой смеси от точки расположения заряда распространится ударная волна, в которой происходит внезапное скачкообразное повышение пара­ метров состояния газовой смеси - давления, температуры, плотно­ сти. Повышение температуры газа при сжатии в ударной волне зна­ чительно больше, чем при аналогичном адиабатическом сжатии. По­ этому абсолютная температура газа, сжатого ударной волной,

прr.торциональна давлению ударной волны.

Следовательно, если ударная волна достаточно сильна, то темпе­

ратура газа под действием ударной волны может повыситься до темпе­ ратуры самовоспламенения. Ударная волна характеризуется скоростным напором. Скоростной

напор образуется в результате торможения о какую-либо преграду

движущихся масс воздуха в ударной волне. Скорость движения рас-

ширяющихся газов, образующих скоростной напор, зависит от степе­ ни сжатия газов и нагревания их ударной волной. Напор вызывает опрокидывание и отбрасывание различных объектов на значительные расстояния.

Ударная волна распространяется в пространстве со сверхзвуковой скоростью. Например, ударная волна при ядерном взрыве проходит первые 1 000 м за 2 с, 2000 м - за 5 с, 3000 м - за 8 с.

Сила ударной волны очень велика и приводит к значительным разрушениям. Если скорость повышения давления относительно не­ велика, то прежде всего будут разрушаться наименее прочные детали, например, окна и двери. В случае же однородной по прочности кон­ струкции здания подъем крыши и разрушение всех стен произойдут одновременно. Избыточное давление ударной волны приводит при взрыве к сильным повреждениям. В табл. 2.3 содержатся данные, ука­ зывающие на степень повреждений.

Таблица 2.3. Повреждения при взрыве от ударной волны

Дамениер в5, ударной Стеnень nовреЖдения

волне к Па

	Разрушение стекол в окнах при больших площадях ос-
	текпения
	Громкий звук (1 43 дБ) ; поврежден ия стекол; 5%-ное
	разрушение остекления
	Повреждение обшивки домов; разрушение до 1 0 %
	оконных стекол
	Незначительные повреждения конструкций
	90%-ное разрушение остекления, повреждение
	оконных рам
	Незначит льные повреждения конструкций домов
	Частичное разрушение домов до состояния, при кото-
	ром проживанис в них невозможно
	Разрушение гофрированного асбеста. Гофрированные
	стальные ил и алюминиевые паиели ослабля ются в креп-
	лени и и подвергаются изгибу. Деревян ные паиели раз-
2 .3 . Характеристи ка ударн ых вол н
	Окончание табл. 2.3

Степень повреждения

Разрушаются не укреnленные стены из бетона и шлаковых блоков

Н ижни й nредел серьезных nовреждений конструкций

50%-ное разрушение

Тяжелые машины (весом 1 ,35 т) в nромышленных зданиях nодвергаются небольшим nовреждениям. Стальные конструкции изгибаются

		Разрушение бескаркасн ых сооружений, склеnанных из
		стальных nанелей. Разрушение масляных хранилищ
		Отрыв nокрытий легких nромышленных зданий
		Растрескивание деревянных столбов (телеграфных и
		пр.). Повреждаются высокие гидравлические nрессы
		(весом 1 ,8 т)
		Почти nолное разрушение домов
		Перевертывание тяжелогруженых ж/д вагонов
		Кирnичные стены толщи ной 200-300 мм, не укреnлен-
		ньrе, теряют n рочность в результате сдви га или изгиба
		Тяжелые грузовые железнодорожные вагоны nолностью
		разрушаются
		Разрушение более 75 % внутренней кирnичной кладки
		Возможно общее разрушение зданий. Тяжел ые (>3 т)
		машины и станки nередви гаются и сильно nовреждают-
		ся. Очен ь тяжелые (>5 т) машины и станки сохраня ются
		Разрушение с образованием кратера

Ударная волна с P s = 1 9 кПа вызывает значительные разрушения

городских построек, а при Ps = 98 кПа наступает полное разрушение

зданий и гибель живых организмов.

На степень разрушения влияют особенности конструкции соору­ жений, а также рельеф местности.