2
Оглавление
Стр.
Введение 4
Г лава 1 Методы защиты от взрыва (анализ состояния вопроса и постановка задачи) 8
1.1 Поражающие факторы при взрыве взрывных устройств 8
1.1.1 Механизмы взрывных процессов и возникновение поражающих факторов взрыва 8
1.1.2 Основные типы взрывных устройств 10
1.1.3 Воздействие поражающих факторов взрыва на биологические объекты, элементы конструкций и сооружений 11
1.2 Анализ средств защиты (локализации) от действия взрыва 23
1.2.1 Технические средства локализации взрыва 23
1.2.2 Оценка защитных свойств жидкостных локализаторов 30
1.3 Обоснование задач работы и направлений расчетных и экспериментальных исследований 38
Глава 2 Экспериментальные и расчетные методики 42
2.1 Методика исследования особенностей кинетики взрыва локализованного заряда ВВ с помощью скоростной киносъемки 42
2.2 Методика измерения параметров воздушной ударной волны 45
2.3 Методика расчета давления воздушной ударной волны при локализованном взрыве 53
2.4 Численные методы решения задач взаимодействия ударной волны с локализатором 56
Глава 3 Модель ослабления фугасного действия взрыва жидкостным
локализатором 60
3.1 Квазистационарная модель локализации взрыва 62
3.2 Деформирование и разрушение локализатора при взрыве с учетом ударно-волнового характера нагружения 68
3.2.1 Модель деформирования контейнера с учетом процесса нагружения ударной волной
3.2.2 Исследование взаимодействия взрывной волны с внутренней поверхностью контейнера
3.2.3 Влияние свойств диспергента на эффективность локали-затора
3.3 Заключение по главе 3 Глава 4 Экспериментальное изучение фугасного действия при взрыве открытых и локализованных зарядов ВВ
4.1 Изучение особенностей кинетики взрыва локализованного заряда ВВ по результатам скоростной киносъемки
4.2 Экспериментальное изучение повреждающего действия БУВ при взрыве открытого заряда ВВ
4.3 Изменение параметров ВУВ при локализаций заряда ВВ в зависимости от характеристик локализатора
4.4 Сопоставление оценки давления на фронте ВУВ по модифицированной модели «взрывающихся сфер» с результатами эксперимента
4.5 Заключение по главе 4
Глава 5 Обоснование требований и принципов оптимизации параметров конструкции жидкостного локализатора и их реализация в промышленном изделии
Выводы
Список литературы Приложение
4
Введение.
Актуальность проблемы
В настоящее время взрывные устройства (ВУ) стали самым распространенным оружием при совершении террористических актов по всему миру.
Так, по данным министерства юстиции США в 1995 г. зарегистрировано более 3000 случаев противоправного применения взрывных устройств [1]. В России эта цифра также велика. При этом число организаций и отдельных преступников, прибегающих к взрывам для достижения своих целей, постоянно растет.
Взрывные устройства стали привлекательным оружием для террористов по целому ряду причин. Прежде всего, это сочетание разрушительных последствий взрыва и низкой степени риска опознания и поимки преступника: в момент взрыва преступник может находиться на значительном расстоянии от места совершения теракта. Существенную роль в расширении использования взрывных устройств играет доступность как сведений об их изготовлении и применении, так и материалов для их производства
Обычно взрывы осуществляются в местах большого скопления людей, интенсивного уличного или дорожного движения, на объектах важного значения (промышленные здания и сооружения, коммуникации, нефте- и газопроводы). Цель их - нанесение максимального ущерба и оказание психологического давления. Также широко используются ВУ против конкретных персон и учреждений.
К сожалению, нет оснований думать, что масштабы применения взрывных устройств преступниками будут снижаться. Контрмеры при угрозе теракта должны сочетать организационные мероприятия с использованием технических средств как обнаружения ВУ, так и ослабления действия или предотвращения возможного взрыва. Для уменьшения последствий террористического взрыва используются такие технические средства, как "противооско-лочные покрывала” и разного рода взрывозащитные контейнеры [2]. Правда, ни одно из них не дает абсолютных гарантий сохранить жизнь людей и прс-
дотвратить возможные разрушения. Каждое средство имеет свою специфику, область применения, свои преимущества и недостатки.
Широкое применение ВУ в преступных целях требует расширения спектра технических средств защиты от поражающих факторов взрыва, их совершенствования и повышения эффективности. В этой связи актуальной является задача проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на изучение функциональных характеристик существующих защитных устройств, обоснование требований и принципов оптимизации параметров конструкции жидкостных локализаторов (ЖЛ) взрыва при их реализация в промышленных изделиях, решению которой и посвящена данная работа.
Целью работы является:
развитие экспериментальных и теоретических методик построения зависимостей фугасного воздействия взрыва локализованного и открытого заряда взрывчатого вещества (ВВ) на объекты от его мощности, удаленности и параметров ЖЛ;
разработка математических моделей функционирования жидкостного локализатора взрыва (ЖЛ); анализ на их основе механизмов снижения фугасного действия взрыва и определение путей повышения эффективности ЖЛ;
разработка и обоснование требований к конструктивным параметрам ЖЛ с целью оптимизации конструкции ЖЛ с требуемыми характеристиками.
Научная новизна
Развиты экспериментальные методики и математические модели для определения снижения фугасного воздействия взрыва ЖЛ; установлены основные параметры ЖЛ, определяющие уровень снижения давления на фронте воздушной ударной волны (ВУВ);
установлены зависимости параметров ВУВ при взрыве открытых и локализованных зарядов ВВ от их массы и удаленности применительно к наземному взрыву зарядов тротила массой 0,075 - 1,2 кг, построены номограммы,
6
позволяющие оперативно прогнозировать параметры ВУВ при взрыве открытых и локализованных зарядов тротила для оценки уровня поражающего воздействия;
на базе полученных экспериментальных данных выявлены закономерности влияния параметров ЖЛ на степень подавления фугасного действия взрыва, обоснованы требования к параметрам ЖЛ с целью их оптимизации и разработаны принципы конструирования ЖЛ с рациональными параметрами.
Практическая ценность работы.
На основе проведенных исследований определены требования к конструктивным параметрам ЖЛ, обоснованы принципы конструирования ЖЛ с рациональными параметрами, что позволило освоить в серийном производстве ряд моделей ЖЛ повышенной эффективности.
Методы исследований включают экспериментальные методы изучения кинетики взрыва с помощью высокоскоростной киносъемки, измерения параметров ВУВ и математическое моделирование нестационарных процессов деформирования.
Достоверность полученных результатов подтверждена большим объемом экспериментального материала, полученного с применением современных методов исследования; соответствием закономерностей, полученных расчетным и экспериментальным путем; высокой эффективностью изделий, сконструированных с учетом выявленных закономерностей, показанной при натурных испытаниях.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались на 1, 2, 3 и 4 Всероссийских научно-практической конференциях “Актуальные проблемы защиты и безопасности” (г. С.-Петербург, 1998, 1999, 2000, 2001 г.-г.), 5 межву-
7
зовской научно-практической конференции “Новые информационные технологии в практике работы правоохранительных органов” (г. С.-Петербург, 1999 г.), Научной конференции Волжского регионального центра РАРЛН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения» (г. Саров, 1999 г.), Научно-технической конференции РАРАН «11роблемы развития боеприпасов, средств поражения и систем управления» (г. Пенза, 2000 г), Первой межрегиональной научно-практической конференции «Применение специальной и оперативной техники в деятельности органов внутренних дел» (г. С.-Петербург, 2000 г.), Второй межрегиональной научно-практической конференции «Разработка новой спецтехники для органов внутренних дел» (г. С.-Петербург, 2000 г), 3-й Международной школс-ссминаре «Нестационарное горение и внутренняя баллистика» (г. С.-Петербург, 2000 г), 23-м Международном симпозиуме «Ударные волны» (Fort Worth, Texas, USA, 2001 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 38 публикациях и 5 патентах.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 12 таблиц, приложение на № страницах. Библиография включает 118 наименований.
8
Глава 1. Методы защиты от взрыва (анализ состояния вопроса и постановка задачи)
1.1. Поражающие факторы при взрыве взрывных устройств
1.1.1. Механизмы взрывных процессов и возникновение поражающих факторов взрыва
В наиболее широком смысле слова взрывом называют физическое или химическое превращение вещества, сопровождающееся крайне быстрым переходом его энергии в энергию сжатия и движения исходного вещества или продуктов его превращения и окружающей среды [3].
Среди множества типов взрывов следует выделить химический, поскольку все взрывчатые вещества (ВВ), используемые преступниками, являются химическими. Химический взрыв происходит при чрезвычайно быстром переходе твердого и жидкого вещества в газы, разогретые за счет тепловой энергии реакции до температуры в несколько тысяч градусов. Газообразные продукты взрыва благодаря исключительно большой скорости химической реакции практически занимают объем самого ВВ, т.е. находятся в сильно сжатом состоянии. В результате максимальное давление при взрыве В В достигает сотен тысяч атмосфер.
Взрыв ВВ обладает поражающим действием: вызывает разрушение окружающих предметов и наносит телесные повреждения людям в его зоне. Первичное воздействие взрыва проявляется в различных формах, обусловленных следующими поражающими факторами.
Бризаптностъ - это способность ВВ к местному разрушительному действию, которое является результатом резкого удара продуктов детонации (ПД) по окружающим ВВ предметам [4]. Бризантное действие проявляется лишь на близких расстояниях от места взрыва, где давление и плотность энергии продуктов детонации еще достаточно велики. Максимальный бризантный эффект наблюдается при непосредственном контакте заряда ВВ с преградой. Проявлением бризантного эффекта объясняется, например, осколочное действие бо-
еприпасов, пробивное действие продуктов детонации и другие виды местных разрушений. Локальность бризантного действия связана с тем, что при расширении продуктов взрыва в воздушную среду их давление быстро падает до атмосферного. Оценка расстояния такого падения Я для сферического заряда ВВ радиусом г0 дает значение Я = 10 -12 г0 [4].
Фугасное действие
При истечении ПД в какую-либо среду в последней всегда образуется ударная волна (УВ). Ее начальная интенсивность определяется параметрами детонационной волны и характеристиками среды. В ПД при этом возбуждается либо отраженная УВ, либо волна разрежения, в зависимости от соотношения давления во фронте детонационной и ударной волны в среде. Если плотность Г1Д значительно превосходит плотность среды (например, воздуха), то по ним пойдет волна разрежения.
Область действия У В (фугасного действия) значительно превышает область действия ПД в силу более медленного ее затухания с удалением от центра взрыва. Степень падения давления на фронте УВ изменяется от IV3 на расстоянии Я = 10-12 го до К"1 на расстоянии порядка 1000 Го.
Высокое давление ударной волны оказывает поражающее воздействие на биологические объекты и конструкции.
Осколочное действие
При расположении вблизи заряда ВВ каких-либо предметов или заключении заряда в оболочку действие ПД при взрыве приведет к их разрушению и ускорению образовавшихся осколков. Поражающее действие осколков зависит как от заряда ВВ, так и от материала и параметров оболочки. Скорость их разлета может достигать тысяч метров в секунду, а зона поражения - десятки и даже сотни метров.
Термическое действие
За счет тепла, выделяющегося при взрыве, продукты детонации надеваются до температуры несколько тысяч градусов. Для большинства видов конденсированного ВВ температура взрыва составляет от 3000° до 5000°С.
10
Огненный шар, возникающий при взрыве, помимо теплового поражения объекта, попадающего внутрь шара, является источником лучистой энергии. Тепловое излучение может вызывать воспламенение горючего материала и оказывать ожоговое действие на человека. Следует отметить, что огненные шары особенно больших размеров образуются при ядерном взрыве и взрыве облаков пара.
Радиус огненного шара при взрыве боеприиаса с зарядом конденсированного ВВ массой М можно оценить по формуле [5] Кш=1,88 М0,325, что для заряда тротила плотностью 1,6 г/см'5 и радиусом 1% соответствует Яш~35 Р<).
1.1.2. Основные тины взрывных устройств
Взрывное устройство представляет- собой изделие, специально подготовленное к взрыву в определенных условиях.
Основным рабочим элементом любого взрывного устройства является заряд ВВ.
Чаще всего в качестве основного заряда в террористических ВУ используется тротил. Однако встречается применение преступниками и других бризантных ВВ и даже порохов. Используются ВВ не только промышленного, но и «домашнего» производства. В магазинах химических реактивов свободно продаются вещества, пригодные для этих целей.
В преступных целях применяются как взрывные устройства промышленного изготовления (ПВУ), так и самодельные (СВУ). Под СВУ понимаются устройства, в которых хотя бы один элемент изготовлен самодельным способом. Анализ экспертной практики в России показывает, что преобладает использование СВУ [6] с массой ВВ до 1 кг тротилового эквивалента. Из анализа данных за 1999 г. следует, что вне зоны военного конфликта, имеющей ряд особенностей, применение в преступных целях СВУ с зарядом ВВ менее 1 кг составило 85% от общего числа.
Наиболее часто в экспертной практике встречаются СВУ на основе элементов ИВУ. Такими элементами, прежде всего, являются средства взрыва-
11
ния, ВВ, корпус (оболочка). В конструкциях СВУ широко используются подрывные тротиловые шашки массой 400. 200 и 75 г, средства детонирования преимущественно военного назначения (КД-8А, ЭДП, ЭДП-р), учебные гранаты и их элементы, корпуса боеприпасов [6].
Наиболее часто применяются корпуса гранат Ф-1 и РГД-5. Реже в качестве корпусов СВУ используются стальные баллоны, предназначенные для перевозки сжатых и сжиженных газов (в основном емкостью до 5 л), баллоны углекислотных огнетушителей (емкостью 2 и 5 л), газовые баллоны воздушнопенных огнетушителей (емкостью 65, 175 и 200 мл), баллончики бытовых автосифонов, корпуса плавких предохранителей типа ПР-2 и пр. Характерными самодельными корпусами СВУ являются отрезки труб с заглушками, литые оболочки из чугуна и свинца, а также оболочки, выполненные на токарном станке. Такие корпуса, как правило, имеют рифления или проточки на внешней поверхности (заданное дробление). Другим способом создания осколочного потока является дополнение заряда ВВ готовыми поражающими элементами (стальными шариками, нарубленными гвоздями, болтами, гайками и т.д.).
Независимо от типа ВУ для подрыва заряда ВВ необходимо произвести определенное воздействие, обычно взрывное, механическое или тепловое. Следует особо подчеркнуть нередкое использование в конструкции взрывателей чувствительных элементов (часто сопряженных с электрическими замыкателями), обеспечивающих срабатывание устройства при его наклоне, опрокидывании, смещении, толчке, при нажатии на него и, наоборот, поднимании. Наибольшую опасность при обезвреживании СВУ представляют взрыватели сложной конструкции. Например, при сочетании часового механизма и взрывателя, срабатывающего при определенном воздействии на СВУ.
12
1.1.3. Воздействие поражающих факторов взрыва на биологические объекты, элементы конструкций и сооружений
Анализ различных поражающих факторов и рассмотрение типов взрывных устройств, используемых террористами, показывает, что наибольшую опасность представляют фугасное и осколочное воздействие взрыва. Зона бризантного поражения имеет столь незначительные размеры, что, несмотря на высокую интенсивность этого вида воздействия, в рассматриваемых нами практических задачах его можно не учитывать. Зона термического поражения также существенно меньше, чем фушеного и осколочного.
Воздействие воздушной ударной волны на объекты
Одним из основных поражающих факторов взрыва является воздушная ударная волна (ВУВ). Рассмотрению повреждающего воздействия взрывной волны на элементы конструкций и биологические объекты посвящено значительное количество работ. Выработана общая точка зрения по многим вопросам принципиального характера. Однако остается немало нерешенных вопросов при рассмотрении частных задач, имеющих важное практическое значение. Это связано как с недостаточным количеством фактического материала, экспериментальных данных, полученных в сопоставимых условиях, так и с различиями в подходах при их анализе.
Повреждение объекта воздушной ударной волной (ВУВ) при взрыве определяется параметрами нагрузки на объект и его реакцией на эту нафузку.
Нагрузка на объект, создаваемая воздушной ударной волной, зависит как от параметров волны, так и от условий взаимодействия и характеристик преграды (ее ориентации, геометрии, размеров, физико-механических свойств). Свойства большинства объектов позволяют рассматривать нагрузку независимо от реакции на нее самого объекта, который принимается жестким твердым телом. Такое приближение, оправданное в силу большого различия между величинами плотности и акустического импеданса воздуха и большим-
13
ства типов преград, позволяет рассчитать нагрузку на объект с не слишком сложной структурой при известных параметрах ВУВ и геометрии преграды.
Падающая на преграду ВУВ отражается от нее, в результате чего давление на преграду возрастает по сравнению с давлением в падающей волне. Для сильных ударных волн верхняя оценка избыточного давления в отраженной волне при нормальном отражении может достигать от 8 раз (если принять показатель адиабаты воздуха у=1,4) до 20 раз (с учетом изменения у при ионизации и диссоциации воздуха) [7]. В зависимости от размеров преграды отражение может быть полным или частичным, в случае ее обтекания. Эффект обтекания приводит к ослаблению действия волны на преграду. Этим объясняется различная сопротивляемость действию ВУВ равнопрочных элементов конструкции, отличающихся по размерам.
Еще больше усложняет картину учет падения волны на преграду под углом к поверхности, приводящего к возникновению сложного взаимодействия прямой и отраженной волн.
Результат действия нагрузки на конструкции и сооружения может быть установлен решением уравнений динамики сооружений, в которых учитываются инерционные, жесткостные и прочностные параметры конструкции. К оценке поражения человека такой подход неприемлем, используется как анализ поражения взрывной волной во время боевых действий, в случаях аварий и террористических актов, так и экспериментальное изучение воздействия ВУВ на животных.
Воздействие ВУВ на объект при взрыве конденсированного ВВ определяется, прежде всего, такими ее параметрами, как избыточное давление на фронте и импульс положительной фазы (фазы сжатия). Известно, что действие на механическую систему силы, меняющейся со временем, зависит от соотношения времен приложения силы и релаксации системы. В случае длительности приложения силы, значительно превышающей время релаксации, деформации системы проиорционапьны действующей силе (статическое действие). В случае противоположного соотношения времен деформация пропор-
14
циональна импульсу силы (импульсивное действие). Повреждение конструкции наступает при превышении деформацией определенного предела.
Отметим, что внимание к характеристикам ВУВ именно в фазе сжатия при рассмотрении поражающего действия обусловлено ее значительно большей разрушительной способностью. Хотя величины импульсов сжатия и растяжения близки, импульс растяжения имеет на порядок большую длительность. Давление на фронте У В значительно превышает амплитуду волны разрежения и имеет неизмеримо большее значение для поражения.
Реакцию объекта конкретного типа (конструкции или биологического объекта) на ударно-волновое нагружение принято описывать Р -1 диаграммами (диаграммами давление - импульс, называемыми также диаграммами поражения), позволяющими установить степень повреждения объекта при известной комбинации величины нагрузки и ее импульса (рис. 1.1 из работы [7]). Линии равновероятного поражения (равной степени повреждения) изображаются на диаграмме гиперболическими кривыми, вертикальные асимптоты которых являются асимптотами режима импульсного нагружения, а горизонтальные - асимптотами квазистатического режима приложения нагрузки.
10
6 " 1 7 3
4 -
2 о -
вг г—
* 1 _ •> т
.
0,6 - ^—.......
М
V -
V 2 1 •
4 Б 10 20 40 Ю2 2-Ю* Р5.к Па
Рис. 1.1. Линии равновероятного поражения для зданий показывают границы областей: минимальных повреждений - 1, значительных повреждений -2, частичного разрушения - 3.
- Київ+380960830922