Химическая физика, 2020, T. 39, № 12, стр. 24-28

ВВЕДЕНИЕ

Взрывозащитные покрытия (ВП) являются важным элементом систем обеспечения безопасности при террористических атаках и техногенных авариях. Конечная цель применения ВП – ослабление динамической нагрузки на объект при воздействии воздушной ударной волны. Таким свойством могут обладать разнообразные среды и материалы. Анализ литературных данных позволяет классифицировать наиболее распространенные виды взрывозащитных покрытий, к которым относятся:

1) пористые сжимаемые покрытия, такие как пенополиуретан;

2) слои насыпных материалов (например, песок и т.п.);

3) текстильные материалы.

Начиная с пионерской работы [1], для исследования ослабления ударных волн (УВ) с помощью ВП широко используются ударные трубы, в которых с определенными ограничениями можно моделировать профиль давления, характерный для сферического взрыва [2]. Работа [1] стала классической и широко цитируемой в мире, поскольку в ней впервые был описан эффект значительного кратковременного усиления амплитуды отраженной ударной волны на жесткой стенке (торце ударной трубы) за блоком пенополиуретана с плотностью 20 кг/м³. Оказалось, что аналогичное явление наблюдается и в случае слоев гораздо более плотных насыпных материалов [3], а также текстиля [4, 5]. При проектировании систем взрывобезопасности необходимо исключить такие “нерасчетные” выбросы давления. Многочисленные литературные данные подтверждают, что эффект усиления взрывной нагрузки чувствителен ко многим факторам, включая тонкую структуру материала [1], размер частиц насыпной среды и степень ее предварительного уплотнения [3], а также форму профиля давления ударной волны [3]. Общим для всех ВП является то, что эффект усиления имеет выраженную зависимость от толщины покрытия h [3, 6]. Максимальное усиление достигается при относительно небольшой величине h. С ростом последней эффект исчезает и покрытие начинает выполнять свою взрывозащитную функцию, т.е. при наличии ВП амплитуда отраженной ударной волны на жесткой стенке становится меньше, чем в его отсутствие.

В течение последних десятилетий предпринимались многочисленные попытки теоретического описания эффекта усиления отраженной ударной волны при взаимодействии с пористыми сжимаемыми материалами и гранулированными средами [7–13]. Несмотря на различие используемых моделей и математических подходов, все они основаны на учете вовлечения твердой фазы в движение под действием ударно-волновой нагрузки, как и предсказывалось в работе [1]. Наглядное представление процесса отклика пористой сжимаемой среды на ударно-волновую нагрузку дает предложенная в работе [14] упрощенная модель, в которой пористый сжимаемый материал представляется эквивалентной механической системой с одной степенью свободы.

При анализе эффективности взрывозащитного покрытия необходимо учитывать не только амплитуду взрывной нагрузки, но и профиль давления. В актуальном случае сферического взрыва заряда конденсированного взрывчатого вещества давление за фронтом УВ плавно снижается до начального – формируется так называемая волна треугольного профиля давления. Скорость снижения давления и связанная с ней величина длительности фазы сжатия в точке наблюдения определяются в основном массой и расстоянием до заряда. При неидеальных взрывах, например при разрыве газонаполненного сосуда высокого давления или детонации топливовоздушного облака, реализуется более сложная картина течения, при которой за фазой сжатия следует фаза разрежения. В общем случае сжатие пористого материала при отражении УВ от его границы происходит относительно медленно. Если отраженная ударная волна имеет треугольный профиль давления, то процесс сжатия происходит в нестационарных условиях, что оказывает влияние на величину и профиль взрывной нагрузки, передаваемой жесткой подложке. Максимальное сжатие наблюдается в случае, когда ударная волна имеет ступенчатый (прямоугольный) профиль давления. Такие волны, как падающие, так и отраженные, генерируются в широко распространенных цилиндрических ударных трубах (постоянного сечения). На этих установках при использовании укороченной камеры с толкающим газом можно получить и УВ треугольного профиля давления [2, 15]. Исследование взрывной нагрузки, включающей фазу разрежения, удобно проводить в гораздо менее распространенных конических ударных трубах (КУТ). В работе [16] приведены результаты анализа течения в КУТ с углом раствора 38 ° и сделан вывод, что трубы такой геометрической формы являются эффективным инструментом для исследования воздействия сферических ударных волн на различные материалы и конструкции.

Среди перечисленных видов ВП наименее исследованными являются нетканые текстильные материалы. Между тем такие материалы широко используются в системах защиты от осколочного и фугасного действий взрыва. Типичным их представителем является пулеулавливающий материал (ПУМ) – нетканое огнестойкое полотно толщиной 3 мм из высокомодульного арамидного волокна СВМ при объемной плотности 40 кг/м³ [17]. В работе представлены результаты исследования взрывозащитных свойств ПУМ в установках различного типа – цилиндрической и конической ударных трубах.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

В стандартной постановке эксперимента в ударной трубе [1, 3, 6] исследуемое покрытие или материал размещаются в торце рабочей секции. Эксперименты со слоями нетканых текстильных материалов, к которым относится ПУМ, удобно проводить при вертикальной ориентации трубы. В опытах использовалась цилиндрическая ударная труба, камера высокого давления которой (длина – 0.5 м, диаметр – 50 мм) отделялась разрывной мембраной из алюминиевой фольги от камеры низкого давления (длина – 1 м, диаметр – 54 мм), заполненной воздухом при нормальных условиях. В качестве толкающего газа использовали смесь гелия с воздухом. Параметры падающей ударной волны измерялись с помощью пьезоэлектрических датчиков давления ЛХ-610, расположенных в трех сечениях на боковой стенке. В середине нижнего торца трубы размещался датчик давления Kistler 603B. Сигналы датчиков регистрировались встроенной в персональный компьютер системой сбора данных Т512 (Imtec). В основной серии экспериментов избыточное давление за отраженной ударной волной в газе составляло Δp₀ = = 0.62–0.66 МПа. В экспериментах варьировали толщину h слоя ПУМ путем использования определенного количества образцов полотен, вырезанных под диаметр ударной трубы. Таким образом, значение h кратно 3 мм. На рис. 1а представлен общий вид сборки, состоящей из десяти слоев ПУМ, расположенных на торцевом фланце непосредственно перед помещением в ударную трубу.

Рис. 1.

Объект и средства исследования: а – сборка из десяти слоев ПУМ перед помещением в цилиндрическую ударную трубу; б – коническая ударная труба, оборудованная датчиками давления 1–6.

Установка другого типа – коническая ударная труба КУТ-14 с углом раствора 14° и открытой конической камерой низкого давления длиной до 3 м. Камера высокого давления представляет собой цилиндр длиной 100 мм и радиусом 54 мм. Общий вид КУТ-14, оснащенной датчиками давления ЛХ-610, представлен на рис. 1б. Вдоль нижней образующей конуса напротив датчика 5 расположен дублирующий датчик 5' (не показанный на рис. 1б). Толкающий газ – смесь гелия с воздухом при давлении 3.5 МПа в момент разрыва мембраны из медной фольги. В экспериментах исследовалось распространение ударной волны вдоль слоев ПУМ, помещаемых в виде наборов листовых образцов, закрывающих чувствительный элемент датчика 5'. Таким образом, давление над и под слоем регистрировалось одновременно в двух сечениях. Расстояние от края разрывной мембраны до центра посадочного отверстия датчика 5 составляет 0.89 м. В месте расположения датчика 5 избыточное давление за проходящей ударной волной в газе составляло (70 ± 2) кПа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В экспериментах, выполненных в цилиндрической ударной трубе, проводилось сравнение амплитуды и профиля давления отраженной ударной волны в отсутствие взрывозащитного покрытия ПУМ и при его наличии. Пример такого сопоставления показан на рис. 2а, где представлены зависимости давления от времени при h = 0 и 30 мм, записанные торцевым датчиком. Как видно, профиль давления в отраженной ударной волне в отсутствие покрытия (сплошная кривая на рис. 2а) характеризуется постоянными параметрами в течение 0.5 мс после отражения. Последующее уменьшение давления связано со взаимодействием отраженной УВ с контактной поверхностью и приходом волны разрежения. При наличии слоя ВП (штриховая кривая на рис. 2а) динамика передачи ударно-волновой нагрузки существенно изменяется. Давление растет относительно плавно (без ударного фронта) и достигает величины Δp_max, в 2 раза превышающей избыточное давление Δp₀ за отраженной УВ в газе. После достижения Δp_max давление под слоем уменьшается и далее меняется согласно динамике изменения давления в газе. Выявленные особенности процесса передачи ударно-волновой нагрузки через ВП аналогичны наблюдаемым в случае пористых сжимаемых материалов и насыпных сред.

Рис. 2.

Записи давления P в отсутствие (сплошные кривые) и при наличии (штриховые кривые) слоя ПУМ: а – ступенчатая нагрузка; б – треугольный профиль давления; в – сферическая УВ, смоделированная в КУТ.

Как отмечалось выше, реальной взрывной нагрузке часто отвечает треугольный профиль давления. В экспериментах с использованием цилиндрической ударной трубы такой профиль получали путем существенного уменьшения длины камеры высокого давления с 0.5 до 0.07 м. На рис. 2б приведен пример записи давления для этой конфигурации. Как видно, в отраженной ударной волне (сплошная кривая на рис. 2б) уменьшение давления начинается сразу за фронтом. При этом длительность фазы сжатия трудно оценить, поскольку фаза разрежения отсутствует. При наличии слоя ПУМ толщиной 30 мм (штриховая кривая на рис. 2б), как и в случае рис. 2а, наблюдается скачок давления. Как и для насыпной среды [3], для УВ треугольного профиля давления величина Δp_max меньше, чем для ступенчатой нагрузки такой же амплитуды.

На рис. 2в представлены записи давления в КУТ-14 в газе (сплошная кривая) и под слоем ПУМ толщиной 30 мм (штриховая кривая), сделанные датчиками 5 и 5', расположенными в одном сечении. В отличие от экспериментов, проведенных в цилиндрической ударной трубе, амплитуда на фронте УВ в газе, как и длительность фазы сжатия, значительно меньше. За фазой сжатия следует характерная для сферического взрыва выраженная фаза разрежения. Под слоем ПУМ максимальная величина Δp_max не превышает амплитуду избыточного давления на фронте проходящей волны в газе, которая в этом случае является аналогом параметра Δp₀ – избыточного давления за отраженной УВ в цилиндрической ударной трубе.

При анализе зависимости величины максимального давления, передаваемого подложке, от толщины слоя ВП будем использовать максимальный коэффициент относительной нагрузки δ_max = Δp_max/Δp₀, введенный в работах [3, 14]. На рис. 3 представлено сопоставление полученных в работе экспериментальных зависимостей для ПУМ с имеющимися в литературе данными для слоев песка и пенополиуретана. Как видно, измеренная в цилиндрической ударной трубе величина δ_max (кривая 1) достигает максимума, равного ≈2 при h = 30–40 мм. В конической ударной трубе (кривая 2) усиление ударно-волновой нагрузки не столь значительно и максимум δ_max ≈ 1.2 наблюдается при h = 9 мм. Выявленное различие может быть интерпретировано с помощью модели механического эквивалента [14]. Успешное применение этой модели к описанию результатов экспериментов с пенополиуретаном [14] и насыпными средами [3] дает основание полагать, что и в случае текстильных материалов имеет место аналогичная феноменология процесса передачи ударно-волновой нагрузки.

Рис. 3.

Зависимость максимальной величины коэффициента относительной нагрузки от толщины слоя: 1 – ПУМ (цилиндрическая ударная труба); 2 – ПУМ (коническая ударная труба); 3 – песок [3]; 4 – пенополиуретан [6].

Арамидные волокна в ПУМ образуют каркас, который при отражении ударной волны от поверхности слоя сжимается на начальном этапе практически без сопротивления. Материал движется с ускорением в направлении подложки. После уплотнения передаваемая подложке нагрузка определяется уже упругими свойствами самих волокон и начальным условием, задаваемым приобретенным импульсом. Сжатие без существенного сопротивления более эффективно при относительно большой амплитуде ударной волны, как это имеет место в экспериментах в цилиндрической ударной трубе. В конической ударной трубе избыточное давление на фронте скользящей УВ почти на порядок меньше. В таких условиях каркас сжимается в меньшей степени. Кроме того, в ударной волне взрывного (треугольного) профиля давление на поверхности сжимаемого слоя непостоянно и уменьшается в процессе сжатия за счет волны разрежения. Эти факторы приводят к различиям в величине δ_max (кривые 1 и 2 на рис. 3).

Как видно из рис. 3, для песка со средним размером частиц 0.3 мм и УВ с Δp₀ = 2.8 бар (кривая 3) наблюдается рост величины δ_max в 1.5 раза, по сравнению с ПУМ. Следует, однако, учитывать, что прямое сравнение в этом случае может быть некорректным вследствие существенного различия характеристик ПУМ и песка – материала с плотностью частиц 2450 кг/м³ и насыпной плотностью 1800 кг/м³. По этим параметрам гораздо ближе к ПУМ, в котором плотность составляет около 40 кг/м³, находится пенополиуретан [6, 14] с плотностью 33 кг/м³. Кривая 4 на рис. 3 представляет экспериментальные данные [6] при Δp₀ = = 2.2 бар. Как видно, для пенополиуретана величина δ_max в 2–2.5 раза выше, чем для ПУМ. Максимум (не показан на рис. 3) составляет δ_max ≈ 10 при h = 100 мм. Таким образом, с точки зрения взрывозащиты и снижения импульсных нагрузок ПУМ является более эффективным материалом, чем пенополиуретан.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эксперименты в цилиндрической и конической ударных трубах показали, что параметры ударно-волновой нагрузки, передаваемой через слои нетканого материала из арамидного волокна, зависят от интенсивности воздушной ударной волны и ее профиля. Установлено, что аналогично другим пористым сжимаемым покрытиям при относительно небольшой толщине исследуемого материала в профиле давления на жесткой подложке присутствует импульсная составляющая, амплитуда которой может значительно превышать давление отражения ударной волны в отсутствие покрытия. Учет этого эффекта необходим при проектировании систем защиты от фугасного действия взрыва. Разработанная методика экспериментального моделирования и полученные результаты показали, что коническая ударная труба является достаточно эффективным инструментом для исследования взаимодействия проходящих сферических ударных волн со слоями взрывозащитных покрытий.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-19-00554).