Оглавление

ФРАКТАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ И ЭВОЛЮЦИОННАЯ СПИРАЛЬ В ДЕТОНАЦИОННОЙ ВОЛНЕ НИЗКОПЛОТНЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ СМЕСЕЙ
Н.М. Калинина, В.И. Нифадьев
Киргизско-Российский Славянский университет, Бишкек

        Процесс детонации представляет собой самоподдерживающееся распространение по заряду зоны химического превращения взрывчатого вещества, сопровождающееся выделением большого количества энергии за короткий промежуток времени. В отличие от стационарной детонации, протекающей в плотных однородных взрывчатых веществах с постоянной скоростью, детонация в низкоплотных смесях, состоящих из сильно неоднородных компонентов (как по плотности, так и по составу), носит пульсирующий характер, обусловленный последовательным чередованием самоускорения и самозамедления процессов, протекающих в зоне химического превращения исходного вещества.
         На примере детонации низкоплотных взрывчатых смесей можно рассмотреть основные закономерности эволюционных процессов, наблюдаемых в неоднородных нелинейных средах самой различной природы. Эти закономерности связаны, в первую очередь, с процессами самоорганизации, протекающими в детонационной волне на ее различных структурных уровнях. Им присущи цикличность, фрактальность, необратимость, скачкообразная смена состояний, иерархический принцип организации.
         В качестве глобального аттрактора процесса детонации рассматривается превращение исходной взрывчатой смеси в конечные продукты детонации, сопровождающееся выделением максимально возможного количества энергии заряда. В качестве одного из промежуточных аттракторов, представляющих наибольший интерес в контексте данного доклада, рассматривается состояние, названное авторами детонационной плазмой. Оно проявляется в образовании плазменного сгустка – фрактального кластера с достаточно большим запасом химической энергии и значительными силами сцепления между образующими его элементами.
         На рис. 1 показан процесс образования и развития фрактального кластера, сформировавшегося в воздухе из промежуточных продуктов детонации низкоплотной взрывчатой смеси. По мере распространения детонации вдоль заряда уменьшается интенсивность свечения кластера, увеличивается его объем, усложняется структура. Увеличение объема происходит как за счет уменьшения избыточного давления в кластере, так и за счет присоединения к нему новых порций промежуточных продуктов.

        При незначительном изменении состава и плотности материала, образующего оболочку, в которую помещен заряд, четко проявляется ячеистая структура кластера, просматривается ее сложное строение (рис. 2).Изучение отпечатков детонационной плазмы, полученных на пластинах из оргстекла и латуни (рис.3, 4), позволило выявить их тонкую структуру на нескольких масштабных уровнях. На основании приведенных снимков можно сделать вывод, что структуры, составляющие сгусток промежуточных продуктов детонации, самоподобны по форме, иерархически организованы, имеют дробную размерность. Специальными опытами было установлено также, что детонационная плазма ведет себя как единое целое, перетекая по стеклянным трубкам различных конфигурации и диаметра, и сохраняет свою целостность при выходе из трубок в воздух.
        Детонационная плазма в виде фрактального кластера проявляет одновременно свойства, характерные для твердого вещества (упорядоченность структуры) и газов (сжимаемость, текучесть), что позволило авторам классифицировать такое состояние как газокристаллическое.
         Большое влияние на процессы самоорганизации в детонационной волне оказывают свойства оболочек, в которые помещаются заряды: прочность, хрупкость, пластичность, теплопроводность и т.п. Этими свойствами в первую очередь определяется степень открытости системы, возможность ее тепло- и массообмена с окружающей средой.
        Приведенные выше фрактальные кластеры в виде шаровидных сгустков наблюдались при детонации зарядов в бумажных оболочках. При переходе к взрыванию в тонкостенных стеклянных оболочках (трубках), то есть при увеличении степени закрытости системы и, соответственно, температуры и давления в реакционной зоне, начинает ярко проявляться спиралевидный характер промежуточных продуктов детонации (рис. 5).

         Как известно, фрактальность структуры обеспечивает дальнодействующий характер и когерентность взаимодействия всех систем и подсистем, образующих сложное целое. При детонации низкоплотных смесей эти свойства проявляются при помещении заряда во внешние электрические и магнитные поля (рис. 6), а также между пластинами и экранами из различных инертных материалов. При таких воздействиях сразу во всем объеме кластера изменяется структура и интенсивность свечения вещества; при соответствующих значениях напряженности электрического поля происходит полное прекращение процесса детонации. Столкновение фрактального кластера с инертными пластинами, сжатие его между ними приводило к неожиданным проявлениям далеко впереди фронта детонационной волны. В таких экспериментах поля и пластины можно рассматривать как управляющие параметры, приводящие к необходимости адаптации сложной целостной системы к изменению внешних условий.
         В качестве внутренних управляющих параметров можно рассмотреть такие свойства компонентов как упругость, объемная плотность, структура, химическая активность исходных компонентов, наличие в них катализаторов, приводящих к самоускорению процессов.
        Незначительные отклонения в значении отдельных характеристик могут привести к переходу детонации на другой режим, что сразу же сказывается на скорости распространения процесса и полноте энерговыделения. Например, увеличение плотности гранул пенополистирола с 0,008 г/см3 до 0, 015 г/см3 в сверхнизкоплотных взрывчатых смесях может вызвать полное затухание детонации.

         Введение сажистых добавок приводит к снижению интенсивности свечения детонационной плазмы и уменьшению скорости детонации (рис. 7). Такие добавки играют в данном случае роль флегматизатора. В зависимости от количества добавок эта роль может быть как положительной, так и отрицательной. Так, в некоторых случаях замедление процессов может способствовать увеличению энерговыделения за счет того, что все компоненты смеси, очень неоднородные по своим свойствам, успевают полностью газифицироваться и прореагировать между собой. Если же таких добавок будет слишком много, они превратятся в балласт, на который нужно будет тратить дополнительную энергию. Следует отметить, что в детонационных процессах, протекающих в зарядах пониженной плотности, чувство меры при выборе компонентного состава имеет особое значение.

        На примере детонационной волны можно рассмотреть некоторые циклические закономерности развития сложных нелинейных систем. Как показали исследования, направленные на изучение механизма детонации низкоплотных и сверхнизкоплотных взрывчатых смесей [1], детонационная волна представляет собой сложный спектр так называемых волн-предшественников, которые можно охарактеризовать, как набор структур-аттракторов, находящихся в иерархической подчиненности относительно друг друга. На уровне каждой из этих структур происходит скачкообразная смена термодинамического состояния взрывчатой смеси, сопровождающаяся выделением тепла. В течение полного цикла, соответствующего периоду детонационной волны, исходная смесь проходит через несколько промежуточных состояний и на завершающей стадии превращается в конечные продукты детонации – окислы углерода, азота, воду и сажу.
         На каждой из промежуточных стадий во взрывчатой смеси возникает соответствующее этой стадии состояние, которое может быть охарактеризовано как диссипативная структура, распределенная сразу по всему объему зоны химической реакции. Протяженность этой зоны составляет от 3-5 до 15-16 см в зависимости от плотности заряда.
         Фрактальная размерность (мощность)диссипативной структуры растет по мере перехода процесса на более высокие уровни и соответствующего вовлечения в реакцию все большего и большего количества вещества. Так формируется те фрактальные кластеры, которые изображены на приведенных выше кадрах скоростной фотосъемки (рис.1-2, 5, 7).



        Если заряд помещен в прочную массивную оболочку и фрактальный кластер не может выйти в воздух, то на завершающей стадии описанного сложного цикла происходит сжатие сформировавшегося фрактального кластера расширяющимися газами, образовавшимися в предыдущем цикле взрывчатого превращения смеси. В результате такого динамичного сжатия (которое можно рассматривать как скручивание спирали) происходит разрушение связей в структуре кластера, или ее хаотизация, вследствие чего компоненты, из которых был рожден кластер, получают возможность вступить в химическую реакцию друг с другом. Протекание этой реакции сопровождается выделением большого количества тепла и газов, то есть максимальным ростом энтропии, а сложная самоорганизующаяся нелинейная система на рассмотренном участке прекращает свое существование.
        Но детонация продолжает распространяться дальше по длине заряда, поскольку в течение своей “жизни”, то есть в течение промежутка времени от начала образования и до момента взрывчатого разрушения, фрактальный кластер успевает послать далеко вперед высокоинтенсивный импульс излучения – предвестник (и инициатор) разворачивания нового цикла, новой эволюционной спирали.

         Насколько же новый цикл будет похож на предыдущий? Это зависит от состава взрывчатой смеси на новом участке, а также от тех корректив, которые могут быть внесены в процесс детонации в результате изменения внешних управляющих параметров. Например, картина будет резко меняться, если зарядная трубка, в которую помещается взрывчатая смесь, на одном участке изготовлена, например, из стали, на другом – из стекла, а на третьем – из бумаги. Значительное различие в циклах возникнет и в том, случае, когда заряд на каком-то из участков по своей длине окажется в области действия внешнего электрического или магнитного поля.
         Кроме того, даже без внешнего вмешательства абсолютная идентичность циклов в принципе невозможна, поскольку невозможно приготовить совершенно одинаковые порции взрывчатой смеси даже в пределах одного заряда, так как неоднородность заряда заведомо обуславливается неоднородностью исходных компонентов, возникающей еще на стадии их получения (в процессе полимеризации, грануляции и т.д.). Поэтому и циклы взрывчатого превращения в детонационной волне могут быть только похожими (подобными), но не тождественными. Особенно большая разница во внутреннем содержании циклов возникает при значительных изменениях масштабов заряда.
         Так, по структурной организации процессов в детонационной волне детонация одного грамма взрывчатого вещества совсем не одно и то же, что детонация одного килограмма. А детонация нескольких тысяч тонн взрывчатого вещества не может быть тождественна в этом смысле детонации вещества размером со звезду или галактику.
         Эта разница будет выражаться, в первую очередь, в разном количестве структурных уровней в детонационной волне: чем крупномасштабнее система, тем больше в ней структурных уровней.



        Сопоставление процессов, протекающих в детонационной волне низкоплотных взрывчатых смесей, с процессами, наблюдаемыми в социальных, экономических [2, 3], а также в биологических системах [4], показывает, что в характере эволюции этих систем, несмотря на их внешнее различие, присутствует много общего. Поэтому процесс детонации можно с определенной степенью приближения рассматривать в качестве аналога самоорганизующихся систем самой различной природы.

Литература

  1. Нифадьев В.И., Калинина Н.М. Низкоплотные и сверхнизкоплотные взрывчатые смеси. Механизм детонации. – Бишкек: Илим. 1998.
  2. Калинина Н.М. Миграция как способ адаптации системы к изменению управляющих параметров // Материалы научно-практической конфер. “Внешняя миграция русскоязычного населения Кыргызстана: проблемы и последствия. Кыргызско-Российский Славянский университет; Бишкекский Центр по управлению миграционными процессами. – Бишкек: Илим, 2000. – С. 66-80.
  3. Калинина Н.М. Синергетика – объединительный фактор естественно-технических и гуманитарных наук //Актуальные проблемы образования и духовной культуры Кыргызстана в евразийском пространстве. Труды Института мировой культуры. Выпуск II. – Бишкек – Лейпциг: Илим, 200. - С. 121-130.
  4. Яшин А.А. Информационно-полевая самоорганизация биосистем // Вестник новых медицинских технологий. – 2000. – Т. VII, № 1. – С. 30-38.

Оглавление