К вопросу о протекании взрывных процессов при хранении групп боеприпасов и возможности прогнозирования их последствий Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Канд. техн. наук, профессор, Пермский военный институт внутренних войск МВД РФ

В. В. Ильин

Д-р физ.-матем. наук, профессор, Пермский государственный технический университет

А. П. Рыбаков

Канд. техн. наук, доцент, Пермский государственный технический университет

О.Ю. Вологжанин

УДК 622.61

К ВОПРОСУ О ПРОТЕКАНИИ ВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ХРАНЕНИИ ГРУПП БОЕПРИПАСОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИХ ПОСЛЕДСТВИЙ

Проводится краткий анализ ситуации, сложившейся охранением боеприпасов в России, и возможных последствий при поражающем воздействии на них. Рассматривается протекание взрывного процесса в условиях группового хранения боеприпасов сточки зрения элементов теории массового обслуживания и с учетом разновременности инициирования каждого из них поражающими элементами, что позволяет более точно определять вероятность задействования рядом хранящихся изделий данного типа. Проведена оценка скорости и коэффициента отбора энергии осколком аварийновзорвавшегося боеприпаса с учетом разновременности инициирования его взрывчатого вещества. Предлагается проект концепции прогнозирования аварийных ситуаций и их последствий при хранении групп зарядов взрывчатых веществ, которая представляет собой систему основополагающих принципов и путей исследований, направленных на создание необходимых условий для обеспечения безопасности при хранении боеприпасов.

Сегодня чрезвычайно обострились вопросы повышения пожаровзрывобезопасности при хранении боеприпасов как традиционного, так и специального снаряжения. Всего в стране в нескольких сотнях арсеналов, складов и баз хранится различных боеприпасов на 1,5 триллиона рублей. Около 30% боеприпасов находится в железобетонных хранилищах, 20% — в кирпичных, около 10% — в деревянных постройках, а примерно 40% вообще лежат под открытым небом. В 70-80-х годах прошлого века темпы производства боеприпасов в советской оборонной промышленности были таковы, что в войска и другие силовые структуры поступало около 40 тысяч условных вагонов боеприпасов. В то же время резко сократились ассигнования на возведение специальных хранилищ и арсеналов, отвечающих последним требованиям пожаровзрывобезопасности. В итоге, в настоящее время хранилища и арсеналы всех силовых структур в среднем перегружены в 1,3-1,7 раза. Неудивительно, что при таком положении дел нарушены многие нормы и правила хранения взрывоопасных изделий. Таким образом, встает вопрос о рациональном и взрывобезопасном их размещении на ограниченных территориях в связи с нехваткой хранилищ и средств.

Сказанное выше, безусловно, требует поиска и разработки новых путей повышения безопасности хранения боеприпасов, а также пересмотра представлений о характере протекания взрывных процессов при их массовом взрыве. К сожалению, печальная статистика последних лет подтверждает эту необходимость: масштабные взрывы боеприпасов на складах в г.г. Санкт-Петербург и Хабаровск в 2000 г., в Запорожье в 2004 г., взрывы на складах Тихоокеанского флота (ТОФ). Этот список можно продолжить, и, как правило, все подобные чрезвычайные ситуации сопровождаются гибелью людей, многомиллионными финансовыми потерями, подрывом обороноспособности страны. Причины возникновения чрезвычайной ситуации могут быть самые различные: человеческий фактор, природные катаклизмы, техногенные аварии. Известно, что при подобных авариях нарушается и экологическое равновесие. Результаты оценки экологического состояния г. Владивосток после взрыва на арсенале ТОФ 15 мая 1992 г. показали, что в пределах “следа” дымового потока возросло содержание циркония, кобальта, мышьяка и ртути более чем в 2 раза, кад-мияибария — в 1,7-1,8раза, стронция — в 1,4 раза.

В настоящее время боеприпасы хранятся по одному или несколько изделий в укупорке, контейнерах, ящиках для хранения, как правило, в отдельных хранилищах, размещенных на территории базы хранения. На основании этого их можно рассматривать разнесенными в пространстве, но представляющими собой единую распределенную систему групп зарядов (РСГЗ), способную к взрыву как частично, так и полном объеме. В случае взрыва одного или группы зарядов поражающие факторы взрыва распространяются по пространству, разделяющему их, и оказывают инициирующее действие на близлежащие боеприпасы. Таким образом, взрыву повергается практически вся РСГЗ, то есть хранилище и база в целом. Отсюда вытекает необходимость прогнозирования поведения твердых гетерогенных взрывчатых веществ (ВВ) при воздействии поражающих факторов на конструкцию боеприпа-са, а также комплексного исследования явления взрыва при их массовом скоплении.

Особенностью является то, что прогнозировать результаты подобного взрыва чрезвычайно тяжело из-за нестационарности протекаемых процессов, которые зависят от множества случайных факторов. Безусловно, подрыв хранилища будет происходить не мгновенно, а в течении некоторого промежутка времени х (времени инициирования), который определяется расстоянием между зарядами в хранилище (между хранилищами), скоростью детонации конкретного ВВ, массой и плотностью заряда ВВ, максимальной температурой вспышки ВВ заряда [1].

В условиях взрыва на арсенале нескольких хранилищ с боеприпасами передача детонации может осуществляться посредством поражающих элементов, термического воздействия, ударных волн, по проходам между еще неразрушенными хранилищами посредством пылевых облаков. С каждым последующим инициированием заряда в цепочке процессов меняется состояние среды: увеличивается температура и концентрация пылевых взвесей, продукты взрыва вновь вступают в реакцию с последующими зарядами, и, таким образом, мы имеем последовательный взрывной процесс. Как элементы системы, боеприпасы взаимодействуют между собой, то есть имеют входные воздействия поражающих факторов с интенсивностью и выходные с интенсивностью цг-, являющиеся следствием взрыва боеприпаса. По сути, в данном случае мы имеем многоканальную систему массового обслуживания с отказами (отказ — непробитие корпуса боеприпаса или рикошет поражающего элемента), неупорядоченным обслуживанием и числом каналов, увеличивающимся во времени в геометрической прогрессии.

Под каналом связи будем понимать физическую среду, посредством которой осуществляется обмен продуктами взаимодействия (продуктами взрыва, осколками). В качестве допущений примем следующие ограничения: поражающее воздействие осуществляется только на ближайшие боеприпасы, все боеприпасы имею достаточно крупный калибр, воздействие поражающих элементов на боеприпасы рассматривается как простейший поток событий. Кроме того, допускаем, что процесс в системе стационарен. Система боеприпасов имеет конечное число состояний, которое можно охарактеризовать потенциалом состояния:

• Q0 — начальный потенциал, в системе отсутствует воздействие поражающих элементов;

• Qk — по к каналам связи уничтожено к боеприпасов, остальные исправны;

• Qn — по п каналам связи уничтожено п боеприпасов, остальные исправны;

• & + 1 — п + 1 боеприпасов системы уничтожены.

Все боеприпасы в системе имеют одинаковый начальный потенциал и равномерно распределены по площади объекта хранения. В любой момент времени РСГЗ может оказаться в одном из указанных состояний. Переход системы боеприпасов из одного состояния в другое (рис. 1) есть событие случайное и осуществляемое под воздействием поражающих факторов с интенсивностью . По сути, сам процесс перехода из состояния Q0 в состояние Qn +1 является непрерывным во времени, а число воздействий на боеприпасы с интенсивностью увеличивается в геометрической прогрессии. Выходные воздействия с интенсивностью цг-, стремящиеся перевести систему в состояние с наименьшим потенциалом (с нулевым выходом энергии), в свою очередь, являются очередными значениями , переводящими систему к более высокому потенциалу. Таким образом, в системе боеприпасов входящий поток воздействий формируется из выходящего. Время возникновения выходных воздействий обусловлено временем реакции каждого элемента системы (боеприпаса) на воздействие поражающих факторов. Поток воздействий неизбежно имеет сгущения или разрежения, но они не носят закономерного характера, и среднее число воздействий, приходящееся на единицу времени, постоянно и от времени не зависит. Пусть ру ^0, ?0 + ?) — вероятность

2Мк0 4^нк М-(и+1)и

Рис. 1. Граф состояний системы боеприпасов в режиме инициирования

36

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2007 ТОМ 16 №1

того, что система боеприпасов переходит из состояния Q0 в состояние Qk за период времени [г0, г0 + г ]. Данная вероятность называется переходной вероятностью системы и зависит от значений Хі и цг-. Введем в рассмотрение матрицу переходных вероятностей состояния системы боеприпасов:

Р( г) =

Р00( г ) Р0к ( г )

Рк 0( г ) Ркп ( г )

Рі 0( г ) Рік ( г )

Р—ї (г) ...

Рп] (г) ...

Р (г) ...

. (1)

Сумма элементов любого столбца этой матрицы (как и сумма элементов любой строки) равна единице, ведь эти элементы — вероятности событий, составляющих полную группу событий. Уравнения Эрланга для вероятностей состояний системы Р0,

■ ■Р

к>

Рп будут иметь стандартный вид [2]:

йР0

—— = -Хр— + цР1; аг

йР

—ТТ = ЬРк -1 - (Ь + кР-)Рк + К к + 1)Рк +1, (2)

1 < к < п - 1;

ОР,

йг

= ЬРп -1 -^пРп .

Исходя из того, что имеется не один, а несколько входных потоков воздействий, все они пуассонов-ские и каждый имеет свой параметр X (Х^... ,ХМ), то и суммарный входной поток воздействий тоже будет пуассоновским с параметром

N

Л = Е Ьі і = 1

(3)

Функция распределения времени реакции боеприпасов системы имеет вид:

в( г) = Ех (1 - е ').

(4)

=1

Исходя из того, что потоки поражающих воздействий с разных направлений могут реализовать инициирование боеприпаса в нескольких точках одновременно или с запаздыванием, характеристики выходных воздействий с интенсивностью цг- варьируются случайным образом, что обуславливает сложность взрывного процесса в РСГЗ. В частности, именно от характера инициирования меняются скорость разлета осколков, продуктов взрыва и коэффициент отбора энергии осколком от заряда ВВ.

Оценка этих параметров с учетом разновременности инициирования позволяет более точно определять вероятность задействования рядом хранящихся боеприпасов данного типа [3].

Предельная скорость и коэффициент отбора энергии осколком от заряда ВВ при инициировании боеприпаса с учетом разновременности определяются выражениями:

27 М

К

иг

(5)

(6)

где — предельная скорость движения поражающего элемента — безразмерная величина, являющаяся отношением скорости поражающего элемента ипэ к скорости детонации идет ;

К3, К4 — безразмерные константы;

М — удельная масса — безразмерная величина, являющаяся отношением массы поражающего элемента тпэ к массе взрывчатого вещества тее;

скорость продуктов взрыва в зоне посто-

янного течения — безразмерная величина, являющаяся отношением скорости поражающего элемента ипэ к скорости детонации идет,

1 -

27

— м

32 (27

— М + 32

1-і АТ| 2

АТ — возможная разновременность инициирования боеприпаса — безразмерная величина, являющаяся отношением текущего времени Ттек ко времени движения детонационной волны по заряду Тде;

Ф — коэффициент отбора энергии осколком от заряда ВВ — безразмерная величина, являющаяся отношением энергии поражающего элемента Жпэ к энергии взрывчатого вещества Жее.

На рис. 2 приведены зависимости коэффициента отбора энергии осколком от разновременности инициирования. Из анализа графиков видно, что для осколков максимальное значение ф имеет при АТ от -0,8 до -1. То есть со стороны, противоположной точке попадания поражающего элемента (ПЭ), ф будет иметь максимальное значение и далее будет уменьшаться в зависимости от того, в какой момент времени придет второй ПЭ. Минимум значения ф наблюдается при АТ от 0,8 до 1. Кроме того, величина изменения коэффициента отбора энергии осколком определяется его массой в зависимости от разновременности инициирования (рис. 3). Из графиков видно, что, например, при М = 0,4 коэффи-

ф

Рис. 2. Зависимость коэффициента отбора энергии осколком от разновременности инициирования

Рис. 3. Зависимость коэффициента отбора энергии осколком от удельной массы

циент ф уменьшается на 59% в пределах разновременности от -0,9 до +0,9.

Графики зависимости предельной скорости осколка от его удельной массы для вышеуказанных случаев инициирования приведены на рис. 4. Видно, что с уменьшением массы осколка его скорость растет и при М ^ 0 ида стремится к скорости разлета продуктов взрыва со свободной поверхности. При М ^ да для всех случаев ида ^ 0. В частности, для М =0,4 предельная скорость изменяется на 40% в интервале от -0,9 до +0,9. Зависимость ида пластины от АТ представлены на рис. 5. Очевидно, что предельная скорость осколков со стороны, противоположной точке инициирования боеприпаса, на 40% больше, чем со стороны воздействия ПЭ, и изменяется в зависимости от удельной массы.

Рис. 4. Зависимость предельной скорости осколка от его удельной массы

Рис. 5. Зависимость предельной скорости от разновременности инициирования

В ходе изучения аварийных ситуаций, в частности при хранении боеприпасов, опираясь на представленную модель инициирования, можно спрогнозировать наиболее опасные сценарии их развития. Исходными данными для построения таких сценариев служат: перечень основных источников опасности на объекте хранения, исходные данные о взрывоопасности ВВ, механизмы инициирования и

38

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2007 ТОМ 16

Рис. 6. Концепция диагностики и прогнозирования аварийных ситуаций и их последствий при хранении групп зарядов ВВ

детонации ВВ, фугасное действие от воздушных ударных волн и волн разрежения, взрывные нагрузки в закрытых объектах с учетом вторичных взрывных явлений, тепловое действие при взрывных превращениях [4, 5]. Наименее же изученным вопросом при групповых взрывах является передача детонации по пылевым взвесям. Все указанные данные наряду с энергетическими характеристиками ВВ и параметрами, характеризующими скорость распространения детонационных волн, степень расширения продуктов взрыва, должны учитываться при определении параметров поражающих воздействий.

Сказанное подчеркивает необходимость создания концепции диагностики и прогнозирования аварийных ситуаций и их последствий при хранении групп зарядов ВВ (боеприпасов). В основу этой концепции могут быть заложены возможные сценарии развития подобных аварий, а также последовательное их исследование, включая возможные исходные события, пути их развития и ожидаемые последствия, меры предупреждения и ликвидации последствий. В ней также определяются исходные данные по возможным аварийным ситуациям в ходе хранения боеприпасов, обозначены возможные средства защиты от подобных аварий.

Концепция диагностики и прогнозирования аварийных ситуаций и их последствий при хранении групп зарядов ВВ исходит из реальности возникновения аварий, требует сведения вероятности их возникновения к минимуму и максимальной ло-

кализации последствий. Она представляет собой систему основополагающих принципов и путей исследований, направленных на создание необходимых условий для обеспечения безопасности при хранении боеприпасов. Данная концепция может предусматривать поэтапное рассмотрение и изучение направлений, представленных нарис. 6. Ее особенность заключается в гибкости, возможности адаптации к различным условиям аварийных ситуаций. Кроме того, возможно использовать лишь некоторые этапы концепции, наиболее необходимые в какой-то конкретной ситуации.

Таким образом, рассматривая взрывной процесс в условиях группового хранения боеприпасов с учетом разновременности их инициирования, мы можем прогнозировать последствия взрыва, взяв за основу данные о скорости разлета осколков и продуктов взрыва, а также конфигурацию поля взрыва боеприпаса. Дальнейшее развитие теории взрыва в РСГЗ и создание концепции диагностики и прогнозирования аварийных ситуаций позволят: прогнозировать поведение отдельного боеприпаса и РСГЗ в чрезвычайной ситуации, определять виды и параметры аварийных воздействий на боеприпасы и анализировать их характер, разработать систему требований к их снижению, подтверждать расчетно-экспериментальными и аналитическими методами заданный уровень безопасности зарядов, выработать рекомендации по минимизации последствий аварийного взрыва.

ЛИТЕРАТУРА

1. Саркисян А. Т., Дорофеев Т. С. Авиационные боеприпасы. — М.: Акад. им. Н. Е. Жуковского,

1978. —С. 131.

2. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. — М.: Высшая школа, 2001. — С. 543.

3. Андреев К. К., Беляев А. Ф. Теория взрывчатых веществ. — М.: Оборонгиз, 1960. — 596 с.

4. Рыбаков А. П. Ударные волны в конденсированных средах. 4.1. — Даугавпилс: Изд. Университета, 1984. — 128 с.

5. Харитон Ю. Б. Вопросы теории взрывчатых веществ. Кн. 1. — М.: Изд. АН СССР, 1947. — С. 7.

Поступила в редакцию 26.12.06.