מחקר ניסויי של פיצוצים כלואים של חומרי נפץ פלסטיים מרסקים

בכתב העת Proceedings of the Royal Society A פורסם בגיליון האחרון (480 (2294) July 2024) מאמר של 13 חוקרים מאוניברסיטאות בבריטניה תחת הכותרת: מחקרים ניסיוניים של פיצוצים כלואים של חומרי נפץ פלסטיים מרסקים באטמוספרות אינרטיות ותגובתיות (Experimental studies of confined detonations of plasticized high explosives in inert and reactive atmospheres).

לאחר פיצוץ חומר נפץ כדור אש חם, המכיל לרוב מרכיבים מחומצנים-חלקית, משתחרר. התפשטות ענן כדור האש יוצרת גלי הלם באטמוספירה הסובבת, המתפשטים הלאה ממקור הפיצוץ. 

כאשר חומרי נפץ מתפוצצים בחלל סגור (כלוא), הֶחְזֵרִים מהדפנות חוזרים ונשנים של גלי ההלם שנוצרו גורמים לערבוב אלים של תוצרי הפיצוץ עם האטמוספירה של תא הכליאה, ולהיווצרות לחץ מֵעֵין-סטטי (Quasi-Static Pressure - QSP). 

במקרה של חומרי נפץ עתירי-דלק, כדור האש מכיל מרכיבים מחומצנים חלקית, ואותו ערבוב אלים שלהם עם אטמוספרה עשירה בחמצן והטמפרטורה הגבוהה מביאים לשחרור אנרגיה תֶּרְמִית נוספת באמצעות בעירה משנית (Secondary Combustion/Afterburn) מהירה. 

עם הזמן גלי ההלם דועכים ובהיעדר הפסדי אנרגיה תרמית או אוורור, יתקיים בחלל תא הכליאה לחץ מעין-סטטי מעל הערך שבסביבה. 

המגניטודה של הלחץ המעין-סטטי מושפעת מנפח חלל תא הכליאה, מנפח הגז שנוצר מהפיצוץ ומהאנרגיה שהשתחררה. פרמטרים אלו מביאים לעלייה בטמפרטורה הפנימית ובלחץ של תא הכליאה.

המצב הופך מורכב עוד יותר בשל העובדה, שרוב חומרי הנפץ המרסקים הם גם עתירי-דלק. משמעות הדבר היא, שתגובת הבעירה המשנית יכולה לגרום לשחרור אנרגיה נוסף, כאשר מתרחש אותו ערבוב אלים בתָּוֶךְ הסובב. שחרור אנרגיה נוסף זה הוא תוצאה ישירה של תהליכי ניפוץ ובעירה מהירה של חומר הנפץ ומוצריו, בהתאמה. 

המאמר מתאר מחקר ניסויי בקנה מידה קטן בחומרי נפץ פלסטיים מרסקים, עתירי-דלק, מבוססי RDX ו-PETN, המדגימים את יכולת ההחזר הגבוהה של הלחץ המעין-סטטי, שנוצרת בתא כליאה אטום. 

במחקר נעשה שימוש בפיצוצים באטמוספירה של אוויר, של חנקן ושל אַרְגּוֹן כדי לזהות את תרומת הבעירה המשנית ללחץ המעין-סטטי הכולל, כדי להעריך את משך תגובות הבעירה המשנית וכדי לשערך את טמפרטורת הלהבה, הקשורה למנגנון זה. 

החוקרים אימתו את הממצאים הללו, כאשר ביצעו הדמיה לביצועים של פיצוצי TNT בקנה-מידה של גרמים בודדים בתא כליאה בסביבות שונות. התמונות שהתקבלו הראו מִבְנֵי חוסר-יציבות בולטים יותר בתָּוֶךְ עשיר בחמצן בו-זמנית לאחר פיצוץ באווירת חנקן או אַרְגּוֹן. 

החוקרים ביצעו סימולציה מספרית וגילו, שקצב הבעירה תלוי בגודל תא הכליאה, שבאופן הגיוני יכול להיות קשור ישירות לזמן, שבו מתרחש הערבוב האלים כתוצאה מהאינטראקציות של גלי ההלם המוחזרים ושל כדור האש. 

נמצא, שעִקְבוֹת לחץ-זמן שנמדדו היו עקביות בבדיקות החוזרות, זוהו תכונות הבעירה המשנית, ונמדדו משך הזמן וההשפעות על ערכי השיא של הלחץ המעין-סטטי. תוצאות מדידות המהירות הגבוהות של הטמפרטורה לאחר הפיצוץ, שדווחו, יכולות ללמד על טמפרטורת הלהבה של תגובות הבעירה המשנית. 

הבנה וכימות של פיצוצים כלואים הם חיוניים לצורך תכנון של מבני הגנה יעילים: המנגנונים המתוארים במאמר מספקים צעד משמעותי לקראת פיתוח מודלים הנדסיים מהירים לחישוב פיצוצים במקומות סגורים (כלואים).

המידע מסתמך על פרסומים, שהופיעו בקבוצות ה-LinkedIn, שאני מנהל Explosives / Blasting (Energetic Materials) OSH, ו-Fireworks and Pyrotechnics OSH.