Full resolution (JPEG) - On this page / på denna sida - H. 34. 22 september 1953 - Förbränningsmekanismen för krut och sprängämnen, av Carl Hugo Johansson
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
Below is the raw OCR text
from the above scanned image.
Do you see an error? Proofread the page now!
Här nedan syns maskintolkade texten från faksimilbilden ovan.
Ser du något fel? Korrekturläs sidan nu!
This page has never been proofread. / Denna sida har aldrig korrekturlästs.
15 september 1953
695
Förbränningsmekanismen
för krut och sprängämnen
Docent Carl Hugo Johansson, Stockholm
662.311
Den föreliggande framställningen gäller homogent krut av
nitrocellulosatyp och sekundärsprängämnen, dvs.
sprängämnen som kan brinna utan att förbränningen övergår till
detonation. Förbränningen är ingen oxidationsprocess i
vanlig mening utan en exotermisk sönderfallsprocess. Vid
atmosfärstryck är förbränningshastigheten av
storleksordningen millimeter per sekund och ungefär en tiomiljondel
av detonationshastigheten.
Egendomligt nog finns det mycket få teorier uppställda
över föibränningsmekanismen för krut och sprängämnen1.
Enligt tidigare teorier, som utvecklats under 1920- och
1930-talen i samband med experimentella undersökningar,
bl.a. av Muraour, tänkte man sig att sönderfall och
energiutveckling försiggick i den fasta eller flytande fasen, under
inverkan av molekylstötar från de heta
sönderfallsprodukterna. Experimentellt fann Muraour att
förbrännings-hastigheten är i det närmaste proportionell mot trycket
och förklarade detta bero på att de heta gasernas stöttal
är proportionella mot trycket.
Strax före andra världskriget påpekade Belajew2 att
av-dunstningsenergin för de flesta sekundärsprängämnen är
väsentligt lägre än aktiveringsenergin. Om molekylernas
rörelseenergi ökas genom värmetillförsel utifrån måste de
därför förångas innan de faller sönder och den
exotermiska sönderfallsprocessen måste ske i gasfasen invid
sprängämnets yta. Det finns också andra skäl som talar
mot att sönderfallet sker i den kondenserade fasen och
i senare teoretiska arbeten utgår man också från att det
är förloppet i gasfasen som är avgörande för
förbränningshastigheten.
Förbränningsteorier med värmeöverföring
genom ledning
Enligt en teori för gasförbränning av Zeldowitsch och
Frank-Kamenetsky beräknade Belajew
förbränningshastigheten till
v = b-pnl 2 (1)
där b är en konstant, p trycket och n
sönderfallsreaktionens ordningstal. För en monomolekylär process är
sålunda v proportionell mot ] p och för en bimolekylär
proportionell mot p.
Beräkningen gäller linjär förbränning, vilken kan
betraktas som ett stationärt förlopp i ett koordinatsystem som
följer med förbränningszonen. Man kan också tänka sig
att krutet eller sprängämnet matas fram med
förbränningshastigheten. Sönderfallet tänkes ske i ett
jämförelsevis tunt skikt där temperaturen hastigt stiger till
sluttemperaturen Tm (fig. 1). Från detta avges värme genom
värmeledning till den kondenserade fasen så att dess yta
befinner sig vid den mot trycket svarande
koktemperaturen.
Boys och Corner3 har förfinat teorin genom att ta
hänsyn till sönderfallshastighetens temperaturberoende. De
får en med produkten px kontinuerligt stigande
temperaturkurva, dvs. ju högre trycket är, desto mindre blir
reaktionsskiktets tjocklek (fig. 1). Förbränningshastigheten
stiger med trycket ungefär enligt ekv. (1) ehuru
funktionssambandet är mera komplicerat.
I ett senare arbete har Corner4 genomfört beräkningen
med hänsyn tagen till partiklarnas diffusion i
reaktionsskiktet, men detta medför ingen ändring i
förbränningshastighetens tryckberoende. Ett förberedande sönderfall
till en molvikt av storleksordningen 75 antas ske i den
kondenserade fasen, varvid endast en mindre del av
sönderfallsenergin frigörs. Dessa beräkningar har utförts
under antagande att förbränningen sker vid högt tryck,
såsom fallet är i kanoner och de gäller icke för raketer med
endast några tiotal atmosfärers tryck.
Enligt de hittills nämnda teorierna stiger temperaturen i
reaktionszonen till den av reaktionsenergin betingade
jämviktstemperaturen, vilken vid krut uppgår till 2 000—
3 000°K. Sänger5 gör emellertid gällande att det finns
åtskilliga tecken som tyder på förekomsten av
förbränningstemperaturer som är mångfaldigt högre än
jämviktstemperaturen.
Vid förbränning av 80—350 kg/s flytande bränsle i stora
raketer förbrukas, enbart för avdunstning och
uppvärmning till antändningstemperaturen, 20 000—100 000 kcal/s
och enligt Sänger kan endast någon promille av dessa
effektbelopp tillföras genom värmeledning och termisk
gasstrålning. Förhållandet är likartat vid förbränning av
insprutade vätskedroppar eller kolstoft i syre eller luft-
Vidare synes jonisationsgraden vid förbränning och
detonation i vissa fall vara betydligt större än den som
svarar mot jämviktstemperaturen. Denna slutsats grundas
dels på mätningar av reflexionen och absorptionen av
elektromagnetiska centimetervågor i utströmningsgaserna
från raketer6 och i detonationsfronten i sprängämnen7, dels
på mätning av butan-luftflammors avböjning i starka
elektriska fält8.
Inverkan av störd energifördelning
på olika frihetsgrader
När man talar om temperaturer som mångfaldigt
överstiger sluttemperaturen är det nödvändigt att gå in på
definitionen av temperatur i anslutning till det
mole-kylarkinetiska tillståndet i gasen. Energin på grund av
värmerörelse är fördelad på olika frihetsgrader, såsom
molekylernas translationsrörelse, rotation, inre
svängningar, dissociation, exciterade tillstånd och jonisation.
Vid konstant temperatur är tillståndet stationärt med en
bestämd fördelning av energin på dessa frihetsgrader.
Temperaturen är då en entydig funktion av den totala
energin och även av energin på vilken som helst av dessa
frihetsgrader. Efter en hastig temperaturändring behöver olika
frihetsgrader olika lång tid för att nå det nya jämviktsläget.
Man talar då om gasens translatoriska temperatur, dess
rotatoriska temperatur osv. och avser därmed den
temperatur som gasen skulle ha vid jämvikt med aktuellt
värde på translations- resp. rotationsenergi.
Vid en hastig adiabatisk kompression torde den frigjorda
värmemängden i första ögonblicket uppträda som
transla-torisk rörelseenergi i kompressionsriktningen. Genom
molekylstötar övergår denna homogena hastighet mycket
snabbt till en Maxwells hastighetsfördelning. I jämförelse
härmed tar det betydligt längre tid innan frihetsgraderna
Föredrag i Tekniska Fysikers Förening den 24 mars 1953.
Fig. I. Temperaturförloppet vid krutförbränning, t.v. enligt
Belajew, t.h. enligt Boys & Corner; Tt
begynnelsetemperatur, Tm sluttemperatur, x avstånd från krutets yta.
<< prev. page << föreg. sida << >> nästa sida >> next page >>
