Wybuch Fuel-Air a eksplozja termobaryczna - różnice

Na zdjęciu rosyjski pocisk rakietowy z głowicą termobaryczną 9M14F "Chryzantema"

 

Wybuchy przestrzenne są destrukcyjnym zjawiskiem dosyć powszechnie występującym w  przemyśle.  Wybuchy  pyłu  w  elewatorach  zbożowych,  kopalniach,  młynach  czy  innych zakładach produkcyjnych  są  stałym  zagrożeniem, przed  którym  należy  chronić  się poprzez zastosowanie odpowiednich przedsięwzięć technicznych i organizacyjnych.

Niszczące skutki niezamierzonych eksplozji mieszanin wybuchowych typu ciało stałe/gaz oraz mieszanin typu ciecz/gaz spowodowały  duże  zainteresowanie  zjawiskiem  wybuchu  przestrzennego. Zainteresowania  te  poskutkowały  opracowaniem  skutecznych  metod  ochrony  przed wybuchami  takiego  typu  mieszanin. 

Innym  kierunkiem  badań  stało  się  praktyczne wykorzystanie  zjawiska  wybuchu  przestrzennego.  Pierwszymi  próbami  wykorzystania  tego zjawiska  w  technice  wojskowej  były  bomby  paliwowo-powietrzne.  W literaturze anglojęzycznej zjawisko to jest nazywane fuel-air explosives (FAE or FAX) a także czasami fuel-air  munitions  lub  vacuum  bombs.  W  polskim  nazewnictwie  odpowiednikiem  tych terminów jest nazwa amunicja paliwowo-powietrzna.

Kolejnym  krokiem  nad  praktycznym  wykorzystaniem  zjawiska  wybuchu przestrzennego  było  opracowanie  mieszanin  wybuchowych  typu  ciało  stałe/powietrze. Angielskie oznaczenie - GSX, co można odszyfrować jako gelled slurry explosive.

 Następna wersja amunicji przestrzennej zawierała w ładunku wybuchowym klasyczne kruszące  MW (również TNT).  Środkiem  do  wytworzenia  wybuchu  przestrzennego  były  skondensowane mieszaniny  wybuchowe  z  silnie  ujemnym  bilansem  tlenowym,  detonujące  z  umiarkowaną prędkością  i wytwarzające  obłok  produktów  detonacji  zawierających  składnik  palny (rozdrobniony  metal),  który  ulegał  samozapłonowi  po  wymieszaniu  z  powietrzem.  Cechą charakterystyczną  wybuchu  takich  mieszanin  jest  zdolność  do  generowania  w  otoczeniu intensywnych fal ciśnienia o wydłużonym w porównaniu do klasycznych MW czasie trwania fazy  nadciśnienia. 

Po  raz  pierwszy  zostały  opracowane  w  byłym  Związku  Radzieckim w latach 80. ubiegłego wieku i użyte skutecznie w Afganistanie i Czeczenii  do zwalczania żołnierzy ukrywających się w bunkrach, budynkach, jaskiniach i wąwozach.  

W literaturze anglojęzycznej takie mieszaniny wybuchowe noszą nazwę enhanced-blast explosives (EBX), high-impulse thermobaric weapons lub heat and pressure weapons (HITs).

Podobnego terminu używa się w literaturze rosyjskojęzycznej (термобарический эффект).

W  polskim  nazewnictwie  brak  jest  odpowiedniego  terminu  do opisu  zjawiska.  Nie  było ono stosowane do tej pory w polskiej technice wojskowej. Wydaje się, że stosowanie terminu „termobaryczny”  do  opisu  efektu  wybuchu,  w  którym  czas  trwania  impulsu  nadciśnienia został  wydłużony  w  stosunku  do  klasycznych  kruszących  materiałów  wybuchowych,  jest właściwe  i pozwoli  na  uniknięcie  nieporozumień.  Nazwa  ta  oddaje  efekty  oddziałujące na otoczenie  w  wyniku  wybuchu  ładunku  termobarycznego  –  efekt  termiczny  oraz intensywną  falę  ciśnienia  generowaną  przez  ładunek  materiału  wybuchowego. 

Prace dotyczące amunicji termobarycznej prowadzone są w WAT.

Amunicja przestrzenna (objętościowa – volume-detonate weapon,  volumetric weapon) to  rodzaj  amunicji  oddziałujący  na  otoczenie  o  znacznej  powierzchni  przede  wszystkim poprzez impuls cieplny oraz falę uderzeniową, trwającą kilkakrotnie dłużej niż w przypadku klasycznych  kruszących  materiałów  wybuchowych,  wywołaną  detonacją  mieszaniny wybuchowej i następującej po niej wybuchowym dopalaniem produktów wybuchu z udziałem tlenu atmosferycznego.  

Do podstawowych rodzajów amunicji przestrzennej należy amunicja paliwowo-powietrzna oraz amunicja termobaryczna. 

Istnieje  kilka  różnic  pomiędzy  ładunkami  paliwowo-powietrznymi  a  ładunkami termobarycznymi.  Źródłem  pochodzenia  rozprzestrzeniającej  się  fali  nadciśnienia w ładunkach  termobarycznych  jest,  oprócz  wybuchu  ładunku  zasadniczego,  dopalanie  się stałych  składników  ładunku  wybuchowego.  W  wybuchu  paliwowo-powietrznym  fala nadciśnienia  generowana  jest  przez  wytworzony  wcześniej  aerozol  (układ  ciecz/gaz).

Podobnie jak w ładunkach  paliwowo-powietrznych, w ładunkach termobarycznych następuje wykorzystanie  tlenu  atmosferycznego  jako  dodatkowego  utleniacza  biorącego  udział w procesie wybuchu. Zjawisko termobaryczne w ładunkach przestrzennych jest generowane poprzez  wybuch  pojedynczego  ładunku.  W bombach  paliwowo-powietrznych  następuje w pierwszej  fazie  dyspergowanie  cieczy,  która  w  powietrzu  tworzy  obłok,  następnie pobudzany oddzielnym ładunkiem. Utleniaczem staje się tlen zawarty w powietrzu.

Oba efekty, ze względu na podobny mechanizm i skutki oddziaływania na otoczenie są przez  niektórych  autorów  traktowane  jako  jedno  zjawisko.  Występuje  jednak  między  nimi zasadnicza  różnica.  Efekt  termobaryczny  wywołują  stałe  mieszaniny  wybuchowe, które w drugiej  fazie  reakcji  wykorzystują  tlen  zawarty  w powietrzu  otaczającym  miejsce wybuchu. W tej ostatniej fazie moŜna je potraktować jako mieszaniny wybuchowe typu ciało stałe/gaz. Pomimo odmiennej przyczyny obu zjawisk, efekty oddziaływania na otoczenie są zbliżone do siebie.

Materiały wybuchowe generujące efekt termobaryczny są mieszaninami wybuchowymi złożonymi  z  kilku  składników.  Zawierają  zarówno  klasyczne  materiały  wybuchowe  jak również  utleniacze  nieorganiczne  i  substancje  palne,  głównie  proszki  metali  lekkich.

W  skład  ładunków  termobarycznych  wchodzą  klasyczne  kruszące  materiały wybuchowe. Do najpopularniejszych należą: oktogen (HMX, cyklotetrametylenotetraamina), heksogen (RDX, cyklotrimetylenotrinitroamina), Cl-20 (heksanitroheksaazaizowurcytan), czy trotyl TNT (Trójnitrotoulen).

Do  najpowszechniej  stosowanych  utleniaczy  należy  nadchloran  amonu  NH 4 ClO 4 oraz azotan  amonu  -NH 4 NO 3 .  Stosuje  się  drobno  sproszkowany  nadchloran  o  rozmiarach ziarna  11  –  100  µm.  Zawartość  utleniacza  w  mieszaninie  wybuchowej  to  12  –  36 %. W optymalnej mieszance wybuchowej  jest go około 20 %. Stosować można także inne utleniacze: sól amonową dinitroaminy NH 4 N(NO 2 ) 2  czy azotan baru BaNO 3 .

W  materiałach  termobarycznych  występują  dwa  rodzaje  substancji  palnych:  metal reaktywny  oraz  związek  wielkocząsteczkowy,  który  spełnia  rolę  flegmatyzatora  lub  jeśli zachodzi  konieczność  plastyfikatora.  Do  zastosowania  w  odlewanych  termobarycznych mieszaninach wybuchowych zostały wytypowane następujące materiały wielkocząsteczkowe:
polibutadien  zakończony  grupą  hydroksylową  (HTPB),  poliestry  zakończone  grupą hydroksylową,  polietery  zakończony  grupą  hydroksylową,  polimer  azydku  glicydu  (GAP).

Oprócz powyższych  związków jako  flegmatyzator  stosuje  się  również  inne polimery:  estry kwasu  akrylowego  (Zeon),  pochodne  heksafluoropropylenu  (Viton)  czy nitrocelulozę. Zawartość  polimeru  w  mieszaninach  prasowanych  wynosi  około  4 %,  zaś w mieszaninach odlewanych około 7 %.

Jako metal reaktywny proponuje się zastosować drobno sproszkowane aluminium (Al), proszek tytanu (Ti), boru (B) lub magnezu (Mg). Możliwe jest stosowanie także nanostruktur tych metali. Zastosować także można dwuskładnikowe mieszaniny metali: Al – Mg, B – Mg, Al  –  B,  Ti  –  B.

W mieszaninach wybuchowych generujących efekt termobaryczny proces wybuchu przebiega dwuetapowo. W pierwszym stadium następuje detonacja mieszaniny a ekspandujące produkty wybuchu  ulegają  wymieszaniu  z  powietrzem.  Ze  względu  na  silnie  ujemny  bilans  tlenowy wyjściowej mieszaniny wybuchowej, w produktach wybuchu znajdują się rozżarzone cząstki nieprzereagowanego w pełni aluminium i węgla (sadzy) oraz wodór i tlenek węgla o wysokiej temperaturze. 

Substancje  te będą  energicznie  reagować  z  tlenem  atmosferycznym,  w  miarę postępowania  procesu  ekspansji  i  mieszania  produktów  wybuchu  z powietrzem.  Proces  ten trwa  wielokrotnie  dłużej  niż  pierwotna  detonacja  mieszaniny,  co powoduje  podtrzymanie wartości fali nadciśnienia propagującej się w powietrzu.   Równowaga reakcji chemicznych zachodzących  w  strefie  reakcji  przesuwa  się  w kierunku  maksymalizacji  ciepła  reakcji oraz zmniejszenia  objętości  produktów  wybuchu. 

Nadmiar  pyłu  aluminiowego  zawarty w mieszaninie  termobarycznej  powoduje,  iż  tylko  określona  część  pyłu  przereaguje bezpośrednio w strefie reakcji chemicznej przemieszczającej się bezpośrednio za frontem fali detonacyjnej  w materiale  wybuchowym. 

Wykazano,  iż  stopień  przereagowania  pyłu aluminiowego w mieszaninie z flegmatyzowanym oktogenem, przy zawartości pyłu powyżej 20 % wynosi 50 %.

Obecność nadmiaru pyłu aluminiowego w termobarycznych materiałach wybuchowych powoduje kolejny etap współreagowania związków powstałych w etapie rozkładu składników materiału  wybuchowego.  Jest  to  reakcja  utleniania  pyłu  aluminiowego  tlenem  zawartym w powietrzu  otaczającym  miejsce  wybuchu.  Wraz  z  gazowymi  produktami  wybuchu, w otaczającej  atmosferze,  rozprzestrzenia  się  pył  aluminiowy,  który  nie  uległ  reakcji w procesie  detonacji  materiału  wybuchowego. 

Gazowe  produkty  wybuchu,  podgrzane do wysokiej  temperatury  powodują  rozgrzanie  cząsteczek  pyłu  rozprzestrzeniającego  się w otoczeniu  miejsca  wybuchu  i  następuje  jego  spalanie  w  tlenie  znajdującym  się w atmosferze.  Proces  ten  generuje  dodatkowy  efekt  cieplny  reakcji  rozkładu  oddziałujący na otoczenie oraz wydłuża czas trwania impulsu fali nadciśnienia i podciśnienia.

Kolejnym  czynnikiem  destrukcyjnym  podczas  wybuchu  termobarycznego  materiału wybuchowego  jest  fala  podciśnienia  rozchodząca  się  za  falą  uderzeniową.  Bezpośrednią przyczyną  jej  powstania  jest  rozchodzenie  się  fali  uderzeniowej,  tak  jak  w  przypadku wybuchu  klasycznego  kruszącego  materiału  wybuchowego. 

Efekt  ten  jest  znacznie zwiększony  (w  skali  jak  i  w  odległości  od  miejsca  wybuchu)  ze  względu  na  ubytek  tlenu z powietrza  znajdującego  się  w  miejscu  wybuchu.  Ekspandujące  gazy  powybuchowe  nie kompensują  ubytku  tlenu,  co  powoduje  wydłużenie  efektu  działania  fali  podciśnienia na otoczenie. Dodatkowym efektem rozchodzenia się fali podciśnieniowej jest tłumienie powstających zarzewi ognia.

Należy również pamiętać, że paliwem w pociskach rakietowych produkowanych w Rosji są różne frakcje stałego paliwa rakietowego otrzymywane w dużej mierze z pochodnych prochu nitroglicerynowego. W latach 80-tych najczęściej stosowano kordyt, czyli mieszankę wieloskładnikową składającą sięz 58% nitrocelulozy, ok. 30% nitrogliceryny, ok. 3% centralitu, ok. 5,5% dinitrotoluenu, ok. 2% wazeliny i ok. 0,5% wody. Dziś najczęściej stosowanym stałym paliwem rakietowym jest balistyt nitroglicerynowy.

 

 

Podsumowując:

Amunicja  termobaryczna  (thermobaric  weapon,  термобарическиe  боеприпасы) to jeden  z  rodzajów  amunicji  przestrzennej,  w  której  do  generowania  impulsu  nadciśnienia zastosowano  układ  ciało  stałe/gaz,  co  powoduje  wydłużenie  czasu  trwania  impulsu nadciśnienia  w  porównaniu  do  klasycznych  kruszących  materiałów  wybuchowych.

Podstawowym  czynnikiem  destrukcyjnego  oddziaływania  na otoczenie  w  przypadku wybuchu termobarycznego jest wydłużony impuls nadciśnienia oraz rozchodząca się za nim fala  podciśnienia. 

Wraz  z  falą  uderzeniową  generowany  jest  intensywny  impuls  cieplny powodujący pożary i poparzenia. Promień oddziaływania fali uderzeniowej jest większy niż promień  oddziaływania  impulsu  cieplnego.  Podążająca za falą uderzeniową fala podciśnieniowa powoduje "wyssanie" powietrza z otoczenia oraz tłumienie wywołanych zarzewi ognia. Dużo  mniejsze  znaczenie  jako  czynnik  rażący amunicji, mają odłamki napędzone produktami wybuchu oraz toksyczne gazy powybuchowe.