Energía de postcombustión de altos explosivos en espacios confinados

Abstract

Cuando un alto-explosivo detona, se genera una reacción ultrasónica que libera calor y hace que los reactivos se transformen súbitamente en gases altamente presurizados. La rápida expansión de los gases resulta en la generación de una onda de choque, la cual se expande a través de un medio como el aire, para posteriormente impactar en las estructuras. El proceso de detonación involucra exclusivamente a los reactantes contenidos en el alto-explosivo, implicando que la energía de combustión liberada por la detonación se ve influenciada solamente por el contenido de oxígeno que está presente en el explosivo. En la medida que el contenido de oxígeno al interior del explosivo es bajo (explosivo deficiente en oxígeno), la combustión no se completa, generándose una postcombustión asociada a la interacción entre los productos aún inflamables de la detonación y el aire circundante. Este segundo proceso de combustión (postcombustión) es mucho más lento que el proceso de detonación y no genera una onda de choque; sin embargo, la postcombustión puede liberar una energía que es comparable a la liberada durante el proceso de detonación. Por lo tanto, la postcombustión presenta el potencial de aumentar significantemente la componente de presión de gas (cuasi-estática), en la medida que la explosión ocurra dentro de un espacio confinado. El objetivo de este trabajo consiste en determinar valores apropiados de la energía específica aportada por la postcombustión, que se debe incorporar en el software comercial AUTODYN, con el fin de obtener predicciones más confiables de la presión cuasi-estática para distintos tipos de altos-explosivos. Para ello, en una primera etapa se lleva a cabo un modelo de equilibrio termodinámico simplificado asociado a reacciones de altos-explosivos en espacios totalmente confinados sujetos a condiciones atmosféricas. 57 explosivos son estudiados, en donde los resultados obtenidos permiten determinar las presiones cuasi-estáticas, concentraciones y temperaturas residuales. Para el caso del TNT, se obtiene un ajuste adecuado en comparación con datos experimentales, donde el modelo termodinámico simplificado genera resultados levemente mayores (25%) a lo observado experimentalmente, lo cual es conservador para el diseño y suficiente, teniendo en cuenta las simplificaciones consideradas en el modelo de equilibrio termodinámico. Como segunda parte del estudio, se determina la energía de postcombustión que se debe emplear en el software AUTODYN para que la presión cuasi-estática se ajuste a los valores determinados por el modelo termodinámico simplificado. Esto se lleva cabo empleando la metodología descrita por Hernández (2016) (aplicado a TNT). Se observa que las presiones cuasi-estáticas obtenidas de las simulaciones incorporando la energía de postcombustión se ajustan al modelo termodinámico simplificado, mostrando diferencias menores a un 0.2%. En adición, se concluye que la práctica actual de considerar una carga de TNT equivalente puede ser bastante inexacta y que el método sugerido en este estudio es más adecuado para la obtención de la componente de presión de gas.