Детонация

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето
Детонация на 500-тонен TNT заряд по време на опит на остров Кахоолаве, Хаваи, 1965 г. Първоначалната ударна вълна е видима върху водната повърхност, а кондензационният облак от вълната се вижда във въздуха.

Детонацията е режим на горене, включващо свръхзвуков екзотермичен фронт, ускоряващ се през среда, която провежда ударна вълна непосредствено пред него. Детонациите могат да възникват както в конвенционални твърди експлозиви, така и в течни и в газообразни,[1] което позволява системата на вълната да бъде наблюдавана по-подробно.

Широк набор от горива могат да приемат формата на газ, капки или суспензия. Газовите детонации често се свързват със смес от гориво и оксидант в състав, който е под конвенционалното съотношение на запалимост. Оксиданти могат да бъдат халогените, озонът, водородният пероксид или оксиди на азота. Най-често детонациите се случват в ограничени системи, но понякога могат да възникнат и в големи облаци от пара. Други материали като ацетилен, озон и водороден пероксид могат да се детонират и без наличието на кислород.[2][3]

Детонацията е открита през 1881 г. от две двойки френски учени: Марселен Бертло И Пол Вией[4] и Франсоа Ернест Малар и Анри Луи льо Шателие.[5] Математическите прогнози относно разпространението на вълната първоначално са направени от Дейвид Чапман през 1899 г.[6] и Емил Жуге през 1905, 1906 и 1917 г.[7][8][9] По-нататъшен напредък в разбирането на детонациите е постигнат от Яков Зелдович, Джон фон Нойман и Вернер Дьоринг в началото на 1940-те години.

Теория[редактиране | редактиране на кода]

Една от най-простите теории за предсказване на поведението на детонации в газове е теорията на Чапман-Жуге, която е разработена около началото на 20 век. Тази теория, описвана от относително прости алгебрични уравнения, моделира детонацията като разпространяваща се ударна вълна, придружавана от екзотермично отделяне на топлина. Тази теория ограничава химията и дифузните транспорти процеси до безкрайно малка област.

По време на Втората световна война е разработена по-сложна теория независимо от Зелдович, фон Нойман и Дьоринг.[10][11][12] Тази теория, днес позната като ZND детонационен модел, допуска химични реакции с крайна скорост и по този начин описва детонацията като безкрайно тънка ударна вълна, следвана от област на екзотермична химична реакция. При отправна система със стационарен взрив, последващият поток е дозвуков, така че акустична реакционна област следва непосредствено след водещия фронт.[13][14]

И двете теории описват едномерни и равномерни вълнови фронтове. Обаче, опити през 1960-те години разкриват, че газовите детонации най-често се характеризират от триизмерни неравномерни структури, които могат само приблизително да бъдат предсказани чрез едномерните равномерни теории. Наистина, такива вълни се погасяват, когато структурата им се наруши.[15][16]

Експерименталните изследвания са разкрили някои от нужните условия за разпространение на такива вълнови фронтове. В ограничена система, съставът от смеси от гориво и окислители и саморазграждащи се вещества с инертни вещества е малко под границите на запалимост, а за сферично разширяващи се вълнови фронтове е доста под тях.[17] Ефектно може да се демонстрира влиянието на увеличаването на концентрацията на разредителя върху разширяващите се отделни детонационни клетки.[18] По подобен начин, техният размер нараства със спадане на първоначалното налягане.[19] Тъй като големината на клетките трябва да бъде съчетана с минималния размер на задържане, всяка вълна, надвишена от инициатора, ще бъде угасена.

Математическото моделиране непрекъснато бележи напредък в прогнозирането на сложните поточни полета зад реакциите, предизвикващи ударни вълни.[20][21]

Приложение[редактиране | редактиране на кода]

При взривните устройства, по-голямата част от щетите на детонацията се дължи на свръхзвуковия фронт на взрива (мощна ударна вълна). Това е важно разграничение от дефлаграцията, при която екзотермичната вълна е със скорост по-малка от звука, а максималното налягане е много по-малко. Следователно, детонацията обикновено има разрушителна цел, докато дефлаграцията цели ускорение, например на оръжейни проектили. Все пак, детонационни вълни могат да се използват и за не толкова разрушителни цели, като например нанасяне на покрития върху повърхност,[22] чистене на оборудване от шлака[23] и дори заваряване на метали, които иначе не са заварими с конвенционалните методи. Импулсният детонационен двигател използва вълните от детонации за придвижване в космическото пространство.[24] Първият полет с такъв тип двигател се състои на летището в Мохаве, Калифорния на 31 януари 2008 г.[25]

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. Fickett, Davis. Detonation. Univ. California Press, 1979. ISBN 978-0-486-41456-0.
  2. Stull. Fundamentals of fire and explosion. Т. 10. A.I.Chem.E., 1977. с. 73.
  3. Urben, Peter, Bretherick, Leslie. Bretherick's Handbook of Reactive Chemical Hazards. 7th. London, Butterworths, 2006. ISBN 978-0-12-372563-9.
  4. 6 M. Berthelot and P. Vieille, „On the velocity of propagation of explosive processes in gases,“ Comp. Rend. Hebd. Séances Acad. Sci., Vol. 93, pp. 18 – 21, 1881
  5. 5 E. Mallard and H. L. Le Chatelier, „On the propagation velocity of burning in gaseous explosive mixtures,“ Comp. Rend. Hebd. Séances Acad. Sci., Vol. 93, pp. 145 – 148, 1881
  6. Chapman, D. L. (1899). VI. On the rate of explosion in gases. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 47(284), 90 – 104.
  7. Jouguet, E. (1905). On the propagation of chemical reactions in gases. J. de mathematiques Pures et Appliquees, 1(347 – 425), 2.
  8. Jouguet, E. J. (1906). Mathem. Pures Appl. 1. 1905. P. 347 – 425. And 2.
  9. Jouguet, É. (1917). L'œuvre scientifique de Pierre Duhem. Doin.
  10. Zel'dovich, Kompaneets. Theory of Detonation. New York, Academic Press, 1960. OCLC 974679.
  11. von Neumann, John. Progress report on „Theory of Detonation Waves“. 1942. OSRD Report No. 549. Ascension number ADB967734.
  12. Doring, W.. Über den Detonationsvorgang in Gasen. // Annalen der Physik 43 (6 – 7). 1943. DOI:10.1002/andp.19434350605. с. 421 – 436.
  13. Chapman, David Leonard. On the rate of explosion in gases. // Philosophical Magazine 47 (284). London, януари 1899. DOI:10.1080/14786449908621243. с. 90 – 104.
  14. Jouguet, Jacques Charles Emile. Sur la propagation des réactions chimiques dans les gaz. // Journal de Mathématiques Pures et Appliquées 1. 1905. с. 347 – 425.
  15. The Diffraction of a Planar Detonation Wave at an Abrupt Area Change. // Journal of Fluid Mechanics 95 (1). 1979. DOI:10.1017/S002211207900135X. с. 79 – 96.
  16. Diffraction of a Planar Detonation in Various Fuel-Oxygen Mixtures at an Area Change. // Progress in Astronautics & Aeronautics 75. 1981. ISBN 978-0-915928-46-0. DOI:10.2514/5.9781600865497.0341.0357. с. 341 – 357.
  17. Nettleton, M. A.. Detonation and flammability limits of gases in confined and unconfined situations. // Fire Prevention Science and Technology (23). 1980. с. 29.
  18. Fluctuating Detonation in Gases. // Proceedings of the Royal Society A 306 (1485). 1968. DOI:10.1098/rspa.1968.0143. с. 171 – 178.
  19. Barthel, H. O.. Predicted Spacings in Hydrogen-Oxygen-Argon Detonations. // Physics of Fluids 17 (8). 1974. DOI:10.1063/1.1694932. с. 1547 – 1553.
  20. Oran, Boris. Numerical Simulation of Reactive Flows. Elsevier Publishers, 1987.
  21. Nonlinear cellular dynamics of the idealized detonation model: Regular cells. // Combustion Theory and Modelling 12 (1). 2008. DOI:10.1080/13647830701335749. с. 1 – 21.
  22. Gas Detonation and its Application in Engineering and Technologies (Review). // Combustion, Explosion, and Shock Waves 39 (4). 2003. DOI:10.1023/A:1024726619703. с. 382 – 410.
  23. Application of pulse detonation technology for boiler slag removal. // Fuel Processing Technology 90 (4). 2009. DOI:10.1016/j.fuproc.2009.01.004. с. 558 – 569.
  24. Kailasanath, K.. Review of Propulsion Applications of Detonation Waves. // AIAA Journal 39 (9). 2000. DOI:10.2514/2.1156. с. 1698 – 1708.
  25. Norris, G.. Pulse Power: Pulse Detonation Engine-powered Flight Demonstration Marks Milestone in Mojave. // Aviation Week & Space Technology 168 (7). 2008. с. 60.