Детонация (от латинского detonare «громить вниз/вперед») [1] — это тип горения , включающий сверхзвуковой экзотермический фронт, ускоряющийся в среде, который в конечном итоге вызывает ударный фронт , распространяющийся прямо перед ним. Детонации распространяются сверхзвуково через ударные волны со скоростями в пределах 1 км/сек и отличаются от дефлаграций , которые имеют дозвуковые скорости пламени в пределах 1 м/сек. [2] Детонация – это взрыв топливно-воздушной смеси. По сравнению с дефлаграцией, детонация не требует внешнего окислителя. Окислители и топливо смешиваются при возникновении горения. Детонация более разрушительна, чем горение. При детонации фронт пламени проходит через топливовоздушную смесь быстрее звука; в то время как при дефлаграции фронт пламени проходит через воздух-топливо медленнее, чем звук.
Детонация возникает как в обычных твердых, так и в жидких взрывчатых веществах [3] , а также в химически активных газах. Тротил, динамит и C4 являются примерами взрывчатых веществ большой мощности, которые детонируют. Скорость детонации в твердых и жидких ВВ значительно выше, чем в газообразных, что позволяет наблюдать волновую систему с большей детальностью (более высоким разрешением ).
Очень широкий спектр видов топлива может встречаться в виде газов (например, водорода ), капельного тумана или пылевых взвесей. Помимо дикислорода, окислителями могут быть соединения галогенов, озон, перекись водорода и оксиды азота . Газовые детонации часто связаны со смесью топлива и окислителя, состав которой несколько ниже обычных коэффициентов воспламеняемости. Чаще всего они происходят в замкнутых системах, но иногда встречаются и в больших облаках пара. Другие материалы, такие как ацетилен , озон и перекись водорода , взрывоопасны в отсутствие окислителя (или восстановителя). В этих случаях высвобождаемая энергия является результатом перестройки молекулярных компонентов материала. [4] [5]
Детонацию открыли в 1881 году четыре французских учёных Марселлен Бертло и Поль Мари Эжен Вьей [6] , а также Эрнест-Франсуа Маллар и Анри Луи Ле Шателье . [7] Математические предсказания распространения были выполнены Дэвидом Чепменом в 1899 году [8] и Эмилем Жуге в 1905, [9] 1906 и 1917 годах. [10] Следующий шаг в понимании детонации был сделан Джоном фон Нейманом [ 7]. 11] и Вернера Дёринга [12] в начале 1940-х годов и Якова Б. Зельдовича и Александра Соломоновича Компанееца в 1960-е годы. [13]
Самая простая теория, позволяющая предсказать поведение детонации в газах, известна как теория Чепмена – Жуге (CJ), разработанная примерно на рубеже 20-го века. Эта теория, описываемая относительно простой системой алгебраических уравнений, моделирует детонацию как распространяющуюся ударную волну, сопровождающуюся экзотермическим выделением тепла. Такая теория описывает химические процессы и процессы диффузионного переноса как происходящие внезапно после прохождения ударной волны.
Более сложная теория была выдвинута во время 2-й мировой войны независимо Зельдовичем , фон Нейманом и Дёрингом . [13] [11] [12] Эта теория, теперь известная как теория ZND , допускает химические реакции с конечной скоростью и, таким образом, описывает детонацию как бесконечно тонкую ударную волну, за которой следует зона экзотермической химической реакции. В системе отсчета стационарного скачка следующее течение является дозвуковым, поэтому сразу за передним фронтом следует зона акустической реакции, условие Чепмена-Жуге . [14] [9]
Есть также некоторые свидетельства того, что у некоторых взрывчатых веществ зона реакции является полуметаллической . [15]
Обе теории описывают одномерные и устойчивые волновые фронты. Однако в 1960-х годах эксперименты показали, что газофазные детонации чаще всего характеризуются нестационарными трехмерными структурами, которые можно предсказать только в усредненном смысле с помощью одномерных устойчивых теорий. Действительно, такие волны затухают по мере разрушения их структуры. [16] [17] Теория детонации Вуда-Кирквуда может исправить некоторые из этих ограничений. [18]
Экспериментальные исследования выявили некоторые условия, необходимые для распространения таких фронтов. В условиях изоляции диапазон составов смесей горючего с окислителем и саморазлагающимися веществами с инертами находится немного ниже пределов воспламеняемости, а для сферически расширяющихся фронтов - значительно ниже их. [19] Было элегантно продемонстрировано влияние увеличения концентрации разбавителя на расширение отдельных детонационных ячеек. [20] Аналогично, их размер увеличивается по мере падения начального давления. [21] Поскольку ширина ячеек должна соответствовать минимальным размерам сдерживания, любая волна, перегруженная инициатором, будет погашена.
Математическое моделирование неуклонно продвигается к прогнозированию сложных полей потока, вызывающих реакции шоков. [22] [23] На сегодняшний день никто адекватно не описал, как структура формируется и поддерживается за неограниченными волнами.
При использовании во взрывных устройствах основной причиной повреждения от детонации является сверхзвуковой фронт взрыва (мощная ударная волна ) в окружающей местности. Это существенное отличие от дефлаграции , при которой экзотермическая волна дозвуковая, а максимальное давление неметаллических пылинок примерно в 7–10 раз превышает атмосферное давление. [24] Таким образом, детонация используется для разрушительных целей, тогда как дефлаграция предпочтительна для ускорения снарядов огнестрельного оружия . Однако детонационные волны также могут использоваться для менее разрушительных целей, включая нанесение покрытий на поверхность [25] или очистку оборудования (например, удаление шлака [26] ) и даже сварку взрывом металлов, которые в противном случае не смогли бы расплавиться. Импульсные детонационные двигатели используют детонационную волну для движения в аэрокосмической отрасли. [27] Первый полет самолета с импульсно-детонационным двигателем состоялся в воздушно-космическом порту Мохаве 31 января 2008 года. [28]
Непреднамеренная детонация при желательном возгорании является проблемой некоторых устройств. В цикле Отто или бензиновых двигателях это называется детонацией или звоном в двигателе, и это приводит к потере мощности. Это также может вызвать чрезмерный нагрев и резкий механический удар, который может привести к выходу двигателя из строя. [29] В огнестрельном оружии это может вызвать катастрофический и потенциально смертельный отказ .
Импульсно-детонационные двигатели представляют собой разновидность импульсного реактивного двигателя , с которым неоднократно экспериментировали, поскольку он обеспечивает потенциал для хорошей топливной эффективности .
