В гидродинамике взрывная волна — это повышенное давление и поток, возникающие в результате осаждения большого количества энергии в небольшом, очень локализованном объеме. Поле потока можно аппроксимировать как свинцовую ударную волну , за которой следует аналогичное дозвуковое поле потока. Проще говоря, взрывная волна — это область давления, расширяющаяся сверхзвуковым образом наружу от взрывного ядра. Она имеет ведущий ударный фронт сжатых газов. За взрывной волной следует взрывной ветер отрицательного манометрического давления , который засасывает предметы обратно к центру. Взрывная волна особенно вредна для объектов, находящихся очень близко к центру или в месте конструктивной интерференции. Взрывчатые вещества , которые детонируют, генерируют взрывные волны.
Высокопорядковые взрывчатые вещества (ВВ) более мощные, чем низкопорядковые взрывчатые вещества (ВВ). ВВ детонируют , создавая определяющую сверхзвуковую ударную волну избыточного давления . Источники ВВ включают тринитротолуол ( ТНТ ), C-4 , Semtex , нитроглицерин и аммиачное нитратное топливо ( ANFO ). ВВ дефлагрируют , создавая дозвуковой взрыв и не имея волны избыточного давления ВВ. Источники ВВ включают трубчатые бомбы , порох и большинство чистых зажигательных бомб на основе нефти, таких как коктейли Молотова или самолеты, импровизированные как управляемые ракеты. ВВ и ВВ вызывают разные типы травм. Только ВВ создают истинные взрывные волны. [1]
Классическое решение потока — так называемое решение взрывной волны Тейлора–фон Неймана–Седова — было независимо разработано Джоном фон Нейманом [2] [3] и британским математиком Джеффри Ингрэмом Тейлором [4] [5] во время Второй мировой войны . После войны решение подобия было опубликовано тремя другими авторами — Л. И. Седовым [6] , Р. Лэттером [7] и Дж. Локвуд-Тейлором [8] , которые открыли его независимо друг от друга. [9] Начиная с ранних теоретических работ, как теоретические, так и экспериментальные исследования взрывных волн продолжаются. [10] [11]
Простейшая форма взрывной волны была описана и названа волной Фридлендера. [12] Она возникает, когда взрывчатое вещество детонирует в свободном поле: то есть, без поверхностей поблизости, с которыми оно может взаимодействовать. Взрывные волны обладают свойствами, предсказанными физикой волн . Например, они могут дифрагировать через узкое отверстие и преломляться при прохождении через материалы. Подобно световым или звуковым волнам, когда взрывная волна достигает границы между двумя материалами, часть ее передается, часть поглощается, а часть отражается. Импедансы двух материалов определяют, сколько каждого из них происходит.
Уравнение для формы волны Фридлендера описывает давление взрывной волны как функцию времени:
где P s — пиковое давление, а t* — время, в которое давление впервые пересекает горизонтальную ось (до отрицательной фазы).
Взрывные волны будут огибать объекты и здания. [13] Поэтому люди или объекты за большим зданием не обязательно защищены от взрыва, который начинается с противоположной стороны здания. Ученые используют сложные математические модели для прогнозирования того, как объекты будут реагировать на взрыв, чтобы проектировать эффективные барьеры и более безопасные здания. [14]
Формирование стержня Маха происходит, когда взрывная волна отражается от земли, и отражение догоняет исходный фронт ударной волны, тем самым создавая зону высокого давления, которая простирается от земли до определенной точки, называемой тройной точкой на краю взрывной волны. Все, что находится в этой области, испытывает пиковые давления, которые могут быть в несколько раз выше пикового давления исходного фронта ударной волны.
В физике интерференция — это встреча двух коррелированных волн и либо увеличение, либо уменьшение чистой амплитуды , в зависимости от того, конструктивная или деструктивная это интерференция. Если гребень волны встречается с гребнем другой волны в одной и той же точке, то гребни интерферируют конструктивно, и результирующая амплитуда гребня волны увеличивается, образуя гораздо более мощную волну, чем любая из исходных волн. Аналогично две впадины создают впадину увеличенной амплитуды. Если гребень волны встречается с впадиной другой волны, то они интерферируют деструктивно, и общая амплитуда уменьшается, таким образом создавая волну, которая намного меньше любой из родительских волн.
Образование махового ствола является одним из примеров конструктивной интерференции. Всякий раз, когда взрывная волна отражается от поверхности, например, стены здания или внутренней части транспортного средства, различные отраженные волны могут взаимодействовать друг с другом, вызывая увеличение давления в определенной точке (конструктивная интерференция) или уменьшение (деструктивная интерференция). Таким образом, взаимодействие взрывных волн похоже на взаимодействие звуковых волн или волн на воде.
Взрывные волны наносят ущерб за счет сочетания значительного сжатия воздуха перед волной (образуя ударный фронт ) и последующего ветра, который следует за ней. [15] Взрывная волна движется быстрее скорости звука , и прохождение ударной волны обычно длится всего несколько миллисекунд. Как и другие типы взрывов, взрывная волна также может наносить ущерб вещам и людям ударным ветром, обломками и пожарами. Первоначальный взрыв будет посылать осколки, которые движутся очень быстро. Обломки, а иногда и люди могут быть подхвачены взрывной волной, вызывая больше травм, таких как проникающие ранения, прокалывание и переломы костей. Взрывной ветер — это область низкого давления, которая заставляет обломки и осколки устремляться обратно к исходным взрывам. Взрывная волна также может вызывать пожары или вторичные взрывы за счет сочетания высоких температур, возникающих в результате детонации и физического разрушения содержащих топливо объектов.
В ответ на запрос британского комитета MAUD GI Taylor оценил количество энергии, которое будет высвобождено при взрыве атомной бомбы в воздухе. Он постулировал, что для идеализированного точечного источника энергии пространственные распределения переменных потока будут иметь одинаковую форму в течение заданного интервала времени, переменные будут отличаться только масштабом (отсюда и название «решения подобия»). Эта гипотеза позволяет преобразовать уравнения в частных производных в терминах r (радиус взрывной волны) и t (время) в обыкновенное дифференциальное уравнение в терминах переменной подобия:
где — плотность воздуха, а — энергия, высвобождаемая при взрыве. [16] [17] [18] Этот результат позволил Тейлору оценить ядерную мощность испытания «Тринити» в Нью-Мексико в 1945 году, используя только фотографии взрыва, опубликованные в газетах и журналах. [9] Мощность взрыва была определена с помощью уравнения:
где — безразмерная константа, которая является функцией отношения удельной теплоемкости воздуха при постоянном давлении к удельной теплоемкости воздуха при постоянном объеме. На значение C также влияют потери на излучение, но для воздуха значения C 1,00–1,10 обычно дают разумные результаты. В 1950 году Тейлор опубликовал две статьи, в которых он раскрыл выход E первого атомного взрыва, [4] [5], который ранее был засекречен и публикация которого поэтому стала источником споров. [ необходима цитата ]
В то время как ядерные взрывы являются одними из самых ярких примеров разрушительной силы взрывных волн, взрывные волны, создаваемые взрывами обычных бомб и другого оружия, изготовленного из бризантных взрывчатых веществ, использовались в качестве оружия войны из-за их эффективности в создании политравматических повреждений. Во время Второй мировой войны и войны во Вьетнаме взрывное легкое было распространенной и часто смертельной травмой. Усовершенствования в транспортных средствах и средствах индивидуальной защиты помогли снизить частоту возникновения взрывного легкого. Однако, поскольку солдаты лучше защищены от проникающих ранений и выживают после ранее смертельных воздействий, травмы конечностей, глаз, ушей и мозга стали более распространенными.
Поведение конструкции во время взрыва зависит от материалов, используемых при строительстве здания. При ударе о фасад здания фронт удара от взрыва отражается. Этот удар о конструкцию передает импульс внешним компонентам здания. Связанная с этим кинетическая энергия движущихся компонентов должна быть поглощена или рассеяна, чтобы они выжили. Как правило, это достигается путем преобразования кинетической энергии движущегося компонента в энергию деформации в сопротивляющихся элементах. [19] Обычно сопротивляющиеся элементы, такие как окна, фасады зданий и опорные колонны, выходят из строя, вызывая частичные повреждения вплоть до прогрессирующего обрушения здания.
Так называемое решение Седова-Тейлора стало полезным в астрофизике . Например, его можно применять для количественной оценки результата взрывов сверхновых . Расширение Седова-Тейлора также известно как фаза «взрывной волны», которая является адиабатической фазой расширения в жизненном цикле сверхновой. [20] : 96 Температура материала в оболочке сверхновой уменьшается со временем, но внутренняя энергия материала всегда составляет 72% от E 0 , начальной выделившейся энергии. Это полезно для астрофизиков, заинтересованных в прогнозировании поведения остатков сверхновой.
Взрывные волны генерируются в исследовательских средах с использованием взрывных или газовых ударных трубок в попытке воспроизвести среду военного конфликта, чтобы лучше понять физику взрывов и травм, которые могут возникнуть, а также разработать лучшую защиту от воздействия взрыва. [21] Взрывные волны направляются на конструкции (например, транспортные средства), [22] материалы и биологические образцы [23] или суррогаты. Высокоскоростные датчики давления и/или высокоскоростные камеры часто используются для количественной оценки реакции на воздействие взрыва. Антропоморфные испытательные устройства (ATD или испытательные манекены ), изначально разработанные для автомобильной промышленности, используются, иногда с дополнительными приборами, для оценки реакции человека на события взрыва. Например, персонал в транспортных средствах и персонал в группах разминирования были смоделированы с помощью этих ATD. [24]
В сочетании с экспериментами были созданы сложные математические модели взаимодействия взрывных волн с неодушевленными и биологическими структурами. [25] Проверенные модели полезны для экспериментов «что если» — предсказаний результатов для различных сценариев. В зависимости от моделируемой системы может быть сложно иметь точные входные параметры (например, свойства материала, чувствительного к скорости, при скоростях нагрузки взрыва). Отсутствие экспериментальной проверки серьезно ограничивает полезность любой численной модели.
