Детонация (от лат. detonare 'громить вниз/вперед') [1] — тип горения , включающий сверхзвуковой экзотермический фронт, ускоряющийся через среду, который в конечном итоге приводит в движение ударный фронт, распространяющийся прямо перед ним. Детонация распространяется сверхзвуково через ударные волны со скоростью около 1 км/сек и отличается от дефлаграции , которая имеет дозвуковую скорость пламени около 1 м/сек. [2] Детонация — это взрыв топливно-воздушной смеси. По сравнению с дефлаграцией, детонации не требуется внешний окислитель. Окислители и топливо смешиваются, когда происходит дефлаграция. Детонация более разрушительна, чем дефлаграция. При детонации фронт пламени распространяется через воздух-топливо быстрее звука; в то время как при дефлаграции фронт пламени распространяется через воздух-топливо медленнее звука.
Детонация происходит как в обычных твердых, так и в жидких взрывчатых веществах [3] , а также в реактивных газах. Тротил, динамит и C4 являются примерами взрывчатых веществ высокой мощности, которые детонируют. Скорость детонации в твердых и жидких взрывчатых веществах намного выше, чем в газообразных, что позволяет наблюдать волновую систему с большей детализацией (более высокое разрешение ).
Очень большое разнообразие видов топлива может встречаться в виде газов (например, водорода ), капельных туманов или пылевых суспензий. Помимо дикислорода, окислители могут включать галогенные соединения, озон, перекись водорода и оксиды азота . Газовые детонации часто связаны со смесью топлива и окислителя в составе, несколько ниже обычных коэффициентов воспламеняемости. Чаще всего они происходят в замкнутых системах, но иногда они происходят в больших облаках пара. Другие материалы, такие как ацетилен , озон и перекись водорода , детонируют в отсутствие окислителя (или восстановителя). В этих случаях высвобождаемая энергия является результатом перестройки молекулярных составляющих материала. [4] [5]
Детонация была открыта в 1881 году четырьмя французскими учеными Марселеном Бертело и Полем Мари Эженом Вьей [6] и Эрнестом-Франсуа Маллардом и Генри Луи Ле Шателье . [7] Математические предсказания распространения были впервые 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 [11] и Вернером Дёрингом [12] в начале 1940-х годов и Яковом Б. Зельдовичем и Александром Соломоновичем Компанейцем в 1960-х годах. [13]
Самая простая теория для предсказания поведения детонации в газах известна как теория Чепмена–Жуге (CJ), разработанная на рубеже 20-го века. Эта теория, описываемая относительно простым набором алгебраических уравнений, моделирует детонацию как распространяющуюся ударную волну, сопровождаемую экзотермическим выделением тепла. Такая теория описывает химические и диффузионные транспортные процессы как происходящие внезапно по мере прохождения ударной волны.
Более сложная теория была разработана во время Второй мировой войны независимо Зельдовичем , фон Нейманом и Дёрингом . [13] [11] [12] Эта теория, теперь известная как теория ZND , допускает конечную скорость химических реакций и, таким образом, описывает детонацию как бесконечно тонкую ударную волну, за которой следует зона экзотермической химической реакции. В системе отсчета стационарной ударной волны последующий поток является дозвуковым, так что акустическая зона реакции следует сразу за фронтом свинца, условие Чепмена–Жуге . [14] [9]
Также имеются некоторые свидетельства того, что в некоторых взрывчатых веществах 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 неустойчивыми трехмерными структурами, которые могут быть предсказаны только в усредненном смысле одномерными устойчивыми теориями. Действительно, такие волны гаснут по мере разрушения их структуры. [16] [17] Теория детонации Вуда-Кирквуда может исправить некоторые из этих ограничений. [18]
Экспериментальные исследования выявили некоторые из условий, необходимых для распространения таких фронтов. В условиях ограничения диапазон состава смесей топлива и окислителя и саморазлагающихся веществ с инертными веществами немного ниже пределов воспламеняемости, а для сферически расширяющихся фронтов — значительно ниже их. [19] Было изящно продемонстрировано влияние увеличения концентрации разбавителя на расширение отдельных ячеек детонации. [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 продвигалось вперед в прогнозировании сложных полей течения за ударами, вызывающими реакции. [22] [23] На сегодняшний день никто не смог адекватно описать, как формируется и поддерживается структура за неограниченными волнами.
При использовании во взрывных устройствах основной причиной повреждений от детонации является сверхзвуковой фронт взрыва (мощная ударная волна ) в окружающей области. Это существенное отличие от дефлаграций , где экзотермическая волна является дозвуковой, а максимальное давление для неметаллических пылинок составляет примерно 7–10 атмосферных давлений. [24] Таким образом, детонация является функцией для разрушительных целей, в то время как дефлаграция благоприятствует ускорению снарядов огнестрельного оружия . Однако волны детонации могут также использоваться для менее разрушительных целей, включая нанесение покрытий на поверхность [25] или очистку оборудования (например, удаление шлака [26] ) и даже взрывную сварку металлов, которые в противном случае не сплавились бы. Двигатели с импульсной детонацией используют волну детонации для аэрокосмического движения. [27] Первый полет самолета, работающего на импульсном детонационном двигателе, состоялся в аэрокосмическом порту Мохаве 31 января 2008 года. [28]
Непреднамеренная детонация, когда желательно дефлаграция , является проблемой в некоторых устройствах. В цикле Отто или бензиновых двигателях это называется детонацией двигателя или пингом, и это приводит к потере мощности. Это также может вызвать чрезмерное нагревание и резкий механический удар, который может привести к возможному отказу двигателя. [29] В огнестрельном оружии это может вызвать катастрофический и потенциально летальный отказ [ требуется цитата ] .
Двигатели с импульсной детонацией — это разновидность импульсного реактивного двигателя, с которой экспериментировали несколько раз, поскольку она потенциально обеспечивает хорошую топливную экономичность [ необходима ссылка ] .
