Детонация

У этого термина существуют и другие значения, см. (Детонация (значения)).

Детона́ция (от фр. détoner — «взрываться» и лат. detonare — «греметь») — режим горения, при котором по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения, в свою очередь, поддерживающие движение ударной волны за счёт выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. Комплекс, состоящий из ударной волны и зоны (экзотермических) химических реакций за ней, распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью и называется детонационной волной. Фронт детонационной волны — это поверхность гидродинамического .

Скорость распространения фронта детонационной волны относительно исходного неподвижного вещества называется скоростью детонации. Скорость детонации зависит только от состава и состояния детонирующего вещества и может достигать нескольких километров в секунду как в газах, так и в конденсированных системах (жидких или твёрдых взрывчатых веществах). Скорость детонации значительно превышает скорость (медленного горения), которая всегда существенно меньше скорости звука в веществе и не превышает нескольких метров в секунду.

Многие вещества способны как к медленному (дефлаграционноному) горению, так и к детонации. В таких веществах для распространения детонации её необходимо инициировать внешним воздействием (механическим или тепловым). В определённых условиях медленное горение может самопроизвольно переходить в детонацию.

Детонацию, как физико-химическое явление, не следует отождествлять со взрывом. Взрыв — это процесс, в котором за короткое время в ограниченном объёме выделяется большое количество энергии и образуются газообразные продукты взрыва, способные совершить значительную механическую работу или вызвать разрушения в месте взрыва. Взрыв может иметь место и при воспламенении и быстром сгорании газовых смесей или взрывчатых веществ в ограниченном пространстве, хотя при этом детонационная волна не образуется. Так, быстрое (взрывное) сгорание пороха в стволе артиллерийского орудия в процессе выстрела не является детонацией.

(Стук), возникающий в двигателях внутреннего сгорания, также называют детонацией (англ. knock), однако это не детонация в строгом смысле этого слова. Стук вызывается преждевременным самовоспламенением топливовоздушной смеси с последующим быстрым её сгоранием в режиме взрывного горения, но без образования ударных волн. Детонационные волны в работающем двигателе (англ. superknock) возникают крайне редко и только при нарушении условий эксплуатации, например из-за нештатного низкооктанового топлива. При этом двигатель очень быстро выходит из строя из-за разрушения конструкционных элементов ударными волнами.

История исследований явления

Вероятно, впервые термин «детонация» был введён в научный обиход (Лавуазье) в «Трактате по элементарной химии» (фр. Traité élémentaire de chimie), опубликованном в Париже в 1789 году. Во второй половине XIX века были синтезированы вторичные взрывчатые вещества, в основе действия которых лежит явление детонации. Однако из-за большой скорости детонационной волны и разрушительного действия взрыва научное изучение детонации оказалось чрезвычайно затруднено и началось с публикаций исследований явления детонации газовых смесей в трубах в 1881 году французскими химиками (Малляром) и (Ле Шателье) и независимо от них (Бертло) и (Вьелем). В 1890 году русский учёный (В. А. Михельсон), опираясь на работы (Гюгонио) по ударным волнам, вывел уравнения для распространения детонационной волны и получил выражение для скорости детонации. Дальнейшее развитие теории было выполнено в 1899 году и (Жуге) в 1905 году. В теории Чепмена—Жуге, названной гидродинамической теорией детонации, детонационная волна рассматривалась как поверхность разрыва, а условие для определения скорости детонации, названное их именами (^[англ.]), было введено как постулат.

В 1940-е годы (Я. Б. Зельдович) разработал теорию детонации, в которой учитывается конечное время протекания химической реакции вслед за нагревом вещества ударной волной. В этой модели условие Чепмена—Жуге получило ясный физический смысл как правило отбора скорости детонации, а сама модель была названа ^[англ.] — по именам Зельдовича, Неймана и (Дёринга), так как независимо от него к схожим результатам пришли фон Нейман в США и Дёринг в Германии.

Модели Чепмена—Жуге и ZND позволили существенно продвинуться в понимании явления детонации, однако они по необходимости были одномерными и упрощёнными. С ростом возможностей экспериментального исследования детонации в 1926 году английскими исследователями Кэмпбеллом и Вудхедом был открыт эффект спирального продвижения фронта детонации по газовой смеси. Это явление получило название «спиновой детонации» и впоследствии было обнаружено и в конденсированных системах.

В 1959 году сотрудники (ИХФ АН СССР) Ю. Н. Денисов и (Я. К. Трошин) открыли явление ячеистой структуры и пульсирующих режимов распространения детонационной волны.

Механизм детонации

Детонация может возникать в газах, жидкостях, конденсированных веществах и гетерогенных средах. При прохождении фронта ударной волны вещество нагревается. Если ударная волна достаточно сильная, то температура за фронтом ударной волны может превысить температуру самовоспламенения вещества, и в веществе начинаются химические реакции горения. В ходе химических реакций выделяется энергия, подпитывающая ударную волну. Такое взаимодействие газодинамических и физико-химических факторов приводит к образованию комплекса из ударной волны и следующей за ней зоны химических реакций, называемого детонационной волной. Механизм превращения энергии в детонационной волне отличается от механизма в волне медленного горения ((дефлаграции)), движущейся с дозвуковой скоростью, в которой передача энергии в исходную смесь осуществляется в основном теплопроводностью.

Гидродинамическая теория детонации

Структура одномерной детонационной волны в газе (B) и конденсированных средах (C).

Если характерные размеры системы заметно превышают толщину детонационной волны, то её можно считать поверхностью нормального разрыва между исходными компонентами и продуктами детонации. В этом случае законы сохранения массы, импульса и энергии по обеим сторонам разрыва в системе координат, где фронт волны неподвижен, выражаются следующими соотношениями:

• ${\displaystyle \rho _{0}D=\rho (D-u)}$ — сохранение массы,
• ${\displaystyle P_{0}+\rho _{0}D^{2}=P+\rho (D-u)^{2}}$ — сохранение импульса,
• ${\displaystyle P_{0}D+\rho _{0}D(e_{0}+D^{2}/2)=P(D-u)+\rho (D-u)(e+(D-u)^{2}/2)}$ — сохранение энергии.

Здесь D — скорость детонационной волны, (D — u) — скорость продуктов относительно детонационной волны, P — давление, ρ — плотность, e — удельная внутренняя энергия. Индексом 0 обозначены величины, относящиеся к исходному веществу. Исключая из этих уравнений u, имеем:

• ${\displaystyle P-P_{0}=(\rho _{0}D)^{2}(V_{0}-V)}$,
• ${\displaystyle e-e_{0}={\frac {1}{2}}(P+P_{0})(V_{0}-V)}$.

Первое соотношение выражает линейную зависимость между давлением P и удельным объёмом V=1/ρ и называется прямой Михельсона (в зарубежной литературе — прямой (Рэлея)). Второе соотношение называется (детонационной адиабатой) или кривой Гюгонио (в зарубежной литературе также — (Рэнкина)—Гюгонио). Если известно уравнение состояния вещества, то внутренняя энергия может быть выражена через давление и объём, и кривая Гюгонио может быть также представлена как линия в координатах P и V.

Модель Чепмена—Жуге

Система двух уравнений (для прямой Михельсона и кривой Гюгонио) содержит три неизвестных (D, P и V), поэтому для определения скорости детонации D требуется дополнительное уравнение, которое невозможно получить только из термодинамических соображений. Поскольку детонационная волна устойчива, звуковые возмущения в продуктах не могут догонять фронт детонационной волны, иначе он будет разрушаться. Таким образом, скорость звука в продуктах детонации не может превышать скорость течения за фронтом детонационной волны.

На плоскости P, V прямая Михельсона и кривая Гюгонио могут пересекаться не более чем в двух точках. Чепмен и (Жуге) предположили, что скорость детонации определяется по условию касания прямой Михельсона и кривой Гюгонио для полностью прореагировавших продуктов (детонационной адиабаты). В этом случае прямая Михельсона является касательной к детонационной адиабате, и эти линии пересекаются ровно в одной точке, названной точкой Чепмена-Жуге (CJ). Это условие соответствует минимальному наклону прямой Михельсона и физически означает, что детонационная волна распространяется с минимально возможной скоростью, и скорость течения за фронтом детонационной волны в точности равна скорости звука в продуктах детонации.

Модель Зельдовича, Неймана и Дёринга (ZND)

Модель Чепмена-Жуге позволяет описать распространение детонационной волны как гидродинамического разрыва, но не даёт ответов на вопросы, связанные со структурой зоны химических реакций. Эти вопросы стали особенно актуальными в конце 1930-х годов в связи с быстрым развитием военной техники, боеприпасов и взрывчатых веществ. Независимо друг от друга (Я. Б. Зельдович) в СССР, Джон фон Нейман в США и (Вернер Дёринг) в Германии создали модель, названную впоследствии по их именам моделью ZND. Аналогичные результаты были получены и в кандидатской диссертации А. А. Гриба «Гидродинамическая теория взрывных волн», выполненной в 1940 году в Томске, к тому же Гриб решил задачу о нестационарном движении продуктов взрыва.

В этой модели считается, что при распространении детонации вещество сначала нагревается при прохождении фронта ударной волны, а химические реакции начинаются в веществе спустя некоторое время, равное задержке самовоспламенения. В ходе химических реакций выделяется тепло, которое приводит к дополнительному расширению продуктов и увеличению скорости их движения. Таким образом, зона химических реакций выступает в роли своего рода поршня, толкающего ведущую ударную волну и обеспечивающего её устойчивость.

На диаграмме P, V эта модель условно отображается в виде процесса, первой стадией которого будет скачок по адиабате Гюгонио для исходного вещества в точку с максимальным давлением, с последующим постепенным спуском по прямой Михельсона до её касания с адиабатой Гюгонио для прореагировавшего вещества, то есть до точки Чепмена-Жуге. В этой теории правило отбора скорости детонации и гипотеза Чепмена-Жуге получают своё физическое обоснование. Все состояния выше точки Чепмена-Жуге оказываются неустойчивыми, так как в них скорость звука в продуктах превышает скорость течения за фронтом детонационной волны. В состояния ниже точки Чепмена-Жуге попасть невозможно, так как скачок давления на фронте ударной волны всегда больше конечной разности давлений между продуктами детонации и исходным веществом.

Однако такие режимы могут наблюдаться в эксперименте при искусственном ускорении детонационной волны, и они называются соответственно пересжатой или недосжатой детонацией.

Детонация в технике

В двигателях внутреннего сгорания детонацией часто называют взрывное горение в цилиндре (см. (Стук в двигателе)). Двигатели внутреннего сгорания, реализующие (цикл Отто), рассчитаны на медленное горение горючей смеси без резких скачков давления. Быстрое сгорание смеси резко повышает давление в камере сгорания, что приводит к ударным нагрузкам на детали конструкции двигателя и быстрому выходу двигателя из строя. Топливо с более высоким октановым числом допускает большую степень сжатия и лучше противостоит детонации.

Детонационное горение является наиболее термодинамически выгодным способом сжигания топлива и преобразования химической энергии топлива в полезную работу. Поэтому детонация может применяться в рабочем процессе в камерах сгорания перспективных энергетических установок, таких как (импульсный детонационный двигатель).

Явление детонации лежит в основе действия взрывчатых веществ, широко применяемых как в военном деле, так и в гражданской хозяйственной деятельности при производстве (взрывных работ).

См. также

• (Давление детонации)
• (Скорость детонации)

Примечания

1. БЭС, , Детонация..
2. Wang Z., Liu H., Song T., Qi Y., He X., Shuai S., Wang J. Relationship between super-knock and pre-ignition // International Journal of Engine Research. — 2014. — Vol. 16. — P. 166-180. — ISSN 1468-0874. — doi:10.1177/1468087414530388.
3. Долгобородов А. Ю. К истории «открытия» явления детонации // Горение и взрыв № 6. — 2013. — С. 329—332. 12 ноября 2013 года.
4. Щёлкин, Трошин, Газодинамика горения, 1963, с. 13.
5. Хитрин, Физика горения и взрыва, 1957, с. 262.
6. Chapman D. L. On the rate of explosion in gases // Philosophical Magazine. — 1899. — Т. 47. — 189. — С. 90—104.
7. Jouguet Е. Sur la propagation des réactions chimiques dans les gaz // Journal des Mathématiques Pures et Appliquées. — 1905. — Т. 1. — С. 347—425.
8. Зельдович Я. Б. К теории распространения детонации в газообразных системах // (Журнал экспериментальной и теоретической физики). — 1940. — Т. 10, вып. 5. — С. 542—568.
9. (von Neumann, J.) John von Neumann: Collected Works, 1903-1957 (англ.) / Taub, A. H.. — New York: ^[англ.], 1963. — Vol. 6. — .
10. Döring, W. Über Detonationsvorgang in Gasen (нем.) // (Annalen der Physik). — 1943. — Bd. 43, Nr. 6—7. — S. 421—436. — ISSN 0003-4916. — doi:10.1002/andp.19434350605.
11. Щёлкин, Трошин, Газодинамика горения, 1963, с. 44.
12. Дрёмин и др., Детонационные волны в конденсированных средах, 1970, с. 69.
13. Денисов Ю. Н., Трошин Я. К. Пульсирующая и спиновая детонация газовых смесей в трубах // Доклады АН СССР. — 1959. — Т. 125, № 1. — С. 110—113.
14. Денисов Ю. Н., Трошин Я. К. Механизм детонационного сгорания // Прикладная механика и техническая физика. — 1960. — Т. 1, № 1. — С. 21—35. 13 февраля 2015 года.
15. Ландау, Лифшиц. Т. 6. Гидродинамика, 2001, § 129. Детонация, с. 668.
16. Зельдович, Компанеец, Теория детонации, 1955, с. 10.
17. Зельдович, Компанеец, Теория детонации, 1955, с. 11.
18. Зельдович, Компанеец, Теория детонации, 1955, с. 71.
19. Baudun G.   (неопр.). Sixièmes journées scientifiques Paul Vieille, ENSTA, Paris 7-8 octobre 2009 27 (2009). Дата обращения: 22 апреля 2015. Архивировано из оригинала 6 марта 2016 года.
20. Жизнь на гребне «ВОЛНЫ». — 2021 — Электронная библиотека «История Росатома»  (неопр.). elib.biblioatom.ru. Дата обращения: 9 ноября 2023. 9 ноября 2023 года.
21. Зельдович, Компанеец, Теория детонации, 1955, с. 64.
22. Зельдович, Компанеец, Теория детонации, 1955, с. 69.
23. Зельдович, Компанеец, Теория детонации, 1955, с. 75.
24. Зельдович, Компанеец, Теория детонации, 1955, с. 74.
25. Октановое число — статья из энциклопедии «Кругосвет»
26. Фролов С. М. Наука о горении и проблемы современной энергетики // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева). — 2008. — Т. LII, № 6. — С. 129—134. 23 сентября 2015 года.
27. Kailasanath, K. Review of Propulsion Applications of Detonation Waves (англ.) // ^[англ.] : journal. — 2000. — Vol. 39, no. 9. — P. 1698—1708. — doi:10.2514/2.1156. — (Bibcode): 2000AIAAJ..38.1698K.
28. Norris, G. Pulse Power: Pulse Detonation Engine-powered Flight Demonstration Marks Milestone in Mojave (англ.) // ^[англ.] : magazine. — 2008. — Vol. 168, no. 7. — P. 60.
29. Взрывчатые вещества — статья из энциклопедии «Кругосвет»

Литература

• Детонация // Большой Энциклопедический словарь (рус.). — 2000. // Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — 1-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1991. — .
• Зельдович Я. Б., Компанеец А. С. Теория детонации. — М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955. — 268 с.
• Хитрин Л. Н. Глава IV. Процесс распространения пламени. Детонация // Физика горения и взрыва. — М.: Издательство Московского университета, 1957. — С. 255—314. — 452 с. — 20 000 экз.
• (Щёлкин К. И.), Трошин Я. К. Газодинамика горения. — М.: Издательство Академии наук СССР, 1963. — 254 с.
• Дрёмин А. Н., Савров С. Д., Трофимов В. С., Шведов К. К. Детонационные волны в конденсированных средах. — М.: Наука, 1970. — 164 с.
• Ландау Л. Д., (Лифшиц Е. М.) § 129. Детонация // Гидродинамика. — Издание 5-е, стереотипное. — М.: Физматлит, 2001. — С. 668. — 736 с. — («(Теоретическая физика)», том VI). — .
• Dremin A. N. Toward Detonation Theory. — New York: Springer, 1999. — 156 p. — . — doi:10.1007/978-1-4612-0563-0. от 17 декабря 2013 на Wayback Machine