Шифр детонации

детонационный взрывПервые попытки научно обосно­вать процесс детонации относятся к XIX веку, когда взрывчатые ве­щества стали применяться не только в военном деле, но и в хозяйственной деятельности чело­века. О взрыве уже нужно было знать все, но теория явно отста­вала от практики — слишком не­совершенна была техника экспе­римента, и ученые не могли «под­ступиться» к взрыву.

В 1881 году была открыта де­тонация в газах, и вскоре появи­лась первая теория этого процес­са, созданная русским ученым В. А. Михельсоном, англичанином Д. Чепменом и французом Э. Жуге. Согласно этой теории, в дето­национной волне, как и в ударной. вещество резко сжимается, силь­но разогревается и мгновенно воспламеняется. Но что значит «мгновенно»! Первая теория де­тонации создавалась на рубеже XIX—XX веков, в то время, когда физика уже не могла существо­вать без математики. Но конкре­тизировать понятие «мгновенно» ученые не могли — не было мето­дов и приборов, способных уло­вить и зафиксировать «детали» взрыва.

Ударная волна и область вос­пламенения совмещены, гласила теория, ничто не разделяет их. Ошибочность этого положения сейчас очевидна даже не специа­листу. Кроме того, первая теория не учитывала (да в то время и не могла учитывать] огромной роли. которую играет в процессах дето­нации кинетика химических реак­ций.

Естественно, такая теория не могла удовлетворить науку сере­дины XX века, и двадцать пять пет назад появилась другая теория детонации, ставшая вскоре класси­ческой. Ее также создали физики трех стран: Я. Б. Зельдович (СССР), Д. Нейман (США) и В. Деринг (Германия). Теория «ЗНД» (название составлено из первых букв фамилий ее создателей) ри­совала довольно стройную картину детонации во всех деталях. Не­которые экспериментальные не­увязки ни у кого не вызывали опасений; считалось, что они — результат отставания техники экс­перимента.

Теория «ЗНД» доказывала, что процесс детонации можно разде­лить во времени и пространстве на основные составляющие. Согласно этой теории, между еще нетронутым пламенем и вос­пламененным веществом сущест­вует некоторый слой, перемещаю­щийся с огромной, порядка нескольких километров в секунду, скоростью. Он стремительно дви­жется в сторону «нетронутого» ве­щества, а впереди него идет удар­ная волна. Так как воспламенение в ударной волне происходит че­рез некоторое время после сжа­тия, то ударная волна и фронт воспламенения находятся на неко­тором расстоянии друг от друга. Между ними — очень сильно сжа­тый газ. Ударная волна и зона горения движутся плоским фронтом. Расстояние между фрон­тами — ударным и воспламене­ния — определяется характером химической реакции в ударно­сжатом газе. Теория «ЗНД» имела точную математическую формулировку. Она позволяла вычислить скорость детонации, скорость образующих­ся продуктов, их давление, удель­ный обьем и температуру. Расчет скорости вполне удовлетворитель­но совпадал с опытными данны­ми.

детонация«Автограф» детонации. Эта яче­истая структура, фотография которой похожа на снятый свер­ху букет фиалок, запечатлелась на торце детонационной трубы. Характер «рисунка» зависит от условий опыта. Этот «автограф» свидетельствует о том, что в мо­мент фотографирования детонация была в самом разгаре

Однако в рамки теории со­вершенно не укладывалась так называемая спиновая (вращающа­яся) детонация в газах, которая обязательно наблюдается перед затуханием процесса. Учитывая, это противоречие, советские уче­ные К. И. Щепкин и Я. Б. Зель­дович в 1945—1946 годах разра­ботали специальную теорию спи­новой детонации, согласно кото­рой воспламенение газа происхо­дит в небольшом участке — в из­ломе (ядре) ударного фронта и распространяется по винтовой пи­нии.

В 1957 году Б. В. Войцеховскому удалось запечатлеть на фото­графии «следы» вращающегося излома, возникающего при спи­новой детонации, но и после это­го никто из ученых не мог объ­яснить причины ее поразительной обособленности, ее непохожести на нормальную детонацию. Вот тогда, наверное, и зародилась крамольная мысль: «а существует ли нормальная детонация в таком виде, какой представляли ее авто­ры теории «ЗНД»? Конечно, тео­рия очень стройна и логична, но ни один экспериментальный ме­тод не позволил пока увидеть плоский фронт воспламенения и плоский ударный фронт…».

Причина неудач эксперимента­торов начала раскрываться лишь после того, как в Институте хими­ческой физики Академии наук СССР был разработан более чув­ствительный следовой метод изу­чения детонационных процессов. Он позволил улавливать измене­ния, происходящие за одну десятимиллионную долю секунды, и получать «автографы», которые ненадолго оставляет на внутрен­ней поверхности детонационной трубы стремительный взрывной процесс. Получить и расшифровать эти и многие другие подобные снимки помог скоростной фоторегистра­тор ЖФР, созданный в том же институте. Характер следов — ромбовид­ная сетка на стенках и ячеистая структура на торцах трубы — убеждал, что в газах нет плоской детонации, что фронт ее всегда неоднороден.

Вслед за этими первыми экспе­риментальными доказательствами неустойчивости фронта детонации появились и другие. Группа ученых Института гид­родинамики Сибирского отделе­ния Академии наук во главе с Б. В. Войцеховским и Р. И. Соло­ухиным исследовала структуру фронта детонационной волны дву­мя фотографическими методами и получипа те же результаты, что и московские физики, возглавляе­мые Я. К. Трошиным. Неоднород­ным оказался не только фронт ударной волны, но и фронт воспламенения. Так было положено начало но­вой теории детонации. Но прежде чем опубликовать свои сенсаци­онные выводы, ученые еще не­сколько пет собирали и обрабаты­вали данные многочисленных экс­периментов.

Несколько упрощенно основ­ные положения новой теории га­зовой детонации можно предста­вить так. Ударная волна и следующая за ней зона воспламенения распро­страняются не плоским фронтом. Их конфигурация объемна и пе­ременна, причем степень ее неус­тойчивости сравнима с неустойчи­востью шарика на лезвии ножа. Неустойчивость фронта воспламе­нения объясняется непостоянством многих кинетических и газодина­мических параметров процесса. Она передается ударному фрон­ту, и на нем возникают мелкие косые ударные волны — изломы. Изломы движутся, сталкиваются, исчезают, вновь возникают и сно­ва сталкиваются. Фронт детонации пульсирует. Неустойчивость не вредит детона­ции. Наоборот, она способствует ее надежному распространению — сталкиваясь, изломы создают «очаги», температура которых поч­ти в полтора раза выше темпе­ратуры, которая развилась бы при плоской ударной волне. Естест­венно, в этих очагах газ воспламе­няется значительно быстрее, чем в плоской волне. В газе очаги воспламенения появляются и исче­зают от десятков тысяч до не­скольких миллионов раз в секун­ду, в зависимости от характера вещества и условий опыта. К таким выводам пришли и московские, и новосибирские уче­ные, хотя методы исследования были у них разные. Это обстоя­тельство особенно ценно: непохо­жие методы дали одинаковый ре­зультат. Это было лучшим под­тверждением правильности новой теории, и одним из ее первых сторонников стал автор низверг­нутой классической теории дето­нации академик Я. Б. Зельдович.

автограф детонацииА это другой «автограф» детона­ции. И хотя он тоже отпечатал­ся на торце детонационной тру­бы, он мало похож на «букет», который вы видите на предыду­щей странице. Этот «автограф» свидетельствует о том, что в мо­мент фотографирования детона­ция была близка к затуханию

В ходе дальнейших работ ис­следователям удалось дать пол­ную физическую картину детона­ции и связать ее с химическими свойствами взрывчатой смеси.

В 1965 году за работу «Иссле­дование детонации в газах» член-корреспондент АН СССР Б. В. Войцеховский, доктор физико-матема­тических наук Р. И. Солоухин и доктор физико-математических наук Я. К. Трошин удостоены Ленинской премии. Выводы их исследований важ­ны для изучения химических реак­ций, идущих при высоких темпе­ратурах, для решения многих во­просов техники безопасности при взрывных работах, для создания новых конструкций реактивных двигателей и двигателей внутрен­него сгорания. Но ученые не считают свою работу окончательно завершен­ной. Ведь кроме газовой детона­ции существует детонация в конденсированных — твердых и жид­ких системах. Экстраполяция ре­зультатов возможна, но лучше проверить все на опыте…

Совсем недавно кандидат физико-математических наук А. И. Дремин с группой сотрудников проверил основные закономерно­сти пульсирующей детонации на жидких взрывчатых веществах и экспериментально подтвердил, что все основные положения но­вой теории справедливы и для жидкостей. Теперь на очереди твердые взрывчатые вещества.

Что представляют собой эти странные светящиеся диски?

Ученые провели опыты, в кото­рых было исключено влияние стенок сосуда на переход горения в детонацию. Взрывчатую смесь газов поместили в … обо­лочку мыльного пузыря!

светящиеся дискиХод одного из таких опытов зафиксирован на приведенной высокоскоростной фотографии. Большой круг — это поле зрения объектива. Слева вверху каждо­го снимка ясно видны неразру­шенная оболочка пузыря, элек­трод, воспламеняющий газовую смесь, и неоднородный стреми­тельно развивающийся фронт переходящего в детонацию горе­ния. Разглядывая фотографию снизу вверх, можно проследить развитие процесса.

Инженер В. ГОРЕЛОВ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>