Первые 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.
«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.
А 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!
Ход 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