Детонация

Детона́ция

(франц. détoner — взрываться, от лат. detono — гремлю)

процесс химического превращения взрывчатого вещества, сопровождающийся освобождением энергии и распространяющийся по веществу в виде волны от одного слоя к другому со сверхзвуковой скоростью. Химическая реакция вводится интенсивной ударной волной (См. Ударная волна), образующей передний фронт детонационной волны. Благодаря резкому повышению температуры и давления за фронтом ударной волны химическое превращение протекает чрезвычайно быстро в очень тонком слое, непосредственно прилегающем к фронту волны (рис. 1, 2).

Энергия, освобождающаяся в зоне химической реакции, непрерывно поддерживает высокое давление в ударной волне. Д., т. о., представляет собой самоподдерживающийся процесс.

Возбуждение Д. является обычным способом осуществления Взрывов. Д. в заряде взрывчатого вещества создаётся интенсивным механическим или тепловым воздействием (удар, искровой разряд, взрыв металлической проволочки под действием электрического тока и т.п.). Сила воздействия, необходимого для возбуждения Д., зависит от химической природы взрывчатого вещества. К механическому воздействию чувствительны, например, так называемые инициирующие взрывчатые вещества (гремучая ртуть, азид свинца и др.), которые обычно входят в состав капсюлей-детонаторов, используемых для возбуждения Д. вторичных (менее чувствительных) взрывчатых веществ.

В однородном взрывчатом веществе Д. обычно распространяется с постоянной скоростью, которая среди возможных для данного вещества скоростей распространения детонационной волны является минимальной. В детонационной волне, распространяющейся с минимальной скоростью, зона химической реакции перемещается относительно продуктов реакции со скоростью звука (но со сверхзвуковой скоростью относительно исходного вещества). Благодаря этому волны разрежения, возникающие при расширении газообразных продуктов химической реакции, не могут проникнуть в зону реакции и ослабить бегущую впереди ударную волну. Д., отвечающая указанным выше условиям, называется процессом Чепмена — Жуге; соответствующая ей минимальная скорость распространения принимается в качестве характеристики взрывчатого вещества (см. табл.). Давление, которое создаётся при распространении детонационной волны в газообразных взрывчатых смесях, составляет десятки атмосфер, а в жидких и твёрдых взрывчатых веществах измеряется сотнями тысяч атмосфер.

При определённых условиях во взрывчатом веществе может быть возбуждена Д., скорость распространения которой превышает минимальную скорость Д. Так, взрыв заряда твёрдого взрывчатого вещества, помещённого в газообразную взрывчатую смесь, порождает в смеси ударную волну, интенсивность которой во много раз превосходит интенсивность волны, отвечающей режиму с минимальной скоростью. В результате в газовой смеси распространяется детонационная волна с повышенной скоростью. В этой волне, в отличие от процесса Чепмена — Жуге, зона химической реакции движется относительно продуктов реакции с дозвуковой скоростью. Поэтому по мере удаления такой волны от места её возникновения ударная волна постепенно ослабевает (сказывается влияние волн разрежения) и скорость распространения Д. снижается до минимального значения.

Детонационную волну с повышенной скоростью распространения можно также получить в неоднородном взрывчатом веществе при движении волны в направлении убывающей плотности. Ещё одним примером распространения Д. со скоростью, превышающей минимальное значение, может служить сферическая детонационная волна, сходящаяся к центру. Скорость волны с приближением к центру возрастает. В центре такая волна в течение короткого интервала времени создаёт давление, во много раз превышающее величину, характерную для режима Чепмена — Жуге.

Устойчивый процесс Д. не всегда возможен. Например, волна Д. не может распространяться в цилиндрическом заряде взрывчатого вещества слишком малого диаметра (разлёт вещества через боковую поверхность вызывает прекращение химической реакции прежде, чем вещество успеет заметно прореагировать). Минимальный диаметр заряда, в котором возможен незатухающий процесс Д., пропорционален ширине зоны химической реакции. В газообразных взрывчатых смесях распространение Д. возможно лишь при условиях, когда концентрация горючего газа (или паров горючей жидкости) находится в определённых пределах. Эти пределы зависят от химической природы взрывчатой смеси, давления и температуры. Например, в смеси водорода с кислородом при комнатной температуре и атмосферном давлении волна Д. способна распространяться, если концентрация (по объёму) водорода находится в пределах от 20% до 90%.

Исследование волны Д. в газах показывает, что при понижении начального давления химическая реакция приобретает характер пульсаций. Неравномерное протекание реакции вызывает искажения движущейся впереди ударной волны (рис. 3). Наконец, при достаточно низком давлении осуществляется режим так называемой спиновой Д., при котором на фронте детонационной волны возникает излом, вращающийся по винтовой линии (рис. 4). Дальнейшее снижение давления приводит к затуханию Д.

Кроме Д., во взрывчатом веществе возможен др. тип волны химической реакции — Горение. Волны горения всегда распространяются с дозвуковой скоростью (обычно значительно меньшей, чем скорость звука в исходном веществе). Движение волны горения обусловлено сравнительно медленными процессами теплопроводности (См. Теплопроводность) и диффузии (См. Диффузия). При некоторых условиях горение может перейти в Д.

Во многих случаях, например при горении топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания или реактивного двигателя, при горении пороха в стволе артиллерийского орудия и др., Д. недопустима. В связи с этим подбираются такие условия горения и химический состав используемых веществ, чтобы возникновение Д. с характерным для неё чрезвычайно резким повышением давления было исключено.

Скорости v детонации некоторых взрывчатых веществ

Лит.: Зельдович Я. Б., Компанеец А. С., Теория детонации, М., 1955; Щёлкин К. И., Трошин Я. К., Газодинамика горения, М., 1963; Компанеец А. С., Ударные волны, М., 1963.

К. Е. Губкин.

Рис. 1. Схема детонационной волны: А — фронт ударной волны; заштрихованная область — зона хим. реакции. Стрелкой показано направление распространения волны.

Рис. 2. Мгновенная фотография распространяющейся (сверху вниз) волны детонации в цилиндрическом заряде взрывчатого вещества: АА — фронт детонации; ВВ — взрывчатое вещество; ПВ — разлетающиеся газообразные продукты взрыва.

Рис. 3. Фотография следов, оставленных фронтом волны детонации на закопченной пластинке, помещенной на торце трубы. В трубе прошла детонация смеси водорода с кислородом (2H₂ + O₂) при начальном давлении 300 мм рт. ст.

Рис. 4. Фотография распространяющейся в трубе спиновой детонации (в газовой смеси). Фотографирование производилось через щель, параллельную оси трубы, на движущуюся плёнку. Вращающийся по винтовой линии излом на фронте волны периодически появлялся перед щелью.