детонация

ДЕТОНАЦИЯ (от ср.-век. лат. detonatio — взрыв, лат. detonо — гремлю)

распространение со сверхзвуковой скоростью зоны быстрой экзотермич. хим. реакции, следующей за фронтом ударной волны. Ударная волна инициирует реакцию, сжимая и нагревая детонирующее вещество (газообразную смесь горючего с окислителем), конденсированное ВВ. Фронт ударной волны и зона реакции образуют в комплексе детонац. волну. Выделяющаяся при реакции энергия поддерживает ударную волну, обеспечивая самораспространение процесса. Д. — одна из осн. форм взрывного превращения. Она может распространяться в газах, твердых и жидких веществах, в смесях твердых и жидких веществ друг с другом и с газами, в последнем случае газ и конденсир. вещество м. б. предварительно смешаны друг с другом (пены, аэрозоли, туманы). Возможна и т. наз. гетерог. Д., при которой слой жидкости или порошка, способных реагировать с газом, находится на стенках заполненной этим газом трубы. Ударная волна срывает капли жидкости или частицы порошка со стенок, смешивает их с газом, образовавшаяся взвесь сгорает за фронтом волны в турбулентном режиме, а выделяющаяся при этом энергия поддерживает распространение процесса. Так, в шахтах ударная волна, возникшая при вспышке газа (метана), сметает кам.-уг. пыль со стен и кровли выработки и образует на своем пути воздушно-пылеугольную смесь, по которой может пойти фронт горения, поддерживающий ударную волну, — возникает Д. Смеси горючего с окислителем могут детонировать только при таких концентрациях компонентов, которые обеспечивают выделение достаточно большого количества энергии. Наим. содержание горючего, при котором возможна Д., наз. ниж. пределом ее распространения, наибольшее — верхним. Пределы распространения Д. обычно уже, чем в случае горения. Скорость фронта D детонац. волны в газах, пылегазовых системах составляет обычно 1,5–3 км/с, в твердых веществах — до 9 км/с. Скорость и потока продуктов реакции за фронтом волны в 2–4 раза меньше, чем скорость фронта D. Давление в детонац. волне p_g равно произведению скорости волны на скорость потока и на плотность ρ₀ исходного вещества: p_g = ρ₀uD. При Д. газов р_g обычно составляет 2–3 МПа, в случае конденсир. веществ может достигать 20–40 ГПа; температура продуктов Д. составляет 2000–5000 К. Классич. теория Д. позволяет рассчитать скорость и др. параметры детонац. волны с использованием только термодинамич. характеристик исходного вещества и продуктов реакции, на основе законов сохранения массы, импульса и энергии. Устойчивая стационарная Д., самопроизвольно распространяющаяся со скоростью, постоянной для данного вещества, происходит при условии, если скорость детонац. волны относительно продуктов реакции равна скорости звука с в них: D — и = с. Если с помощью мощной ударной волны возбудить в среде Д. с большей скоростью, возникающая за ее фронтом (в продуктах реакции) волна разрежения настигает фронт Д., снижает давление и скорость Д. до тех пор, пока они не примут значений, соответствующих условию D — и = с. В действительности стационарная Д. в газах неустойчива. Фронт ударной волны не плоский и не гладкий, он изборожден мелкими поперечными волнами, процесс как бы пульсирует: реакция за фронтом волны идет неравномерно, возникает в отдельных точках при столкновении поперечных волн друг с другом или со стенками трубы, в которую заключен реагирующий газ. Расстояние между центрами возникновения реакции увеличивается, а число их во фронте волны уменьшается по мере уменьшения скорости и давления Д. Вблизи пределов Д. (нижнего и верхнего) нередко остаются всего один-два центра. Они движутся вдоль стенок трубы по спирали, совершая неск. десятков тыс. оборотов в секунду. Это — т. наз. спиновая Д. в газах. В жидких и твердых веществах Д. также может происходить неравномерно, в т. ч. и в режиме спиновой Д. Скорость Д. в газах слабо зависит от плотности (давления) газа. При Д. в конденсир. веществах зависимость скорости от плотности более сильная: D = а + bρ₀, где эмпирич. постоянная а примерно равна скорости Д. данного вещества в газообразном состоянии, постоянная b составляет от 2 до 5 (м/с)/(кг/м³). Скорость Д. зависит также от диаметра трубы, в которой находится детонирующее вещество. Наивысшая, т. наз. "идеальная" скорость Д. достигается при некотором достаточно большом (предельном) диаметре. Уменьшение диаметра приводит к возрастанию потерь энергии в окружающую среду и снижению скорости Д.; при некотором критич. диаметре Д. затухает. Величина критич. диаметра Д. тем меньше, чем больше скорость хим. реакции. Инициирующие ВВ, характеризующиеся высокой скоростью реакции, детонируют в зарядах диаметром порядка 0,01–0,1 мм. Для некоторых грубодисперсных взрывчатых смесей критич. диаметр м. б. более 1 м. Прочная массивная оболочка препятствует потерям энергии из зоны реакции, приводит к уменьшению критич. диаметра и к росту скорости Д. при диаметре трубы, большем критического. Вещества с малым критич. диаметром Д. используются для изготовления детонирующего шнура, капсюлей-детонаторов, промежуточных детонаторов. Их применяют также для сенсибилизации (повышения детонац. способности, уменьшения критич. диаметра) взрывчатых смесей, содержащих труднореагирующие компоненты. Д. может возникать при горении. Переход горения в Д. происходит в результате повышения давления при ускорении горения, турбулизации потока горящего вещества. Д. некоторых газовых смесей и инициирующих ВВ возникает в результате воспламенения при обычных условиях (атм. давление, комнатная температура, небольшие количества вещества). Д. бризантных ВВ обычно вызывают с помощью капсюля-детонатора, содержащего небольшое количество инициирующего ВВ. Склонность к переходу горения в Д. — осн. показатель чувствительности (степени опасности) взрывчатой системы (см. взрывоопасность). Д. — осн. процесс при использовании ВВ в промышленности и военном деле. Теория Д. в газах — основа научного подхода к вопросам взрывоопасности. С помощью Д. осуществляют взрывную штамповку, сварку, резку, плакирование, упрочнение металлов; Д. используют при строительстве плотин, каналов, дорог, геофиз. разведке и добыче полезных ископаемых. С помощью Д. получают синтетич. алмазы, нитрид бора и др. сверхтвердые материалы. В научных исследованиях Д. — один из способов получения сверхвысоких (десятки и сотни ГПа) давлений.

^{Лит.: Зельдович Я. Б., Компанеец А. С., Теория детонации, М., 1955; Солоухин Р И., Ударные волны и детонация в газах, М., 1963; Детонационные волны в конденсированных средах, М., 1970; Физика взрыва, 2 изд., М., 1975; Нетлетон М., Детонация в газах, пер. с англ., М., 1989; Фиккет У., Введение в теорию детонации, пер. с англ., М., 1989}

_{Б. Н. Кондриков}