ДЕТОНАЦИЯ

ДЕТОНАЦИЯ (франц. detoner – взрываться, от лат. detono – гремлю) — процесс сгорания смесей газообразных, твердых и жидких горючих веществ (см. ГОРЮЧЕСТЬ; ГОРЮЧЕСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ) с окислителем (см. КИСЛОРОД), распространяющийся со сверхзвуковой скоростью (до 9000 м/с) в виде детонационной волны. [1]

История исследования явления

Вероятно, впервые термин «детонация» был введен в научный обиход Лавуазье в «Трактате по элементарной химии», опубликованном в 1789 году. Во второй половине XIX века были синтезированы вторичные взрывчатые вещества, в основе действия которых лежало явление детонации. Однако из-за большой скорости детонационной волны и разрушительного действия взрыва (см. ВЗРЫВ) 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 ученый 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 Чепменом в 1899 году и Жуге в 1905 году. В теории Чепмена-Жуге, названной гидродинамической теорией детонации, детонационная волна рассматривалась как поверхность разрыва.

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 моделью ZND — по именам Зельдовича, Неймана и Деринга, так как независимо от него к схожим результатам пришли фон Нейман в США и Деринг в Германии. 

Механизм детонации

Детонация вызывается механическим или тепловым воздействием (удар, искра и т. п.) с определенной интенсивностью. В практике обеспечения пожаровзрывобезопасности явление детонации рассматривается относительно редко. Это обусловлено ограниченным количеством производств с использованием взрывчатых веществ (см. ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО) или легкодетонирующих горючих газо-, паро- или пылевоздушных смесей.

Кроме того, далеко не в каждой горючей смеси можно возбудить процесс детонации, а способные к детонации смеси зачастую сгорают в режиме дефлаграции .

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.

Скорость детонации

Характерные значения скорости детонации составляют от одной до нескольких тысяч метров в секунду. Например, для гремучей смеси водорода с кислородом стехиометрического состава скорость детонации составляет 2820 м/с, для твердого гексогена — 8850 м/с, для взвесей угольной пыли в воздухе — от 1200 до 2500 м/с. Детонация в газах и аэровзвесях приводит к давлению, превышающему начальное не менее чем в 10 раз, при детонации в жидкостях и твердых телах возникает существенно большее давление (до сотен тысяч атмосфер). [1]

Химическая реакция вводится интенсивной ударной волной, образующей передний фронт детонационной волны. Благодаря резкому повышению температуры и давления за фронтом химическое превращение протекает с постоянной скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе, и в очень тонком слое, непосредственно прилегающем к фронту волны. Энергия, освобождающаяся в зоне превращения, непрерывно поддерживает высокое давление в ударной волне, т. е. обеспечивает самоподдерживающийся процесс. При расширении сжатых продуктов детонации происходит взрыв. Этим объясняется огромное разрушающее действие подобных процессов. В однородном веществе детонация распространяется с постоянной скоростью, которая среди возможных для данного вещества скоростей распространения детонационной волны является минимальной. В такой волне 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. Минимальная скорость распространения детонации принимается в качестве характеристики взрывчатого вещества. Энергия, выделяемая в зоне химической реакции, непрерывно поддерживает высокое давление в ударной волне.

При определенных условиях во взрывчатом веществе может быть возбуждена детонация, скорость распространения которой превышает минимальную скорость. Так, взрыв заряда твердого взрывчатого вещества, помещенного 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 зона химической реакции движется относительно продуктов реакции с дозвуковой скоростью. Поэтому по мере удаления такой волны от места ее возникновения ударная волна постепенно ослабевает (сказывается влияние волн разрежения) и скорость распространения детонации снижается до минимального значения. Детонационную волну с повышенной скоростью распространения можно также получить в неоднородном взрывчатом веществе при движении волны в направлении убывающей плотности.

Еще одним примером распространения детонации со скоростью, превышающей минимальное значение, может служить сферическая детонационная волна, сходящаяся к центру. Скорость волны с приближением к центру возрастает. Устойчивый процесс детонации не всегда возможен. Например, волна детонации не может распространяться в цилиндрическом заряде взрывчатого вещества слишком малого диаметра (разлет вещества через боковую поверхность вызывает прекращение химической реакции прежде, чем вещество успеет заметно прореагировать). Минимальный диаметр заряда, в котором возможен незатухающий процесс детонации, пропорционален ширине зоны химической реакции.

В газообразных взрывчатых смесях распространение детонации возможно лишь при условиях, когда концентрация горючего газа (или паров горючей жидкости) находится в определенных 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 детонации способна распространяться, если концентрация (по объему) водорода находится в пределах от 20 до 90 %. Исследование волны детонации в газах показывает, что при понижении начального давления химическая реакция приобретает характер пульсаций. Неравномерное протекание реакции вызывает искажения движущейся впереди ударной волны. Наконец, при достаточно низком давлении осуществляется режим так называемой спиновой детонации, при котором на фронте детонационной волны возникает излом, вращающийся по винтовой линии. Дальнейшее снижение давления приводит к затуханию детонации. [2]

Применение

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. 

Представления о тротиловом эквиваленте энергетического потенциала отдельных участков производства (с последующими выводами о расчетных значениях взрывных нагрузок при аварии) используются в правилах по обеспечению взрывобезопасности химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. [1]

Литература

1. ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ. ЭНЦИКЛОПЕДИЯ. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2019.

2. Долгобородов А. Ю. К истории «открытия» явления детонации // Горение и взрыв, 2013.