Детонационной волны

Все взрывные процессы могут быть подразделены на две принципиально отличные формы – горение и собственно взрыв, между которыми существуют глубокие качественные различия.

Процессы горения в зависимости от внешних условий, в особенности от давления, протекают с переменной скоростью, в то время как скорость взрыва от внешних условий практически не зависит.

Результаты теоретических исследований показывают, что между горением и взрывом существует строгая количественная граница. Скорость горения всегда меньше, а скорость взрыва всегда больше, чем скорость звука в исходном, еще не разложившемся ВВ.

В передаче горения по заряду ВВ определяющую роль играют законы теплопроводности, а в передаче взрыва – ударная волна.

Горение при известных критических условиях может скачкообразно переходить во взрыв. Процессы взрыва при определенных условиях могут протекать в форме детонации.

Детонация представляет собой наиболее совершенную форму взрыва, протекающую с постоянной и максимально возможной при заданных условиях для данного ВВ скоростью. Таким образом, детонация – это частный случай, особая стационарная форма взрыва, а скорость детонации является константой и одной из важнейших характеристик взрывчатого вещества.

С этой точки зрения взрыв представляет собой неустановившийся процесс, который при своем распространении либо переходит в детонацию, либо затухает.

Таким образом, понятие "взрыв" объединяет понятия о его нестационарной и детонационной формах, которые по механизму своего распространения принципиально не отличаются.

Наиболее полно и глубоко изучены процессы детонации. Большинство теоретических исследований в области детонации относится к газовым смесям, которые являются простейшими взрывчатыми системами. Разработана стройная математическая теория детонационной волны, основные закономерности которой оказались справедливы и для конденсированных (твердых и жидких) ВВ.

Явление детонации в газах было открыто в 1881 году независимо Бертло и Вьелем, а также Малляром и Ле-Шателье в ходе работ по исследованию распространения пламени в трубах.

Крупным достижением в развитии представлений о сущности и законах распространения детонации явилась так называемая гидродинамическая теория детонации. Она не только правильно объясняет качественные особенности детонационных процессов, но и дает возможность вполне удовлетворительно рассчитать все параметры (скорость, давление, плотность, температуру, энергию) детонационной волны.

Основоположником современной гидродинамической теории детонации является известный русский физик Михельсон, который разработал основные ее положения еще в 1889 году.

Согласно гидродинамической теории передача детонации обусловлена распространением по ВВ ударной волны. Если амплитуда на фронте этой волны больше некоторой величины, то волна способна при своем распространении возбуждать за своим фронтом интенсивную химическую реакцию, за счет энергии которой поддерживается постоянство параметров волны и стационарный характер детонационного процесса в целом. Таким образом, скорость детонации может быть рассчитана, как скорость распространения ударной волны по взрывчатому веществу.

Движение обычной ударной волны складывается из движения скачка уплотнения и перемещения самой среды. Детонационная волна обладает более сложной структурой: за фронтом ударной волны движется зона химической реакции, а за ней – конечные продукты взрыва.

Для описания стационарного процесса детонации зону реакции можно не рассматривать, а сопоставить состояния исходного вещества и продуктов детонации.

Если взять систему координат, которая движется вместе с фронтом ударной волны, то в ней фронт и зона реакции станут неподвижными.

При переходе от ударной волны к детонационной основные уравнения сохранения остаются в силе:

В уравнении Гюгонио добавилась удельная энергия взрывчатого превращения (удельная теплота реакции при постоянном объеме).

Для детонационных процессов D = const, следовательно, из второго уравнения получаем уравнение прямой в координатах v и p:

Кривая Гюгонио для детонационной волны имеет вид, показанный на рисунке.

Она построена для конечных продуктов реакции, которые обладают повышенным содержанием энергии (кривая лежит выше точки A (v₀, p₀) и кривой Гюгонио ударной волны, производящей сжатие исходного вещества).

Для процессов детонации реальное значение имеет только ветвь слева от точки B, когда D > 0 и w > 0. Ветвь справа от точки D соответствует процессам горения, когда D > 0 и w < 0, то есть продукты горения движутся в сторону, противоположную направлению распространения фронта пламени. Участок BD вообще не имеет смысла, так как (p₁ – p₀) > 0 и (v₀ – v₁) < 0, а при таких значениях D и w имеют мнимые значения.

Доказано, что прямая проходит касательно к левой ветви кривой Гюгонио, то есть из точки A в точку M. Эта прямая называется прямой Михельсона. Точка M обладает следующими свойствами:

– энтропия на кривой Гюгонио достигает своего минимума, то есть ds = 0, а значит s = const (это точка касания кривой Гюгонио с адиабатой Пуассона);

– наклон прямой минимальный а значит D = D_min, при этом D = w + c.

Как происходит процесс детонации?

Ударная волна со скоростью D сжимает исходное ВВ от состояния, соответствующего точке A(v₀, p₀) до состояния, обозначенного точкой C. По мере протекания химической реакции и выделения тепла вещество переходит из точки C в точку M по прямой Михельсона (только в этом случае D = const). Дальше в процессе детонации сохраняются параметры, соответствующие точке M(v_м, p_м), так как s = const и D = w + c, то есть по мере расширения продуктов реакции за фронтом волны, волна разрежения не догоняет и не отстает от фронта. Таким образом, форма детонационной волны сохраняется, она стационарна.

Если же ударная волна двигается со скоростью D₁ > D, то исходное ВВ будет сжато до состояния C₁. В процессе химической реакции вследствие выделения тепла будет происходить расширение газов и из состояния C₁ произойдет переход в состояние E. В этом состоянии ds > 0, то есть происходит рассеивание энергии и скорость распространения волны разрежения больше скорости фронта: w + c > D₁, то есть волна разрежения догонит фронт и снизит на нем давление. Изменение параметров на фронте детонационной волны, поскольку реакция уже закончилась, может происходить только по адиабате Гюгонио для конечных продуктов детонации. Спуск по этой кривой будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнута точка M. Далее детонационная волна принимает стационарный характер. Начальная стадия этого процесса описывает неустановившийся взрыв (нестационарный процесс).

Распределение давлений и плотностей газа за фронтом детонационной волны выглядит следующим образом.