История открытия явления детонации в газовых смесях

Институт Философии РАН

Кафедра истории  и философии науки

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по истории  и философии науки

«История открытия явления детонации в газовых  смесях»

 

Специальность 01.04.17 – химическая физика,  горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

 

 

 

 

 

 

                                                                 Выполнил:

Малахов А.Ю., аспирант

 

       Проверил:

                              Научный руководитель:

 Первухин  Л.Б., д.т.н.

 

Руководитель  семинара:

Коняев С.Н., к. ф.-м. н.

 

 

 

 

 

 

Москва

2013 г.

 

Оглавление

 

Введение………………………………………………………………………..3

1.Открытие явления детонации. Основы гидродинамической теории…….4

2. Явление неустойчивости детонационной волны в газах……...................9

3. Открытие и сущность явления спиновой детонации в газовых смесях…11

4. Влияние плотности  газа на скорость детонации………………………….14

5. Инициирование детонации  в смесях газов………………………………..19

6. Явление вырождения  детонации…………………………………………...17

7.Области применения явления детонации в газовых смесях………………19

Заключение………………………………………………………………………24

Библиографический список…………………………………………………….25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Детонация представляет собой  наиболее совершенную форму взрыва, протекающую с постоянной и максимально возможной при заданных условиях для данного взрывчатого вещества скоростью[2].

Большинство исследований в  области детонации относится  к изучению детонационных волн в  газовых смесях. Это объясняется  тем, что газовые смеси относятся к простейшим системам. На основании проведенных исследований была создана математическая теория детонационной волны.

 Несмотря на то, что  явление газовой детонации имеет   более чем вековую историю  исследований – пионерские работы  Чепмена и Жуге датируются 1899 и 1904 годами, до сих пор природа многомерных детонационных структур, образующихся в газовых реагирующих смесях при различных условиях, до конца не исследована.

Практическая значимость в изучении детонационных процессов  заключена в более глубоком осмыслении методов обеспечения взрывобезопасности на производстве. Также глубокий анализ причин возникновения детонации и её влияния на окружающую среду, где она возникает, может помочь в решении проблем по использованию детонационного горения в военной технике и авиационной промышленности различного назначения.

 

1. Открытие явления детонации. Основы гидродинамической теории.

 

Ещё с пятнадцатого века людям было известно, что некоторые  соединения, например, фульминат ртути  (гремучая ртуть), способны подвергаться бурному химическому распаду при механическом воздействии, например, при ударе. Однако, долгое время не существовало соответствующего оборудования для наблюдения и определения скорости подобной быстрой волны горения. По-видимому, первым, кто определил скорость волны детонации в пироксилиновом порохе был Ф.Абель. [4]. Как директору химической лаборатории английского военного министерства в Вулвиче в 1862 г. ему было поручено произвести новые всесторонние исследования пироксилина, незадолго перед этим отвергнутого во всех государствах континентальной Европы из-за его опасности.

Путём исследований, выполненных по весьма обширной программе, Абелю удалось подробно изучить  свойства этого вещества, а также  существенно усовершенствовать  способ его фабричного производства. Благодаря этому пироксилин снова стал применяться для военных целей во всех государствах Старого и Нового Света.

Целый ряд классических работ Абеля, посвящённых этому  вопросу, был напечатан в «Phil. Trans.» в 1866-67 гг., «Annal. de Chimie et de Phys.» в 1870—74 г. и другие. Ему принадлежат также труды по исследованию детонации взрывчатых веществ и приведению в более удобный для употребления вид гремучего студня.

Согласно общераспространенной точке зрения, явление детонации в газах было открыто в 1881 году независимо друг от друга французскими учеными Бертло и Вьелем, а также Маляром и Ле-Шателье в ходе работ по исследованию распространения пламени в трубах. Данные исследования были необходимы, после того как в конце 19 столетия произошел ряд катастроф на угольных шахтах. Первые опыты в этой области показали, что после установления стационарного режима детонация распространяется с постоянной скоростью, которая составляет порядка 3-4 км/c, что превышает в несколько раз скорость звука в тех же газах при обычных температурах и давлениях. Данный процесс был назван «фальшивым горением» или детонацией (от франц. detonner: фальшивить, звучать не в тон).

Однако, в [1] А.Ю. Долгобородов  вносит некоторые дополнения и исправления в историю открытия явления детонации. В частности, он говорит: «Сейчас в эпоху интернета, когда многие научные архивы оцифрованы и доступны для свободного получения информации, нетрудно установить реальную историю на основе оригинальных работ…». Далее он рассматривает научные публикации по детонации в период до 1881 г. включительно и приходит к следующему выводу: «Таким образом, можно констатировать, что исторически нельзя датировать точное время «открытия» детонации, и тем более соотносить с датами публикаций работ по измерению скорости тех или иных параметров. Правильным будет указать, что в научной литературе термин «детонация» начал использоваться с конца 18 века, а первые измерения скорости и установление факта стационарности детонационной волны для конденсированных ВВ были опубликованы в 1873-74 г.г. Абелем, а для газовых смесей в 1881 Бертло»[1].

В 1883 году Малляр и Ле-Шателье, используя барабанный киносъемочный  аппарат, наблюдали переход горения  в детонацию, тем самым, продемонстрировав  возможность существования двух состояний горения в одной газовой смеси. Также данные ученые выдвинули гипотезу о том, что химические реакции в детонационной волне связаны с адиабатическим сжатием смеси.

В конце XIX – начале XX века был сделан значительный прорыв в понимании процессов распространения детонации. В это время была разработана гидродинамическая теория детонации (далее ГТД), которая позволила правильно объяснять качественные особенности детонационных процессов, а также с достаточной точностью определять параметры (скорость, давление, температура, энергия) детонационной волны.

У истоков создания ГТД  стояли такие ученые, как: В.А. Михельсон (1893), Д.Л. Чепмен (1889), Е. Жуге (1904-1905) и  Крюссар (1907). Основой для ГТД стала  теория Чепмена-Жуге (далее ЧЖ), которая базировалась на работах Рэнкина (1870) и Гюгонио (1887, 1889).

В.А. Михельсон наиболее ясно и точно описал физику процесса детонации. Он впервые попытался применить  готовые результаты математической теории волн конечной амплитуды.

Рассматривая различные способы воспламенения горючей смеси, Михельсон обратил внимание на два  предельных случая – воспламенение при p=const, что реализуется при нормальном процессе распространения, и воспламенение при весьма быстром адиабатическом сжатии.

Используя работы Гюгонио, Михельсон первый получил основную систему детонационных уравнений и выражение для скорости распространения детонации[5].

 Появление новых экспериментальных  данных, которые не укладывались  в рамки классической теории, привело к необходимости более детального  теоретического изучения структуры фронта и механизма распространения газовой детонации. В 1940 г. Я.Б. Зельдовичем была предложена физическая модель фронта детонации и дана четкая связь между условиями протекания реакции и принципом минимума скорости детонации,  также являвшемся ранее постулатом теории Чепмена-Жуге. Тем самым было положено начало второго этапа в исследованиях детонации, которое одновременно оказалось окончательным, завершающим шагом первого этапа (сделавшим однозначными выводы ГТД и доказавшим справедливость теории Чепмена-Жуге)[4]. Данной темой занимались не только советские ученые, но и зарубежные исследователи, которые независимо друг от друга выполнили ряд работ: фон Нейман (США, 1940), Деринг (Германия, 1943), которые были опубликованы со значительным опозданием в связи с условиями военного времени.

Важнейший вывод теории Зельдовича-Неймана-Деринга  – существование области повышенного  давления во фронте детонационной волны  – получил впоследствии экспериментальное  подтверждение при исследовании детонации газов и конденсированных сред. [4].

Согласно ГТД детонация  возникает вследствие распространения  ударной волны (далее УВ) по взрывчатому  веществу (далее ВВ). Если амплитуда во фронте УВ больше некоторого значения, то волна в своем распространении способна возбуждать химическую реакцию за своим фронтом, за счет энергии которой обеспечиваются стабильные параметры процесса.

Ударной волной называется скачкообразное изменение давления, распространяющееся в среде со сверхзвуковой скоростью.

Движение обычной УВ складывается из движения скачка уплотнения и перемещения самой среды[7].

Распространяющаяся  по ВВ ударная волна (зона сжатия) и  прилегающая к ней зона химической реакции обобщаются понятием детонационной  волны. Передний фронт этой волны принято называть фронтом детонационной волны (детонационным фронтом).

Зона химической реакции  заканчивается условной границей, называемой плоскостью Чепмена-Жуге. Когда ударная  волна выйдет за пределы патрона  или войдёт в среду ВВ пониженного качества, то её энергия, не поддерживаемая более теплотой взрывных реакций, быстро угасает. Амплитуда и крутизна фронта волны уменьшаются, и ударная волна переходит в звуковую. Газообразные продукты взрыва, образовавшись в глубине фронта детонационной волны (в зоне реакций), не остаются на месте, а движутся вслед за нею со скоростью, в 4... 10 раз меньшей скорости детонации. Позади детонационной волны давление и плотность продуктов взрыва быстро уменьшаются вследствие рассеивания последних.

В детонационной волне различают зоны: ударную, взрывных реакций, газообразных продуктов взрыва. В ударной зоне давление Р1 вдвое выше, чем давление Р2 в зоне установившейся детонационной волны (на заднем крае фронта детонационной волны). Давление Р2 вдвое выше стационарного давления мгновенного взрыва. Ударная зона очень узкая - около 1 мкм. Глубина зоны реакций значительно больше (0,5 мкм для азида свинца, 10 мкм для тетрила и тротила и ещё большая для смесевых ВВ). Чем больше глубина зоны реакций, тем менее восприимчиво ВВ к детонационному импульсу. Длительность взрывных реакций составляет 3×10-3... 6×10-3 мкс для азида свинца и 0,2 ... 2 мкс для тротила.

Поскольку ВВ превращаются в продукты взрыва не мгновенно, то в сжатых продуктах всегда имеются  частички ещё не прореагировавшего ВВ, которые, догорая на протяжении какого-то времени, питают своей энергией ударную волну. В то же время высокое давление в детонационной волне обусловливает расширение и разброс продуктов взрыва вместе с ещё не прореагировавшими частицами исходного вещества. Это расширение начинается с периферии и распространяется к оси детонирующего заряда со скоростью звука в продуктах детонации [6].

Рисунок 1 –  График детонационной волны (волна движется влево)

 

Теоретическая разработка того, что устойчивость детонации определяется соотношением между временем химической реакции tp и временем разброса частиц ВВ в  детонационной волне под действием волны разрежения t₀, вошла в гидродинамическую теорию под названием "принцип Харитона", имеющий значение при оценке устойчивости детонации ВВ, а именно: если t₀>tp., то детонация распространяется с максимальной свойственной для данного ВВ скоростью; если t₀ =tp, то детонация распространяется устойчиво, но с меньшей скоростью, чем максимальная; если t₀< tp, то химическое превращение может настолько замедлиться, что детонация прекращается. [6]

Согласно "принципу Харитона", всякая система, способная к экзотермическому превращению с образованием газообразных продуктов, в принципе является взрывчатой.

При этом, чем  больше продолжительность химического  превращения, тем больше должен быть диаметр заряда, при котором может иметь  место стационарная детонация

 

Явления неустойчивости детонационной волны в газах

В 1957 году кандидат физико-математических наук Ю. Н. Денисов, член-корреспондент АН СССР К. И. Щелкин, доктор физико-математических наук Я. К. Трошин (Институт химической физики АН СССР), член-корреспондент АН СССР Б. В. Войцеховский, доктор физико-математических наук В. В. Митрофанов и кандидат физико-математических наук М. Е. Топчиян (Институт гидродинамики Сибирского отделения АН СССР) открыли неизвестное ранее явление неоднородности и изменения во времени формы фронта детонационной волны, которое наблюдалось, например, при взрывах в шахтах, в ракетных двигателях, двигателях внутреннего сгорания и трубопроводах.

В природных  условиях явление детонации проявляется  при взрывах скоплений газов, при вулканических и звездных взрывах. Прежде считалось, что фронт детонационной волны - это гладкая устойчивая поверхность, разделяющая исходное взрывчатое вещество и сжатые до высоких давлений и температур продукты химической реакции воспламенения. Однако в 1957 г. Ю. Н. Денисов, тогда студент-дипломник МИФИ, и его научный руководитель Я. К. Трошин заметили периодические изменения во времени свечения детонационного фронта в сильнодетонирующих газовых смесях.

Используя собственный, так называемый следовой, метод, Ю. Н. Денисов и Я. К. Трошин изучали сетчатые следы детонации на покрытых тонким слоем сажи стенках сосудов, в которых происходил детонационный процесс. Зарегистрированный след линии столкновения детонационной волны с заведомо гладкой плоской ударной волной оказался извилистым. Это свидетельствовало о том, что в детонационной волне существуют выпуклости и вогнутости переднего фронта.