История открытия явления детонации в газовых смесях

Тот факт, что  следы на боковых стенках сосуда были ромбовидными, говорил о периодических  столкновениях и отражениях выпуклых участков фронта детонации с повышенными свечением и давлением в них.

Подробные исследования, проведенные вышеупомянутым коллективом, показали, что поверхность детонационной  волны является как бы кипящей: она  покрыта мельчайшими пузырями, колеблющимися вперед-назад с частотой несколько миллионов в секунду. В местах столкновения выпуклостей резко возрастают температура и давление. Следовательно, химическая реакция в этих местах фронта волны протекает во много раз быстрее, чем на других его участках. Описанный газодинамический механизм и осуществляет столь быстрое превращение вещества при детонации, скорость распространения которой сравнима с космической и достигает нескольких тысяч метров в секунду.

Научное значение открытия состоит в коренном изменении  представлений о структуре детонационной волны в газах. Ее неустойчивость оказалась характерной для самоподдерживающихся детонационных режимов во всех детонационно-способных газовых смесях. Открытое явление имело большое значение для теории детонационных процессов. Исследования в этой области способствовали проведению работ по изучению структуры детонационных волн в жидких и твердых взрывчатых веществах, для ряда которых обнаружено аналогичное явление неустойчивости детонационной волны. Познанные закономерности периодической структуры детонации используются в области изучения механизма и кинетики быстрых химических реакций.

На принципах  открытия его авторы сделали ряд  изобретений (детонационная труба  для определения периода индукции воспламенения горючих смесей, детонационный импульсный ускоритель плазмы и др.).

Открытие  и сущность явления спиновой детонации  в газовых смесях

 В 1926 году  английскими учёными Кэмпбеллом  и Вудхеном при исследовании  детонации в смесях окиси углерода  с кислородом было обнаружено интересное явление, связанное с детонацией. Это явление характеризовалось волнистой, а не гладкой линией фронта пламени при фоторегистрации. Стоит отметить, что все основные характеристики сохранялись, а скорость детонационного фронта была постоянной и соответствовала расчетам по гидродинамической теории.

Обнаруженное  явление получило название спиновая детонация. Она всегда возникает  в трубе определенного диаметра при детонации указанного выше состава  смеси, независимо от способа инициирования, причем расстояние между волнами всегда строго постоянно.

Рисунок 2 - 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.

Можно указать  следующие особенности детонационного спина[5]

1. В трубах круглого сечения светящаяся вершина детонационной волны двигается вдоль стенки трубы по спирали;
2. Для данной горючей смеси шаг спина пропорционален диаметру трубы, однако в трубах больших диаметров может наблюдаться не один спиральный след, а несколько, что указывает на наличие определенного количества числа «головок» детонационной волны, т.е. поджигающих свежий газ вершин фронта;

 Спиновая детонация осуществляется в смесях, близких к детонационным пределам или в труднодетонирующих смесях. Особенно отчетливо спин проявляется в смесях окиси углерода (во всех детонирующих смесях с кислородом), а также в некоторых смесях водорода, метана, этана, этилена, сероуглерода и циана с кислородом. Спин может так же наблюдаться в смесях водорода с воздухом (опыты X. А. Ракйповой, Я. А. Трошина, К. И. Щелкина);

4. Эксперименты в трубах  некруглого сечения на «спиновых смесях» показали, что распространение, пламени в этом случае сопровождается всеми особенностями спиновой детонации;

5. Средняя скорость распространения  спиновой детонационной волны  очень близко соответствует теоретической  скорости обычной детонационной волны, рассчитанной по гидродинамической теории;

6. Измерение давления  во время распространения фронта  спиновой детонации обнаруживает  характерные колебания, соответствующие периоду спина;

7. Во многих смесях, не  обладающих способностью к спиновой детонации, спин может временно появиться в начальной фазе обычной детонации;

8. Скорость детонации,  как известно, может падать от  более высокого значения, соответствующего  моменту начала детонации, до  более низкого, устойчивого, стационарного значения. Спин развивается полностью только в условиях стационарной детонации.

До сих пор  полной теории детонационного спина, которая  смогла объяснить все происходящие процессы при распространении пламени  в трубе определенного диаметра не существует.

Есть несколько представлений того, как объяснить спиновую детонацию.

Наиболее простым представляется объяснение, основывающееся на том, что  спиральное движение «головки» и идущего за ней шлейфа связано с вращением всего газа вокруг продольной оси трубы. Неясным представляется, однако, каким образом такое вращательное движение возникает; обычные уравнения не дают основания для заключения, каким образом может возникнуть подобное вращение.

Непосредственные наблюдения также пока не дают ясной картины движения газа при спиновой детонации.

Ясно наблюдаемые в  каждой волне спина направленные вперед и назад потоки газа, о которых шла речь выше, наводят на мысль о существовании частичных взрывов. Бон, Фрезер и Уилер считали, что при вращении «головки» фронта, т. е. области наивысшей скорости реакции, после каждого полуоборота позади остается некоторый объем несгоревших газов, который потом постепенно сгорает, Это объяснение, однако, не подтверждается экспериментально во всех деталях.

Существенно отличное объяснение было предложено Бекером. Он полагал, что аналогичное явление периодически повторяется, правда не в столь резкой форме, и в случае детонационного спина, т. е. процесс сгорания периодически затухает, усиливаясь за счет периодически появляющейся ударной волны, воспламеняющей смесь. Таким образом, ударная волна и зона сгорания расходятся, а затем снова сходятся[5].

Несколько десятилетий ученые разных стран пытались раскрыть загадку  детонационного спина и узнать внутреннюю структуру огненного ядра спиновой детонации, так как именно в нем в основном идет химическая реакция воспламенения. Однако большая скорость ядра и наложение друг на друга протекающих в разных направлениях волновых процессов долго не позволяли расшифровать его внутреннюю структуру.

Только в 1957 г. члену-корреспонденту АН СССР Б. В. Войцеховскому удалось, выбрав одно из множества направлений распространения волновых процессов и совместив в этом единственном направлении скорость движения фотографической пленки со скоростью ядра, получить фотоотпечаток расположения волн в ядре. Оказалось, что наиболее интенсивное горение протекает в так называемой поперечной волне воспламенения, бегущей по слою ударно-сжатого газа, и в исследовавшейся ранее членом-корреспондентом АН СССР К. И. Щелкиным косой волне. Тонкие измерения давления и других параметров в волне спиновой детонации, выполненные Б. В. Войцеховским и кандидатами физико-математических наук В. В. Митрофановым и М. Е. Топчияном в Институте гидродинамики Сибирского отделения АН СССР, подтвердили первоначальный вывод.

В этом же 1957 г. кандидат физико-математических наук Ю. Н. Денисов и доктор физико-математических наук Я. К. Трошин (Институт химической физики АН СССР), разработав новый - следовой - метод и применив его к исследованию ядра спиновой детонации, обнаружили, что поперечная, а в ряде случаев и косая волна имеют внутренние периодические структуры. Значит, пламя в ядре не только упорядоченно расположено в пространстве, но и периодически меняется во времени. Было открыто существование целого ряда закономерных тонких структур ядра спиновой детонации в различных взрывчатых газовых смесях. Выяснилась связь тонкой структуры с характеристиками движения волны детонации в целом.

Открытие тонкой спиновой детонации привело к более глубокому пониманию процессов, протекающих вблизи пределов детонации. Оно легло в основу решения ряда технических задач, связанных с детонационным сгоранием. Благодаря открытию появились новые методы изучения механизма химических реакций при высоких температурах.

За исследования газовой детонации сотрудники Института  гидродинамики СО АН СССР член - корреспондент АН СССP В. Войцеховский и член-корреспондент АН СССР Р. И. Солоухин были в 1964 году удостоены Ленинской премии.

Влияние плотности газа на скорость детонации

Для газовых  смесей, находящихся в исходном состоянии  при нормальных условиях параметры  детонационной волны вычисляются  из уравнения состояния идеального газа. Однако, для газов, находящихся  под повышенным давлением, т.е. с имеющие большую плотность уравнение Клайперона уже является неприемлемым.

По данным Диксона, при повышении давления смеси 2Н₂+ О₂ с 760 мм до 1500 мм ртутного столба скорость детонации увеличивается весьма незначительно, а именно с 2821 м/сек до 2872 м/сек. По данным Ле-Шателье, при повышении давления ацетиленовых смесей с 5 до 30 атмосфер скорость детонации увеличивается с 1000 до 1600 м/сек.[2]. Результаты данных опытов позволяют говорить нам о том, что скорость детонации газовой смеси существенно зависит от природы добавляемого газа, и она возрастает с повышением плотности.

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 спиновой детонации, при котором на фронте детонационной волны возникает излом, вращающийся по винтовой линии. Дальнейшее снижение давления приводит к затуханию детонации.

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

Инициирование детонации в смесях газов

Инициирование детонации может быть осуществлено очень многими способами. Как правило, возбуждению детонации в системе предшествует стадия распространения ударной волны, интенсивность которой достаточна для инициирования ускоряющейся экзотермической реакции. Иными словами, эта ударная волна осуществляет нагрев реагирующей смеси до температуры, превышающей температуру самовоспламенения смеси, и поддерживает ее на необходимом уровне в течение некоторого времени.

Непосредственное  инициирование детонации от «точечного источника» можно осуществить в  результате взрыва заряда взрывчатого вещества соответствующей мощности или взрыва электропроводящей проволочки с помощью разряда обычного конденсатора или лазерного источника. Для всех указанных способов непосредственного возбуждения детонации существует минимальная критическая энергия инициирования детонации, такая, что если в системе выделится меньше энергии, то возбуждения детонации не произойдет, но при этом будет возможно распространение пламени. 

Поскольку при  этих способах инициирования детонации  генерируется достаточно сильная и медленно затухающая ударная волна, за фронтом которой происходит существенное выгорание смеси, то закономерности процесса подвода энергии к системе являются чрезвычайно важными. Так, экспериментально установлено, что полное количество энергии, которое нужно выделить в системе для возбуждения детонации, непосредственно связано со скоростью ее выделения.

В частности, при  возбуждении детонации лазерным импульсом длительностью 20 не критическая  энергия оказывается очень малой. При инициировании детонации взрывающейся проволочкой (с характерным временем взрыва 10 мкс) критическая энергия получается более высокой. Если в качестве инициатора используется разряд обычного конденсатора за время от 10 до 60 мкс, то критическая для возбуждения детонации энергия получается еще выше.

Возбуждение детонации  связано с нагревом некоторой  массы реакционно-способной смеси  выше температуры ее самовоспламенения  и ее пребыванию при этой высокой  температуре в течение некоторого промежутка времени, достаточного для возникновения локального теплового взрыва, развитие которого и приводит к возбуждению детонации. Было обнаружено явление непосредственного инициирования детонации, при котором температура смеси никогда не становится выше температуры самовоспламенения.

 В зависимости от интенсивности ультрафиолетового излучения наблюдались три режима протекания процесса. При малой интенсивности ультрафиолетового излучения оно проникало через окно внутрь смеси лишь на небольшую глубину и образующиеся в этом приоконном слое радикалы приводили к инициированию волны горения, распространяющейся от стенки внутрь камеры. При очень высокой интенсивности падающего ультрафиолетового излучения оно поглощалось почти равномерно по всему объему смеси, что обеспечивало высокую концентрацию радикалов по всему объему камеры и приводило к взрыву содержимого камеры в условиях постоянного объема. В этом случае взрыву в системе не предшествовало распространение каких-либо ударных волн.