Теория детонации идеального взрывчатого газа

Относительно полно теоретически и экспериментально исследована детонация взрывных газов (например, в гремучей смеси водорода и кислорода, или в смесях углеводородов с кислородом ив топливно-воздушных смесях -ТВС).

Топливно-воздушные смеси - это смеси горючих газов или паров топлива с воздухом, а также аэровзвеси мелких жидких капель или твердых частиц горючих материалов. В качестве горючего, обычно углеводородного, могут использоваться газы (метан, этан, пропан, ацетилен, природный газ и др.), либо пары жидкостей (бензин, керосин, ацетон и др.).

Существуют две формы взрывчатого превращения ТВС - горение и детонация. Для возникновения горения ТВС необходимы два условия: перемешивание горючего с воздухом в определенном соотношении и наличие источника воспламенения (до температуры 400° и выше). При воспламенении ТВС в замкнутом объёме (дома, гаражи и т. п.) повышается давление, и скорость фронта горения может достигать сотен м/с, т. е. имеет место взрывное горение, называемое дефлаграцией. При этом максимальное давление может достигать нескольких атмосфер, что достаточно для разрушения окон, дверей, а иногда и стен строений.

Для детонации ТВС необходим детонатор, в качестве которого служит взрыв конденсированного ВВ (от сотен граммов до нескольких килограммов) или мощный искровой разряд.

Скорость детонационной волны в ТВС составляет 1500-1800 м/с, давление 15-20 атм, массовая скорость 600-800 м/с. При детонации ТВС удельная теплота взрыва для углеводородов составляет 10000-12000 ккал/кг, что в 10 раз больше, чем у тротила. А температура в детонационной волне составляет 2000-3300 К.

Давление детонационной волны в ТВС в 10⁴ раз меньше давления при детонации конденсированных ВВ, но время действия ударной волны при детонации ТВС в тысячи раз превышает время действия ударной волны конденсированного ВВ вблизи от заряда. В замкнутых объёмах при определенных условиях (необходимая ТВС, эффективный детонатор, прочное замкнутое помещение) тротиловый эквивалент при детонации 1 кг горючего может быть равен 5 кг тротила.

В результате исследований детонации взрывных газов была создана гидродинамическая теория детонационной волны в газовых взрывчатых системах. Основные закономерности этой теории справедливы и для конденсированных ВВ.

Наиболее простым случаем является рассмотрение взрывного газа, как совершенного газа, подчиняющегося уравнению pv = RT с постоянной теплоёмкостью ПД. В этом случае внутренняя удельная энергия Е = р/р(к - 1), где к — показатель изоэнтропы (адиабаты Пуассона), р — Ар^k. Полная система уравнений для совершенного взрывчатого газа запишется в следующем виде:

а также уравнения для давления, плотности и скорости:

При детонации взрывчатых газов свойства исходного газа и свойства продуктов детонации различны (различные уравнения состояния), что требует для точного расчёта рассматривать вопросы, связанные с химической реакцией взрывчатого газа в детонационной волне.

Детонационное горение в виде взрыва горючих газовых смесей встречается чрезвычайно редко. Детонационное горение распространяется со скоростью ударной волны, т. е. от нескольких сот метров в секунду до нескольких километров в секунду. В зависимости от механизма распространения зоны химических реакций горения по горючей смеси различают два характерных режима горения: дефлаграционное (сравнительно медленное распространение зоны химических реакций, со скоростью движения тепловой волны по горючей смеси от 0,5 до 50 м/с). В условиях пожара горение протекает только в дефлаграционом режиме.