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
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…………………………………………………………
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…………
5. Инициирование детонации в смесях газов………………………………..19
6. Явление вырождения детонации…………………………………………...17
7.Области применения явления детонации в газовых смесях………………19
Заключение……………………………………………………
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
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.
- 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 военно
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
Важнейший вывод теории Зельдовича-Неймана-Деринга
– существование области
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.
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
Открытие и сущность явления спиновой детонации в газовых смесях
В 1926 году
английскими учёными
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
- В трубах круглого сечения светящаяся вершина детонационной волны двигается вдоль стенки трубы по спирали;
- 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
6. Измерение давления
во время распространения
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,
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
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
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
Возбуждение детонации
связано с нагревом некоторой
массы реакционно-способной
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.

- История отношений Базарова с Одинцовой (по роману Тургенева «Отцы и дети»)
- История отношений России и Японии. Курильский вопрос
- История от основания города
- История отрицательных чисел
- История официально-делового стиля и жанры деловой речи
- История о холокосте
- История охраны особо охраняемых природных территорий и объектов в России
- История открытия черных дыр
- История открытия электрической дуги
- История открытия электрона
- История открытия электрона
- История открытия элементарных частиц
- История открытия элементов
- История открытия южного полюса