4.3. Распространение пламени при детонации

Детонация – процесс химического превращения взрывчатого вещества, сопровождающийся освобождением энергии и распространяющийся по веществу в виде волны от одного слоя к другому со сверхзвуковой скоростью. Химическая реакция вводится интенсивной ударной волной, образующей передний фронт детонационной волны. Давление, которое создается при распространении детонационной волны в газообразных взрывчатых смесях, составляет десятки атмосфер, а в жидких и твердых взрывчатых веществах измеряется сотнями тысяч атмосфер. Благодаря резкому повышению температуры и давления за фронтом ударной волны химическое превращение протекает чрезвычайно быстро в очень тонко слое, непосредственно прилегающем к фронту волны (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема детонационной волны:

А – фронт ударной волны; заштрихованная область – зона химической реакции. Стрелкой показано направление распространения волны

Энергия освобождающаяся в зоне химической реакции, непрерывно поддерживает высокое давление в ударной волне. Таким образом, детонация представляет собой самоподдерживающийся процесс.

Возбуждение детонации является обычным способом осуществления взрывов. Детонация в заряде взрывчатого вещества создается интенсивным механическим или тепловым воздействием (удар, искровой разряд, взрыв металлической проволочки под действием электрического тока и т.п.). Сила воздействия, необходимого для возбуждения детонации, зависит от химической природы взрывчатого вещества. К механическому воздействию чувствительны, например, так называемые инициирующие взрывчатые вещества (гремучая ртуть, азид свинца и др.), которые обычно входят в состав капсюлей-детонаторов, используемых для возбуждения детонации вторичных менее чувствительных взрывчатых веществ.

В газообразных горючих смесях распространение детонации возможно лишь при условиях, когда концентрация горючего газа (или паров горючей жидкости) находится в определенных пределах. Эти пределы зависят от химической природы горючей смеси, давления и температуры. Например, в смеси водорода с кислородом при комнатной температуре и атмосферном давлении волна детонации способна распространяться, если концентрация (по объему) водорода находится в пределах от 20% до 90%. Скорости детонации некоторых взрывчатых веществ приведены в таблице 4.2.

Детонация моторных топлив наблюдается в поршневых двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием и возникает в результате образования и накопления в топливном заряде органических перекисей, являющихся первичными продуктами окисления углеводородного топлива. Если при этом достигается некоторая критическая концентрация перекисей в смеси, то происходит детонация, характеризующаяся необычно высокой скоростью распространения пламени и возникновением ударной волны. При нормальной работе двигателя пламя распространяется со скоростью 10 – 20 м/с, В то время как при детонации – со скоростью 1500-2500 м/с.

Таблица 4.2.

Скорость детонации некоторых взрывчатых веществ

Вещество	Скорость детонационной волны, м/с
2Н2 + О2 (газовая смесь водорода с кислородом)	2820
СН4 + 2О2 (газовая смесь метана скислородом)	2320
Нитроглицерин, С3Н5(ОNО2)3 (жидкость, плотность ρ =1,60 г/см3)	7750
Тринитротолуол (тротил, тол), С7Н5(NО2)3СН3 (твердое вещество, ρ =1,62 г/см3 )	6950
Циклотриметилентринитроамин (гексоген), С3Н6О6N6 (твердое вещество, ρ =1,80 г/см3 )	8850

Детонация моторных топлив проявляется в металлических «стуках», дымном выхлопе, вибрации и перегреве двигателя и ведет к пригоранию колец, прогоранию поршней и клапанов, разрушению подшипников, потере мощности двигателя.

Следовательно при горении топливно-воздушной смеси в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания детонация недопустима. В связи с этим подбираются такие условия горения и химический состав используемых веществ, чтобы возникновение детонации с характерным для нее чрезвычайно резким повышением давления было исключено.

Возникновение и интенсивность детонации моторных топлив зависят от режима работы и особенностей конструкции двигателя и химического состава топлива. Горючие, содержащие много неразветвленных парафиновых углеводородов, детонируют легче, чем содержащие разветвленные парафиновые и ароматические углеводороды, стойкие к детонации. Детонационная стойкость отдельных компонентов топлив зависит от состава топливно-воздушной смеси (бедные или богатые смеси).

Детонационную стойкость бензинов для бедных смесей характеризуют октановым числом, для богатых смесей – сортностью бензинов. Стойкость бензинов к детонации повышается при применении антидетонаторов, например тетраэтилсвинца.