4968-СБРИЯ
физика
астрономия
детонация

К. И. ЩЕЛКИН,
член-корреспондент АН СССР
ДЕТОНАЦИЯ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ»
Москва 1968

СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Ударная волна , 5
Слабая и сильная детонация. Детонация Чепмена—Жуге 9
Горение в волне разрежения ...,,,.. 12
Пульсирующая и спиновая детонации ..... 14
Детонация во взрывчатых веществах , - 16
Детонация в бензиновом двигателе ..,.«• 21
Неклассические виды детонации .♦«.... 25
Попытки остановить детонацию ....... 29
Нестационарные двойные разрывы „,,.... 31
Кирилл Иванович Щелкин
ДЕТОНАЦИЯ
Редактор И. Б. Файнбойм
Обложка Л. П. Ромасенко
Худож. редактор Е. Е. Соколов
Техн. редактор Л. А. Дороднова
Корректор В. В, Каночкина
2-5-4
БЗ 43-2-68
А 03095. Сдано в набор 3/VI 1968 г. Подписано к печати 18/VII 1968 г.
Формат бумаги 60x90/i6* Бумага типографская № 3. Бум. л. 1,0.
Печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 1,80. Тираж 53 000 экз. Издательство «Знание».
Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4- Заказ 1624* Типография изд-ва
«Знание». Москва, Центр, Новая пл., д, 3/4,
Цена 6 коп,

в
конце прошлого века ученые, учитывая требования
практики, занялись подробным исследованием распространения
пламени в смесях горючих газов с воздухом и кислородом в
трубах. Обычное пламя, такое, каким мы видим его,
например, в газовой горелке, распространяется благодаря
теплопроводности и диффузии, при которых газ прогревается и
насыщается химически активными веществами и тем самым
в нем возбуждается быстрая химическая реакция.
Теплопроводность и диффузия вызывают горение, протекающее лишь
со скоростью, заметно меньшей скорости звука. Но бьивает
горение, которое распространяется по газовой смеси с
постоянной скоростью, значительно превышающей скорость звука в
ней. Это и есть детонация.
Основным методом изучения распространения горения,
точнее, измерения его скорости (см. табл. 1), в прошлом веке,
как и сейчас, было фотографирование на движущуюся
пленку. В прозрачной горизонтальной трубе перемещается пламя,
возникшее у одного из ее концов. Сфокусируем изображение
трубы на вертикальную фотографическую пленку (рис. 1, аг
слева). Когда пленка неподвижна, изображение пламени,
передвигаясь -по ней, оставляет горизонтальную линию (рис. 1,
а, справа), которую можно сделать сколь угодно тонкой,
установив перед трубой экран с параллельной ей узкой
щелью.
Сфотографируем на неподвижную пленку пламя,
распространяющееся по трубе. Потом, не проявляя пленку, запол-
Таблица I
Скорость детонации газовых смесей при начальном давлении 760 мм рт. ст«
и температуре 20°С
Смесь
2Н2+02
СН4+202
С5Н12+8О2
С5Не-Ь7,502
Н2+воздух (стехиометрия)
С5Н12+воздух (стехиометрия)
Эгиловый эфир (4,3%) +Воздух
Скорость,
м/сек
2 820
2 320
2 370
2 206
1900
1710
1762

и——
а
0
0
п-1—
0
0
0
0
1 Q
"■ "'щ
0
0
о]
' п
о|
о
О
О
о\
ним трубу свежей
смесью и в момент
ее воспламенения
начнем двигать
пленку с постоянной
скоростью сверху вниз,
строго вертикально
(рис. 1,6, слева).
После проявления на.
пленке появятся два
следа пламени:
первый —
горизонтальная линия,
полученная при
неподвижной пленке, второй—
наклонная (если
пламя
распространялось с постоянной
скоростью, это будет
строго прямая
линия), полученная при
Рис, 1. Схема фотографирования пламенидвижущейся пленке
на движущуюся пленку. (рис. 1, б,
справа).
Чем больше скорость пламени, тем меньше угол наклона
а следа пламени к горизонтали. Наклонная пунктирная
линия на рис. 1, б соответствует вдвое более высокой скорости
пламени, чем сплошная.
Скорость пламени можно определить, разделив его путь
(длину трубы) на время движения горения по трубе. Это
время находят делением длины катета Л (см. рис. 1, б) на
скорость пленки. Для определения скорости пламени1 если она
переменная,
проводят
касательную к кривой
«путь пламени —
время» в той
точке, в которой
хотят определить
скорость,
например в точке А
(рис. 2). Скорость
пламени, как и
раньше, находят
по наклону
касательной.
Для
перемещения пленки в
tk
*z
Рис. 2. Определение переменной скорости пламени.
4

вертикальном направлении ее закрепляют на барабане,
вращающемся вокруг горизонтальной оси. Вместо
горизонтальной черты, которую мы проводили очень неостроумно, сжигая
смесь в трубе при неподвижной пленке, проводят строго
вертикальную, линию В (см. рис. 2), Для этого на некоторое
время включают при вращающемся барабане небольшую
электрическую лампочку, установленную, например, в конце
трубы.
Пленка, закрепленная на барабане, разрывается под
действием центробежной силы при сравнительно низких
скоростях (100—200 м/сек для удобных размеров барабана).
Поэтому в тех случаях, когда необходимы большие скорости
развертки, барабанные фоторегистраторы уступили место
зеркальным, в которых пленка покоится, а изображение
пламени (трубы) перемещается при помощи вращающегося
зеркала. Серийный фоторегистратор разработан в СССР Г. Л.
Шнирманом, А. С. Дубовиком и П. В. Кевлишвили. Скорость
перемещения изображения по пленке в этом приборе
достигает 3 км/сек. В аппарате зеркало вращается вокруг
вертикальной оси, следовательно, труба должна тоже устанавливаться
вертикально.
Пользуясь фотографическим методом, французские
химики Е. Маляр и А. Л. Ле Шателье и независимо от них
М. Бертло и П. Вьей в 1881 г. обнаружили распространение
горения в газах с равномерной, вполне определенной для
каждого состава горючего, неожиданно большой скоростью
порядка 2—3 км/сек (см. табл. l).
Детонация, так назвали это явление, поставила перед
учеными много загадок. И до сих пор она (теперь, правда,
только в деталях) преподносит им всяческие неожиданности.
Теорию детонации, основанную на теории ударных волн,
построили русский физик В. А. Михельсон, английский
ученый Д. Л. Чепмен и французский механик Э. Жуге. Перед
описанием теории детонации полезно напомнить основные
свойства ударной волны.
Ударная волна
Источником ее может быть взрыв заряда взрывчатого
вещества, очень мощный электрический разряд, самолет,
летящий со сверхзвуковой скоростью. В лабораториях ударную
волну создают для точных исследований в ударной трубе.
Для этого трубу, разделенную на две части перегородкой из
фольги или пластмассовой мембраной, заполняют газом: по
одну сторону перегородки — до высокого давления
(например, 100 ата)у по другую — до значительно более низкого
(например, 1 ата или ниже). Часто выгодно иметь по обе
5

стороны перегородки различные газы: воздух и водород,
аргон и гелий и т. п. Быстро удаляя (разрывая) перегородку,
создают в трубе резкий перепад давления и плотности газа —
газодинамический разрыв (сплошная линия на рис. 3). Через
малое время (значительно меньшее, чем необходимо для
распространения звука по сжатому газу и ударной волны по
несжатому от плоскости разрыва до концов трубы) разрыв
распадается (пунктирная кривая на рис. 3).
л
\ 1
%
Ч
ч
*%^„
4
Г
1 "^ !
D
i
fiJtfirfffIiiftr/i////fI//ft///iW/fi/ffttn/f/////ilfl///I£Wf///////gI/ff/tffi/f/M/0t////
'иштшМшшшшшшшшшшшь
! i
Рис. 3. Образование ударной волны D в результате
распада разрыва А.
Влево по сжатому газу идет волна разрежения, фронт
которой Л перемещается со скоростью звука. Вправо движется
ударная волна D, скорость которой всегда больше скорости
звука в данном газе. Граница между газами переносится со
скоростью течения газа в сечении Л', по обе стороны которого
давление и скорость газа одинаковы, а плотность и
температура различны. Такой разрыв называют контактным.
Расчет показывает, что температура правее А' выше, чем
в газе левее А\ плотность же правее А' ниже, чем по другую
сторону разрыва. Газ за фронтом ударной волны всегда
движется в ту же сторону, куда и ударная волна. В волне
разрежения, правее фронта Л, газ течет в сторону,
противоположную движению Л.
Резкий перепад давления во фронте, распространяющемся
со сверхзвуковой скоростью, и движение газа в ту же
сторону, куда перемещается фронт, — наиболее характерные
внешние признаки ударной волны.
Разрыв, из которого появится ударная волна, можно
создать, ускоряя в трубе поршень (рис. 4). Пусть для
наглядности, поршень ускоряется отдельными слабыми толчками. От
каждого из них пойдет слабая волна сжатия,
распространяющаяся со скоростью звука. Скорость каждой из последую-
б

щих волн выше предыдущей, потому что каждая из после*
дующих ©Оли идет по движущемуся газу (движение
вызывается -предшествующей волной).
Кроме того, скорость звука тем больше, чем вцше темпе*
ратура газа. Поэтому скорость каждой последующей волны
выше скорости звука, с которой распространяется
предшествующая волна, так ка*к она уже сжала и нагрела газ. Задние
волны, догоняя передние, через некоторое время сольются з
разрыв (вертикаль Л), который и окажется источником
ударной волны.
Рис. 4. Поршень, ускоряющийся в трубе, вызывает раз*,
рыв Л, после распада которого возникает ударная волна*
Нечто подобное происходит в то время, когда люди,
находящиеся на расстоянии нескольких километров от аэродрома,
иногда слышат резкий удар, подобный орудийному выстрелу.
За ним обычно следует шум взлетающего тяжелого
самолета, знаменитого ТУ-104 или подобного ему. Этот удар
возникает от слияния слабых волн, появляющихся при ускорении
взлетающего самолета. На аэродроме, где волны еще не
успевают слиться, разрыва не возникает, .никаких звуков,
подобных орудийному выстрелу, там не слышно К
Легко найти точные соотношения между давлением и
плотностью (или удельным объемом — величиной, обратной
плотности) в ударной волне, а также связь этих величин со
скоростью фронта ударной волны и скоростью газа «. в ней.
Для этого достаточно написать законы сохранения вещества»
импульса и энергии при переходе газа через ударный фронт
D (см. рис. 3).
Связь между давлением и удельным o6-beMOMt получаю-
1 Это явление, производимое дозвуковым самолетом, не следует
смешивать с ударной волной, непрерывно падающей на землю от самолета,
летящего со сверхзвуковой скоростью. Для предотвращения разрушений
на земле самолетам разрешается летать со сверхзвуковой скоростью
только на больших высотах.
7

щаяся из этих уравнений, описывается уравнением Гюгоньо,
график которого дан на рис. 5. Кривая Гюгоньо (Г)
изображает всевозможные ударные волны (каждая точка на ней
описывает одну ударную волну), которые можно вызвать
любыми средствами в газе с исходным начальным давлением и
удельным объемом, изображаемыми точкой А и принятыми
при построении рис. 5 за единицу: PA=vA=:l. Скорость
каждой из ударных волн определяется наклоном прямой,
исходящей из точки А и
пересекающей
кривую Гюгоньо в той
ее точке В, которая
соответствует
давлению (и удельному
объему), имеющему
место в этой
ударной волне *.
Чем сильнее
ударная волна, тем
больше нагревается
сжимаемый в ней
газ; плотность его
возрастает с
повышением давления все
меньше и меньше.
При очень больших
давлениях сжатие
вовсе прекращается,
достигается
предельное сжатие, равное
для одноатомного
газа 4, двухатомного—
6. Если давление в ударной волне понижается, то
одновременно уменьшается ее скорость. В пределе при давлении в
ударной волне, равном давлению в точке А (перепад давления во
фронте ударной волны равен нулю), ее скорость оказывается
равной скорости звука. Ударная волна, ослабевая,
превращается в звуковую.
В природе существуют только ударные волны сжатия,
ударные волны расширения невозможны. В неударной волне
расширения давление изменяется плавно, распространяется
она всегда со скоростью звука.
Заметим еще одну особенность ударной волны. В ней
всегда скорость волны относительно сжатого газа меньше
скорости звука в сжатом газе. Вследствие этого любое возмущение,
Wq~W"VS Ьуп2 0,50
Рис. 5. Зависимость давления от удельного
объема при ударном (Г), адиабатическом
(изэнтропическом) (Я) и изотермическом (Г)
сжатии двухатомного газа.
1 Скорость волны пропорциональна корню квадратному из тангенса
угла наклона прямой к оси абсцисс,
8

например разрежение Л (рис. 6), обязательно настигает
фронт ударной волны. Если ударная волна распространяется
самопроизвольно, т. е. нет источника, подпитывающего ее
энергией, то разрежения, существующие за ударной волной,
непрерывно догоняя ее фронт, ослабляют волну до тех пор,
пока она не выродится в звуковую,
п л л
Рис. 6. Волна разрежения Л всегда догоняет ударный фронт,
Если достаточно сильная ударная волна входит в горячую
газовую смесь, то, -вызывая на своеАм пути воспламенение
газа, она превращается в детонационную волну, свойства
которой существенно отличаются от свойств ударной.
Детонация может возникнуть не только под действием
готовой ударной волны. Медленное горение, прогрессивно
ускоряясь, способно породить ударную волну, подобно тому,
как ее вызывает ускоряющийся поршень. При достаточно
быстром ускорении медленного горения оно может
самопроизвольно перейти в детонацию.
Слабая и сильная детонация.
Детонация Чепмена—Жуге
Связь между давлением и удельным объемом продуктов
сгорания в детонационной волне, при заданной теплоте
сгорания и известных начальных условиях (давление и
удельный объем), задается кривой Гюгоньо для детонации Н (рис.
7), получающейся, как и кривая Гюгоньо для ударной волны,
из законов сохранения. Кривая Н не проходит через
начальную точку Л, она лежит правее и выше нее и тем дальше, чем
больше тепловой эффект реакции. Если тепловой эффект
уменьшать и довести до нуля, то кривая. Н в конце концов
9

превратится в кривую Г для ударной волны. Скорость
детонации, как и ударной волны, определяется величиной угла а
(см. рис. 7); она всегда выше скорости звука в исходном
газе.
В каждой горючей смеси, как это было видно выше,
наблюдается лишь одна вполне определенная скорость
детонации. Однако не входя в противоречие с заколами сохранения,
Рис. 7. Адиабата Гюгоньо для ударной волны /\
адиабата Гюгоньо для горения п, изэнтропа Пуас
сона П. По оси ординат отложены давления, по оси
абсцисс — удельные объемы {величина, обратная
плотности). Исходное состояние А принято за еди«
лицу.
при заданных тепловом эффекте и «начальном состоянии Хтэч-
ка Л), можно, согласно кривой Н, получить любую скорость
волны от бесконечной до минимальной, определяемой
наклоном касательной АБ к, кривой Я, Соответственно давление и
удельный объем продуктов детонации могут принимать
любые значения, лежащие на кривой Н. При этом все
состояния, лежащие выше точки касания Б, относятся к сильным
детонациям, ниже — к слабым детонациям (участок БЕ).
Эти названия отражают величины давления в детонациях
обоих типов.
В точке касания Б, как оказывается, скорость детонации
относительно продуктов сгорания точно равна скорости звука
в них. Благодаря этому свойству возникающие за фронтом
волны разрежения не настигают фронт — детонация может
распространяться самопроизвольно сколь угодно долго. Лишь
точка Б соответствует экспериментально наблюдаемой един*
10

ственной для каждой смеси скорости детонации. Это услозие
нашли Чепмен и Жуге, но полного обоснования ему не дал:*.
Детонацию, распространяющуюся произвольно с постоянной
скоростью, соответствующей точке касания Б, называют
детонацией Чепмена—Жуге. Что касается сильных и слабых
детонаций, то и они могут существовать при некоторых
условиях, но самопроизвольно они не распространяются.
В сильной детонации (например, точка Б\) скорость
фронта относительно продуктов сгорания меньше скорости звука
в них. Точно так же, как и в ударной волне, разрежения
позади фронта самопроизвольной сильной детонации настигают
ее фронт и ослабляют детонацию, пока ее скорость не
понизится до минимально возможного значения, а давление
упадет до точки Б. Стало быть, самопроизвольная сильная
детонация может быть только нестационарной, ослабляющейся.
Скорость ее всегда непостоянна, по мере движения она
уменьшается. Сильная детонация могла бы распространяться
с постоянной скоростью, если бы продукты сгорания под
действием извне сжимались бы так, чтобы в них не возникала
волна разрежения, ослабляющая детонацию.
Невозможность стационарной сильной детонации была
ясна уже первым исследователям (например, Жуге). Сложнее
обстоит дело со слабой детонацией. Строгому исследованию
вопроса, почему слабая детонация не осуществляется и в
каких условиях она возможна, посвящены исследования Я. Б.
Зельдовича, Дж. Неймана и автора этой брошюры.
Слабые детонации возможны, если существует какой-либо
внешний источник, воспламеняющий газ с постоянной
скоростью (не ниже минимально возможной), не связанный с
ударным сжатием несгоревшего газа. Вообразим смесь,
способную воспламеняться под действием света (такие реакции
действительно существуют). Осветив сильным источником
света трубу, содержащую такую смесь, можно одновременно
воспламенить весь газ и получить бесконечную скорость
распространения, соответствующую точке Е на участке слабых
детонаций.
Засвечивая трубу лучом, отраженным от вращающегося
зеркала, можно осуществить слабую детонацию на участке
БЕ. Слабую детонацию можно получить в любой смеси,
вызывая с заданной скоростью искры в разрядниках,
размещенных вдоль- трубы. Искр должно быть очень много, такой опыт
может быть поэтому строгим лишь как мысленный
эксперимент.
Поскольку скорость слабых детонаций задается извне
(луч света, искры), для них, как и для сильных детонаций,
не существует правила отбора, ставящего в
преимущественное положение какую-либо точку на участке БЕ._
II

Горение в волне разрежения
На кривой Гюгоньо (см. рис. 7) детонации соответствует
лишь участок выше точки Е. Отрезок ЕЙ не имеет
физического смысла. Нижняя ветвь — правее точки И — относится
к горению в врлне разрежения, распространяющемуся с
постоянной скоростью, меньшей скорости звука. Такое горение
называется дефлапрацией. Сначала думали, что дефлагра-
ция — очень редкий процесс, но теперь ясно, что она широко
распространена.
Возвратимся, однако, к детонации. Воспламенение в
ударной волне происходит через некоторое время после сжатия.
Ударный фронт и зона воспламенения поэтому находятся на
некотором расстоянии друг от друга, распространяются они,
конечно, с одинаковой скоростью. Следовательно, точки,
изображающие состояние газа в ударной волне (В) и состояние
продуктов сгорания (£), лежат «а одной прямой, исходящей
из начальной точки А (см. рис. 7). Давление в ударной
волне, распространяющееся с той же скоростью, что и зона
горения, как видно на рис. 7, значительно выше, чем в
продуктах горения. Для самопроизвольно распространяющейся
детонации первое примерно вдвое выше второго. В итоге
комплекс «ударная волна — зона горения» выглядит
приблизительно так, как это показано на рис. 8. Расстояние между
ударным фронтом и зоной горения и распределение давления
между сечениями В и Б определяются характером
протекания химической реакции в ударно-сжатом газе. По мере вы-
у//шш/шт/ш?жжт.ш»
J —
шт ж/шшщшшш
L 6
1 — — -■— w^-_.
777777Г777777777777777777777\
77W////////////
;
T(D-W)
г
О I
W////////////A
В
Й
■ »'
X
Рис. 8. Распределение давления за ударным фрон«
том В в модели детонации Я. Б. Зельдовича.
12

\Л 71
н
\ ^
7
|
■ I l*^——
0 5 JO 15 20 25 V
Рис. 9. Дефлаграционная ветвь адиабаты Гюгоньо Н
для исходного состояния Л. Пунктиром показана
адиабата Пуассона, она касается кривой Н в точке
К изнутри.
горания смеси газ проходит состояния от точки В до Б,
лежащих на прямой В А (см. рис. 8).
Комплекс типа, показанного на рис. 8, впервые построил
советский ученый академик Я. Б. Зельдович. Он же вычислил
форму распределения давления на участке ВБ для разных
видов химической реакции.
На рис. 9 изображена дефлаграционная ветвь кривой
Гюгоньо. Скорость дефлаграции зависит от угла наклона а.
Максимальная скорость дефлаграции определяется
наклоном касательной л/С Точке К соответствует дефлаграция
Жуге, в которой, как и в детонации Чепмена—Жуге,
скорость продуктов сгорания относительно фронта пламени
равна скорости звука в них. На участке ИК расположены
слабые дефлаграции, правее точки К лежат сильные
дефлаграции.
Если принять за исходное состояние точку В на рис. 7,
то обнаруживается разительное сходство детонации (см. рис.
8) с дефлаграцией (см. рис. 9).
Теория, качественно описанная выше, имеет точную
математическую формулировку. Расчет скорости
удовлетворительно совпадает с опытными данными. Но жизнь часто
бывает многообразнее теории, даже очень логичной и стройной,
она вносцт свои поправки,
J3

Пульсирующая и спиновая детонации
Детонация в .виде плоской ударной волны и следующей за
яей зоны воспламенения (см. рис. 8) в действительности
оказалась неустойчивой. Зона горения, теряя устойчивость,
изгибается, изламывается и фронт ударной волны. На
поверхности фронта появляются сильные возмущения (рис. 10).
Сталкиваясь, возмущения создают очаги очень высокой
температуры, в которых газ воспламеняется значительно быстрее,
чем в плоской волне. Он может воспламеняться и на пути
возмущений, где также температура заметно выше, чем в
плоской вол-не. В результате ударный фронт детонации, как и
зона горения, приобретает неоднородную трехмерную
структуру.
Такую детонацию называют пульсирующей. На .рис. 11
приведена схема прямого удара пульсирующей детонации о
закопченную .пластинку, установленную в торце трубы. На
схеме ясно видны следы неоднородностей на ударном
фронте. Неоднородности, распространяющиеся
по поверхности ударного фронта детонации,
сталкиваясь, дают причудливое
переплетение (рис. 11). Эти опыты подтверждены ря-
v-ч s дом иностранных исследований. Неоднород-
\/
А
Рис. 10. Схема

газодинамических
неоднородностей на
ударном
фронте при
пульсирующей
детонации.
Рйс. 11. Схема отпечатка
неоднородностей при пульсирующей детонации,
падающей на закопченную пластинку,
расположенную в конце трубы. Смесь
2Н2+02, давление 90 мм рт. ст.,
диаметр трубы 30 мм. Оригинал получен
Я- К. Трошиным.
[4

иости ч структуре свечения фронта газовой детонации
обнаружены и фотографическим методом. Оказалось, что любая
газовая детонация имеет неоднородную структуру.
Неоднородности в сильно детонирующих смесях настолько
мелкомасштабны, что они не регистрируются фотографическим методом
(0,1 мм и даже меньше); только отпечатки, сделанные по той
же методике, что и рис. 11, позволяли их обнаружить.
Теоретические исследования, начатые автором этой
брошюры и продолженные как в СССР, так и в США,
указывают на очень широкое распространение неустойчивости
плоской детонации: для газов пока не найдены условия, в
которых может существовать плоская детонация.
Средний масштаб неоднородностей (см. рис. 11) связан
со временем реакции в невозмущенной волне, точнее с
длиной Я, показанной на рис. 8. Размер неоднородностей слабо
зависит от диаметра трубы, поэтому можно настолько
уменьшить диаметр, что на сечении трубы разместится лишь одна
неоднородность. При заданном диаметре одно возмущение на
сечение смеси получается, когда уменьшают давление смеси,
а также когда сильно обогащают или обедняют смесь
горючей компонентой. Неоднородность, как показывает опыт,
описывает на ударном фронте круги вблизи ее стенки и
поджигает на своем пути газ. Поскольку одновременно с этим
ударный фронт движется вдоль оси трубы, неоднородность
распространяется в трубе по спирали. Такую детонацию
называют спиновой, а неоднородность — ядром спина. Спин
оказался предельным случаем пульсирующей детонаций,
когда размер возмущения сравним с диаметром трубы.
На рис. 12 приведен рисунок, сделанный по фотографии
спиновой детонации на движущуюся пленку. Фронт
детонации здесь получился волнистым, за ним ясно выражена
полосатая структура послесвечения. Спиновая детонация открыта
английскими учеными К. Кемпбелом и Д. Вудхедом в 1926 г.
Более 30 лет понадобилось для расшифровки этого явления,
оказавшегося интересным гибридом газодинамики с
химической кинетикой.
Возмущения во фронте детонации (пульсация и спин)
создают в отдельных зонах более благоприятные условия для
воспламенения газа, чем в плоской волне.
Неустойчивость плоской детонации приводит к
концентраций энергии на небольших участках ударного фронта.
Поэтому неустойчивость расширяет возможности распространения
детонации, расширяет пределы ее распространения.
Неустойчивость — своего рода защитный рефлекс в детонации.
Из сказанного ясно, что возможности распространения
детонации — ее пределы — совпадают с условием
существования спина, в зависимости от химической кинетики
воспламенения при высоких.температурах,
18

Что касается полосатой структуры послесвечения спина
(см. рис. 12), то она, скажем не вдаваясь в подробности,
полностью определяется конфигурацией его ядра.
В заключение — о скорости спиновой и пульсирующей
детонаций. Для расчетов скорости детонации вдоль оси трубы
(в целом, не входя в детали структуры ее фронта), как
показывает практика,
вполне допустимо
применение уравнений
газотермодинамической
теории, хотя в принципе
эти уравнения для
спиновой и пульсирующей
детонаций не
строги, пульсация и спин
создают поперечные
скорости газа и
турбулентность, которые не
учитываются в
классической теории. Но есть
факторы,
компенсирующие указанные потери,
и практически теория
дает хорошие значения
скорости.
Вопросами газовой
детонации занимались
сотрудники Института
гидродинамики
Сибирского отделения и
Института химической
физики АН СССР. Б. В.
Войцеховский, Р. И.
Солоухин и Я. К. Трошин
удостоены за эти
работы Ленинской премии за 1965 г.
Открытие и* исследование пульсирующей детонации,
доказательство неустойчивости плоских детонаций волн,
исследование структуры спина — большое достижение советских
ученых.
Рис. 12. Спиновая детонация в смеси
20% водорода и 80% воздуха.
Давление 1 ата, диаметр трубы 18 мм.
Изображение пламени двигалось слева
направо, пленка — снизу вверх. Видны
две системы полос. Почти
вертикальные полосы — следы продуктов
сгорания, движущихся в том же
направлении, что и детонация.
Детонация во взрывчатых веществах
Ученые, исследовавшие взрывчатые вещества, долгое
время не обращали внимания на скорость распространения
взрыва. При практическом применении он считался
мгновенным. Подробно изучалось действие взрыва, калорийность,
16

способы инициирования, чувствительность к удару, трению и,
конечно, технологические вопросы получения, снаряжения и
хранения этих веществ, но не скорость взрыва. По-Ьидимому,
первыми в 80-х годах прошлого столетия систематически
исследовали скорость распространения взрыва в
конденсированных веществах М. Бертло и П. Вьей, открывшие газовую
детонацию. Они установили, что в отличие от газов, где для
каждой смеси существует характерная скорость детонации,
во взрывчатых веществах скорость распространения взрыва
зависит от многих факторов: плотности заряжания, диаметра
заряда, размера кристаллоц и др.
Теперь в результате работ, проведенных перед и после
второй мировой войны, выяснилось, что скорость детонации
во взрывчатых веществах зависит от диаметра лишь до тех
пор, пока он меньше предельного. При больших диаметрах
она от него не зависит. В больших зарядах исчезает и
зависимость скорости от размера кристаллов. Сохраняется лишь
зависимость от плотности. Сначала скорость растет с
увеличением плотности, затем, при достаточно высоких плотностях,
начинает падать.
При детонации конденсированных взрывчатых веществ
развивается очень высокое давление, оно достигает (а в
некоторых случаях и превышает) величины порядка 300 тыс.
атмосфер.
Ученые научились сравнительно легко измерять давление
в детонационной волне, идущей по взрывчатому веществу.
Для этого, помимо скорости детонации, измеряют, следя за
движением помещенной в ВВ тонкой фольги, скорость
вещества в ней; давление находят как произведение начальной
плотности ВВ Ро> скорости детонации D и скорости
вещества W:
p = p0WD.
Эта очень простая формула вытекает из законов
сохранения лотоков массы и импульса, примененных к
детонационному фронту.
В табл. 2 приведены, по данным А. Н. Дремина, значения
скорости детонации, скорости продуктов сгорания (вещества)
и давления детонации для некоторых, наиболее сильных из
применяющихся на практике взрывчатых веществ.
В табл. 2 помещены четыре взрывчатых вещества. Тротил,
или тринитротолуол СбН2(М02)зСНз, принадлежит к нитро-
соедюнениям. Гексоген относится к так называемым нитра-
минам <CH2NN02)3, его называют циклотриметилентринитра-
мином. Вещество такого же класса, в котором содержатся не
три заключенные в скобки химические группы, а четыре
(CH2NN02)4, называют октогеном. Это взрывчатое вещество
находит все большее применение. Оно обладает еще большей.
17

т
а блица 2
Характеристики детонации в конденсированных
взрывчатых веществах
Ро, г/см*
ii ■
1J2 1
1,60
1,46 1
D, км/сек
! W* км/сек
Гексоген
8,46
8,13
7,60
'2,12 1
2,0
1,83
Смесь из гексогена с тротилом 50:50, ]
1,68
1,40
1,66 1
1,51 1
1,68 I
7,83 1
6,93
ТЭН
8,10 1
7,42 ]
Тетри.
т |
1,96 |
1,66 |
1,83 I
1,67 1
л
W |
р, тыс.
кг/см2
308,5
260,0
208,0
прессованная
'257,8
161,0
246,0
187,0
235,6*
чем гексоген, скоростью детонации и давлением взрыва.
Тетрил C6H2(N02)3NCH3N02 называют тринитрофенилметил-
нитрамином. Взрывчатое вещество ТЭН относится к нитро-
эфирам; это пентаэритриттетранитрат С(СН2ОЫ02)4.
Инженеры (особенно треста «Союзвзрывпром») и ученые
успешно используют мощь взрывчатых веществ в народном
хозяйстве. С помощью взрывов создаются гигантские
плотины высотой в много десятков метров, строятся каналы.
Взрывом можно разрушить в центре города любое здание,
подлежащее сносу, не повредив даже стекол в соседних домах.
Взрывом можно сваривать металлы, упрочнять рельсы, точно
прессовать крупногабаритные изделия и т. д. Взрывчатое
вещество, создающее при взрыве давление в 200—300 тыс. атму
служит и мощным экскаватором и подъемником, и прессом,
и ювелирным инструментом.
К взрывчатым веществам применима
газотермодинамическая теория детонации, развитая сначала для детонации в
тазах. Построив кривую Гюгоньо для продуктов горения,
можно найти в ней точку Б (см. рис. 7) и вычислить скорость
волны, скорость газа, давление и удельный вес, объем
продуктов горения. Практически при вычислениях скорости и
других характеристик детонации нет необходимости строить
кривую Гюгоньо. Вычисления ведут, решая соответствующую
систему уравнений. Для расчетов необходимо уравнение
состояния продуктов взрыва, т, е. связь между их давлением.
18

плотностью и температурой. Л. Д. Ландау и К. П.
Станюкович теоретически определили для продуктов взрыва это
уравнение, оказавшееся очень простым: давление
пропорционально кубу плотности и не зависит от температуры. Вычисления,
произведенные при его помощи, дают качественно хорошие
результаты. Для точных расчетов пользуются
экспериментальными уравнениями состояния.
В твердых взрывчатых веществах, несмотря на
многочисленные попытки, не удалось зарегистрировать структуру
детонации, подобную изображенной на рис. 8. Как и в газах,
но, может быть, по другой причине, перед зоной горения нет
именно такой ударной волны, какая следует из рис. 8 или
рис. 7 (точка В). Экспериментально найденная форма
распределения давления схематически показана на рис. 13.
А
D
Рис. 13. Схематическое распределение давления во
фронте детонации в конденсированном взрывчатом
веществе.
Несмотря на широкое применение твердых взрывчатых
веществ, механизм распространения детонации в них выяснен
плохо. Но простая схема фронта, изображенная на рис. 8,
как только что говорилось, экспериментально не
подтверждается. Если же вообразить, что она существует,
температура взрывчатых веществ в ударной волне оказывается
слишком малой для достаточно быстрого поджигания.
А. Я. Апин приводит доводы в пользу возбуждения
взрыва струями горящих газов, вырывающимися из зоны горения
в несгоревший газ. Фронт горения, по его мнению, имеет вид
щетки. Существует мнение, что время реакции в детонации
сокращается (и определяется) благодаря столкновению
ударной волны с твердыми включениями, создающему очаги
повышенной температуры. Существует и прямо
противоположное мнение: реакция ускоряется из-за мелких газовых (во>
19

душных) пузырей, которые, сжимаясь ударной волной,
создают более высокую температуру во взрывчатом веществе,
граничащем с пузырьками. Последние два соображения, по-
видимому, нельзя считать главными. Распространение
взрыва — явление вполне регулярное и устойчивое — этими
предположениями ставится в зависимость от случайных факторов,
которые в действительности, вероятно, играют
второстепенную роль в распространении детонации.
Недавно А. Н. Дремин, Г. А. Ададуров и О. К. Розанов
обнаружили во фронте детонации нитрометана (жидкость)
структуру, подобную структуре пульсирующей газовой
детонации. По их расчетам, плоский фронт детонации в нитроме-
тане неустойчив и к нему применимы рассуждения и схемы
расчетов, сделанные для газов. А. Н. Дремин и его
сотрудники, опираясь на открытую ими структуру фронта, выдвинули
новые представления о пределах распространения детонации
во взрывчатых веществах.
В твердых взрывчатых веществах пока не удалось найти
структуру фронта, напоминающую структуру детонации в
нитрометане. Размеры зерен или кристаллов, из которых они
изготовлены, значительно больше ожидаемых размеров
газодинамических возмущений, поэтому последние
затушевываются неоднородностями в структуре и не регистрируются. А
может быть, поэтому они и не играют роли в возбуждении
взрыва?!
Кроме детонации с обычной (большой) скоростью,
которая вычисляется по газотермодинамической теории, в
конденсированных взрывчатых веществах наблюдается детонация с
малой скоростью, порядка 1—2 км/сек, не поддающаяся пока
расчетам. Эта детонация обычно возникает в относительно
тонких зарядах или в больших зарядах при мягком
инициировании и обладает неустойчивостью в том смысле, что
либо переходит в детонацию с большой скоростью, либо
затухает вовсе.
Любопытно, что детонация с малой скоростью в
нитроглицерине была открыта значительно раньше нормальной
детонации с большой скоростью, а понята значительно позже.
Как показали исследования Института химической
физики АН СССР, детонация с малой скоростью в порошках, в
зарядах сравнительно малого диаметра происходит
вследствие распространения химической реакции в детонационной
волне посредством медленного горения крупинок
взрывчатого вещества с их поверхности. При этом основная масса
взрывчатого материала разбрасывается прежде, чем она
сгорит. В процессе распространения детонации участвует лишь
-малая доля энергии взрывчатого вещества и соответственно
оказывается малой скорость детонации.
Но детонация с малой скоростью идет еще лучше* чем а
20

порошке, в однородной жидкости, например нитроглицерине,
не содержащем никаких крупинок. Малая скорость детонации
в жидких ВВ долгое время была загадкой для ученых.
Недавно советские ученые В. К. Боболев и А. В. Дубовик доказали,
что при малой скорости детонации в нитроглицерине горение
происходит сравнительно медленно по поверхности
пузырьков. Пузырьки же, точнее мелкие кавитационные каверны,
образуются в результате опережающего движения ударной
волны по стенке трубки, в которую залита жидкость.
Ударная волна, отходя от фронта детонации, обгоняет его по
материалу трубки и сжимает несгоревший нитроглицерин перед
фронтом детонации. Но сжатие длится очень недолго.
Нитроглицерин расширяется, в нем создаются отрицательные
механические напряжения и образуются кавитационные
пузырьки, по поверхности которых вещество горит. Далее все идет,
как в порошке. Большая часть нитроглицерина
разбрасывается, детонация, получая незначительное энергетическое
подкрепление, движется с малой скоростью. Детонация, идущая
с малой скоростью, может легко переходить в нормальную
детонацию.
Детонация в бензиновом двигателе
Перед заправкой своей автомашины всякий шофер —
профессионал и любитель — интересуется маркой бензина.
Чем выше номер (А-66, А-70, А-72), тем лучше бензин.
Пользуясь бензином пониженного качества, по сравнению с
рекомендованным для его машины (например, А-66 вместо
А-70), водитель, преждевременно переключив скорость на
увеличенную, слышит при форсировании двигателя
металлический стук. Некоторые при этом уверенно говорят:
«Стучат пальцы» («палец» связывает поршень с шатуном).
Инженер так не скажет, он может заметить: «Появился стук»,
или: «Двигатель детонирует».
«Стук» бывает различных градаций, от едва различимого
до очень сильного, такого, как будто по двигателю колотят
молотком. Когда нет возможности заменить бензин на
лучший, автомобилист, для устранения стука, устанавливает
более позднее зажигание и посильнее разгоняет машину,
прежде чем включить прямую передачу.
В годы бурного развития автомобильной техники (между
двумя мировыми войнами) и расцвета поршневой авиации
детонация была истинным бедствием для конструкторов
двигателей. Экономичность двигателя и его мощность сильно
возрастают с повышением степени сжатия (отношение
исходного объема горючей смеси к объему после сжатия ее порш-
21

нем). Мощность увеличивается, а удельный вес (вес
двигателя на одну лошадиную силу) падает с повышением
начальной плотности смеси и с увеличением размеров камеры
сгорания и цилиндра.
Но на каждом из этих очень эффективных путей
усовершенствования двигателя вырастало препятствие в виде
«стука» — детонации. Лишь увеличение оборотов, повышающее
мощность и снижающее удельный вес, не вызывало
сопротивления со стороны детонации. Но скоростной двигатель
предъявляет более высокие требования к качеству материалов, он
иногда может стать менее надежным, чем двигатель с
меньшими оборотами. Борьба с детонацией в те годы была
задачей номер один науки о горении в двигателях.
В бензиновом двигателе горение, сначала медленное
вблизи свечи, достигает посередине камеры сгорания
максимальной скорости, в конце камеры оно замедляется. Профессор
А. С. Соколик делит горение в двигателе на Три фазы не
только по величине скорости, но и по характеру сгорания.
Скорость горения во второй (основной) фазе определяется
главным образом турбулентностью. В первой фазе, когда
размер пламени вблизи свечи еще мал, турбулентность не
ускоряет сгорания, оно длится относительно долго. В
третьей фазе (заключительной) скорость снова падает, поскольку
турбулентность к концу сгорания успевает в значительнсш
мере затухнуть.
По мере выгорания смеси давление в камере повышается,
еще несгоревшая часть смеси сжимается и поэтому сильно
нагревается. В ней, естественно, начинаются химические,
реакции, продолжающиеся тем дольше и успевающие пройти
тем глубже, чем длительнее горение в первой и второй фазах.
Эти реакции, активируя смесь, могут вызвать более или
менее быстрое сгорание последней части заряда, приводящее к
появлению ударной волны, производящей стук. Ударная
волна, отражаясь многократно от стенок камеры, увеличивает
теплоотдачу в стенки и создает перегрев отдельных частей
двигателя. Достигнув заметной силы, она может вызвать и
механические повреждения, выводящие двигатель из строя.
Ударная волна и соответственно стук тем сильнее, чем
больший объем смеси охватыва.ют предварительные реакции
и чем дальше они заходят. Теперь понятно, почему
увеличение размеров камеры, увеличение опережений зажигания,
продлевающие сгорание и оставляющие больше времени для
химических реакций, способствуют возникновению стука.
Благоприятствует этому и повышение степени сжатия и
начальной плотности смеси (наддув и усиление подачи газа
нажимам на[ акселератор), поскольку они увеличивают
температуру и плотность последней части заряда и ускоряют этим
предварительные реакции. Так как скорость реакции сильно
22

зависит от температуры, повышение степени сжатия особенно
способствует появлению стука.
А. Н. Воинов сфотографировал (при очень сильном стуке)
в специальном экспериментальном двигателе, снабженном
щелями, закрываемыми тугоплавким стеклом, возникновение
детонации в последней части заряда. Из-за малой базы для
измерения не удалось определить точное значение скорости
детонации, но она, видимо, значительно превышает 1 км/сек.
Поскольку предварительные реакции определяют
возникновение детонации, естественный путь ее устранения —=
подбор топлив, менее склонных к таким реакциям и,
следовательно, к детонации. В результате в крупнейших
промышленных странах перед второй мировой войной возникли
мощные отрасли промышленности, вырабатывающие
антидетонационные топлива для авиации и автомобилей.
Еще до возникновения промышленности
антидетонационных топлив Т. Миджлей и Т. А. Бойд (США), испытавшие
тысячи различных веществ, нашли в 1921 г. добавку к
топливу, сильно подавлявшую детонацию. Это был известный с
середины прошлого века как химическое соединение тетраэтял-
сви«ец (ТЭС), оставшийся и до последних лет самой
эффективной антидетонационной добавкой.
Открытие антидетонационных свойств этого вещества
сыграло очень большую роль в повышении экономичности
бензиновых двигателей и в расширении топливных ресурсов для
них.
ТЭС — очень вредное и опасное соединение. Впитываясь
через кожу или попадая в организм любым иным способом,
он обладает кумулятивным действием. Пока его в организме
мало, он может не оказывать заметного вреда. Накопившись
в определенном количестве, он коваргао и внезапно
вызывает тяжелые нергао-психические расстройства, часто
приводящие к смерти. Бензин, содержащий тетраэтилсвинец,
имеет розовую окраску. При обращении с ним рекомендуется
соблюдать установленные правила безопасности.
Не так давяо (в 1954—1958 гг.) синтезирован и доведен
до промышленного производства новый интересный
антидетонатор, близкий по эффективности ТЭС. Название этого
соединения способен выговорить и запомнить, вероятно, лишь
химик. Это циклопендиенилтрикарбонил марганца
(сокращенно ЦТМ), он плавится при температуре 76—77° С и
хорошо растворяется в бензине.
Это соединение менее ядовито, чем ТЭС. При попадании
на кожуj оно в отличие от ТЭС, не впитывается в организм.
Однако как и всякое металлорганическое соединение оно
очень опасно, кодца проникает в организм.
Каждое автомобильное (как и авиационное) топливо
характеризуется октановым числом. Так, у автобензина А-72
23

октановое число 72. На специальном одноцилиндровом
двигателе со степенью сжатия, меняющейся на ходу по желанию
испытателя, замечают (при строго стандартном режиме во
всех иных отношениях) ту степень сжатия, при которой
испытываемое топливо начинает слабо детонировать
(появляется слабый стук). Затем подбирают такую смесь из изооктана
(это хорошее антидетонационное топливо, его октановое
число принимают за 100) и нормального гептана (детонирует
сильно, октановое число его равно нулю), которая при той
же степени сжатия детонирует так же слабо, как и
испытываемое топливо. Процент изооктана в эталонной смеси
характеризует октановое число испытываемого топлива.
Существует и другой метод определения октанового числа —
моторный, применяющийся для оценки авиационных бензинов,
но мы о нем говорить не будем.
А. С. Соколик еще до войны предложил и теоретически
обосновал новый способ ослаблений детонации в
двигателе — так называемое форкамерно-факельное зажигание.
А. Н. Воинов, Л. А. Гуссак и С. В. Румянцев, работавшие в
различных коллективах, исследовали возможности этого
метода и провели большую работу по применению его в
автомобильных и авиационных двигателях К
Суть этого предложения состоит в следующем. Часть
горючей смеси (2—3%) сжигается в отдельной камере, из
которой факел горячих продуктов сгорания впрыскивается в
основной заряд топлива. Факел быстро поджигает заряд в
наиболее выгодный момент, создавая в нем очаг горения
большого объема. При этом исключается начальная
медленная неустойчивая и плохо воспроизводимая стадия горения
основного заряда и, следовательно, увеличивается КПД
двигателя, уменьшается дымление и т. д. Такое зажигание
сокращает время пребывания последней части заряда при
повышенной температуре, тем самым улучшая антидетонациэн-
ные качества двигателя.
Форкамерно-факельное зажигание претерпело интересные
превращения. Как в СССР, так и за рубежом было
предложено несколько десятков типов форкамер. Во всех случаях,
разрабатывая этот способ зажигания, изобретатели
старались сделать форкамерный факел погорячее, полагая, каit
это и следует из тепловой теории, что чем горячее факел, тем
он лучше будет воспламенять основной заряд. Но каждый
раз получался удивительный результат: форкамера, по мере
усовершенствования, зажигала основной заряд все хуже, а
сама портилась (сгорала) быстрее. Форкамеры браковались
одна за другой.
1 См. «Природа», 1964, № 3,-стр, 82-86, и «Вестник АН СССР», 1961г
№ 10.
^

Л. А. Гуссак с сотрудниками (Институт химической
физики АН СССР) подробно исследовал свойства форкамерно-
го факела в зависимости от состава смеси форкамеры и
других параметров. Обнаружился удивительный факт:
оказалось, что основную смесь в двигателе лучше всего
воспламеняют не продукты сгорания, обладающие максимальной
температурой (коэффициент избытка воздуха а около 0,9—1), a
значительно более холодные (а=0,4—0,6), получающиеся при
горении с большим недостатком воздуха. Такие продукты
содержат химически активные вещества, в частности
атомарный водород, и значительно лучше инициируют
воспламенение, чем горячие, но не активные продукты. Это указывает
на большую роль цепных химических реакций в процессе
воспламенения.
Неклассические виды детонации
В шероховатых трубах. Скорость самоподдерживающейся
детонации в шероховатой трубе не остается
физико-химической константой смеси, какой ее можно считать в гладкой
трубе достаточно большого диаметра. С увеличением
шероховатости скорость уменьшается: при всех шероховатостях она
меньше скорости детонации Жуге (определяемой точкой Б,
рис. 7).
Перепуская сшшовую детонацию из гладкой трубы в
шероховатую, устраняют спин. Детонация при этом не
разрушается несмотря на значительное падение скорости
распространения (рис. 14). В шероховатой трубе детонация
способна распространяться даже при тех составах (слишком бедных
или слишком богатых горючей компонентой), при которых
она «в гладкой трубе всегда затухает.
Существуют две точки зрения на механизм
распространения детонации в шероховатой трубе. Возможно, обе они
правильны, каждая в соответствующих ей условиях. Согласно
первой газ (воспламеняется в местах отражения ударной
волны от шероховатостей, где возникают очаги повышенной
температуры. Далее горение распространяется турбулентностью
на все сечение трубы (рис. 15, а). Согласно второй точке
зрения, ударная волна не воспламеняет газа в местах
столкновения с шероховатостью. Горение за ее фронтом
распространяется только турбулентностью, которая в шероховатой трубе
очень сильна. Так как турбулентность, возникая вблизи
стенок трубы, распространяется на все ее сечения не сразу,
пламя, вероятнее всего, имеет такой вид, как на рис. 15, б.
Такое пламя, как это качественно понятно, обладает хорошей
устойчивостью. Оно не может подойти очень близко к
ударному фронту — там еще слаба турбулентность. Отставая от
25

ударного фронта, пламя
попадает в зону более
высокой турбулентности,
ускоряется и подтягивается
к фронту ударной волны.
Для второго механизма
воспламенения
совершенно несущественны
пределы детонации: любая
смесь, способная гореть,
может з шероховатой
трубе детонировать. Первый
механизм, вероятно, имеет
какое-то значение в
распространении детонации в
шероховатых трубах, в
смесях, находящихся
далеко внутри пределов
детонации. Второй — вблизи
них и вне пределов.
Второй механизм косвенно
подтверждается очень
сильным влиянием
шероховатости на
недетонационное горение. В
шероховатой трубе медленное
пламя ускоряется и
переходит в детонацию на
длине трубы в 3—6 ее диа*
метров.
В каменноугольных
шахтах. Во взрывоолас-
ных по пыли шахтах случались катастрофические взрывы,
распространявшиеся на километры, хотя на пути не было
никакого горючего газа, лишь каменноугольная пыль тонким
слоем покрывала стенки выработок. Именно такие взрывы,
приводившие к человеческим жертвам и сильным
разрушениям, побудили ученых к исследованию распространения
горения в трубах, в результате которого была открыта
детонация.
Вспышка газа (метана) в забое или -выпал заряда
взрывчатого вещества при горных работах вызывают ударную
волну, распространяющуюся по выработке, сначала по
вентиляционному или откаточному штреку, а затем и по путям
сообщения в шахте. Сметая каменноугольную пыль со стенок,
пола и кровли выработки, ударная волна подготавливает на
своем пути .взрывчатую воздушно-пылеугольную смесь, по
которой может пойти фронт горения, поддерживающий удар-
Рис. 14. При переходе спиновой
детонации в шероховатую трубу
полосатая структура свечения исчезает.
Скорость детонации в шероховатой
трубе.значительно меньше скорости
в гладкой. Изображение пламени
двигалось слева направо, пленка —•
сверху вниз. Детонация получена в
20% водородно-воздушной смеси в
трубе диаметром 15 мм;
шероховатость создавалась проволочной
спиралью, вставленной в трубу.
26

ную волну, — возникнет детонация. Выработки, заставлен-
ные вдоль стен и по кровле бревнами крепленад, подобны
шероховатым трубам огромного диаметра, и детонация в ни*
должна быть такой же, с той лишь разницей, что в шахте-
она сама приготовляет себе горючую пылевоздушную смесь.
Детонация в шахтах распространяется со скоростью
порядка 1,5—2 км/сек. Горение пыли за фронтом ударний волны
происходит, вероятнее всего, по второму механизму (см. рис-
15, б). Воспламенение при столкновении ударной волны с
Рис. 15. Распространение детонации в шероховатой трубе»
Предполагаемые механизмы горения: а — воспламенение
происходит при столкновении ударной волны с
шероховатостью; б — за ударным фронтом распространяется
турбулентное горение.
шероховатостями (креплениями) происходить не может, так
как в момент соударения никакой пылеугольной смеси ещ&
нет. Как уже говорилось, она образуется заметно позже.
В шахтах, взрывоопасных по газу и пыли, тщательно
следят, чтобы концентрация метана в забое (лаве) не достигла
взрывоопасной величины. Для горных работ применяют
взрывчатые вещества и методы подрыва, не дающие
открытого пламени, способного инициировать взрыв газа.
Устраняют прочие источники воспламенения. Все это делается
для предотвращения появления первичного очага
воспламенения, опасного самого по себе и особенно пагубного, если он
вызовет ударную волну и последующую детонацию пыли.
Одним из главных средств локализации взрыва, если
несмотря на все предосторожности он все же возникает, служат
сланцевые заслоны. Под потолком выработки
устанавливают серию деревянных полок с тонкоизмельченной сланцевой
пылью, Ударная волна, подходя к полкам, опрокидывает их:
27

сланцевая пыль благодаря сильной турбулентности потока
за волной смешивается с воздухом и образует сланцевый
заслон (облако), не пропускающий пламени: Ударная волна,
не поддерживаемая горением, затухает, взрыв локализуется.
Сравнительно хорошее знакомство специалистов по
горной безопасности с механизмом возникновения и
распространения взрыва и правильно организованная служба
безопасности позволили довести до минимума угрозу взрывов
каменноугольной пыли на шахтах СССР. За рубежом не везде
уделяется достаточное внимание технике безопасности, там
время от времени происходят катастрофические взрывы газа и
каменноугольной пыли, уносящие десятки и даже сотни
жизней шахтеров — людей, вероятно, наиболее тяжелой и
героической профессии.
В трубах, покрытых масляной или графитовой пленкой.
Достаточно покрыть внутреннюю поверхность трубы тонкой
пленкой, вакуумного масла, тавота или слоем графитовой
пыли и наполнить ее кислородом при атмосферном давлении,
как по этой безобидной трубе, не содержащей летучих
веществ, может пойти самая настоящая детонация, если ее
вызвать достаточно сильным источником поджигания.
Повышение начального давления до нескольких атмосфер позволяет
получить детонацию в трубах, заполненных воздухом.
Я. К. Трошин, Ю. Н. Аксенов и В. Ф. Комов получили
фотографии распространения детонации со скоростью 1600 м/сек
в трубе диаметром 23 мм, покрытой пленкой вакуумного
масла толщиной лишь немногим больше 0,01 мм (0,9 г масла
на погонный метр трубы) и заполненной кислородом при
атмосферном давлении. Детонация инициировалась ударной
волной, полученной от детонации смеси метана с кислородом.
Перед входом в трубу, смазанную маслом, детонация,
возникшая в метано-кислородной дмеси, пропускалась через
отрезок трубы длиной 1 м, в котором не было ни метана, ни
масла, и превращалась в ударную волну. В замасленной
трубе детонация прошла более 10 м.
Известны опыта (Р. Луазон, Франция), в которых
детонация распространялась со скоростью 1200 м/сек в трубе
диаметром 0,25 м, покрытой слоем смазочного масла толщиной
0,1—0,3 мм, наполненной воздухом при давлении 7 ата.
Детонация в замасленной трубе, инициированная взрывом ме-
тано-воздушной смеси, устойчиво распространялась по всей
длине стометровой трубы.
Масло, графит и другие вещества, способные гореть,
распределенные по поверхности трубы, сметаются ударной
волной со стенок, как каменноугольная пыль при детонации в
шахте, распыляются и образуют горючую взвесь, которая,
сгорая, подпитывает энергией ударную волну. Образуется
детонация в виде комплекса «ударная волна — зона горения».
2S

Дальнейшее исследование гетерогенной детонаций, в
которой горючее (масло) нанесено на стенку трубы,
обнаружило довольно сложный механизм горения в ней. В частности,
в горении существенную роль играют ударные волны,
возникающие в сравнительно тонком пристеночном слое горящей
масляно-кислородной смеси. Эти волны идут от стенки к
стенке, примерно поперек направления движения детонации
(поперек оси трубы). Подходя к противоположной стенке и
отражаясь от нее, такая волна пересекает пристеночную зону
горения, усиливается в ней и в свою очередь увеличивает
скорость горения, улучшая смешение масла с кислородом.
Вот краткие замечания, которые можно сделать о такого
рода детонации. Подробно она пока не изучена.
Опыты с детонацией в трубах, покрытых пленкой масла,
имеющего ничтожную упругость пара, слоем графитовой пыли
и т. п., предупреждают о необходимости тщательного ухода
за воздушными и кислородными газопроводами,
распространенными в промышленности. Особенная тщательность
необходима там, где трубы могут быть соединены с возможными
источниками взрыва, например с компрессорами.
Попытки остановить детонацию
При одинаковом начальном давлении и плотности смеси
теплонапряженность зоны горения в детонации (количество
тепла, выделяющегося в одну секунду в единице объема) в
несколько десятков раз выше теплонапряженности,
достижимой в топочном устройстве с турбулентным горением.
Поэтому естественна идея применения детонационного горения в
реактивном двигателе для авиации, в котором всегда
стараются сжечь как* можно больше топлива в возможно меньшем
пространстве. Однако термодинамически невыгодно сжигать
топливо в детонационной волне. Коэффициент полезного
действия всякого двигателя тем выше, чем больше степень
сжатия горючей смеси в нем. Из рис. 5 видно, что при
одинаковом давлении наименьшую плотность дает сжатие в ударной
волне, характерной для детонационного горения. Поэтому в
двигателях самолетов воздух, поступающий в камеру
сгорания, стараются сжать адиабатически: наилучшим способом
воспользоваться скоростью набегающего воздуха для его
сжатия и тем самым осуществить более выгодный цикл, чем
детонационный. Для этого поток воздуха (при дозвуковых
скоростях) расширяют в воронке диффузора. При
сверхзвуковых скоростях ударную волну, появляющуюся на входе в
двигатель, разбивают «а несколько волн, искривляя поток
при помощи специальной конической насадки и хорошо
рассчитанной формы входной части. Все эти способы требуют
29

увеличения поперечного сечения двигателя по сравнению с
его сечением, цолучающимся, если бы сгорание было
детонационным. Но могут возникнуть случаи, когда увеличение
сечения двигателя недопустимо (например, из-за
соответственного повышения сопротивления летательного аппарата) и
выгодным станет детонационное горение, несмотря на его
ухудшенный термодинамический КПД.
В поисках применения детонации в двигателях, а также
исходя из желания осуществить и исследовать очень быстрые
Рис. 16. Схема опыта Б. В. Войцеховскогоз
а — разрез, на котором виден кольцевой
канал А и движение газа; б — канал в плане
с тремя бегающими по кругу детонациями.
реакция в стационарных условиях, в нескольких
лабораториях делались .попытки изучения остановленной детонации
волны.
Оригинальный режим, непрерывно вращающуюся
детонацию в кольцевой камере, осуществил Б. В. Войцеховский.
Кольцевой канал (<рис. 16) заполнялся горючей газовой
смесью, втекающей в него радиально. Продукты горения,
30

также по радиусу, вытекали из канала. Пламя, как это
показано стрелкой Д# распространялось по каналу. За это
время, пока пламя проходило полную окружность, продукты
горения успевали покинуть камеру и уступить место свежей
смеси, путь для детонации был приготовлен, она могла
распространяться (вращаться), пока в кольцевой канал
подавалась горючая смесь. Интересно, что горение в условиях
опыта Б. В. Войцеховского обладает устойчивостью и своего
рода саморегулируемостью. Если увеличить скорость движения
газа, то канал будет освобождаться от продуктов сгорания и
заполняться свежей смесью раньше, чем волна успеет обойти
окружность. Тогда в канале может возникнуть несколько
ядер, следующих одно из другим.
При замедлении подачи газовой смеси ядра будут
попадать в области, не полностью очищенные от продуктов
сгорания, эффективное сечение канала (часть сечения,
заполненная горючей смесью) уменьшится, упадет скорость
распространения горения. Если эффективное сечение сократится очень
сильно, то уменьшится число ядер и эффективное сечение от
этого вновь возрастет, поскольку увеличится время для
заполнения канала свежей смесью: скорость оставшихся ядер
увеличится. Но это увеличение будет, вероятно, ограничиваться
эффективным сечением. Скорость не может сильно возрасти,
поскольку тогда пламя будет попадать в части канала, еще
плохо очистившиеся от продуктов сгорания. Из приведенного
рассуждения видно, что саморегулируемость оказывается
возможной в той области, где скорость детонации зависит от
эффективного диаметра канала.
Вращающаяся детонация получалась, когда горение
направлялось в одну сторону при помощи специального
затвора. Если затвора не было, горение от точки зажигания
распространялось по каналу в обе стороны; возникало два
сталкивающихся фронта (а чаще и несколько), в канале
происходили пульсации. Они возникали в замкнутом (не
кольцевом) канале, если в него подавалась горючая смесь так жег
как она подается в кольцевой канал, — сбоку.
Нестационарные двойные разрывы
Читатель уже ознакомился в двумя видами равномерно*
го распространения горения: детонацией и дефлаграцией.
Максимальная величина скорости дефлаграции в воздушных
системах углеводородов при нормальных начальных условиях
порядка 50 м/сек, минимальная скорость детонации в тех же
смесях около 2000 м/сек. Промежуточные скорости, лежащие
между максимальной скоростью дефлаграции и минимальной
скоростью детонации, занимающие очень большую область,
31

запрещены законами сохранения вещества, импульса и
энергии. Казалось, этот вывод подтверждается и экспериментами:
пока еще никому не удавалось зарегистрировать
промежуточную постоянную скорость распространения горения.
Возникает вопрос, не существует ли какое-либо
дополнительное условие, делающее возможным распространение
горения с любой равномерной скоростью, промежуточной
между скоростями дефлаграции и детонации. Оказывается, такое
дополнительное условие существует. Оно полностью
выяснено в работах советских ученых Г. М. Бам-Зеликовича и
Я. К. Трошина. Термо- и газодинамический анализ вопроса
показал, что возможна любая постоянная промежуточная
скорость пламени (относительно исходной смеси Л), если перед
ним и быстрее него движется ударная волна, вполне
определенная для каждого значения скорости распространения
горения.
Возвращаясь к детонации, необходимо отметить, что
очень старая отрасль знания — наука о горении — за
последние годы под влиянием требований развивающейся новой
техники заметно усовершенствовалась; она помолодела, стала
стройнее и логичнее.

6 коп.
Индекс
70072
ИДЕТ ПОДПИСКА НА 1969 ГОД!
УВАЖАЕМЫЙ ТОВАРИЩ!
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ» ПРЕДЛАГАЕТ ВАМ СЕРИЮ
ПОДПИСНЫХ НАУЧНО-ПОПУЛЯРНЫХ БРОШЮР
«МАТЕМАТИКА, КИБЕРНЕТИКА». БРОШЮРЫ СЕРИИ БУДУТ
ОСВЕЩАТЬ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ
МАТЕМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЯХ ЗНАНИЙ.
В 1969 году подписчики серии получат 12 брошюр, среди
них:
Гутчин И. Б., канд. техн. наук. КИБЕРНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
ТВОРЧЕСТВА.
Демидов С. С, ВЕЛИКИЕ ПРОБЛЕМЫ ГИЛЬБЕРТА.
Жижченко А. Б., канд. физ.-мат. наук. АЛГЕБРАИЧЕСКАЯ
ГЕОМЕТРИЯ В РАБОТАХ СОВЕТСКИХ МАТЕМАТИКОВ.
МАТЕМАТИКА В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ (сборник статей).
Мудров В. И., д-р техн. наук. ЗАДАЧА О КОММИВОЯЖЕРЕ.
Рахвэльский В. М., канд. техн. наук. НАДЕЖНОСТЬ
КИБЕРНЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ.
Чудинов Э. М., канд. философ, наук. БЕСКОНЕЧНОСТЬ В
МАТЕМАТИКЕ.
Серия «Математика, кибернетика» в каталоге «Союзпечати»
расположена в разделе «Научно-популярные журналы» под
рубрикой «Брошюры издательства «Знание». Индекс серии
70096.
ВЫПИСЫВАЙТЕ! ЧИТАЙТЕ! Серию научно-популярных
брошюр «Математика, кибернетика».
Подписная цена на год 1 руб. 08 коп.
Издательство «ЗНАНИЕ»