8.4. Стационарный режим распространения детонации.

Достаточно сильная ударная волна может вызвать воспламенение нагретой ею взрывчатой среды. Однако горение, вызванное одиночным импульсом сжатия, может быть нестационарным. При одиночном, впоследствии затухающем импульсе сжатия воспламенение нагретого газа может инициировать дефлаграционное горение. Ударная волна создает неизменные условия сжатия все новых слоев газа только в том случае, если ее поддерживать внешним воздействием, например, непрерывным движением сжимающего поршня.

Расширение газа при его сгорании само может приводить к сжатию и нагреванию новых, еще холодных слоев взрывчатой среды и ее воспламенению. Расширяющиеся продукты реакции играют роль сжимающего поршня. Возникает комплекс из ударной волны, бегущей по взрывчатой среде, и следующей за нею зоны быстрой реакции в газе, нагретом ударной волной. Тепловыделение в этой зоне поддерживает устойчивое существование ударной волны. Такой комплекс, именуемый детонационной волной, стационарен, т.е. распространяется на неограниченном протяжении без изменения его структуры.

При детонационном горении от слоя к слою передается лишь импульс сжатия, - теплопроводность в этом процессе не играет роли. Детонационная волна распространяется со скоростью порядка нескольких километров в секунду. Давление в ней в несколько раз превосходит максимальное давление адиабатического сгорания в замкнутом сосуде, и потому детонация может вызвать большие разрушения. Так как скорость детонации больше скорости звука и никакое возмущение в газе не может опередить детонационную волну, то разрушающее действие волны не зависит от того, возникает ли детонация в открытом или закрытом сосуде.

Отличительную особенность детонации представляет ее строгая стационарность. В достаточно широких длинных трубах детонация распространяется с неизменной скоростью, которая не зависит от аппаратурных условий и давления и лишь слабо зависит от начальной температуры. Скорость детонации зависит только от термодинамических характеристик газовой смеси. Другая особенность детонационного горения заключается в том, что при детонации продукты реакции движутся в ту же сторону, что и зона реакции, тогда как при дефлаграции эти направления противоположны. Лишь впоследствии, после подхода волны разрежения, величина скорости продуктов реакции меняет знак на обратный.

Скачок давления в ударной волне происходит на расстоянии длины свободного пробега молекул, но химическая реакция, даже высокотемпературная, протекает только после многих столкновений. По этой причине, а также вследствие большой скорости детонационной волны ширина зоны реакции достаточно велика.

Уравнение (8.4) справедливо для любых систем. В любой точке зоны реакции стационарной детонационной волны соблюдается зависимость

, (8.4а)

описывающая (в Р – v координатах) (рис. 34) так называемую прямую Михельсона – одного из создателей теории детонации.

Обозначим индексами 0, 1 и 2 соответственно состояния газа до сжатия в ударной волне, непосредственно после сжатия, но до начала реакции, и по-сле завершения реакции.

Рис. 34. Изменение состояния газа при детонации.