Отдел горения и взрыва ИХФ РАН

Главная

Лаборатории

Конференции

Публикации

Авторефераты

Форум

Объявления
Исторический обзор

К истории «открытия» явления детонации

А. Ю. Долгобородов
ИХФ РАН
г. Москва, Россия, 2013 г.

Целью настоящей заметки является исправление некоторых ошибок преподавания истории открытия явления детонации. В большинстве современных учебников и монографий по физике взрыва эта история излагается примерно одинаково: «Катастрофические взрывы в угольных шахтах в конце XIX столетия побудили ученых ряда стран заняться детальным исследованием распространения пламени в трубах. Одним из наиболее важных результатов этих работ было открытие в 1881 г четырьмя французскими учеными (Малляром и Ле-Шателье и, независимо от них, Бертло и Вьелем) явления детонации в газах — распространения горения с равномерной, вполне определенной для каждого горючего состава, сверхзвуковой скоростью порядка 2-Зкм/с. Этот быстрый процесс горения был назван «фальшивым горением», или детонацией (от французского detonner: фальшивить, звучать не в тон)» [1]. Аналогичное изложение можно найти в работах не только по детонации газов, но и во многих российских и зарубежных изданиях по физике детонации конденсированных ВВ, см., например [2-4]. Сейчас уже трудно установить первичный источник такого изложения истории, по-видимому, одним из первых изданий была книга Я.Б. Зельдовича [5]: «Явление детонации газов было открыто сравнительно поздно, в 1881 г., независимо Малляром и Ле Шателье. а также Бертело и Вьеем в ходе работ по распространению пламени в трубах по заданию горно-промышленного комитета. Работы эти последовали за ужасными катастрофами в шахтах Франции и Бельгии. Применением фотографического метода было открыто распространение горения с огромной скоростью (от 1.5—2 до 4—5 км/с). Первоначально детонации газовых смесей была открыта при поджигании их зарядом взрывчатого вещества (гремучей ртути), в то время как поджигание тепловое, искрой или пламенем, вызывает медленное горение смеси…».  Однако такое изложение не в полной мере соответствует истине и содержит фактические ошибки.
Сейчас в эпоху интернета, когда многие научные архивы оцифрованы и доступны для свободного получения информации, нетрудно установить реальную историю на основе оригинальных работ. Рассмотрим научные публикации по детонации в период до 1881 г. включительно.

Что же реально было сделано в работе Малляра и Ле Шателье [6], на работу которых, как первую, ссылается Зельдович? Во-первых, название работы - «О скоростях распространения воспламенения во взрывчатых газовых смесях» соответствует её содержанию. В работе приведены данные по измерениям скоростей пламен в ряде газовых смесей. Основная масса измерений содержит результаты со скоростями пламен менее 20 м/с. Что же касается детонации, то в работе отмечается, что в случае труб с закрытым концом наблюдается экстремально высокая скорость распространения пламени – «мощная детонация» (forte détonation), для водородо-кислородных смеси удалось определить «эффективную» скорость более 1000 м/с, для водородо-воздушной смеси - более 300 м/с. Точных данных, указывающих на стационарность процесса в работе не приводится. В целом работа имеет характер короткого сообщения и не претендует на то, что авторами было сделано «открытие» явления детонации. Термин «детонирующая смесь» (mélange détonant) употреблялся для смесей рудничного газа с воздухом и ранее, например, в работе того же Малляра [7]. Для измерений использовался хронограф Дюпре, который позволял производить измерения скоростей на локальных базах измерения, что же касается упомянутого Зельдовичем «фотографического» метода, то он был использован несколько позднее, см. [8]. Во второй статье (Марселен Бертло «О скорости распространения взрывных явлений в газе»), опубликованной в том же номере докладов французской академии наук [9], действительно приведены первые результаты по измерениям скоростей детонации в ряде горючих смесей газов, полученные совместно с Полем Вьелем. Опыты проводились в металлической трубке внутренним диаметром 8 мм, длиной 5 м с регистрацией в начале трубы, на расстоянии 2,5 м и в конце трубы. Обнаружена устойчивая детонация со скоростью 2500 м/с в смесях водорода и окиси углерода с кислородом при инициировании процесса подрывом заряда гремучей ртути. При этом Бертло отмечает, что для газов наблюдаются два режима распространения горения, аналогично тому, что существует для твердых ВВ - при простом воспламенении – послойное горение, а при инициировании гремучей ртутью - детонация («La différence entre les deux ordres de combustion paraît analogue à celle qui existe entre I'inflammation simple des matières explosives solides, se propageant par échauffement de proche en proche; et leur détonation subite, provoquée par une amorce fulminante»). Таким образом, можно констатировать, что хотя в [9] и получены первые результаты по величине скорости и стационарности процесса в газовых смесях, но сам Бертло не претендует на «открытие» детонации как нового физического явления в целом. Тем более что на 10 лет раньше Бертло уже опубликовал результаты определения теплоты взрыва для ряда «детонирующих» газовых смесей [10].

Теперь прейдем к реальной истории использования термина «детонация» в научной литературе. Кто и когда был первым автором сейчас конечно сложно установить точно, но уже с конца 18 века этот термин используется для определения характера взрывных процессов в твердых ВВ. Во Франции в то время проводились активные работы по созданию и исследованию новых ВВ и порохов. В частности Бертолле (C.L. Berthollet) разработал способ получения хлората калия и перхлората аммония, под руководством Лавуазье (A.L.  Lavoisier) разработаны способы очистки селитры и повышения силы черного пороха и т.д. (см. [11]). Одновременно проводятся работы по исследованию горения и детонации различных взрывчатых смесей. Так в «Трактате по элементарной химии» [12]  Лавуазье приводит первые данные по теплоте взрыва смесей нитрата калия с углеродом, по количеству газообразных продуктов при детонации смесей хлората калия с металлами. Во втором томе своего трактата (глава 7 «О горении», § 8 «О детонации», стр. 525) Лавуазье дает такое определение детонации: «именно этот внезапный переход из плотного (конденсированного) состояния в аэроформное (газообразное) называется детонацией, потому что действительно он сопровождается обычно треском и грохотом» (C'est ce passage brusque de l'état concret à l'état aériforme qu'on a nommé détonation , parce qu'en effet il est ordinairement accompagné de bruit & de fracas). По-видимому, это одно из первых определений, которое и использовалось в дальнейших научных работах по исследованию детонации различных веществ.

С появлением новых взрывчатых веществ в первой половине 19 века (1800 E. Howard – инициирующие ВВ: гремучая ртуть и гремучее серебро, 1846 С.F. Schönbein – пироксилин (gun-cotton), 1848 A. Sobrero – нитроглицерин, 1859-61 Л.Н. Шишков – тринитро- и тетранитрометан, 1863-67 A. Nobel – капсюль-детонатор и динамит и др.) работы по исследованию детонации активизировались. В 1964 г. Альфред Нобель отмечает возможность двух режимов горения нитроглицерина в зависимости от мощности инициатора: – медленного – дефлаграции при поджигании и детонации при инициировании гремучей ртутью. Фредерик Абель в 1869 г. публикует результаты исследований инициирования детонации в пироксилине и нитроглицерине различных типов ВВ, которые позволили сделать вывод об общей закономерности возникновения в твердых ВВ режимов детонации или дефлаграции в зависимости от типа инициирующего импульса [13-15]. В 1870 г. Эндрю Нобл (A. Noble) разрабатывает хронограф, позволяющий измерять скорость процессов с микросекундным временным разрешением, а с 1873 г. Абель публикует цикл работ по результатом исследования возникновения, распространения и передачи детонации в зарядах пироксилина, нитроглицерина и динамита с различными данными по параметрам и зависимостям процесса, в том числе по скоростям детонации (5-6 км/с), отмечена стационарность процесса, скорость детонации постоянна по длине зарядов и зависит только от плотности ВВ [16-17].
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.

Данная краткая заметка, конечно, не претендует на полноту изложения истории изучения детонации. Более подробно данный вопрос изложен, например, в энциклопедической статье И.М. Чельцова [19] или в статье Нумы Мансона [20]. Последняя статья содержит наиболее полную хронологию по истории изучения детонации, но к сожалению практически не известна специалистам и мало цитируется. По моему мнению её стоит перевести на русский язык и сделать доступной для ознакомления в Интернете.

Литература.

  1. Физика взрыва. / Под ред. Л. П. Орленко. — Изд. 3-е, переработанное. — В 2 т. Т. 1. - М.: Физматлит, 2002. – 832 с.
  2. М.А. Кук. Наука о промышленных взрывчатых веществах. — М.: Недра. 1980. 453 c.
  3. R. Engelke, S.A. Sheffield. Initiation and Propagation of Detonation in Condensed-Phase High Explosives // High-Pressure Shock Compression of Solids III. / Lee Danison, Mohsen Shahinpoor, Editors. — New York: Springer-Verlag Inc. 1998.
  4. A.N. Dremin. Toward Detonation Theory. — New York: Springer-Verlag Inc. 1999.
  5. Я.Б. Зельдович. Теория горения и детонации газов. Ин-т хим. физики. - Москва ; Ленинград : Изд-во Акад. наук СССР, 1944. – 72 с.
  6. E. Mallard, H. Le Chatelier. Sur les vitesses de propagation de l'inflammation dans les mélanges gazeux explosifs // Comptes Rendus de 1’Academie des Sciences, Paris, 1881, T.93, p.145-148.
  7. E. Mallard. De la vitesse avec lequelle se propage l'inflammation dans un mélange d’air at de grisou // Annales des mines, 1875, 7-e Ser., T.7, p. 355-381.
  8. E. Mallard, H.L. Le Chatelier. Recherches expérimentales et théorétiques sur la combustion des mélanges gazeux explosif // Annales des mines, 1883, 8-e Ser, T.4, p. 296-568.
  9. M. Berthelot. Sur la vitesse de propagation des phénomènes explosifs dans les gaz // Comptes Rendus de 1’Academie des Sciences, Paris, 1881, T.93, p.18-22.
  10. M. Berthelot. Sur la force des mélanges gazeux détonants // Comptes Rendus de 1’Academie des Sciences, Paris, 1871, T.72, p.165-168.
  11. P. Bret. Lavoisier à la régie des poudres: Le savant, le financier, l'administrateur et le pédagogue. // La Vie des Sciences, Comptes rendus de L’Académie des sciences, série générale, 1994, T. 11, № 4, p. 297-317.
  12. A. L. de Lavoisier. Traité élémentaire de chimie. — Paris. 1789.
  13. F. A. Abel. Contributions to the History of Explosive Agents // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1869, V. 159, p. 489-516.
  14. F. A. Abel. Nouvelles études sur les propriétés des corps explosibles // Comptes Rendus de 1’Academie des Sciences, Paris, 1869, T.69, p.105-121.
  15. F. A. Abel. Nouvelles études sur les propriétés des corps explosibles // Annales de chimie et de physique, Paris, 1870, 4-e Série. T.11, p.170-150.
  16. F. A. Abel. The Rapidity of Detonation // Nature. 1873, V. 8, p. 534.
  17. F. A. Abel. Contributions to the History of Explosive Agents. Second Memoir // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1874, V. 164, p. 337-395.
  18. F. A. Abel. Études sur les propriétés des corps explosibles. Deuxème mémoire // Annales de chimie et de physique, Paris, 1874, 5-e Série. T.2, p.170-192.
  19. И. М. Чельцов. Взрывчатые вещества. / Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона. Т. 6 (11). — СПб. 1892, с. 176-206.
  20. N. Manson. Historique de la decouverte de l’onde de detonation. // Journal de Physique, 1987, Colloque C4, supplément au № 9, T. 48, p. 7-37.

Загрузить статью А. Ю. Долгобородова «К истории «открытия» явления детонации» в формате MS Word

Обсудить статью на форуме

11111111110011001100000011000000101010101010000010000000101000001100110010100000111100001010000011001100110000001100110010001000
Главная Лаборатории Конференции Публикации Авторефераты Форум Объявления
Историческая справка
Структура отдела
Важнейшие результаты
Ссылки