Научные открытия России
Государственный реестр открытий СССР
 


МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
Научные открытия в области процессов горения и детонации.



Научное открытие "Явление неустойчивости детонационной волны в газах".

Формула открытия: "Установлено неизвестное ранее явление неоднородности и нестационарности детонационной волны в газах, наблюдаемое вдали от пределов детонации, заключающееся в искривлении фронта волны в виде выпуклостей и вогнутостей и в периодических столкновениях и отражениях участков этого фронта, обладающих местным повышенным давлением и более сильным свечением газа, причем частота столкновений и отражений возрастает с увеличением реакционной способности и давления исходной газовой смеси. Это явление обусловлено неустойчивостью стационарного комплекса плоской ударной волны и зоны горения за ней".
Авторы: Ю. Н. Денисов, К. И. Щелкин, Я. К. Трошин, Б. В. Войцеховский, В. В. Митрофанов, М. Е. Топчиян.
Номер и дата приоритета: № 111 от 5 ноября 1957 г.


Описание открытия.

Одно из самых удивительных явлений природы – огонь и по сей день во многом остается загадкой. Давно наблюдаемое явление детонации также таит в себе немало неразгаданного. При обычном горении пламя распространяется в веществе довольно медленно. Бензин горит, например, со скоростью полуметра в секунду. Если же пламя распространяется со скоростью, превышающей скорость звука в веществе, это детонация. Под воздействием избыточного давления в двигателях внутреннего сгорания тот же бензин горит чрезвычайно быстро.
Явление детонации относится к газодинамике быстропротекающих химических реакций. До конца раскрыть его природу – одна из актуальных задач науки.

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. Оно наблюдается, например, при взрывах в шахтах, в ракетных двигателях, двигателях внутреннего сгорания, трубопроводах. Это опасное явление может быть использовано как полезное при взрывах зарядов взрывчатых веществ в строительных и горных работах, при геологических исследованиях, штамповке и сварке взрывом.

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.

Практическое значение открытия состоит в установлении аналогии между явлениями неустойчивости воспламенения в детонационной волне и в теплонапряженных камерах сгорания, что позволяет рассчитывать поле давлений и скоростей вблизи головки камеры сгорания при высокочастотной неустойчивости. На основе открытия разработаны новый метод определения реакционно-кинетических параметров химических процессов при высоких температурах и упомянутый следовой метод регистрации детонации, применяемый для идентификации детонационных процессов в исследовательских и промышленных работах.
Аналогия представлений о процессах в волне газовой детонации и в волне детонации жидких взрывчатых веществ породила новый метод определения критического диаметра зарядов жидких взрывчатых веществ. Выявленные в результате открытия особенности механизма детонации используются при создании экспериментальных реактивных двигателей, работающих в режиме детонационного сгорания, а также при разработке способов воздействия на процесс распространения и дифракции детонационных волн в каналах.
На принципах открытия его авторы сделали ряд изобретений (детонационная труба для определения периода индукции воспламенения горючих смесей, детонационный импульсный ускоритель плазмы и др.).

Результаты открытия получили широкое признание в СССР и за рубежом. Один из известных американских исследователей детонации - Р. Е. Дафф писал в журнале "Physic of flouds" по поводу данного открытия: "Наиболее важным выводом из этих результатов является то, что собственная неустойчивость детонационной волны, о которой сообщали Денисов и Трошин... подтвердилась. Бесспорно, что достоверная теория детонации должна учитывать эту неустойчивость".

В № 10 журнала "Ракетная техника и космонавтика" за 1963 г. опубликовано мнение известных американского, французского и немецкого исследователей – Оппенгейма, Мансона и Вагнера (обзор "Последние достижения в изучении детонации") по поводу использования описываемого открытия. Этот вопрос, говорят они, "несколько недооценивается нами, в то время как наши русские коллеги уже значительное время уделяют внимание этому вопросу... Денисов, Щелкин и Трошин показали, каким образом можно применить к камере сгорания ракетного двигателя критерий устойчивости детонационной волны".




Главная
КОСМОС
ЗЕМЛЯ
ЧЕЛОВЕК, БИОЛОГИЯ
ФИЗИКА, РАДИОАКТИВНОСТЬ
ХИМИЯ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
МЕХАНИКА, АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА
МИРОЗДАНИЕ
Сайт создан в системе uCoz