Теория детонации взрывчатых веществ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2897 

Кафедра физических процессов горного производства
и геоконтроля 

Б.В. Эквист 

Теория детонации  
взрывчатых веществ 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2016 

УДК 622.233 : 622.235 
 
Э35 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук Б.Ф. Коньшин 

Эквист Б.В. 
Э35  
Теория детонации взрывчатых веществ : учеб. пособие / 
Б.В. Эквист. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. – 24 с. 
ISBN 978-5-906846-18-1 

Представленные в учебном пособии материалы предназначены для изучения процессов детонации при взрыве, расчета параметров детонационных 
волн и их влияния на окружающую среду. 
Приведенные сведения будут полезны студентам, изучающим дисциплину 
«Теория детонации взрывчатых веществ», специализации 131.201.01 
«Взрывное дело», направления подготовки 21.05.04 «Горное дело». 

УДК 622.233 : 622.235 

ISBN 978-5-906846-18-1 
© Б.В. Эквист, 2016 
 
© НИТУ «МИСиС», 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. Детонационное горение, детонация .................................................... 4 

2. История исследований явления ........................................................... 5 

3. Механизм детонации ............................................................................ 6 

4. Гидродинамическая теория детонации ............................................... 7 

5. Модель Чепмена–Жуге ........................................................................ 8 

6. Модель Зельдовича, Неймана и Дёринга (ZND)................................ 9 

7. Детонация в технике ........................................................................... 10 

8. Теория процесса детонации в газах .................................................. 11 

9. Особенности детонации промышленных ВВ ................................... 15 

10. Методы испытания промышленных ВВ ......................................... 20 

11. Практическое занятие ...................................................................... 21 

12. Контрольные вопросы по теории детонации ................................. 22 

13. Библиографический список ............................................................. 23 

1. ДЕТОНАЦИОННОЕ ГОРЕНИЕ, ДЕТОНАЦИЯ 

Детонацио́нное горе́ние, детона́ция (от фр. détoner – взрываться 
и лат. detonare – греметь) – это режим горения, в котором по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения, в свою очередь поддерживающие движение ударной 
волны за счёт выделяющегося в экзотермических реакциях тепла. 
Комплекс, состоящий из ударной волны и зоны экзотермических химических реакций за ней, распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью и называется детонационной волной [1]. Фронт детонационной волны – это поверхность гидродинамического нормального разрыва. 
Скорость распространения фронта детонационной волны относительно исходного неподвижного вещества называется скоростью 
детонации. Скорость детонации зависит от состава и состояния детонирующего вещества и может достигать нескольких километров в 
секунду как в газах, так и в конденсированных системах (жидких или 
твёрдых взрывчатых веществах). Скорость детонации значительно 
превышает скорость медленного горения, которая всегда существенно меньше скорости звука в веществе и не превышает десятков сантиметров в секунду или нескольких метров в секунду (при горении 
водород-кислородных смесей). 
Многие вещества способны как к медленному горению, так и к 
детонации. В таких веществах для распространения детонации её 
необходимо инициировать внешним воздействием (механическим 
или тепловым). В определённых условиях медленное горение может 
самопроизвольно переходить в детонацию. 
Детонацию как физико-химическое явление не следует отождествлять с взрывом. Взрыв – это процесс, в котором за короткое время в 
ограниченном объёме выделяется большое количество энергии и образуются газообразные продукты взрыва, способные совершить значительную механическую работу или вызвать разрушения в месте 
взрыва. Взрыв может иметь место и при воспламенении и быстром 
сгорании газовых смесей или взрывчатых веществ в ограниченном 
пространстве, хотя при этом детонационная волна не образуется. 
Так, быстрое (взрывное) сгорание пороха в стволе артиллерийского 
орудия в процессе выстрела не является детонацией. 
Стук, возникающий в двигателях внутреннего сгорания при 
взрывном сгорании топлива, также называют детонацией. 

2. ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ЯВЛЕНИЯ 

Вероятно, впервые термин «детонация» был введён в научный 
обиход Лавуазье в «Трактате по элементарной химии» (фр. Traité 
élémentaire de chimie), опубликованном в Париже в 1789 г. [2]. 
Во второй половине XIX века были синтезированы вторичные 
взрывчатые вещества, в основе действия которых лежит явление детонации. Однако из-за большой скорости детонационной волны и 
разрушительного действия взрыва научное изучение детонации оказалось чрезвычайно затруднено и началось с публикаций исследований явления детонации газовых смесей в трубах в 1881 г. французскими химиками Малляром и Ле Шателье и независимо от них Бертло и Вьелем [2]. В 1890 г. русский учёный В.А. Михельсон, опираясь 
на работы Гюгонио по ударным волнам, вывел уравнения для распространения детонационной волны и получил выражение для скорости детонации [2]. Дальнейшее развитие теории было выполнено 
Чепменом в 1899 г. [3] и Жуге в 1905 г. В теории Чепмена–Жуге, названной гидродинамической теорией детонации, детонационная волна рассматривалась как поверхность разрыва, а условие для определения скорости детонации, названное их именами (условие Чепмена–
Жуге), было введено как постулат. 
В 1940-е годы Я.Б. Зельдович разработал теорию детонации, в которой учитывается конечное время протекания химической реакции 
вслед за нагревом вещества ударной волной. В этой модели условие 
Чепмена–Жуге получило ясный физический смысл как правило отбора скорости детонации, а сама модель была названа моделью 
ZND – по именам Зельдовича, Неймана и Дёринга, так как независимо от него к схожим результатам пришли фон Нейман в США и Дёринг [3] в Германии. Модели Чепмена–Жуге и ZND позволили существенно продвинуться в понимании явления детонации, однако они 
по необходимости были одномерными и упрощёнными. С ростом 
возможностей экспериментального исследования детонации в 1926 г. 
английскими исследователями Кэмпбеллом и Вудхедом был открыт 
эффект спирального продвижения фронта детонации по газовой смеси [4, 5]. Это явление получило название «спиновой детонации» и 
впоследствии было обнаружено и в конденсированных системах [6]. 
В 1959 г. сотрудники ИХФ АН СССР Ю.Н. Денисов и Я.К. Трошин 
открыли явление ячеистой структуры и пульсирующих режимов распространения детонационной волны. 

3. МЕХАНИЗМ ДЕТОНАЦИИ 

Детонация может возникать в газах, жидкостях, конденсированных веществах и гетерогенных средах. При прохождении фронта 
ударной волны вещество нагревается. Если ударная волна достаточно сильная, то температура за фронтом ударной волны может превысить температуру самовоспламенения вещества, и в веществе начинаются химические реакции горения. В ходе химических реакций 
выделяется энергия, подпитывающая ударную волну. Такое взаимодействие газодинамических и физико-химических факторов приводит к образованию комплекса из ударной волны и следующей за ней 
зоны химических реакций, называемого детонационной волной. 
Механизм превращения энергии в детонационной волне отличается от механизма в волне медленного горения (дефлаграции), движущейся с дозвуковой скоростью, в которой передача энергии в исходную смесь осуществляется в основном теплопроводностью.  

4. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ 
ДЕТОНАЦИИ 

Если характерные размеры системы заметно превышают толщину 
детонационной волны, то её можно считать поверхностью нормального разрыва между исходными компонентами и продуктами детонации. В этом случае законы сохранения массы, импульса и энергии 
по обеим сторонам разрыва в системе координат, где фронт волны 
неподвижен, выражаются следующими соотношениями: 

(
)
0D
D
u
ρ
ρ
=
 – сохранение массы; 

(
)
2
2
0
0
P
D
P
D
u
ρ
ρ
+
=
+
 – сохранение импульса; 

(
)
(
)
(
)(
)
2
2
0
0
0
/ 2
(
) / 2
P D
D e
D
P D
u
D
u
e
D
u
ρ
ρ
+
+
=
+
 – 

сохранение энергии, 

где D – скорость детонационной волны; (D – u) – скорость продуктов 
относительно детонационной волны; P – давление; ρ – плотность; 
e – удельная внутренняя энергия. Индексом «0» обозначены величины, относящиеся к исходному веществу. Исключая из этих 
уравнений u, имеем: 

 
2
0
0
0
(
) (
)
P
P
D
V
V
ρ
=
; 

 
0
0
0
1 (
)(
)
2
e
e
P
P
V
V
=
+
. 

Первое соотношение выражает линейную зависимость между 
давлением P и удельным объёмом V = 1 / ρ и называется прямой  
Михельсона (в зарубежной литературе – прямой Рэлея). Второе соотношение называется детонационной адиабатой или кривой Гюгонио (в зарубежной литературе также – Рэнкина–Гюгонио). Если известно уравнение состояния вещества, то внутренняя энергия может 
быть выражена через давление и объём, и кривая Гюгонио может 
быть также представлена как линия в координатах P и V [7]. 

5. МОДЕЛЬ ЧЕПМЕНА–ЖУГЕ 

Система двух уравнений (для прямой Михельсона и кривой  
Гюгонио) содержит три неизвестных (D, P и V), поэтому для определения скорости детонации D требуется дополнительное уравнение, 
которое невозможно получить только из термодинамических соображений. Поскольку детонационная волна устойчива, звуковые возмущения в продуктах не могут догонять фронт детонационной волны, иначе он будет разрушаться. Таким образом, скорость звука в 
продуктах детонации не может превышать скорость течения за фронтом детонационной волны. 
На плоскости P, V прямая Михельсона и кривая Гюгонио могут 
пересекаться не более чем в двух точках. Чепмен и Жуге предположили, что скорость детонации определяется по условию касания 
прямой Михельсона и кривой Гюгонио для полностью прореагировавших продуктов (детонационной адиабаты). В этом случае прямая 
Михельсона является касательной к детонационной адиабате, и эти 
линии пересекаются ровно в одной точке, названной точкой Чепмена–Жуге (CJ). Это условие соответствует минимальному наклону 
прямой Михельсона и физически означает, что детонационная волна 
распространяется с минимально возможной скоростью, и скорость 
течения за фронтом детонационной волны в точности равна скорости 
звука в продуктах детонации [6]. 

6. МОДЕЛЬ ЗЕЛЬДОВИЧА, НЕЙМАНА 
И ДЁРИНГА (ZND) 

Модель Чепмена–Жуге позволяет описать распространение детонационной волны как гидродинамического разрыва, но не даёт ответов на вопросы, связанные со структурой зоны химических реакций. 
Эти вопросы стали особенно актуальными в конце 1930-х годов в 
связи с быстрым развитием военной техники, боеприпасов и взрывчатых веществ. Независимо друг от друга Я.Б. Зельдович в СССР, 
Джон фон Нейман в США и Вернер Дёринг в Германии создали модель, названную впоследствии по их именам моделью ZND [2]. 
В этой модели считается, что при распространении детонации вещество сначала нагревается при прохождении фронта ударной волны, а химические реакции начинаются в веществе спустя некоторое 
время, равное задержке самовоспламенения. В ходе химических реакций выделяется тепло, которое приводит к дополнительному расширению продуктов и увеличению скорости их движения. Таким 
образом, зона химических реакций выступает в роли своего рода 
поршня, толкающего ведущую ударную волну и обеспечивающего её 
устойчивость [8]. 
На диаграмме P, V эта модель условно отображается в виде процесса, первой стадией которого будет скачок по адиабате Гюгонио 
для исходного вещества в точку с максимальным давлением, с последующим постепенным спуском по прямой Михельсона до её касания с адиабатой Гюгонио для прореагировавшего вещества, до есть 
до точки Чепмена–Жуге [6]. В этой теории правило отбора скорости 
детонации и гипотеза Чепмена–Жуге получают своё физическое 
обоснование. 
Все состояния выше точки Чепмена–Жуге оказываются неустойчивыми, так как в них скорость звука в продуктах превышает скорость течения за фронтом детонационной волны. В состояния ниже 
точки Чепмена–Жуге попасть невозможно, так как скачок давления 
на фронте ударной волны всегда больше конечной разности давлений между продуктами детонации и исходным веществом. Однако 
такие режимы могут наблюдаться в эксперименте при искусственном 
ускорении детонационной волны, и они называются соответственно 
пересжатой или недосжатой детонацией. 

7. ДЕТОНАЦИЯ В ТЕХНИКЕ 

В двигателях внутреннего сгорания детонацией часто называют 
взрывное горение в цилиндре (см. Стук в двигателе). Двигатели 
внутреннего сгорания, реализующие цикл Отто, рассчитаны на медленное горение горючей смеси без резких скачков давления. Быстрое 
сгорание смеси резко повышает давление в камере сгорания, что 
приводит к ударным нагрузкам на детали конструкции двигателя и 
быстрому выходу двигателя из строя. Топливо с более высоким октановым числом допускает большую степень сжатия и лучше противостоит детонации. 
Детонационное горение является наиболее термодинамически выгодным способом сжигания топлива и преобразования химической 
энергии топлива в полезную работу. Поэтому детонация может применяться в рабочем процессе в камерах сгорания перспективных 
энергетических установок, таких как импульсный детонационный 
двигатель. 
Явление детонации лежит в основе действия бризантных взрывчатых веществ, широко применяемых как в военном деле, так и в гражданской хозяйственной деятельности при производстве взрывных 
работ. 

8. ТЕОРИЯ ПРОЦЕССА ДЕТОНАЦИИ В ГАЗАХ 

 

Здесь р0, ρ0 и Т0 – соответственно давление, плотность и температура газа в исходном невозмущенном состоянии, p1, ρ1 и Т1 – давление, плотность и температура сжатого газа. 
Длина сжатого участка газа будет равна (vy – vw)t, его объем –  
(vy – vw)tS, а масса – 
1(
)
y
w
v
v
ts
ρ
. 

Этот же газ в исходном состоянии занимал объем vy tS, а масса его 
перед сжатием составляла vy t Sρ0. Поскольку в процессе сжатия масса 
вещества не изменилась, то закон сохранения массы для данного 
случая может быть записан в виде 

 
ρ0vy tS = ρ1(vy – vw)tS; 

 
ρ0vy = ρ1(vy – vw). 
(1) 

Сжатая масса газа движется со скоростью vw, и количество движения для этой массы будет равно ρ0vy S tvw. По второму закону Ньютона произведение массы на изменение скорости равно импульсу силы, 
т.е. произведению силы на время ее действия. 
На сжимаемый газ действует сила (р1 – p0)S, а импульс силы будет 
равен (р1 – р0)St. 
Закон сохранения количества движения в рассматриваемом случае можно записать в виде 

 
(р1 – р0)St = ρ0vy Stvw; 

 
р1 – р0 = ρ0vyvw; 

 
vw = (р1 – р0)/ρ0vy. 
(2) 

p1 ρ1T1
p0 ρ0T0

vw
vy

vy t
vw t