Detonación - Detonation

Detonación de TNT y onda de choque

La detonación (del latín detonare  'trueno hacia abajo / adelante') es un tipo de combustión que involucra un frente exotérmico supersónico que acelera a través de un medio que eventualmente impulsa un frente de choque que se propaga directamente frente a él. Las detonaciones se producen tanto en explosivos convencionales sólidos como líquidos, así como en gases reactivos. La velocidad de detonación en explosivos sólidos y líquidos es muy superior a la de los gaseosos, lo que permite observar con mayor detalle el sistema de ondas (mayor resolución ).

Puede producirse una gran variedad de combustibles en forma de gases, gotitas de niebla o suspensiones de polvo. Los oxidantes incluyen halógenos, ozono, peróxido de hidrógeno y óxidos de nitrógeno . Las detonaciones gaseosas se asocian a menudo con una mezcla de combustible y oxidante en una composición algo por debajo de las relaciones de inflamabilidad convencionales. Ocurren con mayor frecuencia en sistemas confinados, pero a veces ocurren en grandes nubes de vapor. Otros materiales, como el acetileno , el ozono y el peróxido de hidrógeno, son detonables en ausencia de dióxido de carbono .

La detonación fue descubierta en 1881 por dos pares de científicos franceses Marcellin Berthelot y P. Vieille y Ernest-François Mallard y Henry Louis Le Chatelier . Las predicciones matemáticas de la propagación fueron realizadas primero por David Chapman en 1899 y por Émile Jouguet en 1905, 1906 y 1917. El siguiente avance en la comprensión de la detonación fue realizado por Zel'dovich , von Neumann y W. Doering a principios de la década de 1940.

Teorías

La teoría más simple para predecir el comportamiento de las detonaciones en gases se conoce como teoría de Chapman-Jouguet (CJ), desarrollada a principios del siglo XX. Esta teoría, descrita por un conjunto relativamente simple de ecuaciones algebraicas, modela la detonación como una onda de choque que se propaga acompañada de una liberación de calor exotérmica. Tal teoría confina los procesos de transporte químico y difusivo a una zona infinitesimalmente delgada.

Durante la Segunda Guerra Mundial , Zel'dovich , von Neumann y W. Doering propusieron una teoría más compleja de forma independiente . Esta teoría, ahora conocida como teoría ZND , admite reacciones químicas de velocidad finita y, por lo tanto, describe una detonación como una onda de choque infinitesimalmente delgada seguida de una zona de reacción química exotérmica. Con un marco de referencia de un choque estacionario, el siguiente flujo es subsónico, de modo que una zona de reacción acústica sigue inmediatamente detrás del frente principal, la condición de Chapman-Jouguet . También hay alguna evidencia de que la zona de reacción es semimetálica en algunos explosivos.

Ambas teorías describen frentes de onda unidimensionales y estables. Sin embargo, en la década de 1960, los experimentos revelaron que las detonaciones en fase gaseosa se caracterizaban con mayor frecuencia por estructuras tridimensionales inestables, que solo en un sentido promedio pueden predecirse mediante teorías estables unidimensionales. De hecho, esas olas se apagan a medida que se destruye su estructura. La teoría de la detonación de Wood-Kirkwood puede corregir algunas de estas limitaciones.

Los estudios experimentales han revelado algunas de las condiciones necesarias para la propagación de tales frentes. En confinamiento, el rango de composición de mezclas de combustible y sustancias oxidantes y autodescomponentes con inertes está ligeramente por debajo de los límites de inflamabilidad y para frentes de expansión esférica muy por debajo de ellos. La influencia del aumento de la concentración de diluyente en la expansión de las células de detonación individuales se ha demostrado con elegancia. De manera similar, su tamaño crece a medida que cae la presión inicial. Dado que los anchos de las celdas deben coincidir con la dimensión mínima de contención, se apagará cualquier ola sobrepasada por el iniciador.

El modelado matemático ha avanzado constantemente para predecir los complejos campos de flujo detrás de las reacciones que inducen a los choques. Hasta la fecha, ninguno ha descrito adecuadamente cómo se forma y se sostiene la estructura detrás de ondas no confinadas.

Aplicaciones

Cuando se usa en artefactos explosivos, la principal causa de daño de una detonación es el frente de explosión supersónico (una poderosa onda de choque ) en el área circundante. Ésta es una distinción significativa de las deflagraciones en las que la onda exotérmica es subsónica y las presiones máximas son como máximo una octava parte. Por lo tanto, la detonación es una característica con fines destructivos, mientras que la deflagración se favorece para la aceleración de los proyectiles de armas de fuego . Sin embargo, las ondas de detonación también se pueden utilizar para fines menos destructivos, incluida la deposición de recubrimientos en una superficie o la limpieza de equipos (por ejemplo, eliminación de escoria) e incluso soldar explosivamente metales que de otro modo no se fusionarían. Los motores de detonación por pulsos utilizan la onda de detonación para la propulsión aeroespacial. El primer vuelo de un avión propulsado por un motor de detonación por pulsos tuvo lugar en el puerto aéreo y espacial de Mojave el 31 de enero de 2008.

En motores y armas de fuego

La detonación involuntaria cuando se desea la deflagración es un problema en algunos dispositivos. En el ciclo Otto , o en los motores de gasolina, se le llama golpeteo del motor o picado o pellizco, y causa una pérdida de potencia, calentamiento excesivo y fuertes golpes mecánicos que pueden resultar en una eventual falla del motor. En armas de fuego, puede causar fallas catastróficas y potencialmente letales.

Los motores de detonación por pulsos son una forma de motor a reacción de pulsos con el que se ha experimentado en varias ocasiones, ya que ofrece el potencial para una buena eficiencia de combustible.

Ver también

Referencias

enlaces externos