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デトネーション（ラテン語の detonare 「雷鳴を轟かせる」に由来）[1]は燃焼の一種で、超音速の発熱面が媒体中を加速し、最終的に衝撃波がその正面を伝播する。デトネーションは衝撃波中を超音速で約1km/秒の速度で伝播し、亜音速の炎速が約1m/秒の爆燃とは異なる。 [2]デトネーションは、燃料と酸化剤の混合物の爆発によって発生する場合がある。爆燃と比較すると、デトネーションでは外部の酸化剤を必要としない。爆燃が発生すると、酸化剤と燃料が混合する。デトネーションは爆燃よりも破壊的である。デトネーションでは、炎の前面は音速よりも速く空気と燃料の中を伝播するが、爆燃では、炎の前面は音速よりも遅く空気と燃料の中を伝播する。
爆発は、従来の固体および液体爆発物[3]だけでなく、反応性ガスでも発生します。TNT、ダイナマイト、C4は、爆発する高出力爆発物の例です。固体および液体爆発物の爆発速度は、気体爆発物よりもはるかに速いため、波動システムをより詳細に（高解像度で）観察できます。
非常に多様な燃料がガス（水素など）、液滴霧、または粉塵懸濁液として発生する可能性がある。二酸素に加えて、酸化剤にはハロゲン化合物、オゾン、過酸化水素、窒素酸化物が含まれる。ガス爆発は、従来の可燃性比をいくらか下回る組成の燃料と酸化剤の混合物によく伴う。これらは密閉系で最も頻繁に発生するが、大規模な蒸気雲でも発生することがある。アセチレン、オゾン、過酸化水素などの他の物質は、酸化剤（または還元剤）がなくても爆発する。これらの場合、放出されるエネルギーは物質の分子成分の再配置によって生じる。[4] [5]
爆発は1881年に4人のフランス人科学者マルセラン・ベルトロとポール・マリー・ウジェーヌ・ヴィエイユ[6]、エルネスト・フランソワ・マラードとアンリ・ルイ・ルシャトリエ[7]によって発見されました。伝播の数学的予測は、1899年にデイヴィッド・チャップマン[8]によって最初に行われ、1905年、 [9] 、 1906年、1917年にはエミール・ジュゲ[10]によって行われました。爆発の理解における次の進歩は、 1940年代初頭にジョン・フォン・ノイマン[11]とヴェルナー・デーリング[12]によって、 1960年代にはヤコフ・B・ゼルドヴィッチとアレクサンドル・ソロモノヴィッチ・コンパネーツによってなされました。[13]
理論
ガス中の爆発の挙動を予測する最も単純な理論は、チャップマン・ジュゲ(CJ) 条件として知られ、20 世紀初頭に開発されたものです。この理論は、比較的単純な代数方程式で記述され、発熱を伴う衝撃波の伝播として爆発をモデル化します。この理論は、衝撃波が通過すると化学反応と拡散輸送のプロセスが突然発生すると説明しています。
より複雑な理論は、第二次世界大戦中にゼルドヴィッチ、フォン・ノイマン、デーリングによって独立に提唱された。[13] [11] [12]現在ZND理論として知られるこの理論は、有限速度の化学反応を認めており、したがってデトネーションを極小の衝撃波とそれに続く発熱化学反応の領域として説明する。静止した衝撃波を基準フレームとして、それに続く流れは亜音速であるため、音響反応領域が先頭のすぐ後ろに続く、チャップマン・ジュゲ条件となる。[14] [9]
一部の爆発物では反応領域が半金属的であるという証拠もある。[15]
どちらの理論も、1次元の安定した波面を記述している。しかし、1960年代の実験により、気相デトネーションはほとんどの場合、非定常な3次元構造を特徴とし、平均的にしか1次元の定常理論では予測できないことが明らかになった。実際、このような波は構造が破壊されると消滅する。[16] [17]ウッド・カークウッドのデトネーション理論は、これらの限界のいくつかを修正することができる。[18]
実験的研究により、このような爆発前線の伝播に必要な条件がいくつか明らかになった。閉じ込められた状態では、燃料と酸化剤および自己分解性物質と不活性物質の混合物の組成範囲は、可燃限界をわずかに下回り、球状に膨張する爆発前線の場合は、それをはるかに下回る。[19]希釈剤の濃度を高くすると、個々の爆発セルが膨張する影響が明確に実証されている。[20]同様に、初期圧力が低下すると、爆発セルのサイズは大きくなる。[21]セルの幅は閉じ込めの最小寸法と一致する必要があるため、イニシエーターによって過剰に駆動された波は消火される。
数学モデルは、衝撃波の背後にある複雑な流れ場を予測する方向に着実に進歩してきた。[22] [23]現在まで、非閉じ込め波の背後の構造がどのように形成され、維持されるかを適切に説明したモデルはない。
アプリケーション
爆発装置に使用される場合、デトネーションによる損傷の主な原因は、周囲に発生する超音速の爆風（強力な衝撃波）です。これは、発熱波が亜音速で、非金属の塵埃の最大圧力が大気圧の約7～10倍になる爆燃との重要な違いです。 [24]したがって、デトネーションは破壊的な目的で使用されるのに対し、爆燃は銃器の発射体の加速に適しています。ただし、デトネーション波は、表面へのコーティングの堆積[25]や機器の洗浄（スラグ除去など[26] ）、さらには、通常は融合しない金属を爆発的に溶接するなど、破壊性の低い目的にも使用されることがあります。パルスデトネーションエンジンは、航空宇宙の推進にデトネーション波を使用しています。[27]パルスデトネーションエンジンを搭載した航空機の初飛行は、2008年1月31日にモハベ航空宇宙港で行われた。 [28]
エンジンと銃器
一部の装置では、爆燃が必要なときに意図せず爆発することが問題となる。オットーサイクルやガソリンエンジンでは、ノッキングやピンギングと呼ばれ、出力低下の原因となる。また、過度の加熱や激しい機械的衝撃を引き起こし、最終的にはエンジンの故障につながる可能性がある。[29]銃器では、壊滅的で致命的な故障を引き起こす可能性がある[要出典]。
パルスデトネーションエンジンは、優れた燃料効率の可能性を秘めているため、これまで何度も実験されてきたパルスジェットエンジンの一種です[要出典]。
参照
参考文献
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外部リンク
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