Detonación

Detonación (del latín detonare & #39;tronar hacia abajo/adelante') es un tipo de combustión que involucra un frente exotérmico supersónico que se acelera a través de un medio que finalmente impulsa un frente de choque que se propaga directamente frente a él. Las detonaciones se propagan supersónicamente a través de ondas de choque con velocidades en el rango de 1 km/s y difieren de las deflagraciones que tienen velocidades de llama subsónicas en el rango de 1 m/s.

Las detonaciones ocurren tanto en explosivos sólidos y líquidos convencionales 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 (mayor resolución) el sistema de ondas.

Una variedad muy amplia de combustibles puede ocurrir como gases (p. ej., hidrógeno), nieblas de gotas o suspensiones de polvo. Además del dioxígeno, los oxidantes pueden incluir compuestos de halógeno, ozono, peróxido de hidrógeno y óxidos de nitrógeno. Las detonaciones gaseosas a menudo se asocian 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 un oxidante (o reductor). En estos casos, la energía liberada resulta del reordenamiento de los constituyentes moleculares del material.

La detonación fue descubierta en 1881 por cuatro científicos franceses Marcellin Berthelot y Paul Marie Eugène 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 John von Neumann y Werner Döring a principios de la década de 1940 y Yakov B. Zel&# 39;dovich y Aleksandr Solomonovich Kompaneets en la década de 1960.

Teorías

La teoría más sencilla para predecir el comportamiento de las detonaciones en los 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 describe la química y los procesos de transporte por difusión como si ocurrieran abruptamente cuando pasa el choque.

Zel'dovich, von Neumann y Döring propusieron de forma independiente una teoría más compleja durante la Segunda Guerra Mundial. 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 de plomo, la condición de Chapman-Jouguet.

También hay algunas pruebas 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 pueden predecirse, en un sentido promedio, mediante teorías estacionarias unidimensionales. De hecho, tales ondas se apagan a medida que se destruye su estructura. La teoría de la detonación de Wood-Kirkwood puede corregir algunas de estas limitaciones.

Estudios experimentales han revelado algunas de las condiciones necesarias para la propagación de tales frentes. En confinamiento, el rango de composición de las mezclas de combustible y comburente y de sustancias autodescomponibles con inertes está ligeramente por debajo de los límites de inflamabilidad y, para frentes de expansión esférica, muy por debajo de ellos. La influencia de aumentar la concentración de diluyente en la expansión de celdas de detonación individuales ha sido demostrada 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, cualquier onda sobrecargada por el iniciador se extinguirá.

El modelado matemático ha avanzado constantemente para predecir los complejos campos de flujo detrás de las reacciones que inducen los choques. Hasta la fecha, ninguno ha descrito adecuadamente cómo se forma y sostiene la estructura detrás de olas ilimitadas.

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. Esta es una diferencia importante con respecto a las deflagraciones en las que la onda exotérmica es subsónica y las presiones máximas para las motas de polvo no metálicas son aproximadamente de 7 a 10 veces la presión atmosférica. Por lo tanto, la detonación es una función con fines destructivos, mientras que la deflagración se favorece para la aceleración de las armas de fuego. proyectiles Sin embargo, las ondas de detonación también se pueden utilizar para fines menos destructivos, incluida la deposición de revestimientos en una superficie o la limpieza de equipos (p. ej., eliminación de escoria) e incluso la soldadura explosiva de 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 de pulsos tuvo lugar en Mojave Air & Puerto espacial el 31 de enero de 2008.

En motores y armas de fuego

La detonación no intencional cuando se desea la deflagración es un problema en algunos dispositivos. En el ciclo Otto, o motores de gasolina, se denomina golpeteo o ping del motor, y provoca una pérdida de potencia, un calentamiento excesivo y un choque mecánico severo que puede provocar una falla eventual del motor. En armas de fuego, puede causar fallas catastróficas y potencialmente letales.

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