УВ не только сжимает, она также и нагревает вещество. Из-за этого плотность сжатого вещества не становится сколь угодно большой при неограниченно большом давлении, а стремится к конечному пределу (воздух, например, сжимается не более чем в 6 раз). Предел ударного сжатия существует и для конденсированных веществ.
Но все это относится к субстанциям инертным, а ведь есть и такие, молекулы которых метастастабильны и распад их происходит с выделением энергии. Достаточно мощная УВ как раз и инициирует этот процесс: за ударным фронтом в нагретом веществе начинается химическая реакция. Вначале энергией этой реакции фронт может «подпитываться», ускоряясь при этом, но затем устанавливается равновесие. Такой процесс называется детонацией, а установившаяся скорость симбиоза УВ и химической реакции за ее фронтом — скоростью детонации, которая, для той же пикриновой кислоты, была для XIX века поистине «космической» — 7,2 км/с (при плотности 1,6 г/см3).
Понятно, что термодинамические характеристики вещества изменяются при протекании в нем реакции, но и с учетом этого явление детонации вполне возможно описать в рамках теории УВ: скорость детонации относительно продуктов реакции равна местной скорости звука в продуктах реакции (запомним это!).
УВ как явление, вызывающее детонацию упомянуто не случайно, именно таков основной механизм инициирования бризантных (дробящих) взрывчатых веществ (ВВ), таких как пикриновая кислота. Назвали их дробящими потому, что плотность кинетической энергии газов при детонации столь высока, что они дробят преграды на куда большее число осколков и метают их с большей скоростью, чем взрыв «черняшки». Однако, если небольшое количество бризантного ВВ поджечь, то, не находясь в ограниченном объеме, оно в отличие от черного пороха, спокойно горит. Это горение переходит в детонацию, если сопровождается повышением давления (как это было, например, в замкнутом сосуде — зарядном отделении торпеды на атомной подводной лодке «Курск», нагреваемом пламенем горящего двигателя другой торпеды). Но существуют и такие вещества, в которых горение быстро ускоряется за счет химической реакции и вне замкнутого объема, а переход в детонацию весьма быстротечен. Такие ВВ (например — те же фульминаты) называются инициирующими и служат они для возбуждения детонации в бризантных ВВ.
Мы рассмотрели стационарную детонацию с постоянной скоростью, но возможны и нестационарные режимы. Например, если кривизна детонационного фронта существенна, это может приводить к рассеянию или концентрации энергии. Сходящиеся детонационные волны (цилиндрические, сферические) движутся не с постоянной скоростью, а ускоряются по мере уменьшения радиуса. На достаточно малых радиусах энергия химической реакции вообще перестает играть существенную роль и возрастание параметров сжатия определяется только геометрическим фактором. Кстати, именно в сферически-симметричном случае возможно достижение экстремальных параметров ударного сжатия, хотя часто от даже имеющих дипломы технических вузов приходится слышать, что для получения наибольшего давления следует организовать «лобовое» столкновение тел. Видимо, тут сказывается юношеский опыт игры в футбол, при которой лобовые столкновения происходят часто, а сферически-симметричные — никогда.
Несмотря на встречающиеся «волновые» термины, для описанных процессов не характерны циклические движения вещества, как например, в морских волнах. Но, с другой стороны, движение вещества при взрывных процессах подчиняется уравнениям гидродинамики, названию которых тоже совершенно не соответствует область их применения: ими описываются не только движения жидкости (откуда и «гидро»), они применяются для решения очень многих задач. Возможно, одной из причин внедрения «волновой» лексики послужило то, что, например, процессы отражения УВ имеют сходство с волновыми. Натолкнувшись на твердую преграду, УВ может «отразиться» либо приобретя дополнительное сжатие (рис. 1.8), либо — с разрежением вещества (вроде как с «потерей фазы»).
Рис. 1.8. Отражение ударной (или детонационной) волны от преграды с большим ударно — волновым импедансом, чем у вещества в волне
Критерием того, по какому сценарию это произойдет, является ударно-волновой импеданс — произведение плотности вещества на скорость звука в нем. Если преимущество в ударно-волновом импедансе за веществом преграды, отражается волна сжатия, в противном случае имеет место разрежение, но, так или иначе, веществу преграды будет передан импульс и оно начнет двигаться по направлению распространения УВ.
Ясно, что, чем более массивна преграда, тем большую кинетическую энергию она приобретет в результате воздействия ударной или детонационной волны. Сообщение энергии оболочке продуктами взрыва заканчивается на некотором расстоянии от заряда (теоретически — пока давление продуктов взрыва существенно, а практически — на расстоянии, равном нескольким характерным размерам заряда).
Кстати, а те же пороха, от которых требуется только горение в зарядной каморе орудия (и при весьма высоких давлениях!) — могут ли детонировать?
Запросто: это было продемонстрировано после Первой мировой войны, когда оставшийся порох использовали для горных работ при прокладке туннелей в Альпах. Все дело в мощности инициатора детонации. Если эта мощность достаточна, могут «сыграть» и вещества вообще взрывчатыми не считающиеся, например — удобрение из смеси нитрата и сульфата аммония. В 1921 г. на заводе в Германии скопилась огромная его гора, соли слежались, их понемногу откалывали небольшими взрывами. Когда же поступил крупный заказ, мощность «откалывающих» зарядов значительно увеличили и сработали все 4500 тонн, совершив похожее на то (рис. 1.9), что произошло только спустя более чем два десятилетия в Хиросиме.
Рис. 1.9. Последствия взрыва на заводе минеральных удобрений в германском Оппау. Размеры воронки: длина -165 м, глубина — 19 м, ширина — 95 м
Разложение такой смеси происходит с выделением небольшой (на единицу ее объема) энергии, но детонация стала возможной не только из-за мощного инициатора, но и из-за размеров заряда, который, в соответствии со сформулированным в пятидесятых годах XX века Ю.Б. Харитоном критерием, должен превышать (и — превысил!) произведение скорости звука на время разлета вещества.
Читатель наверняка заметил, что автор забежал вперед — стал приводить примеры, совсем не из того времени, когда «вышли на арену» бризантные ВВ и бездымные пороха. Верно: теория детонации стала достаточно полной лишь к середине XX века, а до того взрывы изучались методом «втыка» — все подбиралось опытным путем, потому что не было приборов для изучения столь быстрых процессов. А вот механика была уже достаточно развитой наукой, позволившей вполне удовлетворительно описать процесс стрельбы, что было необходимо: орудия наводились уже не на глаз, а имели оптические прицелы, панорамы и вполне точные механизмы горизонтальной и вертикальной наводки (рис. 1.10). Из фотографии также видно, что изменились и форма снарядов: теперь они несли куда больше снаряжения, чем такого же калибра ядра. Но такой выигрыш дался непросто: необходимо было предотвратить кувыркание снаряда в полете и обеспечить его падение у цели головной частью вперед, чтобы безотказно сработал взрыватель. Для этого снаряду придавалось вращение в стволе (благодаря имеющимся там нарезам), а остальное делал гироскопический эффект.
