دانلود مقاله مبانی تئوری انفجار

مبانی تئوری انفجار:

1- مقدمه:

در طول حداقل 200 سال گذشته، کاربرد واژه انفجار متداول بوده است. در زمانهای قبل از آن این واژه به تجزیه[1] ناگهانی مواد و مخلوطهای انفجاری با صدای قابل توجهی نظیر «رعد» اطلاق شده است. این مطلب از دیرباز شناخته شده است که انفجار تجزیه سریع مقدار معینی ماده است که به محض رخداد یک ضربه یا گرمایش اصطکاکی اتفاق می‌افتد. بنابراین تجزیه این مواد در شرایط مناسب می‌تواند بصورت ساکت و آرام رخ دهد.

کلمه انفجار[2] از نظر فنی به معنی انبساط ماده به حجمی بزرگتر از حجم اولیه است. آزاد شدن ناگهان انرژی که لازمه این انبساط است. غالباً از طریق احتراق سریع، دتونیشن[3] (که در فارسی همان انفجار معنی می‌شود)، تخلیه الکتریکی با فرایندهای کاملاً مکانیکی صورت می‌گیرد. خاصیت متمایز کننده انفجار، همانا انبساط سریع ماده است. به نحویکه انتقال انرژی به محیط تقریباً بطور کامل توسط حرکت ماده (جرم) انجام می‌شود. در جدول زیر مقایسه‌ای بین چند فرآیند آزادسازی انرژی انجام شده است.

(جداول و نمودار در فایل اصلی موجود است)
 

دتونیشن یک ماده منفجره قوی

جدول (بالا) مقایسه‌ای بین سه فرایند آزاد سازی انرژی

برای شعله تقریباً هیچ انتقال جرمی به اطراف رخ نمی دهد در حالیکه نیروی پیشرانش یک اسلحه قادر به راندن گلوله است و یک ماده منفجره قوی[4] هر چیز در تماس با خود را تغییر شکل داده و یا ویران می‌کند. قدرت منهدم کننده این مواد را «ضربه انفجار»[5] نامیده می‌شود که مستقیماً با حداکثر فشار تولید شده مرتبط است. توجه کنید که در جدول (بالا)، هیچگونه توصیفی از محل رخداد (تونیشن ماده منفجره قوی ارائه نشده است. این بدان معناست که فرایند دتونیشن از محدودیتهای فیزیکی مستقل است.

با توجه به مطالب بالا واضح است که دتونیشن تنها یکی از انواع حالات پدیده انفجار است بعبارت دیگر واژه دتونیشن تنها باید به فرآیندی اطلاق شود که در طی آن یک «موج شوک»[6] انتشار یابد.

متاسفانه بعلت قفرلفات مناسب فنی در زبان فارسی، دتونیشن به معنی عام انفجار ترجمه می‌شود و بنابراین در ادامه این مبحث برای پرهیز از اشتباه و رسا بودن مطلب همان واژه دتونیشن را به کار برده خواهد شد.

سرآغاز تحقیقات اخیر بر روی دتونیشن به سالهای 45-1940 م. که «زلدویچ» و «ون نیومان» هر یک به طور جداگانه مدل یک بعدی ساختار امواج دتونیشن را فرمولبندی کردند باز می‌گردد، گرچه یک مدل واقعی سه بعدی تا اواخر سال 1950 م به تاخیر افتاد.

2- پدیده دتونیشن:

دتونیشن یک واکنش شیمیائی «خود منتشر شونده»[7] است که در طی آن مواد منفجره اعم از مواد جامد، مایع، مخلوطهای گازی، در مدت زمان بسیار کوتاه در حد میکروثانیه. به محصولات گازی شکل داغ و پرفشار با دانسیته بالا و توانا برای انجام کار تبدیل می‌شود. فرض بگیرید قطعه‌ای از مواد منفجره، منفجر گردد. به نظر می‌رسد که همه آن در یک لحظه و بدون هیچ تاخیر زمانی نابود می‌گردد. البته در واقع دتونیشن از یک نقطه آغازین شروع شده و از میان ماده بطرف انتهای آن حرکت می‌کند. این عمل بخاطر آن آنی بنظر می‌رسد که سرعت رخداد آن بسیار بالاست.

از نظر تئوری دتونیشن ایده‌ال واکنشی است که در مدت زمان صفر (با سرعت بی‌نهایت) انجام شود. در اینحالت انرژی ناشی از انفجار فوراً آزاد می‌شود اصولاً زمان واکنش بسیار کوتاه یکی از ویژگیهای مواد منفجره است. هر چه این زمان کمتر باشد، انفجار قویتر خواهد بود. از نظر فیزیکی امکان ندارد که زمان انفجار صفر باشد. زیرا کلیه واکنشهای شیمیائی برای کامل شدن به زمان نیاز دارند.

پدیده دتونیشن با تقریبی عالی مستقل از شرایط خارجی است و با سرعتی که در شرایط پایدار[8] برای هر ترکیب، فشار و دمای ماده انفجاری اولیه ثابت است منتشر می‌شود. ثابت بودن سرعت انفجار، یکی از خصوصیات فیزیکی مهم برای هر ماده منفجره می‌باشد در اثر دتونیشن، فشار، دما و چگالی افزایش می‌یابند. این تغییرات در اثر تراکم محصولات انفجار حاصل می‌گردند.

پدیده‌ای که مستقل از زمان در یک چارچوب مرجع حرکت می‌کند. «موج» نامیده می‌شود و ناحیه واکنش دتونیشن، «موج دتونیشن»[9] یا موج انفجار نامیده می‌شود. در حالت پایدار این موج انفجار بصورت یک ناپیوستگی شدید فشاری که با سرعت بسیار زیاد و ثابت VD از میان مواد عبور می‌کند توصیف می‌شود واکنش شیمیائی در همسایگی نزدیک جبهه دتونیشن[10] است که باعث تشکیل موج انفجار می‌شود. این موج با سرعتی بین 1 و تا 9، بسته به طبیعت فیزیکی وشیمیائی ماده منفجره حرکت می‌کند. این سرعت را می‌توان با استفاده از قوانین ترموهیدرودینامیک تعیین نمود. عواملی که در سرعت انفجار نقش دارند عبارتند از: انرژی آزاد شده در فرآیند، نرخ آزاد شدن انرژی، چگالی ماده منفجره و ابعاد خرج انفجاری.

یک مدل ساده برای این پدیده مطابق شکل زیر از یک «جبهه شوک»[11] و بلافاصله بدنبال آن یک ناحیه انجام واکنش که در آن فشارهای بسیار بالا تولید می‌شود، تشکیل شده است. ضخامت ناحیه واکنش در انفجار ایده‌آل صفر است و هر چه انفجار بحالت ایده‌ال نزدیکتر باشد. ضخامت این ناحیه کمتر است. نقطه پایان این ناحیه، محل شروع ناحیه فشار دتونیشن[12] است.

مدل یک بعدی دتونیشن

فشار دتونیشن با رابطه زیر به سرعت دتونیشن و دانسیته مواد منفجره وابسته است:

(1)                    

که P مصرف فشار دتونیشن و P مصرف چگالی محصولات و P0 چگالی ماده منفجره است. بر اساس این فرض که چگالی محصولات دتونیشن بزرگتر از چگالی مواد منفجره اولیه است، یک رابطه کاربردی بصورت زیر استخراج می‌گردد.

(2)                                                                                       

از آنجا که زمان رخداد واکنش شیمیائی در یک فرآیند دتونیشن بسیار کوتاه است. انتشار و انبساط گازهای داغ حاصل در ناحیه واکنش بسیار اندک و غیر متحمل است و لذا این گازها هم حجم مواد منفجره اولیه باقی می‌مانند. این مطلب دلیل اصلی این نکته است که چرا فشار پشت جبهه انفجار بسیار بالاست. این فشار برای مواد منفجره نظامی در حدود Gpa 19 تا Gpa35 و برای مواد منفجره جاری کمتر است. همانطور که قبلاً ذکر گردید، موج دتونیشن مستقل از شرایط خارجی است. علیرغم این استقلال، جریان محصولات گازی که در پشت جبهه موج حرکت می‌کنند به زمان و شرایط مرزی وابسته است برای مثال یک بلوک مستطیل بزرگ از یک ماده منفجره را در نظر بگیرید که بر روی کل یکی از سطوح آن، به طور همزمان دتونیشن آغاز می‌شود. این سطح در خلا قرار دارد و هیچ مانعی برای انبساط گازها وجود ندارد. موج صفحه‌ای دتونیشن با سرعت ثابت بدرون ماده پیشروی می‌کند و گازهای حاصل از انفجار که بلافاصله در پشت این جبهه موج قرار دارند با سرعتی کمتر از سرعت موج که سرعت جرم نام دارد در همان جهت حرکت می‌کنند. اما در سطح عقبی، گازها مشغول فرار در جهت مخالف هستند (در اثر خلا). همچنین فشار گاز در پشت جبهه موج بسیار بالاست، ولی در خلا پشت سر، صفر است لذا فشار بصورت منحن وار بین ایندو موقعیت تغییر می‌کند. نموداری از تغییرات فشار و سرعت جرم برای یک ماده منفجره جامد در شکل زیر نشان داده شده است.

همانطور که ملاحظه می‌شود ناحیه همسایه منطقه واکنش بسیار کم تحت تاثیر تغییر شرایط مرزی قرار می‌گیرد.

آغاز همزمان دتونیشن از روی کل یک سطح مشکل است. در عمل آسانتر است که آغاز انفجار از یک نقطه باشد. در اینحالت موج دتونشین از یک نقطه درون ماده منفجره گسترش یافته و گرادیان فشار در اینحالت از آنچه در شکل صفحه قبل نشان داده شده، تیزتر خواهد بود.

وقتی از مواد منفجره برای راندن و بحرکت در آوردن سایر مواد و سازمان‌ها استفاده می‌شود محاسبه دقیق پروفیل فشار و سرعت جرم، ورودیهای لازم برای محاسبات حرکت سازه رانده شده می‌باشد. شکل این پروفیلها به معادله حالت محصولات انفجار وابسته‌اند، معادلاتی که تلاشهای بسیاری برای بدست آوردن آنها انجام شده و در دست انجام است.

3- موج شوک:[13]

یک موج شوک، جبهه شوک یا مختصراً یک شوک، موجی است که در ماده یک جهش[14] فشاری (یا تنشی) ناگهانی و تقریباً ناپیوسته ایجاد می‌کند، این موج بسیار سریعتر از امواج صوتی منتشر می‌شود، بدین معنی که این موج نسبت به محیط پیرامون خود فرا صوتی است و این خاصیت خود را بدون تغییر حفظ می‌کند.

موج شوک از جمله خواص اغلب مواد است و از خاصیتی از ماده که بر اساس آن سرعت انتقال صوت در ماده بصورت  می‌باشد منتج می‌شود. اندیس s معرف حالت آنتروپی پایاست. این موج از نظر ترمودینامیکی برگشت ناپذیر است. و لذا آنتروپی سیستم در جبهه شوک در اثر لزجت و هدایت حرارتی افزایش می‌یابد. امواج شوک که امواج فشاری نیز نامیده می‌شوند، عامل شتابگیری ذرات ماده، در جهت انتشار خود هستند.

بر اساس مطالب بالا اکنون به تشریح دقیقتر موج شوک در پدیده دتونیشن و نیز در قطعه کار (ورق فلزی) می‌پردازیم.

1-3- موج شوک در فرآیند دتونشین:

موج شوک عبارتست از یک ناپایداری شدید فشاری (هیدرودینامیکی) که با سرعت ثابت و بسیار بالا، از میان مواد منفجره عبور می‌کند. واکنش شیمیائی در پشت و در همسایگی بسیار نزدیک آن رخ داده و موج شوک را پشتیبانی می‌کند. موج شوک و ناحیه واکنش مجموعاً «جبهه انفجار» را تشکیل می‌دهند. ضخامت موج شوک در حدود mm001/0 و ضخامت ناحیه واکنش در حدود mm1 تا cm1 است. شکل زیر ساختمان یک جبهه انفجار را نشان می‌دهد.

3-2- موج شوک در سطح قطعه کار:

یک بلوک بزرگ از ماده منفجره را در نظر بگیرید که دارای دو سطح موازی هم است، در نظر بگیرید. یکی از این سطوح در تماس با یک ورق بزرگ و تخت فلزی است و از روی سطح موازی آن، بطور همزمان یک دتونشین صفحه‌ای آغاز می‌شود. بدین ترتیب یک جبهه انفجار تخت درون بلوک پیشروی خواهد کرد. هنگامیکه هنوز این جبهه به سطح ورق فلزی نرسیده است، فشار در این سطح برابر فشار اولیه باقی خواهد ماند. اما درست در لحظه‌ای که موج دتونیشن به این سطح می‌رسد یک پرش ناپیوسته فشار، به فشار دتونشین که بالغ بر چند صد هزار اتمسفر می‌شود، بر روی سطح رخ می‌دهد. این فشار عظیم باعث می‌شود که فلز وادار به حرکت می‌شود. این حرکت در ابتدا از سطح تماس ورق و مواد منفجره آغاز شده و سپس در کل ضخامت ورق پیشروی می‌کند که مطابق شکل صفحه بعد مرز بین فلز متحرک با فلزی که هنوز شروع به حرکت ننموده است. موج شوک نام دارد. توجه کنید همانطور که در دتونشین، موج شوک مرز مشترک ناحیه آرام و مغشوش است. در سطح فلز نیز مرز بین سکون و حرکت فلز است. هر دو موج یک ناپیوستگی شدید در محیط مربوط به خود بوجود می‌آورند. ولی یک تفاوت عمده بین موج شوک منتشر شده در فلز با موج شوک دتونیشن وجود دارد و آن این است که برخلاف موج شوک دتونیشن، سرعت و فشار خود را از دست می‌دهد. علت این امر به تفضیل در بخش

در پشت شوک، فلز در حال حرکت است و به دانسیته‌ای بزرگتر از مقدار اولیه خود متراکم می‌شود. حتی موادی که معمولاً تراکم ناپذیر در نظر گرفته می‌شوند، بطور محسوسی در برابر این موج متراکم می‌شوند. تراکم فلز آنرا گرمتر خواهد ساخت. بنابراین موج شوک مرز بین فلز داغ و سرد نیز خواهد بود.