Исследование, проведённое в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) и опубликованное в журнале Combustion and Flame, раскрывает принципиально важную роль дефлаграции — медленного горения, предшествующего детонации, — в поведении современных взрывчатых веществ. Команда учёных под руководством Брэдом Стилом и Джонатаном Кроухерстом сфокусировалась на высокоэнергетическом материале LLM-105, чтобы выяснить, как именно химические процессы дефлаграции управляют безопасностью и чувствительностью взрывчатки.
В эксперименте использовалась лазерная инициировка в алмазной наковальне — это усовершенствованный метод, впервые применённый в LLNL ещё в 1990-х годах. Такой подход позволил исследовать дефлаграцию при давлениях, сопоставимых с давлениями детонации LLM-105. Учёные фиксировали продукты реакции на высоких давлениях, чтобы понять, какие вещества образуются и как их состав влияет на последующий взрывной переход.
Главный результат: при высоком давлении продукты дефлаграции оказались прозрачными, и в ходе эксперимента надёжно обнаруживался только молекулярный азот (N₂). Ожидалось присутствие и других элементов — углерода, водорода, кислорода, — однако экспериментальные методы их не выявили. Возник вопрос: куда исчезли остальные элементы, входившие в исходную формулу взрывчатого вещества?
Для получения более подробной картины исследователи провели крупномасштабные квантово-молекулярные динамические (QMD) симуляции. Этот сложный вычислительный метод, требующий высокой производительности суперкомпьютеров LLNL, показал, что при дефлаграции формируются протяжённые неупорядоченные кластеры, содержащие азот, углерод, водород и кислород. Такой механизм объясняет отсутствие газообразных продуктов, кроме азота, в эксперименте: элементы объединяются в твёрдые или жидкие фрагменты, не переходя в газовую фазу на ранней стадии реакции.
Согласно результатам моделирования, именно задержка образования газообразных продуктов (особенно азота и кислорода) приводит к снижению давления в зоне дефлаграции. Это подавляет вероятность перехода медленного горения в детонацию, поскольку для детонации критически важно быстрое высвобождение большого объёма газа и, соответственно, резкий рост давления.
Экспериментальные и вычислительные данные оказались согласованы: оба подхода зафиксировали уменьшение давления и наличие только молекулярного азота среди газов. Моделирование подтвердило, что задержка газообразования связана с образованием устойчивых кластеров, что объясняет прозрачность продуктов и их необычные свойства при высоком давлении.
Эти выводы открывают новые направления для дальнейших исследований. Учёные планируют проверить универсальность обнаруженного механизма на других энергетических материалах и интегрировать полученные данные в макроскопические модели, которые помогут проектировать более безопасные и эффективные взрывчатые вещества.
Понимание дефлаграции, её продуктов и механизмов задержки газообразования — ключ к контролю над переходом к детонации и к созданию новых стандартов безопасности для химических взрывчатых веществ.
Изображение носит иллюстративный характер
В эксперименте использовалась лазерная инициировка в алмазной наковальне — это усовершенствованный метод, впервые применённый в LLNL ещё в 1990-х годах. Такой подход позволил исследовать дефлаграцию при давлениях, сопоставимых с давлениями детонации LLM-105. Учёные фиксировали продукты реакции на высоких давлениях, чтобы понять, какие вещества образуются и как их состав влияет на последующий взрывной переход.
Главный результат: при высоком давлении продукты дефлаграции оказались прозрачными, и в ходе эксперимента надёжно обнаруживался только молекулярный азот (N₂). Ожидалось присутствие и других элементов — углерода, водорода, кислорода, — однако экспериментальные методы их не выявили. Возник вопрос: куда исчезли остальные элементы, входившие в исходную формулу взрывчатого вещества?
Для получения более подробной картины исследователи провели крупномасштабные квантово-молекулярные динамические (QMD) симуляции. Этот сложный вычислительный метод, требующий высокой производительности суперкомпьютеров LLNL, показал, что при дефлаграции формируются протяжённые неупорядоченные кластеры, содержащие азот, углерод, водород и кислород. Такой механизм объясняет отсутствие газообразных продуктов, кроме азота, в эксперименте: элементы объединяются в твёрдые или жидкие фрагменты, не переходя в газовую фазу на ранней стадии реакции.
Согласно результатам моделирования, именно задержка образования газообразных продуктов (особенно азота и кислорода) приводит к снижению давления в зоне дефлаграции. Это подавляет вероятность перехода медленного горения в детонацию, поскольку для детонации критически важно быстрое высвобождение большого объёма газа и, соответственно, резкий рост давления.
Экспериментальные и вычислительные данные оказались согласованы: оба подхода зафиксировали уменьшение давления и наличие только молекулярного азота среди газов. Моделирование подтвердило, что задержка газообразования связана с образованием устойчивых кластеров, что объясняет прозрачность продуктов и их необычные свойства при высоком давлении.
Эти выводы открывают новые направления для дальнейших исследований. Учёные планируют проверить универсальность обнаруженного механизма на других энергетических материалах и интегрировать полученные данные в макроскопические модели, которые помогут проектировать более безопасные и эффективные взрывчатые вещества.
Понимание дефлаграции, её продуктов и механизмов задержки газообразования — ключ к контролю над переходом к детонации и к созданию новых стандартов безопасности для химических взрывчатых веществ.
