Detonationsbølge

Synlig detonationsbølge (markeret på billedet) under en eksplosion

En detonationsbølge er chokbølgen, der spredes i alle retninger på grund af en eksplosion, hvis den oprindelige ekspansionshastighed er større end lydhastigheden i det omgivende medium.

Forudsætningen for hurtig ekspansion er en øget lydhastighed for det eksploderende materiale, typisk i forbindelse med høje temperaturer . En dampkedeleksplosion fører til en detonationsbølge, hvorimod sprængningen af ​​en tryklufttank kun fører til et brag.

Generel

'Stille' lydbølger adlyder den lineære bølgeligning . Sådanne lydbølger kan trænge ind i hinanden uden interaktion. Kriterierne for 'stille' (uanset trommehinden) er, at både lydtrykket og det dynamiske tryk på grund af lydens hastighed er små sammenlignet med det statiske tryk . Umiddelbart forståelige grunde: Det samlede tryk må ikke blive negativt og med trykket også stiger og falder temperaturen og dermed lydens hastighed. Illustrativ konsekvens: et kortbølgetog, der kører på en langbølgetop, kører hurtigere end dette, indtil det når frontflanken. En endnu kortere overlejrer de to osv., Så stejlheden på alle frontflankerne tilføjes.

Friedlander-bølgeformen som en prototype af en detonationsbølge.
Hvad der vises er forskellen mellem trykket og det statiske tryk, som er 100 kPa (1 bar).

I 1946 foreslog Friedlander den modsatte bølgeform. For tryk, der ikke er for høje, passer det godt til eksperimentelt bestemte trykkurver. Følgende formel specificerer denne bølgeform som en trykkurve over tid på et fast punkt i rummet:

${\ displaystyle P (t) = P_ {0} + P_ {s} e ^ {- {\ frac {t} {t ^ {*}}}} \ left (1 - {\ frac {t} {t ^ {*}}} \ ret) \}$for t > 0, ellers${\ displaystyle P (t) = P_ {0} \.}$

Beskrivelse: Fra det uforstyrrede, statiske tryk springer trykket øjeblikkeligt op og svinger derefter op med en undershoot (ned ) . ${\ displaystyle P_ {0}}$${\ displaystyle P_ {0} + P_ {s}}$${\ displaystyle t = t ^ {*}}$${\ displaystyle P_ {0}}$

Wilson sky i området med undertryk i detonationsbølgen på 500 tons TNT på den hawaiiske ø Kaho'olawe .

I området kan temperaturen falde under dugpunktet, og en Wilson-sky kan dannes, hvis luftfugtigheden er tilstrækkelig, og afstanden fra en muligvis nuklear ildkugle er stor nok. ${\ displaystyle P <P_ {0}}$

For højere tryk stiger temperaturen så højt, at luften dissocieres i atomer og ioniseres. For det første ændrer dette tilstandsligningen ; for det andet er der meget termisk stråling, der ud over ledningen af ​​varme via den stejle slagfront bidrager til spredningen af energien i bølgen. Ved nukleare eksplosioner er den termiske stråling i UV- og røntgenområdet, dvs. den absorberes af luft, hvilket komplicerer beregningen af ​​detonationsbølgen.

Med udbredelsen fordeles energien imidlertid over en stadig større overflade af stødfronten, indtil bølgen ændres til en normal lydbølge, der kun udbreder sig ved lydens hastighed.

Fig. 2: Ikke-lineær refleksion af trykbølgen ved en atomeksplosion

Et langt mere komplekst problem er trykbølgens opførsel under refleksion . En eksplosion nær en flad, hård overflade (fx jorden i en lufteksplosion, fig. 2) fører til en forstærkning af trykbølgen, som bliver maksimal for forskellige afstande (detonationshøjder) fra den reflekterende overflade ved forskellige trykværdier. Forholdet mellem den reflekterede trykbølge og den indfaldende trykbølge kaldes refleksionsfaktoren . Den typiske ikke-lineære opførsel chokbølger under reflektioner blev grundigt undersøgt af USA og Sovjetunionen i overjordiske atomvåben tests i 1950'erne .

En beregningsmodel for atmosfæriske detonationsbølger

Afstandsafhængigt fald i overtryk (rødt) og dynamisk tryk (gul) af en nuklear eksplosion. I det stejlere område er gassen meget ioniseret. Overgangen af ​​stødbølgen til en normal lydbølge er uden for diagrammet.

Det tidligere amerikanske forsvarsnukleare agentur (DNA) udviklede en model til beregningsestimering af eksplosionstryksbølger omkring 1984, som giver afhængigheden af ​​overtryktoppen som en funktion af afstanden såvel som detonationshøjden og den eksplosive energi. Selvom modellen oprindeligt blev udviklet til nukleare eksplosioner , kan den også anvendes på næsten alle andre eksplosionstyper ved hjælp af skaleringsregler, forudsat at eksplosionen stammer fra en punktkilde, og inhomogeniteter i det omgivende medium eller den reflekterende overflade er ubetydelige. Modellen, der er tilgængelig i form af et DOS- program BLAST , er ikke underlagt fortrolighed. Det er i det væsentlige baseret på ligningen Rankine-Hugoniot og empiriske Ausgleichungsrechnungen på basis af nukleare testdata om.

Effekter

Den Tsar bomben forårsagede den største kunstige chok bølge.

Se også

• Mach bølge

litteratur

• GF Kinney, KJ Graham: Eksplosive stød i luften. Springer, Berlin / New York 1985, ISBN 3-540-15147-8 .
• Arnold Berliner, Karl Scheel (red.): Fysisk håndbog. Anden udgave, udgivet af Julius Springer, Berlin 1932.
• Wilhelm Jost: Eksplosions- og forbrændingsprocesser i gasser. Udgivet af Julius Springer, Berlin 1939.

Weblinks

• BLAST-program og andre
• Detonationsbølger i smalle sprækker (adgang til 13. februar 2020)
• Varmetransformationsprocesser uden fasetransformation (adgang til 14. februar 2020)
• Effektiv numerisk simulering af overgangen til deflagration-detonation (adgang den 14. februar 2020)
• Om detonationsfysik af faste og flydende sprængstoffer (adgang til den 14. februar 2020)

Individuelle beviser

1. ^ JM Dewey: Formen på eksplosionsbølgen: undersøgelser af Friedlander-ligningen. Præsenteret ved det 21. internationale symposium om militære aspekter af eksplosion og chok, Israel 2010 ( online ).
2. ↑ PDF på www.nrc.gov .