Sóng xung kích và vụ nổ

4

KVANT 2008/№1

ĐẾN

KỶ NIỆM 100 NĂM

I.K.KIKOINA

Sóng xung kích và vụ nổ

L. BELOPUKHOV

BÀI VIẾT “NỔ” NÓI RẰNG bất kỳ vụ nổ nào cũng nhất thiết phải đi kèm với sự hình thành sóng xung kích trong không gian và sóng xung kích là thành phần không thể thiếu của quá trình nổ nổ trong môi trường khí nổ (hoặc không khí bụi) và trong chất nổ ngưng tụ.

Một chút về động lực học khí

Sóng xung kích là một hiện tượng tự nhiên rất thú vị. Sự tồn tại của chúng đã được nhiều nhà khoa học dự đoán, đặc biệt là nhà toán học nổi tiếng Riemann. Tên tuổi của ông chủ yếu gắn liền với sự phát triển ý tưởng của người thầy Gauss trong lĩnh vực hình học. Năm 1854, Riemann, 28 tuổi, đưa ra ý tưởng chung về không gian toán học, sau đó phát triển chi tiết một trong những hình học phi Euclide đã mang tên ông. Nhưng Riemann đã có những đóng góp cho nhiều lĩnh vực toán học. Vì vậy, trong công trình nghiên cứu về lý thuyết phương trình vi phân, ông đã phát hiện ra (trên giấy tờ) khả năng xảy ra sóng xung kích. Chính trong dịp này mà người ta đã nảy sinh câu nói nổi tiếng: “một hiện tượng nảy sinh trên đầu ngòi bút của một nhà lý thuyết”. Các phương trình vi phân mà Riemann nghiên cứu đại diện cho bộ máy toán học của một ngành khoa học gọi là động lực học chất khí. Nó nghiên cứu, như tên gọi, sự chuyển động của các khối không khí, đặc biệt là các cơn bão và lốc xoáy, dòng khí qua đường ống, chuyển động của khí trong tuabin và vòi phun động cơ tên lửa, v.v. Phương trình động lực khí cơ bản là định luật Newton áp dụng cho một phần tử của môi trường khí (trong trường hợp này nó được gọi là phương trình Euler). Nhưng vì một nguyên tố khí thay đổi mật độ và thường là nhiệt độ của nó khi chuyển động, nên cần phải sử dụng các phương trình năng lượng (nhiệt động lực) bên cạnh các phương trình công suất. Một trong những hệ quả đơn giản của hệ phương trình động lực học khí lời giải là phương trình sóng, trong đó tốc độ sóng đối với khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Đây là các sóng âm, tức là các dao động dọc của nguyên tố khí. Tốc độ truyền âm là v =

$\gamma RT, Μ$

Tiếp tục. Phần mở đầu – bài viết “Vụ nổ” – xem «Kvant» số 6 năm 2007.

Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối, M là khối lượng mol, R là hằng số khí phổ quát, $\gamma$ là chỉ số đoạn nhiệt, bằng tỷ số giữa công suất nhiệt ở áp suất không đổi và nhiệt độ không đổi. Đối với không khí ở nhiệt độ nhỏ hơn 1000 K, chỉ số đoạn nhiệt là 1,4. Tốc độ truyền âm là v = 20 T (ms), cho tốc độ 342 m/s ở điều kiện tiêu chuẩn. Nếu chúng ta tính đến bản chất không lý tưởng của chất khí, khả năng nhiệt độ cao mà tại đó số mũ đoạn nhiệt không đổi và được biểu thị bằng hàm phức tạp của các tham số trạng thái, thì hệ phương trình nhiệt động khí trở nên khá phức tạp. Vì động lực học khí không quan tâm đến từng nguyên tử hoặc phân tử riêng lẻ mà xét đến nguyên tố khí, mà theo lý thuyết có thể là một đại lượng vô cùng nhỏ, nên trong các phương trình vi phân của động lực học khí và trong nghiệm của chúng, tất cả các tham số trạng thái đều là hàm liên tục của tọa độ và thời gian. Nhưng vào những năm 1860, Riemann đã chỉ ra rằng có một hệ phương trình lời giải đặc biệt của khí-nhiệt động lực học. Không phải lời giải chung, các phương pháp để thu được mà ông đã phát triển, cũng không phải lời giải cụ thể, xuất phát từ lời giải tổng quát bằng cách sử dụng các điều kiện ban đầu và biên, mà là lời giải đặc biệt, không thể thu được bằng các phương pháp toán học tiêu chuẩn. lời giải đặc biệt này thể hiện sự gián đoạn trong các chức năng của áp suất, mật độ và vận tốc của môi trường, tức là một bước nhảy tức thời, không có chiều rộng trong các tham số. Bước nhảy này được gọi là sóng xung kích. Từ “sóng” không truyền tải chính xác bản chất của hiện tượng, vì theo cách hiểu thông thường, sóng được đặc trưng bởi tính tuần hoàn, tần số và bước nhảy là một sự thay đổi mạnh mẽ một lần. Sẽ đúng hơn nếu gọi hiện tượng này là xung sốc.

Sự xuất hiện của một làn sóng xung kích

Dễ hình dung nhất sự hình thành của sóng xung kích bằng cách sử dụng ví dụ về chuyển động phẳng của chất khí trong một đường ống có pít-tông gia tốc đang chuyển động. Khi piston bắt đầu chuyển động, bắt đầu chuyển động và nén lớp khí liền kề, tin tức về sự kiện này (sự gia tăng áp suất và mật độ) lan truyền trong chất khí với tốc độ âm thanh. Một “mảnh” sóng nén (sóng một phần tư) xuất hiện trong chất khí với

8

KVANT 2008/№1

Vì vậy, để phá hủy một kết cấu lớn, đôi khi một điện tích nhỏ đặt trực tiếp bên trong (hoặc bên cạnh) kết cấu đỡ là đủ. Và mọi người thiệt mạng do vỏ của thiết bị nổ (lựu đạn limon) hoặc bởi các vật kim loại nhỏ được đặt đặc biệt trong thiết bị. Trong các vụ nổ hạt nhân, các yếu tố gây hại như nhiệt (bức xạ từ quả cầu lửa) và bức xạ được thêm vào tác động của sóng xung kích. Sóng xung kích không chỉ xảy ra trong không khí. Ở áp suất rất cao, khả năng duy trì hình dạng của chất rắn bị mất và chất đó “chảy” như chất khí. Tuy nhiên, tất nhiên, mối quan hệ khác giữa áp suất và mật độ dẫn đến một phương trình nén va đập khác với phương trình đoạn nhiệt Hugoniot đối với chất khí. Áp suất cao nhất mà một vụ nổ hóa học khi tiếp xúc với chất rắn có thể tạo ra là khoảng 3 H $10^{8}$ Pa (hoặc 300.000 atm). Nếu bạn bao quanh một quả bóng rắn bằng chất nổ, khi nó phát nổ, một sóng xung kích hội tụ hình cầu sẽ xuất hiện trong vật rắn, phản xạ “từ chính nó” sẽ tạo ra áp suất kỷ lục trong chất - lên tới $10^{12}$ Pa (hoặc 10 triệu atm). Tuy nhiên, đồng thời, nhiệt độ cũng tăng lên, làm phức tạp việc nghiên cứu khoa học về vật chất ở thông số cực cao như vậy. Việc nén chất rắn bằng sóng hội tụ được sử dụng trong thiết kế bom hạt nhân, loại bom này có thể (và thực sự) được sử dụng cho mục đích hòa bình chứ không nhằm mục đích phá hủy văn hóa.

Vụ nổ và sự xuất hiện của nó

Phát nổ là một hiện tượng sóng đặc biệt (chính xác hơn là xung) khi một phản ứng hóa học lan truyền qua một chất với tốc độ siêu âm. Ví dụ, tốc độ của sóng phát nổ trong TNT là 7 km/s và trong RDX khét tiếng không kém ở thời đại chúng ta - khoảng 9 km/s. Có loại thuốc nổ có tốc độ nổ 13 km/s. Và tốc độ âm thanh trong các chất thuộc loại này (chính xác hơn là tốc độ truyền của dao động đàn hồi theo chiều dọc) là khoảng 3 km/s. Làm thế nào để giải thích tốc độ lan truyền phản ứng hóa học cao như vậy? Sự cháy nhanh xảy ra trong hỗn hợp khí. Trong trường hợp này, sự truyền nhiệt độ từ hỗn hợp dễ cháy sang hỗn hợp chưa cháy xảy ra do tính dẫn nhiệt và do sự khuếch tán của các trung tâm phản ứng hoạt động - các gốc tự do. Tốc độ truyền của các hạt và nhiệt độ thấp hơn nhiều so với tốc độ âm thanh nên tốc độ cháy trong chất khí khoảng 20 m/s, tốc độ cháy trong hỗn hợp rắn (bột) khoảng 100 m/s. Tốc độ phát nổ cao được giải thích bởi các lý do khác. Sự phát nổ không chỉ là một hiện tượng hóa học mà ở mức độ lớn hơn còn là một hiện tượng khí động lực. Nó được giải thích là do sự lan truyền của sóng xung kích. Trong sóng xung kích, khi áp suất và nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng hóa học tăng mạnh. Năng lượng được giải phóng trong trường hợp này (tốc độ di chuyển mỗi giờ)

Tits) đóng vai trò của một pít-tông, nén chất chưa phản ứng bằng phương pháp va chạm (chứ không phải phương pháp đoạn nhiệt thông thường). Như vậy, sóng nổ tự hỗ trợ. Các quá trình phát nổ trong môi trường ngưng tụ rất thú vị. Đối với nhiều chất nổ, nó chỉ bắt đầu dưới những tác động nhất định và đủ mạnh. Các khối TNT (gạch trông giống như xà phòng) có thể bốc cháy và chúng sẽ cháy, bốc khói như củi kém (phe du kích thường dùng chúng để nhóm lửa khi thời tiết ẩm ướt). Để TNT phát nổ, cần phải áp dụng hiệu ứng sốc - đầu tiên tạo ra một vụ nổ trong hộp ngòi nổ. Sóng xung kích của kẻ “khiêu khích” này sẽ lần lượt khiến khối TNT phát nổ. Và ngòi nổ chứa một loại chất nổ khác nhạy hơn nhiều, có thể phát nổ với một tác động nhỏ (thủy ngân tối đa). Ngày nay, ngòi nổ điện thường được sử dụng nhiều hơn, có chứa một chất đặc biệt - chì azide, dễ phát nổ do nhiệt (từ dây có dòng điện chạy qua). Nhiều quá trình phát nổ vẫn còn bí ẩn và đang chờ đợi các nhà nghiên cứu.

Cứu tinh nổ

Sóng xung kích và quá trình phát nổ cũng đóng vai trò quan trọng trong các vụ nổ hạt nhân. Những hiện tượng nổ này sẽ là chủ đề của bài viết tiếp theo trong loạt bài “nổ”. Tôi chắc chắn rằng một ngày nào đó sẽ đến lúc toàn cầu hóa ở hầu hết các quốc gia trên trái đất và nguy cơ chiến tranh hạt nhân sẽ biến mất vĩnh viễn, và các vụ nổ hạt nhân sẽ lại được sử dụng thành công cho nhiều mục đích hòa bình. Có lẽ chính vụ nổ hạt nhân sẽ cứu nhân loại khỏi thảm họa toàn cầu - sự va chạm của hành tinh chúng ta với một tiểu hành tinh hoặc sao chổi. Các chuyên gia từ Trung tâm bay không gian Marshall, một phần của NASA, đã phát triển một mô hình thiết bị được thiết kế cho mục đích này. Tàu đánh chặn sẽ có tới sáu đầu đạn hạt nhân, lần lượt phát nổ trên bề mặt tiểu hành tinh, sẽ tạo ra các xung lực chuyển nó sang một quỹ đạo khác an toàn cho Trái đất. Một trong những mục tiêu đầu tiên của tàu đánh chặn có thể là tiểu hành tinh Apophis, theo tính toán sơ bộ, sẽ bay ngang qua Trái đất vào năm 2029 ở khoảng cách khoảng 37.000 km, gần tương ứng với độ cao của quỹ đạo địa tĩnh. Trong lần “chuyến thăm” tiếp theo, anh ta sẽ có thể rơi xuống Trái đất dưới tác động của trọng lực. Đường kính của tiểu hành tinh này khoảng 400 km, khối lượng khoảng 2 H $10^{20}$ kg. Nó lớn hơn toàn bộ lục địa Úc. Quy mô của thảm họa thậm chí không thể tưởng tượng được - khó có khả năng sự sống trên Trái đất có thể tồn tại sau này. Vì vậy, một chiến binh nổ, người cũng có thể là một người làm nổ, cũng có thể trở thành một vị cứu tinh của vụ nổ.

(Còn tiếp)