Последствия детонации: 7 самых неприятных последствий детонации — журнал За рулем

Содержание

7 самых неприятных последствий детонации — журнал За рулем

После относительно плавной зимней езды в моторах скопилось немало нагара.

Материалы по теме

Звонкий стук в двигателе во время разгонов по освободившемуся от снега и наледи асфальту может быть признаком детонации, когда смесь в камерах сгорания воспламеняется слишком быстро: со скоростью не 20–30 м/с, а более 2000 (!) м/с.

Происходить это может из-за скопившегося за время осторожной зимней езды нагара. Бывают, конечно, и другие причины, такие как, например, бензин со слишком низким октановым числом или неправильно подобранные свечи.

Детонация может проявляться на очень малых оборотах, при перегретом моторе и при больших нагрузках на двигатель, если вы тянете в горку на неподходящей для этого высокой передаче.

К чему в итоге приводит детонация:

  • выход из строя поршней, которые не имеют теплоотвода;
  • плавление перегородок между поршневыми кольцами;
  • подгорание и растрескивание тарелок клапанов;
  • прогорание прокладки головки блока цилиндров;
  • выход из строя свечей зажигания;
  • ухудшение смазки мотора из-за вибраций;
  • разрушению поршневых пальцев и шатунных вкладышей.

Современные моторы оснащаются датчиками детонации, которые помогают блоку управления двигателем быстро устранять детонацию, корректируя зажигание и меняя состав поступающей в камеры сгорания смеси. Но датчик может оказаться бессильным, если водитель, заправляя по обыкновению 92-й бензин вместо рекомендованного 95-го, вдруг нарвется на некачественное топливо с октановым числом 89 или ниже.

О том, как избежать детонации и какие еще сюрпризы она может преподнести, читайте в апрельском номере журнала «За рулем» — скоро в продаже.

Текст подготовлен по материалам статьи Михаила Колодочкина и Алексея Ревина «Интонация детонации».

4 причины и 5 последствий детонации — журнал За рулем

Пришла весна — самое время прохватить на хорошей скорости. И услышать звонкие постукивания в бензиновом двигателе, поднакопившем за зиму нагара… Так вот ты какая, детонация!

КАК ЗВУЧИТ ДЕТОНАЦИЯ?

Звук детонации напоминает частые звонкие удары по блоку цилиндров, примерно как если бы по нему стучали гаечным ключом среднего размера. Частота пропорциональна оборотам коленвала. Чаще всего детонация происходит в одном, самом нагретом цилиндре. На шоферском жаргоне прошлых лет детонацию называли звоном или стуком пальцев — но никакого отношения к поршневым пальцам природа возникновения звука не имеет.

Материалы по теме

Чем опасна?

Двигатель, работающий с сильной детонацией и большой нагрузкой, выходит из строя за считаные минуты. Повреждение вызывают как механические напряжения, так и сильный перегрев деталей.

Материалы по теме

  • Чаще всего страдает поршень — деталь, не имеющая непосредственного теплоотвода и изготовленная из сплава со сравнительно низкой температурой плавления.
  • Разрушаются перегородки между поршневыми кольцами.
  • Возможно подгорание и растрескивание тарелок клапанов, иногда наблюдается прогорание прокладки головки блока цилиндров.
  • Порой страдают свечи зажигания.
  • Детонация вызывает вибрацию двигателя, что ухудшает смазку трущихся поверхностей и даже может приводить к разрушению поршневых пальцев и шатунных вкладышей.

Как должно быть?

Рабочая смесь воспламеняется от свечи зажигания, после чего фронт пламени распространяется в камере сгорания со средней скоростью 20–30 м/с. Это сопоставимо со средней скоростью поршня на номинальных оборотах, составляющей обычно около 15 м/с. ­Поэтому горение распространяется от свечи не в виде идеальной полусферы. Большое влияние оказывают завихрения топливовоздушной смеси в цилиндре, которые при конструировании стараются сделать максимально мощными.

А как бывает?

Иногда спокойное, относительно медленное горение смеси превращается в быстрое и взрывообразное — детонацию. Резко увеличивается давление и растет плотность смеси — так возникает ударная волна. Отсюда и самое короткое определение детонации: это процесс сгорания, идущий во фронте ударной волны.

Материалы по теме

Толщина фронта соответствует всего нескольким длинам свободного пробега молекул. Резкое выделение энергии приводит к возбуждению рядом расположенных молекул, а потому распространение процесса идет очень быстро — со скоростью более 2000 м/с. Мгновенное повышение температуры газа в ударной волне вызывает взрывную реакцию, энергия которой поддерживает распространение волны. Когда эта волна — или волны, если мест самовоспламенения несколько — достигает поверхностей камеры сгорания, появляется характерный металлический стук.

При нормальной работе мотора фронт сгорания повышает давление в цилиндре — собственно, он на это и рассчитан. Он сжимает оставшуюся смесь до 50–60 бар, температура при этом составляет примерно 300˚ С. Если эти параметры превышены, то может возникнуть очаг детонации. Однако эти же параметры должны быть возможно бóльшими для повышения эффективности работы двигателя. Поэтому оптимально настроенным двигателем считается такой, в котором сгорание завершается на грани детонации.

Основные причины детонации

Материалы по теме

  • Применение топлива, октановое число которого ниже рекомендованного производителем автомобиля. Тут возможны два варианта: либо владелец от жадности заливает, например, АИ‑92 вместо АИ‑95, либо его обжулили на АЗС.
  • Мотор неверно отрегулирован. Чаще такое встречалось на карбюраторных машинах, в которых легко было сбить угол опережения зажигания, разрегулировать состав топливной смеси и т. п. Наиболее склонна к детонации обедненная топливная смесь (при коэффициенте избытка ­воздуха α = 1,1 вместо единицы).
  • Степень сжатия повышена вследствие неумелого ремонта — фрезерования блока цилиндров или головки, установки тонкой прокладки.
  • Изношенность двигателя. Детонацию может спровоцировать моторное масло, попавшее в камеру сгорания, или нагар, накопившийся после зимы.

Детонационные разрушения поршня.

Детонационные разрушения поршня.

Когда бывает детонация

  • На очень малых оборотах — например, при парковке в жару хорошо прогретого автомобиля с ручной коробкой.
  • Когда мотору очень жарко
    : вы долго протолкались в пробке, после чего наконец-то дали интенсивный разгон.
  • При большой нагрузке на двигатель, например, при подъеме в гору на высокой передаче.

Заметьте, что любая автоматическая коробка передач облегчает жизнь мотора, не допуская его работы на низких оборотах, когда в процессе горения смеси хватает времени, чтобы образовался очаг самовоспламенения.

Что делать?

Сгладить остроту проблемы позволило повсеместное применение датчиков детонации. Они реагируют на высокочастотные колебания блока цилиндров, возникающие при детонационном сгорании. Пьезокерамический чувствительный элемент создает сигнал переменного напряжения. Когда его амплитуда и частота показывают, что пошла вибрация стенки блока цилиндров, блок управления корректирует угол опережения зажигания в сторону более позднего, а также параметры подачи топлива. Обычно датчик детонации устанавливают на наружной стенке блока цилиндров в середине, а если двигатель V‑образный, то на каждом ряду цилиндров.

Калильное зажигание и дизелинг

Материалы по теме

Иногда за детонацию ошибочно принимают другие явления. При «калильном зажигании» воспламенение происходит не от искры свечи зажигания, а от перегретой зоны в камере сгорания. Виноватыми могут быть неверно подобранные свечи или частицы нагара. Недаром же главной характеристикой свечи является калильное число, то есть способность отводить тепло от электродов и изолятора.

Другое явление — «дизелинг», то есть работа мотора после выключения зажигания, происходит от сжатия рабочей смеси в сильно разогретом моторе. Калильное зажигание носит устойчивый характер, «дизелинг» — кратковременный. Бороться со вторым намного проще: достаточно «отрубить» подачу топлива после выключения зажигания, как и сделано на всех современных моторах.

ДЕТОНАЦИЯ И… МУЗЫКА!

В магнитофонную эпоху все любители музыки знали — нет дефекта противнее детонации! Так называли искажение звука в результате модуляции посторонним сигналом в диапазоне частот от 0,2 до 200 Гц. Вследствие неоднородного движения магнитной ленты звук как бы плавал — в литературе термину детонация эквивалентен составной термин wow and flutter (где wow — «медленная» детонация, или «плавание» звука, а flutter — «быстрая»). А еще детонацией называли фальшивое пение (от фр. detonner — «петь фальшиво»), при котором звук то и дело отклонялся от нужной высоты.

Как избежать детонации?

Материалы по теме

Главное правило — никогда не заправляться бензином с пониженным октановым числом. Инженеры проектируют двигатели с определенным запасом, учитывая то, что реальное октановое число может оказаться чуть ниже заявленного. Поэтому кратковременная езда на 92‑м вместо 95‑го, как правило, вреда не приносит. Но если заливать 92‑й постоянно, то вместо него однажды можно нарваться на условный «89‑й», и это уже будет смертельно.

Ну а если двигатель детонирует даже на заведомо нормальном бензине, не откладывайте визит на сервис.

  • На каких современных авто можно проехать 500 000+ км? Все семь моделей — тут.
  • Некачественный бензин, бесконечные путешествия по пробкам, постоянные перегревы мотора приводят к быстрому износу свечей зажигания. Проверяйте их чаще и меняйте по мере необходимости.
  • Всегда в продаже специальная и техническая литература, выпущенная издательством «За рулем».

Детонация в цилиндрах: причины, последствия, как бороться


Многие автомобилисты не понаслышке знают о достаточно неприятной неполадке, которая может привести к серьезным поломкам – это детонация двигателя. Данная проблема возникает как на холостом ходу, так и при других режимах работы – она может привести к разрушению элементов мотора, поэтому требует срочного устранения. Сегодня мы расскажем, какие причины могут вызвать детонацию в цилиндрах, каковы ее последствия, а также как с ней можно бороться – обо всем по порядку.


Причины появления детонации внутри цилиндров

Само по себе явление основано на раннем воспламенении топливовоздушной смеси, когда оно опережает появление искры от свечей – этот процесс сопровождается ударным горением топлива, что и является детонацией.

Детонация сродни мелким взрывам внутри двигателя – ничего хорошего в них нет!

Столкнуться с данной неполадкой можно на любом двигателе вне зависимости от его типа или возраста автомобиля, однако более новые модели оснащают датчиком детонации – он позволяет компьютеру на борту регулировать работу двигателя, чтобы избежать подобного явления в дальнейшем. Наиболее распространенные причины возникновения детонации в цилиндрах следующие:

  1. низкокачественное горючее, либо топливо с неверно подобранным октановым числом,
  2. неправильно выставленное упреждение зажигания,
  3. слишком бедная топливная смесь,
  4. стенки цилиндра покрыты углеродистыми отложениями,
  5. некачественные свечи зажигания,
  6. неисправности в системе охлаждения, ведущие к перегреву мотора.

Перед тем как рассмотреть способы борьбы с детонацией, стоит подробнее остановиться на разборе каждой из причин, перечисленных выше.


Неподходящее топливо

При попадании в двигатель горючего, октановое число которого ниже рекомендованного, шанс столкнуться с детонацией внутри цилиндров возрастает до ста процентов. Все дело в том, что автопроизводители рассчитывают степени сжатия лишь для конкретного вида топлива. Исправить ситуацию с некачественным горючим можно при помощи специального Октан-корректора от LAVR.


Неверные настройки зажигания

Некоторые автолюбители в погоне за крутящим моментом меняют заводские настройки системы зажигания, выставляя слишком большой угол опережения – искра от свечи проскакивает раньше, чем поршень доходит до верхней мертвой точки. Таким образом, воспламенение случается раньше, чем топливо успеет перемешаться с воздухом.


Свечи зажигания

Свечи могут быть неисправными, либо вовсе не подходить по параметрам – тогда искра появляется не так, как задумывалось производителем при конструировании двигателя.


Бедная топливная смесь

Как говорится, лучше всего придерживаться золотой середины – слишком бедная смесь не воспламеняется от искры, а слишком обогащенная будет воспламеняться раньше положенного срока.


Нагар внутри цилиндров

Одна из очень частых причин появления детонации связана с образованием отложений внутри камеры сгорания. Раскаленный нагар воспламеняет топливную смесь раньше времени, так как он увеличивает степень сжатия. В таком случае идеальным средством для очистки двигателя будет раскоксовка и промывка от LAVR – лучше всего подойдет готовый набор из раскоксовки ML202 и 5-минутной промывки. Препараты эффективно и безопасно очищают элементы камеры сгорания, выравнивают компрессию в цилиндрах, а также исключают риск детонации.


Проблемы с системой охлаждения

При разгоне мотор перегревается, камера сгорания раскаляется, а пары бензина начинают непроизвольно воспламеняться – это приводит к появлению детонации.


Детонация внутри цилиндров – последствия

После того, как мы разобрались с причинами возникновения данной неполадки, стоит рассмотреть и ее последствия. Ни для кого не секрет, что детонация сродни мелким взрывам внутри двигателя – ничего хорошего в них нет, так как обычно это сопровождается температурой до 3500 градусов совместно с превышающим в несколько раз норму давлением. Таким образом, ни один двигатель не сможет выдерживать это явление на постоянной основе – особенно сильно страдают легкие агрегаты из сплавов алюминия. Главные последствия детонации можно выделить коротким списком:

  1. перегрев элементов двигателя,
  2. пробой прокладки ГБЦ, а точнее ее прогар,
  3. уменьшение мощности мотора,
  4. разрушение перегородки между поршневыми кольцами.

Если «повезет», можно получить провернутый кривошипно-шатунный механизм – тогда коленвал будет двигаться в обратном направлении, что полностью разрушает некоторые узлы двигателя.


Как бороться с детонацией

Когда мы описывали причины данной неисправности выше, мы порекомендовали пару средств, если проблема связана с неправильным октановым числом топлива, либо с нагаром внутри цилиндров. Теперь мы дадим чуть более расширенные рекомендации.

  1. Качество топлива. Выбирайте только проверенные заправочные станции, горючее на которых соответствует рекомендациям производителя вашего автомобиля. Всегда возите с собой присадки, улучшающие качество топлива, например, Октан-корректор или Усилитель моторного топлива.
  2. Зажигание. Не регулируйте угол зажигания, так как даже мастера в автосервисе ошибаются. Лучше не менять настройки производителя, если нет уверенности, что ничего не случится.
  3. Свечи. Внимательно проверяйте свечи зажигания на соответствие рекомендованным параметрам, при необходимости меняйте их на нужные.
  4. Нагар. Для профилактики образования отложений регулярно нагружайте двигатель, а также пользуйтесь специальными очистителями и промывками от LAVR. При слишком сильных загрязнениях проводите раскоксовку, воспользовавшись пенным средством COMPLEX, либо жидкостью  ML203 NOVATOR.
  5. Перегрев. Проверьте температуру охлаждающей жидкости, если ее недостаточно – долейте. Если антифриз чувствует себя хорошо, осмотрите термостат или вентилятор. Воспользуйтесь промывкой системы охлаждения. Она очистит систему, а также защитит ее от коррозии. Промывка эффективно справляется с перегревами двигателя и рекомендована для профилактического применения. 

Причины и последствия детонации двигателя

Согласитесь, очень неприятно слышать громкие «раздирающие мотор» стуки под капотом при каждом нажатии на педаль акселератора, а также при подъеме в гору на высокой (прямой) передаче.

Резкий металлический стук двигателя следует отличать от сдавленного еле слышного, поскольку, в первом случае, это явление детонации — неспецифически высокой скорости горения бензовоздушной смеси в цилиндрах блока двигателя, а во втором, – халатное отношение к двигателю при движении на малой скорости на неадекватно высокой передаче.

Что это?

Теоретически, оптимальная скорость горения топливовоздушной смеси в цилиндрах блока двигателя должна быть не более 250 м/с (норма около 20). Сгорание бензина со скоростью более 2000 м/с. принято называть детонацией, точнее сказать, – фактически микровзрывом. Происходит неравномерное, несвоевременное, ударное возгорание воздушно-топливной смеси, при более высокой температуре и скорости, сопровождающееся характерным звонким металлическим стуком. Такое возгорание происходит не в области свечи и не от нее, и распространяется на поступающую порцию воздушно-топливной смеси.

Возгорание под высоким давлением происходит в дизельных движках, зажигание же смеси паров бензина и воздуха под давлением не нормально для бензинового мотора.

И если движение на высокой передаче с низкой скоростью — это едва ли не осознанное нанесение вреда двигателю, то детонация может принести весьма печальные последствия для двигателя вплоть до его поломки.

Причины происхождения:

  1. Одна из самых распространенных причин появления детонационных стуков — это использование некачественного или низкооктанового бензина. Все дело в том, что для бензина октановое число является показателем его детонационной стойкости, точнее, его способности сгорать равномерно при любых условиях. Так например, у бензина марки АИ-92 эта стойкость будет ниже, чем у АИ-95 или АИ-98. Современные двигатели имеют сравнительно высокую степень сжатия, которая в этом случае является одним из главных ключевых факторов образования этого негативного явления. Фактически, степень сжатия определяется объемом камеры сгорания. Для двигателей с малой степенью сжатия вполне подойдет низкооктановый бензин. Но, этот же бензин при более высоком сжатии неизбежно потеряет свою детонационную стойкость. Его горение в цилиндрах будет взрывообразным, что может привести к, в полном смысле, разрушительным для мотора последствиям. Поэтому, заправка современного двигателя низкооктановым или низкокачественным топливом может стать для него фатальной.
  2. В другом случае, может возникать как следствие перегрева двигателя. Причины перечислять не будем, их довольно много.
  3. В ряде случаев в возникновении детонации виноваты неисправные свечи, благодаря которым происходят пропуски моментов зажигания, либо дизелинг — самопроизвольное воспламенение топливовоздушной смеси, когда поршень еще движется в направлении верхней мертвой точки. Такие свечи необходимо заменять.
  4. Четвертая и самая распространенная причина данного явления — неисправность системы зажигания. В данном случае, причиной детонации будет слишком раннее зажигание – это когда подается искра прежде, чем поршень подошел к верхней мертвой точке. В этом случае, топливовоздушная смесь, сгорая начинает расширяться, но поршень продолжает совершать поступательное движение вверх. В результате, давление в цилиндре нарастает и возникает детонация. Особенно явно это явление заметно при движении под нагрузкой. Последствия неправильной регулировки зажигания могут вылиться в аналогичные, что и при использовании некачественного низкооктанового топлива.

Последствия.

При таком «неправильном» сгорании топлива температура в цилиндрах резко повышается, что пагубно сказывается на свечах зажигания, клапанах и поршневых кольцах. Резкая температура способствует выгоранию масляной пленки на цилиндрах, что в свою очередь, неизбежно приводит к более интенсивному износу цилиндропоршневой группы вплоть до залегания колец и появления задиров на стенках цилиндров. Выгорание электродов свечей, трещины, зазубрины и оплавления на поршнях, клапанах и цилиндрах, – это далеко не полный список последствий детонационных стуков в двигателе.

Наряду с высокой температурой возникает и ударная нагрузка на все движущиеся части механизмов двигателя. В первую очередь страдает кривошипно-шатунный механизм.

Сильные ударные нагрузки негативно сказываются на состоянии поршня, шатуна, а также коренных и шатунных вкладышей и коленчатого вала. Другими словами, ни один механизм двигателя не приспособлен к детонационным нагрузкам.

Как избежать?

Чтобы избежать последствий данной проблемы, рекомендуется:

  1. Заправлять автомобиль только бензином с октановым числом, отмеченным в руководстве по эксплуатации машины и только на сертифицированных АЗС.
  2. Важно следить за состоянием элементов системы охлаждения, регулярно проверять уровень охлаждающей жидкости, при необходимости заменять ее. Также рекомендуется регулярно осматривать радиатор, при необходимости очищать его, а также следить за работоспособностью охлаждающего вентилятора. Выполнение этих несложных условий поможет избежать внезапного перегрева двигателя и как его следствия, детонации.
  3. Также верным избавлением от этой дисфункции двигателя служит регулировка угла опережения зажигания. После регулировки зажигания желательно сделать пробный заезд, на котором следует разогнать автомобиль до 40-50 км/ч и резко нажать педаль акселератора. Если при этом характерные звуки под капотом несильные и непродолжительные, то зажигание можно считать отрегулированным. Если же нет, процедуру регулировки необходимо повторить.
  4. Ну и, разумеется, свечи и проводка должны быть чистыми и исправными.

Зная, что такое детонация и методы ее устранения, можно обеспечить двигателю своего автомобиля долгую и безаварийную жизнь.

Детонация в цилиндрах газопоршневых двигателей. Причины, последствия и методы предотвращения

Природа  детонации

Понятием детонация мы обобщаем два явления в процессе сгорания топлива:

  • Детонация — спонтанный, неконтролируемый микро-взрыв газа в камере сгорания, после первоначального воспламенения от искры
  • Предварительное зажигание — микро-взрыв газа в камере сгорания перед воспламенением газа от искры свечи зажигания
 
ГК «ТЕХ»

На возникновение детонации влияет большое количество факторов: изменение калорийности газа, температуры надувочного воздуха, изменение температуры элементов ЦПГ и т.д. Но эффект всегда один – повышение давления и температуры в камере сгорания, и чем мощнее детонация, тем более разрушительный эффект она оказывает на двигатель. Детонацию небольшой мощности называют «незаметной», однако, не стоит недооценивать ее влияния — вызывая усталостные разрушения, она в значительной степени увеличивает стоимость ремонта двигателя. Ну а если, находясь рядом с работающим двигателем вы смогли на слух различить детонацию (хлопки выбивающиеся из циклов) – необходимо срочно останавливать установку для предотвращения серьезной аварии. 
 
ГК «ТЕХ»

В результате детонации мы получаем:

Механические повреждения

  • Поломка поршневых колец
  • Поломка электродов свечей зажигания
  • Трещины изолятора свечи зажигания
  • Износ или поломки клапанов
 

Истирание

  • Точечние камеры сгорания в части поршня
  • Разрушение или перенапряжение материала поршня

Перегрев

  • Потертости поршневых юбок (из-за избыточного тепла или высокой температуры охлаждающей жидкости)

Борьба с детонацией

Для борьбы с детонацией компанией Motortech GMBH разработан специальный контроллер – DetCon. 
 

ГК «ТЕХ»

Контроллер, посредством датчиков регистрирует признаки появления детонации и дает команду на блок управления системы зажигания на изменения параметров для предотвращения процесса. DetCon комплектуется высокоточными датчиками детонации (от 2 до 20 шт на двигатель), которые улавливают ее по звуку.

Устанавливать датчики необходимо на корпусе двигателя или ГБЦ, а точность определения детонации зависит от количества установленных датчиков: минимальное – по 1 на каждую сторону блока, рекомендованное производителем – по одному датчику на каждый цилиндр. Данные от датчиков могут быть переданы на поставляемый в комплекте дисплей или на общий контроллер (например, AIO) установки для визуализации. Сигнал на изменение параметров системы зажигания от DetCon может выходить в формате 0-5В или 4-20мА, что дает возможность интегрировать его практически в любую систему управления.

Установка системы антидетонации на газопоршневые двигатели не является обязательным условием, работает двигатель и без нее. Этим фактом активно пользуются сторонники экономии, однако, как показала практика, эксплуатации в 9 из 10 случаев эта экономия становится мнимой, а последствия детонации влекут за собой большие расходы на ремонт двигателя. Detcon – это ремень безопасности, который не влияет на скорость автомобиля, но спасает вам жизнь в аварийной ситуации.

Подписывайтесь на YouTube-канал
 

Детонация двигателя: последствия и пути устранения

Категория: Полезная информация.

Детонация смеси характеризуется ударной волной, повышением температуры в камере, а также повышенным коксованием. Часто в такие моменты можно услышать металлический стук в цилиндрах. В данной статье разбираются причины, последствия и пути устранения детонации двигателя.

 В статье:

Среди множества причин особое внимание уделяется таким, как:

  • низкое цетановое число топлива;
  • неполадки системы зажигания, приводящие к раннему или позднему воспламенению смеси;
  • повышение уровня сжатия мотора из-за обильного нагара или внешнего воздействия на силовую конструкцию;
  • перегрев мотора из-за нарушения работы охлаждающей системы;
  • повышенное обогащение смеси из-за сбоя в процессе смесеобразования;
  • особенности конструкции и эксплуатации двигателя.

Обычно горючее нагнетается за счет давления в цилиндре в момент такта сжатия. Однако при детонации смесь частично воспламеняется уже на непосредственном такте сжатия. После этого моментально создается ударная волна, охватывающая всю камеру сгорания, и образуется участок высокого давления.

Важно: детонация обычно делится на допустимую (кратковременную) и критическую (постоянную). Причем вторая может возникать при повышении нагрузки на двигатель при работе и даже на холостом ходу.

 Возможные последствия 

Детонация в цилиндрах часто происходит при воздействии 4 факторов: раннее зажигание, перегрев мотора, нагар в камере сгорания, а также обильная закоксовка ДВС.

К возможным последствиям детонации двигателя относят:

  • повреждение кривошипно-шатунного механизма и ГБЦ;
  • разрушение масляной защитной пленки;
  • нарушение теплоотдачи раскаленных газов в цилиндрах;
  • износ и уменьшение ресурса за счет постоянных ударных и термических нагрузок.

 Способы устранения 

Для устранения детонации инженерами были придуманы следующие решения, направленные на оптимально быстрое сгорание топлива и замедление окисления:

  • увеличение оборотов двигателя — сократит время окислительного процесса и снизит вероятность непроизвольного воспламенения топливной смеси;
  • турбулизация — смесь приобретает оптимальное вращение, за счет чего пламя в камере распространяется быстрее;
  • уменьшение фронта пламени — обеспечивается за счет цилиндра меньшего диаметра и установки дополнительной свечи;
  • форкамерно-факельное зажигание — детонация устраняется за счет воспламенения сначала обогащенной смеси в предкамере, а после обедненной в основной;
  • использование ЭБУ — позволяет автоматически менять угол опережения и менять состав горючей смеси.

О том, как увеличить ресурс ДВС, можно узнать из этой статьи. 

Запчасти для дизеля найдёте в нашем каталоге

Посмотреть запчасти в наличии

Метки: Эксплуатация дизеля, Ресурс дизельного ДВС

причины, как устранить, последствия, видео

Неконтролируемое воспламенение топливно-воздушной смеси способно привести к разрушению деталей цилиндропоршневой группы. В статье рассмотрим, что такое детонация двигателя, причины, которые ее провоцируют, и последствия.

Горение топливно-воздушной смеси

Невозможно понять, почему происходит детонация, без представления о нормальном воспламенении топливно-воздушной смеси (далее ТПВС):

  • за несколько градусов до ВМТ свеча подает искру, воспламеняя ТПВС;
  • фронт пламени начинает расходиться от электрода, где был первоначальный очаг, к стенкам камеры сгорания;
  • если угол опережения зажигания (далее УОЗ) был подобран верно, то примерно к 10º после ВМТ в камере сгорания образуется максимальное давление горения. В этот момент поршень занимает позицию, при которой воздействие энергии на плечо сформирует максимальную вращательную силу кривошипа.

Несмотря на то что поджигание смеси происходит до ВМТ, следовательно, на поршень действует замедляющая его энергия, положительная сторона гораздо более значительна. Ведь самый важный момент – приложить усилие к поршню в момент, когда рычаг позволит получить максимальный крутящий момент. Именно плавное возгорание смеси позволяет достигнуть такого эффекта.

Определение

Детонация двигателя – самопроизвольное воспламенение ТПВС, характеризующееся высокой скоростью распространения фронта пламени. Как вы можете теперь увидеть, «детон» имеет противоположную нормальному горению природу.

Основная характеристика детонационного воспламенения – скорость распространения волны (в этом случае очень удачно сравнение со взрывной волной). После подачи искры средняя скорость розростания горения 20-30 м/с. Скорость взрывной волны в момент, когда топливо детонирует, достигает 2000 тыс. м/с.

Разумеется, ничем хорошим для двигателя это не кончиться. Ударная волна «сносит» очаг воспламенения, спровоцированный свечей зажигания, ударяясь о стенки камеры сгорания. Взрывная волна создает резонирующее воздействие, которое проявляет себя звонким звуком во время работы двигателя. Именно по этому звуку можно понять, что в одном либо сразу нескольких цилиндрах происходит детонирование.

Природа возникновения

С тем, что такое детонация двигателя, мы разобрались. Но что служит предпосылкой для ее возникновения?

Детонирует в камере сгорание не только топливо, но и масло, которые при неполном сгорании топливно-воздушной смеси остаются в камере сгорания. Вернемся к процессу горения. Во время начала воспламенения топливно-воздушной смеси от искры, пропорционально распространению фронта пламени, происходит повышение давления в камере сгорания. Также неминуемо повышается температура. В этот момент на периферии, то есть в полости камеры сгорания, куда еще не дошла волна горения смеси, начинаются предпламенные реакции. Иными словами, молекулы бензина начинают распадаться под действием температуры и давления. Распавшиеся частицы топлива очень легко поджечь. Поэтому, если в каком-то месте камеры сгорания температура слишком высока, это провоцирует самопроизвольное воспламенение частиц топлива.

Теперь нам ясны причины детонации двигателя. Но почему скорость ударной волны в процессе детонации намного больше той, что мы имеем после подачи искры? В гражданском двигателе давление в надпоршневом пространстве в момент достижения поршнем ВМТ – порядка 12 атм. Распространяющийся от искры фронт пламени, приводит к увеличению давления оставшейся полости. Поэтому давление, к примеру, около верхней стенки цилиндра может достигать 50-60 Атм. Именно поэтому скорость самовоспламеняющихся частиц гораздо больше тех, которые поджигаются искрой.

Причины

Факторы, провоцирующие появление детонации:

  • несоответствие октанового числа топлива;
  • несоответствие степени сжатия. Если вследствие проведения ремонтных работ, была увеличена степень сжатия, то заправка прежней маркой бензина может привести к детонации. Допустить такую оплошность очень легко, если шлифовать ГБЦ либо сам блок, а затем установить прежнюю по толщине прокладку ГБЦ. Если вы не хотите «умертвить» мотор, к вопросу степени сжатия стоит подходить очень серьезно. Учтите, что детонация двигателя может проявляться в жаркую погоду либо в определенном диапазоне оборотов;
  • УОЗ. Слишком ранний угол может привести к «паразитному» давлению в некоторых местах камеры сгорания, что приведет к самопроизвольным взрывам;
  • неправильное соотношение топлива и воздуха. Детонация мотора может возникнуть как в случае обедненной смеси, так и при переобогащении;
  • нагар в камере сгорания. Образование отложений способствует закреплению частиц, которые после такта выпуска не покидают камеру сгорания. Сохраняя высокую температуру, они способствуют появлению в цилиндре детонации. Большое количество нагара приводит к заполнению полезного объема камеры сгорания, что может привести к появлению детонации.

Методы борьбы

Учитывая приведенные выше причины детонации, вам нужно следить за состоянием систем питания и зажигания. А также помнить о правилах выбора бензина.

Важнейшие составляющие топлива: изооктан и гептан. Изооктан, на противовес гептану, чрезвычайно устойчив к детонации. Именно соотношение изооктана к гептану и называют октановым числом бензина. Для большинства водителей выбор топлива стоит между АИ 92 либо АИ 95. Так вот 95 либо 92 и есть тем самым соотношением (к примеру, 92% изооктана и 8% гептана). Заправлять автомобиль нужно лишь той маркой бензина, которая рекомендована заводом-изготовителем. На рынке вы можете найти «Октан-корректор» либо «Октан-Бустер». Предназначение этих средств – повысить детонационную устойчивость топлива.

Среди прочих рекомендаций – периодически крутить двигатель до высоких оборотов. Постоянная езда «внатяг» либо работа двигателя  в диапазоне до 2 тыс. км приводит к ускоренному образованию нагара.

Последствия

К основным поломкам можно отнести:

  • прогорание либо частичное оплавление поршня, вследствие аномально большой температуры. Также может произойти поломка перегородок между кольцами. Устранить неисправность поможет дорогостоящая капиталка;
  • ускоренный износ ЦПГ. Детонация разрушает масляную пленку на стенках цилиндра, что приводит к сухому трению поршней;
  • прогорание выпускных клапанов;
  • перегрев двигателя;
  • повышение температуры турбины, что может привести к ее поломке;
  • высокая температура стенок цилиндра и поршня требует от колец проводить через себя большее количество тепла. Слишком высокая температура пагубно влияет на эластичность колец;
  • оплавление электрода. Ситуация редкая и случается лишь в крайне запущенном состоянии.

Любителям экономить

Если вы заправляете современный автомобиль 92 бензином, в надежде сэкономить, то вас приятно удивит информация о системе зажигания инжекторного двигателя. Регистрируя возникновение детонации, ЭБУ «отодвигает» УОЗ. Такие меры помогают устранить детонацию, но приводят к потере динамических характеристик автомобиля. Соответственно, повышается расход, что сводит на нет все попытки экономии.

Тюнерам

Также будьте аккуратны с расчетами при форсировании мотора. В особенности детонации подвержены неправильно построенные турбированные моторы. Но не обходит стороной эта проблема и атмосферные ДВС. На отечественных просторах есть любители устанавливать 16-клапанные ГБЦ в моторы с поршневой от 8-клапанных двигателей. Многие даже не подозревают, что 16-клапанные Вазовские моторы имеют масляное охлаждение поршней. Поэтому установка одной лишь ГБЦ чревата увеличением температуры в цилиндре.

Езда внатяг

Движение внатяг – езда под нагрузкой на повышенной передаче. Случается такое, когда водитель резко добавляет газ, будучи на повышенной передаче, когда обороты двигателя не превышают 2500 тыс. Спровоцировать такую ситуацию может затяжной подъем, при котором водитель не сбрасывает скорость, а сильнее нажимает на педаль.

Езда внатяг, особенно на турбированном ДВС с малым объемом, создает благоприятные условия для возникновения детонации. Именно поэтому от такого способа вождения лучше отказаться.

Датчик детонации

Именно этот сенсор регистрирует посторонние резонансные частоты в цилиндре. Ориентируясь на показания датчика детонации, ЭБУ принимает решение о корректировании УОЗ. Если двигатель в исправном состоянии, а в баке правильный вид топлива, то поломка датчика не приведет к появлению детонации. Просто теперь ЭБУ не сможет адекватно реагировать на появление столь негативного явления.

FM 8-9 Часть I / Chptr 3 Действие ядерных взрывов


FM 8-9 Часть I / Глава 3 Действие ядерных взрывов

ГЛАВА 3

ВЛИЯНИЕ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ

РАЗДЕЛ I — ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

301. Введение.

Основные различия в механизмах производства энергии и соответствующие характеристики обычных взрывов по сравнению с ядерными были обсуждены в главе 2. В этой главе это обсуждение будет расширено, чтобы рассмотреть формы, в которых энергия, производимая при таких детонациях, воздействует на окружающую среду. .Расположение точки взрыва в окружающей среде так же важно, как и мощность при определении способа распределения энергии, и этот фактор будет обсуждаться более подробно.

302. Общие эффекты ядерных взрывов.

а. В то время как разрушительное действие обычных взрывов почти полностью обусловлено передачей энергии в форме взрывной волны с возникающим в результате механическим повреждением, энергия ядерного взрыва передается окружающей среде в трех различных формах: взрыв; тепловое излучение; и ядерное излучение.Распределение энергии между этими тремя формами будет зависеть от мощности оружия, места взрыва и характеристик окружающей среды. Для атмосферного взрыва на малой высоте оружия среднего размера в килотонном диапазоне энергия распределяется примерно следующим образом:

(1) 50% в виде взрыва;

(2) 35% как тепловое излучение; состоит из широкого диапазона электромагнитного спектра, включая инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет, а также некоторые мягкие рентгеновские лучи, испускаемые во время взрыва; и

(3) 15% как ядерное излучение; в том числе 5% как исходное ионизирующее излучение, состоящее в основном из нейтронов и гамма-лучей, испускаемых в течение первой минуты после взрыва, и 10% как остаточное ядерное излучение.Остаточная ядерная радиация представляет опасность при выпадении осадков.

г. Значительное отклонение от этого распределения будет происходить при изменении мощности или места взрыва. Лучше всего это показано путем сравнения диапазонов повреждений, вызванных этими эффектами оружия разной мощности (Таблица 3-I).

г. Распределение выхода энергии оружия значительно изменяется усиленной радиационной ядерной боеголовкой. Проще говоря, боеголовка с усиленным излучением разработана специально для уменьшения процента энергии, рассеиваемой в виде взрыва и тепла, с последующим увеличением процентного выхода исходного излучения.Приблизительный процент энергии составляет 30% взрыва; 20% термический; 45% исходное облучение; и 5% остаточного излучения.

303. Первичная передача энергии и формирование огненного шара.

а. Из-за огромного количества энергии, выделяемой на единицу массы при ядерном взрыве, в непосредственной близости от взрыва развиваются температуры в несколько десятков миллионов градусов по Цельсию. Это резко контрастирует с несколькими тысячами градусов при обычном взрыве. При таких очень высоких температурах неделившиеся части ядерного оружия испаряются.Атомы не выделяют энергию в виде кинетической энергии, а выделяют ее в виде большого количества электромагнитного излучения. При атмосферной детонации это электромагнитное излучение, состоящее в основном из мягких рентгеновских лучей, поглощается окружающей атмосферой в пределах нескольких метров от точки взрыва, нагревая ее до чрезвычайно высоких температур и образуя ярко-горячую сферу из воздуха и газового оружия. остатки, так называемый огненный шар. Сразу после образования огненный шар начинает быстро расти и подниматься, как воздушный шар.В течение миллисекунды после взрыва диаметр огненного шара от взрыва в 1 мегатонну (Мт) составляет 150 метров. Это увеличивается до максимума 2200 м в течение 10 секунд, при этом огненный шар также поднимается со скоростью 100 м / сек. Первоначальное быстрое расширение огненного шара сильно сжимает окружающую атмосферу, создавая мощную взрывную волну, которая обсуждается ниже.

г. Сам огненный шар испускает огромное количество электромагнитного излучения, аналогичного по спектру солнечному свету.Обычно это называют тепловым излучением. Компонент видимого света объясняет ослепляющую вспышку, наблюдаемую при детонации, а также последующую яркость огненного шара, в то время как инфракрасная составляющая приводит к широко распространенным ожогам и зажигательным эффектам.

г. По мере расширения до максимального диаметра огненный шар охлаждается, и примерно через минуту его температура снизилась до такой степени, что он больше не испускает значительное количество теплового излучения. Комбинация движения вверх и охлаждения огненного шара приводит к образованию характерного грибовидного облака.Когда огненный шар охлаждается, испаренные материалы в нем конденсируются, образуя облако твердых частиц. После взрыва воздуха конденсированные капли воды придают ему типичный вид белого облака. В случае поверхностного взрыва это облако также будет содержать большое количество грязи и другого мусора, которые испаряются, когда огненный шар касается поверхности земли, или впоследствии всасываются сильными восходящими потоками, придавая облаку грязно-коричневый вид. Грязь и мусор загрязняются радиоизотопами, образовавшимися в результате взрыва или активируемыми нейтронным излучением, и падают на землю в виде осадков.

г. Облако поднимается примерно за 10 минут до стабильной высоты, которая зависит от тепловой мощности оружия и атмосферных условий. Он будет продолжать расти в боковом направлении, принимая знакомую форму гриба, и может оставаться видимым в течение часа или более при благоприятных условиях. Например, ядерное облако от поверхностного взрыва мощностью 1 Мт стабилизируется на высоте более 20 километров (км) и будет иметь средний поперечный диаметр 35 км.

304.Типы всплесков.

Относительные эффекты взрыва, тепла и ядерной радиации будут в значительной степени определяться высотой, на которой взрывается оружие. Ядерные взрывы обычно классифицируются как воздушные, наземные, подземные или высотные.

а. Воздушные взрывы. Воздушный взрыв — это взрыв, при котором оружие взрывается в воздухе на высоте ниже 30 км, но на высоте, достаточной для того, чтобы огненный шар не касался поверхности земли.После такого взрыва взрыв может нанести значительный ущерб и травмы. Высота воздушного взрыва может быть изменена для получения максимальных эффектов взрыва, максимальных тепловых эффектов, желаемых радиационных эффектов или сбалансированной комбинации этих эффектов. Ожоги открытых участков кожи могут происходить на многих квадратных километрах, а повреждения глаз — на еще большей площади. Первоначальное ядерное излучение будет представлять значительную опасность с меньшим оружием, но опасность выпадения осадков можно игнорировать, поскольку локальных выпадений от взрыва с воздуха практически нет.Продукты деления обычно рассредоточены по большой площади земного шара, если только не выпадают локальные осадки, приводящие к локальным выпадениям. Вблизи нулевой точки может быть небольшая зона нейтронно-индуцированной активности, которая может быть опасной для войск, проходящих через эту зону. Тактически против наземных войск наиболее вероятно применение воздушных очередей.

г. Поверхностный взрыв. Поверхностный взрыв — это взрыв, при котором оружие взрывается на поверхности земли или немного над ней, так что огненный шар фактически касается поверхности земли или воды.В этих условиях зона воздействия взрыва, теплового излучения и первоначального ядерного излучения будет менее обширной, чем при воздушном взрыве аналогичной мощности, за исключением области эпицентра поражения, где сосредоточены разрушения. В отличие от воздушных взрывов, локальные осадки могут представлять опасность на гораздо большей территории с подветренной стороны, чем та, на которую влияют взрывная волна и тепловое излучение.

г. Подземный взрыв. Подземный взрыв — это взрыв, при котором точка взрыва находится под поверхностью земли или воды.Кратеры обычно возникают в результате подземного взрыва, как и в случае взрыва на поверхности. Если взрыв не проникает через поверхность, единственной другой опасностью будет удар земли или воды. Если взрыв достаточно неглубокий, чтобы проникнуть через поверхность, эффекты взрыва, теплового излучения и начального ядерного излучения будут присутствовать, но они будут меньше, чем для поверхностного взрыва сравнимой мощности. Если произойдет проникновение, местные осадки будут очень сильными.

г. Высокогорный взрыв. Высотный взрыв — это взрыв, при котором оружие взрывается на такой высоте (более 30 км), что исходное мягкое рентгеновское излучение, генерируемое детонацией, рассеивает энергию в виде тепла в гораздо большем объеме молекул воздуха.Там огненный шар намного больше и расширяется намного быстрее. Ионизирующее излучение от высотного взрыва может распространяться на сотни миль, прежде чем будет поглощено. Возможна значительная ионизация верхней атмосферы (ионосферы). После высотных взрывов может произойти серьезное нарушение связи. Они также приводят к генерации интенсивного электромагнитного импульса (ЭМИ), который может значительно снизить производительность или разрушить сложное электронное оборудование. Нет никаких известных биологических эффектов ЭМИ; однако косвенные эффекты могут возникать в результате выхода из строя критически важного медицинского оборудования.

РАЗДЕЛ II — ВЗРЫВ

305. Формирование взрывной волны.

а. В результате очень высоких температур и давлений в точке взрыва горячие газообразные остатки движутся радиально наружу от центра взрыва с очень высокими скоростями. Большая часть этого материала содержится в относительно тонкой плотной оболочке, известной как гидродинамический фронт. Действуя во многом как поршень, который толкает и сжимает окружающую среду, фронт передает энергию атмосфере импульсами и генерирует крутой, сферически расширяющийся взрыв или ударную волну.Сначала эта ударная волна отстает от поверхности развивающегося огненного шара. Однако в течение доли секунды после детонации скорость расширения огненного шара уменьшается до такой степени, что ударная волна догоняет и затем начинает двигаться впереди огненного шара. На долю секунды плотный фронт ударной волны закроет огненный шар, учитывая характерный двойной пик света, наблюдаемый при ядерном взрыве.

г. По мере расширения пиковое давление взрывной волны уменьшается, и скорость распространения уменьшается от начальной сверхзвуковой скорости до скорости звука в передающей среде.Однако при отражении от земной поверхности давление в волне будет усилено слиянием падающей и отраженной волн (эффект Маха), описанный ниже.

г. Большая часть разрушений, вызванных ядерным взрывом, происходит из-за взрывных воздействий. Объекты на пути взрывной волны подвергаются сильному резкому повышению атмосферного давления и чрезвычайно сильным кратковременным ветрам. Большинство зданий, за исключением усиленных или взрывобезопасных конструкций, пострадают от умеренных до серьезных повреждений, если они будут подвергаться избыточному давлению всего в 35 единиц.5 килопаскалей (кПа) (0,35 атм). Скорость сопутствующего порыва ветра может превышать несколько сотен км / ч. Большинство материальных целей чувствительны к сопротивлению или ветру.

г. Дальность действия взрыва значительно увеличивается с взрывной мощностью оружия. При типичном воздушном выбросе эти значения избыточного давления и скорости ветра, указанные выше, будут преобладать в диапазоне 0,7 км для мощности в 1 килотонну (Кт); 3,2 км для 100 узлов; и 15,0 км для 10 Mt.

306. Распространение взрывной волны в воздухе.

В то время, когда взрывная волна проходит через перегретую атмосферу в огненном шаре, она движется со сверхзвуковой скоростью. После того, как он покидает область вокруг огненного шара, он замедляется до нормальной скорости звука в атмосфере. Пока взрывная волна распространяется в радиальном направлении, ее интенсивность уменьшается примерно пропорционально квадрату расстояния. Однако, когда расширяющаяся взрывная волна от ядерного взрыва в воздухе ударяется о поверхность земли, она отражается (рис. 3-I), и отраженная волна усиливает и усиливает первичную волну.

а. Цели в непосредственной близости от нулевой точки могут фактически подвергнуться воздействию двух взрывных волн: начальной или падающей, за которой несколько позже следует вторичная отраженная волна. Эта ограниченная область вблизи нулевой точки, в которой падающая и отраженная волны разделены, известна как область регулярного отражения.

г. За пределами области регулярного отражения, когда она движется через воздух, который уже нагрет и сжат падающей взрывной волной, отраженная волна будет двигаться намного быстрее и очень быстро догонит падающую волну.Затем они сливаются, образуя комбинированный волновой фронт, известный как стержень Маха. Высота ствола Маха увеличивается по мере того, как взрывная волна движется наружу и становится почти вертикальным фронтом взрыва. В результате давление взрыва на поверхности не будет уменьшаться пропорционально квадрату расстояния, и большинство прямых повреждений от взрыва будет направлено горизонтально, например, на стены здания, а не на крышу.

г. По мере того как высота взрыва для взрыва с заданной мощностью уменьшается или по мере увеличения мощности взрыва для данной высоты взрыва, отражение Маха начинается ближе к нулевой отметке, а избыточное давление вблизи нулевой точки становится больше.Однако по мере того, как высота взрыва уменьшается, общая площадь покрытия для воздействия взрыва также заметно уменьшается. Выбор высоты очереди во многом зависит от характера цели. Относительно стойкие цели требуют концентрированного взрыва на малой высоте или надводного взрыва, в то время как чувствительные цели могут быть повреждены менее сильной взрывной волной от взрыва на большей высоте. В последнем случае может быть поражена большая площадь и, следовательно, большее количество целей.

г.Поверхностный взрыв приводит к максимально возможному избыточному давлению вблизи нулевой отметки. В таком разряде фронт ударной волны имеет полусферическую форму, и практически все объекты подвергаются воздействию фронта взрыва, аналогичного тому, который описан выше в области Маха. Подземный взрыв вызывает наименьший воздушный удар, поскольку большая часть энергии рассеивается при образовании кратера и возникновении земной ударной волны.

307. Статическое избыточное давление и динамическое давление.

а. С взрывной волной в воздухе связаны два различных, но одновременных явления:

(1) статическое избыточное давление, т.е.е. резкое повышение давления из-за сжатия атмосферы. Это давление, создаваемое плотной стенкой воздуха, составляющей фронт волны. Величина избыточного давления в любой заданной точке прямо пропорциональна плотности воздуха в волне.

(2) Динамические давления, т. Е. Силы сопротивления, создаваемые сильными кратковременными порывами ветра, связанными с движением воздуха, необходимым для образования взрывной волны. Эти силы называются динамическими, потому что они имеют тенденцию толкать, кувыркаться и разрывать объекты и вызывать их резкое смещение.

г. Как правило, статическое избыточное давление очень резко возрастает от нормального атмосферного в незатронутом воздухе перед взрывной волной до резкого пика (рис. 3-II). Затем он уменьшается за передней частью. По мере того, как взрывная волна движется от нулевой точки, максимальное избыточное давление на фронте уменьшается, в то время как спад избыточного давления за фронтом становится более постепенным. После прохождения достаточного расстояния от огненного шара давление за фронтом фактически падает ниже нормального атмосферного давления, так называемой отрицательной фазы взрывной волны.

г. Пройдя через атмосферу, взрывная волна передает свою энергию молекулам окружающего воздуха, приводя их в движение в направлении приближающегося фронта ударной волны. Движение этих молекул воздуха проявляется в виде сильных кратковременных ветров, известных как «порывы ветра», которые сопровождают взрывную волну. Разрушающая сила, связанная с этими ветрами, пропорциональна квадрату их скорости и измеряется в терминах динамического давления. Эти ветры представляют собой силы распада, которые производят большое количество ракет и кувыркование объектов.Эти динамические силы очень разрушительны.

г. Большая часть материального ущерба, вызванного ядерным воздушным взрывом, вызвана сочетанием высоких статических избыточных давлений и динамических давлений или давлений ветра. Относительно большая продолжительность фазы сжатия взрывной волны (рис. 3-II) также важна в том смысле, что конструкции, ослабленные первоначальным воздействием фронта волны, буквально разрываются на части под действием следующих сил и давлений. Фазы силы сжатия и сопротивления вместе могут длиться несколько секунд или дольше, в течение которых присутствуют силы, во много раз превышающие силы сильнейшего урагана.Они сохраняются даже во время отрицательной фазы взрывной волны, когда присутствует частичный вакуум из-за резкого вытеснения воздуха.

e. Практически важно изучить изменение давления в фиксированном месте как функцию времени. В течение короткого периода времени после ядерного взрыва в воздухе не будет повышения давления, поскольку фронту ударной волны требуется конечное время, чтобы достичь заданной точки. Это время прибытия, которое может варьироваться от нескольких секунд до минут, будет зависеть в первую очередь от расстояния места до центра взрыва и, в меньшей степени, от мощности взрыва.Первоначально скорость ударного фронта во много раз превышает скорость звука, потому что он движется через перегретый воздух, но по мере удаления от огненного шара он замедляется до скорости звука 330 м / сек в нормальной атмосфере. При детонации с высокой мощностью ранняя скорость фронта ударной волны и расстояние, пройденное через перегретый воздух, больше. Поэтому времени несколько меньше. По достижении фронта ударной волны как статическое избыточное давление, так и динамическое давление увеличиваются почти сразу от нуля до своих максимальных значений.Пиковые значения давления, конечно, будут зависеть от расстояния от нулевой точки, высоты взрыва и мощности и будут в дальнейшем изменяться с учетом различий в местности и метеорологических условиях. По мере прохождения фронта взрыва статическое и динамическое давление уменьшается, хотя и с несколько разной скоростью. Наибольший ущерб от взрыва будет нанесен во время положительной фазы волны или фазы сжатия. Продолжительность этой положительной фазы увеличивается с урожайностью и удалением от нулевой точки и колеблется от 0.От 2 до 0,5 с для ядерного взрыва мощностью 1 кТ до 4 до 10 с для взрыва мощностью 10 Мт. Для сравнения: продолжительность взрывной волны от обычного фугасного взрыва составляет всего несколько сотых секунды.

ф. Из-за гораздо большей продолжительности взрывной волны от ядерного взрыва конструкции подвергаются максимальной нагрузке в течение соответственно более длительных периодов времени, и повреждения будут намного более обширными для данного пикового избыточного давления, чем можно было бы ожидать в противном случае.Во время отрицательной фазы, которая обычно длится еще дольше, статическое давление упадет ниже нормального атмосферного давления, и порывистый ветер фактически изменит направление и дует обратно к нулевой отметке. Однако повреждения, полученные во время отрицательной фазы, обычно незначительны, поскольку пиковые значения разрежения и скорости ветра относительно низкие. Эффекты взрыва, связанные с положительным и отрицательным фазовым давлением, показаны на Рисунке 3-III.

308.Взрывная загрузка.

Когда взрывная волна ударяется о поверхность твердой цели, например, здания, отраженная волна усиливает падающую волну, и поверхность здания будет подвергаться избыточному давлению в 2-8 раз больше, чем только падающая волна. Сила этого дополнительного напряжения зависит от многих факторов, в том числе от пикового избыточного давления падающей взрывной волны, а также от угла, под которым волна ударяется о здание. По мере продвижения фронта ударной волны он изгибается или дифрагирует вокруг здания, и давление на переднюю стену быстро уменьшается.Однако в течение короткого промежутка времени, когда взрывная волна еще не охватила всю конструкцию, существует значительный градиент давления спереди назад, что создает серьезную нагрузку на здание. Для небольших объектов этот период так называемой дифракционной нагрузки настолько мал, что не возникает значительного напряжения. Однако для больших зданий напряжение дифракционной нагрузки будет значительным. Даже после того, как фронт ударной волны прошел по зданию, конструкция по-прежнему будет подвергаться сильному сжатию и сильному сопротивлению от кратковременных ветров.Фактическое избыточное давление, необходимое для серьезного повреждения дифракционно-чувствительных целей, на самом деле довольно низкое. В таблице 3-II показано разрушение чувствительных элементов конструкции при воздействии взрывной нагрузки с избыточным давлением.

309. Перетаскивание загрузки.

Все объекты на пути взрывной волны, независимо от размера или структуры, будут подвергаться динамической нагрузке давлением или силам сопротивления порывами порывов ветра. На перетаскивание в умеренной степени влияет форма цели.Круглые объекты относительно не подвержены воздействию ветра, в то время как плоские или утопленные поверхности обладают большим сопротивлением и, следовательно, подвергаются повышенному ударному давлению и вероятности повреждения. Влияние динамического давления обычно зависит от максимального значения динамического давления и его продолжительности. В то время как динамическое давление на фасаде здания обычно меньше, чем пиковое избыточное давление из-за взрывной волны и ее отражения, период динамической нагрузки намного больше, чем период дифракционной нагрузки, и, следовательно, повреждения зданий каркасного типа, мосты и другие конструкции будут значительными.Оборудование и персонал относительно устойчивы к статическому избыточному давлению, но очень уязвимы к динамическому давлению. Например, военные машины, от джипов до танков, чаще всего получают повреждения, когда их толкают, опрокидывают или бросает порывистый ветер. Аналогичным образом, порывы ветра являются причиной большинства повреждений в результате взрыва. Из-за силы ветра, связанной даже с низкими значениями избыточного давления, механические травмы, вызванные ракетами, приведенными в движение ветром, или насильственным телесным перемещением, намного превзойдут по количеству прямые взрывные повреждения из-за фактического сжатия организма.

310. Ударные волны в других средах.

а. При наземных и подземных взрывах значительная часть урожая передается в виде ударных волн на земле или в воде. В случае поверхностного прорыва на суше на нулевой отметке образуется кратер, размер которого зависит в первую очередь от урожайности. Относительно небольшое повреждение за пределами расстояния примерно трех радиусов кратера произойдет из-за удара земли. Наибольший ущерб будет вызван сопутствующей воздушной взрывной волной. При подземных взрывах кратер образуется либо в результате выброса материала, как при неглубоком взрыве, либо в результате обрушения земли в полости, образованной более глубоким взрывом.Поскольку избыточное давление в наземной ударной волне очень быстро уменьшается с расстоянием, ударное повреждение снова будет ограничиваться областью, близкой к точке взрыва.

г. Ударные волны на земле также будут индуцированы в результате взрыва воздуха. Если избыточное давление во взрывной волне очень велико, толчок грунта проникнет на некоторое расстояние в землю и может повредить подземные сооружения, подземные коммуникации и т. Д.

г. Из-за плотности и относительной несжимаемости воды ударные волны в этой среде имеют очень высокие пиковые избыточные давления и скорости распространения.Пиковое избыточное давление на расстоянии 1 км от подводного взрыва мощностью 10 кт составляет приблизительно 6080 кПа (60 атм (атмосферное давление)), в то время как пиковое избыточное давление в воздухе на том же расстоянии от воздушного удара составляет всего 111,4 кПа (1,1 атм. ). Возникающие поверхностные волны на этом расстоянии будут примерно 10 м в высоту. Фронт ударной волны также будет двигаться примерно в пять раз быстрее, чем взрывная волна в воздухе. Серьезные повреждения военно-морских судов могут быть вызваны ударной волной, вызванной подводным взрывом или взрывом на поверхности воды.Хотя основная часть энергии удара распространяется в воде, значительная часть также передается через поверхность как типичный воздушный поток. Эта взрывная волна, вероятно, могла бы стать основным источником повреждения наземных целей, если бы взрыв произошел в прибрежной зоне.

РАЗДЕЛ III — ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

311. Формирование теплового излучения.

Большое количество электромагнитного излучения в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра испускается с поверхности огненного шара в течение первой минуты или меньше после взрыва.Это тепловое излучение распространяется от огненного шара со скоростью света 300 000 км / сек. Основная опасность теплового излучения — это получение ожогов и травм глаз у облученного персонала. Такие термические поражения могут возникать даже на расстояниях, на которых воздействие взрыва и первоначального ядерного излучения минимально. Поглощение теплового излучения также вызовет возгорание горючих материалов и может привести к пожару, который затем быстро распространяется среди обломков, оставленных взрывом. Диапазон тепловых эффектов заметно увеличивается с увеличением мощности оружия.

312. Распространение тепловой энергии.

а. Большая часть энергии, высвобождаемой в процессах деления или синтеза, первоначально находится в форме кинетической энергии продуктов реакций (например, осколков деления и т. Д.). В течение миллионных долей секунды после взрыва многочисленные неупругие столкновения этих испаренных атомов приводят к образованию плазмы из очень горячих остатков оружия. Поскольку температура этой системы составляет несколько десятков миллионов градусов по Цельсию, она излучает огромное количество энергии в виде электромагнитного излучения.Это излучение впоследствии поглощается окружающей атмосферой, которая нагревается до чрезвычайно высоких температур, в результате чего она испускает дополнительное излучение с немного меньшей энергией. Этот сложный процесс радиационной передачи энергии является основным механизмом формирования и расширения огненного шара.

г. Поскольку это тепловое излучение распространяется со скоростью света, а его длина свободного пробега (расстояние между точкой излучения и точкой поглощения) относительно велика, первоначальное расширение огненного шара происходит чрезвычайно быстро, гораздо быстрее, чем движение газообразного вещества наружу. материал из центра взрыва, ответственный за возникновение взрывной волны.Следовательно, фронт взрывной волны сначала отстает от радиационного фронта (поверхности огненного шара).

г. Однако по мере того, как огненный шар расширяется и его энергия накапливается во все увеличивающемся объеме, его температура понижается, а передача энергии тепловым излучением становится менее быстрой. В этот момент фронт взрывной волны начинает догонять поверхность огненного шара, а затем движется впереди нее; этот процесс называется гидродинамическим разделением. Из-за огромного сжатия атмосферы взрывной волной воздух перед огненным шаром нагревается до накала.Таким образом, после гидродинамического разделения огненный шар фактически состоит из двух концентрических областей: горячего внутреннего ядра, известного как изотермическая сфера; и внешний слой светящегося воздуха, нагретого ударами.

г. Внешний слой первоначально поглощает большую часть излучения изотермической сферы, и, следовательно, кажущаяся температура поверхности огненного шара и количество испускаемого им излучения уменьшаются после разделения. Но по мере того, как фронт ударной волны продвигается еще дальше, температура сотрясаемого воздуха понижается, и он становится все более прозрачным.Это приводит к демаскированию все еще раскаленной изотермической области и увеличению видимой температуры поверхности огненного шара. Это явление называется отрывом.

313. Уровень теплового излучения.

а. Скорость теплового излучения огненного шара определяется его видимой температурой поверхности. Из предшествующего обсуждения должно быть очевидно, что тепловая отдача ядерного взрыва в воздухе будет тогда происходить в виде двух импульсов (рис. 3-IV), начального импульса, состоящего в основном из ультрафиолетового излучения, которое содержит только около 1% от общего количества. лучистой энергии взрыва и прекращается, когда ударный фронт движется впереди огненного шара, и второй импульс, который возникает после отрыва.

г. Тепловое излучение, испускаемое поверхностью огненного шара во время второго теплового импульса, отвечает за большинство тепловых эффектов. Он состоит в основном из излучения в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра. Тепловое воздействие (измеряемое в джоулях на единицу площади открытой поверхности) будет меньше от центра взрыва, потому что излучение распространяется по большей площади и ослабляется при прохождении через промежуточный воздух.Поскольку огненный шар находится очень близко к точечному источнику теплового излучения, количество теплового излучения в любой заданной точке изменяется приблизительно пропорционально квадрату расстояния от взрыва. Закон обратных квадратов не применяется точно, потому что тепловое излучение, особенно ультрафиолетовое, также будет поглощаться и рассеиваться атмосферой. Степень видимости атмосферы влияет на ослабление тепловой энергии с расстоянием в ограниченной степени, но в меньшей степени, чем можно было бы ожидать, исходя из чисто поглощающих свойств атмосферы, поскольку уменьшение пропускания в значительной степени компенсируется увеличением рассеянного излучения.

314. Экранирование.

Поскольку тепловое излучение распространяется от огненного шара по прямым линиям (если оно не рассеивается), любой непрозрачный объект, расположенный между огненным шаром и целью, будет действовать как щит и обеспечивать значительную защиту от теплового излучения. Если присутствует значительное рассеяние, как в случае плохой видимости, тепловое излучение будет приниматься со всех сторон, и экранирование будет менее эффективным.

315. Урожайность и высота.

а. Урожайность. Общее количество теплового излучения, период времени, в течение которого оно испускается, и диапазон тепловых эффектов увеличиваются с мощностью ядерного взрыва (рис. 3-V).

г. Высотные эффекты. Интенсивность теплового излучения в данной точке будет зависеть от высоты и типа всплеска. Как правило, термическая опасность наиболее высока в случае взрыва воздуха на небольшой высоте. Общие тепловые эффекты будут меньше для поверхностных взрывов и часто отсутствуют для подземных взрывов.При наземных выбросах большая часть тепловой энергии поглощается землей или водой около нулевого уровня. Кроме того, экранирование из-за неровностей местности из-за пыли, влаги и различных газов в воздухе у поверхности земли будет иметь тенденцию уменьшать количество тепловой энергии, достигающей цели. При подземных выбросах без заметного проникновения большая часть тепловой энергии поглощается и рассеивается при нагревании и испарении почвы и воды под поверхностью.

г. Высотные эффекты. При высотных воздушных выбросах (более 30 км) низкая плотность атмосферы изменяет характер процесса теплового излучения, поскольку первичное тепловое излучение поглощается гораздо большим объемом воздуха, и, соответственно, температура системы ниже. . В то время как больший процент мощности взрыва проявляется в виде теплового излучения, большая часть излучения испускается настолько медленно, что становится неэффективным. Около 25-35% общего выхода излучается за один импульс очень короткой длительности.Более того, из-за относительно большого расстояния между центром вспышки и земной поверхностью интенсивность теплового излучения на уровне земли, как правило, невысока.

316. Тепловые эффекты.

а. Когда тепловое излучение попадает на объект, часть его отражается, часть пропускается, а остальная часть поглощается. Доля поглощаемого падающего излучения зависит от природы и цвета материала. Тонкий материал может передавать большую часть падающей на него лучистой энергии.Светлый объект может отражать большую часть падающего излучения и, таким образом, избегать повреждений. Термические повреждения и травмы возникают из-за поглощения большого количества тепловой энергии за относительно короткие периоды времени. Поглощенное тепловое излучение повышает температуру поглощающей поверхности и приводит к ожогам, обугливанию и возможному воспламенению горючих органических материалов, таких как дерево, бумага, ткани и т. Д. Если целевой материал является плохим проводником тепла, поглощенная энергия уменьшается. в основном ограничивается поверхностным слоем материала.

г. Радиационное облучение (# Джоулей / кв / см), необходимое для воспламенения материалов и других тепловых эффектов, увеличивается с мощностью оружия (Таблица 3-III). Это происходит потому, что повышенная тепловая энергия требуется для компенсации потерь энергии из-за теплопроводности и конвекции во время более длительного теплового импульса оружия с более высокой мощностью. Для оружия с меньшей мощностью тепловой импульс настолько короткий, что у этих процессов не так много времени, чтобы охладить открытую поверхность. Следовательно, гораздо более высокий процент депонированной тепловой энергии эффективен для создания теплового повреждения.Это повышенное тепловое требование не означает, что термическая опасность менее значительна для более высоких урожаев. Напротив, общая тепловая энергия, выделяемая во время ядерного взрыва, заметно увеличивается с мощностью, и эффекты распространяются на гораздо большие расстояния. Следовательно, хотя для получения заданного теплового отклика для взрыва с большой мощностью требуется больше тепловой энергии, эффективный диапазон, до которого простирается этот уровень, намного больше.

г. Фактическое воспламенение материалов, подвергшихся воздействию теплового излучения, в значительной степени зависит от ширины теплового импульса (которая зависит от мощности оружия) и природы материала, особенно его толщины и содержания влаги.В местах, близких к эпицентру, где тепловое излучение превышает 125 Дж / кв. См, почти все горючие материалы будут гореть, хотя горение может не продолжаться (Таблица 3-III). С другой стороны, на больших расстояниях воспламеняются только наиболее легко воспламеняемые материалы, хотя может произойти обугливание открытых поверхностей. Вероятность значительных пожаров после ядерного взрыва зависит от плотности точек возгорания, наличия и состояния горючего материала (горячего, сухого или влажного), ветра, влажности и характера окружающей среды.Зажигательные эффекты усугубляются вторичными возгораниями, вызванными эффектами взрывной волны, такими как опрокидывание печей и печей, разрыв газовых трубопроводов и т. Д. В Хиросиме в течение 20 минут после взрыва образовалась огромная огненная буря. Огненная буря обжигает сама себя с большой жестокостью и характеризуется ураганными ветрами, дующими к центру огня со всех точек компаса. Однако это явление не характерно для ядерных взрывов, которое часто наблюдалось при крупных лесных пожарах и после налетов с зажигательной смесью во время Второй мировой войны.

РАЗДЕЛ IV — ЯДЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

317. Источники ядерной радиации.

Взрывная волна и тепловые эффекты в той или иной степени возникают при всех типах взрывов, как обычных, так и ядерных. Однако выброс ионизирующего излучения — это явление, уникальное для ядерных взрывов, и представляет собой дополнительный механизм, приводящий к ранениям, наложенный на взрывные и тепловые эффекты. Это излучение в основном бывает двух видов: электромагнитное и твердое, и оно испускается не только во время детонации (начальное излучение), но и в течение длительных периодов времени после него (остаточное излучение).Первоначальное или мгновенное ядерное излучение — это ионизирующее излучение, испускаемое в течение первой минуты после взрыва и почти полностью являющееся результатом ядерных процессов, происходящих при взрыве. Остаточное излучение определяется как излучение, которое испускается спустя более 1 минуты после взрыва и возникает в основном в результате распада радиоизотопов, образующихся во время взрыва.

318. Первоначальное облучение.

Около 5% энергии, выделяющейся при ядерном воздушном взрыве, передается в виде исходного нейтронного и гамма-излучения.Нейтроны возникают почти исключительно в результате реакций деления и синтеза, производящих энергию, в то время как начальное гамма-излучение включает излучение, возникающее в результате этих реакций, а также в результате распада короткоживущих продуктов деления. Интенсивность первоначального ядерного излучения быстро уменьшается с расстоянием от точки взрыва из-за распространения излучения по большей площади по мере его удаления от места взрыва, а также из-за поглощения, рассеяния и захвата атмосферой. Характер излучения, полученного в данном месте, также зависит от расстояния до места взрыва.Вблизи точки взрыва интенсивность нейтронов больше, чем интенсивность гамма-излучения, но с увеличением расстояния нейтронно-гамма-отношение уменьшается. В конечном итоге нейтронная составляющая исходного излучения становится ничтожной по сравнению с гамма-составляющей. Диапазон значительных уровней начального излучения не увеличивается заметно с увеличением мощности оружия, и в результате начальное излучение становится менее опасным с увеличением мощности. С более крупными вооружениями, превышающими 50 кт, взрывные и тепловые эффекты настолько важны, что мгновенными радиационными эффектами можно пренебречь.

319. Остаточная радиация.

Остаточная радиационная опасность ядерного взрыва заключается в выпадении радиоактивных осадков и нейтронно-индуцированной активности. Остаточное ионизирующее излучение возникает от:

а. Продукты деления. Это изотопы средней массы, которые образуются при расщеплении ядра тяжелого урана или плутония в реакции деления. Существует более 300 различных продуктов деления, которые могут возникнуть в результате реакции деления. Многие из них радиоактивны с сильно различающимся периодом полураспада.Некоторые из них очень короткие, то есть доли секунды, а некоторые достаточно длинные, чтобы материалы могли представлять опасность в течение месяцев или лет. Их основной способ распада — испускание бета- и гамма-излучения. На килотонну выработки образуется примерно 60 граммов продуктов деления. Расчетная активность этого количества продуктов деления через 1 минуту после взрыва равна активности 1,1 x 10 21 Бк (30 миллионов килограммов радия) в равновесии с продуктами его распада.

г. Неразделившийся ядерный материал. Ядерное оружие относительно неэффективно с точки зрения использования расщепляющегося материала, и большая часть урана и плутония рассеивается в результате взрыва, не подвергаясь делению. Такой неделившийся ядерный материал распадается за счет испускания альфа-частиц и имеет относительно небольшое значение.

г. Активность, индуцированная нейтронами. Если атомные ядра захватывают нейтроны при воздействии потока нейтронного излучения, они, как правило, становятся радиоактивными (нейтронно-индуцированная активность), а затем распадаются за счет испускания бета- и гамма-излучения в течение длительного периода времени.Нейтроны, испускаемые как часть первоначального ядерного излучения, вызовут активацию остатков оружия. Кроме того, могут активироваться атомы материала окружающей среды, такого как почва, воздух и вода, в зависимости от их состава и расстояния до места взрыва. Например, небольшая территория вокруг эпицентра земли может стать опасной в результате воздействия на минералы почвы первоначальным нейтронным излучением. Это происходит главным образом из-за захвата нейтронов натрием (Na), марганцем, алюминием и кремнием в почве.Это незначительная опасность из-за ограниченной площади.

320. Fallout.

а. Worldwide Fallout. После взрыва с воздухом продукты деления, расщепившийся ядерный материал и остатки оружия, испарившиеся под воздействием тепла огненного шара, конденсируются в тонкую суспензию очень мелких частиц диаметром от 0,01 до 20 микрометров. Эти частицы могут быстро затягиваться в стратосферу, особенно если мощность взрывчатого вещества превышает 10 кт.Затем они будут разнесены атмосферными ветрами и постепенно осядут на поверхность Земли через недели, месяцы и даже годы в виде всемирных осадков. Радиобиологическая опасность выпадений во всем мире по существу является долгосрочной из-за потенциального накопления в организме долгоживущих радиоизотопов, таких как стронций-90 и цезий-137, в результате приема пищи, содержащей эти радиоактивные материалы. . Эта опасность гораздо менее серьезна, чем опасности, связанные с локальными выпадениями осадков, и поэтому в данной публикации подробно не обсуждается.Местные осадки вызывают гораздо большую оперативную озабоченность.

г. Local Fallout. При взрыве поверхности земли или воды большое количество земли или воды испарится под действием тепла огненного шара и втягивается в радиоактивное облако. Этот материал станет радиоактивным, когда он конденсируется с продуктами деления и другими радиоактивными загрязнителями или активируется нейтронами. В результате поверхностного взрыва будут образовываться большие количества частиц диаметром от менее 0,1 микрометра до нескольких миллиметров в дополнение к очень мелким частицам, которые вносят вклад в глобальное выпадение осадков.Более крупные частицы не поднимутся в стратосферу и, следовательно, осядут на Землю в течение примерно 24 часов в виде местных осадков. Сильное локальное загрязнение радиоактивными осадками может выходить далеко за рамки взрывных и тепловых воздействий, особенно в случае поверхностных взрывов с высокой мощностью. Когда люди остаются в радиологически загрязненной зоне, такое загрязнение приведет к немедленному внешнему облучению, а также к возможной в дальнейшем внутренней опасности из-за вдыхания и проглатывания радиоактивных загрязнителей.В тяжелых случаях радиоактивного заражения радиоактивными осадками могут быть получены летальные дозы внешнего излучения, если не будут приняты меры защиты или уклонения. В случаях прорыва на водной поверхности (и на мелководье) частицы имеют тенденцию быть более легкими и мелкими, поэтому они производят меньше локальных осадков, но распространяются на большую площадь. Частицы содержат в основном морские соли с небольшим количеством воды; они могут иметь эффект засева облаков, вызывая локальные дожди и области с сильными локальными выпадениями. Для подземных всплесков существует дополнительное явление, называемое «выброс у основания».»Основная волна — это облако, которое катится наружу от нижней части колонны, образованное подземным взрывом. Для подводных взрывов видимая волна, по сути, представляет собой облако капель жидкости (воды) со свойством течь почти так, как если бы оно были однородной жидкостью. После испарения воды может сохраняться невидимый базовый выброс мелких радиоактивных частиц. Для подземных наземных взрывов выброс состоит из мелких твердых частиц, но он все еще ведет себя как жидкость. образование скачков при подземном прорыве.

г. Метеорологические эффекты. Метеорологические условия будут сильно влиять на выпадение осадков, особенно местных осадков. Атмосферные ветры могут распространять осадки на большие площади. Например, в результате поверхностного взрыва термоядерного устройства мощностью 15 Мт на атолле Бикини 1 марта 1954 г. образовалась область Тихого океана примерно сигарообразной формы, простирающаяся более чем на 500 км с подветренной стороны и варьирующаяся по ширине до 100 км. сильно загрязнены. Снег и дождь, особенно если они идут со значительной высоты, ускорят выпадение местных осадков.В особых метеорологических условиях, таких как местный ливневый дождь, который возникает над радиоактивным облаком, могут образовываться ограниченные области сильного загрязнения.



6 Воздействие на человека и окружающую среду | Действие ядерной бомбы и другого оружия

при взрыве намного меньше, чем количество, произведенное в реакторе, проработавшем несколько лет.

Однако потребление продуктов питания, загрязненных радиоактивными осадками в результате ядерного испытания, оказалось серьезной проблемой как на НТС 20 , 21 , так и на Семипалатинском полигоне, ядерном полигоне в Советском Союзе. 22 Природа этой проблемы не была полностью оценена до 1963 года — примерно в то время, когда заканчивались атмосферные испытания в Соединенных Штатах и ​​бывшем Советском Союзе. Наибольшее беспокойство вызывает йод-131, период полураспада которого составляет 8 дней. Именно благодаря сочетанию нескольких довольно уникальных обстоятельств этот радионуклид стал основным радионуклидом, вызывающим озабоченность с точки зрения загрязнения пищевых продуктов как при испытаниях ядерного оружия, так и при авариях на реакторах.

Значительные количества активности 131 I создаются ядерными взрывами; этот радионуклид также является летучим и не конденсируется на частицах до позднего времени, после чего он становится ассоциированным с поверхностью выпадающих частиц. 23 Большая часть общей поверхностной активности приходится на более мелкие частицы, поэтому 131 I обычно переносится дальше. Более мелкие частицы также предпочтительно задерживаются растительностью 24 , из которых они теряются с временем полувыведения около 10 дней.Дойная корова, если она получает свою полную норму корма со свежего пастбища, будет потреблять в день количество 131 I, которое содержится примерно на 50 квадратных метрах, 25 , и будет выделять до 1 процента этого количества. суточная доза на литр молока. 26 Обычно человек, потребляющий молоко, концентрирует 30 процентов потребляемого им молока в щитовидной железе. Щитовидная железа — это очень маленькая железа, она весит около 20 граммов у взрослых и всего около 2 граммов у младенцев. Таким образом, йод предпочтительно удерживается на растительности, которую корова эффективно отбирает и быстро выделяет в молоко; Затем младенец концентрирует большую часть этого йода в молоке в чрезвычайно маленькой железе, производя, таким образом, относительно большую дозу.

«Коровы на заднем дворе» вызывают большее беспокойство, поскольку такие коровы обычно потребляют больше пастбищ, чем хранимых кормов, и владельцы часто выпивают больше среднего количества молока. Козы также вызывают большее беспокойство; они пасут меньше территории, но выделяют в 1 литр молока примерно в 10 раз больше дневной нормы йода. При ядерных взрывах за пределами США следует учитывать потребление молока других животных, таких как овцы, лошади и верблюды. Факторы переноса молока у этих животных не очень хорошо известны.Ученые Национального института рака проводят исследовательскую программу для определения таких факторов, но результаты еще не опубликованы. 27 Часто молоко таких животных не потребляется сразу, а превращается в другие продукты, что дает некоторую возможность для 131 I разлагаться перед употреблением.

Для гипотетического устройства (с приблизительно 50-процентной долей деления, т. Е. 50 процентов взрывной мощности от термоядерного синтеза), которое производит интегрированную внешнюю дозу в 1 рад, доза на щитовидную железу младенца будет составлять около 16 рад от потребления молока. с 131 I и несколькими другими радионуклидами ( 132 Te, 132 I, 133 I и 135 I).Эти результаты основаны на опубликованных расчетах, сделанных для снимков NTS. 28

Другими радионуклидами, вызывающими озабоченность с точки зрения загрязненных пищевых продуктов, являются 89 Sr, 90 Sr и 137 Cs. Они имеют общие характеристики: высокий выход деления (доля делений, которые производят радионуклид или его прекурсоры), летучесть (радионуклида или его прекурсоров) и эффективное выделение в молоко. Другие органы, вызывающие беспокойство, — пищеварительный тракт, красный костный мозг и поверхности костей.

До сих пор для этого обсуждения предполагалось, что люди и дойные животные размещены вместе. Часто это не так. Реконструкция дозы на щитовидную железу по прошлым событиям включала в себя тщательно продуманные попытки восстановить источники молока или перемещение молока из одного региона в другой. 29 , 30 Если бы этот тип прогнозной оценки был включен в анализ эффектов, необходимо было бы иметь базу данных, которая давала бы плотность населения, а также дойных животных.

Важно отметить, что этот путь, потребление зараженной пищи, может быть относительно более важным для радиоактивных осадков в результате ядерных взрывов в пригородах, в том смысле, что дойные животные с большей вероятностью будут находиться в сельской местности. Проблема зараженного молока после аварии

Физические эффекты детонации в закрытой цилиндрической камере

PDF-версия также доступна для скачивания.

Кто

Люди и организации, связанные либо с созданием этого отчета, либо с его содержанием.

Какие

Описательная информация, помогающая идентифицировать этот отчет.Перейдите по ссылкам ниже, чтобы найти похожие предметы в Электронной библиотеке.

Когда

Даты и периоды времени, связанные с этим отчетом.

Статистика использования

Когда последний раз использовался этот отчет?

Взаимодействовать с этим отчетом

Вот несколько советов, что делать дальше.

PDF-версия также доступна для скачивания.

Ссылки, права, повторное использование

Международная структура взаимодействия изображений

Распечатать / Поделиться


Печать
Электронная почта
Твиттер
Facebook
Tumblr
Reddit

Ссылки для роботов

Полезные ссылки в машиночитаемом формате.

Ключ архивных ресурсов (ARK)

Международная структура взаимодействия изображений (IIIF)

Форматы метаданных

Изображений

URL

Статистика

Дрейпер, К.С. Физические эффекты детонации в закрытой цилиндрической камере, отчет, Октябрь 1933 г .; (https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc66150/: по состоянию на 23 августа 2021 г.), Библиотеки Университета Северного Техаса, Цифровая библиотека UNT, https://digital.library.unt.edu; кредитование Департамента государственных документов библиотек ЕНТ.

Detonation Process — обзор

3.16.2 Поверхность наноразмерного алмаза

Поскольку существуют разные способы производства наноразмерного алмаза, существует столько же характерных структур поверхности и концов. Помимо порошков, полученных детонационным или ударно-волновым синтезом с первых дней НА в 1960-х годах, существует несколько других методов получения алмаза в виде нанокристаллов (Долматов, 2001; Krueger, 2008b; Osawa, 2007). Производство наночастиц из алмаза, синтезированного под высоким давлением и высокой температурой (HTHP), и алмаза, полученного методом CVD, открывает путь для порошков НА с совершенно разными свойствами.Хотя общая кристаллическая структура (за исключением плотности двойников, дислокаций или других дефектов решетки) в основном идентична для всех алмазных наночастиц, размер и поверхность частиц, полученных в результате различных производственных процессов, различаются в зависимости от применяемого метода (Cheng, Chen , Shaio, Tsai, & Chen, 2005; Donnet et al., 1997; Yin et al., 2001). Наиболее обычным поверхностным завершением коммерчески доступного НА является поверхность, насыщенная кислородом. Это происходит, например, из-за использования воды или льда для охлаждения в процессе детонации, что приводит к реакции с высокореактивными гидроксильными частицами (возникающими в результате разложения молекул воды в чрезвычайно суровых условиях).Кроме того, очистку наноразмерного алмаза любого происхождения обычно проводят с использованием окисляющих минеральных кислот и / или окисления воздухом (Бутенко и др., 2006; Митев, Димитрова, Спасова, Минчев и Ставрев, 2007; Оссвальд, Юшин, Мочалин, Кучеев, Гогоци, 2006; Пичот и др., 2008; Тюрина, Аполонская, Кулакова, Копылова, Образцов, 2010). Такая обработка приводит к образованию карбонильных и карбоксильных групп на поверхности алмаза. Единственный материал ND с гидрогенизированной поверхностью может возникнуть в результате разрушения CVD-пленок на наночастицы, поскольку исходный газ для осаждения алмазных пленок состоит из источника углерода и значительного количества газообразного водорода для обеспечения непрерывной гибридизации sp 3 осажденного углерода путем насыщения атомами водорода (Fox, 1997; Landstrass & Ravi, 1989a, 1989b).Однако последующая обработка исходного материала (крупно измельченного на кластеры нанокристаллов) для изоляции отдельных частиц от сплошных пленок (например, промывка кислотами или процессы измельчения) обычно дает материалы с окисленной поверхностью (Neu et al., 2011 ).

В целом, основные поверхностные группы, обнаруженные на частицах ND, включают карбоновые кислоты (COOH) и кетогруппы (CO) в дополнение к различным функциям спирта (третичным, вторичным и первичным) и эфирным группам (они сильно связаны с группами CO. поскольку они представляют собой другой вариант поверхности алмаза с концевыми кислородными группами) (Comet, Pichot, Siegert, Britz, & Spitzer, 2010; Jiang & Xu, 1995; Mochalin, Osswald, & Gogotsi, 2009; Skorik, Krivozubov, Karzhenevskii, & Spitsyn , 2011; Ту, Переведенцева, Чунг, и Ченг, 2006; Цзоу, Ван и Ли, 2010).Однако другие структурные элементы, например с участием sp 2 углерода различной природы (изолированные двойные связи, протяженные области с π-сопряжением вплоть до графеноподобных или графитовых структур) также присутствуют на ND (Рисунок 1). Различные поверхности ND демонстрируют разные дзета-потенциалы в диапазоне от -50 до +50 мВ в зависимости от их окончания с этими группами. Обычно карбоксилированные поверхности демонстрируют отрицательные потенциалы, тогда как гидроксилированный материал показывает положительные значения, а частицы с концом sp 2 демонстрируют довольно слабые дзета-потенциалы.Соответственно, агломерационное поведение НА различного происхождения существенно различается. Однако поведение агломерации зависит не только от поверхностного окончания. Размер, форма и наличие графитового углерода влияют на тенденцию к образованию агрегатов. В то время как наночастицы, полученные из материалов HTHP или CVD, демонстрируют лишь умеренную тенденцию к агломерации, детонационный наноалмаз (ДНА) обычно происходит в прочно связанных агломератах, если не предпринимается противодействие (Авдеев и др., 2009; Крюгер и др., 2005; Спицын и др., 2005). В последние годы было разработано несколько методов получения полностью диспергированных алмазных наночастиц в различных растворителях с использованием в основном механохимических подходов (Hsin et al., 2011; Li & Huang, 2010; Liang, Ozawa, & Krueger, 2009; Niu et al., 2011; Ozawa et al., 2007; Pentecost, Gour, Mochalin, Knoke, & Gogotsi, 2010).

Рис. 1. Окончание обработки поверхности алмаза зависит от метода производства и постпроизводственной обработки. Для пленок CVD наиболее распространена гидрогенизированная поверхность, тогда как наночастицы алмаза часто имеют неоднородно насыщенную кислородом поверхность.Для всех материалов присутствие углерода sp 2 на поверхности алмаза является результатом реконструкции поверхности или отжига.

Исходя из этих различных материалов ND, становится очевидным, что воспроизводимые результаты в приложениях могут быть получены только с воспроизводимым материалом. Следовательно, поверхность наночастиц должна быть максимально однородной. Поэтому крайне важно полностью контролировать поверхностную заделку, чтобы контролировать качество окончательного функционализированного материала и его применимость.

Влияние предварительного сжигания смеси на распространение детонационной волны

Abstract

Горение с увеличением давления в виде непрерывных взрывов может обеспечить значительное повышение эффективности различных движителей и устройств преобразования энергии. В связи с этим вращающиеся детонационные двигатели (ВДД), которые используют движущуюся по азимуту детонационную волну в кольцевых системах, все чаще рассматриваются как жизнеспособный подход к реализации сгорания с увеличением давления. Однако практические RDE, которые используют впрыск топлива без предварительного смешивания и окислителя, должны минимизировать потери за счет ряда механизмов, включая вызванные турбулентностью изменения фронта ударной волны, неполное смешивание топлива с воздухом и преждевременную дефлаграцию.В этом исследовании каноническая конфигурация стратифицированной детонации используется для понимания влияния предварительного сжигания на эффективность детонации. Установлено, что тепловыделение перед детонационной волной приводит к более слабым ударным фронтам, замедленному горению частично окисленной топливно-воздушной смеси и некомпактному тепловыделению. Кроме того, наблюдались большие вариации волновых скоростей, что согласуется с поведением волн в полномасштабных RDE. Пиковые давления в области сжатия или вблизи тройных точек были значительно ниже теоретически предсказанных значений для идеальных взрывов.Анализ структуры детонации показывает, что этот процесс горения является паразитным по своей природе, снижая эффективность детонации, но также приводя к выделению тепла далеко за волной, которое не может напрямую усилить ударную волну. Это паразитное горение приводит к комменсальному горению (выделение тепла далеко за волной), что указывает на то, что оно является основной причиной потери эффективности сгорания.

Ключевые слова

Вращающийся детонационный двигатель

Паразитное горение

Стратификация

Прямое численное моделирование

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2020 Опубликовано Elsevier Inc.от имени Института горения.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Детонация, предварительное зажигание и детонация двигателя

Детонация — обычно вызываемая топливом с низким октановым числом — это склонность топлива к предварительному воспламенению или самовоспламенению в камере сгорания двигателя. Это раннее (до того, как загорится свеча зажигания) воспламенение топлива создает ударную волну по всему цилиндру, поскольку горящая и расширяющаяся топливно-воздушная смесь сталкивается с поршнем, который все еще движется к верхней мертвой точке.В результате стук или звон — это звук ударов поршней о стенки цилиндра.

Эффекты детонации могут быть от произвольных до серьезных. Продолжительный и интенсивный стук может привести к поломке поршня или двигателя, хотя он также может выдержать эту небольшую проблему на протяжении тысяч миль. Точно так же перегрев может вызвать дополнительный износ двигателя, быть относительно безвредным или вызвать возгорание и поломку двигателя.

Общие причины детонации

Детонация чаще всего возникает из-за использования низкокачественного моторного топлива и, как следствие, порчи деталей вашего двигателя.Однако конструкция камеры играет ключевую роль в определении того, когда и если двигатель может неожиданно взорваться. Форма, размер, расположение искры и геометрия конструкции — все это помогает определить, где эти взрывы могут произойти.

Перегретый наконечник свечи зажигания также может вызвать преждевременное зажигание. Это может вызвать пинг в вашем автомобиле при движении по шоссе, но на самом деле он может сохраняться в двигателе на тысячи миль. Если вы слышите металлический щелкающий звук во время езды на большие расстояния, вам следует проконсультироваться со своим механиком и узнать, нужно ли заменить свечу зажигания.

Общие эффекты

Детонация может вызвать три типа отказа двигателя в зависимости от источника и серьезности: истирание, механическое повреждение и перегрев. Механическое повреждение происходит из-за того, что сильное воздействие природы может вызвать разрушение частей двигателя внутреннего сгорания. Это может особенно повлиять на посадку верхнего или второго поршневого кольца или даже на выпускные или впускные клапаны.

При истирании головка поршня медленно разрушается, создавая микроскопический эффект швейцарского сыра на ее поверхности, что приводит к снижению эффективности и возможной поломке.Однако перегрев — более серьезная проблема, которая при запуске действует почти как эффект снежного кома. Из-за того, что пограничный газовый слой прерывается на головке блока цилиндров и теплопередача к охлаждающей жидкости через головку блока цилиндров, этот перегрев двигателя будет продолжаться по мере повышения температуры, вызывая усиление детонации.

Общие решения

К счастью, есть несколько способов предотвратить преждевременное зажигание. Лучшее решение, очевидно, — поговорить с вашим механиком о проблеме, но если у вас есть опыт ремонта двигателя, вы также можете использовать следующие методы, чтобы снизить вероятность детонации двигателя.

Переход на топливо с более высоким октановым числом для уменьшения нагрева камеры сгорания и более медленного сжигания топлива — лучший способ борьбы с ложным срабатыванием. Точно так же снижение температуры воздуха на входе в двигатель значительно снизит вероятность преждевременного воспламенения и детонации. Как правило, на каждые 10 градусов холоднее входящего воздуха, он производит на один процент больше энергии. Регулировка фаз газораспределения также может помочь решить эту проблему. Если ваш двигатель работает во время открытия дроссельной заслонки на низких оборотах двигателя, вам может потребоваться отрегулировать время на два-три градуса.

Влияние ширины кольцевой камеры сгорания на непрерывно вращающуюся детонацию этилена и воздуха

Реализация и стабильная работа системы непрерывной вращающейся детонации (CRD) в кольцевой камере сгорания, работающей на углеводородном воздухе, все еще является сложной задачей. Для дальнейшего исследования этого вопроса проводится серия испытаний CRD этилен-воздух с изменением ширины камеры сгорания, и влияние ширины камеры сгорания хорошо анализируется на основе высокочастотного давления и высокоскоростных фотографических изображений.Результаты показывают, что ширина камеры сгорания играет значительную роль в реализации и устойчивости системы этилен-воздух-CRD. В этой статье критическая ширина камеры сгорания для реализации CRD и стабильной одиночной волны составляет 20 мм и 25 мм соответственно. В широких камерах сгорания обращенная назад ступенька в передней части камеры сгорания замедляет основной поток и, таким образом, улучшает качество смешивания. Кроме того, пилотное пламя в зоне рециркуляции способствует поддержанию волны CRD. По мере увеличения ширины режим распространения изменяется от двухволнового режима встречного вращения к режиму одиночной волны с более высокой скоростью распространения и стабильностью.Наибольшая скорость распространения достигает 1325,56 м / с в камере сгорания шириной 40 мм, что составляет 71,51% от соответствующей скорости Чепмена-Жуге. Несмотря на большой объем камеры сгорания, в режиме детонационного сгорания достигается высокое давление в камере сгорания, что указывает на то, что с помощью CRD могут быть достигнуты лучшие тяговые характеристики.

1. Введение

Обычные аэрокосмические двигательные системы, такие как ракетный двигатель, турбореактивный двигатель, прямоточный воздушно-реактивный двигатель и прямоточный воздушно-реактивный двигатель, обычно работают в форме изобарического сгорания.Изобарическое горение было глубоко изучено, и его тяговые характеристики постепенно приблизились к верхнему пределу теоретического значения. По сравнению с изобарным горением, детонация является многообещающей формой горения, которая может обеспечить лучшие тяговые характеристики из-за ее более высокой термодинамической эффективности и более высокой скорости тепловыделения [1, 2]. Как правило, детонационные двигатели можно разделить на импульсные детонационные двигатели (PDE) [3], косые детонационные двигатели (ODE) [4] и непрерывно вращающиеся детонационные двигатели (CRDE) [5, 6].Кроме того, CRDE не требуют повторного зажигания. Таким образом, CRDE привлек большое внимание в области исследований двигательных установок [7–13]. В CRDE топливо и окислитель обычно впрыскиваются в головку кольцевой камеры сгорания, и волна CRD распространяется по окружности, потребляя горючее топливо. Затем продукты сгорания выходят на другом конце камеры сгорания и создают стабильную тягу.

В 1959 году стационарная детонация была впервые предложена Войцеховским, и автор реализовал C 2 H 2 -O 2 CRD в дискообразной экспериментальной установке [14].Nicholls et al. [15] экспериментально исследовали возможность использования CRDE и реализовали короткие CRD в кольцевой камере сгорания. Однако за десятилетия было проведено всего несколько исследований CRDE. В последнее десятилетие CRDE постепенно снова оказался в центре внимания и вызвал большой интерес у многих исследователей. Были проведены обширные исследования CRD на водороде из-за низкой сложности реализации. Были изучены рабочие процессы CRDE, в том числе инициирование [16–18], характеристики распространения [5, 6, 19] и тяговые характеристики [12, 20].

Хотя водород CRD можно легко получить в широком рабочем диапазоне, углеводородное топливо, особенно керосин [21–23], считается более надежным и доступным вариантом для инженерного применения. В качестве основного компонента продуктов пиролиза керосина этилен является одним из реальных топлив для CRDE с технологией регенеративного охлаждения. Исследования CRD этилена могут дать базовое понимание CRD углеводородов. Однако стабильная работа этилен-воздушной ХПД с дефицитом малых скоростей в кольцевой камере сгорания до сих пор остается нерешенной проблемой.Cho et al. [24] провели серию экспериментов по ХПД этилен-воздух в оптически доступной кольцевой камере сгорания. Пропеллент был почти стехиометрическим, в то время как скорость распространения была только в двухволновом режиме встречного вращения. Св. Георгий и др. [25] провели эксперимент CRD этилен-воздух в кольцевой камере сгорания шириной 7,6 мм. Однако волна CRD распространялась с максимальной скоростью 850 м / с с серьезной нестабильностью и большим дефицитом скорости. Андрус и др. [26] экспериментально исследовали CRD этилен-воздух с использованием схем подачи как без предварительного смешивания, так и с предварительным смешиванием в кольцевой камере сгорания шириной 23 мм.Скорость распространения CRD-волны была близка к предсказанной CEA скорости звука около 1000 м / с, что было значительно ниже скорости C-J. Wilhite et al. [27] провели этилен-воздушный эксперимент CRD в кольцевой камере сгорания с каналом шириной 13,1 мм. Волна CRD распространялась со скоростью, близкой к изобарической скорости звука, и возник большой дефицит скорости. Детонация углеводорода в кольцевой камере сгорания требует дальнейшего изучения.

На данный момент предлагаются новые конфигурации камеры сгорания CRDE для улучшения CRD углеводородов, включая полую камеру сгорания и кольцевую камеру сгорания с полостью.Peng et al. [28] выполнили CRD этилена в оптически доступной камере сгорания типа беговой дорожки с воздухом, обогащенным кислородом. Волна CRD распространялась в режиме одной волны с относительно высокой скоростью 1647,92 м / с. Кроме того, Peng et al. [29] достигли CRD этилен-воздух с большим рабочим диапазоном и низким дефицитом скорости в полой камере сгорания с соплом Лаваля. Наибольшая скорость распространения достигла 1915,4 м / с в режиме одной волны. Ананд и др. [30] успешно получили CRD этилен-воздух в полой камере сгорания, и скорость распространения волны составляла 95% от идеальной скорости детонации CJ.Wang et al. [31] также реализовали этилен-воздух CRD в полой камере сгорания с внешним диаметром 100 мм. Скорости детонации составляли от 1256 до 1653 м / с, большинство из которых превышали 80% скорости детонации CJ. Полая камера сгорания действительно способствует реализации CRD этилена. Однако сообщалось о неэффективной силовой работе CRD в полой камере сгорания [20, 32]. Из-за низкого давления в камере сгорания удельные импульсы были ниже 80% от идеального значения расширения в исследовании Kawasaki et al.[32]. Кольцевая камера сгорания с полостью — это новая конфигурация, предложенная группой Peng [33–35]. При применении полости к кольцевой камере сгорания скорость распространения волны CRD может достигать 1228,68 м / с вокруг стехиометрического отношения эквивалентности (ER), составляющего 67,4% от соответствующей скорости C-J. Зона рециркуляции резонатора имела большое влияние на CRD и могла изменить режим распространения CRD. Предполагается, что правильная камера сгорания действительно способствует самоподдерживающейся волны CRD, и какая геометрия камеры сгорания является основным ключевым фактором для стабильной работы CRD, заслуживает дальнейшего исследования.

Полая камера сгорания может рассматриваться как особая конфигурация кольцевой камеры сгорания, в которой внутренний цилиндр удален, а ширина камеры сгорания значительно увеличивается. Хотя считалось, что ширина камеры сгорания играет ключевую роль в CRD углеводородов [36], реализация и стабильная работа CRD углеводородов в увеличенной кольцевой камере сгорания не были достигнуты. Таким образом, переход от кольцевой камеры сгорания к полой камере сгорания при изменении ширины камеры сгорания заслуживает дальнейшего исследования.В этой статье экспериментально проведена серия испытаний на этилен-воздушном топливе. Обобщены рабочий диапазон и характеристики распространения. Анализируются три режима горения по результатам усредненного по времени и высокочастотного давления. Кроме того, поля потока фиксируются высокоскоростной фотографической камерой. Это исследование покажет влияние ширины кольцевой камеры сгорания на CRD этилен-воздух и улучшит теорию конструкции камеры сгорания для CRD, работающей на углеводородном топливе.

2.Экспериментальная система

Схема кольцевой камеры сгорания показана на рисунке 1. Длина и внешний диаметр кольцевой камеры сгорания составляют 230 мм и 130 мм соответственно. На выходе продукты сгорания выбрасываются прямо в атмосферу. Чтобы исследовать влияние ширины, в этой статье внутренние диаметры кольцевой камеры сгорания уменьшаются со 100 мм до 50 мм с интервалом 10 мм. Таким образом, шесть значений ширины кольцевой камеры сгорания изменяются от 15 мм до 40 мм с интервалом 5 мм, обозначенных как W-15, 20, 25, 30, 35 и 40.Воздух комнатной температуры подается через кольцевую сходящуюся-расходящуюся щель с шириной горловины 1,2 мм. А этилен комнатной температуры вводят в камеру сгорания через 120 форсунок, которые равномерно распределены по внутренней окружности диаметром 0,5 мм. Стабильный массовый расход обеспечивается звуковыми инжекторами, установленными в питающих линиях. Точный массовый расход измеряется турбинными расходомерами, погрешность измерения которых не превышает 1%.


В данной статье приняты усредненные по времени и высокочастотные измерения давления, которые были проверены в предыдущих исследованиях [33–35].Усредненное по времени давление в камере сгорания измеряется пьезорезистивными датчиками (Maxwell, модель MPM480). Частота измерения датчика составляет 500 Гц, а его погрешность находится в пределах 0,5% полной шкалы (FS). Одиннадцать датчиков (P1-P11) равномерно установлены в осевом направлении с интервалом 20 мм, а первый датчик P1 расположен в горловине щели для нагнетания воздуха. Высокочастотные давления в камере сгорания получаются двумя пьезоэлектрическими датчиками (PCB113B24) с системой измерения NI.Система измерения NI измеряет динамическое давление с интервалом 0,5 µ с. Датчик на печатной плате имеет разрешение 35 Па и время нарастания менее 2,0 мкм с с диапазоном измерения 6895 Па. Два сенсора на печатной плате установлены в одном осевом поперечном сечении, которое находится на расстоянии 40 мм от нисходящего потока. горловина воздушной щели. Между двумя датчиками печатной платы существует окружной угол 90 °. Детали установки датчика также показаны на рисунке 1.

Временная последовательность, используемая в этом документе, показана на рисунке 2.Последовательно включаются воздух и этилен. Затем в горячую трубку впрыскиваются водород и кислород. После этого смесь водорода и кислорода воспламеняется свечой зажигания в горячей трубке. Позже волна CRD инициируется детонационной волной, генерируемой в горячей трубе. После успешного инициирования волна CRD может распространяться более 300 мс. Затем прекращают подачу этилена и тушат азотом. Наконец, отключают подачу воздуха и азота и заканчивают один эксперимент.


Для лучшего понимания потоковых полей изображения высокоскоростной фотографии захватываются камерой Photron Fast Camera SA-X. Кварцевое окно для оптического наблюдения прикреплено к внешнему корпусу камеры сгорания, как показано на рис. 1. Окно имеет форму прямоугольника и имеет размер. Передняя кромка переднего окна находится в том же осевом поперечном сечении, что и вход в камеру сгорания. В этой статье высокоскоростные фотографии делаются со скоростью 45000 кадров в секунду (fps).А разрешение и время экспозиции — 1/65842 с соответственно.

3. Результаты и обсуждение

Была проведена серия испытаний по изменению ER и ширины камеры сгорания. Массовый расход воздуха контролируется в относительно стабильном диапазоне 750 ± 10 г / с во всех испытаниях. По результатам измерения давления и оптического наблюдения детально анализируется рабочий диапазон и характеристики распространения CRD. Также суммированы эффекты ширины камеры сгорания.

3.1. Рабочий диапазон и режим горения

Рабочий диапазон всех испытаний с шестью ширинами камеры сгорания показан на рисунке 3. Все успешные случаи CRD можно разделить на три режима, то есть одноволновой режим, двухволновый встречно вращающийся. режим и дефлаграция. При испытаниях на отказ сгорание не может поддерживаться в камере сгорания до прекращения подачи топлива. Для каждой конфигурации камеры сгорания существует предел бедной ER. Когда ER ниже предельного значения, стабильное горение (включая дефлаграцию и детонацию) не выполняется.По мере увеличения ширины камеры сгорания предел обедненного ER уменьшается. Это указывает на более широкий рабочий диапазон для CRD с большей шириной камеры сгорания. Из-за низкой химической активности и большого размера детонационной ячейки в кольцевой камере сгорания малой ширины практически не удавалось обеспечить стабильную одиночную волну на этилен-воздушном топливе [24–27]. Однако волны CRD распространяются в режиме одной волны во всех успешных испытаниях, когда ширина находится в диапазоне 30-40 мм. При большой ширине камеры сгорания в передней части камеры сгорания имеется глубокая обращенная назад ступенька.В этой зоне образуется зона рециркуляции, и основной поток замедляется из-за быстрого увеличения площади поперечного сечения камеры сгорания. Таким образом, у этилена и воздуха есть больше времени для смешивания, что может эффективно улучшить качество смешивания. Из-за увлеченного ракетного топлива дефлаграция также происходит в зоне рециркуляции, работающей как пилотное пламя [34]. Дефлаграционное пламя действует как источник возгорания с эффектами турбулентности и высокой температуры, что способствует реализации и устойчивому распространению волны CRD.Все эти факторы способствуют стабильному распространению одиночной волны в камерах сгорания с широким кольцевым пространством.


Для испытаний W-25, одиночная волна также получена на бедном ER, а предел бедного ER составляет около 0,7. Можно найти, что 25 мм — это значение критической ширины для получения одиночной волны. А в богатой ЭР наблюдается двухволновая мода встречного вращения. Волны CRD могут погаснуть, если интенсивность фронта CRD недостаточно велика. Двухволновый режим встречного вращения — эффективный способ ускорить и улучшить тепловыделение.Периодическое столкновение волн CRD способствует быстрому высвобождению энергии, что помогает волнам CRD самоподдерживаться. Для тестов W-20 невозможно достичь одиночной волны. Режим горения меняется с дефлаграции на двухволновой режим встречного вращения с увеличением ER. Дефлаграция — это обычный изобарический режим горения без волны CRD высокого давления. По мере постепенного увеличения ER улучшается химическая активность смеси этилен-воздух. В результате волна CRD может самоподдерживаться в двухволновом режиме встречного вращения.Однако существует богатый предел ER около 1,1. Таким образом, волна CRD может быть получена только в небольшом рабочем диапазоне при ширине 20 мм. При наименьшей ширине 15 мм в этой статье все тесты не позволяют получить CRD. По мере уменьшения ширины обращенная назад ступенька в передней части камеры сгорания становится мельче. Пропеллент течет вниз по потоку с большой осевой скоростью после сходящейся-расходящейся щели. Таким образом, топливо не может полностью смешаться с воздухом за короткое время пребывания, что приводит к плохому качеству смешивания.Кроме того, объем зоны рециркуляции также уменьшается с уменьшением ширины камеры сгорания. Эффекты дефлаграции, работающей как пилотное пламя в этой зоне, ослабевают. В результате режим горения трансформируется в тестах W-20 и W-25. Для W-15 отсутствует обращенная назад ступенька на входе в камеру сгорания, и зона рециркуляции исчезает. Скорость основного потока заметно увеличивается без значительной зоны рециркуляции, и запальное пламя не может поддерживаться в передней части камеры сгорания.Улучшенная организация камеры сгорания разрушается, и поэтому волна CRD не может быть успешно получена в камере сгорания шириной 15 мм. Прежде всего, большая ширина камеры сгорания полезна для более легкого инициирования и более широкого рабочего диапазона волны CRD из-за лучшего качества смешивания и пилотного пламени в зоне рециркуляции.

3.2. Характеристики распространения

В таблице 1 перечислены типичные экспериментальные испытания и соответствующие условия. Подробно проанализированы режимы горения и напорные характеристики в камере сгорания.Стоит отметить, что это усредненная частота распространения CRD-волны.

9049 9049 9049 9049 9049 9049 Одноволновой режим

На рисунке 4 показаны результаты высокочастотного давления в испытании №1, включая исходные высокочастотные сигналы напряжения и местный вид высокочастотных динамических давлений. Из-за высокой частоты распространения и большого тепловыделения волны CRD датчики на печатной плате не успевают восстановиться.Незначительный дрейф накапливается в продолжительности распространения CRD-волны. Таким образом, напряжение представляет собой спад, который называется тепловым дрейфом. Также можно видеть, что волна CRD формируется примерно через 0,8 с, вызывая явный рост напряжения. При этом детонация гаснет примерно через 1,25 с с исчезновением явного нарастания напряжения. Подача этилена прекращается через 1,2 с, в то время как остаточное топливо в трубопроводе и топливной камере все еще поддерживает вращение волны CRD в течение 1,25 с. Волна CRD может непрерывно распространяться около 0.45 с. Процесс фильтрации верхних частот применяется для устранения теплового дрейфа и получения высокочастотных сигналов давления, как показано на рисунке 4 (b). Когда волна CRD проходит через печатную плату, улавливается высокое давление волны CRD. Очевидно, что пиковые давления, зарегистрированные двумя датчиками печатной платы, происходят периодически, а именно «.» А пиковое давление находится в диапазоне от 0,1 МПа до 0,5 МПа.


(a) Исходные высокочастотные сигналы напряжения
(b) Локальный вид высокочастотных динамических давлений
(a) Исходные высокочастотные сигналы напряжения
(b) Местное представление высокочастотных динамическое давление

Мгновенную частоту вращения можно рассчитать по формуле, где — мгновенная частота вращения, а — временной интервал двух пиковых давлений, последовательно регистрируемых одним и тем же датчиком печатной платы, как показано на рисунке 4 (b).Усредненную частоту распространения можно рассчитать по формуле, где N — количество циклов вращения в стабильной продолжительности распространения. Мгновенное частотное распределение и частотное распределение быстрого преобразования Фурье (БПФ) для Теста №1 показано на рисунке 5. Усредненная частота распространения и доминирующая частота БПФ в Тесте №1, соответственно, вычислены как 3,19 кГц и 3,15 кГц. Два метода расчета частоты распространения показывают хорошее совпадение с относительной погрешностью, равной 1.25%. Усредненная скорость распространения может быть рассчитана как, где представляет собой внешний диаметр камеры сгорания, то есть 130 мм. Средняя скорость распространения в тесте №1 рассчитана как 1304,41 м / с, что составляет 71,98% от соответствующей скорости C-J. Характеристики распространения значительно превышают другие исследования CRD этилен-воздух в кольцевой камере сгорания. Учитывая, что в режиме коротации может быть несколько волн CRD, необходимо дополнительно подтвердить количество волн CRD. Это может быть подтверждено следующими уравнениями.(1) — (3), где — номер волнового фронта CRD, а — окружной угол PCB1 и PCB2, а именно π /2. Очевидно, это примерно 1/4. Таким образом, подтверждается как 1, и волна CRD действительно распространяется в режиме одной волны.


(a) Распределение мгновенной частоты распространения
(b) Распределение частоты FFT
(a) Распределение мгновенной частоты распространения
(b) Распределение частоты FFT

Последовательные высокоскоростные фотоснимки Теста № 1 показаны на рисунке 6.Передняя часть CRD довольно яркая из-за сильной хемилюминесценции, которая отмечена красной сплошной линией. Очевидно, что волна CRD распространяется сверху вниз в кадрах от 1 до 4, и направление распространения отмечено красной стрелкой. В кадрах 5 и 6 волна CRD распространяется на другой стороне камеры сгорания, поэтому ее нельзя наблюдать в кварцевом окне. Из-за зоны глубокой рециркуляции в зону уносится много топлива. Способность удерживать пламя в зоне рециркуляции и эффекты пилотного пламени в этой зоне усиливаются.В результате пламя детонационного горения концентрируется около передней части камеры сгорания с большой яркостью, что указывает на то, что волна CRD может стабильно выдерживаться с большой интенсивностью.


3.2.2. Режим двух волн встречного вращения

Локальный вид высокочастотных динамических давлений в Испытании № 2 показан на Рисунке 7. Ясно, что давления колеблются с повторением «». Это указывает на то, что волны CRD распространяются в типичном двухволновом режиме встречного вращения. Исходя из расположения датчика на печатной плате и последовательности пикового давления, считается, что столкновение происходит между нижней дугой окружности, сегментированной двумя датчиками печатной платы.И место столкновения ближе к PCB1, так как пиковое давление и находится между и. Для лучшего понимания режима распространения двух волн, вращающихся в противоположных направлениях, схематический вид показан на рисунке 8. Детонационная волна вращается по часовой стрелке, а вращается против часовой стрелки. Они сталкиваются, из-за чего кварцевое окно не видно. После столкновения детонационные волны превращаются в прошедшие ударные волны. Позже прошедшие ударные волны ускоряются до детонационных волн и. Затем проходит PCB2 и последовательно проходит PCB1, генерируя пиковые давления и соответственно.Через какое-то время столкнусь и на котором ближе PCB1. Точно так же после столкновения генерируются новые детонационные волны и. проходит через PCB1 и проходит через PCB2 последовательно, генерируя пиковые давления и, соответственно. Таким образом, пиковое давление повторяется в регулярных колебаниях «.» Изображения высокоскоростной фотографии двухволновой моды встречного вращения в Тесте № 2 показаны на Рисунке 9. Волна CRD распространяется сверху вниз. Затем он сталкивается с волной CRD за пределами обзора кварцевого окна. После столкновения прошедшие ударные волны снова превращаются в волны CRD, и волны вращаются в исходном направлении.Следовательно, волна CRD N 1 распространяется снизу вверх, как видно на кадрах от 7 до 12. Из-за неглубокой зоны рециркуляции в камере сгорания шириной 25 мм способность удерживать пламя в зоне и влияние пилотного пламени на обе зоны ослаблены. Таким образом, пламя в тесте №2 более тусклое, чем пламя в тесте №1, что указывает на то, что интенсивность горения в двухволновом режиме встречного вращения ниже, чем в одноволновом режиме.




Поскольку две волны распространяются в противоположных направлениях, определение периода распространения отличается от определения режима одиночной волны.Как показано на рисунке 7, время полного периода — это интервал пикового давления, а не -. После обработки фильтра верхних частот и обработки БПФ мгновенная частота распространения и распределение частот БПФ теста № 2 показаны на рисунке 10. Его средняя частота распространения и доминирующая частота БПФ составляют, соответственно, 2,48 кГц и 2,50 кГц, что в хорошем состоянии. соответствие. Более того, пиковое давление двухволновой моды встречного вращения намного ниже, чем у одноволновой моды.Это указывает на то, что интенсивность двухволновой моды встречного вращения слабее, чем одноволновой моды. Из-за эффектов поперечных волн между внутренней и внешней стенками возникают отраженные волны, когда ширина кольцевого пространства находится в определенном диапазоне. И это явление также было обнаружено и обсуждено при исследованиях кольцевой камеры сгорания [37, 38].


(a) Распределение мгновенной частоты распространения
(b) Распределение частоты FFT
(a) Распределение мгновенной частоты распространения
(b) Распределение частоты FFT
3.2.3. Дефлаграция

Когда CRDE работает в режиме дефлаграции, волна CRD не распространяется по окружности в камере сгорания. Топливо расходуется при традиционном изобарическом сгорании. Локальный вид высокочастотных динамических давлений в Испытании № 3 проиллюстрирован на рисунке 11. Высокочастотные давления колеблются около 0, и нет явных пиковых давлений или периодических колебаний. Это означает, что в камере сгорания нет вращающейся волны давления. В отличие от теста №1 и №2, надежная доминирующая частота БПФ в тесте №3 не получается в распределении частот БПФ, как показано на рисунке 12.Изображения высокоскоростной фотографии теста № 3 показаны на рисунке 13. Изображения довольно тусклые, что указывает на то, что интенсивность дефлаграции намного ниже, чем в режимах CRD. Дефлаграция в основном происходит около передней части камеры сгорания, и яркость исчезает по мере того, как основной поток движется вниз по потоку. Нет отчетливого пламени сгорания, вращающегося по окружности в камере сгорания, что указывает на то, что волна CRD не получается. Усредненные по времени осевые давления Теста №1-3, зарегистрированные P1-P11, показаны на Рисунке 14.Усредненные по времени давления в Тесте №1 являются самыми высокими, а в Тесте №3 — самыми низкими, что указывает на то, что интенсивность горения в режиме одной волны, двухволновом режиме встречного вращения и дефлаграции последовательно уменьшается. P1 расположен в горловине воздушной щели, а P2 расположен недалеко от входа в камеру сгорания. Поскольку в передней части камеры сгорания имеется обращенная назад ступенька, площадь поперечного сечения камеры сгорания быстро увеличивается, так что среднее по времени давление заметно падает между P1 и P2.При той же площади поперечного сечения камеры сгорания давление увеличивается умеренно, достигая первого пика на P4 из-за сгорания. В результате расширения за волной CRD среднее по времени давление снижается между P4 и P8. Под влиянием выходного давления на выходе из камеры сгорания второй пик среднего по времени давления возникает на P9.





3.3. Влияние ширины камеры сгорания

Влияние ширины камеры сгорания на CRD суммировано в этом разделе.Как было проанализировано выше, самое высокое усредненное по времени давление находится внутри фронта волны CRD в передней части камеры сгорания. Таким образом, усредненное по времени давление P4 используется для представления давления в камере сгорания и для оценки влияния ширины камеры сгорания на сгорание, как показано на рисунке 15. В общем, давление P4 увеличивается по мере увеличения ширины камеры сгорания, в основном из-за к разнице в режиме горения. Минимальное давление создается в режиме дефлаграции в камере сгорания W-20. Более высокое давление достигается в двухволновом режиме встречного вращения, в то время как самое высокое давление достигается в одноволновом режиме.Это указывает на то, что в режиме CRD можно получить больший прирост давления, чем при обычном изобарическом сгорании. Давление, полученное в камере сгорания W-35, довольно близко к давлению в камере сгорания W-40, когда ER ниже 1,2. Однако давление в камере сгорания W-40 резко падает, в то время как оно остается стабильным в камере сгорания W-35 на высокообогащенном ER. Можно сделать вывод, что оптимальные двигательные характеристики могут быть достигнуты в камере сгорания W-35. Кроме того, давление P4 в каждой камере сгорания сначала увеличивается, а затем падает по мере увеличения ER от бедной стадии к богатой.Поскольку высокая химическая активность пороха достигается, когда топливо стехиометрическое, в этих условиях достигаются высокие давления.


Влияние ширины камеры сгорания на частоту распространения показано на рисунке 16, и обсуждение касается только режимов детонации. Частота распространения положительно коррелирует с шириной камеры сгорания. В камерах сгорания W-40, W-35 и W-30 все волны CRD распространяются в режиме одной волны, и частота, полученная в этих камерах сгорания, немного зависит от изменения ER.В этой статье самая высокая частота и скорость распространения волны CRD составляют соответственно 3,24 кГц и 1325,56 м / с на ER = 1,12, полученном в камере сгорания W-40. Наибольшая скорость составляет 71,51% от соответствующей скорости CJ, и она превосходит другие исследования [24–27]. С уменьшением ширины камеры сгорания в камерах сгорания W-25 и W-20 наблюдается двухволновой режим встречного вращения. В камере сгорания шириной 20 мм частота довольно низкая в диапазоне 2,21–2,32 кГц, а средняя скорость составляет всего 50.31% -52,41% соответствующей скорости CJ. В камере сгорания шириной 20 мм возникает большой дефицит скорости. Как упоминалось в разделе 3.1, при уменьшении ширины влияние пилотного пламени ослабевает, и качество смешивания ухудшается, поскольку обращенная назад ступенька становится мельче. Как ослабленное воздействие пилотного пламени, так и плохое качество перемешивания могут привести к снижению интенсивности горения и скорости распространения. Кроме того, столкновение волн также способствует большому дефициту скорости.


Влияние ширины камеры сгорания на устойчивость распространения показано на рисунке 17.Относительное стандартное отклонение мгновенной частоты распространения в продолжительности распространения используется для количественной оценки стабильности. Методы расчета определяются как и, где — стандартное отклонение, — количество циклов распространения и — относительное стандартное отклонение [29]. Стабильность распространения отрицательно коррелирует с шириной камеры сгорания в различных режимах распространения CRD. Сильная нестабильность возникает в двухволновом режиме встречного вращения, и отклонение может достигать 33.67% в камере сгорания W-20. Напротив, достаточно стабильное распространение волны CRD получается в одиночной волне, и все отклонения составляют менее 15% в камере сгорания W-40. Можно сделать вывод, что большая ширина камеры сгорания способствует устойчивому распространению CRD-волны. Кроме того, отклонение сначала уменьшается, а затем увеличивается по мере увеличения ER. Минимальное значение достигается, когда ER составляет около 1,0 в каждой камере сгорания. Когда ER составляет около 1,0, химическая активность пороха высока, так что порох легче воспламеняется.Это полезно для стабильного распространения волны CRD. В заключение, широкая камера сгорания и стехиометрический ER способствуют стабильному распространению CRD-волны.


4. Выводы

Чтобы выяснить влияние ширины камеры сгорания на CRD этилен-воздух в кольцевой камере сгорания, проводится серия испытаний с изменением ER в камерах сгорания с разной шириной. Результаты экспериментов были подробно проанализированы по результатам измерения давления и высокоскоростным фотографиям.Сделаны следующие выводы: (1) Ширина камеры сгорания имеет большое влияние на реализацию CRD этилен-воздух, а критическая ширина камеры сгорания для реализации CRD этилен-воздух составляет 20 мм в этой статье. При большой ширине камеры сгорания в передней части камеры сгорания имеется глубокая обращенная назад ступенька. Таким образом, основной поток замедляется из-за быстрого увеличения площади поперечного сечения камеры сгорания, и улучшается качество смешивания. Кроме того, пилотное пламя в зоне рециркуляции может в значительной степени способствовать реализации и устойчивому распространению CRD-волны (2). Ширина камеры сгорания также влияет на режимы распространения CRD-волн, а критическая ширина камеры сгорания для получения одиночной волны составляет 25 мм. Эта бумага.По мере увеличения ширины режим распространения изменяется от двухволнового режима встречного вращения к режиму одиночной волны. Характеристики обоих режимов хорошо анализируются с помощью высокочастотного давления и высокоскоростных фотографических изображений. (3) Одноволновый режим достигается в широком рабочем диапазоне в широких камерах сгорания, и волна CRD распространяется с высокой частотой в этом режиме. При ER, равном 1,12 в камере сгорания W-40, самые высокие усредненные частота и скорость распространения составляют 3,24 кГц и 1325,56 м / с, соответственно. Скорость составляет 71.51% от соответствующей скорости CJ (4) Когда ширина камеры сгорания большая, достигается высокое давление в камере сгорания и стабильное распространение CRD. Несмотря на большой объем камеры сгорания, детонационное сгорание в широких камерах сгорания создает более высокое давление по сравнению с дефлаграцией в камере сгорания W-20. Относительное стандартное отклонение мгновенной частоты распространения резко уменьшается с увеличением ширины камеры сгорания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *


Тест Ширина / (мм) ER Режим распространения / (кГц)
756 0,96 Одноволновой режим 3,19
# 2 25 745 1.07 Двухволновый режим вращения в противоположных направлениях 2,48
# 3 20 744 0,76 Дефлаграция