การระเบิดรุนแรง

การระเบิดรุนแรง (อังกฤษ: detonation) คือกระบวนการการเผาไหม้ชนิดหนึ่งซึ่งมีหน้าการคายความร้อนที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางด้วยความเร็วเหนือเสียงที่ต่อมาผลิตหน้าคลื่นกระแทกที่แพร่อยู่ข้างหน้ามัน วัตถุระเบิดมาตรฐานทั้งแบบแข็งและเหลว รวมทั้งแก๊สไวปฏิกิริยาทำให้เกิดการระเบิดรุนแรงได้ ความเร็วการระเบิดรุนแรง (detonation velocity) ในวัตถุระเบิดแบบแข็งกับเหลวนั้นสูงกว่าแบบแก๊สอย่างมาก ทำให้สามารถสังเกตระบบคลื่นในรายละเอียดที่มากขึ้น (ความละเอียดของภาพสูง; Image resolution)

การระเบิดรุนแรงของวัถุระเบิด ทีเอนที 500 ตันในระหว่างปฏิบัติการเซย์เลอร์แฮต (Operation Sailor Hat) คลื่นกระแทกลูกแรกสามารถมองเห็นได้บนผิวน้ำ และเมฆควบแน่นกระแทกก็เห็นได้อยู่ด้านบน

เชื้อเพลิงมีความหลากหลายอย่างมากไม่ว่าจะปรากฏในรูปของแก๊ส หมอกละออง หรือฝุ่นแขวนลอย ออกซิแดนต์ (oxidizing agent) เช่นแฮโลเจน โอโซน ไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์ และออกไซด์ของไนโตรเจน การระเบิดรุนแรงแบบแก๊สมักจะเกี่ยวข้องกับส่วนผสมของเชื้อเพลิงและออกซิแดนต์ในอัตราส่วนที่มีความไวไฟต่ำกว่ามาตรฐานอยู่ไม่มาก ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในระบบจำกัด แต่บางครั้งก็เกิดขึ้นได้ในเมฆไอ (vapour cloud) วัสดุอื่น ๆ เช่นอะเซทิลีน โอโซน และไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์สามารถระเบิดได้แม้ไม่มีไดออกซิเจน (อัญรูปหนึ่งของออกซิเจน; dioxygen)

การระเบิดรุนแรงถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1881 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสสองคู่ คือ มาร์เซอลัง แบร์เทอโลต์ (Marcellin Berthelot) กับพี. วิเยย (Paul Marie Eugène Vieille) และแอร์เนสต์-ฟรังซัวส์ มัลลารด์ (Ernest-François Mallard) กับอองรี หลุยส์ เลอ ชาเตอลิเอ (Henry Louis Le Chatelier) การคาดการณ์ทางคณิตศาสตร์ของการแพร่ถูกดำเนินการเป็นครั้งแรกโดยเดวิด แชปแมน (David Chapman) ในปี ค.ศ. 1899 และโดยเอมิล ฌูเกต์ (Émile Jouguet) ในปี ค.ศ. 1905, 1906 และ 1917 ยาคอฟ เซลโดวิช (Yakov Zeldovich), จอห์น ฟอน นอยมันน์, และ แวร์เนอร์ เดอริง (W. Doering) ได้สร้างความก้าวหน้าต่อความเข้าใจที่มีต่อการระเบิดอย่างรุนแรงในช่วงต้นทศวรรษ 1940s

ทฤษฎี

ทฤษฎีแชปแมน-ฌูเกต์ (Chapman-Jouguet condition) เป็นทฤษฎีพื้นฐานที่สุดที่คาดการณ์พฤติกรรมของการระเบิดรุนแรงในแก๊สซึ่งถูกพัฒนาขึ้นในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 20 ทฤษฎีนี้จำลองการระเบิดรุนแรงเป็นคลื่นกระแทกที่มาพร้อมกับการคายความร้อนด้วยชุดของสมการพีชคณิตแบบง่าย ๆ ทฤษฎีเช่นนี้จำกัดกระบวนการทางเคมีและการแพร่ไว้ในพื้นที่ที่บางเป็นกณิกนันต์

ทฤษฎีที่ซับซ้อนกว่าถูกคิดขึ้นมาในยุคสงครามโลกครั้งที่สองโดยยาคอฟ เซลโดวิช, จอห์น ฟอน นอยมันน์, และแวร์เนอร์ เดอริง โดยอิสระจากกัน ทฤษฎีนี้ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าตัวแบบการระเบิดรุนแรง ZND (ZND detonation model) ยอมรับถึงการมีอยู่ของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในอัตราจำกัด ดังนั้นจึงอธิบายการระเบิดรุนแรงเป็นคลื่นกระแทกที่บางเป็นกณิกนันต์ที่ตามด้วยพื้นที่ที่มีปฏิกิริยาเคมีคลายความร้อน เมื่อใช้คลื่นกระแทกเป็นจุดอ้างอิงที่อยู่นิ่งแล้ว การไหลที่ตามหลังคลื่นจะมีความเร็วต่ำกว่าเสียง พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาเคมีที่เคลื่อนที่ข้างหลังติดหน้าคลื่นจึงสามารถจ่ายพลังงานให้กับคลื่นกระแทกผ่านทางเสียงได้ นี่คือเงื่อนไขแชปแมน-ฌูเกต์ (Chapman-Jouguet condition) มีหลักฐานบางส่วนที่ชี้ว่าพื้นที่ปฏิกิริยามีคุณสมบัติกึ่งโลหะในวัตถุระเบิดบางชนิด (ไนโตรมีเทน; nitromethane)

ทั้งสองทฤษฎีอธิบายหน้าคลื่นหนึ่งมิติที่คงตัว แต่ทว่าในช่วงปี ค.ศ. 1960s การทดลองแสดงให้เห็นว่าการระเบิดรุนแรงในแก๊สส่วนใหญ่จะมีโครงสร้างสามมิติที่ไม่คงตัวซึ่งสามารถคาดการณ์ด้วยทฤษฎีหนึ่งมิติแบบคงตัวได้โดยเฉลี่ยเท่านั้น และแน่นอนคลื่นแบบนั้นจะสลายไปในขณะที่โครงสร้างถูกทำลาย เราสามารถใช้ทฤษฎีการระเบิดรุนแรงวูด-เคิร์กวูด (Wood-Kirkwood detonation theory) เพื่อแก้ไขในเรื่องข้อจำกัดเหล่านี้บางข้อ

การศึกษาการทดลองเปิดเผยเงื่อนไขที่จำเป็นในการแพร่ของหน้าคลื่นแบบนี้ ระยะของสัดส่วนการผสมกันระหว่างเชื้อเพลิงกับตัวออกซิไดซ์หรือสารที่สลายตัวด้วยตัวเองและสารเฉื่อยจะอยู่ต่ำกว่าเส้นจำกัดความไวไฟเล็กน้อยสำหรับการระเบิดรุนแรงในพื้นที่บรรจุที่จำกัด มีการแสดงอิทธิพลของการเพิ่มความเข้มข้นของตัวละลายกับการขยายตัวของเซลล์ระเบิดแต่ละเซลล์ให้เห็น ในทางคล้ายกัน ขนาดของเซลล์ก็ใหญ่ขึ้นในขณะที่ความดันต้นลดลง ในเมื่อขนาดของเซลล์ต้องเข้ากับขนาดขั้นต่ำของบรรจุภัณฑ์ คลื่นใด ๆ ที่ถูกเอาชนะโดยตัวจุดระเบิดก็จะสลายไป

การจำลองทางคณิตศาสตร์มีความก้าวหน้าในการคาดการณ์การไหลที่ซับซ้อนข้างหลังปฏิกิริยาที่เหนี่ยวนำให้เกิดคลื่นกระแทกอยู่อย่างต่อเนื่อง ณ ปัจจุบันยังไม่มีแบบจำลองใดที่อธิบายได้อย่างเพียงพอว่าโครงสร้างนั้นเกิดขึ้นและคงตัวอยู่หลังคลื่นที่ไม่ถูกจำกัดได้อย่างไร

การประยุกต์

เหตุหลักของความเสียหายจากการระเบิดรุนแรงคือหน้าการระเบิดที่เร็วกว่าเสียงในบริเวณรอบด้านเมื่อใช้ในอุปกรณ์ระเบิด (คลื่นกระแทกที่ทรงพลัง) ซึ่งนี่ต่างจากการลุกไหม้อย่างมีนัยยะสำคัญซึ่งการลุกไหม้มีคลื่นการคลายความร้อนที่ความเร็วต่ำกว่าเสียง เพราะฉะนั้นการระเบิดรุนแรงมักใช้เพื่อทำลายล้างในขณะที่การลุกไหม้จะถูกใช้ในการเร่งกระสุนหรือขีปนาวุธ แต่คลื่นของการระเบิดรุนแรงก็อาจนำมาใช้ในทางที่ทำลายล้างน้อยกว่า เช่นการพอกสารเคลือบลงบนพื้นผิว การทำความสะอาดเครื่องมือ (เช่นการกำจัดเศษถ่านหิน) หรือแม้แต่การเชื่อมอัดระเบิด (explosive welding) โลหะที่เชื่อมด้วยวิธีปกติไม่ได้ให้เชื่อมเข้าด้วยกัน เครื่องยนต์ระเบิดพัลส์ (Pulse detonation engine) ใช้คลื่นระเบิดเพื่อขับเคลื่อนในการบินและอวกาศ อากาศยานที่ใช้เครื่องยนต์ระเบิดพัลส์ขึ้นบินเป็นครั้งแรกที่ท่าอากาศยานและอวกาศยานโมฮาวี (Mojave Air & Space Port) ในวันที่ 31 มกราคม ปี ค.ศ. 2008

ในเครื่องยนต์และอาวุธปืน

การระเบิดรุนแรงโดยไม่เจตนาเป็นปัญหาในบางอุปกรณ์ที่ต้องการการลุกไหม้ เรียกว่าเครื่องยนต์น็อก (engine knocking) ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน การน็อกทำให้เสียพลัง เครื่องร้อนเกิน และในที่สุดเครื่องก็อาจล้มเหลวได้ ส่วนในอาวุธปืน การระเบิดรุนแรงอาจทำให้เกิดการล้มเหลวอย่างมหันต์หรืออาจถึงแก่ชีวิตได้

ดูเพิ่ม

• การระเบิดคาร์บอน (Carbon detonation)
• การระเบิดระบาด (Sympathetic detonation)
• การทดลองอาวุธนิวเคลียร์
• การลุกไหม้
• เครื่องยนต์น็อก (Engine knocking)
• เงื่อนไขแชปแมน-ฌูเกต์ (Chapman-Jouguet condition)
• ตัวจุดระเบิด (Detonator)
• ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์
• เพชรนาโนจากการระเบิด (Detonation diamond)
• วัตถุระเบิด
• สมมูลทีเอ็นที
• อุปกรณ์ป้องกันไฟย้อนจากการระเบิด (Detonation flame arrester)

อ้างอิง

1. Fickett; Davis (1979). Detonation. Univ. California Press. ISBN 978-0-486-41456-0.
2. Stull (1977). Fundamentals of fire and explosion. Monograph Series. 10. A.I.Chem.E. p. 73.
3. Urben, Peter; Bretherick, Leslie (2006). Bretherick's Handbook of Reactive Chemical Hazards (7th ed.). London: Butterworths. ISBN 978-0-12-372563-9.
4. 6 M. Berthelot and P. Vieille, “On the velocity of propagation of explosive processes in gases,” Comp. Rend. Hebd. Séances Acad. Sci., Vol. 93, pp. 18-21, 1881
5. 5 E. Mallard and H. L. Le Chatelier, “On the propagation velocity of burning in gaseous explosive mixtures,” Comp. Rend. Hebd. Séances Acad. Sci., Vol. 93, pp. 145-148, 1881
6. Chapman, D. L. (1899). VI. On the rate of explosion in gases. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 47(284), 90-104.
7. Jouguet, E. (1905). On the propagation of chemical reactions in gases. J. de mathematiques Pures et Appliquees, 1(347-425), 2.
8. Jouguet, E. J. (1906). Mathem. Pures Appl. 1. 1905. P. 347-425. And 2.
9. Jouguet, É. (1917). L'œuvre scientifique de Pierre Duhem. Doin.
10. Zel'dovich; Kompaneets (1960). Theory of Detonation. New York: Academic Press. ASIN B000WB4XGE. OCLC 974679.
11. von Neumann, John (1942). Progress report on "Theory of Detonation Waves" (รายงาน). OSRD Report No. 549. Ascension number ADB967734. http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADB967734. 
12. Doring, W. (1943). "Über den Detonationsvorgang in Gasen". Annalen der Physik. 43 (6–7): 421–436. Bibcode:1943AnP...435..421D. doi:10.1002/andp.19434350605.
13. Chapman, David Leonard (January 1899). "On the rate of explosion in gases". Philosophical Magazine. Series 5. London. 47 (284): 90–104. doi:10.1080/14786449908621243. ISSN 1941-5982. LCCN sn86025845.
14. Jouguet, Jacques Charles Emile (1905). [On the propagation of chemical reactions in gases] (PDF). Journal de Mathématiques Pures et Appliquées. 6. 1: 347–425. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม (PDF) เมื่อ 2013-10-19. สืบค้นเมื่อ 2013-10-19. Continued in Continued in Jouguet, Jacques Charles Emile (1906). [On the propagation of chemical reactions in gases] (PDF). Journal de Mathématiques Pures et Appliquées. 6. 2: 5–85. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม (PDF) เมื่อ 2015-10-16.
15. Reed, Evan J.; Riad Manaa, M.; Fried, Laurence E.; Glaesemann, Kurt R.; Joannopoulos, J. D. (2007). "A transient semimetallic layer in detonating nitromethane". Nature Physics. 4 (1): 72–76. Bibcode:2008NatPh...4...72R. doi:10.1038/nphys806.
16. Edwards, D.H.; Thomas, G.O. & Nettleton, M.A. (1979). "The Diffraction of a Planar Detonation Wave at an Abrupt Area Change". Journal of Fluid Mechanics. 95 (1): 79–96. Bibcode:1979JFM....95...79E. doi:10.1017/S002211207900135X.
17. D. H. Edwards; G. O. Thomas; M. A. Nettleton (1981). A. K. Oppenheim; N. Manson; R.I. Soloukhin; J.R. Bowen (บ.ก.). "Diffraction of a Planar Detonation in Various Fuel-Oxygen Mixtures at an Area Change". Progress in Astronautics & Aeronautics. 75: 341–357. doi:10.2514/5.9781600865497.0341.0357. ISBN 978-0-915928-46-0.
18. Glaesemann, Kurt R.; Fried, Laurence E. (2007). "Improved wood–kirkwood detonation chemical kinetics". Theoretical Chemistry Accounts. 120 (1–3): 37–43. doi:10.1007/s00214-007-0303-9.
19. Nettleton, M. A. (1980). "Detonation and flammability limits of gases in confined and unconfined situations". Fire Prevention Science and Technology (23): 29. ISSN 0305-7844.
20. Munday, G.; Ubbelohde, A.R. & Wood, I.F. (1968). "Fluctuating Detonation in Gases". Proceedings of the Royal Society A. 306 (1485): 171–178. Bibcode:1968RSPSA.306..171M. doi:10.1098/rspa.1968.0143.
21. Barthel, H. O. (1974). "Predicted Spacings in Hydrogen-Oxygen-Argon Detonations". Physics of Fluids. 17 (8): 1547–1553. Bibcode:1974PhFl...17.1547B. doi:10.1063/1.1694932.
22. Oran; Boris (1987). Numerical Simulation of Reactive Flows. Elsevier Publishers.
23. Sharpe, G.J.; Quirk, J.J. (2008). "Nonlinear cellular dynamics of the idealized detonation model: Regular cells" (PDF). Combustion Theory and Modelling. 12 (1): 1–21. Bibcode:2007CTM....12....1S. doi:10.1080/13647830701335749.
24. Nikolaev, Yu.A.; Vasil'ev, A.A.; Ul'yanitskii & B.Yu. (2003). "Gas Detonation and its Application in Engineering and Technologies (Review)". Combustion, Explosion, and Shock Waves. 39 (4): 382–410. doi:10.1023/A:1024726619703.
25. Huque, Z.; Ali, M.R. & Kommalapati, R. (2009). "Application of pulse detonation technology for boiler slag removal". Fuel Processing Technology. 90 (4): 558–569. doi:10.1016/j.fuproc.2009.01.004.
26. Kailasanath, K. (2000). "Review of Propulsion Applications of Detonation Waves". AIAA Journal. 39 (9): 1698–1708. Bibcode:2000AIAAJ..38.1698K. doi:10.2514/2.1156.
27. Norris, G. (2008). "Pulse Power: Pulse Detonation Engine-powered Flight Demonstration Marks Milestone in Mojave". Aviation Week & Space Technology. 168 (7): 60.
28. Andre Simon. "Don't Waste Your Time Listening for Knock..." High Performance Academy.

แหล่งข้อมูลอื่น

 

วิกิพจนานุกรม มีความหมายของคำว่า:
การระเบิดรุนแรง

• ฐานข้อมูลการระเบิดรุนแรงของห้องปฏิบัติการพลศาสตร์การระเบิด GALCIT