Расчетные зависимости энергии взрыва.

Лазерный взрыв.

Наряду с детонирующим воздействием лазерное излучение является мощным средством инициирования взрыва. Это объясняется высокой концентрацией энергии в лазерном луче. Поэтому в фокусе луча происходят взрывы воздуха, сопровождаемые свечением области взрыва.

Некоторые представления о параметрах взрыва можно получить в результате энергетической оценки импульса реального неодимового лазера с энергией излучения 600 Дж за 2 мкс.

Оценка энергии инициированного лазером взрыва атмосферного воздуха.

1. Реакция взрыва.

компоненты продукты

воздуха реакции
N₂ + О₂ → Н₂О + С + О₂

1) Не зная точно количества С и О₂ , примем С → 0
О₂ → 0

2) Это означает, что азот воздуха разлагается на Н и О и реакция образования воды идет нацело: 2Н + О = Н₂О (из 1 кг воздуха получается 1 кг воды /пара/).

2. Теплота реакции известна Q_Н = 121 МДж/кг (водорода).

3. Объем взрыва V_взр. ~2 л.

Масса воздуха G_вз = ρ_вз × V_вз = 1,2 × 0,002 = 0,0024 кг.

4. Количество водорода, получающегося из этого воздуха (по соотношению атомных весов в Н₂О → водорода 1/9):

G _н = (1 / 9)G_вз = = 0,000267 кг водорода

5. Теплота реакции, отнесенная к объему взрыва:

Q_взр= Q_н×G_н = 121×0,000267 = 0,0322 МДж (32,2 кДж)

(получено в 32200/600 = 54 раз больше, чем затрачено неодимовым лазером /600 Дж/).

6. Теплота реакции, отнесенная к 1 кг воздуха:

МДж/кг воздуха

7. Теплота реакции, отнесенная к 1 кг топлива (на 1 кг органического топлива требуется ~15 кг воздуха):
Q_т = 15Q_возд. = 15 × 13,5 = 200 МДж/кг топлива (~в 5 раз больше, чем Q бензина).

8. Мощность взрыва (при скорости детонации ~6 км/с и радиусе облака ~10 см):

- время взрыва τ_вз = = 0,0000166 с = 16,6 мкс;

- мощность взрыва N_вз = Q_{взр./τвз} = 0,032200∙10⁶/ 16,6 = 1940 МВт – = 1,94ГВт

(Мощность импульса лазерa (τ_л = 2 мкс) N_л = ∙10⁶=
= 300 МВт = 0,3 ГВт).

9. Температура в облаке взрыва (из условия 90% тепла – на нагрев, остальное –на ионизацию)

Е_вз = Т₀ + К (средняя)

10. Давление.

Среднее давление Р_вз = Q_вз / V_вз = 32200 Дж/0,002 м³ = = 16100000 Дж/м³ (Па) =16,1 МПа(161 атм.). Давление в эпицентре Р_э 350...400 атм.

11 . Удельная мощность инициирующего воздействия лазера.

Толщина луча в фокусе d_Λ 1 мм;

объем зоны инициации V_Λ = d_Λ³ = 1 мм³ =10^-9м³.

Удельная мощность q_Λ =

(Удельная теплоемкость при взрыве, например, бензина в воздухе составляет ориентировочно 50 ГВт/м³, что на 8 порядков уступает удельной мощности лазерного луча в его фокусе).

Воздушный взрыв.

Как видно из приведенных выше примеров воздушные взрывы могут произойти внезапно при наличии плазмы и электронов в достаточном количестве. Если состояние раздробленности воздуха не полное и азот не участвует в реакциях, то наличие одного электрона связи на каждые два атома молекулы кислорода не вызывает ни горения, ни взрыва: нужен еще донор одного электрона на молекулу кислорода, чтобы осуществить горение, а при условии разгона фронта горения –взрыв. При этом происходит частичный распад атома кислорода и энергия взрыва вычисляется как произведение массы кислорода в объеме плазмы на величину удельной энергии связи элементарных частиц в атоме и на долю утраченной массы атомов кислорода:

Q_вз = Мо₂ ∙q_я ∙ Аm = Мо₂ ∙ 3,2885351∙10¹⁴ Дж/кг ×
× 4,27∙10^-8 = 14∙10⁶ Мо₂ Дж.

В случае участия в реакции азота оба атома его молекулы обеспечены собственными электронами по одному на каждый атом. Тогда приближенно можно считать, что на каждую единицу массы кислорода добавляется примерно 4 единицы реагирующего вещества, то есть мощность взрыва увеличивается – в пять раз:

Q_вз = 5 ∙ 14 ∙ 10⁶ Мо₂ = 70∙10⁶ Мо₂ Дж.

Величину Мо₂ вычисляют для конкретных условий содержания кислорода в воздухе.

В связи с неизученностью данного направления – атомные взрывы кислорода и азота атмосферного воздуха – всякие расчеты будут приближенными. Поэтому мощность взрыва следует уточнять или определять экспериментально.