Александр Прищепенко - Шелест гранаты

…Момент был сочтен удачным: родители были заняты застольными разговорами. Достав малую саперную лопатку, я начал копать недалеко от подсобки. Земля поддавалась легко. Наконец, когда ямка достигла глубины штыка лопатки, я достал коробочку из-под духов, где, завернутые в фольгу, лежали примерно 100 граммов ДНДАФ[1] – результат недельных химических опытов.

ДНДАФ – стойкий краситель: кожа рук более недели после завершения «производства» не теряла грязно-коричневый оттенок, который нельзя было соскрести даже пемзой. Но целью являлось, конечно же, не получение красителя: ДНДАФ был мощным взрывчатым веществом (ВВ), причем инициирующим – взрывался даже от слабой искры. В развернутую фольгу была помещена лампочка от карманного фонаря с разбитым баллоном и спиралью, обмазанной размягченной в ацетоне и затем высушенной пороховой смесью. Два провода, ведущих к лампочке, были прокинуты в сторону от «шахты», которая была засыпана и тщательно утрамбована. Мелькнула мысль положить сверху еще и тяжелый камень, но ангел-хранитель и лень не допустили такой глупости: при неблагоприятном стечении обстоятельств камень мог бы и «заплясать» на голове «руководителя испытаний». Наконец, я лег на землю в десятке метров от «шахты», взял в одну руку фотоаппарат, а пальцем другой (с намотанным на него проводом) стал нащупывать контакт батарейки…

Рис. 1.1 Неудавшийся «камуфлет»

…Контакт был замкнут неожиданно: внезапный сильный удар по ушам оглушил, он же вызвал судорогу пальца на спуске фотоаппарата (рис. 1.1). Не было никакого протяжного гула, «как в кино». Вверх взлетела туча дыма, песка и какие-то ошметки.

Задуманный камуфлет – подземный взрыв без выброса газообразных продуктов на поверхность – явно таковым не получился. Ни с чем не сравнимый запах этих газов щипал ноздри и легкие. Мне суждено было вдохнуть его тысячи раз…

… По ушам «руководителю испытаний» хлопнула тогда ударная волна, а в шахте произошла детонация. Эти явления тесно связаны.

Движение поршня, как и любое другое, можно представить как последовательность очень малых перемещений. Каждое из них формирует возмущение: чуть-чуть поджимает газ впереди себя и сообщает сжатой массе скорость поршня (рис. 1.2). В этой слабой (акустической) волне, скорость фронта равна скорости звука, но в сжатом газе скорость звука больше, чем в несжатом, и, поскольку дальнейшие возмущения пойдут по сжатому, они будут иметь большую скорость. Кроме того, сам сжатый газ движется со скоростью поршня и, следовательно, относительно цилиндра скорость второй волны равна сумме скоростей: поршня и увеличенной – звука. Эта сумма и подавно превосходит скорость первого возмущения, поэтому вторая волна сжатия непременно догонит первую и усилит ее. Но перегнать ее она не сможет, так как для этого ей пришлось бы перейти в несжатый газ, где скорость распространения возмущения опять равна начальной скорости звука. Таким образом, поршень погонит удаляющуюся от него волну сжатия увеличивающейся амплитуды, которая образуется в результате слияния отдельных слабых возмущений. Со временем, количество перейдет в качество: на фронте волны образуется резкий скачок уплотнения, в котором будет расти давление – до сколь угодно больших значений, в зависимости от скорости поршня. Такое резкое, происходящее на расстоянии порядка длины свободного пробега молекул изменение параметров вещества – и называется ударной волной.

Рис. 1.2

Вверху: образование ударной волны поршнем, вдвигаемым в цилиндр с газом (в «красной» области – ударно-сжатый, нагретый и более плотный газ). Внизу: ударно-волновой процесс в конденсированном веществе. Срабатывание электродетонатора (его провода видны в правой части снимка) привело к формированию в заряде динамита ударной волны, за которой последовала химическая реакция (произошла детонации этого мощного взрывчатого состава)

В сформировавшейся УВ все параметры связаны взаимнооднозначным соответствием. Иными словами: для идентичных начальных условий невозможно сформировать волны, например, с одинаковыми скоростями, но разными давлениями во фронте или температурами. Это существенно упрощает многие эксперименты: достаточно измерить скорость или любую другую характеристику УВ – и остальные ее параметры можно определить по таблицам. Правда, подобное справедливо лишь для однократного ударного сжатия вещества. Если же оно сжимается несколькими волнами – тут возможны варианты.

УВ не только сжимает, она также и нагревает вещество, из-за чего плотность сжатого вещества не становится сколь угодно большой при неограниченном росте давления, а стремится к конечному пределу (воздух, например, сжимается не более чем в 6 раз). Предел ударного сжатия существует и для конденсированных веществ, а, поскольку сжатие конечно, массовая скорость вещества (скорость поршня) всегда меньше скорости фронта (рис. 1.3).

Рис. 1.3

«Карандашная» иллюстрация сжатия вещества в УВ. Моделируется «воздушный» врыв и УВ распространяется сверху вниз. Пусть сжатие – двукратное, тогда в невозмущенном веществе зазоры должны быть равны толщине карандашей

(так расположены карандаши зеленого цвета, имитирующие невозмущенное вещество). Начнем двигать верхний карандаш. Выбрав зазор, этот карандаш толкнет соседний, тот, пройдя зазор, – следующий и т. д. «Ударное сжатие» привело к смещению карандашей, захваченных процессом, «повышению плотности вещества». При этом «фронт» процесса (граница области, где находятся карандаши без зазоров между ними) всегда опередит любой из двигающихся карандашей. Чем больше сжатие (больше расстояние между карандашами), тем меньше различаются массовая скорость и скорость фронта, но отличие существует всегда. Цветами карандашей автор попытался проиллюстрировать и температурный профиль волны

Но все это относится к субстанциям инертным, а ведь есть и такие, распад метастабильных[2] молекул которых происходит с выделением энергии. Достаточно мощная УВ как раз и инициирует этот процесс: за ударным фронтом вещество нагревается и начинается химическая реакция. Вначале энергией этой реакции фронт «подпитывается», ускоряясь, затем устанавливается равновесие. Такой процесс называется детонацией, а установившаяся скорость УВ и химической реакции за ее фронтом – скоростью детонации, которая для современных ВВ близка к 10 км/с.

Понятно, что термодинамические характеристики вещества изменяются при протекании в нем реакции, но явление детонации вполне возможно описать в рамках теории УВ: скорость детонации относительно продуктов реакции равна местной скорости звука в продуктах реакции (запомним это!).