Ученые из Шанхайского университета Цзяо Тун разобрались, почему одни взрывы перерастают в сверхзвуковую детонацию, а другие — нет. Раньше этот процесс казался хаотичным, но теперь ясно: есть четыре четких пути, по которым пламя превращается в ударную волну.

Результаты опубликованы в издании Chinese Journal of Aeronautics.

Команда профессора Бо Чжана экспериментировала с тремя горючими смесями — водородной, этиленовой и метановой. В узкой прозрачной трубе они снимали процесс на сверхскоростную камеру (200 000 кадров в секунду) и фиксировали ионными датчиками. Оказалось, детонация начинается, когда в одном месте резко фокусируется энергия. Вот как это происходит:

1. Пламя + трение о стенки
   В смеси этилена с кислородом фронт пламени разгоняется, но у стенок трубы газ движется медленнее. Из-за этого возникает вихревой «горячий пятно» — локальный взрыв, который догоняет ударную волну и превращается в детонацию.
2. Пламя + слабая ударная волна
   В метановой смеси пламя сталкивается с отраженными волнами давления. Детонация вспыхивает в точке, где сходятся три фронта — сам пламенный фронт и два ответвления ударной волны.
3. Отражение волны от стенки
   В водородной смеси ударная волна, ударяясь о торец трубы, создает зону высокого давления. Если отраженной волне навстречу летит пламя, возникает детонация.
4. Столкновение ударных волн
   Когда конец трубы делали вогнутым, отраженные волны фокусировались в одной точке и поджигали смесь даже без участия пламени.

Суть едина, — объясняет профессор Чжан. — Локальный выброс энергии создает детонацию, а дальше процесс развивается по жесткому сценарию.

Сразу после рождения детонационная волна ведет себя агрессивно.

Она ударяется о стенки трубы, и обычное отражение быстро сменяется «маховским» — с мощными поперечными ударными волнами.

Эти волны — не те слабые ряби, что бывают в устойчивой детонации, — говорит первый автор работы Цзэчжун Ян. — Они живут долго и движутся двумя способами: либо расходятся в противоположные стороны, либо летят одной доминирующей волной.

Компьютерные расчеты подтвердили: если «горячий пятно» возникает в центре трубы, получается двойная волна, если у стенки — одиночная.

Этот прорыв критически важен для детонационных двигателей — они в разы эффективнее обычных реактивных, но пока ненадежны.

Если научиться управлять четырьмя сценариями DDT, можно:

• Снизить риск взрывов в промышленности (например, на химических заводах).
• Увеличить КПД гиперзвуковых двигателей, где детонация дает прирост тяги без лишнего расхода топлива.
• Улучшить системы безопасности — предсказывать, когда случайная дефлаграция перейдет в разрушительную детонацию.

Дефлаграция — горение, при котором пламя распространяется медленнее скорости звука (как в газовой плите). В отличие от детонации, которая движется быстрее звука и создает ударную волну.

Эксперименты проводились в идеализированных условиях — узкой трубе с гладкими стенками. В реальных двигателях течение турбулентное, а стенки шероховатые. Возможно, в хаосе реальных систем часть эффектов (например, shock-shock interaction) будет подавляться.

Ранее мы разбирались в возможностях гиперзвуковых самолетов для космического туризма.