La detonación (del latín detonare 'tronar hacia abajo/hacia adelante') [1] es un tipo de combustión que implica un frente exotérmico supersónico que se acelera a través de un medio que finalmente impulsa un frente de choque que se propaga directamente frente a él. Las detonaciones se propagan supersónicamente a través de ondas de choque con velocidades de aproximadamente 1 km/seg y se diferencian de las deflagraciones que tienen velocidades de llama subsónicas de aproximadamente 1 m/seg. [2] La detonación es una explosión de una mezcla de combustible y aire. En comparación con la deflagración, la detonación no necesita tener un oxidante externo. Los oxidantes y el combustible se mezclan cuando se produce la deflagración. La detonación es más destructiva que las deflagraciones. En la detonación, el frente de llama viaja a través del aire-combustible más rápido que el sonido; mientras que en la deflagración, el frente de llama viaja a través del aire-combustible más lento que el sonido.
Las detonaciones se producen tanto en explosivos sólidos y líquidos convencionales, [3] como en gases reactivos. El TNT, la dinamita y el C4 son ejemplos de explosivos de alta potencia que detonan. La velocidad de detonación en explosivos sólidos y líquidos es mucho mayor que en los gaseosos, lo que permite observar el sistema de ondas con mayor detalle (mayor resolución ).
Una gran variedad de combustibles pueden presentarse en forma de gases (por ejemplo, hidrógeno ), nieblas de gotitas o suspensiones de polvo. Además del dioxígeno, los oxidantes pueden incluir compuestos halógenos, ozono, peróxido de hidrógeno y óxidos de nitrógeno . Las detonaciones gaseosas suelen estar asociadas a una mezcla de combustible y oxidante en una composición algo inferior a las relaciones de inflamabilidad convencionales. Suceden con mayor frecuencia en sistemas confinados, pero a veces se producen en grandes nubes de vapor. Otros materiales, como el acetileno , el ozono y el peróxido de hidrógeno , son detonables en ausencia de un oxidante (o reductor). En estos casos, la energía liberada resulta de la reorganización de los constituyentes moleculares del material. [4] [5]
La detonación fue descubierta en 1881 por cuatro científicos franceses Marcellin Berthelot y Paul Marie Eugène Vieille [6] y Ernest-François Mallard y Henry Louis Le Chatelier . [7] Las predicciones matemáticas de la propagación fueron realizadas primero por David Chapman en 1899 [8] y por Émile Jouguet en 1905, [9] 1906 y 1917. [10] El siguiente avance en la comprensión de la detonación fue realizado por John von Neumann [11] y Werner Döring [12] a principios de la década de 1940 y Yakov B. Zel'dovich y Aleksandr Solomonovich Kompaneets en la década de 1960. [13]
La teoría más simple para predecir el comportamiento de las detonaciones en gases se conoce como teoría de Chapman-Jouguet (CJ), desarrollada a principios del siglo XX. Esta teoría, descrita mediante un conjunto relativamente simple de ecuaciones algebraicas, modela la detonación como una onda de choque que se propaga acompañada de una liberación de calor exotérmica. Esta teoría describe los procesos de transporte químico y difusivo como si ocurrieran abruptamente a medida que pasa la onda de choque.
Durante la Segunda Guerra Mundial, Zel'dovich , von Neumann y Döring propusieron de forma independiente una teoría más compleja . [13] [11] [12] Esta teoría, ahora conocida como teoría ZND , admite reacciones químicas de velocidad finita y, por lo tanto, describe una detonación como una onda de choque infinitesimalmente delgada, seguida de una zona de reacción química exotérmica. Con un marco de referencia de un choque estacionario, el flujo siguiente es subsónico, de modo que una zona de reacción acústica sigue inmediatamente detrás del frente principal, la condición de Chapman-Jouguet . [14] [9]
También hay alguna evidencia de que la zona de reacción es semimetálica en algunos explosivos. [15]
Ambas teorías describen frentes de onda unidimensionales y estables. Sin embargo, en la década de 1960, los experimentos revelaron que las detonaciones en fase gaseosa se caracterizaban con mayor frecuencia por estructuras tridimensionales inestables, que solo pueden predecirse, en un sentido promediado, mediante teorías unidimensionales estables. De hecho, dichas ondas se extinguen a medida que se destruye su estructura. [16] [17] La teoría de detonación de Wood-Kirkwood puede corregir algunas de estas limitaciones. [18]
Estudios experimentales han revelado algunas de las condiciones necesarias para la propagación de tales frentes. En confinamiento, el rango de composición de mezclas de combustible y oxidante y sustancias autodescomponibles con inertes está ligeramente por debajo de los límites de inflamabilidad y, para frentes de expansión esférica, muy por debajo de ellos. [19] La influencia del aumento de la concentración de diluyente en la expansión de celdas de detonación individuales ha sido elegantemente demostrada. [20] De manera similar, su tamaño crece a medida que cae la presión inicial. [21] Dado que los anchos de las celdas deben coincidir con la dimensión mínima de contención, cualquier onda sobreimpulsada por el iniciador será extinguida.
El modelado matemático ha avanzado de manera constante para predecir los complejos campos de flujo detrás de los choques que inducen reacciones. [22] [23] Hasta la fecha, nadie ha descrito adecuadamente cómo se forma y se sostiene la estructura detrás de ondas no confinadas.
Cuando se utilizan en dispositivos explosivos, la principal causa de daño de una detonación es el frente de explosión supersónico (una poderosa onda de choque ) en el área circundante. Esta es una distinción significativa de las deflagraciones donde la onda exotérmica es subsónica y las presiones máximas para las motas de polvo no metálicas son aproximadamente de 7 a 10 veces la presión atmosférica. [24] Por lo tanto, la detonación es una característica para fines destructivos, mientras que la deflagración se favorece para la aceleración de los proyectiles de las armas de fuego . Sin embargo, las ondas de detonación también se pueden utilizar para fines menos destructivos, incluida la deposición de recubrimientos en una superficie [25] o la limpieza de equipos (por ejemplo, eliminación de escoria [26] ) e incluso la soldadura explosiva de metales que de otro modo no se fusionarían. Los motores de detonación de pulso utilizan la onda de detonación para la propulsión aeroespacial. [27] El primer vuelo de una aeronave propulsada por un motor de detonación de pulso tuvo lugar en el puerto aéreo y espacial de Mojave el 31 de enero de 2008. [28]
La detonación involuntaria cuando se desea una deflagración es un problema en algunos dispositivos. En los motores de ciclo Otto o de gasolina, se denomina golpeteo o ping del motor y causa una pérdida de potencia. También puede causar un calentamiento excesivo y un choque mecánico severo que puede provocar una falla eventual del motor. [29] En las armas de fuego, puede causar una falla catastrófica y potencialmente letal [ cita requerida ] .
Los motores de detonación de pulso son una forma de motor a reacción pulsado con el que se ha experimentado en varias ocasiones, ya que ofrece el potencial de una buena eficiencia de combustible [ cita requerida ] .
