La detonación (del latín detonare 'tronar hacia abajo/hacia adelante') [1] es un tipo de combustión que involucra un frente exotérmico supersónico que se acelera a través de un medio que eventualmente impulsa un frente de choque que se propaga directamente frente a él. Las detonaciones se propagan de forma supersónica a través de ondas de choque con velocidades del orden de 1 km/s y se diferencian de las deflagraciones en las que las llamas tienen velocidades subsónicas del orden de 1 m/s. [2] La detonación es una explosión de una mezcla de aire y combustible. En comparación con la deflagración, la detonación no necesita tener un oxidante externo. Los oxidantes y el combustible se mezclan cuando ocurre 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 las deflagraciones, el frente de llama viaja a través del aire-combustible más lento que el sonido.
Las detonaciones ocurren tanto en explosivos sólidos como líquidos convencionales, [3] así como en gases reactivos. TNT, dinamita y C4 son ejemplos de explosivos de alta potencia que detonan. La velocidad de detonación en los 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 gotas 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 con una mezcla de combustible y oxidante en una composición algo inferior a los índices de inflamabilidad convencionales. Ocurren con mayor frecuencia en sistemas confinados, pero a veces ocurren 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 reordenación 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 por primera vez 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 lo realizó John von Neumann [ 11] y Werner Döring [12] a principios de los años 1940 y Yakov B. Zel'dovich y Aleksandr Solomonovich Kompaneets en los años 1960. [13]
La teoría más sencilla 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 que los procesos químicos y de transporte difusivo ocurren abruptamente a medida que pasa el choque.
Zel'dovich , von Neumann y Döring propusieron de forma independiente una teoría más compleja durante la Segunda Guerra Mundial . [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 infinitamente delgada, seguida de una zona de reacción química exotérmica. En el marco de referencia de un choque estacionario, el flujo siguiente es subsónico, de modo que inmediatamente detrás del frente principal sigue una zona de reacción acústica, la condición de Chapman-Jouguet . [14] [9]
También hay 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 sólo pueden, en un sentido promediado, predecirse mediante teorías unidimensionales estables. De hecho, tales ondas se apagan a medida que se destruye su estructura. [16] [17] La teoría de la detonación de Wood-Kirkwood puede corregir algunas de estas limitaciones. [18]
Los estudios experimentales han revelado algunas de las condiciones necesarias para la propagación de tales frentes. En confinamiento, el rango de composición de las mezclas de combustible y sustancias oxidantes y que se descomponen espontáneamente con inertes está ligeramente por debajo de los límites de inflamabilidad y, en el caso de frentes que se expanden esféricamente, muy por debajo de ellos. [19] Se ha demostrado elegantemente la influencia del aumento de la concentración de diluyente en la expansión de las células de detonación individuales. [20] Del mismo modo, 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 apagada.
Los modelos matemáticos han avanzado constantemente para predecir los complejos campos de flujo detrás de las reacciones que inducen los choques. [22] [23] Hasta la fecha, ninguno ha descrito adecuadamente cómo se forma y sostiene la estructura detrás de olas libres.
Cuando se utilizan en artefactos explosivos, la principal causa de daño por detonación es el frente de explosión supersónica (una poderosa onda de choque ) en el área circundante. Esta es una distinción significativa con respecto a las deflagraciones en las que 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 armas de fuego . Sin embargo, las ondas de detonación también se pueden utilizar para fines menos destructivos, incluida la deposición de recubrimientos sobre una superficie [25] o la limpieza de equipos (por ejemplo, eliminación de escoria [26] ) e incluso soldar explosivamente metales que de otro modo no se fusionarían. Los motores de detonación por impulsos utilizan la onda de detonación para la propulsión aeroespacial. [27] El primer vuelo de un avión propulsado por un motor de detonación por impulsos tuvo lugar en el puerto aéreo y espacial de Mojave el 31 de enero de 2008. [28]
La detonación involuntaria cuando se desea la deflagración es un problema en algunos dispositivos. En los motores de ciclo Otto , o de gasolina, se le llama golpeteo o ping del motor y provoca una pérdida de potencia. También puede causar un calentamiento excesivo y fuertes golpes mecánicos que pueden provocar una eventual falla del motor. [29] En armas de fuego, puede causar fallas catastróficas y potencialmente letales [ cita necesaria ] .
Los motores de detonación por impulsos son una forma de motor a reacción por impulsos con el que se ha experimentado en varias ocasiones, ya que ofrece el potencial de una buena eficiencia de combustible [ cita requerida ] .
