الموسوعة العربية

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الانصعاق

انصعاق

Detonation - Détonation

الانصعاق

حسن عيطة

نظريات الانصعاق

أسباب الانصعاق

المواد المتفجرة القابلة للانصعاق

الصاعق

الانصعاق detonation ظاهرة احتراق سريعة جداً تفوق سرعتها سرعة الصوت supersonic ، تحدث تحت تأثير ظاهرتين: الأولى فيزيائية (موجة الصدم)، والثانية كيميائية (تفاعل الاحتراق)، ويمكن شرحها كما يلي:

عند وصول موجة الصدم إلى جزيء من المادة المتفجرة؛ يحدث ضغط ديناميكي موضعي يؤدي إلى رفع درجة حرارة ذلك الجزيء ارتفاعاً مفاجئاً، فيشتعل ذاتياً ناشراً كمية كافية من الطاقة لإشعال الجزيء الذي يليه، وهكذا تستمر هذه العملية حتى الوصول إلى آخر جزيء من المادة المتفجرة؛ مع الحفاظ على استمرارية موجة الصدم.

نظريات الانصعاق

اكتُشفت موجة الانصعاق عملياً منذ أكثر من مئة عام، وقد عرفها كلٌّ من تشابمان Chapman وجوغه Jouguet بأنها موجة احتراق تتجاوز سرعتها سرعة الصوت بالاستناد إلى معادلات جبرية بسيطة، وقد سميت هذه النظرية باسمهما تشابمان-جوغه Chapman-Jouguet (C-J).

ساعدت هذه النظرية على حساب سرعة الانصعاق نظرياً، وكانت نتائجها قريبة من القيم المقيسة تجريبياً في حال عُرفت أنطلبية التفاعل، وحُددت العوامل الترموديناميكية لنواتج التفاعل عند درجة حرارة التوازن.

تفترض هذه النظرية أن موجة الصعق ومنطقة التفاعل هما أشبه بسطحين مستويين عموديين على منحى الحركة، وتقسمان الوسط المنصعق إلى قسمين: قسم يحتوي على المادة غير المنصعقة (المتفجرة)، والقسم الآخر يحتوي على نواتج الانصعاق (الشكل1).

الشكل (1): الوسط المنصعق.

كذلك تفترض النظرية أن الغازات في كلتا المنطقتين هي غازات مثالية، وأن التفاعل كظوم وسريع جداً، وأن الحالتين البدائية والنهائية مرتبطتان إحداهما بالأخرى بثلاث معادلات، هي: معادلة انحفاظ الكتلة، ومعادلة انحفاظ الاندفاع (كمية الحركة)، ومعادلة انحفاظ الطاقة (المعادلات 1،2،3):

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\371\Image202430.jpg$

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\371\Image202438.jpg$

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\371\Image202445.jpg$

حيث :

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\371\Image202456.jpg$ : تغير أنطلبية غازات المنطقتين.

1Q : حرارة التفاعل لواحدة الكتلة.

1P و 2P: الضغط في الحالتين البدائية قبل الانصعاق والنهائية بعد الانصعاق.

1ρ و 2ρ: الكتلة النوعية للمزيج الغازي المتفجر قبل الانصعاق وبعده.

1u و 2u : سرعة الغازات في الحالتين قبل الانصعاق وبعده.

مما تقدم تُستنتج معادلة الانصعاق التي وضعها بيير هنري هوغونيوHugoniot مع تكوّن نواتج الاحتراق (المعادلة 4):

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\371\Image202464.jpg$

أما سرعة الانصعاق فتُعطى بالعلاقة (5):

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\371\Image202476.jpg$

حيث:

N : عدد مولات المزيج المتفجر في واحدة الكتلة.

R : ثابت الغازات العامة.

T : درجة الحرارة.

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\371\Image121040.jpg$

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\371\Image646648.jpg$

إبان الحرب العالمية الثانية أدخل كلٌّ من زدلوفيتش Zedlovich ودورنغ Doring وفون نيومان Von Neuman تحسينات على نظرية تشابمان - جوغه باستخدام سرعة التفاعل في الحساب، وأعادوا توصيف الانصعاق بأنه تقدم موجة صدم متبوعة مباشرة بمنطقة تفاعل كيميائي ناشرة للحرارة تعطى ثخانتها بسرعة التفاعل. وقد عرفت هذه النظرية بأسماء هؤلاء الثلاثة Von Neuman- Doring Zedlovich- (ZDV).

إن قيم ضغط الانصعاق، وسرعة الانصعاق المحسوبة باستخدام نظرية C-J؛ هي نفسها الناجمة عن استخدام نظرية ZDV، بيد أن الاختلاف الوحيد بين هاتين النظريتين عائد إلى ثخانة الموجة. يُوضح الشكل(2) تغير ضغط انصعاق غاز الإيتلين وسرعته بدلالة تركيزه في الهواء، وذلك تبعاً لنظرية C-J.

الشكل (2): تغير ضغط انصعاق الإيتلين وسرعته بدلالة تركيزه.

أما نظرية بارتل Barthel التي اعتمدت على الدراسات التجريبية؛ فتعرّف الانصعاق بأنه تقدم موجة صدم ثلاثية الأبعاد تتبعها منطقة تفاعل كيميائية، وترسمان على مستوٍ موازٍ لمحور تقدمها خلايا تختلف أبعادها باختلاف مواصفات المادة المتفجرة، ويسمى البعد λ المبين في (الشكل3) حجم الخلية cell size المميز لنوع المادة المتفجرة ومواصفاتها.

الشكل (3): موجة الصدم الثلاثية الأبعاد والخلايا المتكونة عنها.

أسباب الانصعاق

أسباب انصعاق المواد المتفجرة متعددة، منها أسباب حرارية (لهب، إشعاع، تسخين) أو أسباب ميكانيكية (صدم، وخز، احتكاك، موجة صدم) أو كهربائية (شرارة كهربائية). فعندما تكتسب هذه المواد طاقة تنشيطية محدّدة تزيد على الطاقة اللازمة لتحريض تفاعلاتها الانفجارية، تبدأ التفاعلات متسارعة، وتنتج كمية كبيرة من الغازات الساخنة تنتشر في الوسط المحيط. وتتزايد سرعة الانصعاق في البداية، ثم تستقر بعد زمن محدّد على سرعة ثابتة هي سرعة JCD إلى أن تنصعق المواد المتفجرة بكاملها.

المواد المتفجرة القابلة للانصعاق

1. متفجرات أولية

هي مواد متفجرة حساسة جداً للصدم والاحتكاك والحرارة والكهرباء الساكنة، وتنصعق مباشرةً من جراء تعرضها لكمية ضئيلة من الطاقة التنشيطية. تُستخدم هذه المواد في صناعة المشعلات والصواعق والصمامات التفجيرية، حيث إن كمية ضئيلة منها كافية لتفجير شحنات متفجرة كبيرة جداً. من هذه المتفجرات: فلمينات الزئبق وأزيد الرصاص وستيفينات الرصاص والتترازين ونترو غليسرين وغيرها.

2. متفجرات ثانوية

هي مواد متفجرة حساسيتها أقل من حساسية المتفجرات الأولية، وتتطلب عملية صعقها طاقة تنشيطية أكبر من تلك الضرورية للمتفجرات الأولية، ويمكن تداولها ونقلها وتخزينها، وتُصعق بكمية طفيفة من المتفجرات الأولية. تُستخدم هذه المتفجرات في تعبئة معظم الذخائر الحربية (قنابل، ألغام، رؤوس حربية ، قذائف مدفعية وغيرها). من هذه المواد: الـ ت.ن.ت. TNT والهِكسوجين RDX والأكتوجين HMX إضافة إلى العديد من المواد الأخرى. ويمكن لهذه المواد أن تكوّن خلائط بمواصفات ونسب مختلفة للحصول على مركّبات شديدة الفعالية وقابلة للتشكيل والانصعاق (المركّب B مثلاً المؤلف من 40% من الـ ت.ن.ت. TNT و60% من الهِكسوجين RDX).

3.متفجرات ثالثية

مواد متفجرة حساسيتها للانصعاق ضعيفة وغير حساسة لموجة الصدم؛ أي لا تنصعق بكمية صغيرة من المتفجر الأولي، وتتطلب استخدام متفجر ثانوي كوسيط أو مكبِّر لتضخيم إشارة المتفجر الأولي؛ لكي تنصعق. من هذه المواد: (ANFO) Ammonium Nitrate Fuel Oil المؤلف من 95% من نترات الأمونيوم و5% من المازوت.

الانصعاق المثالي

يكون الانصعاق مثالياً ideal في حال افتراض أن موجة الانصعاق مستوية، وتتقدم عمودياً على محور العينة المتفجرة (أسطوانة مثلاً)؛ وأن أبعاد العينة المتفجرة (قطرها وطولها) كبيرة. يساعد هذا الافتراض على حساب معامِلات parameters الانصعاق الأساسية (السرعة والضغط ودرجة الحرارة والطاقة التدميرية)؛ (الجدول1).

الجدول (1): عوامل الانصعاق الأساسية لبعض المواد المتفجرة الصلبة والسائلة والغازية.
المادة المتفجرة	طاقة الانفجار (ميغا جول/كغ)	الوزن الحجمي للمادة المتفجرة (غ/سم3)	سرعة الانصعاق (كم/ثا)	ضغط الانصعاق (كيلو بار)
ثلاثي نترو التلوين TNT	4.52	1.6	6.7	210
الهِكسوجين RDX	5.36	1.65	8.7	240
الأكتوجين HMX	5.68	1.9	9.1	390
التتريل	4.52	1.73	7.85	260
نظامي الهكسان 14H6C	1.62	0.66	1.8	0.018
الهدروجين H2	2.7	x2.8105-	1.97	1.97

إضافةً إلى ما ذُكر؛ ثمة عوامل متعددة تؤثر في نتائج الانصعاق كحجم حبيبات المادة المتفجرة وكثافتها وطرق تشكيلها (كبس أو سكب مثلاً) ودرجة حرارة لحظة الانصعاق وغيرها. وتكون سرعة انصعاق المواد المتفجرة الغازية والسائلة بين 1600 و2500 م/ثا، في حين تصل إلى 9000 م/ثا في المتفجرات الصلبة (الأكتوجين المضغوط HMX مثلاً).

الانصعاق غير المثالي ومفهوم القطر الحدي والقطر الحرج

إذا وُضعت المتفجرات الصلبة في عبوات أسطوانية صغيرة الأقطار، وفُجرت من أحد طرفيها؛ يمر انصعاقها بمراحل غير متجانسة (اختلاف في نتائج القياس التجريبي من مكان إلى آخر)، وتسمى هذه الحالة بالانصعاق غير المثالي non ideal detonation. ويتوقف الانصعاق عند قيمة محددة لقطر العينة تاركاً المتفجر الذي يليه سليماً، ويسمى هذا القطر بالقطر الحرج للمادة المتفجرة، وقيمته تختلف من مادة إلى أخرى (الجدول 2).

الجدول (2): القطر الحرج للديناميت والـ ت ن ت في حالة الكثافة 1.1 غ/سم3.
اسم المادة المتفجرة	القطر الحرج (مم)
الديناميت	2
TNT	12

وكذلك تتغير سرعة الانصعاق بدلالة القطر، فتزداد قيمتها طرداً مع زيادة قطر العينة حتى الوصول إلى قيمة محددة تستقر السرعة عندها، ويسمى القطر المقابل لهذه السرعة القطر الحدي، وتسمى السرعة سرعة الانصعاق المثالية.

يُحدد القطر الحرج باستخدام عبوة مؤلفة من أسطوانات متناقصة الأقطار (الشكل4) أو باستخدام عبوة مخروطية الشكل (الشكل5)، ويُحرَّض الانفجار من الجهة ذات القطر الأكبر بشكلٍ مستوٍ، ويسمى القطر الذي يتوقف عنده الانصعاق القطر الحرج.

الشكل (4): نموذج أسطواني متدرج القطر.

الشكل (5): نموذج مخروطي.

يُلاحظ في الانصعاق غير المثالي عدم استقرار معامِلات الانصعاق (سرعة الانصعاق وضغطه ودرجة الحرارة التي ينشرها)، وتكون قيمها مختلفة من تجربة إلى أخرى؛ وأصغر من القيم المكافئة للانصعاق المثالي عادة.

الصاعق

هو عنصر من عناصر سلسلة التفجير، يُستخدم لتشكيل موجة صدم ذات طاقة كافية لصعق المواد المتفجرة المحيطة به. ينصعق الصاعق بإمرار تيار كهربائي فيه أو تعريضه للهب أو الطَّرْق.

والصواعق على أنواع، فقد تكون كهربائية electric detonator، أو غير كهربائية non-electric detonator، أو صدمية percussion detonator، أو إلكترونية electronic detonator.

الصواعق غير الكهربائية هي أبسط الصواعق المستخدمة في تفجير العبوات والمنظومات المتفجرة، وتتألف أساساً من أنبوب معدني من الألمنيوم أو النحاس يحتوي على طبقة أو طبقتين من مادة متفجرة ثانوية secondary explosive كالبنتريتPETN أو الهِكسوجين RDX (نحو غرام واحد) مثبتة تحت متفجر أولي primary explosive يحوي أزيد الرصاص PbN₆ (كانت فلمينات الزئبق Hg(OCN)₂ مادة المتفجر الأولي الأساسية، ثم استبدلت بها مادة أزيد الرصاص لسميتها الشديدة). تحجز طبقة المتفجر الأولي غالباً بغشاء معدني رقيق مثقوب في مركزه بهدف تثبيت المواد المتفجرة من جهة، وحمايتها من الرطوبة من جهةٍ أخرى (الشكل6). ويُستخدم عادة فتيل بارودي يسمى الفتيل البطيء لإشعال هذه الأنواع من الصواعق.

الشكل (6): صاعق غير كهربائي

يتألف الصاعق الكهربائي من غلاف معدني أيضاً، ويحتوي على مواد متفجرة أولية وثانوية كالصاعق غير الكهربائي، مضافاً إليها مشعل كهربائي electric fuse مثبت في أعلى الأنبوب (الشكل7).

الشكل (7): صاعق كهربائي

يتألف المشعل الكهربائي من قطبين كهربائيين معزولين يتصل أحدهما بالآخر بسلك شعري قطره 10-100مكرومتر، يحيط بهما مزيج ناري حساس بالحرارة يُشكل رأس المشعل fuse-head.

يؤدي مرور التيار الكهربائي في السلك الشعري إلى توهجه وإشعال المزيج الناري، أو انصهاره، وتشكل شرارات مِكروية تساعد على إشعال المزيج الناري. وينتقل اللهب الناجم عن المشعل الكهربائي إلى المتفجر الأولي أو شحنة الإشعالignition charge فيصعقها، ويصعق المتفجر الثانوي المشكل للحشوة الأساسية base charge.

يشبه الصاعق التأخيري delay- action detonator الصاعق الكهربائي ويختلف عنه بوجود مزيج ناري مُثبت مباشرة بعد المشعل الكهربائي، فيتأخر وصول اللهب إلى المتفجر الأولي. ويُختار المزيج الناري تبعاً لزمن التأخير المطلوب. وبإضافة دارة تأخير إلكترونية عوضاً من المزيج الناري المؤخر السابق الذكر؛ يُحصل على صاعق إلكتروني تأخيري.

أما الصاعق الصدمي أو الطَّرقي فهو شبيه بالصاعق الكهربائي على أن يستبدل بالمشعل الكهربائي كبسولة صاعقة. تُحرض الكبسولة المتفجرة بصدمها بإبرة معدنية تمتلك طاقة حركية كافية لصعقها.

تطبيقات الانصعاق

الانصعاق مبدأ أساسي في جميع عمليات التفجير المطبقة في المجالات المدنية والعسكرية؛ إذ لا بد من استخدام صاعق أو كبسولة صعق من نوع ما في كل عبوة متفجرة سواء كانت قذائف أم قنابل أم ألغام أم رمانات أم صواريخ أم شحنات متفجرة في عمليات الهدم أو المقالع أو المناجم أو في إطفاء آبار النفط أو في لحام المعادن وغيرها.

مراجع للاستزادة:

- H. AL Aiteh, Formation, structure et limites de détonation dans le bioxyde de chlore et l’azoture d’hydrogène, Thèse, Université Paris 6, 1988.

- J. Calzia, Les substances explosives et leurs nuisances, Dunod, Paris, 1962.

- M. Thevenin, Détonique Théorique E.N.S.T.A, Départment Chimie - Physique, 1981.