În trecut motoarele mari erau pornite cu un cartuș detonant dar ar fi putut porni și cu un litru de oxyhidrogen , analiza comparativa a startului motoarelor și puterea explozivă a acestora . Între timp a apărut manivela, sau mai modern aerul comprimat.
Analiză privind utilizarea prafului de pușcă și/sau a oxyhidrogenului pentru pornirea motoarelor navale de mare tonaj
Introducere
Mecanismele de pornire fiabile sunt esențiale pentru funcționarea sigură și eficientă a motoarelor mari cu combustibili fosili utilizate în navele de mare tonaj. Metodele convenționale de pornire, bazate în principal pe sisteme pneumatice, electrice sau hidraulice, sunt bine stabilite și au fost rafinate de-a lungul timpului pentru a satisface cerințele exigente ale propulsiei maritime. În acest context, prezenta analiză își propune să investigheze potențialul și fezabilitatea utilizării unor metode alternative, și anume praful de pușcă și/sau oxyhidrogenul, pentru a iniția funcționarea acestor motoare. Această investigație va examina principiile tehnice ale acestor metode neconvenționale, avantajele și dezavantajele lor potențiale, precum și provocările semnificative asociate cu implementarea lor în mediul maritim, ținând cont de informațiile disponibile din materialele de cercetare furnizate și din literatura științifică relevantă.
Metode convenționale de pornire a navelor de mare tonaj
Pornirea motoarelor principale ale navelor de mare tonaj se realizează prin diverse mecanisme, fiecare cu propriile sale avantaje și dezavantaje . Sistemele de pornire cu aer comprimat sunt predominante, în special pentru motoarele de mari dimensiuni, datorită fiabilității și capacității lor de a genera un cuplu inițial ridicat . Aceste sisteme utilizează aer comprimat stocat în rezervoare mari, care este apoi direcționat către cilindrii motorului pentru a roti arborele cotit și a iniția combustia . Componentele tipice includ compresoare de aer, rezervoare de aer dimensionate pentru a permite mai multe încercări de pornire (uneori până la 10-12 porniri) , valve de pornire cu aer și un distribuitor de aer care controlează fluxul către fiecare cilindru în ordinea corectă . Presiunea de operare pentru aceste sisteme este semnificativă, atingând de obicei aproximativ 30 de bari pentru motoarele marine lente, în doi timpi.
Sistemele de pornire electrică, pe de altă parte, sunt mai frecvent utilizate pentru motoarele diesel mai mici și pentru grupurile electrogene . Acestea se bazează pe motoare electrice alimentate de baterii pentru a roti volantul motorului . Deși oferă o pornire rapidă și o operare convenabilă, motoarele mari necesită bancuri de baterii de înaltă capacitate, care pot fi costisitoare și necesită întreținere frecventă . Performanța bateriilor poate, de asemenea, să scadă la temperaturi scăzute, reducând eficiența pornirii .
Sistemele de pornire hidraulică utilizează fluid hidraulic de înaltă presiune pentru a roti motorul printr-un motor hidraulic conectat la volant . Aceste sisteme oferă un cuplu de pornire puternic și sunt potrivite pentru motoare de dimensiuni medii și mari, precum și pentru medii dure unde sistemele electrice și pneumatice pot fi mai puțin fiabile . Cu toate acestea, necesită o întreținere regulată a sistemului hidraulic, inclusiv verificarea scurgerilor și menținerea nivelurilor de presiune .
În plus, unele motoare sunt echipate cu demaroare cu arc, care stochează energie mecanică într-un arc greu și o eliberează pentru a roti arborele cotit . Acestea sunt adesea utilizate ca sisteme de rezervă, în special în situații în care nu este disponibilă energie electrică sau pneumatică .
Înainte de pornirea propriu-zisă, este esențială utilizarea unui mecanism de rotire a motorului pentru a se asigura că acesta se află în poziția corectă . De asemenea, trebuie efectuate verificări amănunțite ale sistemelor de aer, de ulei de ungere, de apă de răcire și de combustibil . Un proces important este "suflarea", care implică rotirea lentă a motorului cu aer de pornire pentru a elimina orice lichid care s-ar fi putut acumula în cilindri, evitând astfel deteriorări hidraulice .
Prevalența sistemelor de pornire cu aer comprimat în cazul motoarelor marine mari indică faptul că fiabilitatea și cuplul inițial ridicat sunt cerințe fundamentale pentru aceste aplicații. Această metodă s-a dovedit a fi de încredere pentru a depăși inerția motoarelor masive și pentru a permite porniri repetate . Necesitatea sistemelor de pornire cu arc ca rezerve subliniază importanța crucială a redundanței în sistemele de pornire a motoarelor marine, având în vedere potențialele consecințe ale unei defecțiuni de pornire pe mare .
Analiza materialului de cercetare furnizat
O analiză aprofundată a materialelor de cercetare furnizate relevă că niciunul dintre studii nu se concentrează în mod specific pe utilizarea prafului de pușcă sau a oxyhidrogenului pentru pornirea motoarelor navale de mare tonaj. Cu toate acestea, materialele oferă informații valoroase despre proprietățile acestor substanțe care ar putea fi relevante pentru o astfel de aplicație.
În ceea ce privește oxyhidrogenul, majoritatea fragmentelor se concentrează pe caracteristicile sale de detonare, cum ar fi presiunea generată , viteza și energia eliberată în diverse configurații experimentale, inclusiv tuburi de combustie și formare prin detonare. De exemplu, menționează presiuni de până la 2600 atm, iar indică presiuni de 20-30 de ori presiunea ambiantă în timpul detonării. Se explorează utilizarea HHO ca supliment de combustibil în motoare diesel de capacitate mică, evidențiind îmbunătățiri ale performanței și eficienței .
În ceea ce privește praful de pușcă, fragmentele oferă informații extinse despre proprietățile sale, inclusiv forța explozivă , volumul de gaze produse , energia eliberată și rata de eliberare a energiei . descrie utilizarea prafului de pușcă într-un tun de impulsuri pentru testarea componentelor, iar menționează utilizarea cartușelor cu praf de pușcă pentru pornirea de urgență a motoarelor bombardierelor B-52.
În general, materialul de cercetare furnizat oferă informații de bază despre proprietățile explozive ale oxyhidrogenului și prafului de pușcă, dar nu abordează direct utilizarea lor specifică pentru pornirea motoarelor navale de mare tonaj. Studiile se concentrează mai mult pe caracteristicile fundamentale ale acestor substanțe decât pe aplicarea lor inginerească în contextul particular al pornirii motoarelor marine mari.
Praful de pușcă ca mecanism de pornire pentru motoare mari
Utilizarea prafului de pușcă pentru pornirea motoarelor, deși neconvențională pentru navele moderne, are un precedent istoric în alte aplicații. Demarorul Coffman, cunoscut și sub denumirea de "demaror cu pușcă", a fost utilizat pe scară largă în aeronavele și vehiculele blindate din anii 1930 și 1940 . Acest sistem folosea cartușe cu cordită care, la aprindere, împingeau un piston care, la rândul său, rotea motorul. Un principiu similar a fost aplicat și în cazul unor motoare cu reacție (cum ar fi Rolls-Royce Avon), unde cartușe cu volum mare de gaze acționau o turbină pentru a iniția rotația . În plus, tractoarele Field Marshall foloseau cartușe cu praf de pușcă, similare cartușelor de pușcă, pentru a porni motorul . Chiar și în zilele noastre, avioane mari precum B-52 au un sistem de pornire de urgență care utilizează cartușe cu praf de pușcă pentru a porni rapid unele motoare .
Din punct de vedere tehnic, arderea rapidă a prafului de pușcă într-un spațiu închis generează o presiune ridicată și un volum semnificativ de gaze . Această presiune ar putea fi teoretic direcționată pentru a acționa un piston sau o turbină, furnizând astfel forța de rotație inițială necesară arborelui cotit al motorului. Praful de pușcă, fiind clasificat ca un exploziv scăzut, deflagrează (arde subsonically) , dar în interiorul unui volum închis, deflagrația rapidă poate produce o forță substanțială.
Potențialele avantaje ale utilizării prafului de pușcă pentru pornirea motoarelor mari includ capacitatea de a genera o presiune inițială ridicată, care ar putea oferi cuplul de pornire necesar, și natura sa autonomă ), eliminând necesitatea unei surse externe de aer în faza de pornire. Precedentele istorice menționate demonstrează că praful de pușcă poate fi utilizat pentru pornirea motoarelor în anumite aplicații.
Cu toate acestea, există dezavantaje semnificative care fac ca utilizarea prafului de pușcă pentru pornirea motoarelor navale de mare tonaj să fie puțin probabilă. În primul rând, siguranța este o preocupare majoră, deoarece praful de pușcă este un material exploziv care necesită o manipulare și o depozitare extrem de atente. Riscul de aprindere accidentală în mediul maritim, unde sunt prezente combustibili inflamabili, ar necesita protocoale de siguranță foarte stricte. În al doilea rând, controlul precis al cantității și ratei de ardere a prafului de pușcă pentru a obține cuplul de pornire optim fără a deteriora motorul ar fi extrem de dificil . În al treilea rând, arderea prafului de pușcă produce o cantitate semnificativă de reziduuri solide care ar putea înfunda componentele motorului și ar necesita o curățare frecventă . În al patrulea rând, impulsul de presiune brusc și puternic generat de arderea prafului de pușcă ar putea cauza stres și deteriorări ale componentelor interne ale motorului, mai ales dacă nu este controlat cu precizie . În cele din urmă, depozitarea și manipularea cartușelor cu praf de pușcă pe o navă mare ar prezenta provocări logistice și ar atrage reglementări specifice . În plus, praful de pușcă are o densitate energetică relativ scăzută în comparație cu alți combustibili .
Deși există exemple istorice de utilizare a prafului de pușcă pentru pornirea motoarelor în contexte specifice, cerințele operaționale și scara motoarelor navale de mare tonaj prezintă provocări semnificativ diferite, care probabil depășesc avantajele potențiale ale prafului de pușcă ca demaror. Problemele de siguranță, control, reziduuri și potențialul de deteriorare a motorului, combinate cu complexitățile logistice pe o navă mare, fac din acesta o opțiune mai puțin practică în comparație cu metodele convenționale bine stabilite. Natura corozivă a reziduurilor de praf de pușcă este, de asemenea, o preocupare semnificativă pentru sănătatea pe termen lung a motorului în mediul maritim.
Oxyhidrogenul ca mecanism de pornire pentru motoare mari
O altă metodă neconvențională investigată este utilizarea oxyhidrogenului pentru pornirea motoarelor mari. Oxyhidrogenul este un amestec extrem de reactiv de gaze de hidrogen și oxigen ). Arderea sa produce doar apă ca produs secundar , ceea ce reprezintă un avantaj potențial semnificativ în ceea ce privește emisiile. Oxyhidrogenul este exploziv și poate detona la aprindere, eliberând o cantitate mare de energie rapid . Presiunea generată în timpul detonării poate fi foarte ridicată , iar viteza de detonare este de asemenea foarte mare . Unele studii sugerează că adăugarea de HHO ca supliment de combustibil poate îmbunătăți performanța motoarelor diesel mici.
Avantajele potențiale ale utilizării oxyhidrogenului pentru pornirea motoarelor mari includ produsele de ardere curate (vapori de apă), care ar elimina problema reziduurilor, și generarea rapidă de presiune ridicată în urma detonării, care ar putea furniza forța necesară pentru pornire.
Cu toate acestea, există dezavantaje semnificative. În primul rând, hidrogenul este extrem de inflamabil și exploziv într-o gamă largă de concentrații în aer . Manipularea și stocarea unor cantități mari de oxyhidrogen pe o navă ar prezenta riscuri semnificative pentru siguranță . Chiar și generarea la cerere prin electroliză implică riscuri de scurgeri și explozii . În al doilea rând, generarea unei cantități suficiente de oxyhidrogen la cerere pentru a porni un motor mare ar necesita o cantitate substanțială de energie electrică . Energia necesară pentru electroliza apei este, în general, mai mare decât energia eliberată prin arderea sa . Bazarea exclusivă pe sistemul electric al navei ar putea fi nepractică. În al treilea rând, deși detonarea oxyhidrogenului produce o presiune ridicată, controlul precis al acestei detonări în interiorul cilindrilor motorului sau al unui mecanism de pornire pentru a furniza forța de rotație controlată necesară pornirii unui motor mare ar fi extrem de dificil. În al patrulea rând, studiile care arată îmbunătățiri ale performanței cu HHO sunt în general pe motoare mici . Extinderea acestei tehnologii la motoarele masive din navele de mare tonaj ar necesita depășirea unor obstacole inginerești semnificative . În cele din urmă, deși produsul de ardere este apa, procesul de generare a oxyhidrogenului prin electroliză poate implica electroliți corozivi, iar fragilizarea metalelor de către hidrogen este, de asemenea, o preocupare potențială pe termen lung .
În ciuda arderii curate a oxyhidrogenului, riscurile inerente de siguranță asociate cu manipularea gazelor explozive și cerințele energetice semnificative pentru generarea la cerere îl fac o alternativă puțin probabilă pentru pornirea motoarelor marine mari. Siguranța este principala preocupare, iar echilibrul energetic al generării la bord doar pentru pornire este probabil nefavorabil.
Evaluare comparativă a prafului de pușcă și a oxyhidrogenului pentru pornirea motoarelor marine
Următorul tabel prezintă o comparație a prafului de pușcă și a oxyhidrogenului în funcție de parametrii cheie relevanți pentru pornirea motoarelor marine:
Atât praful de pușcă, cât și oxyhidrogenul prezintă provocări semnificative de siguranță și tehnice, ceea ce le face alternative mai puțin atractive în comparație cu metodele convenționale de pornire pentru motoarele navale de mare tonaj. Deși ambele substanțe au potențialul de a genera forța necesară pentru pornirea unui motor, riscurile asociate cu utilizarea lor, în special la scara și în mediul exigent al unei nave de mare tonaj, sunt substanțiale. Problemele legate de reziduuri și control ale prafului de pușcă, combinate cu cerințele de siguranță și energie ale oxyhidrogenului, le fac mai puțin practice și fiabile decât sistemele stabilite, cum ar fi demaroarele cu aer comprimat.
Relevanța studiului furnizat
Materialul de cercetare furnizat se concentrează în principal pe proprietățile fundamentale și caracteristicile de detonare ale oxyhidrogenului în spații închise . Aceste informații sunt valoroase pentru înțelegerea forței potențiale care ar putea fi generată de combustia oxyhidrogenului. De exemplu, datele privind presiunea indică magnitudinea forțelor implicate. Fragmentele și demonstrează utilizarea HHO ca supliment de combustibil pentru a îmbunătăți combustia motorinei în motoare mici, indicând potențialul său de a îmbunătăți performanța motorului odată pornit. descrie utilizarea prafului de pușcă într-un tun de impulsuri pentru testare, oferind un context privind modul în care praful de pușcă poate fi utilizat pentru a genera impulsuri de presiune.
În general, studiul furnizat nu conține informații sau context specific cu privire la utilizarea prafului de pușcă sau a oxyhidrogenului pentru pornirea motoarelor navale mari. Oferă cunoștințe fundamentale despre proprietățile acestor substanțe care ar putea fi relevante pentru o astfel de aplicație, dar nu abordează direct provocările și cerințele unice ale acestui scenariu specific. Lipsa de informații specifice privind pornirea motoarelor marine în fragmentele furnizate este o observație cheie. Cercetarea oferă o bază pentru înțelegerea potențialului exploziv al oxyhidrogenului și a capacităților de generare a presiunii ale prafului de pușcă, dar nu evaluează direct fezabilitatea lor ca mecanisme de pornire pentru motoarele marine mari.
Rezumatul utilizării potențiale și al caracterului practic
Din punct de vedere teoretic, presiunea ridicată generată de deflagrația rapidă a prafului de pușcă într-o cameră închisă ar putea fi utilizată pentru a acționa un mecanism cu piston sau turbină pentru a roti motorul. Exemple istorice în alte aplicații susțin această posibilitate . De asemenea, detonarea oxyhidrogenului ar putea genera o undă de presiune puternică care ar putea fi valorificată pentru a furniza rotația inițială. Produsul său de ardere curat este un avantaj .
Cu toate acestea, niciuna dintre metode nu pare practică pentru pornirea de rutină a motoarelor navale mari din cauza preocupărilor semnificative legate de siguranță , a provocărilor tehnice în control și implementare și a potențialului de deteriorare a motorului sau a ineficiențelor operaționale . Metodele convenționale, cum ar fi sistemele de pornire cu aer comprimat, sunt bine stabilite, fiabile și special concepute pentru cerințele acestor motoare. În timp ce praful de pușcă ar putea avea aplicații de nișă pentru pornirea de urgență în scenarii foarte specifice ), dezavantajele pentru utilizarea marină obișnuită sunt substanțiale (reziduuri, control, siguranță). Provocările legate de siguranță și generare de energie ale oxyhidrogenului îl fac și mai puțin practic pentru această aplicație în stadiul actual al tehnologiei.
Potențialul teoretic al utilizării prafului de pușcă sau a oxyhidrogenului pentru pornirea motoarelor marine mari este umbrit de limitările practice semnificative și de eficacitatea dovedită a metodelor convenționale existente.
Limitări și provocări
Există limitări, obstacole tehnice, preocupări legate de siguranță și provocări practice semnificative asociate cu implementarea fie a prafului de pușcă, fie a oxyhidrogenului ca metodă de pornire pentru motoarele navale de mare tonaj.
Pentru praful de pușcă, acestea includ:
- Riscuri ridicate de siguranță asociate cu manipularea și depozitarea explozivilor.
- Dificultate în obținerea unei combustii controlate și consistente pentru un cuplu de pornire optim.
- Producerea de reziduuri corozive și care înfundă.
- Potențial de deteriorare a componentelor motorului din cauza impulsurilor bruște de presiune.
- Complexități logistice de depozitare și manipulare pe o navă.
- Densitate energetică mai mică în comparație cu combustibilii convenționali.
Pentru oxyhidrogen, acestea includ:
- Pericole extreme de inflamabilitate și explozie care necesită sisteme de siguranță sofisticate.
- Necesitate ridicată de energie pentru generarea la cerere prin electroliză, depășind potențial randamentul.
- Provocări tehnice în controlul detonării și valorificarea forței pentru o pornire lină.
- Probleme de scalabilitate în generarea unui volum suficient de gaze pentru motoare foarte mari.
- Potențial de fragilizare a metalelor motorului de către hidrogen în timp.
- Lipsa infrastructurii existente pentru producția și manipularea oxyhidrogenului în mediul maritim.
Proprietățile inerente ale prafului de pușcă și ale oxyhidrogenului, deși oferă potențial pentru generarea de forță, prezintă limitări fundamentale dificil de depășit în contextul pornirii fiabile și sigure a motoarelor marine mari.
Concluzie
În concluzie, analiza indică faptul că utilizarea prafului de pușcă și/sau a oxyhidrogenului pentru pornirea motoarelor cu combustibili fosili la navele de mare tonaj se confruntă cu provocări semnificative. Deși ambele substanțe au potențialul teoretic de a genera forța necesară pentru a iniția rotația motorului, limitările practice, în special în ceea ce privește siguranța, controlul, eficiența și impactul asupra mediului, le fac alternative puțin probabile față de sistemele convenționale de pornire bine stabilite. Implementarea acestor metode neconvenționale ar necesita progrese tehnologice semnificative și o reevaluare fundamentală a priorităților de siguranță și eficiență în propulsia marină. În stadiul actual al tehnologiei, metodele convenționale, în special sistemele de pornire cu aer comprimat, rămân alegerea cea mai practică și fiabilă pentru pornirea motoarelor navale de mare tonaj.
Sistemele cu aer comprimat, electrice și hidraulice rămân standardul datorită fiabilității și siguranței funcționării motoarelor. Totuși să analizăm forța dezvoltată de praful de pușca și oxyhidrogen :
Praful de pușcă și oxyhidrogenul sunt materiale energetice care eliberează energie într-o manieră rapidă, având aplicații distincte. Praful de pușcă este utilizat în principal ca propulsor în armele de foc și în pirotehnie , în timp ce oxyhidrogenul, un amestec de hidrogen și oxigen, este folosit în sudură, în torțe de înaltă temperatură și în cercetare . Acest raport își propune să efectueze o comparație detaliată a forței generate de explozia unui cartuș standard cu praf de pușcă și de detonația unui litru de gaz oxyhidrogen în condiții standard de temperatură și presiune (STP). Analiza va include o comparație a energiei eliberate, a presiunii generate, a ratei de eliberare a energiei, a duratei impulsului de presiune și a brizanței, luând în considerare factorii care influențează aceste caracteristici și cercetările existente în domeniu.
O diferență fundamentală între cele două materiale este clasificarea lor ca explozivi. Praful de pușcă este clasificat explicit ca un "exploziv scăzut" datorită deflagrației sale, în timp ce oxyhidrogenul este cunoscut pentru detonația sa, o caracteristică a "explozivilor înalți" . Această distincție esențială în comportamentul lor exploziv conduce probabil la variații semnificative în caracteristicile forței generate. De asemenea, este important de menționat că termenul "cartuș standard" și cantitatea "tipică" de praf de pușcă pot varia considerabil în funcție de calibru și aplicație . Prin urmare, comparația va lua în considerare exemple comune de cartușe pentru a oferi o analiză relevantă. În plus, termenul "forță" în contextul unei explozii este complex și poate include energie, presiune, impuls și brizanță . Acest raport va aborda aceste diferite aspecte ale forței pentru a oferi o comparație cuprinzătoare.
Fundamentele exploziilor
O deflagrație este un proces de combustie subsonică, caracteristic explozivilor scăzuți, cum ar fi praful de pușcă, în care energia este transferată prin căldură . În contrast, o detonație este un proces de combustie supersonic, caracteristic explozivilor înalți, cum ar fi oxyhidrogenul, care implică o undă de șoc ce se propagă prin material . Viteza de reacție, caracteristicile undei de presiune (deflagrația produce gaze în expansiune, detonația produce o undă de șoc) și brizanța (detonația are de obicei o brizanță mai mare) sunt diferențe cheie între cele două fenomene .
Rata de eliberare a energiei este un factor crucial care distinge deflagrația de detonație și care influențează semnificativ tipul de forță generată . Eliberarea mai lentă de energie a prafului de pușcă îl face potrivit ca propulsor, în timp ce eliberarea rapidă de energie a oxyhidrogenului duce la o forță mai concisivă. Puterea este rata de eliberare a energiei. O putere mare de ieșire pe o durată scurtă (detonație) va produce o forță ascuțită și intensă, în timp ce o putere mai mică de ieșire pe o durată mai lungă (deflagrație) va produce o forță mai susținută. Brizanța, puterea de spargere a unui exploziv, este direct legată de viteza de detonație și de presiunea maximă a undei de șoc . Oxyhidrogenul, fiind un gaz detonator, se așteaptă să aibă un potențial de brizanță mai mare decât praful de pușcă, care deflagrează. Creșterea rapidă a presiunii maxime într-o detonație generează o undă de șoc puternică, capabilă să fractureze materiale.
Explozia prafului de pușcă într-un cartuș
Praful de pușcă negru este compus în mod tipic din azotat de potasiu, cărbune și sulf, iar reacția chimică generală produce atât produse gazoase, cât și solide . Praful de pușcă modern fără fum are compoziții diferite, dar servește același scop în cartușe . Cantitatea de praf de pușcă într-un cartuș variază în funcție de calibru. De exemplu, un glonț standard de calibru .45 are aproximativ 0,32 g de praf de pușcă . Cartușele de pistol de 9 mm pot utiliza 4-6 grains (aproximativ 0,26 - 0,39 grame) de praf fără fum per rundă , iar cartușele de pușcă .308 Winchester ar putea necesita 40-45 grains (aproximativ 2,6 - 2,9 grame) de praf fără fum per rundă . Energia eliberată de praful de pușcă este de aproximativ 2,9 MJ per kg sau în jur de 3000 J per gram . Prin urmare, un cartuș tipic de calibru .45 eliberează aproximativ 0,32 g * 3000 J/g = 960 J. Pentru un cartuș de 9 mm (utilizând o medie de 0,3 g), energia eliberată este de aproximativ 0,3 g * 3000 J/g = 900 J. Un cartuș .308 Winchester (utilizând o medie de 2,75 g) eliberează aproximativ 2,75 g * 3000 J/g = 8250 J. Este important de reținut că doar aproximativ 50% din această energie este de obicei transferată glonțului .
Arderea rapidă a prafului de pușcă în spațiul închis al cartușului generează o presiune ridicată . De exemplu, un pistol comun de 9 mm va avea o presiune de aproximativ 30.000 psi (206,8 MPa), iar un .223 (AR-15) va avea o presiune de aproximativ 50.000 psi (344,7 MPa) . Cartușele de pușcă pot rezista în general la presiuni mai mari decât cartușele de pistol . Diferite tipuri de praf de pușcă (de exemplu, praf negru față de praf fără fum, diferite rate de ardere ale prafului fără fum) au densități de energie și rate de ardere diferite, afectând presiunea și viteza . Designul cartușului, inclusiv volumul carcasei, greutatea glonțului și modul în care glonțul este așezat, poate influența presiunea generată . Țeava armei oferă închidere, direcționând forța pentru a propulsa glonțul. O închidere insuficientă poate duce la ardere incompletă sau la presiune redusă . Energia eliberată de praful de pușcă într-un cartuș standard este relativ scăzută în comparație cu mulți explozivi înalți, dar deflagrația rapidă într-un spațiu închis generează o presiune semnificativă, suficientă pentru propulsie . Eficiența transferului de energie de la praful de pușcă la glonț este de aproximativ 50%, indicând că o parte semnificativă a energiei se pierde sub formă de căldură și praf nears . Presiunea generată variază foarte mult în funcție de cartușul și arma de foc specifice, subliniind importanța luării în considerare a unor exemple specifice pentru comparație.
Detonația oxyhidrogenului
Oxyhidrogenul este un amestec de gaze hidrogen și oxigen, de obicei într-un raport stoichiometric de 2:1 pentru eficiență maximă . La aprindere, are loc o reacție exotermă care formează vapori de apă . Detonația are loc atunci când amestecul este aprins într-un anumit interval de concentrație (aproximativ 4% până la 95% hidrogen în volum în aer, dar întrebarea specifică oxyhidrogen pur) . Valoarea calorifică inferioară (LHV) a combustiei hidrogenului este de 241,8 kJ per mol de H₂ ars . Un litru de gaz la STP (0°C și 1 atm) conține aproximativ 1/22,414 moli. Pentru un amestec stoichiometric (2:1 H₂:O₂), un litru ar conține ideal 2/3 H₂ și 1/3 O₂. Astfel, volumul de H₂ este de aproximativ 0,67 litri, ceea ce reprezintă (0,67/22,414) moli ≈ 0,0299 moli. Energia eliberată este de 0,0299 moli * 241,8 kJ/mol ≈ 7,23 kJ sau 7230 J. Această detonație generează o undă de șoc puternică, cu presiuni maxime foarte ridicate . Presiunea din spatele detonației poate fi de 20-30 de ori presiunea inițială . Pentru o presiune inițială de 1 atm (101,325 kPa), aceasta ar fi între 2026,5 kPa și 3039,75 kPa (294 până la 441 PSI). Experimentele au arătat presiuni maxime de 14,68 bar (1468 kPa sau 212,9 PSI) cu o presiune inițială de 2,5 bar (250 kPa sau 36,26 PSI) , sugerând un factor de multiplicare a presiunii de aproximativ 5,9. Aplicând acest factor la o presiune inițială de 1 atm, se obține o presiune maximă de aproximativ 598 kPa (86,7 PSI). Un alt studiu a raportat o presiune de detonație care a atins 131,1 MPa (19014 PSI) cu o presiune inițială ridicată de 7,06 MPa (1024 PSI) . Raportul amestecului (amestecurile stoichiometrice de 2:1 H₂:O₂ oferă de obicei cea mai mare eliberare de energie și presiuni maxime) , presiunea inițială (presiuni inițiale mai mari duc la presiuni și viteze de detonație mai mari) și închiderea (închiderea poate crește semnificativ presiunea și intensitatea detonației) sunt factori care afectează forța detonației oxyhidrogenului. Densitatea energetică a oxyhidrogenului la STP este relativ scăzută în comparație cu praful de pușcă, dar capacitatea sa de a detona rapid duce la generarea unor presiuni maxime semnificative . Multiplicarea presiunii în timpul detonației oxyhidrogenului depinde foarte mult de condițiile inițiale și de închidere, ceea ce duce la o gamă largă de presiuni maxime raportate .
Analiză Comparativă
Pentru un cartuș tipic de calibru .45, energia eliberată (către glonț) este de aproximativ 480 J (eficiență de 50%). Pentru un litru de oxyhidrogen stoichiometric la STP, energia eliberată este de aproximativ 7200 J. Un litru de detonație oxyhidrogen eliberează semnificativ mai multă energie decât energia transferată glonțului într-un cartuș tipic de pistol. Cu toate acestea, cartușele de pușcă cu încărcături mai mari de praf de pușcă (cum ar fi .308 Winchester cu ≈ 8250 J energie totală eliberată de praf de pușcă) pot avea o eliberare de energie totală comparabilă sau chiar mai mare de la praful de pușcă.
Presiunea maximă generată de explozia prafului de pușcă într-un cartuș de 9 mm este de aproximativ 30.000 psi (206,8 MPa). Presiunea maximă estimată pentru detonația unui litru de oxyhidrogen la STP este de aproximativ 87 PSI (598 kPa sau 0,598 MPa) în condiții neînchise sau ușor închise. Presiuni inițiale mai mari pentru oxyhidrogen pot duce la presiuni maxime mult mai mari ). Presiunea maximă generată de explozia prafului de pușcă într-un cartuș tipic, în special în pistoale și puști, este semnificativ mai mare decât presiunea maximă estimată de la detonația unui litru de oxyhidrogen la STP în condiții standard. Cu toate acestea, cu pre-compresie sau închidere puternică, oxyhidrogenul poate atinge presiuni comparabile sau chiar mai mari.
Praful de pușcă deflagrează, cu o rată de eliberare a energiei relativ mai lentă în comparație cu detonația. Durata impulsului de presiune de la praful de pușcă este de ordinul milisecundelor . Oxyhidrogenul detonează, cu o rată de eliberare a energiei extrem de rapidă, producând o undă de șoc. Durata impulsului de presiune de la detonația oxyhidrogenului este de ordinul microsecundelor . Diferența fundamentală în rata de eliberare a energiei duce la diferite tipuri de forță. Praful de pușcă produce o presiune mai susținută, potrivită pentru propulsarea unui proiectil, în timp ce oxyhidrogenul produce un vârf de presiune foarte scurt și intens, caracteristic unei unde de șoc. Impulsul de presiune de la detonația oxyhidrogenului este cu ordine de mărime mai scurt decât cel de la o explozie de praf de pușcă într-un cartuș. Praful de pușcă este un exploziv scăzut, cu o brizanță scăzută, nefiind utilizat în mod obișnuit pentru spargere . Detonația oxyhidrogenului, fiind un fenomen exploziv ridicat, prezintă brizanță . Prin urmare, detonația oxyhidrogenului are un potențial mult mai mare de spargere și fragmentare în comparație cu o explozie de praf de pușcă într-un cartuș.
Tabel comparativ al parametrilor cheie ai exploziei: cartuș de praf de pușcă vs. un litru de oxyhidrogen
Cercetări și Comparații Existente
Deși comparații cantitative directe ale "forței" în sens general pot fi rare în literatura de specialitate, diferențele fundamentale în natura lor explozivă (deflagrație vs. detonație) sunt bine stabilite . Există "bombe cu praf de pușcă" care utilizează praf de pușcă aprins de o scânteie, similar ca concept cu explozia oxyhidrogenului inițiată de o scânteie . Acest lucru evidențiază similitudinea exploziilor inițiate de scântei, dar nu neapărat o echivalență directă a forței. Studiile privind amestecurile hidrogen/aer arată caracteristici ale undei de șoc similare cu TNT , sugerând că, în anumite condiții, exploziile pe bază de hidrogen pot prezenta un comportament similar cu cel al explozivilor înalți în ceea ce privește efectele de blast. Utilizarea oxyhidrogenului în formarea prin detonație gazoasă (GDF) pentru modelarea tablelor metalice, unde impulsul de presiune este controlat în scopuri de fabricație , demonstrează aplicarea practică a forței explozive a oxyhidrogenului într-un mod controlat.
Concluzii
Stabilirea unei echivalențe directe a forței între explozia unui cartuș cu praf de pușcă și detonația unui litru de oxyhidrogen este complexă datorită naturii fundamental diferite a exploziilor și a aplicațiilor lor. Deși un litru de detonație oxyhidrogen la STP eliberează mai multă energie totală decât energia transferată glonțului într-un cartuș tipic de pistol, aceasta poate fi comparabilă cu energia totală eliberată de praful de pușcă în cartușele de pușcă. Natura închisă a unui cartuș cu praf de pușcă duce la presiuni maxime mai mari, optimizate pentru propulsarea unui proiectil. Eliberarea rapidă de energie a oxyhidrogenului are ca rezultat o forță mai concisivă, cu o brizanță mai mare. "Echivalența" ar depinde de aspectul specific al forței luat în considerare (de exemplu, energia totală, presiunea maximă, impulsul, puterea de spargere) și de condițiile specifice ale exploziilor.
Comments
Post a Comment