การระเบิดรุนแรง

การระเบิดรุนแรง () คือกระบวนการการเผาไหม้ชนิดหนึ่งซึ่งมีหน้าการคายความร้อนที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางด้วยความเร็วเหนือเสียงที่ต่อมาผลิตหน้าคลื่นกระแทกที่แพร่อยู่ข้างหน้ามัน วัตถุระเบิดมาตรฐานทั้งแบบแข็งและเหลว รวมทั้งแก๊สไวปฏิกิริยาทำให้เกิดการระเบิดรุนแรงได้  ความเร็วการระเบิดรุนแรง (detonation velocity) ในวัตถุระเบิดแบบแข็งกับเหลวนั้นสูงกว่าแบบแก๊สอย่างมาก ทำให้สามารถสังเกตระบบคลื่นในรายละเอียดที่มากขึ้น (ความละเอียดของภาพสูง; Image resolution)

เชื้อเพลิงมีความหลากหลายอย่างมากไม่ว่าจะปรากฏในรูปของแก๊ส หมอกละออง หรือฝุ่นแขวนลอย ออกซิแดนต์ (oxidizing agent) เช่นแฮโลเจน โอโซน ไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์ และออกไซด์ของไนโตรเจน การระเบิดรุนแรงแบบแก๊สมักจะเกี่ยวข้องกับส่วนผสมของเชื้อเพลิงและออกซิแดนต์ในอัตราส่วนที่มีความไวไฟต่ำกว่ามาตรฐานอยู่ไม่มาก ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในระบบจำกัด แต่บางครั้งก็เกิดขึ้นได้ในเมฆไอ (vapour cloud) วัสดุอื่น ๆ เช่นอะเซทิลีน โอโซน และไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์สามารถระเบิดได้แม้ไม่มีไดออกซิเจน (อัญรูปหนึ่งของออกซิเจน; dioxygen)

การระเบิดรุนแรงถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1881 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสสองคู่ คือ มาร์เซอลัง แบร์เทอโลต์ (Marcellin Berthelot) กับพี. วิเยย (Paul Marie Eugène Vieille)  และแอร์เนสต์-ฟรังซัวส์ มัลลารด์ (Ernest-François Mallard) กับอองรี หลุยส์ เลอ ชาเตอลิเอ (Henry Louis Le Chatelier) การคาดการณ์ทางคณิตศาสตร์ของการแพร่ถูกดำเนินการเป็นครั้งแรกโดยเดวิด แชปแมน (David Chapman) ในปี ค.ศ. 1899 และโดยเอมิล ฌูเกต์ (Émile Jouguet) ในปี ค.ศ. 1905, 1906 และ 1917 ยาคอฟ เซลโดวิช (Yakov Zeldovich), จอห์น ฟอน นอยมันน์, และ แวร์เนอร์ เดอริง (W. Doering) ได้สร้างความก้าวหน้าต่อความเข้าใจที่มีต่อการระเบิดอย่างรุนแรงในช่วงต้นทศวรรษ 1940s

ทฤษฎี 
ทฤษฎีแชปแมน-ฌูเกต์ (Chapman-Jouguet condition) เป็นทฤษฎีพื้นฐานที่สุดที่คาดการณ์พฤติกรรมของการระเบิดรุนแรงในแก๊สซึ่งถูกพัฒนาขึ้นในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 20 ทฤษฎีนี้จำลองการระเบิดรุนแรงเป็นคลื่นกระแทกที่มาพร้อมกับการคายความร้อนด้วยชุดของสมการพีชคณิตแบบง่าย ๆ  ทฤษฎีเช่นนี้จำกัดกระบวนการทางเคมีและการแพร่ไว้ในพื้นที่ที่บางเป็นกณิกนันต์  

ทฤษฎีที่ซับซ้อนกว่าถูกคิดขึ้นมาในยุคสงครามโลกครั้งที่สองโดยยาคอฟ เซลโดวิช, จอห์น ฟอน นอยมันน์, และแวร์เนอร์ เดอริง โดยอิสระจากกัน ทฤษฎีนี้ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าตัวแบบการระเบิดรุนแรง ZND (ZND detonation model) ยอมรับถึงการมีอยู่ของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในอัตราจำกัด ดังนั้นจึงอธิบายการระเบิดรุนแรงเป็นคลื่นกระแทกที่บางเป็นกณิกนันต์ที่ตามด้วยพื้นที่ที่มีปฏิกิริยาเคมีคลายความร้อน เมื่อใช้คลื่นกระแทกเป็นจุดอ้างอิงที่อยู่นิ่งแล้ว การไหลที่ตามหลังคลื่นจะมีความเร็วต่ำกว่าเสียง พลังงานที่ถูกปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาเคมีที่เคลื่อนที่ข้างหลังติดหน้าคลื่นจึงสามารถจ่ายพลังงานให้กับคลื่นกระแทกผ่านทางเสียงได้ นี่คือเงื่อนไขแชปแมน-ฌูเกต์ (Chapman-Jouguet condition) มีหลักฐานบางส่วนที่ชี้ว่าพื้นที่ปฏิกิริยามีคุณสมบัติกึ่งโลหะในวัตถุระเบิดบางชนิด (ไนโตรมีเทน; nitromethane)

ทั้งสองทฤษฎีอธิบายหน้าคลื่นหนึ่งมิติที่คงตัว แต่ทว่าในช่วงปี ค.ศ. 1960s การทดลองแสดงให้เห็นว่าการระเบิดรุนแรงในแก๊สส่วนใหญ่จะมีโครงสร้างสามมิติที่ไม่คงตัวซึ่งสามารถคาดการณ์ด้วยทฤษฎีหนึ่งมิติแบบคงตัวได้โดยเฉลี่ยเท่านั้น และแน่นอนคลื่นแบบนั้นจะสลายไปในขณะที่โครงสร้างถูกทำลาย เราสามารถใช้ทฤษฎีการระเบิดรุนแรงวูด-เคิร์กวูด (Wood-Kirkwood detonation theory) เพื่อแก้ไขในเรื่องข้อจำกัดเหล่านี้บางข้อ

การศึกษาการทดลองเปิดเผยเงื่อนไขที่จำเป็นในการแพร่ของหน้าคลื่นแบบนี้ ระยะของสัดส่วนการผสมกันระหว่างเชื้อเพลิงกับตัวออกซิไดซ์หรือสารที่สลายตัวด้วยตัวเองและสารเฉื่อยจะอยู่ต่ำกว่าเส้นจำกัดความไวไฟเล็กน้อยสำหรับการระเบิดรุนแรงในพื้นที่บรรจุที่จำกัด มีการแสดงอิทธิพลของการเพิ่มความเข้มข้นของตัวละลายกับการขยายตัวของเซลล์ระเบิดแต่ละเซลล์ให้เห็น ในทางคล้ายกัน ขนาดของเซลล์ก็ใหญ่ขึ้นในขณะที่ความดันต้นลดลง ในเมื่อขนาดของเซลล์ต้องเข้ากับขนาดขั้นต่ำของบรรจุภัณฑ์ คลื่นใด ๆ ที่ถูกเอาชนะโดยตัวจุดระเบิดก็จะสลายไป  

การจำลองทางคณิตศาสตร์มีความก้าวหน้าในการคาดการณ์การไหลที่ซับซ้อนข้างหลังปฏิกิริยาที่เหนี่ยวนำให้เกิดคลื่นกระแทกอยู่อย่างต่อเนื่อง ณ ปัจจุบันยังไม่มีแบบจำลองใดที่อธิบายได้อย่างเพียงพอว่าโครงสร้างนั้นเกิดขึ้นและคงตัวอยู่หลังคลื่นที่ไม่ถูกจำกัดได้อย่างไร

การประยุกต์ 
เหตุหลักของความเสียหายจากการระเบิดรุนแรงคือหน้าการระเบิดที่เร็วกว่าเสียงในบริเวณรอบด้านเมื่อใช้ในอุปกรณ์ระเบิด (คลื่นกระแทกที่ทรงพลัง) ซึ่งนี่ต่างจากการลุกไหม้อย่างมีนัยยะสำคัญซึ่งการลุกไหม้มีคลื่นการคลายความร้อนที่ความเร็วต่ำกว่าเสียง เพราะฉะนั้นการระเบิดรุนแรงมักใช้เพื่อทำลายล้างในขณะที่การลุกไหม้จะถูกใช้ในการเร่งกระสุนหรือขีปนาวุธ แต่คลื่นของการระเบิดรุนแรงก็อาจนำมาใช้ในทางที่ทำลายล้างน้อยกว่า เช่นการพอกสารเคลือบลงบนพื้นผิว การทำความสะอาดเครื่องมือ (เช่นการกำจัดเศษถ่านหิน) หรือแม้แต่การเชื่อมอัดระเบิด (explosive welding) โลหะที่เชื่อมด้วยวิธีปกติไม่ได้ให้เชื่อมเข้าด้วยกัน เครื่องยนต์ระเบิดพัลส์ (Pulse detonation engine) ใช้คลื่นระเบิดเพื่อขับเคลื่อนในการบินและอวกาศ  อากาศยานที่ใช้เครื่องยนต์ระเบิดพัลส์ขึ้นบินเป็นครั้งแรกที่ท่าอากาศยานและอวกาศยานโมฮาวี (Mojave Air & Space Port) ในวันที่ 31 มกราคม ปี ค.ศ. 2008

ในเครื่องยนต์และอาวุธปืน 
การระเบิดรุนแรงโดยไม่เจตนาเป็นปัญหาในบางอุปกรณ์ที่ต้องการการลุกไหม้ เรียกว่าเครื่องยนต์น็อก (engine knocking) ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน การน็อกทำให้เสียพลัง เครื่องร้อนเกิน และในที่สุดเครื่องก็อาจล้มเหลวได้ ส่วนในอาวุธปืน การระเบิดรุนแรงอาจทำให้เกิดการล้มเหลวอย่างมหันต์หรืออาจถึงแก่ชีวิตได้

ดูเพิ่ม 
 การระเบิดคาร์บอน (Carbon detonation)
 การระเบิดระบาด (Sympathetic detonation)
 การทดลองอาวุธนิวเคลียร์
 การลุกไหม้
 เครื่องยนต์น็อก (Engine knocking)
 เงื่อนไขแชปแมน-ฌูเกต์ (Chapman-Jouguet condition)
 ตัวจุดระเบิด (Detonator)
 ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์
 เพชรนาโนจากการระเบิด (Detonation diamond)
 วัตถุระเบิด
 สมมูลทีเอ็นที
 อุปกรณ์ป้องกันไฟย้อนจากการระเบิด (Detonation flame arrester)

อ้างอิง

แหล่งข้อมูลอื่น 

 ฐานข้อมูลการระเบิดรุนแรงของห้องปฏิบัติการพลศาสตร์การระเบิด GALCIT 

วิศวกรรมวัตถุระเบิด
การเผาไหม้