Мониторинг эволюции и распространения ударной волны с помощью совместной визуальной записи и измерений давления

Почему ударные волны важны в повседневной жизни

Взрывы — это не только материал для боевиков; они определяют то, как мы добываем сырье, строим туннели, проектируем более безопасные транспортные средства и защищаем военнослужащих и гражданских от атак. Всякий раз, когда срабатывает взрывной заряд, он посылает сильную ударную волну, способную разрушать бетон, повреждать оборудование или ранить людей. В этом исследовании подробно, кадр за кадром, рассматривается, как такие ударные волны формируются и распространяются в воздухе: авторы совмещают высокоскоростную видеозапись с точными измерениями давления, чтобы лучше понимать и прогнозировать их последствия.

Два разных заряда, одна тщательная схема испытаний

Исследователи сосредоточились на двух широко используемых промышленных взрывчатых веществах: аммонале, содержащем нитрат аммония и алюминиевый порошок, и хексофлене — пластиковой композиции на основе мощного компонента ГРДХ (RDX). Каждое вещество поместили в идентичные пластиковые трубки, подвесили заряды примерно в метре над землей и инициировали их небольшим подрывным зарядом с электрическим детонатором. Для фиксации последующих событий использовали четыре зонда внутри каждого заряда, чтобы отслеживать скорость продвижения детонации, три датчика давления на заданных расстояниях для регистрации удара и высокоскоростную камеру, снимающую тысячи кадров в секунду с расстояния около 50 метров.

Что камера показала о факеле

Пошаговый просмотр высокоскоростных видеозаписей позволил увидеть развитие взрыва так, как цифры не всегда могут показать. Для аммонала яркая зона горения оставалась относительно компактной. Примерно за полторы тысячных секунды газы и мелкие твердые частицы вырвались наружу, быстро скрыв активную область горения за облаком пыли и дыма, которое задерживалось над местом взрыва. Хексофлен вел себя иначе: его светящийся факел расширялся значительно дальше и держался более четырех тысячных секунды, прежде чем медленно схлопнуться и подняться. При подъеме горячих газов камера даже зафиксировала вихревые двойные структуры — крупные вращающиеся образования в воздухе — которые постепенно затухали. Эти визуальные различия указывали на то, что два взрывчатых вещества выделяют энергию разными способами.

Измерение скорости и силы взрыва

Инструменты подтвердили и количественно оценили то, что было видно невооруженным глазом. Внутри зарядов детонация в хексофлене распространялась примерно в два с половиной раза быстрее, чем в аммонале, что свидетельствует о гораздо более энергичном процессе. В воздухе оба вещества запустили ударную волну, которая на старте имела скорость в сотни метров в секунду, затем замедляясь до скорости звука по мере удаления. Датчики давления показали, что в ближайшей точке хексофлен создавал примерно в полтора раза более высокое пиковое давление и в полтора раза больший импульс — суммарное воздействие волны — чем аммонал. Как и ожидалось, и пиковое давление, и импульс неуклонно падали с расстоянием, но более сильный заряд оставался доминирующим на всех датчиках.

Превращение сложных взрывов в простые правила

Поскольку непрактично повторять такие испытания на всех возможных расстояниях и при любых погодных условиях, инженеры часто полагаются на формулы для оценки нагрузок от взрывов. Авторы использовали свои измерения для калибровки простой зависимости, связывающей пиковое давление с тремя параметрами: количеством взрывчатого вещества, расстоянием до источника и одной постоянной, зависящей от типа ВВ. Построив графики данных и выполнив аппроксимацию прямыми, они выделили эти постоянные отдельно для аммонала и хексофлена. При последующем использовании полученных уравнений для прогнозирования давлений на различных приведенных расстояниях расчеты хорошо согласовывались с измерениями, даже несмотря на то, что заряды были цилиндрическими, а не сферическими, что обычно усложняет задачу.

Что это означает для безопасности и проектирования

Для неспециалистов главный вывод таков: взрывы одинаковой массы могут иметь разную опасность — химический состав заряда сильно влияет на интенсивность ударной волны и продолжительность её эффектов. Совместяя высокоскоростную съемку с датчиками, это исследование показывает, что можно наблюдать продвижение ударной волны, измерять её силу и сводить поведение к простым формулам, выражаемым одной строкой в математическом виде. Эти правила, настроенные для разных взрывчатых веществ, помогают планировщикам оценивать безопасные дистанции, проектировать сооружения и защитное снаряжение и оценивать риски как промышленных зарядов, так и самодельных устройств, не испытывая каждый сценарий на практике.

Цитирование: Sławski, S., Polis, M., Krzystała, E. et al. Monitoring blast wave evolution and propagation using coupled visual recording and pressure measurements. Sci Rep 16, 14204 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41174-2

Ключевые слова: ударные волны, взрывчатые вещества, измерение давления, высокоскоростная съемка, безопасность при взрывах