Сравнение распространения ударной волны, вызванной взрывом в ударной трубе, и в открытом воздухе

Почему взрывы в воздухе всё ещё удивляют учёных

К сожалению, взрывы часто происходят в зонах военных действий, при промышленных авариях и в горном деле, но создаваемые ими волны давления гораздо сложнее, чем предполагают учебные схемы. Многие нормы безопасности, медицинские исследования и испытания оборудования исходят из простой модели — одиночного пика давления с последующим плавным спадом. В этой работе показано, что способ организации эксперимента — взрыв на открытом пространстве, рядом с землёй или внутри трубы — может радикально менять форму и длительность волны давления, даже при одинаковой энергии взрыва. Эти различия важны для проектирования защитной экипировки, зданий и лабораторных моделей взрывных травм.

Три способа получить один и тот же маленький взрыв

Исследователи использовали очень воспроизводимый, «карандашного» диаметра «взрыв», создаваемый испарением тонкой золотой проволочки при высоковольтном импульсе. Этой же источнике энергии придали три разных положения: уложили на пол в открытом пространстве (без ограничений), приподняли на небольшую высоту над полом, чтобы волна могла отразиться от земли (частично ограниченный), и поместили внутрь короткой 3D-печатной трубы (ограниченный). Высокоскоростные камеры визуализировали движение ударных волн, а датчик давления, вмонтированный в большой деревянный блок, регистрировал то, что почувствует мишень. Тщательно подобрав скорость приходящей ударной волны во всех конфигурациях, команда обеспечила сравнение геометрии, а не различий в силе взрыва.

Что происходит в открытом пространстве

Когда проволочка лежала прямо на земле, взрыв вел себя наиболее близко к идеализированной кривой из учебника. Давление на мишени быстро подскакивало до пика, затем снижалось и опускалось ниже нормального атмосферного давления, прежде чем вернуться к фону. Эта «отрицательная фаза» важна, потому что она тянет конструкции и ткани тела в противоположном направлении относительно первоначального толчка. В неограничённом случае положительная и отрицательная фазы в сумме несли почти одинаковую нагрузку во времени, и повторные испытания давали почти идентичные результаты. Такая открытая конфигурация давала чистую, одиночную ударную волну без дополнительных отражений, возвращающихся к датчику, что делало её хорошей базой для сравнения.

Когда земля отвечает ударом

Приподнятие заряда всего на несколько миллиметров над полом изменило картину. Волна теперь распространялась наружу, ударялась о пол и отражалась вверх, сливаясь с исходной волной в более мощный фронт, называемый штампом Маха. При минимальных высотах эта объединённая волна ударяла по датчику почти как сплошная стенка воздуха, увеличивая и пик давления, и суммарный «импульс» положительной фазы — до примерно 16,5% больше, чем в открытом варианте. По мере увеличения высоты отражённая волна приходила позже и становилась меньше синхронизированной с первой волной. Пиковое давление падало, и суммарный импульс мог опускаться ниже значений для неограничённого случая, хотя источник взрыва оставался тем же. В этих частично ограниченных испытаниях отрицательная фаза, как правило, ослабевала и становилась более непредсказуемой, поскольку небольшие сдвиги по времени отражённой волны могли «срезать» низкодавление в сигнале.

Внутри трубы взрыв почти не отпускает

Ограничённая конфигурация — когда золотая проволочка находилась внутри узкой трубы — больше всего напоминала многие лабораторные ударные установки, используемые для изучения взрывных травм. Здесь ударный фронт вырывался из трубы, за ним следовал крутящийся вихревой тор и цепочка более слабых волн, отражённых от закрытого заднего конца. На мишени первый всплеск давления по высоте был примерно сопоставим с открытым случаем, но всё, что шло за ним, было совершенно иным. Вместо заметного провала ниже атмосферного давления труба продолжала подпитывать воздух и отражённые импульсы вперёд, удлиняя положительную фазу и почти полностью уничтожая отрицательную фазу. Суммарный импульс в положительной фазе оказался примерно на две трети больше, чем в неограничённых испытаниях, хотя пиковое давление было немного ниже. Практически это означает, что образец перед трубой испытывает более мягкий «удар», но гораздо более продолжительный «толчок».

Почему важно знать всю историю давления

Авторы делают вывод, что недостаточно сопоставлять только одно число, например пиковое давление, при попытках смоделировать реальные взрывы в лаборатории. Та же входная энергия, поданная через разные геометрии, породила волновые формы, которые различались по длительности высокого давления, силе отрицательной фазы и числу дополнительных пиков. Поскольку риск травм и разрушений конструкций зависит и от величины, и от длительности этих нагрузок, испытание в ударной трубе может недооценивать или переоценивать последствия для открытого пространства. Всем, кто изучает взрывные травмы мозга, броню, транспортные средства или здания, эта работа подчёркивает необходимость сообщать и анализировать полную кривую «давление‑время» — и выбирать испытательные конфигурации, действительно соответствующие реальной ситуации интереса.

Цитирование: Bauer, R.L., Johnson, C.E. Comparison of explosively driven shock tube and open-air blast wave propagation. Sci Rep 16, 12841 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42282-9

Ключевые слова: ударные волны, ударные трубы, испытания взрывов, травмы мозга, вызванные взрывом, защитные конструкции