Так начиналось развитие современной теории горения и взрыва.

В настоящее время изучение горения успешно развивается в областях фундаментальных исследований и практического применения процессов горения. Заметный качественный и количественный скачок в развитии этих исследований произошел перед самым началом Второй мировой войны в связи с разработкой реактивных и ракетных двигателей.

В ХХ веке наука о горении и основанные на ней технологии стали быстро развиваться. В 1926 г. американский инженер Р. Годдард разработал, испытал и получил патент на первую ракету с жидким топливом. Примерно в это же время в СССР Ф.А. Цандер создал и испытал ракетные двигатели на жидком топливе. В 1932 г. в Москве С.П. Королевым была создана группа специалистов по изучению реактивного движения – ГИРД. В августе 1933 г. была запущена первая советская жидкостная ракета ГИРД-09, а в ноябре 1933 г. – ГИРД-10. Эти работы были продолжены С.П. Королевым, В.П. Глушко и другими учеными уже после войны. В результате этих работ СССР стал пионером в освоении космоса. Бурными темпами наука о горении начала развиваться после Второй мировой войны.

Основополагающий вклад в науку о горении был внесен академиком Н.Н. Семеновым. Н.Н. Семенов основал Институт химической физики АН СССР, который на протяжении многих лет занимает ведущее положение в области горения. Работы академика Н.Н.Семенова по изучению механизма разветвленных цепных реакций и теплового самовоспламенения (взрыва) являются выдающимся вкладом в мировую науку, за что он в 1956 году был удостоен Нобелевской премии. Теория цепных реакций горения позволяет объяснить механизм перехода обычного горения во взрывное, а также количественно оценить газовые взрывы. Академик Я.Б. Зельдович (трижды Герой Социалистического Труда) и профессор Д.А.Франк-Каменецкий создали теорию распространения пламени. Исследования наших ученых получили всемирное признание.

С развитием научно-технического прогресса, появлением современного научно-исследовательского оборудования и более мощных электронно-вычислительных устройств развитие теории горения заметно ускорилось. Тем не менее, из-за большой сложности физико-химических процессов горения, разнообразия «топочных» устройств теория еще далека от совершенства.

Можно более конкретно указать причины этого:

Во - первых, главный участник горения – горючее – является комплексом как природных органических, так и неорганических веществ сложного химического строения. Правда, при нагреве и взаимодействии с окислителем происходит распад этих комплексов на более простые соединения и элементы, но при анализе процесса горения невозможно обойтись без учета поведения горючего в его исходной форме и в промежуточных стадиях, а это крайне затрудняет изучение процесса.

Во - вторых, в процессе горения, так же, как и в других химических процессах обязательны два этапа: создание молекулярного контакта между горючим и окислителем (физический этап), и взаимодействия молекул с образованием продуктов реакции (химический этап). При этом второй этап протекает только у молекул, находящихся в особом энергетически или кинетически возбужденном состоянии. Возбуждаются же молекулы в результате начавшегося процесса горения из-за повышения общего энергетического уровня (температуры) и взаимодействия молекул. Даже при рассмотрении простейших реакций горения необходимо учитывать различия между отдельными молекулами, составляющими сложную полисистему.

В – третьих горение принципиально не является равновесным процессом. При горении обязательно возникают неоднородности состояния молекул, их концентраций, неравномерности полей температур и скоростей потоков. Существенно изменяются условия взаимной диффузии молекул, находящихся на разных ступенях возбуждения. Из этого вытекает необходимость одновременного решения нестационарной задачи массо- и теплопроводности и химической кинетики.

В настоящее время процесс горения, в результате которого высвобождается тепловая энергия, является одним из основных процессов получения энергии. Поэтому топливная промышленность является самой многотоннажной областью в отрасли добычи полезных ископаемых.

Более 90% всей получаемой энергии обеспечивается процессами горения (получение электроэнергии, тепла, двигатели, ракетные системы и др.).

Поскольку существует большая потребность в производстве энергии, необходимо сжигать добываемое топливо в оптимальном режиме. А для этого необходимо найти условия этого оптимального режима, а также уметь рассчитать количество тепловой энергии, которое выделится в процессе горения, при этом следует иметь в виду, что при применении одного и того же вещества (или смеси веществ) в различных целях требования к оптимальным условиям процесса горения будут отличаться.

Так, например, если дымный (чёрный) порох используют в качестве ружейного пороха, то компонентный состав этого пороха подбирают таким образом, чтобы имеющийся в составе смеси углерод окислялся бы только до окиси углерода (СО). В этом случае объём газообразных продуктов горения будет максимальным, а тепловой эффект – пониженным.

Когда же дымный порох используют в качестве взрывного вещества, то соотношение компонентов подбирают так, чтобы при взрывном горении дымного пороха имеющийся в составе смеси углерод окислялся бы до диоксида углерода (СО₂). В этом случае будет выделяться максимальное количество тепловой энергии и разрушающее действие взрыва будет более значительным.

Горение – это сложный физико-химический процесс, при котором превращение вещества сопровождается интенсивным выделением тепла, ярким свечением и тепломассообменом с окружающей средой.

В большинстве случаев горение происходит в результате экзотермического окисления вещества, способного к горению (горючего), некоторым окислителем (кислородом воздуха, хлором, закисью азота и т.д.). При этом в процессе участвуют два основных компонента – горючее и окислитель. По этому механизму происходит горение газов, нефти, бензина, керосина, древесины, торфа и других горючих веществ – углеводородов, содержащих в химической формуле углерод и водород.

Однако процесс горения может протекать не только при реакциях соединения горючего вещества с окислителем, но и при других реакциях, связанных с выделением значительного количества теплоты и с быстрым химическим превращением. К ним относятся разложение взрывчатых веществ и озона, взаимодействие оксидов натрия и бария с диоксидом углерода, распад ацетилена и т. д.

Горение может начаться самопроизвольно в результате самовоспламенения (например, бурта зерна или торфяника), либо инициировано зажиганием (свеча автомобильного двигателя, спичка, искра короткого замыкания, раскаленные капли металла при электросварке и т. д.). Переход первоначально медленной химической реакции в режим горения обусловлен нелинейной зависимостью скорости реакции от температуры, определяемой законом Аррениуса.

Горение представляет собой комплекс взаимосвязанных химических и физических процессов. Важнейшие процессы при горении – это теплоперенос и массоперенос (перенос теплоты и вещества). Наиболее общим свойством горения является способность возникшего очага пламени перемещаться по всей горючей смеси путем передачи теплоты или путем диффузионного переноса нагретых частиц из зоны горения в свежую смесь. В первом случае механизм распространения пламени называется тепловым, во втором – диффузионным. Обычно горение протекает по комбинированному механизму, включающему как теплообмен, так и диффузию горючих компонентов и продуктов горения.

Для процессов горения характерно наличие критических условий возникновения и распространения пламени – некоторых фиксированных значений давления, температуры, размеров системы, состава горючей смеси и т.д., при достижении которых происходит воспламенение смеси, распространение пламени или его погасание. Во всех случаях для процесса горения характерны три стадии – возникновение, распространение и погасание пламени.

Химические реакции, протекающие при горении и взрыве, раньше называли окислительными, поскольку они проходили с участием кислорода, а под окислением подразумевали присоединение кислорода к атому какого-нибудь химического элемента.

В настоящее время реакции такого типа называют окислительно-восстановительными. Они могут протекать и без участия кислорода, и окислителями в них могут являться, например, хлор, бром и другие вещества (многие металлы «горят» в хлоре, окиси натрия, в углекислом газе и др.). Однако самым распространенным окислителем является кислород, и мы далее будем рассматривать процессы горения, в которых именно кислород является окислителем.

Процессы горения жидких, твердых и газообразных топлив широко используются практически во всех отраслях современной техники и технологии, однако основной из них является получение энергии.

Области применения процессов горения:

- Теплоэнергетика. Тепловые электростанции (сжигание твердых (угля), жидких углеводородов и горючих газов с использованием современного оборудования, обеспечивающего оптимальные режимы горения – максимальное выделение энергии и полнота сгорания топлива);

- Двигатели внутреннего сгорания, используют процесс горения газов или парообразных и жидких горючих (авиационный и автомобильный транспорт);

- Реактивная техника, использующая ракетные жидкие и твердые топлива;

- Различные производственные процессы: химические, металлургические и др. (в технологии получения черных и цветных металлов, стекла, керамики, цемента, и других необходимых материалов также используется энергия горения для нагрева и плавления соответствующих компонентов и сырья);

- Артиллерия, стрелковое оружие и другие виды вооружений используют в качестве источника энергии взрывчатые вещества различных классов.

- Применение взрывчатых веществ (ВВ) для военных и гражданских целей (рассматривается подробно в разделе «ВВ»).

Важным направлением в науке о горении являются экологические аспекты горения, получившие большое развитие в последнее время. К ним относятся технология сжигания бытовых отходов, изучение механизмов образования экологически вредных продуктов сгорания (оксиды азота, сажа, соединения хлора). Эти исследования позволяют найти условия, при которых концентрация токсичных веществ в выбросах минимальна.

Одним из важнейших направлений науки о горении является изучение пожаров (в жилых помещениях, лесных массивов и т.д.) и разработка методов пожаротушения. Для тушения пожаров используются как физические, так и химические способы, которые способствуют обрыву цепей химической реакции горения.

Процессы горения в соответствии с фазовым составом компонентов можно разделить на четыре группы:

1. Горение газообразных компонент – гомогенное горение («газ + газ»);

2. Горение твердых или жидких горючих – гетерогенное горение («твердое тело + газ» или «жидкость + газ»);

3. Горение ВВ - конденсированные системы (в основном жидкие, твердые или их смеси).

4. Горение систем «горючее (жидкость) + окислитель (жидкость)». В зависимости от свойств таких компонентов их можно отнести или к 1 или 2 группе.