Detonation

Die enorme Dichte und Temperatur hinter der Stoßfront bewirkt ihre Ausbreitung mit einer Geschwindigkeit, der Detonationsgeschwindigkeit, die größer ist als die Schallgeschwindigkeit vor der Front, und die nur über eine Anlaufstrecke von der Art der Initiierung abhängt, danach nur von den Eigenschaften des Sprengstoffs und der Krümmung der Detonationsfront.

Die bei den Sprengstoffdaten angegebenen Werte für die Detonationsgeschwindigkeit gelten für eine ebene Detonationsfront und liegen zwischen 1500 und 10000 m/s. Hohe Werte verleihen Hohlladungen ihre Durchschlagskraft. Niedrigere Werte werden etwa in Bergwerken und Steinbrüchen gewählt. Dort soll nicht der Nahbereich pulverisiert werden, sondern es sollen in einem größeren Bereich Risse entstehen.

Die Detonationsgeschwindigkeit hängt von der spezifischen Energie und der physikalischen Dichte des Sprengstoffes ab, wobei nur die innerhalb von 0,1 µs nach Eintreffen der Detonationsfront freigesetzte Reaktionsenergie zur Detonationsgeschwindigkeit beiträgt.

Bei einer Sprengstoffsäule mit konstantem kreisförmigem Querschnitt ist die Detonationsgeschwindigkeit umso kleiner, je kleiner der Durchmesser der Säule ist. Wird ein bestimmter, hauptsächlich von den Sprengstoffeigenschaften und geringfügig von der Festigkeit des Einschlusses abhängiger kritischer Durchmesser unterschritten, kann sich die Detonation entlang der Säule nicht zuverlässig fortpflanzen und reißt auch nach sehr starker Initiierung ab.

Entscheidend für die Stärke eines Sprengstoffes ist vor allem der Detonationsdruck, welcher ungefähr proportional zum Quadrat der Detonationsgeschwindigkeit und zur Dichte des Sprengstoffes ist. Das ergibt sich aus der Beziehung

${\displaystyle {\frac {p_{1}}{p_{2}}}=\left({\frac {V_{2}}{V_{1}}}\right)^{k}}$

mit dem Korrekturparameter ${\displaystyle k\approx 3}$ für einen chemisch homogenen Sprengstoff.[1] Eine Halbierung des Volumens ${\displaystyle V}$ führt zu einer Verachtfachung des Druckes ${\displaystyle p}$. Zum Vergleich: ${\displaystyle k=1}$ gilt für die isotherme Kompression des idealen Gases; der größere Exponent berücksichtigt die quadratische Temperaturerhöhung, die für die Kompression nötig ist.

Trifft eine Detonationsfront auf einen angrenzenden Körper, so wird dieser durch den extrem schnellen Anstieg auf sehr hohe Drücke einer sehr starken Beschleunigung ausgesetzt. Die dabei auftretenden Kräfte betragen ein Vielfaches der zwischenatomaren Bindungskräfte. Es gibt kein Material, das dem Detonationsstoß eines brisanten Sprengstoffes unmittelbar standhalten kann. In einer mehr oder weniger breiten Zone wird durch einen Detonationsstoß die mechanische und chemische Struktur des Zielmaterials zerrissen.

Eine Detonation kann außer in festen und flüssigen Sprengstoffen auch in explosiven Gas-Gemischen und sogar in nuklearem Brennmaterial (z. B. bei einer Supernova vom Typ Ia) auftreten. Entgegen verbreiteten anderslautenden Aussagen tritt bei Atombombenexplosionen in der Regel jedoch keine Detonation in der nuklearen Komponente auf; bei Kernspaltungsbomben zum Beispiel gibt es überhaupt keine Reaktionsfront.

Die im Sprengmittel auftretende Stoßfront breitet sich nach Verbrauch des Sprengmittels auch in das umgebende Medium aus und bildet eine typische Detonationswelle. Allerdings kann auch eine Deflagration eine Stoßwelle im umgebenden Medium auslösen, wenn in diesem die Schallgeschwindigkeit erheblich niedriger als im deflagrierenden Brennstoff ist.

Die als Klopfen bezeichnete unerwünschte Frühzündung in Verbrennungsmotoren kann zu einer Detonation führen und erheblichen Schaden am Motor anrichten.

Ist die chemische Umsetzung innerhalb der Detonationsfront praktisch vollständig, so handelt es sich um eine Ideale Detonation, welche durch die Chapman-Jouguet-Theorie mit hinreichender Genauigkeit beschrieben wird. Nichtideale Detonationen mit verzögerten Reaktionen und einer breiteren, dreidimensionalen Reaktionszone versucht man mit aufwendigen Computersimulationen (LS-Dyna u. a.) zu simulieren. Ein wichtiges Beispiel für einen nichtideal detonierenden Sprengstoff ist Triaminotrinitrobenzol.