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爆轟,又稱爆震。它是一個伴有大量能量釋放的化學反應傳輸過程。反應區前沿為一以超聲速運動的激波,稱為爆轟波。爆轟波掃過後,介質成為高溫高壓的爆轟產物。能夠發生爆轟的系統可以是氣相、液相、固相或氣-液、氣-固和液-固等混合相組成的系統。通常把液、固相的爆轟系統稱為炸藥。

1 爆轟 -爆轟

 

2 爆轟 -正文

  又稱爆震。它是一個伴有大量能量釋放的化學反應傳輸過程。反應區前沿為一以超聲速運動的激波,稱為爆轟波。爆轟波掃過後,介質成為高溫高壓的爆轟產物。能夠發生爆轟的系統可以是氣相、液相、固相或氣-液、氣-固和液-固等混合相組成的系統。通常把液、固相的爆轟系統稱為炸藥。
  19世紀80年代初,法國物理學家M.貝特洛、P.維埃耶、E.馬拉爾和H.-L.勒夏忒列等做過火焰傳播實驗。他們將一個充滿可燃氣體混合物的管子一端點燃,發現火焰通常以每秒數厘米到數米的低速傳播,但是在某些特殊情況下,這種緩慢的燃燒過程能夠轉變為高速的特殊燃燒過程,他們稱這種現象為爆轟。後來發現,固相和液相炸藥也能發生爆轟。
  爆轟過程不僅是一個流體動力學過程,還包括複雜的化學反應動力學過程。兩者互相影響、互相耦合。爆轟還伴隨著熱、光、電等效應。爆轟同周圍介質相互作用時,周圍介質中會產生激波或應力波,推動物體運動,造成物體破壞。人們通常把燃燒(即爆燃)和爆轟聯繫起來考察。爆轟同燃燒最明顯的區別在於傳播速度不同。燃燒時火焰傳播速度在10-4~10米/秒的量級,小於燃燒物料中的聲速;而爆轟波傳播速度則在103~104米/秒的量級,大於物料中的聲速。例如,化學計量的氫、氧混合物在常壓下的燃燒速度為10米/秒,而爆轟速度則約為2820米/秒。爆轟中的化學反應過程高速釋放能量。因此,爆轟的功率很大,高效炸藥每平方厘米爆轟波陣面的功率高達 1010瓦。這個特點使爆轟成為一種獨特的能量轉換方式。爆轟現象的研究通常包括爆轟的起爆、爆轟波的結構和爆轟同周圍介質的相互作用等問題。
  爆轟的起爆 
 通常應用火花放電或激波使氣體混合物起爆,應用雷管和傳爆葯使葯柱起爆。在起爆過程中,激波到爆轟的轉變(簡稱SDT)和爆燃到爆轟的轉變(簡稱DDT)這兩個問題是當前爆轟研究中的重要課題。大量的研究表明起爆的過程有兩類:①對於氣相、液相(不含氣泡和雜質)、固相(單晶)均勻系統,初始激波波陣面后的物質整體受熱,發生化學反應,並在受熱時間最長也即最早受到衝擊處轉為爆轟。爆轟波在已受到衝擊的介質中傳播,成為過壓爆轟,此過壓爆轟波趕上初始激波波陣面而發展成為定常爆轟。②對於液、固態不均勻系統,衝擊起爆過程很複雜,初始激波同不均勻系統中的密度不連續處介質相互作用,形成熱點,發生化學反應,放出能量加強初始激波,加強的激波同密度不連續處介質相互作用,形成溫度更高的熱點,使更多的炸藥分解,放出更大的能量,這樣激波不斷得到加強,直接轉入定常爆轟。
  爆轟波結構  爆轟波的結構是爆轟研究的主要問題。D.L.查普曼於1899年、E.儒蓋於1905年分別提出最簡單的爆轟波結構理論,后稱為C-J理論。20世紀40年代,Я.Б.澤利多維奇 、J.von諾伊曼和W.杜林各自獨立地建立起了爆轟波內部結構的模型,后稱為ZND模型。
  C-J理論  它把爆轟波簡化為一個衝擊壓縮間斷面,其上的化學反應瞬時完成,在間斷面兩側的初態、終態各參量可以用質量、動量和能量三個守恆定律聯繫起來,經變換可得如下三個方程:

式中p為壓強;v為比容(,ρ為密度);e為比內能;u為質點速度;D為爆轟波傳播速度,即爆速;下標"0"表示初態。第二式在p-v平面內為一直線,通常稱為瑞利線;第三式稱為許貢紐方程,它是p-v平面內的一條曲線,稱為許貢紐線(圖1)。一切同初態(p0,v0)滿足守恆關係的狀態點都在這條線上。爆轟產物的狀態方程可寫作:
         ee(pv)。
  四個方程中共有五個未知量,要單值確定爆轟參量,還須找出第五個方程。為此,查普曼和儒蓋提出了著名的假設(稱為C-J假設或C-J條件):穩定爆轟產物的狀態對應於許貢紐線和瑞利線的切點J,即C-J點(圖1),該點的爆速DJ是極小值,可以證明,在J點有下面關係:
         DJuJcJ,式中c為聲速,下標"J"表示J點的值。圖1曲線的BA段對應於爆轟過程,AE段不對應於任何實際過程,EF段對應於爆燃過程。 爆轟波和爆燃波的一些性質見表1。

  對實際爆轟系統應用C-J理論進行計算,一般都能得到同實驗爆速值相近的結果,這表明 C-J理論基本正確。但是,對氣相爆轟進行精密測量得到的爆轟壓強和密度值,比用C-J理論得到的值約低10%~15%,對爆轟產物實測得到的馬赫數比計算的C-J值約高10%~15%。 這表明C-J理論是一種近似理論。另外,炸藥的爆轟實際上存在一個有一定寬度的反應區,而且有些反應區的寬度相當大,因此,將爆轟波僅僅看作一個強間斷面已不恰當。這說明還須對爆轟波的內部結構進行深入研究。
  ZND模型  爆轟波具有雙層結構:前面一層是以超聲速推進的激波,緊跟在後面的一層是化學反應區。激波仍作為一個強間斷面,爆轟物質被瞬時地壓縮到高溫高密度狀態,接著開始化學反應,直到反應區末端達到C-J狀態,在反應區內忽略粘性和熱傳導的影響。圖2為ZND模型(下方為壓強分佈)。 除初始物質、爆轟產物和它們的混合物的狀態方程外,還必須建立反應速率方程:

式中ξ為化學反應程度變數,稱反應進度;t為時間;λ為反應速率,它是壓強p、溫度Tξ的函數。在ZND模型中,ξ=0對應於反應區的初態,即激波后的狀態;ξ=1對應於反應區的終態。反應區內各點處於熱力學平衡狀態。在反應區內各點部分反應許貢紐線的方程式為:

由瑞利線、許貢紐線和反應速率方程,原則上就能得出反應區內各參量的空間分佈或時間分佈。對爆轟這樣快速過程中的化學反應動力學問題,迄今還了解得很少。

  實驗研究  20世紀20年代,C.坎貝爾和D.W.伍德黑德在研究氣體混合物的爆轟特性時,首先觀察到爆轟波中有周期性擾動存在。爆轟波在圓管中傳播時,如果在管內壁塗上一薄層銀粉或煙碳,可以觀察到螺旋線的痕迹,故稱此種爆轟為螺旋爆轟。起初以為螺旋爆轟只是在接近臨界條件時才出現的一種不穩定現象,但近20年的大量實驗研究發現,氣體爆轟波陣面都具有複雜的三維結構。在扁平管中,可以觀察到在煙碳層平面上具有很規則的胞格結構。在擴展的球形爆轟中也觀察到類似的結構。在液體和固體炸藥的爆轟中也發現了與氣相爆轟相似的胞格結構。觀察到的胞格尺寸比正常爆轟反應區的寬度大1~2個數量級。實驗表明,除了沿爆轟波傳播方向前進的波外,還有橫向的弱激波在作周期性的脈動。圖3為爆轟波陣面結構。

  根據迄今為止的大量的實驗研究結果可以設想,爆轟波一般具有不定常、非平面和多波頭的胞格結構。C-J狀態只是一個宏觀熱力學的平均狀態,它是大量微觀或准微觀狀態的綜合表現。因此,儘管C-J假設不能反映複雜的爆轟波結構,仍不失為一較好的近似。橫波的機制則至今未明。
  同介質的相互作用  當爆轟波同周圍介質相互作用時,在介質中產生激波或應力波,推動物體運動,造成層裂、破碎等。爆轟是一種高速的能量轉換方式,也是產生動態超高壓的一種手段。壓力值可達103吉帕。圖4為一些材料的衝擊絕熱線和炸藥爆轟產物的反射許貢紐線。兩者的交點決定平面爆轟波正衝擊時在物料表面產生激波的初始強度。

  如果爆轟波不是垂直而是傾斜作用於物料表面,即爆轟波滑移入射(圖5),
爆轟產物初始運動方向平行於物料表面,在物料中產生的激波強度要小得多。表2給出兩種情況下B炸藥衝擊波壓力的比較。

 

  空心裝葯(shaped charge)就是利用高效炸藥爆轟產生的高壓,使金屬葯形罩變形,產生以每秒數千米高速運動的金屬射流,具有強烈的侵徹作用,應用於各種破甲武器。
  測試和數值計算  爆轟過程壓力高(凝聚相爆轟可達10吉帕的量級)、溫度高(103開)、 持續時間短(微秒量級),必須有與此相適應的測試技術;爆轟的數值計算技術在爆轟研究工作中應用日益廣泛。
  測試  爆轟測試常用的儀器有高速照相機、 X射線閃光照相機、高分辨的時間測定儀和脈衝示波器等。目前已有:①畫幅頻率達2×107幅/秒、掃描速度為20~60毫米/微秒、象質解析度達25線/毫米的轉鏡式高速照相機;②電壓高達3~6兆伏、閃光時間為20納秒的X射線閃光照相機;③時間解析度為納秒的多通道時間測定儀;④可以測量10~30吉帕動態壓力、頻率響應為 1兆赫以上的動態測量元件。此外,激光干涉測速、激光全息技術和脈衝激光光譜技術等也已逐漸應用於爆轟的測試工作。
  數值計算  首先是C-J定常爆轟的計算,其次是起爆過程和爆轟與惰性介質相互作用的數值模擬。計算中的一個必要前提是要知道爆轟產物的狀態方程。迄今還不能不依賴爆轟數據,僅從炸藥的分子結構和基本物理、化學性質得到凝聚相爆轟產物的狀態方程。目前引用的BKW狀態方程、LJD狀態方程、JWL狀態方程和JCZ狀態方程等都是半經驗性質的方程。儘管如此,爆轟的數值計算已能提供許多有用的知識,幫助解決許多工程技術問題,並有利於對爆轟本質的深入研究。例如,C.L.馬德提出的FORTRAN BKW計算程序,採用最小自由能法計算多個化學反應產物的平衡組成,不僅可以計算由10種化學元素組成的爆炸物、由20種氣體和 5種固體組成的混合體系的C-J爆轟參量,還可以計算許貢紐線和等熵線,給出與實際情況大致符合的定量描述。近年來,爆轟的數值模擬技術有很大進展,發展了一維、二維和三維流體力學計算程序以模擬爆轟產物同惰性介質的相互作用,並且同化學動力學方程、炸藥的本構方程(見本構關係)和爆轟產物狀態方程結合起來得到均勻的和不均勻的炸藥起爆過程的模型,可以預估某種炸藥在特定條件下的起爆特性。
  幾類爆轟  氣相、凝聚相(液或固)和多相(混合相)系統中都能發生爆轟。
  氣相爆轟  在同一壓力下,若氣體混合物的初始溫度升高,從而密度減小,則爆速減小;而在同一溫度下,若壓力升高,密度增大,則爆速增大。在氣體混合物中摻入氮或其他惰性氣體,會使爆速和爆轟壓減小。表3列出一些氣體混合物在室溫和 1個大氣壓時的實測爆轟參量值。對於氣體混合物,在一定的濃度範圍內才能發生爆轟。在此濃度範圍外,同樣的條件不能引起爆轟。這個濃度範圍稱為爆轟極限。表 4列出一些氣體混合物的爆轟極限值。在濃度極限的範圍內,爆速隨濃度而改變,不同氣體混合物的變化情況不同,有的出現爆速的極大值或極小值。

 

  凝聚相爆轟  即液相或固相的爆轟。凝聚相爆轟系統通常稱為炸藥。炸藥的爆速都隨裝葯密度的增大而增大,一般呈線性關係。表5列出一些液態和固態炸藥的實測爆轟參量值。炸藥的爆速還隨著葯柱直徑的加大而增大。一般為:

爆轟

式中R為葯柱直徑;DR為葯柱直徑為R時的爆速;D為對應於無窮大直徑葯柱的爆速;K為常數。對於各種炸藥葯柱,都存在一個最小直徑,稱為臨界直徑,例如,密度為1.71克/厘米3的RDX/TNT(65/35)炸藥在無外殼情況下的臨界直徑為4毫米。小於臨界直徑時,爆轟波不能定常傳播。這是由於葯柱爆轟時,側向稀疏波(即膨脹波)傳入化學反應區的緣故。單質炸藥和混合炸藥的臨界直徑都隨炸藥顆粒尺寸的減小和葯柱初始密度的增大而減小。工業上應用的藥包也受藥包直徑和裝葯密度的影響。

  多相爆轟  包括氣、液、固中的二相系統或三相系統中的爆轟。例如,液體燃料同空氣混合而成的氣溶膠,煤粉、金屬粉末同空氣的混合物,在一定條件下都能發生爆轟。 所謂燃料空氣炸藥(FAE)就是一種兩相爆轟系統。把環氧乙烷或其他燃料用爆炸的方法分散在空氣中,形成雲霧,再用引爆裝置使雲霧爆轟,爆轟波以及空氣中形成的激波可以產生足夠強烈的破壞作用。這種原理已在武器中得到實際應用。金屬粉末、煤粉、穀物粉末等同空氣的混合物發生爆轟時,常造成很大災害,是安全研究中的重要課題。
  參考書目
 Я.Б.澤爾道維奇、A.C.康巴涅耶茨著,徐華舫譯:《爆震原理》,高等教育出版社,北京,1958。(Я.Б.Зельдович и А.С.Компанеец,Τеοрия деmοнаци嬮,Гостехиздат,Μосква,1955.)
 W.Fickett and W. C. Davis,Detonation,Univ.of California Press,Berkeley,Los,Angeles and London,1979.
 C.L.Mader,Numerical Modeling of Detonations,Univ.of California Press,Berkley,Los Angeles and London,1979.

 

3 爆轟 -配圖

 

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