爆炸動力學

研究爆炸發生和發展的規律及其力學效應的學科。又稱爆炸力學。是力學的分支學科，屬於流體力學、固體力學和物理學、化學之間的一門交叉學科，是終點彈道學的主要基礎學科之一。

1846年硝化甘油發明後，瑞典化學家A.B.諾貝爾製成幾種安全的混合炸藥，並在1865年發明雷管引爆猛炸藥，實現了威力巨大的高速爆轟，從此開創了炸藥應用的新時代，並促進了衝擊波和爆轟波的理論研究。英國的W.J.M.蘭金和法國的P.H.許貢紐研究了衝擊波的性質，後者又完整地解決了衝擊載荷下杆中彈性波傳播問題。英國的D.L.查普曼於1899年、法國的E.儒蓋於1905年分別提出了平穩自持爆轟理論，後者還撰寫出第一本爆炸力學著作——《炸藥的力學》。第二次世界大戰期間，由於戰事的需要，爆炸的動力學效應問題引起許多科學家的重視。英國的G.I.泰勒研究了炸藥作用下彈藥殼體的變形和飛散，並首先用不可壓縮流體模型來研究錐形金屬藥型罩空心裝藥形成的金屬射流及其對裝甲的侵徹作用。20世紀40年代，蘇聯的I.V.澤利多維奇和美國的J.馮·諾伊曼研究了爆轟波的內部結構，使爆轟理論得到巨大的進展。蘇聯的L.D.朗道和K.P.斯坦紐科維奇等研究了爆轟產物的狀態方程，推進了非定常氣體動力學的發展。美國的J.G.科克伍德等建立了水中爆炸波的傳播理論。原子武器的研製大大促進了凝聚態炸藥爆轟、固體中的衝擊波和高壓狀態方程以及強爆炸理論的研究。泰勒、馮·諾伊曼和蘇聯的L.I.謝多夫各自建立了點源強爆炸的自模擬理論，以R.G.麥奎因為代表的美國科學家對固體材料在高壓下的物理力學性能作了系統的研究。經過這一時期的工作，爆炸動力學作為一門具有自身特點的學科終於形成。50年代以後，爆炸動力學得到發展，已經形成包括爆轟學、衝擊波理論、應力波理論、材料動力學、空中爆炸和水中爆炸力學、撞擊動力學、爆炸結構動力學和瞬態力學參量測量技術等分支學科的體系。

爆炸是一種極為迅速的物理或化學的能量釋放過程，其間包括系統內能從一種形式向另一種（或多種）形式轉化並伴有強烈的機械效應。它具有很大的功率密度。例如，裝藥密度為1.65克/立方厘米的梯恩梯炸藥，爆炸時功率密度可達9.32×105千瓦/立方厘米。爆炸有化學爆炸、核爆炸、電爆炸、粒子束爆炸（輻射爆炸）和超高速碰撞等多種形式。爆炸對周圍介質（空氣、水或各種固體）的力學作用，有強脈衝載荷的形式，並以波的形式沿介質傳播,因此會出現高應變率、高壓、大變形、局部變形、層裂和崩落等現象。爆炸動力學所研究現象的基本特徵是短歷時、高強度及波動性，同時具有明顯的耦合性。如力學與物理、化學因素的耦合，流體與固體特性的耦合，載荷與介質的耦合等。爆炸對介質作用的載荷，不僅與爆炸本身有關，而且還與介質的性質有關。例如，梯恩梯炸藥爆炸時，反應陣面上的壓力峯值約為2×1010帕；貼在鋼板表面上爆炸時，鋼板上的壓力峯值可達2.8×1010帕；而在水中爆炸時，界面上的壓力峯值只有1.3×1010帕。

爆炸動力學研究的核心內容是爆炸（包括空中爆炸、水中爆炸、地下爆炸、介質表面爆炸和聚能爆轟等）衝擊波所引起的介質流動、變形、破壞和拋擲等現象。終點彈道學中各種彈藥對目標作用的機制，如彈藥爆炸時衝擊波對目標的破壞，彈丸殼體在爆轟產物作用下急劇膨脹而形成具有殺傷能力的破片，成型裝藥爆炸形成金屬射流及射流對裝甲目標的侵徹，以及裝藥緊貼裝甲表面爆炸時在裝甲背面崩落碟形破片等，均屬於爆炸動力學的研究範疇。

炸藥裝藥在空氣中爆炸後，瞬時轉變為高温高壓的爆轟產物，產物氣體以極高的速度向周圍飛散，強烈壓縮鄰近空氣介質，使其壓強、密度、温度突躍升高，形成很強的空氣衝擊波。極速膨脹的高温高壓爆轟產物，能直接毀傷炸點附近的目標，但爆轟產物作用距離很小。一般對中等威力炸藥，球形裝藥爆轟產物壓強從1010帕下降至105帕時，爆轟產物的膨脹半徑為原裝藥半徑的10～15倍。而爆炸空氣衝擊波在傳播過程中，初始階段衰減快，後期衰減緩慢，所以有效作用距離遠大於炸藥裝藥本身的尺寸。一般對於球形裝藥，爆轟產物由開始膨脹形成初始衝擊波到衝擊波傳到裝藥半徑的12倍距離處時，波陣面壓強由108帕很快衰減到106～2×106帕。

水在爆炸高壓作用下成為可壓縮介質。水在高壓下的可壓縮性使炸藥裝藥在水中爆炸時，會在水中形成很強的衝擊波。爆轟產物氣體在水中形成氣泡，氣泡在上升的同時伴隨着不斷的脈動。氣泡的脈動產生後續壓力波，通常第一次脈動所產生的壓力波具有實際意義而受到關注，稱為二次壓力波。由於水的密度遠大於空氣的密度，所以水中衝擊波的初始壓強遠大於空氣衝擊波的初始壓強。水中衝擊波的正壓作用時間僅為同藥量同距離空氣衝擊波的正壓作用時間的1/100。

主要指裝藥在岩石、土壤或混凝土中的爆炸。由於介質的不均勻性，顆粒間存在孔隙，各部分的結構與力學性能差別較大，因此與空中和水中爆炸相比，顯得更為複雜。

當炸藥裝藥貼在障礙物表面爆炸時，往往會對障礙物產生爆炸驅動及破壞作用。例如，帶殼體裝藥空中爆炸時，炸藥裝藥爆炸形成的高温高壓氣體產物作用在殼體上，使殼體膨脹、變形、破裂形成高速破片，同時爆轟產物膨脹、飛散，壓縮周圍空氣，形成空氣衝擊波。此時，炸藥裝藥的爆炸能量主要用於四個方面：破片動能、壓縮空氣形成空氣衝擊波消耗的能量、殼體破碎能量、飛散產物攜帶的能量。

聚能爆轟效應是利用凹槽裝藥，使爆炸能量在聚能方向疊加集中對外作用，從而大幅度提高炸藥爆轟的局部作用效果。爆轟產物以一定速度沿近似垂直於凹槽表面的方向向軸線匯聚，使能量集中。爆轟產物的能量主要包括動能和壓力位能，其中動能約佔1/4，壓力位能約佔3/4。在凹槽內表面貼一層金屬（如銅罩）是實現將產物壓力位能轉換為動能的有效途徑。爆轟產物在推動罩壁向軸線運動過程中將能量傳遞給金屬罩。罩壁在軸線處匯聚碰撞時，發生能量重新分配。罩內表面金屬的速度比閉合時的速度高約1～2倍，使能量密度進一步提高，形成金屬射流；罩的其餘部分則形成速度較低的杵。金屬射流各部分速度是不同的，端部速度高，尾部速度低，因此射流在向前運動過程中逐漸拉長變細。射流的形成過程可藉助（準）定常理想不可壓縮流體力學理論進行分析。

爆炸動力學的研究，在軍事上主要為武器彈藥的研製、效能評估及目標防護設計提供依據；同時也是工程爆破、爆炸加工、爆炸防護，以及防止爆炸事故和爆炸事故分析的理論基礎。炸藥爆炸瞬間釋放出大量能量的特性在軍事上獲得廣泛應用，常規彈藥中的榴彈、破甲彈、碎甲彈、迫擊炮彈、火箭彈，以及高射彈藥、航空彈藥、各類導彈及各種爆破器材等，無一不是利用炸藥的爆炸驅動和爆破作用實現彈藥的作戰功能。隨着爆炸動力學研究的深入，對炸藥爆炸能量的利用已從直接驅動和破壞發展到通過能量轉換獲得特殊的能量形式。強光輻射致盲彈、激光彈、電磁脈衝彈等都需要以爆炸動力學為基礎進行研究。

發佈者：中國軍事百科全書編審室 ^[1]