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研究爆炸的发生和发展规律以及爆炸的力学效应的利用和防护的学科。它从力学角度研究化学爆炸、核爆炸、电爆炸、粒子束爆炸(也称辐射爆炸)、高速碰撞等能量突然释放或急剧转化的过程和由此产生的强冲击波(又称激波)、高速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。自然界的雷电、地震、火山爆发、陨石碰撞、星体爆发等现象也可用爆炸力学方法来研究。

简介

力学的一个分支,研究爆炸的发生和发展规律以及爆炸的力学效应的利用和防护的学科。它从力学角度研究化学爆炸、核爆炸电爆炸粒子束爆炸(又称辐射爆炸)、高速碰撞等能量突然释放或急剧转化的过程和由此产生的激波(又称冲击波)、高速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。爆炸力学是流体力学固体力学物理学、化学之间的一门交叉学科,在武器研制、交通运输、水利建设、矿藏开发、机械加工等方面有广泛的应用。

简史

火药最
郑哲敏院士-著名爆炸力学专家

郑哲敏院士-著名爆炸力学专家

早发明于中国,在8世纪中唐时期已有火药的原始配方。在10世纪的宋代初期开始以火药制作火箭火炮。17世纪明代的宋应星已明确指出火药可按配方不同用于直击(发射)或爆击(爆炸),并说明火药爆炸时“虚空静气受冲击而开”,科学地描述了爆炸在空气中形成冲击波的现象。大约在14世纪,火药传入欧洲。1846年硝化甘油发明后,瑞典化学家A.B.诺贝尔制成几种安全混合炸药,并在1865年发明雷管引爆猛炸药,实现了威力巨大的高速爆轰(又称爆震,是一个伴有大量能量释放的化学反应传输过程。反应区前沿为一以超声速运动的激波,称爆轰波),从此开创了炸药应用的新时代,并促进了冲击波和爆轰波的理论研究。 W.J.M.兰金和P.H.许贡纽研究了冲击波的性质, 后者又完整地解决了冲击载荷下杆中弹性波的传播问题。D.L.查普曼和E.儒盖各自独立地创立了平稳自持爆轰理论,后者还写出第一本爆炸力学著作《炸药的力学》。
第二次世界大战期间,爆炸的力学效应问题引起许多著名科学家的重视。G.I.泰勒研究了炸药作用下弹壳的变形和飞散,并首先用不可压缩流体模型研究锥形罩空心药柱形成的金属射流及其对装甲的侵彻作用。I.V.泽利多维奇和J.von诺伊曼研究了爆轰波的内部结构,使爆轰理论得到巨大进展。J.G.科克伍德等建立了水下爆炸波的传播理论。原子武器的研制极大地促进了凝聚态炸药爆轰、固体中的激波和高压状态方程以及强爆炸理论的研究。泰勒、诺伊曼和L.I.谢多夫各自建立了点源强爆炸的自模拟理论,以R.G.麦奎因为代表的美国科学家对固体材料在高压下的物理力学性能作了系统研究。
经过这一时期的工作,终于形成了爆炸力学。战后,核武器和常规武器的效应及其防护措施的研究继续有所发展;在爆破工程中研究出多种新型的控制爆破技术;出现了利用爆炸进行材料成型、焊接、硬化、合成的爆炸加工技术。同这些新技术发展相适应,爆炸力学也就发展成为包括有爆轰学、冲击波理论、应力波理论、材料动力学、空中爆炸和水中爆炸力学、高速碰撞动力学(包含穿甲力学、终点弹道学)、粒子束高能量密度动力学、爆破工程力学、爆炸工艺力学、爆炸结构动力学、瞬态力学测量技术等分支学科和研究领域的体系了。

特点

爆炸
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力学是研究高功率密度的能量转化过程,大量能量通过高速的波动来传递,历时极短而强度极大。其次,研究中常需考虑力学因素和化学物理因素的耦合、流体特性与固体特性的耦合、载荷和介质的耦合等,因此,多学科的渗透和结合成为爆炸力学发展的必要条件。爆炸研究促进了流体和固体介质中冲击波理论、流体弹塑性理论、粘塑性固体动力学的发展。
爆炸在固体中产生的高应变率、大变形、高压和热效应等推动了凝聚态物质高压状态方程、非线性本构关系、动态断裂理论和热塑不稳定性理论的研究。爆炸瞬变过程的研究则推动了各种快速采样的实验技术,其中包括高速摄影 、脉冲X射线照相、瞬态波形记录和数据处理技术的发展。爆炸力学还促进了二维、三维、具有各种分界面的非定常计算力学的发展。爆炸现象十分复杂,并不要求对所有因素都进行精确的描述,因此抓住主要矛盾进行实验和建立简化模型,特别是运用和发展各种相似律或模型律,具有重要意义。

原理

爆炸波
爆炸力学技术应用实例

爆炸力学技术应用实例

在介质中的传播以及波所引起的介质流动 、变形 、 破坏和抛掷现象是爆炸力学研究的中心内容。爆炸包括空中爆炸、水下爆炸、地下爆炸和高速碰撞等。对于空中核爆炸,须考虑高温、高压条件下包括辐射在内的空气热力学平衡性质和非平衡性质。对于水下爆炸,水的高速空化及其消失是常要考虑的重要因素。对于地下爆炸和高速碰撞,则须考虑高温、高压、高应变率条件下介质的本构关系和破坏准则。爆轰的流体力学理论是波在可反应介质中当化学反应和力学因素强烈耦合时的流体力学理论。气相、液相、固相、混合相物质的稳态和非稳态爆轰、爆燃和爆轰间的转化、起爆机理和爆轰波结构等都是爆轰学研究的对象。此外还有与工程应用直接联系的工程爆破理论和技术,爆炸加工的理论和工艺,抗核爆炸防护工程中结构动力学和岩土动力学问题,同常规武器设计相联系的内弹道学终点弹道学等。

应用

爆炸力
爆炸力学示意图

爆炸力学示意图

学技术应用实例爆炸力学在军事科学技术中起重要作用。在发展核武器、进行核试验、研究核爆炸防护措施方面,爆炸力学是重要工具。在各种常规武器弹药的研制、防御方面,炸药爆轰理论、应力波传播理论和材料的动态特性理论等都是理论基础。激光武器和粒子束武器也需要从爆炸力学的角度进行研制,爆炸力学研究还为航天工程提供多种轻便可靠的控制装置。爆炸力学实验技术(如冲击波高压技术)为冲击载荷下材料的力学性能的研究提供了方法和工具。
矿业、水利和交通运输工程中,用炸药爆破岩石(爆破工程)是必不可少的传统方法。光面爆破、预裂爆破技术的应用日益广泛。在城市改造、国土整治中,控制爆破技术更是十分重要。爆炸在机械加工方面也有广泛的应用,如爆炸成型、爆炸焊接、爆炸合成金刚石、爆炸硬化等。爆炸防护在工业安全方面有特殊重要的地位。井下瓦斯爆炸、天然气爆炸、粉尘爆炸(例如铝粉、煤粉、粮食粉末等),煤井中的瓦斯和二氧化碳突出等都是生产上十分关心的问题。对于上述问题,爆炸力学的任务是探明现象,查清机理,提供工程方法。

实验技术

研究爆炸现象的发生、发展规律和爆炸的力学效应的实验技术,主要包括高释能率源的产生方法和爆炸过程中参量的测量方法。爆炸力学实验技术是爆炸力学的研究手段。爆炸具有短时、单次和强脉冲的特点,常伴随着烟雾、尘粒和光电辐射等干扰并且引起电网波动,加上爆炸现场与测试地点相距数十米至数千米,要如实地采集到如此复杂环境下的瞬变信号是有很大困难的。因此,爆炸过程的监测技术与一般常规测量方法有很大的不同。
高释能率源的产生方法是通常最简单的方法是采用机械蓄能系统,例如摆锤落锤和旋转飞轮式或凸轮式的冲击实验装置,使预先蓄存的势能或动能在与试件碰撞的瞬间释放出来,这种方式所产生的压力为1吉帕(10帕)以下,冲击速度一般不超过10米/秒,主要用于研究应变率在10~10秒范围内材料的变形行为。 碰撞速度更高时,必须考虑设备和试件本身的惯性效应。一种典型的实验装置是分离式霍普金森压杆。这种装置把试件置于两根弹性长杆中间,利用另外一根冲击杆或炸药直接作用于弹性杆使之产生应力波。在分离式霍普金森压杆的基础上,发展出一系列测定压缩、拉伸、剪切、扭转、高低温和侧向预加静水压力等霍普金森杆实验装置。
这些装置产生的冲击速度一般小于100米/秒,应变率在10~10秒之间,主要用于研究材料中的应变率效应和应力波在介质中的传播规律。但是,对于杆的碰撞实验方法,由于试件处于无约束状态,不可能达到很高的压力,通常均在1吉帕以下。要获得动态超高压须直接应用平面波发生器或用平面波发生器、轻气炮、高压放电等技术驱动飞片进行碰撞(见动态超高压技术)。此外,利用激光或其他脉冲辐射的能量沉积可在试件中产生更高的压力。利用炸药或轻气炮可以产生微秒量级1太帕(10帕)以下的动态高压;利用高压放电和辐射能量沉积的方法则可得到纳秒(10 秒)量级、10太帕和100太帕以下的超高压。

相关学科

静力学、动力学、流体力学、分析力学运动学、固体力学、材料力学、复合材料力学、流变学、结构力学、弹性力学、塑性力学磁流体力学空气动力学理性力学、物理力学、天体力学、生物力学、计算力学、物理学、力学、热学、光学、声学、电磁学、核物理学、固体物理学。