爆炸力学

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  爆炸力学汉语拼音:Baozha Lixue;英语:Mechanics of Explosion),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。这个学科最早是在20世纪60年代初由中国力学家钱学森命名的。

学科形成

  中国在8世纪中唐时期就有了火药的原始配方。10世纪的宋初期开始以火药制作火箭火炮,用于军事。17世纪明宋应星指出火药可按不同配方用于“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。约在14世纪火药传入欧洲,广泛应用于军事。

  17世纪匈牙利开始有火药用于开矿的记载。19世纪中叶开始,欧美各国大力发展铁路建设和采矿业,大量使用黑火药,工程师们总结出工程爆破中计算药量的许多经验公式。1865~1867年瑞典化学家A.B.诺贝尔发明引爆炸药的雷管和黄色炸药硝化甘油,实现了威力巨大的高速爆轰,从此开创了炸药应用的新时代,并且促成了冲击波(即激波)和爆轰波的理论研究。英国W.J.M.兰金(1869)和法国P.H.许贡纽研究了冲击波的性质。D.L.查普曼(1899)和E.儒盖各自独立地创立了平稳自持爆轰理论。

  第二次世界大战期间,爆炸的力学效应问题由于战事的需要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。泰勒、T.von卡门C.A.拉赫马图林各自独立创建了塑性波理论,发展了测定冲击载荷下材料的力学性能的方法。Y.B.泽利多维奇J.冯·诺伊曼研究了爆轰波的内部结构,使爆轰理论得到巨大的进展。L.D.朗道K.P.斯坦纽科维奇等研究了爆轰产物的状态方程并推进了非定常气体动力学的发展。J.G.柯克伍德等建立了水下爆炸的理论。原子武器的研制大大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、冯·诺伊曼L.I.谢多夫各自建立了点源强爆炸的自模拟理论。美国R.G.麦奎因等对固体材料在高压下的物理力学性能作了一系列系统地研究,从而爆炸力学作为一门独立学科已经有了初步的框架。

  1945年后,核武器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爆轰学冲击波理论应力波理论材料动力学流体弹塑性体力学模型、空中爆炸和水中爆炸力学、高速冲击动力学(包括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的测量技术及数值模拟技术等分支学科和研究领域。

特点和基本内容

  爆炸是高功率密度的能量转化过程,具有高速、高压和高温的特性。大量能量通过高速的波动来传递,在物质的惯性力和恢复力的作用下产生冲击波压力波弹塑性波等早期波动效应。随后在物体中形成速度、位移、变形和破坏以及残余的压力和应力等各方面的后期效应。爆炸往往是机械运动和其他物理(光、电、核等)、化学甚至于生物运动效应的耦合运动现象,因此多学科的渗透和结合成为发展爆炸力学的必要条件。爆炸研究促进了流体和固体介质中的波动理论、流体弹塑性理论、黏塑性体动力学的发展。研究凝聚体中爆炸时产生的高应变率、大变形、高压、热效应和相变等现象,推动了凝聚态物理高压状态方程、非线性本构关系、动态断裂理论、热塑不稳定理论的研究。爆炸瞬变过程的研究推动了各种快速采样技术,包括高速摄影、脉冲X射线照相、瞬态应变测量、瞬态压力测量等技术的发展。爆炸力学还促进了具有各种活动分界面的多种运动效应互相耦合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,特别是发展和运用各种相似率或模型率具有重要意义。

  研究爆炸波在各种介质中的传播以及波所引起的运动效应是爆炸力学的中心内容。对于空中核爆炸,必须考虑在高温、高压下包括辐射在内的空气热力学平衡和非平衡的性质。对于水下爆炸,水的高速空化及其消失往往是重要的因素。对于地下爆炸和高速冲击,则需考虑介质在高压、高温、高应变率条件下的本构关系和破坏条件。因此,介质在极端条件下的力学性质是爆炸力学和其他学科共同感兴趣并合作研究的领域。

  爆轰的流体力学理论的核心问题是波在可反应介质中化学反应和力学因素强烈耦合情况下的传播。气相、液相、固相和多种混合相物质的稳态和非稳态爆轰,包括爆燃和爆轰间的转化在内的各种起爆和熄爆机理、爆轰波的结构以及爆轰产物的状态方程等都是爆轰学研究的对象。此外,还有与工程应用直接相联系的工程爆破理论和技术,爆炸加工的理论和工艺,抗爆防护工程和工业安全中的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和终点弹道学,与指导空间反导动能弹和激光武器的设计、空间飞行器对空间垃圾的防护有关的超高速冲击理论以及激光与物质的相互作用理论等。

应用

  爆炸力学在武器研制和防护、交通运输等和水利建设、矿藏开发、机械加工、安全生产等方面有广泛的应用。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的方法来研究。爆炸力学的应用大致有以下几个方面。在军事技术科学方面,无论是核武器、空间反导弹(动能弹和激光武器)、钻地爆炸弹的研制和防护,还是常规武器弹药的研制和防护,以及爆炸和冲击对人体的杀伤和防护等都需要进行力学效应的研究。在国民经济建设中的应用也很广泛。在采矿、水利和交通运输等工程中,在城市改造、国土整治中,用炸药爆破岩石和土壤是必不可少的手段。在机械加工方面,可用爆炸工艺来成形、焊接、硬化表面、合成超硬材料等。此外,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(如铝粉、煤粉、粮食粉末等)爆炸、煤井中瓦斯和一氧化碳突出等都是生产上十分关心的问题。