爆炸力學

力學的一個分支，研究爆炸的發生和發展規律以及爆炸的力學效應的利用和防護的學科。它從力學角度研究化學爆炸、核爆炸、電爆炸、粒子束爆炸（也稱輻射爆炸）、高速碰撞等能量突然釋放或急劇轉化的過程和由此產生的強衝擊波（又稱激波）、高速流動、大變形和破壞、拋擲等效應。自然界的雷電、地震、火山爆發、隕石碰撞、星體爆發等現象也可用爆炸力學方法來研究。爆炸力學是流體力學、固體力學和物理學、化學之間的一門交叉學科，在武器研製、交通運輸和水利建設、礦藏開發、機械加工、安全生產等方面有廣泛的套用。

基本介紹

• 中文名：爆炸力學
• 外文名：mechanics of explosion

學科的形成

中國在8世紀中唐時期已有火藥的原始配方。在10世紀的宋代初期開始以火藥製作火箭火炮，用於軍事。17世紀明代的宋應星已經明確指出火藥可按配方不同用於“直擊”(發射)或“爆擊”(爆炸)，並且說明火藥爆炸時“虛空靜氣受衝擊而開”，科學地描述了爆炸在空氣中形成衝擊波的現象。大約在14世紀，火藥傳入歐洲，在軍事上廣泛套用。17世紀匈牙利開始有火藥用於開礦的記載。19世紀中葉開始，歐美各國大力發展鐵路建設和採礦事業，大量使用黑火藥，工程師們總結出工程爆炸藥量計算的許多經驗公式。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，從此開創了炸藥套用的新時代，並且促進了衝擊波(即激波)和爆轟波的理論研究。英國工程師W．J．M．蘭金和法國炮兵軍官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桿中彈性波傳播問題。D．L．查普曼和E．儒蓋各自獨立地創立了平穩自持爆轟理論，後者還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，爆炸的力學效應問題由於戰事的需要引起許多著名科學家的重視。G．I．泰勒研究了炸藥作用下彈殼的變形和飛散，並首先用不可壓縮流體模型研究錐形罩空心藥柱形成的金屬射流及其對裝甲的侵徹作用。泰勒、T．von卡門、X．A．拉赫馬圖林各自獨立創建了塑性波理論，發展了測定衝擊裁荷下材料的力學性能的方法。Я．Ь．澤利多維奇和J．von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。Л．Д．朗道和К．П．斯坦紐科維奇等研究了爆轟產物的狀態方程並推進了非定常氣體動力學的發展。J．G．科克伍德等建立了水下爆炸波的傳播理論。原子武器的研製大大促進了凝聚態炸藥爆轟、固體中的激波和高壓狀態方程以及強爆炸理論的研究。泰勒、諾伊曼和Л．И．謝多夫各自建立了點源強爆炸的自模擬理淪，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，爆炸力學作為一門具有自己特點的學科終於形成。戰後，核武器和常規武器的效應及其防護措施的研究繼續有所發展，在爆破工程中研究出多種新型的控制爆破技術，出現了利用爆炸進行材料成型、焊接、硬化、合成的爆炸加工技術。同這些新技術發展相適應，爆炸力學也就發展成為包括有爆轟學、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、高速碰撞動力學(包含穿甲力學、終點彈道學)、粒子束高能量密度動力學、爆破工程力學、爆炸工藝力學、爆炸結構動力學、瞬態力學測量技術等分支學科和研究領域的體系了。

鄭哲敏院士-著名爆炸力學專家

特點

爆炸力學是研究高功率密度的能量轉化過程，大量能量通過高速的波動來傳遞，歷時極短而強度極大。其次，研究中常需考慮力學因素和化學物理因素的耦合、流體特性與固體特性的耦合、載荷和介質的耦合等，因此，多學科的滲透和結合成為爆炸力學發展的必要條件。爆炸研究促進了流體和固體介質中衝擊波理論、流體彈塑性理論、粘塑性固體動力學的發展。

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爆炸在固體中產生的高應變率、大變形、高壓和熱效應等推動了凝聚態物質高壓狀態方程、非線性本構關係、動態斷裂理論和熱塑不穩定性理論的研究。爆炸瞬變過程的研究則推動了各種快速採樣的實驗技術，其中包括高速攝影 、脈衝X射線照相、瞬態波形記錄和數據處理技術的發展。爆炸力學還促進了二維、三維、具有各種分界面的非定常計算力學的發展。爆炸現象十分複雜，並不要求對所有因素都進行精確的描述，因此抓住主要矛盾進行實驗和建立簡化模型，特別是運用和發展各種相似律或模型律，具有重要意義。

基本內容

爆炸波在介質中的傳播以及波所引起的介質流動 、變形 、 破壞和拋擲現象是爆炸力學研究的中心內容。爆炸包括空中爆炸、水下爆炸、地下爆炸和高速碰撞等。對於空中核爆炸，須考慮高溫、高壓條件下包括輻射在內的空氣熱力學平衡性質和非平衡性質。對於水下爆炸，水的高速空化及其消失是常要考慮的重要因素。對於地下爆炸和高速碰撞，則須考慮高溫、高壓、高應變率條件下介質的本構關係和破壞準則。爆轟的流體力學理論是波在可反應介質中當化學反應和力學因素強烈耦合時的流體力學理論。氣相、液相、固相、混合相物質的穩態和非穩態爆轟、爆燃和爆轟間的轉化、起爆機理和爆轟波結構等都是爆轟學研究的對象。此外還有與工程套用直接聯繫的工程爆破理論和技術，爆炸加工的理論和工藝，抗核爆炸防護工程中結構動力學和岩土動力學問題，同常規武器設計相聯繫的內彈道學和終點彈道學等。

爆炸力學技術套用實例

套用

爆炸力學技術套用實例爆炸力學在軍事科學技術中起重要作用。在發展核武器、進行核試驗、研究核爆炸防護措施方面，爆炸力學是重要工具。在各種常規武器彈藥的研製、防禦方面，炸藥爆轟理論、應力波傳播理論和材料的動態特性理論等都是理論基礎。雷射武器和粒子束武器也需要從爆炸力學的角度進行研製，爆炸力學研究還為航天工程提供多種輕便可靠的控制裝置。爆炸力學實驗技術（如衝擊波高壓技術）為衝擊載荷下材料的力學性能的研究提供了方法和工具。

爆炸力學示意圖

在礦業、水利和交通運輸工程中，用炸藥爆破岩石(爆破工程)是必不可少的傳統方法。光面爆破、預裂爆破技術的套用日益廣泛。在城市改造、國土整治中，控制爆破技術更是十分重要。爆炸在機械加工方面也有廣泛的套用，如爆炸成型、爆炸焊接、爆炸合成金剛石、爆炸硬化等。爆炸防護在工業安全方面有特殊重要的地位。井下瓦斯爆炸、天然氣爆炸、粉塵爆炸（例如鋁粉、煤粉、糧食粉末等），煤井中的瓦斯和二氧化碳突出等都是生產上十分關心的問題。對於上述問題，爆炸力學的任務是探明現象，查清機理，提供工程方法。