基本介紹
簡介,起爆,結構,實驗研究,相互作用,數據處理,測試,數值計算,幾類爆轟,氣相爆轟,凝聚相爆轟,多相爆轟,發動機,參考書目,
簡介
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10～10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10～10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 10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。
爆轟起爆
通常套用火花放電或激波使氣體混合物起爆，套用雷管和傳爆藥使藥柱起爆。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，初始激波波陣面後的物質整體受熱，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。
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,後稱為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，後稱為ZND模型。
圖2爆轟波的許貢紐線和C-J點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：
DJ=uJ+cJ，
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。
表1 爆轟波和爆燃波的性質
p-υ圖 | 過程 | D | D-u0 | D-u | 熵 | ||
爆轟波 | BA JA BJ J A | 爆轟 弱爆轟 強爆轟 C-J爆轟 定容爆轟 | >DJ >DJ DJ ∞ | >c0(聲速) | <c >c cJ | 最小 | |
爆燃波 | EF EJ′ J′F J′ E | 爆燃 強爆燃 弱爆燃 C-J爆燃 定壓爆燃 | <DJ′ <DJ′ DJ′ 0 | <c0 | >c >c cJ′ | 最大 | |
對實際爆轟系統套用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（下方為壓強分布）。 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T和ξ的函式。在ZND模型中，ξ=0對應於反應區的初態，即激波後的狀態；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。
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跡，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構想，爆轟波一般具有不定常、非平面和多波頭的胞格結構。C-J狀態只是一個巨觀熱力學的平均狀態,它是大量微觀或準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。
圖3爆襲波陣面結構示意圖相互作用
空心裝藥(shaped charge)就是利用高效炸藥爆轟產生的高壓，使金屬藥形罩變形，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，套用於各種破甲武器。
圖4爆轟波滑移入射示意圖表2 B炸藥接觸爆轟在物料中產生的衝擊波壓力
物料 | 衝擊波壓力(吉帕) | |
垂直入射 | 滑移入射 | |
銅 鐵 鋁 有機玻璃 水 | 48.6 47.5 36.0 22.0 19.5 | 20.5 19.6 18.9 10.5 12.1 |
數據處理
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套用日益廣泛。
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2×10^7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、頻率回響為 1兆赫以上的動態測量元件。此外，雷射干涉測速、雷射全息技術和脈衝雷射光譜技術等也已逐漸套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計算程式,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式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。
表3 一些氣體混合物的實測爆轟參量值(288開，101325帕)
爆炸混合物 | 初始密度(克/厘米) | 爆熱(千焦耳/千克) | 能量密度(千焦耳/米) | 爆速(米/秒) | 爆轟壓(兆帕) |
2H2+O2 2CO+O2 CH4+2O2 CH4+2O2+7.52N2 C3H5+5O2 C3H5+5O2+18.8N2 C2H2+2.5O3+9.4N2 | 0.51×10 1.24×10 1.13×10 1.17×10 1.44×10 1.25×10 1.21×10 | 13284 6353 10048 2763 10048 2797 3412 | 6775 7878 11354 3232 14469 8496 4129 | 2820 1750 2280 1540 2320 1730 1870 | 2.07 2.33 3.04 1.57 3.33 1.86 2.01 |
表4 一些氣體混合物的爆轟極限
氣體混合物 | 爆轟極限值(燃料百分比) | ||
燃料 | 氧化劑 | 上限 | 下限 |
H2 H2 C2H2 C2H2 CO+H2 CO+H2 | O2 空氣 O2 空氣 O2 空氣 | 15 18.3 3.5 4.2 17.2 19 | 90 59 92 50 91 59 |
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。炸藥的爆速都隨裝藥密度的增大而增大,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。炸藥的爆速還隨著藥柱直徑的加大而增大，一般為：
式中R為藥柱直徑；DR為藥柱直徑為R時的爆速；D∞為對應於無窮大直徑藥柱的爆速;K為常數。對於各種炸藥藥柱，都存在一個最小直徑，稱為臨界直徑，例如，密度為1.71g/cm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。這是由於藥柱爆轟時，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藥柱初始密度的增大而減小。工業上套用的藥包也受藥包直徑和裝藥密度的影響。
表5 一些炸藥的實測爆轟參量值
炸藥名稱 | 代號 | 狀態 | 初始密度(g/cm) | 爆熱*(MJ/kg) | 能量密度(kJ/cm) | 爆速(m/s) | 爆轟壓(Gpa) |
硝基甲烷 硝化甘油 三硝基甲苯 2,4,6-三硝基苯甲硝胺(特屈兒) 季戊四醇四硝酸酯(泰安) 1,3,5-三硝基-1,3,5-三氮雜環已烷(黑素金) 1,3,5,7-四硝基-1,3,5,7-四氮雜環辛烷(奧克脫金) | NM NG TNT Tetryl PETN RDX HMX | 液 液 固 固 固 固 固 | 1.135 1.60 1.634 1.714 1.77 1.767 1.890 | 4.44 6.19(計算值) 4.27 4.56 5.73 5.94 5.73 | 5.04 9.90 6.96 7.82 10.14 10.50 10.83 | 6320 7700 6930 7640 8290 8700 9110 | 13.0 25.3 19.1 26.8 34.0 33.8 38.7(計算值) |
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套用。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。
發動機
汽油發動機，當混合氣 (空氣與燃油充分的混合) 在進氣行程進入燃燒室後，活塞在壓縮行程時便將其壓縮，火花塞將高壓混合氣點燃後，其燃燒所產生的壓力則轉換成發動機運轉的動力。
造成爆震最主要有以下幾點原因
一、點火角過於提前： 為了使活塞在壓縮上止點結束後，一進入動力衝程能立即獲得動力，通常都會在活塞達到上止點前提前點火 (因為從點火到完全燃燒需要一段時間)。而過於提早的點火會使得活塞還在壓縮行程時，大部分油氣已經燃燒，此時未燃燒的油氣會承受極大的壓力自燃，而造成爆震。 二、發動機過度積碳： 發動機於燃燒室內過度積碳，除了會使壓縮比增大(產生高壓)，也會在積碳表面產生高溫熱點，使發動機爆震。 三、發動機溫度過高： 發動機在太熱的環境使得進氣溫度過高，或是發動機冷卻水循環不良，都會造成發動機高溫而爆震。 四、空燃比不正確： 過於稀的燃料空氣混合比，會使得燃燒溫度提升，而燃燒溫度提高會造成發動機溫度提升，當然容易爆震。 五、燃油辛烷值過低： 辛烷值是燃油抗爆震的指標，辛烷值越高，抗爆震性越強。壓縮比高的發動機，燃燒室的壓力較高，若是使用抗爆震性低的燃油，則容易發生爆震。
怎么知道爆震及爆震的影響
爆震的英文是Detonation，敲擊的意思，所以爆震時發動機會產生敲擊聲。輕微不連續的爆震聲音相當清脆，有點類似輕敲三角鐵的聲音。而嚴重且連續的爆震時，發動機會有“哩哩哩”的聲音，此時發動機也會明顯的沒力。 現在許多車廠為了將發動機壓榨出最大的性能及降低油耗，通常會把常用轉速區域的點火角設定的比較提前，所以有些發動機在2000至3000轉間負荷較大時，難免會有輕微的爆震，然而輕微的爆震對發動機不會有太大的影響，車主也不用過於擔心。但是若因為發動機出問題所產生的爆震，如嚴重積碳或散熱不良等，這種爆震通常很嚴重，如果是在高轉速高負荷發生連續且嚴重的爆震，不出一分鐘，輕則火花塞及活塞熔損，嚴重的甚至連汽缸及發動機本體都會炸穿。
爆震感知器
最快速且有效的抑制爆震的方法，就是延後點火提前角，降低燃燒壓力。所以爆震感知器作動原理，是當偵測到發動機爆震時，則將點火提前角延後到不會爆震的點火時機，待發動機不爆震時，再慢慢的將點火提前回復。爆震感知器是利用加速度感測器來量測發動機的加速度變化，也就是震動。工程師在調校爆震感知器時會把爆震的震動模式寫入ECU中，一旦爆震感知器偵測出該震動模式，ECU則判定發動機爆震，隨即延後點火提前角。目前較先進的爆震感知器甚至能判定是哪一個汽缸爆震，而針對該汽缸個別延後點火提前角。
參考書目
Я．Ь．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。
W．Fickett and W．C．Davis，Detonation，Univ．of California Press，Berkeley , Los Augeles and London，1979．
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