高速碰撞

高速碰撞（high velocity impact）作高速相對運動的巨觀物體之間的相互碰撞，是爆炸力學的一個研究內容。高速碰撞能導致巨觀物體嚴重變形、破壞，甚至熔化和氣化。自然界的隕石碰撞或流星體與航天飛行器之間的碰撞，常規武器中穿甲彈或破甲彈與裝甲的碰撞，爆炸焊接工藝中金屬板之間的碰撞等都屬於高速碰撞的範圍。

運動物體的TNT當量

使碰撞物體變形、破壞乃至熔化和氣化的能量來源於碰撞前物體的動能。物體間相對運動速度越大，碰撞時釋放的能量就越大。因此，動能的大小,特別是單位質量物質動能的大小（即能量密度）是碰撞導致破壞程度的標誌。通常用TNT（三硝基甲苯）當量表示運動物體的動能。每克TNT的標準能量為1千卡，以每秒1千米速度運動的1克物質的動能為500焦耳,約相當於0.1196千卡，因此 TNT當量為0.1196克。若物體的質量為Μ（千克）,運動速度為v（千米/秒）,則其動能的TNT當量為119.6Μv。例如,爆破1立方米堅硬岩石需1千克TNT炸藥, 因此，如用質量為2千克的炮彈破碎1立方米的堅硬岩石,炮彈的飛行速度須為2千米/秒。在自然界中流星體相對於地面的運動速度為每秒10千米到幾十千米。以每秒40千米計算,每噸流星體的TNT當量約為191噸，這是很大的數字, 但與核子彈的單位質量TNT當量相比卻是很小的。

典型的高速碰撞

典型的高速碰撞有以下幾種：

隕石碰撞或流星體碰撞

包括隕石同地球、月球及其他行星和衛星的碰撞，流星體同人造衛星或空間飛行器的碰撞。流星體進入大氣時，氣動加熱引起燒蝕使流星體損失質量,由於流星體的動量與質量成正比,而作用於流星體的空氣阻力與流星體質量的三分之二次方成正比，因此只有大的流星體才能穿過大氣層落到地面成為隕石,並在與地面碰撞前保持高的相對運動速度。高能量的隕石與地面碰撞會形成相當可觀的隕石坑。圖1是美國亞利桑那隕石坑，直徑約1240米，深約170米。

圖1 美國亞利桑那隕石坑

50年代以來對隕石（或流星體）碰撞的力學問題進行了大量的研究，原因有二：第一，為了保證人造衛星和空間飛行器安全飛行，需要研究微流星體與飛行器殼體的碰撞問題，並採取相應的防護結構。第二，有些自然現象有可能用隕石碰撞來解釋。例如，關於恐龍於同一時期從地球上消失，一種學說認為，當時一個有巨大能量的流星體與地球相撞，揚起大量塵埃，塵埃長時期停留在空中，地面上日照減少，地球氣溫下降，導致恐龍死亡。關於行星形成的一種學說認為，流星體間的碰撞是物質聚集的一種主要機制，行星是在巨觀物體間無數次碰撞過程中演化成的。為了深入認識隕石碰撞現象，學者們一面進行實驗室的小型模擬實驗，總結實驗結果；一面建立適用於高速碰撞條件的流體彈塑性體模型和相應的計算機數值模擬技術。

彈丸與裝甲的碰撞

彈丸根據速度和其幾何形狀有三種：普通穿甲彈,速度為每秒幾百米,長徑比l/d（l為彈長，d為彈徑）為2～3；高速脫殼穿甲彈,速度約為每秒1500米，長徑比為5～10；破甲彈,其金屬射流速度為每秒2000～8000米，長徑比為幾百（見終點彈道學）。

與穿甲彈和破甲彈相碰撞的通常是金屬裝甲板。描述碰撞的參數為長徑比l/d、長厚比l/t（t為裝甲板厚度）、速度參數ρv/2Y)（ρ為彈材密度,v為彈速，Y)為裝甲板材料的流動應力）和初始碰撞角θ(彈丸飛行方向同裝甲板法向方向間的夾角),這些參數不同，碰撞現象會有很大差異。例如，對穿甲彈而言，在其他條件不變而θ角過大時，會發生跳彈。

爆炸焊接

爆炸焊接的原理如下：假設兩塊相同的平板在碰撞前各以與板平面垂直方向的速度v運動,兩平板板面方向間的夾角為2β(圖2之a)。如果碰撞後兩板被焊接在一起，那么焊接在一起的板必然位於未碰撞前兩板的角平分線上。速度v可以分解為平行於未碰撞前板面方向的分量 v_f=vctgβ和平行於碰撞後板面方向的分量v₀=v/sinβ(圖2之b),故碰撞點以速度v₀沿角平分線方向移動,相對於碰撞點，兩板分別以平行於自身板面的速度v_f向碰撞點移動。炸藥通常鋪放在兩板的外表面，用於給板提供初速度v。

爆炸焊接工藝通常選擇參數ρv_f/2Y為20左右，而且要求v_f小於板材中的聲速。在這種情況下，可以忽略板材的強度和可壓縮性，將板材視為不可壓縮流體。這樣碰撞點相當於駐點，該處的壓力ρv_f/2可達幾萬到十幾萬個大氣壓。根據不可壓縮流體力學理論，碰撞後會產生兩股流動（圖2c），沿角平分線一股向右,一股向左。由於β通常較小，因而向右的一股流動強度較弱，但這股流動卻起著清除兩板原始表面的作用，使碰撞後兩板以未曾暴露的新鮮表面接觸。新鮮表面和很高的接觸壓力使兩塊板很好地焊接在一起。

2-a 碰撞前兩板的運動

2-b 速度分解

2-c 兩板碰撞後的流動

圖2板材爆炸焊接示意圖

高速碰撞實驗

高速碰撞實驗可以分為兩類：一類以模擬碰撞現象為目的，另一類以建立材料的本構關係和狀態方程為目的。前一類實驗以發射彈丸為主，對彈丸形狀和飛行姿態的要求不很高，因此能達到的碰撞速度比後一類實驗高。後一類實驗以發射平板（飛片）為主，對平板飛行速度和姿態、平板和靶外形等方面的要求很高，因此不得不適當減小能達到的最大速度。二級輕氣炮可以用於發射彈丸和平板；一級輕氣炮（速度一般小於 1.7千米/秒）可用於研究在材料強度起重要作用條件下的本構關係；平面波發生器是用來取得高壓狀態方程數據的一種較常用的實驗裝置（見動態超高壓技術）。

參考書目

R. Kinslow，ed., High-velocity Impact Phenomena，Academic Press，New York，1970.