3.3炸药的爆轰理论
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
就同一种炸药而言，随着药包直径的减小，有效反应 区宽度也相应缩小。当d<d临时，侧向扩散影响严重，有 效反应区大大缩小，成为不稳定爆轰。
视频1 视频2
当d临<d<d极时，侧向扩散仍有明显影响，有效反应区宽度比炸药固有 反应区宽度略小，但有效反应区释放的能量还足够维持爆轰波以定常 速度传播，成为非理想稳定爆轰。 当d>d极时，药包中心部分不受侧向扩散的影响，爆轰波以最大速度 传播，为理想爆轰。
一、冲击波的基本概念
1、压缩波基本概念
P P
P1
P0 x
均 匀 区
扰 动 区
未扰 动区
P0 x
视频1
视频2
在无限长气筒活塞右侧充满压力为P0 的气体，当活塞在F力的作用下向右运动 时，活塞右侧气体存在三个区域： 压力为P1的均匀区 压力介于P1与P0之间的扰动区 压力仍为P0的未扰动区
视频1
视频2
视频1
视频2
根据能量守恒定律：系统内能量的变化应等于外力 所做的功。介质的能量是其内能和动能之和，故单 位时间内从右边流入波阵面的介质的能量为
0 ( D u0 ) E0
1
2 ( D u0 ) 2
其中 E0 为未扰动介质中单位质量的内能。 同样，向左流出波阵面的介质能量为
EH E0
视频1 视频2
H
1 2
pH
p 0 v 0 v H
反应区
PH , ρH , u H
爆轰 产物区
2
2
P H , ρH ,
(D uH )
1 0
1 0 1 0
波阵面
u0＝0, P0 , ρ0 未反应 炸药
D
u0 D0
2
, P0 , ρ0
波阵面静止（坐标变换） 爆轰波以爆速 D在药卷中传播，当药卷截面积为S时， 在时间 内进入0-1面的炸药质量为 0 D t S t 坐标变换后，未反应炸药以 D 进入0-1面，在时间 t 内进离开0-1面的炸药质量： H ( D uH ) t S
2）药包外壳 坚固的外壳可减少侧向飞散的影响；
视频1 视频2
3）装药密度 对单体炸药，炸药的爆炸速度D随装 药密度ρ0的增加而增加； 对混合炸药，炸药的爆炸速度D随装 药密度ρ0的增加而增加，当密度增大到一 定程度时，爆速达到最大，密度继续增大， 爆速开始减小，直至被“压死”，即存在 最优装药密度。
视频1 视频2
4）径向间隙效应 管壁、孔壁与药包之间的径向间隙， 影响了爆轰波稳定传播之作用。其影响因 素有：径向间隙的大小、管壁强度、炸药 性质等。 当径向间隙为10~15mm、管壁强度大、 炸药极限密度低时，径向间隙效应明显。
视频1 视频2
爆生气体 炮孔
P
C
D
未反应的炸药
孔内空气冲击波速度C > 炸药中爆轰波速D
图4-16 不同药包直径侧向扩散对反应区结构影响示意图 (a)不稳定传爆；(b)非理想爆轰稳定传爆；(c)理想爆轰 l-反应区宽度；l-有效反应区宽度
视频1 视频2
六、影响稳定传爆的因素
影响稳定传爆的因素
1）药包直径 如上述，要使t1＞t2(炸药中心颗粒向 周边扩散的时间t1≥炸药颗粒反应时间t2) ；
五、稳定爆轰的条件
1、反应区化学反应机理
（1）整体均匀灼热机理
适用于不含气泡或其它掺合物的均质炸药。在冲击 波作用下，邻接波阵面的炸药薄层均匀地受到强烈压缩， 温度迅速上升，产生急剧化学反应。
（2）热点局部灼热机理
适用于不均匀的炸药。在冲击波作用下，化学反应首 先是围绕热点开始的，然后进一步发展到整层炸药。
视频1 视频2
2
1 0
使介质运动的力是波阵面两边的压力差 PH P0 在单位时间内流进波阵面的介质质量为 0 ( D u0 ) 其速度的变化为 ( D u 0 ) ( D u H ) u H u 0 根据动量守恒定律有：
PH P0 0 ( D u 0 )( u H u 0 )
视频1 视频2
P
t1
t2
t3
t4
P0
t1 t2 t3 t4
视频1
F
视频2
（2）定义
冲击波是其波阵面有陡峭的前沿，介 质压力在波阵面发生突跃上升。炸药爆炸
后在介质中产生的传播速度高于介质声速 的一种压缩波，
经长距离传播后，压力上升逐渐趋于 平缓或下降，冲击波最终将衰减成声波。
视频1
视频2
（3）性质 1）其波速D大于介质音速C； 2）其波阵面是完全陡峭的，在此面 上介质参数突跃升到最高值；
H ( D u H )[ E H
1 2 (D uH ) ]
2
视频1
视频2
考虑波阵面两边的介质状态，单位面积上所受的外 力为： A右边的未扰动的介质压力 P0和A左边的压力 PH ， 前者所做的功为 P0 ( D u0 ) ，而后者所做的功为PH ( D u H ) （因作用力和运动方向相反，故为负号）。 因为在爆轰过程中爆热转化为爆炸产物的内能，而 它本来是贮存于炸药中的，故炸药的总内能E0。可以表 示为炸药的内能E0和这部分化学能Qv之和，而爆炸产物 的总内能EH，即为该状态下的内能，故能量守恒方程可 以写为：
不 稳 定 爆 轰
理想爆轰
避免不稳定爆 轰，力求达到 理想爆轰。
理想爆速
稳 定 爆 轰
临界 直径 极限 直径
理 想 爆 轰
药卷直径d
d极= (8~13) d临
图4-14 炸药爆速与药卷直径的关系
视频1 视频2
3、侧向扩散对反应区结构的影响
扩散物前锋位置
有效反应区 膨胀波 阵 面
爆轰产物区
冲击波波阵面
t1 t 2
由于侧向扩散的严重影响，有效反应区宽度大大缩小， 能量损失很大，爆轰波的传播因得不到足够的能量补充而 迅速衰减直至爆轰中断，形成不稳定爆轰。
视频1 视频2
t1 t 2
侧向扩散影响到反应区中炸药的化学反应过程，有 效反应区宽度小于炸药固有的反应区宽度。能量损失增 大，反应区释放能量减少，爆速和波阵面压力下降。如 果波阵面压力还足以激起其前沿炸药薄层发生化学反应， 并为爆轰波稳定传播提供足够的能量，那么，爆轰波仍 能稳定传播，但爆速低于理想爆速。
3）冲击波的速度同波的强度有关。
4）没有外界能量的支持，冲击波 传播因消耗能量而逐渐衰减为音波 而趋于消失。
视频1 视频2
二、爆轰波
1、爆轰波 （1）定义 炸药爆轰时，其波阵面是带有化学反 应区的冲击波，称为爆轰波。它具有冲击 波一切特性。
视频1 视频2
爆轰波在药包中的传播
反应区
D：爆轰波波速
雷管
（2）压缩波的定义 扰动传播后，使介质状态参数(P、ρ、 T)增加的波称为压缩波。在均匀区与未扰 动区之间，存在过渡的扰动区。
视频1
视频2
（3 ）压缩波的特点 1）其介质质点运动方向u与 波的传播方向c相同； 2）其压力的增加是连续的。
视频1
视频2
（4）波阵面 介质中已受扰动区和未受扰动 区的界面。 （5）波速 扰动波沿介质传播的速度，也 就是波阵面的传播速度。
已反应的药包
视频1 视频2
未反应的药包
1)炸药达到稳定爆轰前有 一个不稳定的爆炸区。
2)在特定的条件下，每种 炸药都会有一个不变的炸 药特征爆速Di。 3) 每种炸药都存在一个最 小的临界爆速Dc。波速低 于Dc后，冲击波将衰减为 音波而导致爆轰熄灭。
炸药包在冲击波激发下的爆轰过程
视频1 视频2
（2）爆轰波模型
视频1
视频2
2、冲击波 （1）冲击波的形成
如图（下页），当时间为t1时，气筒中气体 状态如前所述，当活塞的运动足够快，大于气体 的音速c时，因气体中的音速c与其压力P成正比， 扰动区内左侧部分音速c高于右侧部分。
当t2至t3，从t3至t4，扰动区渐渐缩小，直 至消失。在t4情况下均匀区与未扰动区直接接触， 形成了冲击波。
视频1 视频2
爆轰波的Z-N-D模型 P
P2
0 . 1 ~ 1cm
P1
1 10
5
cm
2
10 炸 药
Hale Waihona Puke Baidu
t
爆轰产物区 反应区
视频1 视频2
三、爆轰波基本方程
1、基本方程
（１）质量守恒方程：
（２）动量守恒方程：
0D H (D uH )
PH P0 0 Du
（３）能量守恒方程：
D药
视频1 视频2
l 2h
D索
D药
L t
电测法（爆速仪）测爆速
视频1 视频2
炸药径向间隙效应
视频1 视频2
可采取选用爆速大的炸药和大直径药 卷及坚固外壳等措施，实现稳定爆轰。
视频1
视频2
七、爆速的测定方法
炸药的爆速是衡量炸药爆炸性能的重 要标志量，也是目前可以比较准确测定的 一个爆轰参数。
测量方法 （1）导爆索法 （2）电测法 （3）高速摄影法
视频1 视频2
l
h
导爆索法测爆速
D
Ｌ
反应区宽度 未反应区
侧向扩散 影响区
视频1
视频2
t1表示自药包周边至轴线扩散过程所经历的时间； t2表示炸药颗粒开始反应到反应终了所需的时间。
t1 t 2
反应区中炸药的化学反应过程未受到侧向扩散的影响，有 效反应区宽度大于或等于炸药固有的反应区宽度。爆轰波 在传播过程中能得到足够的能量补充，为理想爆轰。
爆轰波是在炸药中传递的带有反应能以补充 能量稳定的特殊冲击波，是爆轰作用的激发源。
由捷里道维奇、诺依曼和达尔林各自独立提 出的爆轰波结构模型如图（下页）所示，称为ZN-D模型：前沿为压力P1的冲击波波阵面（图中 粗线），阵面后为化学反应区，反应区结束时压 力为PCJ，一般PCJ = P1 /2，压力为PCJ的阵面 称为契普曼- 儒格面（CJ 面），CJ 面之后经过一 个过渡段,爆生产物变成高温高压准静态气体。
H ( D u H )[ E H
1 2 ( D u H ) ] 0 ( D u 0 )[ E 0
2
1
2
( D u 0 ) Q v ] P0 ( D u 0 ) PH ( D u H )
2
视频1
视频2
EH E0
1 2
( p H p 0 )( v 0 v H ) Q v
爆轰波Hugoniot方程。 爆轰波稳定传播时存在如下关系：
D cH u H
上式称为C－J方程或C－J条件。由于C－J面上满足 C－J条件，爆轰波后面稀疏波就不能传入爆轰波反应区 中。此时，反应区内所释放出的能量就不能发生损失， 而全部用来支持爆轰波的稳定传播。
视频1
视频2
四、爆轰波参数
对凝聚相炸药（一般固态炸药，而非 气、液态），其C-J面上各爆轰参数有： 1、质点速度： 4 2、反应区介质音速： 1 P 3、爆轰压力： 4 4、反应区产物密度： 5、爆速： D 4 Q
视频1 视频2
2、理想爆轰和稳定爆轰
爆速是爆轰波的一个重要参数，用它可以分 析炸药爆轰波的传播过程。 （1）爆轰波的传播要靠反应区释放出的能量来维 持，爆速的变化直接反映了反应区结构以及能量释 出的多少和释放的快慢； （2）爆速是目前比较容易准确测定的一个爆轰波 参数。
视频1 视频2
爆速D
非理想爆轰
H
uH
D
cH
3 4
D
D 0
2
H
4 3
0
V
视频1
视频2
从上述公式可知： 1）反应产物质点速度比爆速小，但随爆 速的增大而增大； 2）爆轰反应结束瞬间产物的压力取决于 炸药的爆速和速度； 3）爆轰刚结束时，产物的密度比原炸药 的密度要大； 4）爆轰结束瞬间的温度不是爆温，它比 爆温高。
视频1 视频2
视频1 视频2
当d临<d<d极时，侧向扩散仍有明显影响，有效反应区宽度比炸药固有 反应区宽度略小，但有效反应区释放的能量还足够维持爆轰波以定常 速度传播，成为非理想稳定爆轰。 当d>d极时，药包中心部分不受侧向扩散的影响，爆轰波以最大速度 传播，为理想爆轰。
一、冲击波的基本概念
1、压缩波基本概念
P P
P1
P0 x
均 匀 区
扰 动 区
未扰 动区
P0 x
视频1
视频2
在无限长气筒活塞右侧充满压力为P0 的气体，当活塞在F力的作用下向右运动 时，活塞右侧气体存在三个区域： 压力为P1的均匀区 压力介于P1与P0之间的扰动区 压力仍为P0的未扰动区
视频1
视频2
视频1
视频2
根据能量守恒定律：系统内能量的变化应等于外力 所做的功。介质的能量是其内能和动能之和，故单 位时间内从右边流入波阵面的介质的能量为
0 ( D u0 ) E0
1
2 ( D u0 ) 2
其中 E0 为未扰动介质中单位质量的内能。 同样，向左流出波阵面的介质能量为
EH E0
视频1 视频2
H
1 2
pH
p 0 v 0 v H
反应区
PH , ρH , u H
爆轰 产物区
2
2
P H , ρH ,
(D uH )
1 0
1 0 1 0
波阵面
u0＝0, P0 , ρ0 未反应 炸药
D
u0 D0
2
, P0 , ρ0
波阵面静止（坐标变换） 爆轰波以爆速 D在药卷中传播，当药卷截面积为S时， 在时间 内进入0-1面的炸药质量为 0 D t S t 坐标变换后，未反应炸药以 D 进入0-1面，在时间 t 内进离开0-1面的炸药质量： H ( D uH ) t S
2）药包外壳 坚固的外壳可减少侧向飞散的影响；
视频1 视频2
3）装药密度 对单体炸药，炸药的爆炸速度D随装 药密度ρ0的增加而增加； 对混合炸药，炸药的爆炸速度D随装 药密度ρ0的增加而增加，当密度增大到一 定程度时，爆速达到最大，密度继续增大， 爆速开始减小，直至被“压死”，即存在 最优装药密度。
视频1 视频2
4）径向间隙效应 管壁、孔壁与药包之间的径向间隙， 影响了爆轰波稳定传播之作用。其影响因 素有：径向间隙的大小、管壁强度、炸药 性质等。 当径向间隙为10~15mm、管壁强度大、 炸药极限密度低时，径向间隙效应明显。
视频1 视频2
爆生气体 炮孔
P
C
D
未反应的炸药
孔内空气冲击波速度C > 炸药中爆轰波速D
图4-16 不同药包直径侧向扩散对反应区结构影响示意图 (a)不稳定传爆；(b)非理想爆轰稳定传爆；(c)理想爆轰 l-反应区宽度；l-有效反应区宽度
视频1 视频2
六、影响稳定传爆的因素
影响稳定传爆的因素
1）药包直径 如上述，要使t1＞t2(炸药中心颗粒向 周边扩散的时间t1≥炸药颗粒反应时间t2) ；
五、稳定爆轰的条件
1、反应区化学反应机理
（1）整体均匀灼热机理
适用于不含气泡或其它掺合物的均质炸药。在冲击 波作用下，邻接波阵面的炸药薄层均匀地受到强烈压缩， 温度迅速上升，产生急剧化学反应。
（2）热点局部灼热机理
适用于不均匀的炸药。在冲击波作用下，化学反应首 先是围绕热点开始的，然后进一步发展到整层炸药。
视频1 视频2
2
1 0
使介质运动的力是波阵面两边的压力差 PH P0 在单位时间内流进波阵面的介质质量为 0 ( D u0 ) 其速度的变化为 ( D u 0 ) ( D u H ) u H u 0 根据动量守恒定律有：
PH P0 0 ( D u 0 )( u H u 0 )
视频1 视频2
P
t1
t2
t3
t4
P0
t1 t2 t3 t4
视频1
F
视频2
（2）定义
冲击波是其波阵面有陡峭的前沿，介 质压力在波阵面发生突跃上升。炸药爆炸
后在介质中产生的传播速度高于介质声速 的一种压缩波，
经长距离传播后，压力上升逐渐趋于 平缓或下降，冲击波最终将衰减成声波。
视频1
视频2
（3）性质 1）其波速D大于介质音速C； 2）其波阵面是完全陡峭的，在此面 上介质参数突跃升到最高值；
H ( D u H )[ E H
1 2 (D uH ) ]
2
视频1
视频2
考虑波阵面两边的介质状态，单位面积上所受的外 力为： A右边的未扰动的介质压力 P0和A左边的压力 PH ， 前者所做的功为 P0 ( D u0 ) ，而后者所做的功为PH ( D u H ) （因作用力和运动方向相反，故为负号）。 因为在爆轰过程中爆热转化为爆炸产物的内能，而 它本来是贮存于炸药中的，故炸药的总内能E0。可以表 示为炸药的内能E0和这部分化学能Qv之和，而爆炸产物 的总内能EH，即为该状态下的内能，故能量守恒方程可 以写为：
不 稳 定 爆 轰
理想爆轰
避免不稳定爆 轰，力求达到 理想爆轰。
理想爆速
稳 定 爆 轰
临界 直径 极限 直径
理 想 爆 轰
药卷直径d
d极= (8~13) d临
图4-14 炸药爆速与药卷直径的关系
视频1 视频2
3、侧向扩散对反应区结构的影响
扩散物前锋位置
有效反应区 膨胀波 阵 面
爆轰产物区
冲击波波阵面
t1 t 2
由于侧向扩散的严重影响，有效反应区宽度大大缩小， 能量损失很大，爆轰波的传播因得不到足够的能量补充而 迅速衰减直至爆轰中断，形成不稳定爆轰。
视频1 视频2
t1 t 2
侧向扩散影响到反应区中炸药的化学反应过程，有 效反应区宽度小于炸药固有的反应区宽度。能量损失增 大，反应区释放能量减少，爆速和波阵面压力下降。如 果波阵面压力还足以激起其前沿炸药薄层发生化学反应， 并为爆轰波稳定传播提供足够的能量，那么，爆轰波仍 能稳定传播，但爆速低于理想爆速。
3）冲击波的速度同波的强度有关。
4）没有外界能量的支持，冲击波 传播因消耗能量而逐渐衰减为音波 而趋于消失。
视频1 视频2
二、爆轰波
1、爆轰波 （1）定义 炸药爆轰时，其波阵面是带有化学反 应区的冲击波，称为爆轰波。它具有冲击 波一切特性。
视频1 视频2
爆轰波在药包中的传播
反应区
D：爆轰波波速
雷管
（2）压缩波的定义 扰动传播后，使介质状态参数(P、ρ、 T)增加的波称为压缩波。在均匀区与未扰 动区之间，存在过渡的扰动区。
视频1
视频2
（3 ）压缩波的特点 1）其介质质点运动方向u与 波的传播方向c相同； 2）其压力的增加是连续的。
视频1
视频2
（4）波阵面 介质中已受扰动区和未受扰动 区的界面。 （5）波速 扰动波沿介质传播的速度，也 就是波阵面的传播速度。
已反应的药包
视频1 视频2
未反应的药包
1)炸药达到稳定爆轰前有 一个不稳定的爆炸区。
2)在特定的条件下，每种 炸药都会有一个不变的炸 药特征爆速Di。 3) 每种炸药都存在一个最 小的临界爆速Dc。波速低 于Dc后，冲击波将衰减为 音波而导致爆轰熄灭。
炸药包在冲击波激发下的爆轰过程
视频1 视频2
（2）爆轰波模型
视频1
视频2
2、冲击波 （1）冲击波的形成
如图（下页），当时间为t1时，气筒中气体 状态如前所述，当活塞的运动足够快，大于气体 的音速c时，因气体中的音速c与其压力P成正比， 扰动区内左侧部分音速c高于右侧部分。
当t2至t3，从t3至t4，扰动区渐渐缩小，直 至消失。在t4情况下均匀区与未扰动区直接接触， 形成了冲击波。
视频1 视频2
爆轰波的Z-N-D模型 P
P2
0 . 1 ~ 1cm
P1
1 10
5
cm
2
10 炸 药
Hale Waihona Puke Baidu
t
爆轰产物区 反应区
视频1 视频2
三、爆轰波基本方程
1、基本方程
（１）质量守恒方程：
（２）动量守恒方程：
0D H (D uH )
PH P0 0 Du
（３）能量守恒方程：
D药
视频1 视频2
l 2h
D索
D药
L t
电测法（爆速仪）测爆速
视频1 视频2
炸药径向间隙效应
视频1 视频2
可采取选用爆速大的炸药和大直径药 卷及坚固外壳等措施，实现稳定爆轰。
视频1
视频2
七、爆速的测定方法
炸药的爆速是衡量炸药爆炸性能的重 要标志量，也是目前可以比较准确测定的 一个爆轰参数。
测量方法 （1）导爆索法 （2）电测法 （3）高速摄影法
视频1 视频2
l
h
导爆索法测爆速
D
Ｌ
反应区宽度 未反应区
侧向扩散 影响区
视频1
视频2
t1表示自药包周边至轴线扩散过程所经历的时间； t2表示炸药颗粒开始反应到反应终了所需的时间。
t1 t 2
反应区中炸药的化学反应过程未受到侧向扩散的影响，有 效反应区宽度大于或等于炸药固有的反应区宽度。爆轰波 在传播过程中能得到足够的能量补充，为理想爆轰。
爆轰波是在炸药中传递的带有反应能以补充 能量稳定的特殊冲击波，是爆轰作用的激发源。
由捷里道维奇、诺依曼和达尔林各自独立提 出的爆轰波结构模型如图（下页）所示，称为ZN-D模型：前沿为压力P1的冲击波波阵面（图中 粗线），阵面后为化学反应区，反应区结束时压 力为PCJ，一般PCJ = P1 /2，压力为PCJ的阵面 称为契普曼- 儒格面（CJ 面），CJ 面之后经过一 个过渡段,爆生产物变成高温高压准静态气体。
H ( D u H )[ E H
1 2 ( D u H ) ] 0 ( D u 0 )[ E 0
2
1
2
( D u 0 ) Q v ] P0 ( D u 0 ) PH ( D u H )
2
视频1
视频2
EH E0
1 2
( p H p 0 )( v 0 v H ) Q v
爆轰波Hugoniot方程。 爆轰波稳定传播时存在如下关系：
D cH u H
上式称为C－J方程或C－J条件。由于C－J面上满足 C－J条件，爆轰波后面稀疏波就不能传入爆轰波反应区 中。此时，反应区内所释放出的能量就不能发生损失， 而全部用来支持爆轰波的稳定传播。
视频1
视频2
四、爆轰波参数
对凝聚相炸药（一般固态炸药，而非 气、液态），其C-J面上各爆轰参数有： 1、质点速度： 4 2、反应区介质音速： 1 P 3、爆轰压力： 4 4、反应区产物密度： 5、爆速： D 4 Q
视频1 视频2
2、理想爆轰和稳定爆轰
爆速是爆轰波的一个重要参数，用它可以分 析炸药爆轰波的传播过程。 （1）爆轰波的传播要靠反应区释放出的能量来维 持，爆速的变化直接反映了反应区结构以及能量释 出的多少和释放的快慢； （2）爆速是目前比较容易准确测定的一个爆轰波 参数。
视频1 视频2
爆速D
非理想爆轰
H
uH
D
cH
3 4
D
D 0
2
H
4 3
0
V
视频1
视频2
从上述公式可知： 1）反应产物质点速度比爆速小，但随爆 速的增大而增大； 2）爆轰反应结束瞬间产物的压力取决于 炸药的爆速和速度； 3）爆轰刚结束时，产物的密度比原炸药 的密度要大； 4）爆轰结束瞬间的温度不是爆温，它比 爆温高。
视频1 视频2