爆炸作用原理

爆炸：一种极为迅速的屋里或化学的能量释放。

爆炸三要素：放热性，迅速性，产生气体。

（物理，化学，核爆炸）
炸药化学变化的形式：1.缓慢的化学变化，2.燃烧，3.爆轰
气体的状态参量：P V T 物理性质：1.连续性，2.可压缩性，3.粘性，4.导热性。

爆炸破坏作用的直接原因：压力突变。

炸药：在外界因素的作用下可以引起高速化学反应并能升V恒大两气体产物和放出大量热量的物质。

炸药的特点：体积小，质量轻，制造和控制容易。

冲击：是抛射体（弹体）以一定的速度向被撞击物（靶板）进行撞击，在撞击瞬间能量进行急骤转
化的现象。

冲击现象的特点：载荷强度高，作用时间短。

理想气体的状态方程：PV=nRT
热力学第一定律：外界对系统所传递的热量，一部分使系统的内能增加，一部分用于系统对外界所
做的功：Q=E2-E1+A
对于单位质量的气体：dq=de+pdv
定容比热：de=CvdT →e-e0=Cv（T-T0）
取T0=0 有E=CvT单位质量理想气体的内能等于定容比热与绝对温度的乘积。

定压比热：dq=CvdT+d(pv)=vdp
等压条件下dp=0 由pv=RT可得Cp=Cv+R
理想气体的定压比热与定容之热之比，成为理想气体的绝热指数：
γ=Cp/Cv →Cv=R/(γ-1) Cp=γR/（γ-1）
单原子气体γ=1.67，双原子气体γ=1.4，多原子气体γ=1.33，对于理想气体γ=1.4 焓：H=E+pV h=e+pv →dh=dq+vdp
等压过程：dp=0 →dh=CpdT →h-h0=Cp（T-T0）在绝对温度时h0=CpT0=0 有h=CpT
熵：ds=CpdT
T
−Rdp
p对于等熵过程：
等熵要求：1、在整个过程中系统与外界没有任何热量交换，即整个过程是绝热的2、在整个过程中系统内部不容许由于其体分子的粘性摩擦或气体分子与容器壁的摩擦而产生热量。

热力学第三定律：当宏观体系的绝热温度为0K时，体系的熵为0
热力学第二定律：在任何一种与外界无能量交换的隔离系统中所发生的过程若是一种可逆过程，则熵值始终保持不变，然而一旦发生了不可逆过程，系统的熵值将增大。

ds=dp
T ≥0
绝热可逆过程：dp=de+pdv Tds=de+pdv
绝热不可逆过程：Tds＞de+pdv Tds＞dh−vdp 因为（dh=de+pdv+vdp）气体的各种状态变化方程：
①等容过程：（dv=0）有：dq=de+pdv=de=CvdT
在等容过程中：系统的呀刘随温度的升高成比例的增加P/T=常数
②等压过程：（dp=0 P为常数）有：dp=de+pdv=dh−vdp=dh=CpdT
在等压过程中：气体的体积与温度成正比：dv
dT
=常数
③等温过程：（T为常数）有：dq=de+pdv=CvdT+pdv=pdv
在等温过程中：P与V成反比（pv=RT）
④绝热过程：de=−pdv pvγ=常数
在绝热过程中：比容v随着P的增大而减小，但与等温过程相比，减少的相对较慢。

⑤多方方程：pv k=常数
k=0时：等压过程
k=1时：等温过程
k=Cp
Cv
=γ时：等熵过程
k=∞时：v为常数，等容过程
波：可识别的传播速度从介质的一部分传到另一部分的任何可是别的讯号。

分类：数学角度：双曲波，色散波 物理本质：电磁波，机械波
波阵面：在波或扰动的传播过程中，已受扰动区和未受扰动区的分界面。

扰动：受到外界作用时介质的局部状态变化。

（波的概念：扰动的传播） 弱扰动：扰动前后状态参数变化量与原来的状态值相比很微小的扰动。

对于小扰动来说，无论是膨胀扰动还是压缩扰动，他们都以相同的速度向外。

特点：状态变化是微小的，逐渐的，连续的。

强扰动：状态参数变化很剧烈，或介质状态是突跃变化的扰动。

（冲击波：是一种强烈的压缩波，
扰动波传过后压力密度温度等状态参数增大的波，波速与质点运动速度相等，方向相反）
声波：①：质量守恒定律：（管截面为A 0速度由u →δu ） x ∙A 0∙ρ0=(x −x 1)∙A 0∙(ρ0+△ρ)
x =at 1
x 1=δt 1
}→ρ0a =(a −δu )（ρ0+△ρ）
②：动量守恒定律：
(X −x 1)A 0(ρ0+∆ρ)(δu −0)=[(p 0+∆p )−p 0]∙A 0t 1
∆p =ρ0aδu 又知∆u =δu =∆ρρ0
+∆ρ∙a →∆p =ρ0∙a ∙∆ρ
ρ0
+∆ρ
a =√
ρ0+∆ρρ0
∙∆p ∆ρ 由于声波为弱扰动：a =√dp
dρ
将声波传播视为等熵过程：a =√（∂p
∂ρ）s
=√k ∙p
ρ =√kRT 又pρ
−k
=常数=A 则有（∂p
∂ρ）s
=Akρ
k−1
=Ak
ρk ρ
=k p
ρ
对于地表空气k=1.4，R=287.9m 2
s 2∙℃ →a=20.5√T （m/s ）=340(m/s) (T=288K 15℃) 一维流动方程组：质量方程：∂ρ
∂t +u ∂ρ
∂x +ρ∂u
∂x =0 动量方程：∂u
∂t +u ∂u
∂x +1ρ∂p ∂x =0
能量方程：ρde
dt −p ρdρ
dt =0或∂S
∂t +u ∂S
∂x =0 以u 、a 为求解参量的方程组（特征解） a =√（dp
dρ）s pρ−k =A =常数
a 2=dp
dρ=k p ρ=Akρk−2dρ 求导有：2ada =Ak （k −1）ρk−2dρ dρ
ρ=2k−1da
a
有
dx
dt
=u ±a
du ±2
k−1da =0} 又因为有u ±2
k−1a =常数→{dx
dt
=u +a
u +2k−1a =C 1 {dx dt
=u −a
u −2
k−a a =C 2
平面正冲击波的基本关系式：
① ρ0(D −u 0)=ρ1(D −u 1) 或写成 D −u 0=v 0u 1−u
0v 0−v 1
质量守恒方程、连续方程
② p 1−p 0=ρ0(D −u 0)(u 1−u 0) 或写成D −u 0=v 0p 1−p
0u 1
−u 0
动量守恒方程 ③ (e 1−e 0)+1
2(u 12
−u 0
2)
=
p 1u 1−p 0u 0
ρ0（D−u 0）
能量守恒方程
④ 整理得冲击波基本方程
⑤ {
u 1−u 0=（v 0−v 1）√p 1−p 0
v 0−v 1=√(p 1−p 0)（v 0−v 1）D −u 0=v 0√p 1−p 0
v
0−v 1
e 1−e 0=1
2(p 1+p 0)（v 0−v 1）
→
{ u 1=√p 1（v 0−v 1）D =√p 1
v
0−v 1e 1=12p 1
（v 0−v 1）
（u 0=0 ρ0 e 0与ρ1 e 1相比变化较小） 用D 表示{ p −p 0=2
k+1ρ0(D −u 0)2
[1−(a 0
D−u 0
)2
]
u −u 0=2k+1(D −u 0)[1−(a 0D−u 0)2
]
v 0−v v 0=2k+1[1−(a 0
D−u 0
)2]p =ρRT
波速线D =V 0√P−P 0V 0−V →p =−D 2v 02v +(D 2v 0+p 0) 在初态相同，波速一定时，冲击波传过各种介质所达到的状态均在同一条波速线上。

冲击绝热线：e −e 0=1
2(p +p 0)(v 0−v) 对于多方气体来说：p
p 0
=(k+1)v 0−（k−1）v (
k+1)v−（k−1）v 0
雨果尼奥曲线是与介质有关并过初态点的一条曲线，对不同的介质和不同的初态点就有不同的雨果尼奥曲线。

密接波：波阵面的起始点在飞行器干扰点上的波。

脱体波：起始点在干扰点之前的波。

冲击波的雨果尼奥曲线就是不同波速的冲击波传过同一状态的介质后所到达的重点的状态连线。

等熵线（过程线）：由等熵方程所确定的的曲线，它表示介质在进行等熵压缩和等熵膨胀时介质状态变化所走过的路径。

（熵值越高，等熵线越往右上方移动） pv k =常数，常数的大小取决于初始状态有：pv k =p 0v 0k
可见，不同的初始状态，不同的介质，常数是不同的，在不同的熵值下，数值不同，数值越大，熵值越大。

冲击波的性质：（平面正冲击波绝热线与等熵线之间的关系）
① 冲击波线不是过程线，等熵线是一系列弱扰动波穿过后介质状态变化所经历的过程线。

② 除初态点外，雨果尼奥曲线上的合点熵值均大于等熵线上的熵值，即冲击波传动过后介质的熵值增大。

③ 冲击波的雨果尼奥曲线和等熵线在初态点O 处是相切的。

有tan a 0=a 02
v
02
=
D 02v 02
tan a 均大于
tan a 0即冲击波的速度重视大于初始介质中的声速。

中级博得传播速度对波前介质而言总是超声速的，对于波后介质而言，是亚声速的。

④ 冲击波传过后的介质获得了一个与波传播方向相同的运动速度，即u −u 0>0 冲击波固壁上的正反射：
1、冲击波的反射作用会大大加强冲击波对目标的破坏作用
2、反射冲击波的传播速度总是低于入射冲击波的速度且二者的方向相反
3、反射冲击波的强度总是低于入射冲击波的强度。

入射波波阵面前后：u 1−u 0=√(p 1−p 0)（v 0−v 1） 1 D 1−u 0=v 0√p 1−p
0v 0
−v 1
2
v 0v 1
=ρ
1ρ0
=(k+1)p 1+（k−1）p 0(
k−1)p 1+（k+1）p 0
3
反射波波阵面前后：u 2−u 1=√(p 2−p 1)（v 1−v 2） 1， D 2−u 1=−v 1√p 2−p
1v 1
−v 2
2，
v 1v 2
=ρ
2ρ1
=(k+1)p 2+（k−1）p 1(
k−1)p 1+（k−1）p 2
3，
取u 0=0 根据固壁表面不变形条件可知u 2=0
由1 1，得：(p 2−p 1)(1−p 1p 2
)=(p 1−p 0)（ρ
1ρ0
−1）将3带入有：
p 2p 1
=
(3k−1)p 1−（k−1）p 0(k−1)p 1+（k+1）p 0
4
当入射波很强时：p 0可以忽略不计。

式子可简化为：p 2−p
0p 1
−p 0
=
3k−1k−1
当入射波很弱时：p 1≈p 0则有：p 2−p
0p 1
−p 0
=2反射后壁面压将增加一倍。

密度变化：ρ1ρ1
=v 1v 2
=kp 1(k−1)p 1
+p 0
对于强冲击波：ρ2ρ1
=v 1v 2
=k k−1 →ρ2ρ0
=
k （k+1）（k−1）
2
传播速度：D 2=P 2−P 1P 1
−P 0
ρ0ρ2
D 1对于强冲击波：D 2=−
2（k−1）k+1
D 1反射速度总是低于入射，且方向相反。

强度：由：p 2p 1
=
(3k−1)p 1−（k−1）p 0(k−1)p 1+（k+1）p 0
=
(3k−1)−（k−1）p
0p 1(k+1)+（k−1）p
1p 0
p
1p 0
在p
1p 0
时，有：p
2p 1
<p
1p 0
→
p 2−p 1p 1
<
p 1−p 0p 0
反射冲击波强度总低于入射冲击波的强度。

冲击波固壁上的斜反射：
斜冲击波的形成:由弱压缩波叠加而成。

冲击波的极曲线： q 1t =q 2t =q 1cos φ=q 2x cos φ+q 2y sin φ q 1n =q 1sin φ
q 2n =q 2sin （φ−θ）
q 2x =q 2cos θ q 2y =q 2sin θ
tan φ=q 1−q
2x q 2y
q 2n −q 1n =p 1
ρ
1q 1n
−p 2
ρ
2q 2n
q 2y 2
=（q 1−q 2x ）2
q 1q 2x −c ∗2
c ∗2+2r+1
q 12−q 1q 2x
冲击波极曲线方程。

爆轰波：沿爆炸物传播的强冲击波，后面带有一个高速化学反应区的强冲击波。

不同点与冲击波：在其穿过后爆炸物因受到它的强烈冲击而立即激起高速化学反应，形成高温高压爆轰产物并放出大量的化学反应热能。

而这些能量又对下层爆炸物进行冲击压缩，使爆轰波传播。

对于通常的气相爆炸物，爆轰波的传播速度一般为1500m/s~4000m/s 爆轰终了断面所达到的压力和温度分别为数个兆帕和2000K~4000K
对于军用高猛炸药，爆速通常在6500m/s~9500m/s 的范围，波阵面穿过后产物的压力高达数十个兆帕，温度高达3000K~5000K 密度增大三分之一。

定常爆轰波的C-J 理论：
假设：①流动是平面一维的，不考虑热传导，热辐射以及粘滞摩擦的耗能效应 ②视爆轰波为一强间断面，即冲击波。

③爆轰波通过后化学反应瞬间完成并放出化学反应热Q e ④应物处于热化学平衡及热力学平衡状态。

单位质量总比内能：{U 0=e 0+Q e
U j =e j +Q j
内能变化U j −U 0=e j −e 0+Q j −Q e
质量守恒：ρ0(D −u 0)=ρj （D −u j ）
动量守恒：p j −p 0=ρ0(D −u 0)（u j −u 0） 波速方程：D =v 0√p j −p 0
u 0
−u j
质点运动速度方程：u j =（v 0−v j ）√p j −p 0
v 0
−v j
根据能量守恒：e j −e 0=1
2(p j +p 0)(v 0−v j )+Q e 雨贡纽曲线方程斜率：tan (π−α)=tan α=−D 2
v 0
2
爆轰波稳定传播的条件：稀疏波永远在爆轰波之后。

爆轰终了产物的状态必须与瑞利线和爆轰波的放热雨贡纽曲线相切点M 的状态相对应。

爆轰波中发生的化学反应时沿着波速线进行的。

并且反映终了产物的状态处在曲线2的爆轰支上。

波速线的物理意义：过同一初始点，同一波速的爆轰波在不同介质中达到终点状态的连线。

雨贡纽曲线的物理意义：不同波速，同一初始点，同一介质达到终点状态的连线。

切点M 的状态为C-J 状态。

（M 点以上的线段为强爆轰支，以下为弱爆轰支）
C-J状态的特点为：爆轰波面后稀疏波在该状态下传播的速度恰恰等于爆轰波向前推进的速度。

M点的性质：① M点为雨贡纽曲线，波速线，等熵线的公切点。

②雨贡纽曲线上M点熵值最小。

③M为相应波速线上熵值最大的一点。

马赫：表示速度的量词，1马赫=1音速M0=D−u0
C0
马赫数：物体速度与音速的比值。

证明：u j+c j=D
由热力学第一定律：Tds=de+pdv
e j−e0=1
2
(p j+p0)(v0−v j)+Q e
de−1
2
[(v0−v j)dp−（p j+p0）dv]
Tds=1
2
[(v0−v j)dp−（p j+p0）dv]+pdv
2Tds
dv =（v0−v j）2[1+（p j−p0
v0−v j
）
2
]d0
dv
可知在M点处有极值：−（dp
dv ）
2.M
=−dp
dv S.M
p j−p0 v0−v j =−（dp
dv
）
2.M
=−dp
dv S.M
D−u j=v0√p j−p0
v0−v j −(v0−v j)√p j−p0
v0−v j
=v M√p j−p0
v0−v j
从而得到D−u j=C j
雨贡纽曲线上各点含义：
dc段，v>v0，p>p0波速线斜率<0，D不存在，无意义
c点处，v>v0，p=p0为定压燃烧过程。

GAL段，v>v0，p<p0 D>0，u<0，波的传播方向与产物运动方向相反，此段为爆炸支。

弧GA段为弱燃烧支，弧AI段为强燃烧支
A点为燃烧过程的C-J点。

d点处，v=v0，p>p0定容爆轰。

LMK段，p>p0，v<v0可知D>0，u>0
弧MK段为强爆轰支，弧ML段为弱爆轰支。

由分析可知，爆轰过程反应产物的终了必定位于该曲线的爆轰支上。

多方气体的爆轰波理论：
波速方程：D−u0=v0√p j−p0
u0−u j
改写为无因次量形式：p
p0−1=p(D−u0)2
p0
(1−v
v0
)
引入马赫数：M0=D−u0
C0且c02=k p0
ρ0
→p
p0
=1+kM02（1−v
v0
）
多方气体雨果尼奥方程：
pv k−1−p0v0
k−1
=1
2
(p+p0)(v0−v)+Q e
化简可知极小值为：（v
v0）
min
=1+kM02
（1+k）M02
当M02=1时：（v
v0）
min
=1
当M02>1时：（v
v0）
min
<1爆轰传播过程。

当M02<1时：（v
v0）
min
>1燃烧博的传播过程。

柔格法则：爆轰波小对于波前介质而言是超声速的相对于波阵面后的介质而言，强爆轰是亚声速的，而弱爆轰是超声速的，C-J点的爆轰是声速的。

多方气体爆红C-J参数计算：
p i=k
k+1ρ0D2 u j=1
k+1
D D j=√2(k2−1)Q e c j=D j−u j=k
k+1
D
爆轰参数近似理论计算：
ρH=k+1
k ρ0压力p H=1
k+1
ρ0D2质点速度u H=1
k+1
D 产物声速c H=k
k+1
D k=∑n i
N
i=1
∑n i
k i
N
i=1
凝聚炸药爆轰反应机理：
1、整体反应机理：在强冲击波作用下，波阵面上的炸药受到强烈的绝热压缩，受压缩的炸药层各处
都均匀的升高到很高的温度，因为化学反应在反应区的整个体积内进行。

（物理结构很均匀的炸药）
2、表面感应机理（热点机理）：在强冲击波的作用下，波阵面上的炸药受到强烈的绝热压缩，但在
被压缩的炸药层中温度的升高是不均匀的，因而在化学反应首先以被称为（起爆中心）的低点开始，进而传到整个炸药层，由于起爆中心很容易在炸药颗粒表面以及层中所含气泡的周围形成，因而成为表面反应机理。

（固体粉状，松散体压装，含有大量气泡的液体，胶体炸药）
3、混合反应机理：主要是物理性质不均匀的混合炸药，特别是由氧化剂及可燃物构成的机械混合炸
药发生爆轰时所特有的。

凝聚炸药的特点：密度大，爆速高，爆轰压力大，所形成的能量密度高，爆炸物破坏性强，威力大。

表征凝聚炸药爆炸性能的因素：爆压和爆速。

凝聚炸药爆轰工程计算：（MNQ法，氮当量法）
MNQ法是在最大放热条件下进行的。

爆轰产物生成的顺序，炸药中的氧首先将氢氧化成H2O余下的氧碳化为CO2若再有多余的氧，则以氧分子存在，如有多余的碳，则形成固态碳，氮不参与反应，产物中以N2存在。

直径效应：装药直径的大小影响爆轰波的传播的现象。

临界直径：爆轰波能够沿爆炸物传播下去的最小直径。

极限直径：爆轰波以理想爆速传播的最小直径。

装药密度增大，爆速增大，爆压，爆热均增大，装药的临界直径和极限直径均减小。

炸药颗粒度减小，临界直径和极限直径也减小。

临界直径随温度的升高而降低。

在同样条件下，炸药的临界直径越小，表示炸药爆轰进行的能力越强。

爆轰波形的控制：
主要手段，运用爆轰波传播复合几何光学原理的特点，采用高、低爆速炸药进行组合，装药中设置
惰性块，火采用多点起爆等方法进行。