1、全国工程爆破技术人员统一培训教材全国工程爆破技术人员统一培训教材中国工程爆破协会中国工程爆破协会 编编汪旭光院士汪旭光院士 主编主编冶金工业出版社冶金工业出版社爆爆 破破 设设 计计 与与 施施 工工(2)第第2 2章章 爆炸与炸药的基本理论爆炸与炸药的基本理论 2.1 基本概念基本概念 2.2 炸药的起爆和感度炸药的起爆和感度 2.3 炸药的爆轰理论炸药的爆轰理论 2.4 炸药的氧平衡与热化学参数炸药的氧平衡与热化学参数 2.5 炸药的爆炸性能炸药的爆炸性能v重点：重点：1、炸药化学爆炸的条件和基本形式；、炸药化学爆炸的条件和基本形式；2、炸药的氧平衡；、炸药的氧平衡；3、炸药起爆理论；、炸
2、药起爆理论；4、冲击波基本概念；、冲击波基本概念；5、爆轰波稳定传爆的条件和影响因素；、爆轰波稳定传爆的条件和影响因素；6、炸药爆炸的动、静作用及表示。、炸药爆炸的动、静作用及表示。v难点：难点：1、冲击波与爆轰波的概念；、冲击波与爆轰波的概念；2、炸药起爆理论；、炸药起爆理论；3、炸药的热化学参数。、炸药的热化学参数。2.1 基本概念基本概念2.1.1 爆炸现象及分类爆炸现象及分类 vv 爆炸现象爆炸现象 是某一物理系统在发生迅速的物理和化学变化时，系统本是某一物理系统在发生迅速的物理和化学变化时，系统本身的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为对周围介质做功，身的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为
3、对周围介质做功，同时伴随有强烈放热、发光和声响等效应的过程。同时伴随有强烈放热、发光和声响等效应的过程。例如例如：锅炉爆炸、原子弹爆炸、放鞭炮、自行车炸胎等。锅炉爆炸、原子弹爆炸、放鞭炮、自行车炸胎等。vv 分类分类 物理爆炸、化学爆炸、核爆炸物理爆炸、化学爆炸、核爆炸 1）物理爆炸物理爆炸：只是物质形态发生变化，而化学成分和性质：只是物质形态发生变化，而化学成分和性质 没有改变的爆炸现象。没有改变的爆炸现象。2 2）化学爆炸化学爆炸：在爆炸前后，不仅发生物态的急剧变化，而：在爆炸前后，不仅发生物态的急剧变化，而 且物质的化学成分也发生改变的反应。且物质的化学成分也发生改变的反应。3 3）核爆
4、炸核爆炸：由核裂变或核聚变释放出巨大能量所引起的爆：由核裂变或核聚变释放出巨大能量所引起的爆 炸现象。炸现象。vv 爆炸定义爆炸定义 爆炸爆炸是某一物质系统在发生迅速的物理和化学变化时，是某一物质系统在发生迅速的物理和化学变化时，系统本身的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为系统本身的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为 对周围介质做功，同时伴随有强烈放热、发光和对周围介质做功，同时伴随有强烈放热、发光和 声响等效应的过程。声响等效应的过程。燃 放 鞭 炮炸 药 爆 炸 核 爆 炸2.1.2 化学爆炸的三要素化学爆炸的三要素（基本特征）（基本特征）反应的放热性反应的放热性 （高温）（高温）生成大量气体
5、产物生成大量气体产物 （高压）（高压）反应和传播的高速性反应和传播的高速性 （高速）（高速）三要素三要素 1）反应的放热性）反应的放热性 放出热量放出热量是爆炸得以进行的首位必要条件。是使反应独立地、高速地是爆炸得以进行的首位必要条件。是使反应独立地、高速地进行的必须能源。下面以硝酸铵的不同化学反应为例：进行的必须能源。下面以硝酸铵的不同化学反应为例：常温下常温下分解：分解：NH4NO3 NH3+HNO3170.7kJ 加热至加热至200左右左右：NH4NO3 0.5 N2+NO+2 H2O+36.1kJ 或或 NH4NO3 N2O+2 H2O+52.4kJ 起爆药柱引爆起爆药柱引爆：NH4N
6、O3 N2+2H2O+0.5O2 +126.4kJ 常温下，硝酸铵的分解是一个吸热反应，不能发常温下，硝酸铵的分解是一个吸热反应，不能发生爆炸；但加热到生爆炸；但加热到200200左右时，分解反应为放热反左右时，分解反应为放热反应，如果放出的热量不能及时散失，炸药温度就会应，如果放出的热量不能及时散失，炸药温度就会不断升高，促使反应速度不断加快和放出更多的热不断升高，促使反应速度不断加快和放出更多的热量，最终就会引起炸药的燃烧和爆炸；如果用起爆量，最终就会引起炸药的燃烧和爆炸；如果用起爆药柱（药柱（primer cartridgeprimer cartridge）引爆时，硝酸铵发生剧）引爆时，
7、硝酸铵发生剧烈的放热反应，即刻爆炸。可见，只有放热反应才烈的放热反应，即刻爆炸。可见，只有放热反应才可能具有爆炸性。可能具有爆炸性。2 2）生成大量气体产物）生成大量气体产物 炸药爆炸放出的热量必须借助气体介质才能转化为机械炸药爆炸放出的热量必须借助气体介质才能转化为机械功。因此，生成气体产物是炸药作功不可缺少的条件。如果功。因此，生成气体产物是炸药作功不可缺少的条件。如果物质的反应热很大，但没有气体产物形成，就不会具有爆炸物质的反应热很大，但没有气体产物形成，就不会具有爆炸性。性。例如例如铝热剂铝热剂反应：反应：3Al Fe2O3 Al2O3 2Fe 841KJ 此反应的速度很快，反应的热效
8、应可以使产物温度升到此反应的速度很快，反应的热效应可以使产物温度升到3000，使其呈，使其呈熔融状态，但因为没有气态产物生成，而不发生爆炸。只是高温产物逐熔融状态，但因为没有气态产物生成，而不发生爆炸。只是高温产物逐渐地将热量传导到周围介质中去，慢慢冷却凝固。渐地将热量传导到周围介质中去，慢慢冷却凝固。炸药爆炸放出的热量不可能全部转化为机械功，但生成气体数量越多，炸药爆炸放出的热量不可能全部转化为机械功，但生成气体数量越多，热量利用率也越高。热量利用率也越高。3）反应的高速度）反应的高速度 反应的高速度反应的高速度是爆炸过程区别于一般化学反应过程的重要是爆炸过程区别于一般化学反应过程的重要标志
9、。化学反应具备了放热性并不一定能够发生爆炸。标志。化学反应具备了放热性并不一定能够发生爆炸。例如：例如：1kg煤完全燃烧时放出的热量为煤完全燃烧时放出的热量为8912kJ，但因燃烧速，但因燃烧速 度太低而不可能形成爆炸。度太低而不可能形成爆炸。1kg梯恩梯炸药爆炸时放出的热量虽梯恩梯炸药爆炸时放出的热量虽 然只有然只有4226kJ，但其爆炸反应的时间只需十几到几十但其爆炸反应的时间只需十几到几十ms，因而，因而 形成爆形成爆 炸反应。炸反应。由于爆炸反应的速度极高，反应结束瞬间，其能量几乎全部聚集在炸药爆炸前所占据的体积内，因而能够达到很高的能量密度。炸药发生爆炸变化所达到的能量密度比一般燃料
10、燃烧时达到的能量密度要高数百至数千倍。正是由于这个原因，爆炸过程才具有巨大的作功能力和强烈的破坏效应。可见，放出热量，生成气体产物和反应的高可见，放出热量，生成气体产物和反应的高速度是形成爆炸反应的三个充要条件。速度是形成爆炸反应的三个充要条件。炸药炸药是一种相对安定的物质系统，在一定是一种相对安定的物质系统，在一定条件下能够发生快速化学反应，放出能量，生成条件下能够发生快速化学反应，放出能量，生成气体产物，并显示爆炸效应的化合物或混合物。气体产物，并显示爆炸效应的化合物或混合物。一般有四种元素组成：一般有四种元素组成：C、H、N、O2.1.3 炸药化学变化的形式炸药化学变化的形式 炸药爆炸不
11、是炸药化学变化的唯一形式。炸药爆炸不是炸药化学变化的唯一形式。缓慢分解缓慢分解 燃烧燃烧 爆炸爆炸 （爆轰）（爆轰）爆炸：爆炸：炸药的爆炸过程与燃烧过程类似，化学反应也只是在反应区内进炸药的爆炸过程与燃烧过程类似，化学反应也只是在反应区内进行并在炸药内按一定速度一层层地自行传播。反应区的传播速度称为爆行并在炸药内按一定速度一层层地自行传播。反应区的传播速度称为爆速。在炸药的爆炸过程中，若爆速保持定值，就称为稳定爆炸，又称为速。在炸药的爆炸过程中，若爆速保持定值，就称为稳定爆炸，又称为爆轰（爆轰（detonation）。否则称为不稳定爆炸。）。否则称为不稳定爆炸。以上三种形式可以相互转化。以上三
12、种形式可以相互转化。燃烧与爆轰的区别：燃烧与爆轰的区别：1）燃烧靠热传导传递能量）燃烧靠热传导传递能量,受环境条件的影响较大；而爆受环境条件的影响较大；而爆轰靠冲击波传递能量和激起化学反应轰靠冲击波传递能量和激起化学反应,基本上不受环境条基本上不受环境条件的影响；件的影响；2）燃烧的产物与反应方向相反而爆轰相同；）燃烧的产物与反应方向相反而爆轰相同；3）燃烧是亚音速的而爆轰是超音速的。）燃烧是亚音速的而爆轰是超音速的。2.2 2.2 炸药的起爆与感度炸药的起爆与感度2.2.1 炸药的起爆机理炸药的起爆机理 1）起爆）起爆引起炸药发生爆炸的过程称为起爆。引起炸药发生爆炸的过程称为起爆。2 2）起
13、爆能）起爆能将外界施加给炸药某一局部而引起炸将外界施加给炸药某一局部而引起炸药爆炸的能量称为起爆能。药爆炸的能量称为起爆能。活化能：能够使炸药分子转换为活化分子，并能维活化能：能够使炸药分子转换为活化分子，并能维持持续化学反应的能量叫活化能。持持续化学反应的能量叫活化能。起爆能形式：起爆能形式：A 热能热能 利用加热形式使炸药发生爆炸。能够引起炸药爆炸的加热利用加热形式使炸药发生爆炸。能够引起炸药爆炸的加热 温度称为起爆温度。温度称为起爆温度。B 机械能机械能 通过机械作用使炸药爆炸。撞击、摩擦，实质上是机械能通过机械作用使炸药爆炸。撞击、摩擦，实质上是机械能 转化为热能。转化为热能。（预防事
14、故）预防事故）C 爆炸能爆炸能 用某些炸药来起爆另外一些炸药，用某些炸药来起爆另外一些炸药，如：雷管，导爆索，中继药包。如：雷管，导爆索，中继药包。3）起爆机理）起爆机理（1）热能起爆理论热能起爆理论 要点要点：在一定的温度、压力和其他条件下，如果一个体系：在一定的温度、压力和其他条件下，如果一个体系反应放出的热量大于热传导所散失的热量，就能使该体系发反应放出的热量大于热传导所散失的热量，就能使该体系发生热积聚。从而使反应自动加速，最后导致爆炸。生热积聚。从而使反应自动加速，最后导致爆炸。爆炸是系统内部温度渐增的结果。爆炸是系统内部温度渐增的结果。放热是随着温度的变化率应超过散热量随温度的变化
15、率。放热是随着温度的变化率应超过散热量随温度的变化率。T爆炸温度；爆炸温度；R气体常数；气体常数；E炸药分子活化能；炸药分子活化能；T0环境温度；环境温度；1200RTETT（b）（a）231321321图18 炸药爆炸的能栅图1、232、（2）机械能起爆理论机械能起爆理论-灼热核理论灼热核理论（热点学说）（热点学说）A 要点要点：当炸药受到撞击摩擦等机械能作用的同时，其中：当炸药受到撞击摩擦等机械能作用的同时，其中 的某一部分或几个极小部分（个别晶体的棱角处的某一部分或几个极小部分（个别晶体的棱角处 或微小气泡处）首先被加热到炸药的爆发温度，或微小气泡处）首先被加热到炸药的爆发温度，促使局部
16、炸药首先起爆，然后迅速传播至全部。促使局部炸药首先起爆，然后迅速传播至全部。B 热核形成的原因热核形成的原因 炸药中微小气泡的绝热压缩。炸药中微小气泡的绝热压缩。300-600度；度；颗粒间产生摩擦，炸药质点之间或炸药掺合物之间的颗粒间产生摩擦，炸药质点之间或炸药掺合物之间的 作用。作用。炸药流动的粘性加热。炸药流动的粘性加热。C 灼热核引起爆炸的条件灼热核引起爆炸的条件 热点温度不低于热点温度不低于300-600度；度；热点半径够大，热点半径够大，过大过小都不行；过大过小都不行；热点作用时间在热点作用时间在1010-7-7s以上；以上；热点具有够大的热量。热点具有够大的热量。乳化炸药、浆状炸
17、药等含水炸药，较好地利用了微小乳化炸药、浆状炸药等含水炸药，较好地利用了微小气泡绝热压缩形成的灼热核的理论，根据灼热核理论制气泡绝热压缩形成的灼热核的理论，根据灼热核理论制成的。成的。,101053cmd8104.18 10 K4.18 10Jq（3）爆炸冲击能起爆理论爆炸冲击能起爆理论 利用一种炸药爆炸后产生的冲击波通过某介质去起爆另一利用一种炸药爆炸后产生的冲击波通过某介质去起爆另一种炸药。种炸药。A 均相炸药均相炸药的爆炸冲击能起爆过程的爆炸冲击能起爆过程 炸药产生的强冲击波进入均相炸药，并在其表面形成冲击炸药产生的强冲击波进入均相炸药，并在其表面形成冲击 波。波。B 非均相炸药非均相炸
18、药的爆炸冲击能起爆过程的爆炸冲击能起爆过程 从局部从局部“热点热点”开始扩展开的。所需要临界压力小，可以开始扩展开的。所需要临界压力小，可以用用 灼热核理论解释。灼热核理论解释。2.2.2 炸药的感度炸药的感度 1）感度感度 vv炸药在外界能量作用下，发生爆炸反应的难易程度。炸药在外界能量作用下，发生爆炸反应的难易程度。vv炸药的敏感度分为：炸药的敏感度分为：热感度、机械感度、爆轰感度。热感度、机械感度、爆轰感度。vv衡量：衡量：用激进炸药爆炸反应所需要起爆能的多少来衡量。用激进炸药爆炸反应所需要起爆能的多少来衡量。（1）热感度热感度 炸药在热能作用下发生爆炸的难易程度。炸药在热能作用下发生爆
19、炸的难易程度。包括：包括：加热感度加热感度和和火焰感度火焰感度，通常分别用爆发点和火焰敏，通常分别用爆发点和火焰敏感度来表示。感度来表示。a）加热感度：加热感度：爆发点测定：爆发带内指炸药在规定时间爆发点测定：爆发带内指炸药在规定时间5s5s内起爆内起爆 所需要加热的最低温度。所需要加热的最低温度。用爆发点测定器来测定爆发点。用爆发点测定器来测定爆发点。注意：注意：最低温度并不是炸药爆炸时炸药本身的温度，也不是炸药开始分解时最低温度并不是炸药爆炸时炸药本身的温度，也不是炸药开始分解时本身的温度，而是炸药分解自行加速开始的环境温度。本身的温度，而是炸药分解自行加速开始的环境温度。b）火焰感度及测
20、定：火焰感度及测定：炸药在明火（火焰、火星）作用下，发生爆炸炸药在明火（火焰、火星）作用下，发生爆炸的难易程度。的难易程度。用火焰感度测定装置来测定火焰感度。用来测用火焰感度测定装置来测定火焰感度。用来测定定100%发火的最大距离和发火的最大距离和100%不发火的最小距不发火的最小距离。离。火焰感度试验方法火焰感度试验方法 1托架、托架、2导火索、导火索、3标尺、标尺、4火帽壳火帽壳炸药名称炸药名称爆发点爆发点/炸药名称炸药名称爆发点爆发点/EL系列乳化炸药系列乳化炸药2号岩石铵梯炸药号岩石铵梯炸药3号露天铵梯炸药号露天铵梯炸药2号煤矿铵梯炸药号煤矿铵梯炸药3号煤矿铵梯炸药号煤矿铵梯炸药硝化甘
21、油炸药硝化甘油炸药330186230171179180188184189300硝酸铵硝酸铵黑火药黑火药黑索今黑索今特屈儿特屈儿梯恩梯梯恩梯二硝基重氮酚二硝基重氮酚300290310230195200290295150151表表1-3 几种炸药的爆发点几种炸药的爆发点(2)炸药的机械感度及其测定方法炸药的机械感度及其测定方法 a）撞击感度及其测定方法撞击感度及其测定方法 指炸药在机械撞击下发生爆炸的难易程度。指炸药在机械撞击下发生爆炸的难易程度。测定仪器是立式落锤仪。测定仪器是立式落锤仪。用用25次试验中爆炸次数的百分数表示次试验中爆炸次数的百分数表示2525数次试验中发生爆炸的次P（1-19）
22、图图1-6 立式落锤仪立式落锤仪1-落锤；落锤；2-撞击器；撞击器；3-钢砧；钢砧；4-水泥基础；水泥基础；5-上击柱；上击柱；6-炸药；炸药；7-导向套；导向套；8-下击柱；下击柱；9-底座底座b）摩擦感度的测定：用摆式摩擦仪）摩擦感度的测定：用摆式摩擦仪表1-4 几种炸药的撞击感度和摩擦感度炸药名称乳化炸药2号岩石铵梯炸药硝化甘油炸药黑索今特屈儿黑火药梯恩梯撞击感度/%820100707550605048摩擦感度/%0162090240(3)炸药的冲能感度（爆轰感度）及其测定炸药的冲能感度（爆轰感度）及其测定 a）单质猛炸药：用极限起爆药量来表示；单质猛炸药：用极限起爆药量来表示；b）混合
23、炸药：用殉爆距离来表示其冲能感度混合炸药：用殉爆距离来表示其冲能感度 殉爆距离：足以使以炸药卷全爆的药卷间的最大距离，殉爆距离：足以使以炸药卷全爆的药卷间的最大距离，单位单位cm。(4)冲击波感度冲击波感度 炸药在冲击波作用下发生爆炸的难易程度（隔板试验）。炸药在冲击波作用下发生爆炸的难易程度（隔板试验）。图图117 殉爆距离的测定殉爆距离的测定1 1雷管；雷管；2 2主发装药；主发装药；3 3被发装药被发装药(5)静电感度静电感度 在静电火花作用下炸药发生爆炸的难易程度。在静电火花作用下炸药发生爆炸的难易程度。防止静电的主要措施：防止静电的主要措施：设备接地；设备接地；增加工房潮度；增加工房
24、潮度；在工作台或地面铺设导电橡胶；在工作台或地面铺设导电橡胶；在炸药颗粒和容器壁上加入导电物质；在炸药颗粒和容器壁上加入导电物质；使用压气装药时，应采用敷有良好导电层的抗静电聚使用压气装药时，应采用敷有良好导电层的抗静电聚 乙烯软管做输药管等乙烯软管做输药管等2)影响炸药感度的因素影响炸药感度的因素 (1)炸药的化学结构炸药的化学结构 （内在影响因素）（内在影响因素）键能，分子结构和成分，生成热，键能，分子结构和成分，生成热，热效应，活化能，热容量。热效应，活化能，热容量。(2)炸药的物理性质炸药的物理性质 （外在影响因素）（外在影响因素）物理状态，粒度，密度，晶体形态，物理状态，粒度，密度，
25、晶体形态，微气泡，掺合物。微气泡，掺合物。2.3 2.3 炸药的爆轰理论炸药的爆轰理论 炸药的爆轰是爆轰波沿炸药（爆炸物）一层层地进行传炸药的爆轰是爆轰波沿炸药（爆炸物）一层层地进行传播的过程，这种播的过程，这种爆轰波实际是沿爆炸物传播的一种强冲击爆轰波实际是沿爆炸物传播的一种强冲击波波；炸药爆炸对周围介质的作用是与爆轰气体产物的高速流炸药爆炸对周围介质的作用是与爆轰气体产物的高速流动及在介质中形成的压力突跃的传播紧密相关的。动及在介质中形成的压力突跃的传播紧密相关的。因此，必须了解一些关于因此，必须了解一些关于流体动力学流体动力学的基本知识。的基本知识。1)1)波的基本概念波的基本概念(1)
26、(1)波的两大类波的两大类 vv机械力学波机械力学波如声波、水波、爆炸冲击波；如声波、水波、爆炸冲击波；vv电磁波电磁波如光波、无线电波。如光波、无线电波。(2)(2)波的形成波的形成 vv 扰动扰动 在受到外界作用（如振动、敲打、冲击等）时，介在受到外界作用（如振动、敲打、冲击等）时，介 质状态（质状态（P P、u u、）发生局部的变化。）发生局部的变化。分为：弱扰动分为：弱扰动变化是连续的、逐渐的；变化是连续的、逐渐的；强扰动强扰动急剧、突变、不连续、间断的。急剧、突变、不连续、间断的。vv 波波 扰动在介质中的传播就形成波。扰动在介质中的传播就形成波。vv 波阵面波阵面 已扰动区和未扰动
27、区的分界面叫波阵面（或叫波已扰动区和未扰动区的分界面叫波阵面（或叫波 头）。头）。vv 波速波速 单位时间内波阵面沿介质移动的距离。单位时间内波阵面沿介质移动的距离。vv 音波音波 属弱扰动的传播。属弱扰动的传播。vv 纵波纵波 波阵面的移动方向就是波的传播方向，波的传播方波阵面的移动方向就是波的传播方向，波的传播方 向与介质质点震动方向平行的波称为纵波。向与介质质点震动方向平行的波称为纵波。vv 横波横波 波的传播方向与介质质点震动方向垂直的波。波的传播方向与介质质点震动方向垂直的波。vv 压缩波压缩波 受扰动后波阵面上介质的压力、密度均增加的波。受扰动后波阵面上介质的压力、密度均增加的波。
28、vv 膨胀波膨胀波 （稀疏波）受扰动后波阵面上介质的压力、密度均减（稀疏波）受扰动后波阵面上介质的压力、密度均减 少的波。少的波。平面波平面波 按波阵面形状不同，波可分为按波阵面形状不同，波可分为 柱面波柱面波 球面波球面波2)压缩波与稀疏波压缩波与稀疏波(1)压缩波压缩波 扰动波传播过后，压力、密度、温度扰动波传播过后，压力、密度、温度（P P、T T）等状态参数增加的波称为压缩波。其特点是（等状态参数增加的波称为压缩波。其特点是（P P 、T T）增加，介质质点运动方向与波的传播方向增加，介质质点运动方向与波的传播方向 一致一致。（以活塞运动为扰动源解释）特征线收敛。（以活塞运动为扰动源解
29、释）特征线收敛。(2)稀疏波稀疏波 质状态参数压力、密度、温度（质状态参数压力、密度、温度（P P 、T T）均为均为 下降的波。特点是质点的移动方向与波的传播方向相下降的波。特点是质点的移动方向与波的传播方向相 反，弱扰动反，弱扰动。（以活塞运动为扰动源解释）特征线发散。（以活塞运动为扰动源解释）特征线发散。P PP P波阵面波阵面（P P0 0、0 0、T T0 0）图图 压缩波形成原理示意图压缩波形成原理示意图R R0R R1 1 特点：特点：vv波震面达到之处，介质压力、密度等参数增大。波震面达到之处，介质压力、密度等参数增大。vv波的传播方向与介质的运动方向一致。波的传播方向与介质的
30、运动方向一致。R1P P-P P-波阵面波阵面（P P0 0、0 0、T T0 0）R0图图 稀疏波形成原理示意图稀疏波形成原理示意图特点：特点：vv 波震面达到之处，介质压力、密度等参数减小。波震面达到之处，介质压力、密度等参数减小。vv 波的传播方向与介质的运动方向相反。波的传播方向与介质的运动方向相反。声波声波 声波是弱压缩波与稀疏波的合成声波是弱压缩波与稀疏波的合成活塞来回往复运动。活塞来回往复运动。音速与弱压缩波与稀疏波的传播速度相同。音速与弱压缩波与稀疏波的传播速度相同。次声波：赫兹次声波：赫兹 声声 波：赫兹波：赫兹 超声波：赫兹。超声波：赫兹。特点：特点：在不同的介质状态下音速
31、不同。在不同的介质状态下音速不同。标准空气内：标准空气内：333m/s333m/s 当当P=10P=10个大气压，个大气压，T=35T=35，密度，密度=5.017=5.01710-3 g/cmg/cm3 3时时:523m/s523m/s 水：水：1430m/s1430m/s 花岗岩：花岗岩：3590m/s3590m/s 钢：钢：5050m/s5050m/s3)3)冲击波的基本方程冲击波的基本方程 (1)(1)质量守恒：质量守恒：0D=1(D-u1)(1)(1)(2)(2)动量守恒：动量守恒：p1-p0=0Du1 (2)(2)(3)(3)能量守恒：能量守恒：p1v1=(e1-e2+u12)0D
32、 (3)(3)将（将（1 1）（）（2 2）两式联立，用比容）两式联立，用比容v v=1/=1/代替代替，则有：，则有：将将v=1/带入带入(3)(3)式有：式有：e1-e2=(p1+p2)(v0-v1)(3a)公式公式(1a)(2a)(3a)(1a)(2a)(3a)则是冲击波的三个基本方程则是冲击波的三个基本方程 ，其中其中(3a)(3a)式又称为冲击波的式又称为冲击波的雨果尼奥方程雨果尼奥方程。如果介质为理想气体，理想气体的状态方程是如果介质为理想气体，理想气体的状态方程是 ：pVpV=RTRT （4)4)(10011vvppu10010vvppvD(1a)(2a)方程方程(3b)称为理想
33、气体的雨果尼奥方程。称为理想气体的雨果尼奥方程。将雨果尼奥方程画在将雨果尼奥方程画在p-v坐标上，得到一个曲线坐标上，得到一个曲线,叫做叫做雨果尼奥曲线雨果尼奥曲线，又叫做又叫做冲击波冲击绝热线冲击波冲击绝热线；将方程（将方程（2a）画在同样的）画在同样的p-v坐标上，得到一条直线，称为坐标上，得到一条直线，称为波速线波速线。又。又称为冲击波的称为冲击波的米海尔松直线米海尔松直线。冲击波的冲击绝热线是不同波速的冲击波传过同一初始状态冲击波的冲击绝热线是不同波速的冲击波传过同一初始状态A(p0，v0)的同一种介质后所到达的终点状态的连线，而的同一种介质后所到达的终点状态的连线，而不是过程线不是过
34、程线。冲击波的波速线乃是相同的冲击波传过具有同一初始状态冲击波的波速线乃是相同的冲击波传过具有同一初始状态的不同介质所达到的终点状态的连线。的不同介质所达到的终点状态的连线。011001)1()1()1()1(vvvpp（3b）12（p1，v1）v图图4-冲击绝热曲线和波速关系曲线冲击绝热曲线和波速关系曲线冲击绝热曲线；冲击绝热曲线；等商绝热曲线；等商绝热曲线；1 1、2 2波速线波速线（p2，v2）0（p0，v0）p0214)冲击波的基本知识冲击波的基本知识 (1)冲击波形成的物理过程冲击波形成的物理过程 冲击波的形成：可以认为，压缩波是一系列压缩微幅波冲击波的形成：可以认为，压缩波是一系列
35、压缩微幅波的所形成的，其波头沿第一道波传播，波尾沿最后一道微的所形成的，其波头沿第一道波传播，波尾沿最后一道微幅波传播，扰动区即波头幅波传播，扰动区即波头波尾间的区域。波尾间的区域。继续增大活塞速度的，在气体中相继形成一系列的微继续增大活塞速度的，在气体中相继形成一系列的微压缩波，压缩波速大于相邻的前波波速。因为后道波总是压缩波，压缩波速大于相邻的前波波速。因为后道波总是在前道波压缩过的介质中传播，其当地音速在前道波压缩过的介质中传播，其当地音速Cn Cn-1。所。所以，波尾不断接近波头、扰动区不断变窄、特征线不断收以，波尾不断接近波头、扰动区不断变窄、特征线不断收拢、波形图不断变陡峭，最后在
36、某一瞬间，后面各种都赶拢、波形图不断变陡峭，最后在某一瞬间，后面各种都赶上第一个波，并叠加成一个强压缩波，这个波就是冲击波。上第一个波，并叠加成一个强压缩波，这个波就是冲击波。活塞在管中作加速运动，后面的波速比前面的大，于是活塞在管中作加速运动，后面的波速比前面的大，于是相互叠加、追逐、积累，压缩和未压缩之间形成一个明显的相互叠加、追逐、积累，压缩和未压缩之间形成一个明显的突增面。这时突增面。这时P PP P0 0,T,TT T0 0 ,0 0,从而形成冲击从而形成冲击波波AA(P0,T0,0 v0)(P1,T1,1 v1)vnD1AACCdxP0P1P2PnD2Dn(Pn,Tn,n,vn)图
37、图 冲击波形成过程示意图冲击波形成过程示意图xpp0pnoxt1t2t3tnot 冲击波乃是一系列弱压缩波叠加的结果冲击波乃是一系列弱压缩波叠加的结果反映了从反映了从量变到质变的辨证过程。量变到质变的辨证过程。定义：冲击波定义：冲击波乃是一种强烈的压缩波，其实质是一种状乃是一种强烈的压缩波，其实质是一种状 态突跃变化的超音速传播。态突跃变化的超音速传播。类比项目类比项目冲击波冲击波音波音波速度速度冲击波速度远大于音速冲击波速度远大于音速波阵面状态参数波阵面状态参数突跃变化突跃变化变化接近于零变化接近于零波阵面介质参数波阵面介质参数发生位移发生位移只振不移只振不移波速波速与强度有关与强度有关与强
38、度无关与强度无关(2)冲击波的基本方程冲击波的基本方程对理想气体中的强冲击波对理想气体中的强冲击波PPPP0 0，方程可简化为，方程可简化为 待与爆轰波比较。待与爆轰波比较。Dku122012DkP110kk)1()1(00kkPPTT)(00vvPPuvvPPvD000)(21000vvPPee(3)冲击波的性质冲击波的性质冲击波的波速对未扰动介质是超声速；冲击波的波速对未扰动介质是超声速；冲击波的速度同波的强度有关；冲击波的速度同波的强度有关；介质受到冲击波压缩时，波阵面上的介质状介质受到冲击波压缩时，波阵面上的介质状态参数突跃变化；态参数突跃变化；波阵面上质点运动方向与波传方向一致；波阵
39、面上质点运动方向与波传方向一致；波在介质中传播强度逐渐衰减，最终成为音波在介质中传播强度逐渐衰减，最终成为音波；波；冲击波是一种脉冲波，不具有周期性。冲击波是一种脉冲波，不具有周期性。5)炸药的爆轰过程炸药的爆轰过程 自十九世纪末提出了一套经典的爆轰波流体力学理论，即自十九世纪末提出了一套经典的爆轰波流体力学理论，即 契普曼契普曼柔格理论，简称柔格理论，简称C-J理论理论。(1)炸药的爆轰炸药的爆轰 爆轰过程：爆轰波在炸药中的传播过程。局部炸药爆炸所爆轰过程：爆轰波在炸药中的传播过程。局部炸药爆炸所 释放的能量不断补充到冲击波中维持冲击波以释放的能量不断补充到冲击波中维持冲击波以 稳定的速度向
40、前传播。稳定的速度向前传播。(2)定义：是一种伴随发生化学反应，在炸药中传播的冲击波。定义：是一种伴随发生化学反应，在炸药中传播的冲击波。或者说是后面带有一个高速化学反应区的强冲击波。或者说是后面带有一个高速化学反应区的强冲击波。(3)爆轰波结构爆轰波结构 二十世纪四十年代初，二十世纪四十年代初，泽尔道维奇、冯泽尔道维奇、冯.诺依曼、达尔令诺依曼、达尔令三三人各自独立地提出同一种形式的结构模型，成为经典的爆轰波人各自独立地提出同一种形式的结构模型，成为经典的爆轰波结构模型，结构模型，简称简称Z-N-D模型模型。a a）冲击波压缩区；）冲击波压缩区；b）化学反应区；）化学反应区；c）气体产物膨胀
41、区；）气体产物膨胀区；d）气体产物静压区。）气体产物静压区。爆轰波阵面：冲击波阵面和紧跟其后的化学反应区合爆轰波阵面：冲击波阵面和紧跟其后的化学反应区合 起来叫做爆轰波阵面。起来叫做爆轰波阵面。P1P2D炸药P0L221100图图412 412 爆轰波结构示意图爆轰波结构示意图p图图4-4-爆轰波的爆轰波的Z-N-DZ-N-D模型模型（a a）前沿冲击波压缩区；（）前沿冲击波压缩区；（b b）化学反应区；（）化学反应区；（c c）气体产物膨胀区。）气体产物膨胀区。爆轰产物爆轰产物炸药炸药反应区反应区P0产物膨胀区产物膨胀区（TH、vH、PH）Ps压力峰值压力峰值（b）冲击波面冲击波面vsv0T
42、0Ts（c）（a）下面进一步讨论爆轰过程和爆轰波的结构。下面进一步讨论爆轰过程和爆轰波的结构。在冲击波的高压作用下，相邻于冲击波的炸药层出现一个在冲击波的高压作用下，相邻于冲击波的炸药层出现一个压缩区压缩区0-10-1（图（图4-124-12），），其厚度约其厚度约10105cm5cm，在这里，压力、密度、，在这里，压力、密度、温度都呈突跃升高状态，实际上，就是冲击波的波阵面。温度都呈突跃升高状态，实际上，就是冲击波的波阵面。随着冲击波的传播，新压缩区的产生，原压缩区成为化学随着冲击波的传播，新压缩区的产生，原压缩区成为化学反应区，反应在反应区，反应在1-11-1面开始发生，在面开始发生，在2
43、-22-2面完毕；再随着冲击波面完毕；再随着冲击波的前进，新的化学反应区的形成，原化学反应区又成为反应产的前进，新的化学反应区的形成，原化学反应区又成为反应产物膨胀区。化学反应放出的能量，不断维持着波阵面上参数的物膨胀区。化学反应放出的能量，不断维持着波阵面上参数的稳定，其余在膨胀区消耗掉，因而达到能量平衡，冲击波即以稳定，其余在膨胀区消耗掉，因而达到能量平衡，冲击波即以稳定速度向前传播。在就是爆轰过程的实质。稳定速度向前传播。在就是爆轰过程的实质。由此可见：由此可见：爆轰波只存在于炸药的爆轰过程中。爆轰波的传播随着爆轰波只存在于炸药的爆轰过程中。爆轰波的传播随着炸药爆轰结束而中止。炸药爆轰结
44、束而中止。爆轰波总带着一个化学反应区，它是爆轰波得以稳定传爆轰波总带着一个化学反应区，它是爆轰波得以稳定传播的基本保证。播的基本保证。习惯上把习惯上把0-20-2区间称为爆轰波波阵面的宽度，其数值约区间称为爆轰波波阵面的宽度，其数值约0.1cm0.1cm1.0cm 1.0cm，视炸药的种类而异。，视炸药的种类而异。通常把通常把2-22-2面的参数作为爆轰波的参数。面的参数作为爆轰波的参数。单质炸药：单质炸药：0.11mm 混合炸药：混合炸药：23cm以上以上 爆轰波具有稳定性，即波阵面上的参数及其宽度不随时间爆轰波具有稳定性，即波阵面上的参数及其宽度不随时间而变化，直至爆轰终了。而变化，直至爆
45、轰终了。vv0-0面之前面之前，炸药未受扰动；，炸药未受扰动；vv0-0、1-1面之间面之间，是炸药被压缩，但尚未开始反应，因其厚度和一，是炸药被压缩，但尚未开始反应，因其厚度和一 个分子的自由路程同数量级，故忽略称个分子的自由路程同数量级，故忽略称0-1面。面。vv1-1面、面、2-2面之间，面之间，是化学反应区，一般宽度：是化学反应区，一般宽度：vv2-2面之后，面之后，是爆轰产物区，是爆轰产物区，2-2面为化学反应结束面，称为爆轰波波面为化学反应结束面，称为爆轰波波阵面。阵面。在进行理论研究时，常把满足一定假设条件的理想爆轰波波阵在进行理论研究时，常把满足一定假设条件的理想爆轰波波阵面简
46、称为面简称为C-J面。面。vvC-J面上的状态参数称做爆轰波参数或面上的状态参数称做爆轰波参数或爆轰参数爆轰参数。vvC-J面上的压力称做面上的压力称做爆轰压力爆轰压力（detonation ressure）。）。vvC-J面上的温度称做面上的温度称做爆轰温度爆轰温度（detonation temperature）。）。需要指出的是爆轰压力与爆炸压力、爆轰温度与爆温的含义需要指出的是爆轰压力与爆炸压力、爆轰温度与爆温的含义不同，应把它们区分开来。不同，应把它们区分开来。与冲击波一样，爆轰波后面经常跟随有稀疏波。与冲击波一样，爆轰波后面经常跟随有稀疏波。爆轰波的特征爆轰波的特征爆轰波爆轰波冲击波
47、冲击波传播介质传播介质一定是在炸药中一定是在炸药中一般不一般不化学反应化学反应有有无无能量补充能量补充有有无无传播过程状态参传播过程状态参数数P P，T T，U U，D D恒定恒定迅速衰减迅速衰减(4)(4)爆轰波方程爆轰波方程 vv质量守恒定律：质量守恒定律：0 0 初始炸药密度；初始炸药密度；H H 反应区物质密度；反应区物质密度；D D 爆速；爆速；H H 生成气体气流速度。生成气体气流速度。vv动量守恒定律：动量守恒定律：P PH H C-J C-J面压力；面压力；P P0 0 初始压力初始压力 vv能量守恒定律：能量守恒定律：当考虑炸药放热时（当考虑炸药放热时（Q为爆热）有：为爆热）
48、有：该方程叫做该方程叫做爆轰波的雨果尼奥方程爆轰波的雨果尼奥方程。)(0HHDDDDPPHH000)(21000HHHVVPPEE)(21000HHHVVPPQEE爆轰波的雨果尼奥方程的物理意义爆轰波的雨果尼奥方程的物理意义 将雨果尼奥方程画在将雨果尼奥方程画在p p-v v坐标中，得到爆轰波的雨果尼奥曲线。坐标中，得到爆轰波的雨果尼奥曲线。在同一坐标中，画出前沿冲击波的曲线。在同一坐标中，画出前沿冲击波的曲线。从从A(A(p p0 0，v v0 0)做爆轰波波速线，如图所示：做爆轰波波速线，如图所示：契普曼和柔格认为：当爆轰波定型传播时，在契普曼和柔格认为：当爆轰波定型传播时，在 爆轰波雨果
49、尼奥曲线上只有一点与爆轰过程相爆轰波雨果尼奥曲线上只有一点与爆轰过程相 对应，这一点就是与之相切的点对应，这一点就是与之相切的点C(C(p p2 2，v v2 2)，C C点就是点就是C-JC-J面上的状态参数，而与冲击波曲线面上的状态参数，而与冲击波曲线 的交点的交点B(B(p p1 1，v v1 1)即是前沿冲击波的波阵面参数。即是前沿冲击波的波阵面参数。以上这个条件就是以上这个条件就是爆轰波定型传播条件，又叫爆轰波定型传播条件，又叫C-JC-J条件条件 （由（由ChapmanChapman和和JongetJonget两人提出）。两人提出）。C-JC-J条件也可以用下式来表示：条件也可以用
50、下式来表示：D D=c cH H+u uH H 在化学反应区后面，炸药爆炸后，气体质点膨胀，压力下降，说明有一个在化学反应区后面，炸药爆炸后，气体质点膨胀，压力下降，说明有一个稀疏波跟在反应区的后面，稀疏波的波阵面就是稀疏波跟在反应区的后面，稀疏波的波阵面就是C-JC-J面，稀疏波的波速等面，稀疏波的波速等于爆速于爆速 。vpC(p2,v2)A(p0,v0)B(p1,v1)(5)爆轰波稳定传播的条件：爆轰波稳定传播的条件：D D=c cH H+u uH H 由于稀疏波和化学反应区都以当地音速（由于稀疏波和化学反应区都以当地音速（u+c)的速度跟随在的速度跟随在冲击波头后传播。冲击波头后传播。v
