3.3炸药的爆轰理论

炸药径向间隙效应
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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。
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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
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l
h
导爆索法测爆速
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
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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
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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 )
已反应的药包
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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
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（2）爆轰波模型
H ( D u H )[ E H
1 2 (D uH ) ]
2
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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：
H
uH
D
cH

3 4
D
D 0
2
H
4 3
0
V
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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。
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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。
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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。
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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。
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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
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。
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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。
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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
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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。
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爆速D
非理想爆轰
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 炸药爆速与药卷直径的关系
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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
EH E0
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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
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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。
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
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EH E0
1 2
( p H p 0 )( v 0 v H ) Q v
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
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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) ；
D药
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l 2h
D索
D药
L t
电测法（爆速仪）测爆速
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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。
（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。
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（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。
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（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。
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P
t1
t2
t3
t4
P0
t1 t2 t3 t4
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F
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（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。
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（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；
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。