高能炸药性能

高能炸药性能 2004年 第3、4期
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高能炸药性能
——理解有限长度反应区的效应
John B. Bdzil, Tariq D. Aslam, Rudolph Henninger, and James J. Quirk

高能炸药（即能量密度极高的炸药）的作用是驱动核武器初级的内爆。这要求高能
炸药的爆炸行为要很精确。因此，精确预测各种条件下能量的释放过程是我们认证核武
库中核武器的安定性、可靠性和性能时面临的一个重要问题。本文总结了在研究高能炸
药性能问题方面的进展：在复杂的三维几何形状中预测高能炸药的爆轰结果。同时我们
也简要介绍了对炸药安定性（意外点火）和可靠性（能重复响应规定的刺激信号）问题
的研究工作。
炸药属于易燃物，被称为含能材料，也就是说，它是燃料和氧化剂以分子形式混合
的物质。这类材料对燃烧提供全程支持，其中包括普通燃烧，如火柴头的燃烧。普通燃
烧是一个耦合的物理化学过程，在此过程中，有一个将未燃烧的含能材料与已燃烧的含
能材料相隔离的燃烧界面，该界面以波的形式穿过样品。放热化学反应开始于火柴头的
表面，并燃烧外层材料。释放的热量通过热传导传给相邻未反应的材料层，直到第二层
材料点火燃烧，这种一层接一层的燃烧过程，一直持续到整个样品都燃烧完。燃烧波的
传播速度相对较低，这是由两层之间能量的传输速率和各层的局部放热化学反应速率决
定的。
炸药的燃烧方式却大不相同，它进行的是称之为爆轰的非常高速的燃烧。与普通燃
烧波一样，爆轰波从材料的化学反应中获得能量，但其能量的传播方式不是热传导，而
是高速压缩波，或冲击波。高压爆轰波在材料中以超音速传播，将材料转化成高温高压
的气体产物，该产物能以惊人的速度做机械功。图1为冲击压缩形成爆轰波的过程，在
冲击波后跟随着一个自持的Zeldovich-von Neumann-Doring(ZND)爆轰反应区。炸药所能
释放的能量多少取决于其能量密度和爆轰波速度。固体高能炸药（如核武器中所使用的
高能炸药）的爆轰速度约为8,000 m/s，是炸药中声速的3倍；其释放的能量密度高达
5MJ/kg；其初始物质密度约为2,000 kg/m
3
。上述三个值的乘积为一个巨大的功率密度值：

80,000,000 MJ/m2s或8×109 W/cm
2。作为比较，爆轰在100 cm2
表面积上的产生的功率

水平相当于整个美国发电能力的全部功率水平！正是固体炸药这种极快的能量释放速
率，使它具有非常独特的用处。
传统的武器编码长期使用简单的Champman-Jouguet(CJ)模型来计算高能炸药的性
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能。这种经典的一维爆轰模型，假定化学反应速率是无限大的（因此反应区的长度为零，
而非如开篇图和图1中的有限值）。在此假设下，可推得爆速为常数。而且，爆速D
CJ

和爆压PCJ的值与初始冲击强度无关，只取决于爆轰波阵面前后炸药的某些特定性质，

即未反应炸药的初始材料密度，炸药释放的能量密度以及反应产物的压力－体积(P－v)
关系函数（称为物态方程，或EOS）。在CJ条件限制下，炸药性能问题简化为给出爆轰
气体产物的精确的物状态程E
g
(P,v) 的问题（见图2）。

本文中，我们的把重点放在炸药性能问题的另外一方面：即建立包含有限的化学反
应速率效应的精确三维爆轰模型，因而在爆轰波阵面之后有一个有限长度的反应区。

图1 ZND爆轰波的形成及传播
(a) 一维（平板）实验不同时刻的示意图。实验中，飞板碰撞立方体炸药的表面(t=t0)产生平面冲击波
(t=t
1)，冲击波逐渐加速(t=t2)，最后(t=t3
时刻)，当冲击波扫过炸药，并使其以有限速度向流动释放化学

能时，形成一个稳态爆轰。 (b) 相应的不同时刻的压力－距离图显示出，在t=t
1
时刻原本是惰性的冲

击波，在t=t3时刻发展成为经典的一维ZND爆轰结构的过程，也就是说，冲击波或压力在ZND点中
断，其后的反应区中的压力逐渐减小，直到CJ点，即由CJ模型预测出的压力点（见文中的介绍）。
(c) 最初位于(b)中冲击波阵面位置的材料粒子的压力-时间曲线图。图中为实验实测的粒子压力（或速
度）时间历史（参见图5，6和7）。只有最右端的粒子形成完整的ZND爆轰。
注：冲击波最大加速度点（称为爆轰形成点），与压力剖面的变化和阻塞流条件的最早出现（声速条
件）相一致（见图3）。
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该有限长的反应区具有许多效应，例如，它能影响爆速，进而影响爆轰装置作用在
惰性材料的功率水平；它还限制了炸药的最小尺寸以及引起爆轰的最小输入压力特别是
在爆轰波需要绕角传播的装药形状中，如小的雷管附近，限制更加明显。我们一直在开
发的模型是特别设计的，它可同时用于传统编码和研究武器性能的先进模拟与计算
(ASCI)的高保真编码。这些被称为爆轰冲击动力学(DSD)的模型是小尺度模型，不需要
对反应区进行显式模拟，因此也不需要大量的计算时间，就能捕捉到反应区的物理性质。
尽管这些模型具有较好的模拟三维爆轰流的技术水平，但它们只能预测标准条件下均匀
炸药中的爆轰传播。也就是说，它们不能完全解释目前实际使用炸药的不均匀性对爆轰
的影响。因此，我们在本文中展望了未来的爆轰传播模型：它考虑了不均匀性，并仍能
实际运用于武器性能研究。

图2 由CJ爆轰中可得到的最大功
模拟炸药的性能需要使用Eg(P,v)物态方程。通常，在是
由热力学变量Eg，P和v所定义的状态空间内，沿着一
条约束曲线（等熵曲线Ps(v)，或冲击雨贡纽曲线P
H
(v)）

来进行测量。要表征爆轰所能作的最大功（图中阴影部
分），在已知D
CJ和PCJ
的情况下，我们只需要确定其主

要部分或爆轰产物的CJ等熵膨胀线P
SCJ
(v)。图中的两条

曲线是爆轰瑞利线（红色）和爆轰产物等熵膨胀线
P
SCJ
(v)。等熵线以下的面积（截止到一定压力值）减去瑞

利线以下的面积（由冲击波压缩炸药所作的功）就是炸
药能作的最大机械功。对于高性能的单分子炸药（如
HMX）来说，最大功与可用的爆炸能量的比相当高（超
过90%）。我们通过实验来测量等熵线，并构造出了爆
轰产物的物态方程Eg(P,v)，它是所有描述爆轰如何对其
周围介质作功的模型的重要组成部分。我们正致力于寻
求确定Eg(P,v)状态方程的更好的理论和实验方法。

图3 有限长度的自持反应区
自持爆轰反应区在许多方面都像一台火箭发动机。
该反应区被限制于爆轰波阵面的冲击表面和一定
距离后的阻塞流表面之间。这两个表面将反应区与
其前后的区域隔开，由此保持其极高的压力。如果
一个人站在爆轰波阵面上往后看，他会发现：随着
距离的增加，越来越多的热量增加到流体中，将流
体的速度加速到声速C
CJ
，其工作原理类似于喷嘴

对火箭的作用。
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爆轰过程
爆轰波扫过炸药时是怎样到达并保持如此巨大的功率水平的呢？爆轰波阵面后的
巨大压力（几十万个大气压，即几十万巴）和温度（2,000K到4,000K）来源于化学能
的极快释放。在不到百万分之一秒的时间内，反应就完成了90%。由于能量的快速释放，
反应区非常短。但压力是怎样保持的呢？
如图3所示，反应区被两个表面限制，这两个表面从反应区前后将不同区域隔开，
由此在反应区中保持了极高的压力。第一个表面是引发反应的冲击波表面。由于它相对
于未反应炸药以超音速传播，因此阻止了冲击波前的任何压力泄漏。第二个表面是声速
表面（图中标记为阻塞流状态），它相对于移动的冲击波阵面坐标以当地声速运动。为
了解释该表面的效应，我们假设一个观察者站在冲击波阵面上与冲击波阵面一起运动，
当他从前往后看时，他会看到释放进入反应区的能量的增加是反应区长度的函数。释放
出的能量使流体加速离开冲击波阵面，并使压力降低，这与火箭喷嘴使气体加速喷射离
开，从而推进火箭的情况类似。反应完成后，反应区末端的流速相对于运动的冲击波阵
面为当地声速，即C
CJ
。于是，流动被阻塞，进而阻止了反应区中压力的进一步降低。

这两种效应统称为惯性约束。
理解音速表面惯性约束的另一种方法是要注意到，在冲击波阵面参照系中，反应后
的区域（在音速表面左方）中流动是超音速的。所以，反应区与其后面的流动中产生的
扰动流基本上相互隔开。爆轰与其环境隔离后，爆轰波便自主传播，传播过程中只受反
应区中发生事件的影响。

真实炸药与理想炸药
一种对实际工程（采矿、核武器或现代灵巧弹药）有用的炸药，其在通常环境状态
下的化学反应速率必须为零；但在冲击波作用下，当炸药中的压力和温度大大增加时，
其化学反应速率又必须极快。如上所述，在经典的CJ模型中，冲击波阵面扫过后，化
学反应速率是无限的，反应区长度趋于零，爆轰波以恒定速度和压力在炸药中传播。而
在实际情况中，我们在各种场合下使用的炸药的行为与理想CJ模型不同，它们的反应
速率是有限的。这种情形实在是非常侥幸。如果反应速率无限快，反应区长度为零，那
么即使炸药中一个极小的区域受到高温或高压的作用时，都将引发整块炸药的爆轰。如
硝化甘油之类的炸药就以这种极度敏感性著称。
由于实际炸药的反应速率和反应区长度大大依赖于压力和温度，炸药在弱初始冲击
波作用下的起爆过程中将经历一个非稳态过程。如果样品是一定厚度的平板（图1中的
L
1），但侧向是无限的（L2
→∞），冲击波经过该平板的时间与非稳态持续时间相比可能

非常小，因此不会产生爆轰。反言之，要在一个厚度有限，并且反应区长度也有限的样
品中引爆炸药，冲击波必须有一定的强度。正是这种有限的反应区长度，降低了炸药的