爆轰物理

1爆轰物理ExplosionPhysics王瑞浩187816369552爆轰物理32学时，2学分。适用专业：弹药工程与爆炸技术、特种能源技术与工程、安全工程及相关专业。是一门专业基础课，有关爆炸领域的入门课程。考核方式：考试（闭卷考试）＋平时成绩（出勤、作业、测试）。3爆轰物理主要内容第1章绪论：爆炸的基本概念及炸药爆炸第2章弹药的起爆机理第3章冲击波导论第4章爆轰波的经典理论第5章气体爆轰理论第6章凝聚炸药爆轰理论第7章爆轰产物的流动及其对介质的作用4爆轰物理参考书:（1）张国伟主编.《爆炸作用原理》.国防工业出版社，2006年（2）张宝平，张庆明，黄风雷编.《爆轰物理学》.兵器工业出版社，2009年（3）黄正平.爆炸与冲击电测技术.北京：国防工业出版社2006.（4）吕洪生等著《连续介质力学（中）流体力学与爆炸力学》国防科技大学出版社5第1章绪论6第1章绪论本章内容爆炸、炸药、爆轰的基本概念；炸药爆炸的特点；炸药发生化学变化的类型；炸药的氧平衡与氧系数；爆炸物理学的研究历史。71.1基本概念81.1基本概念1.爆炸（Explosion）爆炸是自然界中时常发生和人类生存活动中常见到的一种现象。爆炸的例子：烟花爆竹、高压蒸汽锅炉、弹药爆炸、恐怖活动（美国911、汽车炸弹）等。91.1基本概念一些宇宙学家认为，当今宇宙是在一次大爆炸中开始形成和发展的，而且至今这一过程尚未结束，宇宙的年龄大约为137亿年，地球也是在一次大爆炸中产生的，距今已46亿年。显然，认识爆炸现象的本质，研究和掌握爆炸的发生、扩展及其对目标作用的规律，对于发展国防科技，以及利用爆炸造福于人类具有重大的实际意义。101.1基本概念什么是爆炸？最早认为爆炸是高压、高温、高速的冲击波。1883年，Berthelot把爆炸定义为：气体的突然膨胀，并伴随着声音和剧烈的机械效应（thesuddenexpansionofgasesintoavolumemuchgreaterthantheirinitialone,accompaniedbynoiseandviolentmechanicaleffect.）。111.1基本概念实际上，许多爆炸过程没有产生气体的，如闪电；许多爆炸没有声音的，如月亮上的火山爆发，许多爆炸没有机械效应的，如激光束蒸发金属，但是，所有的这些爆炸过程都有能量的快速释放和转移。因此，爆炸可简单地定义为：由能量极为迅速释放而产生的一种现象（aphenomenonresultingfromaspeedyreleaseofenergy.）。121.1基本概念爆炸具有极大的能量释放速度、形成极高的能量密度，并迅速转化为对外界介质做机械功或形成能的辐射和压力突跃——冲击波的传播等特点。爆炸过程中，描述系统状态的物理量会在极短的时间内和极小的空间内发生急剧变化。131.1基本概念我们听过的有关爆炸的名词很多，如炸药爆炸、核爆炸、地震、高速碰撞、信息爆炸、人口爆炸等等。在自然科学中，根据能量释放的特点，可以把爆炸大致分为三类（P1～2）：物理爆炸化学爆炸核爆炸141.1基本概念(1)物理爆炸（Physicalexplosion）物理爆炸是由于物理的原因引起的，此类爆炸过程释放的是物理势能。爆炸过程没有新的物质产生。例如，蒸汽锅炉和车轮胎的爆炸都是常见的物理爆炸现象。还有雷电、地震、激光照射金属气化造成爆炸、高速陨石冲击地壳、穿甲、破甲等高速碰撞等引起的剧烈突变现象都属于物理爆炸现象。151.1基本概念（a）闪电持续时间：0.1-1.0ms温度：104K压力：10－100atm161.1基本概念（b）地震由地壳弹性压缩能释放引起的地壳突然变动（地震）是一种强烈的物理爆炸现象。地震的能量可达数百万吨TNT爆炸的能量。能量：1022-1026erg.（尔格）约1015-1019J2004年底印尼8.7级地震：相当于2.3亿吨TNT。2008年5月12日，汶川地震8.0级。最大一次地震（8.9级）：1960年5月22日发生在智利。171.1基本概念（c）高速碰撞速度为Vp=8000m/s的钢质弹丸冲击钢靶，产生的压力可达300GPa，温度可达数千度。181.1基本概念（d）激光激光可使金属熔化和气化，产生的高温可达104－105度。物理爆炸是一个宏观过程，该过程中所释放的能量是存储在物质的分子之间或原子之间的机械能，或者存储在电磁场中的电磁能。191.1基本概念(2)化学爆炸（Chemicalexplosion）化学爆炸是由于化学变化引起的，在此种爆炸过程中，系统的化学势能转变为热能而释放出来。例如，氢气、甲烷、乙炔以一定比例与空气混合发生的爆炸、炸药爆炸都属于化学爆炸。CH4+2O2=2H2O+CO2+Q1201.1基本概念C7H5N3O6(TNT)＝1.88H2O+2.06CO+1.03CO2+3.9C+0.62H2+1.5N2+QTNT炸药爆炸所形成的温度可达3000～50000C，压力高达102～104MPa。化学爆炸释放的是分子之间或原子之间的结合分裂能。化学爆炸会产生高压、高温气体，即形成爆炸波。例子：云爆弹；温压弹211.1基本概念(3)核爆炸（Nuclearexplosion）核爆炸是由于原子核的裂变（如U235的裂变）或核聚变（如氘、氚、锂核的聚变）所引起的。如1964年我国研制成功的原子弹、1966年研制成功的氢弹。核爆炸可形成数百万到数千万度的高温，在爆心区形成数百亿大气压的高压，同时还有很强的光、热的辐射以及各种高能粒子的贯穿辐射。核爆炸的能量相当于数万吨到数千万吨TNT炸药爆炸的能量。221.1基本概念核爆炸所产生的热可以使周围空气极其迅速膨胀并且能使周围的所有物质气化。核爆炸是一个微观过程，该过程中所释放的能量主要是存储在原子核内中子、质子之间的结合能。231.1基本概念2.炸药（Explosive）广义地说，能够进行爆炸的物质称为炸药。但有一些物质在一般情况下不能爆炸，但在特定条件下却能爆炸的，如发射药、火箭推进剂。苦味酸和TNT在诺贝尔发明雷管之前不被视为炸药，而是用作黄色染料；241.1基本概念【定义】：在适当外部激发能量作用下，可发生爆炸变化（速度极快且放出大量热和大量气体的化学反应），并对周围介质做功的化合物或混合物。炸药可以是固态、液态或气态，也可以是气一液态或气一固态。军用和工业炸药多为固态。硝酸铵是化学肥料，被用于工程爆破炸药。因此，炸药与非爆炸物之间并没有十分明显的界限。251.1基本概念炸药的分类按应用分：起爆药、猛炸药（高能炸药）、发射药（或火药）以及烟火剂四类。起爆药：很敏感，容易发生爆炸。主要用于激发猛炸药爆炸的引爆剂，也叫初级炸药（PrimaryExplosive）。常用的有：雷汞[Hg(OCN)2]、叠氮化铅[Pb(N3)2]等。猛炸药：也叫次发炸药（SecondaryExplosive）。比起爆药稳定，具有更高的爆速和威力。常用于战斗部、弹丸的主装药。261.1基本概念发射药（或火药）：主要特点是能够稳定地燃烧。主要用来发射枪弹、炮弹、及用来发射火箭的推进剂，以及用来做点火药和延期药的黑火药。烟火剂：通常由氧化剂、有机可燃物（或金属粉）加入少量粘合剂混合而成。军事上，利用其速燃时产生的光、热、烟、色、声等效应用于各种用途，如照明弹中的照明剂、烟幕弹、燃烧弹等。271.1基本概念按其组成分：单质炸药、混合炸药。单质炸药：单质的主要有：TNT、RDX、特屈儿（Tetryl）、HMX、苦味酸（PA）、硝基甲烷（NM）。混合炸药：混合的主要有：B炸药（64RDX/36TNT）、奥克托儿（TNT/HMX）、梯黑铝、PBX等。不同炸药其感度、威力不同，混合后可以达到我们所要求的感度和威力。281.1基本概念我国是黑火药的故乡，黑火药是近代炸药的始祖，而现代炸药的制造和应用始于18世纪。丁儆教授1980年在美国第七届国际烟火技术会议(IPS)上做报告述及中国发明火药和烟火技术的事实，引起许多欧美学者的惊疑，因为西方中学教材上都说火药是英国的罗吉·培根(RogerBacon)发明的。1985年和英国的李约瑟讨论，得到了他的赞同。先后在日本(1987年)和美国(1989年、1990年)做学术报告，宣讲我国古代的成就。291.1基本概念丁儆教授的研究表明，在公元8世纪中国就出现了火药的原始配方，到10世纪已经应用于军事，北宋初官修著的《武经总要》中记载有火炮、蒺藜火球和毒药烟球等三种实战武器的火药配方。火药的知识由阿拉伯人传人欧洲，直到13世纪，英国的罗吉·培根才涉及火药的配方及应用，他的工作比中国人晚300年～500年。301.1基本概念1771年，英国P．沃尔夫制得苦味酸，1863年，J．韦尔布兰绪制得梯恩梯。1899年G．亨宁合成的黑索今在第二次世界大战中受到各国的普遍重视。1941年，G．赖特和W．巴克曼发现的奥克托今，在战后得到了实际应用。A．诺贝尔的三大发明(代那迈特（Dynamite）、爆胶和雷管)则被认为是近代炸药应用和发展的基础。311.1基本概念3.爆轰（Detonation）1881年，人们在研究管道中的火焰传播时发现了爆轰现象，爆轰过程是一种强冲击波沿爆炸物一层层传播的过程，在此过程中伴随着大量化学反应热的释放。这种带有化学反应的冲击波就称为爆轰波。爆轰以波的形式在炸药中传播。321.1基本概念【兵器名词大典】中爆轰的定义：又称爆震。一种特殊的炸药爆炸现象，是一伴有大量能量释放、带有一个以超声速运动的冲击波前沿的化学反应区，并沿炸药装药传播的流体动力学过程。这种带有高速化学反应区的冲击波称为爆轰波。DUnreactedexplosiveReactedZoneProducts331.1基本概念爆轰的引导区是个强冲击波，它向未反应区传播，加热压缩未反应炸药使其发生化学反应，这样反应所释放出来的能量就可以维持冲击波向未反应区传播。前沿冲击波和放热反应区通称为爆轰波阵面。对于大直径药柱来说，爆轰波阵面近似平面，且以恒定波速向前传播。爆轰波的速度为103～104m/s。爆轰的研究包括炸药的起爆、爆轰波结构、爆轰产物状态方程、介质的相互作用、爆轰参数的实验测量和数值计算等。典型爆炸351.1基本概念问题：爆炸和爆轰的区别？361.2炸药爆炸的基本特征371.2炸药爆炸的基本特征炸药的爆炸变化是一种化学过程，它与一般化学反应过程相比，具有以下特点：反应的放热性：这是爆炸性化学反应所必须具备的第一个条件。在低温下：NH4NO3→NH3+HNO3-17KJ用雷管引爆：NH4NO3→N2+2H2O+0.5O2+126KJ前者就没有爆炸性，后者才有爆炸性。炸药爆炸反应所放出的热量称为爆热。381.2炸药爆炸的基本特征过程的高速度C：8924kJ/kgBenzene(苯)：9762kJ/kgTNT：4190kJ/kgC、苯燃烧的时间为数分钟至几十分钟；TNT爆炸仅需十几到几十个us。由于炸药爆炸的时间极短，爆炸反应所放出的能量几乎全部聚集在炸药爆炸前所占据的体积内，因此能达到很高的能量密度。炸药爆炸过程进行的速度，系指爆轰波在炸药中传播的直线速度，这个速度称为炸药的爆速。炸药的爆速通常在每秒数千米至一万米之间。391.2炸药爆炸的基本特征过程必须形成气体产物炸药爆炸所放出的热能必须借助于气体介质的膨胀才能转化为机械功，因此，形成气体产物是炸药爆炸做功必不可缺少的条件。铝热剂反应：2Al+Fe2O3→Al2O3+2Fe+862kJ乙炔银分解：Ag2C2→2Ag+2C+365kJ综上所述，炸药爆炸是一种以高速进行的，能自动传播的化学反应过程，在此过程中放出大量的热、生成大量的气体产物，并对周围介质做功或形成压力突跃的传播。401.2炸药爆炸的基本特征思考题1kgTNT能释放出4190kJ的能量，而1kg石油能释放出30000kJ的能量，为什么TNT比石油威力大？411.3炸药化学变化的