[科普中國(guó)]-爆速

爆轟波在炸藥中穩(wěn)定傳播的速度，是衡量炸藥爆炸性能的重要示性數(shù)。爆速，是爆炸火焰或其化學(xué)反應(yīng)在藥?kù)膬?nèi)傳遞速度稱為爆速，依炸藥成份不同而不同。

爆速可用馬丁公式（Martin formula）、康姆萊特公式（Kamlet formula）及其他公式估算，實(shí)際采用道特利什法（Dautriche method）、測(cè)時(shí)儀法（timing method）及高速攝影法（optics method）等測(cè)定。

簡(jiǎn)介爆速（detonation velocity）爆轟波在炸藥藥柱中的傳播速度稱為爆轟速度，簡(jiǎn)稱爆速，通常以m/s或km/s表示。

爆速是衡量炸藥爆炸性能的重要指標(biāo)之一，在理想情況下，一種炸藥的爆速是一個(gè)常量，實(shí)際上炸藥的爆速總是低于理想的爆速。

炸藥的爆速是衡量炸藥爆炸性能的重要指標(biāo)，也是目前可以比較準(zhǔn)確測(cè)定的一個(gè)爆轟波參數(shù)。爆速的精確測(cè)量為檢驗(yàn)爆轟理論的正確性提供了依據(jù)，在炸藥應(yīng)用研究上具有重要的實(shí)際意義。測(cè)定爆速的方法有多種，按其原理可分為導(dǎo)爆索法、電測(cè)法和高速攝影法三大類。

爆速與裝藥直徑、密度、粒度、外界的約束條件、起爆條件等一系列因素有關(guān)，常隨裝藥直徑的增加而增高，直徑增加爆速不再增加的最小裝藥直徑稱為極限直徑（limiting diameter），而爆轟能穩(wěn)定傳播的最小裝藥直徑稱為臨界直徑（critical diameter）。只有在一定的裝藥條件下，爆轟波的傳播速度才為特定值。猛炸藥的爆速為6～9km/s（例如TNT為6 900 m/s，黑索金為8 750 m/s），工業(yè)炸藥爆速為2～4km/s。1

爆速的測(cè)定爆速是化學(xué)反應(yīng)區(qū)通過(guò)給定含能試樣的傳播速度，它是含能材料最重要的爆轟參數(shù)之一。爆速是基于測(cè)量爆轟波通過(guò)被測(cè)試樣內(nèi)已知距離所需的時(shí)間間隔而得到，根據(jù)所選擇的測(cè)量?jī)x器，可將測(cè)量爆速的方法分為光學(xué)方法（基于使用不同類型的高速相機(jī)）和電學(xué)方法（基于使用不同類型的速度探針，結(jié)合電子計(jì)數(shù)器或示波器）兩大類。由于實(shí)際測(cè)量過(guò)程中可根據(jù)爆轟過(guò)程的特點(diǎn)來(lái)測(cè)量不同的物理特征參數(shù)，因此爆速測(cè)量又可分為多種具體方法，如測(cè)時(shí)儀法就是利用含能材料爆轟時(shí)爆轟波陣面的電離導(dǎo)電特性或壓力變化，測(cè)定爆轟波依次通過(guò)藥柱內(nèi)各探針間所需要的時(shí)間來(lái)求出爆速。

實(shí)踐證明，含能材料的組成、結(jié)構(gòu)、聚集狀態(tài)、裝藥尺寸和約束條件等對(duì)爆轟過(guò)程均有明顯影響，本書僅討論含能材料結(jié)構(gòu)特別是顆粒尺度對(duì)爆速的影響，其他參數(shù)對(duì)爆速的影響可參見相關(guān)著作。

含能材料結(jié)構(gòu)對(duì)爆速的影響一方面可以歸結(jié)為因顆粒尺寸減小而造成的熱、質(zhì)傳輸速率的變化，另一方面可歸結(jié)為因顆粒尺寸減小而導(dǎo)致的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的變化，相對(duì)而言，動(dòng)力學(xué)影響更為顯著。

研究發(fā)現(xiàn)，顆粒尺寸對(duì)含能材料爆速影響顯著。粉狀含能材料爆轟時(shí)，其化學(xué)反應(yīng)首先從顆粒表面開始，顆粒越細(xì)，比表面積越大，則反應(yīng)區(qū)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)時(shí)間越短?；瘜W(xué)反應(yīng)速度越快，反應(yīng)區(qū)內(nèi)受膨脹波影響的區(qū)域越小，爆速也就相應(yīng)增加，如下圖表所示。

基于上圖表的數(shù)據(jù)，研究者提出爆速D與含能顆粒比表面積S及裝藥密度ρ的經(jīng)驗(yàn)公式：

D=A +S（B+Cρ）

式中：D為爆速（m/s）；S為比表面積（m2/g），包含顆粒粒度信息；ρ為裝藥密度（kg/m3）；A、B、C為系數(shù)，取決于含能材料的化學(xué)性質(zhì)及裝藥直徑。

上式直觀地反映出爆速D與比表面積S之間存在正比關(guān)系，而比表面積又與粒度相聯(lián)系，對(duì)球狀顆粒，上式間接地反映出爆速D與粒度存在反比例關(guān)系。但需要注意的是，爆速還受到顆粒形貌，粒度范圍、裝藥狀態(tài)、裝藥密度等多種因素的共同影響，某些情況下粒度與爆速的關(guān)聯(lián)表現(xiàn)不太明顯。2

分類爆炸依其爆炸火焰或其他學(xué)反應(yīng)傳遞速度或方式之不同，還可區(qū)分為爆燃（Deflagration）與爆轟（Detonation），化學(xué)反應(yīng)在炸藥中的傳遞速度稱為爆速。

爆燃是一種爆速小于聲音在炸藥內(nèi)傳遞速度的爆炸，而爆轟則為超音速的爆炸，其化學(xué)反應(yīng)是以震波的形式傳遞，故爆轟產(chǎn)生的爆炸壓力及破壞力均遠(yuǎn)大于爆燃。

爆速小于每秒3000英呎的爆炸稱為爆燃，而爆速大于每秒3000英尺的爆炸稱為爆轟。（1英尺=0.3048米）炸藥依其爆炸方式或爆速的大小可區(qū)分為低級(jí)炸藥（Low explosives）與高級(jí)炸藥（High explosives）。產(chǎn)生爆燃反應(yīng)或爆速低的炸藥稱為低級(jí)炸藥，如黑火藥、槍炮發(fā)射藥或火箭推進(jìn)劑等。而在正常使用情況下會(huì)產(chǎn)生爆轟反應(yīng)的炸藥稱為高級(jí)炸藥，如TNT、代納邁等，都具有極大的爆炸威力，故亦稱為高爆炸藥。

爆速或爆轟速度，系爆轟波通過(guò)藥柱的速度，是用于計(jì)算炸藥爆轟壓力的重要參數(shù)。一般而言，爆速大者其爆轟反應(yīng)產(chǎn)生的壓力也大，猛度也大，亦即對(duì)砂石的碎裂能力強(qiáng)。傳統(tǒng)的爆速測(cè)量方法是采用杜氏法（Dautriche Method），方法雖然很簡(jiǎn)單，但精度也不高。較新的方法是利用高速照相、壓力探針、離子探針?lè)ǖ认冗M(jìn)技術(shù)，測(cè)量精確度可大大的提高。其中離子探針?lè)ㄔO(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易，且相當(dāng)精確，已成為主要之測(cè)試方法。3

影響爆速的因素炸藥的爆速除了與炸藥本身的性質(zhì)，如炸藥密度、產(chǎn)物組成、爆熱和化學(xué)反應(yīng)速度有關(guān)外，還受藥包直徑、裝藥密度和粒度、裝藥外殼、起爆沖能及傳爆條件等影響。從理論上講，當(dāng)藥柱為理想封閉、爆轟產(chǎn)物不發(fā)生徑向流動(dòng)、炸藥在沖擊波波陣面后反應(yīng)區(qū)釋放出的能量全部都用來(lái)支持沖擊波的傳播時(shí)，爆轟波以最大速度傳播，這時(shí)的爆速叫理想爆速。實(shí)際上，炸藥是很難達(dá)到理想爆速的，炸藥的實(shí)際爆速都低于理想爆速。影響爆速的因素主要有以下幾方面。4

藥包直徑的影響當(dāng)爆轟波沿直徑有限的藥柱軸向傳播時(shí)，除在爆轟波反應(yīng)區(qū)中有化學(xué)反應(yīng)的放熱過(guò)程之外：同時(shí)還存在著能量的耗散過(guò)程。前面已經(jīng)提到，爆轟波波陣面壓力可達(dá)數(shù)千至數(shù)萬(wàn)兆帕。因此，爆轟氣體產(chǎn)物必然要發(fā)生徑向膨脹。這種徑向膨脹引起向反應(yīng)區(qū)內(nèi)傳播的徑向稀疏波，結(jié)果造成反應(yīng)區(qū)中能量向外耗散。爆轟波傳播過(guò)程中，C-J面后的高壓氣體產(chǎn)物也要向后膨脹而產(chǎn)生軸向稀疏波。但是由于C-J面處具有uH+cH =D這一條件，所以后面的這種軸向稀疏波不能傳入反應(yīng)區(qū)內(nèi)，因而不會(huì)引起能量損失，因此，徑向稀疏波是爆轟波沿藥包傳播過(guò)程中能量損失的最主要原因。

藥包外殼的影響藥包外殼對(duì)傳爆過(guò)程影響很大，裝有堅(jiān)固的外殼可以使炸藥的臨界直徑值減小。例如，硝酸銨的臨界直徑本是100 mm，但在20 mm厚的內(nèi)徑7 mm的鋼管中也能穩(wěn)定傳爆。這是由于堅(jiān)固的外殼減小了徑向膨脹所引起的能量損失。

試驗(yàn)研究表明，對(duì)于爆轟壓力高的炸藥，對(duì)d臨的影響起主導(dǎo)作用的不是外殼材料強(qiáng)度而是材料的密度或質(zhì)量。爆轟時(shí)，密度大的外殼徑向移動(dòng)困難，因此可以減小徑向能量損失。對(duì)于爆轟壓力低的炸藥，外殼強(qiáng)度的影響也是重要的。

在藥包直徑小于極限直徑時(shí)，外殼對(duì)于藥包穩(wěn)定傳爆的影響顯著，而當(dāng)d大于d極時(shí)，外殼的影響不顯著。4

裝藥密度的影響單體猛炸藥和工業(yè)混合炸藥的裝藥密度，對(duì)傳爆過(guò)程有不同的影響。

下圖說(shuō)明TNT爆速變化與裝藥密度的關(guān)系。裝藥密度增大，爆速也隨之增大，兩者呈直線關(guān)系。對(duì)于混合炸藥則不然，爆速同裝藥密度的關(guān)系，如圖所示。爆速隨裝藥密度的增大而增加，但在密度增大到某一定值時(shí)，爆速達(dá)到它的最大值，這一密度被稱為最佳密度。此后，密度進(jìn)一步增大，爆速反而下降，而且當(dāng)密度大到超過(guò)某一極限值時(shí)，就會(huì)發(fā)生所謂“壓死”現(xiàn)象，即不能發(fā)生穩(wěn)定爆轟。這一密度稱為極限密度ρ極，也有稱為“壓死密度”。下圖所示為兩種不同直徑的藥包的爆速隨密度變化，而在密度分別為1.108 g/cm3和1.15 g/cm3時(shí)，直徑20 mm的和直徑40 mm的藥包的爆速達(dá)到最大值。

D-ρ關(guān)系曲線出現(xiàn)極大值的原因同混合炸藥傳爆機(jī)理有關(guān)。在起爆能作用下由氧化劑和還原劑組成的混合炸藥的各組分先以不同速度單獨(dú)進(jìn)行分解，然后由分解出的氣體相互作用完成爆轟反應(yīng)。這樣，除炸藥各組分顆粒大小、與混合均勻程度對(duì)此有很大影響外，裝藥密度也是個(gè)重要因素。裝藥密度過(guò)大，則炸藥各組分顆粒間的空隙過(guò)小，不利于各組分分解出的氣體相互混合和反應(yīng)，結(jié)果導(dǎo)致反應(yīng)速度下降直至爆轟熄滅。

就一種炸藥而言，極限密度并不是一個(gè)定值，它受炸藥顆粒大小、混合均勻程度、含水量大小、藥包直徑以及外殼約束條件等因素的影響而變化很大。因此，增大炮孔裝藥密度雖是提高炸藥威力的途徑之一，但必須同時(shí)采取加大藥包直徑和炮孔直徑，以及加強(qiáng)藥包外殼約束條件或加強(qiáng)起爆能等措施，使裝藥密度在極限密度以下以保證穩(wěn)定傳爆。4

炸藥粒度的影響對(duì)于同一種炸藥，粒度不同，化學(xué)反應(yīng)的速度不同，其臨界直徑、極限直徑和爆速也不同，但粒度的變化并不影響炸藥的極限爆速。一般情況下，減小炸藥粒度能夠提高化學(xué)反應(yīng)速度，減小反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)區(qū)厚度，從而減小臨界直徑和極限直徑，爆速增高。

但混合炸藥中不同成分的粒度對(duì)臨界直徑的影響不完全一樣。其敏感成分的粒度越細(xì)，臨界直徑越小，爆速越高；而相對(duì)鈍感成分的粒度越細(xì)，臨界直徑增大，爆速相應(yīng)減小，但粒度細(xì)到一定程度后，臨界直徑又隨粒度減小而減小，爆速也相應(yīng)增大。4

起爆沖能的影響起爆沖能不會(huì)影響炸藥的理想爆速，但要使炸藥達(dá)到穩(wěn)定爆轟，必須供給炸藥足夠的起爆能，且激發(fā)沖擊波速度必須大于炸藥的臨界爆速。

試驗(yàn)研究表明：起爆能量的強(qiáng)弱，能夠使炸藥形成差別很大的高爆速或低爆速穩(wěn)定傳播，其中高爆速即是炸藥的正常爆轟。例如，當(dāng)TNT（密度1.0 g/cm3，裝藥直徑21 mm，顆粒直徑為1.0～0.6 mm）在強(qiáng)起爆能起爆時(shí)爆速為3600 m/s，而在弱起爆條件下爆速僅為1100m/s。裝藥直徑為25.4 mm的硝化甘油，用6號(hào)雷管起爆時(shí)的爆速為2000 m/s，而用8號(hào)雷管起爆時(shí)的爆速為8000 m/s以上。

低速爆轟是一種比較特殊的現(xiàn)象，目前還難以從理論上加以明確解釋。一般認(rèn)為，低速爆轟現(xiàn)象主要出現(xiàn)在以表面反應(yīng)機(jī)理起主導(dǎo)作用的非均質(zhì)炸藥中，這樣的炸藥對(duì)沖擊波作用很敏感，能被較低的初始沖能引爆，但由于初始沖能低，爆轟化學(xué)反應(yīng)不完全，相當(dāng)多的能量都是在C-J面之后的燃燒階段放出，用來(lái)支持爆轟傳播的能量較小，因而爆速較低。

溝槽效應(yīng)溝槽效應(yīng)，也稱管道效應(yīng)、間隙效應(yīng)，就是當(dāng)藥卷與炮孔壁間存在有月牙形空間時(shí)，爆炸藥柱所出現(xiàn)的自抑制——能量逐漸衰減直至拒（熄）爆的現(xiàn)象。實(shí)踐表明，在小直徑炮孔爆破作業(yè)中這種效應(yīng)相當(dāng)普遍地存在著，是影響爆破質(zhì)量的因素之一。隨著研究工作的不斷深入，人們逐步認(rèn)識(shí)到這一問(wèn)題的重要性。近年來(lái)我國(guó)和美國(guó)等均已將溝槽效應(yīng)視為工業(yè)炸藥的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。4

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

尹維龍 - 副教授 - 哈爾濱工業(yè)大學(xué)