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爆炸力学


  力学地一个分支,研究爆炸地发生和发展规则(规律)以及爆炸地力学效应地利用和防护地学科。它从力学角度研究化学爆炸、核爆炸、电爆炸、粒子束爆炸(也称辐射爆炸)、高速碰撞等能量忽然释放或急剧转化地进程和由此产生地强冲击波(又称激波)、高速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。自然界地雷电、地震、火山爆发、陨石碰撞、星体爆发等现象也可用爆炸力学方法来研究。爆炸力学是流体力学、固体力学和物理学、化学之间地一门交叉学科,在武器研制、交通运输和水利建设、矿藏开发、机械加工、安全生产等方面有普遍地应用。
  学科地形成
 中国在 8世纪中唐时期已有火药地原始配方。在10世纪地宋代初期开端以火药制作火箭火炮,用于军事。17世纪明代地宋应星曾经明白指出火药可按配方不同用于"直击"(发射)或"爆击"(爆炸),并且说明火药爆炸时"虚空静气受冲击而开",科学地描绘了爆炸在空气中形成冲击波地现象。大约在14世纪,火药传入欧洲,在军事上普遍应用。17世纪匈牙利开端有火药用于开矿地记载。19世纪中叶开端,欧美各国大力发展铁路建设和采矿事业,大量使用黑火药,工程师们总结出工程爆破药量计算地许多经历公式。1846年硝化甘油发明后,瑞典化学家A.B.诺贝尔制成几种安全混合炸药,并在1865年发明雷管引爆猛炸药,完成了威力宏大地高速爆轰,从此开创了炸药应用地新时代,并且促进了冲击波(即激波)和爆轰波地理论研究。英国工程师W.J.M.兰金和法国炮兵军官P.H.许贡纽研究了冲击波地性质,后者又完整地解决了冲击载荷下杆中弹性波传播情况。D.L.查普曼和E.儒盖各自独立地创立了平稳自持爆轰理论,后者还写出第一本爆炸力学著作《炸药地力学》。第二次世界大战期间,爆炸地力学效应情况因为战事地需要惹起许多著名科学家地重视。G.I.泰勒研究了炸药作用下弹壳地变形和飞散,并首先用不可压缩流体模型研究锥形罩空心药柱形成地金属射流及其对装甲地侵彻作用。 泰勒、T.von卡门、X.A.拉赫马图林各自独立创建了塑性波理论,发展了测定冲击载荷下材料地力学性能地方法。Я.Б.泽利多维奇和 J.von诺伊曼研究了爆轰波地内部结构,使爆轰理论得到宏大地进展。Л.Д.朗道和К.П.斯坦纽科维奇等研究了爆轰产物地状态方程并推进了非定常气体动力学地发展。J.G.科克伍德等树立了水下爆炸波地传播理论。原子武器地研制大大促进了凝结态炸药爆轰、固体中地激波和高压状态方程以及强爆炸理论地研究。泰勒、诺伊曼和Л.И.谢多夫各自树立了点源强爆炸地自模拟理论,以R.G.麦奎因为代表地美国科学家对固体材料在高压下地物理力学性能作了系统地研究。经过这一时期地工作,爆炸力学作为一门具有自己特别之处地学科终于形成。战后,核武器和惯例武器地效应及其防护措施地研究持续有所发展;在爆破工程中研究出多种新型地掌握爆破技术;出现了利用爆炸进行材料成型、焊接、硬化、合成地爆炸加工技术。同这些新技术发展相顺应,爆炸力学也就发展成为包含有爆轰学、冲击波理论、应力波理论、材料动力学、空中爆炸和水中爆炸力学、高速碰撞动力学(包含穿甲力学、终点弹道学)、粒子束高能量密度动力学、爆破工程力学、爆炸工艺力学、爆炸结构动力学、瞬态力学丈量技术等分支学科和研究领域地体系了。
  特别之处和根本内容  爆炸力学地一个根本特别之处是研究高功率密度地能量转化进程,大量能量通过高速地波动来传递,历时特短,强度特大。其次,爆炸力学中地研究,常需要考虑力学要素和化学物理要素地耦合、流体特性和固体特性地耦合、载荷和介质地耦合等,因而,多学科地渗透和结合成为爆炸力学发展地必要条件。爆炸研究促进了流体和固体介质中冲击波理论、流体弹塑性理论、粘塑性固体动力学地发展。爆炸在固体中产生地高应变率、大变形、高压和热效应等推动了凝结态物质高压状态方程、非线性本构关系、动态断裂理论和热塑不稳定性理论地研究。爆炸地瞬变进程地研究则推动了各种快速采样地实验技术,其中包含高速摄影、脉冲X射线照相、瞬态波形记录和数据处理技术地发展。爆炸力学还促进了二维、三维、具有各种分界面地非定常计算力学地发展。爆炸现象十分繁杂,并不要求对一切要素都进行准确地描绘,因而抓住首要矛盾进行实验和树立简化模型,特别是运用和发展各种类似律或模型律,具有重要意义。
  爆炸波在介质中地传播以及波所惹起地介质地流动、变形、破坏和抛掷现象是爆炸力学研究地中心内容。爆炸包含空中爆炸、水下爆炸、地下爆炸和高速碰撞等。对于空中核爆炸,须考虑在高温、高压条件下包含辐射在内地空气热力学平衡性质和非平衡性质。对于水下爆炸,水地高速空化及其消失常常是重要地要素。对于地下爆炸和高速碰撞,则须考虑在高温、高压、高应变率条件下,介质地本构关系和破坏准则。这些都属于介质地根本力学性质。因而,在这些极端条件下,介质地力学性质是爆炸力学和其她学科共同感兴趣、合作研究地领域。
  爆轰地流体力学理论是波在可反应介质中当化学反应和力学要素强烈耦合时地流体力学理论。气相、液相、固相、混合相物质地稳态和非稳态爆轰、爆燃和爆轰间地转化、起爆机理和爆轰波结构等都是爆轰学研究地对象。
  此外,还有与工程应用直接相联系地工程爆破理论和技术,如爆炸加工地理论和工艺,抗核爆炸防护工程中结构动力学和岩土动力学情况,同惯例武器设计相联系地内弹道学与终点弹道学。
  应用  爆炸力学在军事科学技术中起重要作用。在发展核武器、进行核实验、研究核爆炸防护措施方面,爆炸力学是重要工具。在各种惯例武器弹药地研制、防御方面,炸药爆轰理论、应力波传播理论和材料地动态特性理论等都是理论基础。激光武器和粒子束武器也需要从爆炸力学地角度进行研制,爆炸力学研究还为航天工程提供多种轻便牢靠地掌握装置。爆炸力学实验技术(如冲击波高压技术)为冲击载荷下材料地力学性能地研究提供了方法和工具。
  在矿业、水利和交通运输工程中,用炸药爆破岩石(爆破工程)是必不可少地传统方法。如今光面爆破、预裂爆破技术地应用日益普遍。在城市改造、国土整治中,掌握爆破技术(见彩图)更是十分重要。爆炸在机械加工方面也有普遍地应用,如爆炸成型、爆炸焊接、爆炸合成金刚石、爆炸硬化等。爆炸防护在工业安全方面有特别重要地地位。井下瓦斯爆炸、天然气爆炸、粉尘爆炸(例如铝粉、煤粉、粮食粉末等),煤井中地瓦斯和二氧化碳突出等都是生产上十分关心地情况。对于上述情况,爆炸力学地任务是探明现象,查清机理,提供工程方法。

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