爆速

爆炸火焰或其化学反应在药炷内传递速度

爆轰波在炸药中稳定传播的速度，是衡量炸药爆炸性能的重要示性数。爆速，是爆炸火焰或其化学反应在药炷内传递速度称为爆速，依炸药成份不同而不同。

简介

爆速（detonation velocity）爆轰波在炸药药柱中的传播速度称为爆轰速度，简称爆速，通常以m/s或km/s表示。

爆速是衡量炸药爆炸性能的重要指标之一，在理想情况下，一种炸药的爆速是一个常量，实际上炸药的爆速总是低于理想的爆速。

炸药的爆速是衡量炸药爆炸性能的重要指标，也是目前可以比较准确测定的一个爆轰波参数。爆速的精确测量为检验爆轰理论的正确性提供了依据，在炸药应用研究上具有重要的实际意义。测定爆速的方法有多种，按其原理可分为导爆索法、电测法和高速摄影法三大类。

爆速与装药直径、密度、粒度、外界的约束条件、起爆条件等一系列因素有关，常随装药直径的增加而增高，直径增加爆速不再增加的最小装药直径称为极限直径（limiting diameter），而爆轰能稳定传播的最小装药直径称为临界直径（critical diameter）。只有在一定的装药条件下，爆轰波的传播速度才为特定值。猛炸药的爆速为6～9km/s（例如TNT为6 900 m/s，黑索金为8 750 m/s），工业炸药爆速为2～4km/s。

爆速的测定

爆速是化学反应区通过给定含能试样的传播速度，它是含能材料最重要的爆轰参数之一。爆速是基于测量爆轰波通过被测试样内已知距离所需的时间间隔而得到，根据所选择的测量仪器，可将测量爆速的方法分为光学方法（基于使用不同类型的高速相机）和电学方法（基于使用不同类型的速度探针，结合电子计数器或示波器）两大类。由于实际测量过程中可根据爆轰过程的特点来测量不同的物理特征参数，因此爆速测量又可分为多种具体方法，如测时仪法就是利用含能材料爆轰时爆轰波阵面的电离导电特性或压力变化，测定爆轰波依次通过药柱内各探针间所需要的时间来求出爆速。

实践证明，含能材料的组成、结构、聚集状态、装药尺寸和约束条件等对爆轰过程均有明显影响，本书仅讨论含能材料结构特别是颗粒尺度对爆速的影响，其他参数对爆速的影响可参见相关著作。

含能材料结构对爆速的影响一方面可以归结为因颗粒尺寸减小而造成的热、质传输速率的变化，另一方面可归结为因颗粒尺寸减小而导致的化学反应动力学的变化，相对而言，动力学影响更为显著。

研究发现，颗粒尺寸对含能材料爆速影响显著。粉状含能材料爆轰时，其化学反应首先从颗粒表面开始，颗粒越细，比表面积越大，则反应区内化学反应时间越短。化学反应速度越快，反应区内受膨胀波影响的区域越小，爆速也就相应增加，如图1所示。

基于图1的数据，研究者提出爆速D与含能颗粒比表面积S及装药密度ρ的经验公式：

D=A +S（B+Cρ）

式中：D为爆速（m/s）；S为比表面积（m2/g），包含颗粒粒度信息；ρ为装药密度（kg/m3）；A、B、C为系数，取决于含能材料的化学性质及装药直径。

上式直观地反映出爆速D与比表面积S之间存在正比关系，而比表面积又与粒度相联系，对球状颗粒，上式间接地反映出爆速D与粒度存在反比例关系。但需要注意的是，爆速还受到颗粒形貌，粒度范围、装药状态、装药密度等多种因素的共同影响，某些情况下粒度与爆速的关联表现不太明显。

分类

爆炸依其爆炸火焰或其他学反应传递速度或方式之不同，还可区分为爆燃（Deflagration）与爆轰（Detonation），化学反应在炸药中的传递速度称为爆速。

爆燃是一种爆速小于声音在炸药内传递速度的爆炸，而爆轰则为超音速的爆炸，其化学反应是以震波的形式传递，故爆轰产生的爆炸压力及破坏力均远大于爆燃。

爆速小于每秒3000英呎的爆炸称为爆燃，而爆速大于每秒3000英尺的爆炸称为爆轰。（1英尺=0.3048米）炸药依其爆炸方式或爆速的大小可区分为低级炸药（Low explosives）与高级炸药（High explosives）。产生爆燃反应或爆速低的炸药称为低级炸药，如黑火药、枪炮发射药或火箭推进剂等。而在正常使用情况下会产生爆轰反应的炸药称为高级炸药，如TNT、代纳迈等，都具有极大的爆炸威力，故亦称为高爆炸药。

爆速或爆轰速度，系爆轰波通过药柱的速度，是用于计算炸药爆轰压力的重要参数。一般而言，爆速大者其爆轰反应产生的压力也大，猛度也大，亦即对砂石的碎裂能力强。传统的爆速测量方法是采用杜氏法（Dautriche Method），方法虽然很简单，但精度也不高。较新的方法是利用高速照相、压力探针、离子探针法等先进技术，测量精确度可大大的提高。其中离子探针法设备简单，操作容易，且相当精确，已成为主要之测试方法。

影响爆速的因素

炸药的爆速除了与炸药本身的性质，如炸药密度、产物组成、爆热和化学反应速度有关外，还受药包直径、装药密度和粒度、装药外壳、起爆冲能及传爆条件等影响。从理论上讲，当药柱为理想封闭、爆轰产物不发生径向流动、炸药在冲击波波阵面后反应区释放出的能量全部都用来支持冲击波的传播时，爆轰波以最大速度传播，这时的爆速叫理想爆速。实际上，炸药是很难达到理想爆速的，炸药的实际爆速都低于理想爆速。影响爆速的因素主要有以下几方面。

药包直径的影响

当爆轰波沿直径有限的药柱轴向传播时，除在爆轰波反应区中有化学反应的放热过程之外：同时还存在着能量的耗散过程。前面已经提到，爆轰波波阵面压力可达数千至数万兆帕。因此，爆轰气体产物必然要发生径向膨胀。这种径向膨胀引起向反应区内传播的径向稀疏波，结果造成反应区中能量向外耗散。爆轰波传播过程中，C-J面后的高压气体产物也要向后膨胀而产生轴向稀疏波。但是由于C-J面处具有uH+cH =D这一条件，所以后面的这种轴向稀疏波不能传入反应区内，因而不会引起能量损失，因此，径向稀疏波是爆轰波沿药包传播过程中能量损失的最主要原因。

药包外壳的影响

药包外壳对传爆过程影响很大，装有坚固的外壳可以使炸药的临界直径值减小。例如，硝酸铵的临界直径本是100 mm，但在20 mm厚的内径7 mm的钢管中也能稳定传爆。这是由于坚固的外壳减小了径向膨胀所引起的能量损失。

试验研究表明，对于爆轰压力高的炸药，对d临的影响起主导作用的不是外壳材料强度而是材料的密度或质量。爆轰时，密度大的外壳径向移动困难，因此可以减小径向能量损失。对于爆轰压力低的炸药，外壳强度的影响也是重要的。

在药包直径小于极限直径时，外壳对于药包稳定传爆的影响显著，而当d大于d极时，外壳的影响不显著。

装药密度的影响

单体猛炸药和工业混合炸药的装药密度，对传爆过程有不同的影响。

图3说明TNT爆速变化与装药密度的关系。装药密度增大，爆速也随之增大，两者呈直线关系。对于混合炸药则不然，爆速同装药密度的关系，如图3左图所示。爆速随装药密度的增大而增加，但在密度增大到某一定值时，爆速达到它的最大值，这一密度被称为最佳密度。此后，密度进一步增大，爆速反而下降，而且当密度大到超过某一极限值时，就会发生所谓“压死”现象，即不能发生稳定爆轰。这一密度称为极限密度ρ极，也有称为“压死密度”。图3右图所示为两种不同直径的药包的爆速随密度变化，而在密度分别为1.108 g/cm3和1.15 g/cm3时，直径20 mm的和直径40 mm的药包的爆速达到最大值。

D-ρ关系曲线出现极大值的原因同混合炸药传爆机理有关。在起爆能作用下由氧化剂和还原剂组成的混合炸药的各组分先以不同速度单独进行分解，然后由分解出的气体相互作用完成爆轰反应。这样，除炸药各组分颗粒大小、与混合均匀程度对此有很大影响外，装药密度也是个重要因素。装药密度过大，则炸药各组分颗粒间的空隙过小，不利于各组分分解出的气体相互混合和反应，结果导致反应速度下降直至爆轰熄灭。

就一种炸药而言，极限密度并不是一个定值，它受炸药颗粒大小、混合均匀程度、含水量大小、药包直径以及外壳约束条件等因素的影响而变化很大。因此，增大炮孔装药密度虽是提高炸药威力的途径之一，但必须同时采取加大药包直径和炮孔直径，以及加强药包外壳约束条件或加强起爆能等措施，使装药密度在极限密度以下以保证稳定传爆。

炸药粒度的影响

对于同一种炸药，粒度不同，化学反应的速度不同，其临界直径、极限直径和爆速也不同，但粒度的变化并不影响炸药的极限爆速。一般情况下，减小炸药粒度能够提高化学反应速度，减小反应时间和反应区厚度，从而减小临界直径和极限直径，爆速增高。

但混合炸药中不同成分的粒度对临界直径的影响不完全一样。其敏感成分的粒度越细，临界直径越小，爆速越高；而相对钝感成分的粒度越细，临界直径增大，爆速相应减小，但粒度细到一定程度后，临界直径又随粒度减小而减小，爆速也相应增大。

起爆冲能的影响

起爆冲能不会影响炸药的理想爆速，但要使炸药达到稳定爆轰，必须供给炸药足够的起爆能，且激发冲击波速度必须大于炸药的临界爆速。

试验研究表明：起爆能量的强弱，能够使炸药形成差别很大的高爆速或低爆速稳定传播，其中高爆速即是炸药的正常爆轰。例如，当TNT（密度1.0 g/cm3，装药直径21 mm，颗粒直径为1.0～0.6 mm）在强起爆能起爆时爆速为3600 m/s，而在弱起爆条件下爆速仅为1100m/s。装药直径为25.4 mm的硝化甘油，用6号雷管起爆时的爆速为2000 m/s，而用8号雷管起爆时的爆速为8000 m/s以上。

低速爆轰是一种比较特殊的现象，目前还难以从理论上加以明确解释。一般认为，低速爆轰现象主要出现在以表面反应机理起主导作用的非均质炸药中，这样的炸药对冲击波作用很敏感，能被较低的初始冲能引爆，但由于初始冲能低，爆轰化学反应不完全，相当多的能量都是在C-J面之后的燃烧阶段放出，用来支持爆轰传播的能量较小，因而爆速较低。

沟槽效应

沟槽效应，也称管道效应、间隙效应，就是当药卷与炮孔壁间存在有月牙形空间时，爆炸药柱所出现的自抑制——能量逐渐衰减直至拒（熄）爆的现象。实践表明，在小直径炮孔爆破作业中这种效应相当普遍地存在着，是影响爆破质量的因素之一。随着研究工作的不断深入，人们逐步认识到这一问题的重要性。近年来我国和美国等均已将沟槽效应视为工业炸药的一项重要性能指标。

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