高速碰撞

爆炸力学的一个研究内容

高速碰撞（high velocity impact）作高速相对运动的宏观物体之间的相互碰撞，是爆炸力学的一个研究内容。高速碰撞能导致宏观物体严重变形、破坏，甚至熔化和气化。自然界的陨石碰撞或流星体与航天飞行器之间的碰撞，常规武器中穿甲弹或破甲弹与装甲的碰撞，爆炸焊接工艺中金属板之间的碰撞等都属于高速碰撞的范围。

运动物体的TNT当量

使碰撞物体变形、破坏乃至熔化和气化的能量来源于碰撞前物体的动能。物体间相对运动速度越大，碰撞时释放的能量就越大。因此，动能的大小,特别是单位质量物质动能的大小（即能量密度）是碰撞导致破坏程度的标志。通常用TNT（三硝基甲苯）当量表示运动物体的动能。每克TNT的标准能量为1千卡，以每秒1千米速度运动的1克物质的动能为500焦耳,约相当于0.1196千卡，因此 TNT当量为0.1196克。若物体的质量为Μ（千克）,运动速度为v（千米/秒）,则其动能的TNT当量为119.6Μv。例如,爆破1立方米坚硬岩石需1千克TNT炸药, 因此，如用质量为2千克的炮弹破碎1立方米的坚硬岩石,炮弹的飞行速度须为2千米/秒。在自然界中流星体相对于地面的运动速度为每秒10千米到几十千米。以每秒40千米计算,每吨流星体的TNT当量约为191吨，这是很大的数字, 但与原子弹的单位质量TNT当量相比却是很小的。

典型的高速碰撞

典型的高速碰撞有以下几种：

陨石碰撞或流星体碰撞

包括陨石同地球、月球及其他行星和卫星的碰撞，流星体同人造卫星或空间飞行器的碰撞。流星体进入大气时，气动加热引起烧蚀使流星体损失质量,由于流星体的动量与质量成正比,而作用于流星体的空气阻力与流星体质量的三分之二次方成正比，因此只有大的流星体才能穿过大气层落到地面成为陨石,并在与地面碰撞前保持高的相对运动速度。高能量的陨石与地面碰撞会形成相当可观的陨石坑。图1是美国亚利桑那陨石坑，直径约1240米，深约170米。

50年代以来对陨石（或流星体）碰撞的力学问题进行了大量的研究，原因有二：第一，为了保证人造卫星和空间飞行器安全飞行，需要研究微流星体与飞行器壳体的碰撞问题，并采取相应的防护结构。第二，有些自然现象有可能用陨石碰撞来解释。例如，关于恐龙于同一时期从地球上消失，一种学说认为，当时一个有巨大能量的流星体与地球相撞，扬起大量尘埃，尘埃长时期停留在空中，地面上日照减少，地球气温下降，导致恐龙死亡。关于行星形成的一种学说认为，流星体间的碰撞是物质聚集的一种主要机制，行星是在宏观物体间无数次碰撞过程中演化成的。为了深入认识陨石碰撞现象，学者们一面进行实验室的小型模拟实验，总结实验结果；一面建立适用于高速碰撞条件的流体弹塑性体模型和相应的计算机数值模拟技术。

弹丸与装甲的碰撞

弹丸根据速度和其几何形状有三种：普通穿甲弹,速度为每秒几百米,长径比l/d（l为弹长，d为弹径）为2～3；高速脱壳穿甲弹,速度约为每秒1500米，长径比为5～10；破甲弹,其金属射流速度为每秒2000～8000米，长径比为几百（见终点弹道学）。

与穿甲弹和破甲弹相碰撞的通常是金属装甲板。描述碰撞的参数为长径比l/d、长厚比l/t（t为装甲板厚度）、速度参数ρv/2Y)（ρ为弹材密度,v为弹速，Y)为装甲板材料的流动应力）和初始碰撞角θ(弹丸飞行方向同装甲板法向方向间的夹角),这些参数不同，碰撞现象会有很大差异。例如，对穿甲弹而言，在其他条件不变而θ角过大时，会发生跳弹。

爆炸焊接

爆炸焊接的原理如下：假设两块相同的平板在碰撞前各以与板平面垂直方向的速度v运动,两平板板面方向间的夹角为2β(图2之a)。如果碰撞后两板被焊接在一起，那么焊接在一起的板必然位于未碰撞前两板的角平分线上。速度v可以分解为平行于未碰撞前板面方向的分量 vf=vctgβ和平行于碰撞后板面方向的分量v0=v/sinβ(图2之b),故碰撞点以速度v0沿角平分线方向移动,相对于碰撞点，两板分别以平行于自身板面的速度vf向碰撞点移动。炸药通常铺放在两板的外表面，用于给板提供初速度v。

爆炸焊接工艺通常选择参数ρvf/2Y为20左右，而且要求vf小于板材中的声速。在这种情况下，可以忽略板材的强度和可压缩性，将板材视为不可压缩流体。这样碰撞点相当于驻点，该处的压力ρvf/2可达几万到十几万个大气压。根据不可压缩流体力学理论，碰撞后会产生两股流动（图2c），沿角平分线一股向右,一股向左。由于β通常较小，因而向右的一股流动强度较弱，但这股流动却起着清除两板原始表面的作用，使碰撞后两板以未曾暴露的新鲜表面接触。新鲜表面和很高的接触压力使两块板很好地焊接在一起。

图2板材爆炸焊接示意图

高速碰撞实验

高速碰撞实验可以分为两类：一类以模拟碰撞现象为目的，另一类以建立材料的本构关系和状态方程为目的。前一类实验以发射弹丸为主，对弹丸形状和飞行姿态的要求不很高，因此能达到的碰撞速度比后一类实验高。后一类实验以发射平板（飞片）为主，对平板飞行速度和姿态、平板和靶外形等方面的要求很高，因此不得不适当减小能达到的最大速度。二级轻气炮可以用于发射弹丸和平板；一级轻气炮（速度一般小于 1.7千米/秒）可用于研究在材料强度起重要作用条件下的本构关系；平面波发生器是用来取得高压状态方程数据的一种较常用的实验装置（见动态超高压技术）。

参考书目

R. Kinslow，ed., High-velocity Impact Phenomena，Academic Press，New York，1970.

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