平面飛片下氣體絕熱壓縮后的聚能效應
——兩次不尋常的爆炸實驗結果*

張 凱，張路青

(中國大連凱峰超硬材料有限公司，遼寧大連116025)

在爆炸合成和爆炸壓實研究中，大多采用平面飛片碰撞進行壓力加載，且大多數實驗都是在常壓下進行，即飛片飛行過程是在常壓下的空氣而不是真空中的。從事爆炸力學的學者大都認定:隨著飛片向下飛行，平面飛片下的空氣會向飛片四周自然排出，不會對飛片飛行構成大的阻力，且一般飛片飛行距離很短，飛片下體積內的常壓氣體量是個很小的量，不會造成聚能效應。而我們在兩次實驗中，非常典型地發現了:飛片高速飛行，特別是飛片速度超過3 km/s時，飛片下空氣很難全部向四周排出，大部分氣體被飛片壓向被打擊表面，造成絕熱壓縮，而絕熱壓縮氣體的比熱容cV不是常數，隨溫度增高而增高，少量的氣體經過絕熱壓縮，不僅溫度很高，且壓力也達到碰撞壓力的同量級，這極高溫高壓的氣體會以極高速氣流通過壓縮縫隙中噴出，造成能量巨大的聚能效應。

1 第一次實驗方法

圖1 爆炸實驗裝置圖Fig.1 The unit of explosive experiment

圖2 爆炸后粉盒上表面Fig.2 The upper surface of powder box after explosion

爆炸壓實實驗裝置［1］如圖1，炸藥柱在水中爆炸，推動飛片向下飛行。飛片速度pp=3.595 km/s，計算值［2］與實測值基本一致。飛片下方安置一個裝有粉末的裝粉盒，在粉末面上安放一塊厚0.4 mm的薄鐵皮，粉盒下方又安置一塊底板，在水層的底面，飛片的外圈特別放置一塊厚2 mm的鋼板。爆炸后，發現粉盒上表面即迎著飛片打擊的一面有被嚴重沖涮現象。圖2所示的部分正好是此粉盒直徑(68～138)mm之間的盒邊緣上，圖中粉盒的上方已有一個缺損口，內孔已經漲大，在圖中中線上測得直徑88 mm。圖2中粉盒內圈中心的圓塊實際是飛片殘片，實測直徑55 mm，仍是完整的圓形，周向沒有破裂。但中間出現了孔洞，是被氣流沖開的一個通道。填補這個孔洞的是一個小圓形塊，呈拱形的“小帽”狀，把厚0.4 mm的蓋片緊貼在它的內側，無法分開。蓋片下方還有些許粉末緊緊地粘附著，無法摳下，見圖3。在圖2中已經將“小帽”放到飛片殘片的中心孔中了，仔細觀察，可分辨出飛片殘片與“小帽”不是長在一起的，這個“小帽”是在離爆點1 m處撿回來的。

從回收的粉盒(見圖2)的裂口一邊仔細觀察，在距上端口往下約5 mm處有一個明顯印痕，似乎是原飛片在這個位置停留了一下。這無疑是飛片的角邊在此留下的印痕，是氣流從此處向外噴出的痕跡，如圖4所示。

圖3 小帽形成圖Fig.3 The forming drawing of small hat

2 第一次實驗結果分析

圖4 氣流開始噴出的位置Fig.4 The place sketch of airflow beginning to spurt

根據以上觀察，可作出以下的分析解釋。

(1)當飛片尚未壓破0.4 mm鐵片時，空氣從它存在的空隙中側向噴出成為氣流，如圖5(a)所示。

(2)飛片壓破厚0.4 mm的鐵蓋片，有小部分氣體進入粉體內。部分飛片已進入粉盒槽內，但尚未全部進入，側向噴出的氣體在厚2 mm的鐵板(此鐵板受藥柱四周水的壓力作用，基本上與飛片同步飛下)壓縮下開始沖擊粉盒體的上表面，如圖5(b)所示。

圖5 (a)側邊鐵板未壓下時的氣流圖Fig.5(a)The airflow sketch before the steel plate being pressed down

圖5 (b)氣流開始沖擊粉盒的上表面圖Fig.5(b)The sketch when airflow beginning to shock upper surface of powder box

(3)飛片基本上進入粉盒槽內，側向氣流加強噴出，在厚2 mm鐵板的強力壓制下，噴向粉盒外緣表面，形成沖擊洼坑。由于未經壓縮的空氣密度為1.225 mg/cm3，飛片下的空間所含的全部空氣質量只有230.5 mg，量不大，絕熱壓縮后噴出的高速氣體只能使粉盒表面形成極深洼坑而已，并未能將厚18 mm的盒邊緣全部切去。

同時，飛片后面的稀疏波已到達飛片的下界面處。此時，飛片向下的前進速度突然減小，從而飛片壓縮空氣隙中氣體的力也會迅速減小，使得氣隙中的氣體得以開始膨脹。同時也由于飛片周邊氣體是在高速地流動著，從而該處氣體上的壓力也相對較低，而飛片中間的膨脹力過大，最后使飛片開始從中間向上突起。如圖5(c)所示。

(4)稀疏波開始進入粉末，追趕前面擊波。飛片中間明顯拱起，這是因為飛片上面的壓力消失，但飛片仍以某個速度慣性向下飛行，飛片下面中心區的氣體壓力高，邊緣壓力低，造成向上拱起。且在其離中心線一定距離處，即“小帽”的半徑B-B處，飛片厚度急劇減薄，氣流對粉盒上平面邊緣的沖擊開始終止，破裂成一個缺口大約也在這個時候發生，此時0.4 mm鐵片上的壓力就是飛片下中心區的氣體壓力。如圖5(d)所示。

圖5 (c)沖擊洼坑形成示意圖Fig.5(c)The forming sketch of pit by shocking

圖5 (d)飛片開始隆起示意圖Fig.5(d)The sketch of flying plate beginning to arch

(5)上部飛片越拱越高，在B處的厚度越來越薄，最后飛片在該處拉斷，形成“小帽”狀小塊脫離飛片，向外飛出。飛片下留下一個孔洞，內部氣體沖出孔洞，被絕熱壓縮的氣體消失。同時粉末中的沖擊波已經到達下部底邊上，原裝粉末空隙中的空氣此時已全部被沖擊波趕到底部，而沖擊波立即被下部底板反射，形成比入射波更強些的反射沖擊波，反過來向上傳。如圖5(e)所示。

(6)B處裂開，底板的反射波向上傳。同時被沖擊波趕向底面的氣體的壓力強度有與反射波同等強度，無疑也處于極高壓力的絕熱壓縮狀態，迅速膨脹，擴張體積，將已被壓縮的粉末層以及粉末層上面的0.4 mm鐵片向上推，撞向上部的飛片殘片，特別是撞向“小帽”的內表面，于是0.4 mm鐵片緊貼在“小帽”的內表面上，下面還帶有粉末，并飛離1 m處。如圖5(f)所示。

圖5 (e)飛片在B處拉斷示意圖Fig.5(e)The sketch of flying plate beginning to break at point B

圖5 (f)飛片中心小帽形成示意圖Fig.5(f)The forming sketch of small hat at the center of flying plate

仔細觀察回收的鐵片，呈現的顏色表明，是鐵表面被熔化后的冷卻狀態的顏色，說明溫度很高。

3 第二次實驗方法［3］

為了進一步證實飛片下產生的高速氣流聚能效應，又做了第二次實驗，實驗方式基本不變，見圖6。藥柱與飛片直徑增大到使得飛片下的空間的空氣量(大氣狀態下)為887.6 mg，是第一次的3.851倍，如產生氣流，氣流將大大增強。同時改變引爆方法，藥柱上端的引爆藥柱中間有惰性塊。雷管引爆后，先將主裝藥柱的周邊上部引爆，這樣在主裝藥柱內造成的爆轟波面在中心區域是一個匯聚的球面波，如圖7所示。從而使得飛片的飛行姿態呈同樣形態，當飛片以這樣的形態碰撞粉盒盒蓋時，原飛片下的大部分氣體都集聚在ACD這個凹形區域內，而不從側向流出。當飛片最終強行壓向粉盒表面時，飛片下的向內凹形會逐漸消失，而被壓縮在凹形內的氣體被絕熱壓縮到與飛片打擊粉盒鐵蓋時的壓力相等。凹坑內氣體會從四周側向沖開一道細縫排出，速度達到萬米/秒以上。高速氣體噴出正好遇上同步飛下的3 mm塑料板，塑料板自然將噴出氣體擋住。由于飛片下沖出的氣流方向一定偏向上方一個角度，絕不可能沿水平方向噴出，從而塑料板在鋒利的氣流沖刷下會瞬態地被彎曲成圖7中下面圖形的形狀。在塑料板被沖破以前，已將氣流折轉成近180°方向，向下沖去，氣流成為一個“氣刀”，將粉盒邊緣厚10 mm的鐵邊緣切去。切口光滑，無絲毫粗糙、凹凸不平的沖刷痕跡，可見“氣刀”能量很大。

爆炸在一個?1.8 m×2.0 m、由厚20 mm鍋爐鋼板制作、埋在地下的舊罐中進行，口與地表平，離罐口周圍1 m遠處圍有網眼約30 mm的鐵細網，高約3 m。圖6的爆炸裝置采用懸掛式掛在離罐口約0.8 m的半空中，在罐底正中放一個高0.6 m、內裝200mm高濕鋸末的半截子油桶，做回收裝置。爆炸后，罐壁完好，無任何裂縫，罐底有一條裂縫，但沒有發現粉盒殘片，而在罐口地面發現2塊粉盒碎塊，每個碎塊大約是盒圈的約1/4。粉盒高速砸向罐底碎成4塊后，2塊落在鐵絲網內，而另2塊飛越網高到網外，碎塊飛越高度超過5 m。查看回收的另2塊碎塊，看出粉盒外緣?(150～184)mm、厚度10 mm的邊緣部分完全被氣流切去，切口處氣流流動痕跡非常清晰，如圖8所示。裝有濕鋸末的半高油桶雖已變形，但仍保持一個整體，并未破碎。粉盒內的粉末大都還在，且都呈未被沖擊狀態，還是裝粉前狀態;粉末未被飛片壓實，是因粉盒已具有了相當速度，甚至可能與飛片速度相近，從而飛片不能撞擊粉末。圖8中a-a面處有強烈氣流切割金屬痕跡，這個強烈氣流同時也使粉盒獲得極高的速度。飛片下空間內的原有空氣，在高速飛行的飛片壓縮下，很難向周圍流出，在飛片與打擊面之間造成絕熱壓縮，壓力與飛片的碰撞壓力相同，極高的氣體壓力產生極高速氣流從縫隙中噴出，又遇到向下飛行的3 mm的塑料板(外加厚1 mm桶底)，將氣流折轉造成以上的強烈氣流。

圖6 放大的實驗裝置圖Fig.6 The enlarged unit of explosive experiment

圖7 氣流轉折示意圖Fig.7 The sketch of airflow to turn

圖8 剪切處示意圖Fig.8 The sketchmap showing sheared place

［1］張凱，張路青.一種Carbonado型結構的爆炸納米多晶金剛石［J］.材料導報，2009，23(5Ⅷ):56-60.

ZHANG Kai，ZHANG Lu-qing.The explosive nanometer polycrystalline diamond which structure has carbonado’s appearance［J］.Materials Review，2009，23(5Ⅷ):56-60.

［2］邵丙璜，張凱.爆炸焊接原理及其工程應用［M］.大連:大連理工大學出版社，1987:8-55.

［3］張路青，張凱.可消除側向高速氣流影響的爆炸壓實方法:中國，200810010547.4［P］.2008-03-06.