安理工火工品设计原理专题讲座：直接起爆

第9章爆轰的直接起爆直接起爆：指没有经过火焰加速的预爆轰阶段而瞬间形成的爆轰现象。所谓“瞬间”，是指直接导致爆轰形成的条件不是像爆燃转变为爆轰过程中那样的火焰加速，而是点火源。[1]一般爆燃转变为爆轰的过程总体分为两个阶段：火焰加速阶段和爆轰形成阶段。具体地讲，可以观察到三个特性显著的阶段：首先火焰在较短时间内指数式加速，与此同时，在距火焰阵面前方较远处产生弱冲击波（图9.1a）；火焰加速开始减慢，并在紧邻火焰阵面处产生一系列压缩波使冲击波不断加强，形成预热区（图9.1b）；最后速度急剧升高形成爆轰波（图9.1c）[2]。DDT全阶段过程如图9.2所示。9.1引言(a)(b)(c)图9.1DDT中三个特性显著的阶段[2]火焰阵面速度指数式增长与弱冲击波的产生火焰加速减慢、冲击波的加强与预热区的形成爆轰波的最终形成（a）火焰加速初始阶段（b）火焰加速发展阶段（c）爆轰波的形成图9.2DDT各过程[1]实验研究表明，DDT的机理几乎完全取决于火焰加速的特性。火焰加速压缩并加热火焰阵面前方未反应的物质，形成预热区，压力升高后使进入预热区的物质反应速率加快，而不断加快的反应又进一步压缩下一层反应物，这种正反馈使压力指数式上升，造成冲击波不断的合并叠加，进而强冲击波与反应区一起形成了过驱动爆轰波，过驱动爆轰波最后衰减成稳定的自维持的CJ爆轰波。而直接起爆则不同，爆轰波是直接由于点火器的作用“瞬间”形成的，中间没有明显的以火焰加速为特征的预爆轰阶段，拉菲特（Lafitte）在1923年研究球面爆轰形成的实验中首先发现了这个规律。爆燃的点火能量为毫焦耳数量级，而直接起爆要求点火能量至少为焦耳甚至千焦耳数量级，大量能量在点火器周围足够小的体积内突然释放聚集，产生的冲击波和反应区“瞬间”形成过驱动爆轰波。所以对于直接起爆，点火能量是决定起爆成功与否的唯一参数，而其最小值（即临界起爆能）长期以来一直被认为是判定爆炸性混合物起爆感度高低的最为直接的依据。前人用不同方式实现了直接起爆，具体有以下几种实现途径：1.强冲击波2.爆轰波Shepherd（1949）、Berets等人（1950）、Mooradian和Gordon（1951）、Fay（1953）分别证明了爆轰波的直接起爆需要使用激波管。因为爆轰波本质上就是由波阵面后反应区所释放的化学能作为能量供给的强冲击波，所以可以合理地推测出，直接起爆只有在点火器提供具有足够持续时间的强冲击波作用下迅速形成过驱动爆轰波时才会发生。Berets等（1950）以及Gordon等人（1959）都用爆轰波的驱动得到了直接起爆。爆轰波引起的直接起爆类似于一般的冲击波起爆，一般的起爆是在测试物驱动部分的下游，初始冲击波转变成的过驱动爆轰波衰减成为CJ爆轰波，而衰减的速度取决于的膨胀波的陡度。3.紊动射流4.闪光光解热态燃烧产物的紊动射流和带有高活性化学物质（如氟、三氟化氯）的射流都被证明能在与反应物混合的区域引起直接起爆（Knystautas等人，1978；Murray等人，1991），这个过程与火焰加速阶段末期在爆燃的紊流混合区形成爆轰波类似。（闪光光解是用时间极短、能量密度极高的脉冲光照射样品，产生高浓度、

短寿命瞬态分子的过程。）Wadsworth（1961）和Lee等人（1978）证明了闪光光解也可以引起直接起爆，在闪光光解的初始阶段，反应物中紫外线脉冲的吸收过程会形成一个自由基梯度，从而使得诱导时间梯度升高，随后，梯度场内冲击波与化学能释放的耦合作用使得场内的冲击波迅速扩大发展成为过驱动爆轰波，随之又衰减成CJ爆轰波。

实际上，直接起爆指的就是跳过火焰加速期而直接通过点火源形成产生爆轰波的临界条件。尽管以上不同点火源形成了各不相同的临界条件，但是它们所得到的爆轰波实质上是相同的，并且都与爆燃转变为爆轰过程中形成的爆轰波类似，在DDT过程中，产生爆轰波的临界条件是通过火焰加速形成的，而直接起爆则是点火源直接形成了临界条件。9.2实验观察及说明图9.3球面爆轰直接起爆实验装置及电路图[3](a)直接起爆临界能量测试电路（b）高压球形爆炸容器І

球面爆轰部分泽尔多维奇（Zeldovich）等人（1957）对直接起爆进行了更深入细致的深究，发现在分别装有

和

混合物的不同直径的管中，引起直接起爆需要一个最低点火能量。

泽尔多维奇（Zeldovich）等人还指出，直接起爆过程包含了强冲击波的形成过程，这个强冲击波由点火器产生，具有足够长的持续时间。点火器最初产生的冲击波一般比混合物的CJ爆轰波要强烈的多，随着爆炸的衰减，冲击波后化学反应所释放的能量开始影响波的运动，强冲击波也逐渐变成过驱动爆轰波，最后衰减为CJ爆轰波。在能量密度无限高，点火源的体积无穷小以及能量释放持续的时间趋向于零的极限情况下，点火器就能被看成是一个理想的瞬时点（线或面）能量源，对于这种理想的点火源，初始冲击波的衰减特性只取决于点火源的能量。凝聚炸药的能量密度相当高，其冲击波的衰减可以近似地看成理想瞬时点源的冲击波衰减。Zeldovich等人的实验巴赫（Bach）等人（1969）关于球面爆轰直接起爆的实验研究表明，对应起爆能量低于、高于或者接近临界值，直接起爆存在三个状态，为了获得理想的瞬时点源，他们利用Q开关红宝石激光器产生的激光诱导击穿火花，这种火花的体积是立方毫米级，并且火花能量的释放时间只有10ns，所以这种激光火花可类似看成理想的瞬时点能量源。Bach等人的实验

接下来将分别对亚临界、超临界和临界状态三种情形的实验结果进行说明：（1）亚临界状态图9.4

亚临界状态的序列纹影图像在较早阶段（

），冲击波和反应区仍以过驱动爆轰波的形式相互耦合，在稍后的一段时期（

），可以观察到，反应前锋逐渐与冲击波分离，最后，分离的冲击波衰减为声波，而反应前锋此时则以层流状爆燃的形式传播。（2）超临界状态图9.5超临界状态下的纹影图像序列（Lee等人，1972）图9.5显示了由一个高压低电感电容器放电产生的电火花进行起爆得到的超临界状态纹影时序照片。我们发现，此时的反应区总是与冲击波相耦合，并且随着过驱动爆轰波向CJ爆轰波急速转变，过程开始呈现不稳定状态，此时可以观察到典型的胞格爆轰现象。胞格结构

爆轰波是一种在爆炸物介质中高速传播包含放热化学反应的具有多维结构的激波，具有自持传播、多波结构和胞格自组织等物理特征。在横向扰动的作用下爆轰波形成复杂的胞格结构，这是一个含有多种波系的复杂结构。坎贝尔（Campell）等人观察到螺旋爆轰现象。后来,Densiov和Troshin又用烟迹技术得到了爆轰波胞格结构的直观图像（所谓烟迹技术就是在管壁熏上黑烟以便记录爆轰波过后留下的痕迹）。

图9.6显示的分别是亚临界和超临界状态时球面爆轰波在烟迹板上的胞格记录。对于亚临界的情况，可以被观察到反应区和前沿冲击波耦合时的初始胞格结构，此时的冲击波本质上就是过驱动爆轰波。随着过驱动爆轰波的衰减，反应前锋和冲击波分离，爆轰波便减弱了，胞格逐渐扩大，最终失去了这种形态。对于超临界的情况，尽管初始过驱动爆轰波的胞格直径很小，但随着过驱动爆轰的衰减，胞格直径越来越大，为了保持CJ爆轰波的稳定传播，胞格平均尺寸必须恒为常数，其表面积必须增加，所以必须形成新的胞格（图9.6b所示），正是由于新胞格的不断生成，散心爆轰的胞格结构比等截面管的胞格结构还要不规则。图9.6

亚临界（a）和超临界（b）球面冲击波起爆的烟迹板（来源于A.A.Vasiliev）（3）临界能量状态图9.7

临界能量状态时的纹影照片序列临界能量状态时，初始冲击波逐渐衰减成过驱动爆轰波，随后衰减朝着CJ速度发展，这同亚临界状态的情形类似。冲击波持续衰减，达到CJ速度，并与反应前锋分离，但达到低于CJ速度的某个值时衰减就不再继续，而是以相对恒定的速度传播。之后在反应前锋出现了局部的爆炸中心，从这些爆炸中心生成的过驱动爆轰气泡不断成长，吞噬反应前锋-前沿冲击波，进而形成了非对称性的爆轰波（如图9.7所示）。图9.8

爆轰气泡成长的纹影照片（a）顺时针方向的成长（b）顺时针、逆时针两个方向的成长由于局部的爆炸中心导致了最后高度不对称的爆轰波，因此临界状态下爆轰波的形成或许只是一种局部现象。初始冲击波只是在反应前锋附近为爆轰波的形成提供了临界条件，一旦出现局部性的爆炸，接下来爆轰气泡的成长相对于初始球面冲击波流场是独立的。爆轰气泡可能朝一个方向成长，也有可能朝着两个方向不断成长并席卷球面爆轰波的整个表面，图9.8a描绘了爆轰气泡顺时针的螺旋式成长，而图9.8b中，爆轰气泡则是朝着顺时针和逆时针两个方向成长。上述两种情况的爆轰气泡最终都吞噬了整个冲击波表面，形成了非对称的爆轰胞格。图9.9

球面起爆时冲击波速度与时间的函数关系左图表示了不同起爆能量状态时爆轰速度与时间的关系，对于亚临界状态，冲击波随时间衰减成声波，而临界和超临界状态下混合物的过驱动爆轰波衰减到CJ速度的某个值时就保持相对稳定。超临界最终稳定的爆轰速度要小于CJ爆轰速度，这可能是受到球面爆轰曲率效应的影响；对于临界的情形，其最后恒定的速度能够降低到混合物CJ爆轰速度的一半。П

柱面爆轰部分

对于非限制的柱面爆轰来说获得较长的瞬时线源是困难的，但当速度沿着x轴趋向无穷大时，瞬时线源可近似地看成是一个点源，如果这个能量源以有限的速度运动，此时就会形成轴对称的锥形冲击波，每一部分的角度都可以用以下这个式子计算：式中

表示冲击波速度，

表示能量源沿x轴的运动速度。当

时，距离能量源

处任意部分的冲击波和所处的流场在

的瞬时可以被看成是柱面冲击波。

图9.10

柱面冲击波的类比（Radulescu等人，2003）左图描绘了球体以超高声速运动形成的弓形冲击波，对应的柱面冲击波流场如图9.10c所示。为了使冲击波的类比成立，冲击波的半径与球体直径相比要足够大，并且为了能近似看成线源，起爆源的尺寸与爆炸半径相比要足够小。Sakurai的实验表明，凝聚炸药导爆索是研究非受限柱面爆轰的理想线源。Radulescu等人的实验拉杜列斯库（Radulescu）等人（2003）利用导爆索对

-空气混合物柱面爆轰的直接起爆进行了实验研究，对于亚临界能量状态，发现空气的冲击波衰减情况与冲击波理论一致；对于超临界能量状态（图9.11），则观察到了锥形爆轰，测量到锥形爆轰波倾斜处的半角，这与由公式，计算得到的值具有很好的一致性。

当起爆能量接近临界值时（不等于临界值），观察到的锥形爆轰波略微凹陷，表明爆轰波向外扩张时有一段加速过程（图9.12），此过程趋向结束时，爆轰波就变成了圆锥形，半角大约为16°，与理论值一致。图9.11

柱面爆轰超临界起爆的高速自发光照片图9.12

柱面爆轰接近临界起爆时的高速自发光照图9.13柱面爆轰临界起爆时的高速自发光照片

起爆能量达到临界值时，情况要复杂得多，在衰减的冲击波周边附近出现了局部爆炸中心，从这些爆炸中心产生的爆轰气泡相互合并并最终在周线附近形成了锥形爆轰波，但正是由于爆轰气泡的相互合并，此时前沿爆轰波的表面是高度不规则的。在观察到出现爆轰气泡时，爆轰波的形成中前沿冲击波有稍许的加速过程。从以上分析中看出，分别用实验观察点源和线源的球面、柱面直接起爆，两者的现象基本是相同的，强冲击波衰减成过驱动爆轰波，然后在超临界能量的情况下渐进成CJ爆轰波，而在亚临界情况下则衰减成声波，对于临界的情况，冲击波的传播过程中则存在一个相对稳定的定常的亚CJ阶段，这个阶段开始于反应区中出现局部的爆炸中心之后，爆炸中心产生爆轰气泡最并终吞噬前沿冲击波形成非对称的胞格爆轰。

小结第9章第一节主要概括了直接起爆的概念、特点，比较了直接起爆与一般爆燃转爆轰的区别，并通过列举前人的实验给出了实现直接起爆的主要方式。第二节分别通过分析球面与柱面爆轰在亚临界、临界和超临界状态下起爆的实验结果，阐述了各自的传播特点并比较了与一般爆燃转爆轰的异同，同时，对其中的胞格结构也作了简要的说明。参考文献[1]J.Lietal.Experimentalstudyontransmissionofanoverdrivendetonationwavefrompropane/oxygentopropane/air.CombustionandFlame154(2008)331–345.[2]M.A.Libermanetal.Deflagration-to-detonationtransitioninhighlyreactivecombustiblemixtures.ActaAstronautica67(2010)688–701.[3]HosseinSoury,KiumarsMazaheri.UtilizingunsteadycurveddetonationanalysisanddetailedkineticstostudythedirectinitiationofdetonationinH2–O2andH2–Airmixtures.Internationaljournalofhydrogenenergy34(2009)9847-9856.[4]BoZhangetal.Directblastinitiationofsphericalgaseousdetonationsinhighlyargondilutedmixtures.ProceedingsoftheCombustionInstitute33(2011)2265–2271.[5]VsevolodsKamenskihsetal.