爆炸力學（一）炸藥的一般特性

作者：由羊羊子發表于書法時間：2022-06-22

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1。1 爆炸的種類

說起爆炸，我們最容易想起的是TNT引起的爆炸，也就是聚能裝藥爆炸，在學術上可以把它歸類為化學爆炸。新聞中出現的煤氣罐爆炸，也屬於化學爆炸的一種。但是在詳細說化學爆炸之前，我們還是總體瞭解一下爆炸的種類。爆炸可以分為三種：

物理爆炸

核爆炸

化學爆炸

物理爆炸

：大致可分為三類：（i）壓力容器的爆炸；（ii）火山的噴發；（iii）兩種溫差極大的液體快速混合。舉例來說，家裡高壓鍋爆炸就屬於物理爆炸，在此過程中沒有化學反應的發生，只有壓力的快速釋放。

核爆炸

：包括核裂變、核聚變，其能量來自原子核的鏈式反應。簡單來說，核爆炸釋放的能量可以分為三類：（i）粒子的動能；（ii）氣體的內能；（iii）熱能。熱能主要以熱輻射形式表現，動能和內能大約佔核爆炸能量的一半，並最終形成空氣中的衝擊波。

化學爆炸

：主要表現為化學反應的進行和化學能的釋放。也是我們本章接下來介紹的重點。

1。2 如何讓爆炸反應順利進行

1。2。1 炸藥的簡要歷史

絕大部分的炸藥是固體或者液體，它們經過化學反應後，得到大量的氣態產物（有時也有固態或者液態的產物）。最古老的炸藥起源於公元1000年前的中國，歐洲最早的黑火藥記錄來自Roger Bacon（1214-1292）。在古代，人們將硝酸鉀、木炭、硫磺按照15：3：2的比例混合，就可以得到

黑火藥

。黑火藥的反應原理為

$4 \mathrm{KNO}_{3}+7 \mathrm{C}+\mathrm{S} \rightarrow 3 \mathrm{CO}_{2}+3 \mathrm{CO}+2 \mathrm{~N}_{2}+\mathrm{K}_{2} \mathrm{CO}_{3}+\mathrm{K}_{2} \mathrm{S}$

其最終的產物中只有43%以氣體的形式存在，剩餘則全是固體。因此，黑火藥是一種很低效的炸藥，並不能被大規模用於開山碎石等工作。

19世紀末，有機化學迅速興起，當時的一項重大發現（由Pelouze於1838年首次報告）就是，將硝酸和硫酸的混合物加入含有纖維素的材料裡（比如木炭、棉花等），可以得到

二硝化纖維素

，其製作原理為

$\mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{10} \mathrm{O}_{5}+2 \mathrm{HNO}_{3} \rightarrow \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{8}\left(\mathrm{NO}_{2}\right)_{2} \mathrm{O}_{5}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$

二硝化纖維素是一種CHON化合物，人們起初發現它相當的不穩定，只需要一丁點的碰撞就可以使其爆炸。在二硝化纖維素的基礎上，瑞士人Swiss Schonbein改進了製作工藝，透過酸洗、低溫烘乾等工藝，可以得到更具有利用價值的

硝化纖維素

。起初的硝化纖維素同樣不穩定，甚至在1847年發生過生產炸藥的工廠發生爆炸的事故，不過後來隨著生產工藝的改進，硝化纖維素被歐洲各國廣泛的生產出來。

透過研究，人們發現硝酸對甘油的反應與對纖維素的反應有類似之處，接下來的這位大家就都很熟悉：

硝酸甘油

的製作工藝於1846年問世。其製作原理為

$\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{8} \mathrm{O}_{3}+3 \mathrm{HNO}_{3} \rightarrow \mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{5}\left(\mathrm{NO}_{2}\right)_{3} \mathrm{O}_{3}+3 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}$

硝酸甘油是一種緻密的油性液體，只需要很少的刺激，就可以使其釋放出極大的能量。起初該材料被稱為“爆破油”（blast oil），但是其不穩定性在當時導致了不少事故的發生。1867年，Alfred Nobel（諾貝爾）透過將矽藻土引入硝酸甘油成分中，成功提高了炸藥的穩定性，在此之後，黑火藥終於被高爆材料取代。

在此之前，炸藥只需要輕微的碰撞就可以被引爆，而為了引爆更穩定的硝酸甘油，諾貝爾使用了起爆器（雷管的雛形）。硝酸甘油的反應原理為

$\mathrm{C}_{3} \mathrm{H}_{5} \mathrm{~N}_{3} \mathrm{O}_{9} \rightarrow 3 \mathrm{CO}_{2}+2.5 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+1.5 \mathrm{~N}_{2}+0.25 \mathrm{O}_{2}$

相比於黑火藥，硝酸甘油的反應要猛烈的多。每一千克硝酸甘油可以釋放出約6700kJ的能量，同時生成0。76m³的氣態產物（相比於黑火藥只能產生0。265m³的氣態產物，這已經是接近3倍的提升）。

硝酸甘油是一種硝酸酯類有機物，在此之後，人們還在硝酸酯類中發現了其他可做為炸藥的化合物：

硝化甘醇

，相比於硝酸甘油有更低的熔點，因此在低溫下有更好的塑性。每千克對應6730kJ及0。74m³氣體；

PETN

，主要應用於彈藥的火藥及製作起爆器。每千克對應5940kJ及0。79m³氣體。

除了硝酸酯類外，硝銨類中也有很多可用於製作炸藥的有機物（主要用於軍事領域），包括：

RDX

，分子式C3H6O6N6

HMX

，分子式C4H8O8N8

，分子式C7H5O8N5

以上這些炸藥大家可能並不熟悉，最為大家所熟悉的炸藥可能是TNT炸藥。TNT炸藥的學名是2，4，6-三硝基甲苯，分子式C7H5O9N3，由1863年德國化學家Joseph Wilbrand發明。TNT的熔點為80。6℃，常溫下的TNT是一種淡黃色的固體。每一千克的TNT可以產生4520kJ的能量，以及0。73m³的氣體。目前，TNT炸藥被廣泛用於軍事及民用領域（拆遷、開礦等）。

最後，簡單說一下金屬衍生類炸藥。部分重金屬，如汞、鉛，透過疊氮酸或斯蒂酚酸處理後，可以得到含金屬元素的炸藥，例如疊氮化鉛（PbN3）、疊氮化銀（AgN3）等，這些成分的化學式中不含有氧元素。一般來說，金屬基炸藥的爆炸效能要弱於CHON化合物，不過它們在用於引爆CHON炸藥方面有重要作用。

1。2。2 炸藥反應的氧氣平衡

實際的炸藥往往會將多種不同的炸藥混合，以此達到化學反應的氧氣平衡。眾所周知，CHON類化合物的反應需要氧氣的參與，其化合物內自帶的氧元素會提供一部分。對一個C原子，兩個O原子可使其充分反應生成二氧化碳CO2，而一個O原子只能得到一氧化碳CO。對於H原子，只需要一個O原子就可以使兩個H原子反應生成水H2O。N元素則在反應中生成氮氣N2，因此不需要O元素參與。因此，如果一個CHON類化合物的分子式為CaHbNcOd，使內部所有的元素都能充分反應所需的氧原子數就是（2a+0。5b）。我們基於此定義

氧氣平衡係數Omega

，在化學反應中我們一般還會引入相對分子和原子質量的概念，最終的定義為：

$\Omega=\frac{(d-2 a-b / 2) \times 16}{M} \times 100 \%$

M為CHON類化合物的分子質量，16為氧氣相對原子質量。如果Omega>0，說明其自帶的氧原子足夠使分子完全反應；如果Omega<0，則說明該炸藥需要補充氧氣以完全進行反應。

舉例來說，TNT的分子式為C7H5O9N3，其氧氣平衡係數Omega=-74%，即其在反應中需要補充氧氣（這並不意味著炸藥無法在空氣中引爆，因為空氣中的氧氣本身就是一種補充）。在軍事領域，常見的作法是將TNT和硝酸銨NH4NO3混合起來。硝酸銨的Omega=20。0%，是一種很好的助氧劑。

下表給出了一些常見爆炸成分的氧氣平衡係數：

材料

氧氣平衡係數Omega

硝酸鉀

+39。6%

硝酸銨

+20。0%

硝酸甘油

+3。5%

RDX

-21。6%

硝化纖維素

-28。6%

硝基胍

-38。7%

2，4，6-三硝基苯甲硝胺

-47。4%

TNT

-74。0%

二硝基甲苯

-114。4%

1。3 炸藥的起爆

也許已經有讀者注意到，炸藥的化學反應方程式，和常見的材料燃燒時的方程非常相似。實際上，燃燒也是爆炸形式的一種。爆炸的反應過程可以分為四種形式：

正常的層流燃燒

：以恆定的速度傳播、溫度和濃度不發生明顯改變；

對流燃燒

：燃燒產物由燃燒區向未反應物質逐漸擴散；

低速爆轟

：形成弱壓縮波；

正常爆轟

：表現為衝擊波的傳播和後方的化學反應區。

儘管我們將爆炸分為四種形式，但是實際上只有第一種（層流燃燒）和第四種（正常爆轟）是可以確定的定常狀態，而中間兩種轉變形式的發生是一種中間狀態，時間較短且極不穩定。如果我們想人為控制反應的進行，在初始的燃燒階段我們可以透過改變溫度、壓力來中止燃燒。但是一旦進入低速爆轟、正常爆轟過程，幾乎只能使用結構（比如炮彈的外殼）控制衝擊波的傳播方向，而無法使反應中止。

在上一小節我們已經介紹，較為初級的炸藥（例如硝化纖維素、硝酸甘油）很容易因為碰撞、震動就發生爆炸，而透過將矽藻土引入硝化甘油，可以改善炸藥的穩定性。在實際應用中，我們並不希望炸藥一碰就炸，因為我們需要炸藥在人為受控的環境中引爆（比如，我肯定不希望家裡廚房的天然氣發生爆炸），也就是說，我們需要炸藥存在一定的

惰性

，使其不會隨時隨地都有爆炸的可能。

如果回想一下高中化學知識，就會知道，即使是釋放能量的反應，在反應前也需要提供一定的初始能量（activation energy）。如下圖所示：

Q表示反應放出的能量，E表示啟動反應所需的能量。對於惰性較弱的炸藥，E值可以非常的小，因此碰撞、燃燒都可以使反應發生。但對於更穩定的高爆炸藥（比如C4，也許讀者已經聽說過C4可以穩定燃燒而不發生爆炸），燃燒的能量已經不足以使爆炸反應發生，這時就要用到更暴力的方法：對炸藥施加衝擊或者用爆炸引爆炸藥。

基於此，我們就基於惰性對炸藥進行分類：

起爆藥（primary explosive）

，這些炸藥只需要火花、燃燒就可以引爆；

次級炸藥（secondary explosive）

，這些炸藥的惰性更強，需要藉助起爆藥引爆來起爆。

我們之前所說的金屬基炸藥大多數屬於起爆藥炸藥，而TNT、RDX等有機物則多屬於次級炸藥。對炸藥進行分類有很多好處，比如，起爆藥較為危險，因此運輸過程需要更高要求，而且由於它能點燃次級炸藥，需要嚴格限制使用；次級炸藥由於惰性比較強，因此其在運輸過程中可以採用轉運箱，因為它具有一定的抗顛簸能力。

這樣以來，我們很自然的就可以設計出炸藥的起爆流程：核心思想是引爆起爆藥，起爆藥再引爆次級炸藥。引爆起爆藥只需要提供合適的溫度就可以，簡單來說，我們可以在起爆藥旁邊放置一個高電阻材料（我們稱之為match head“火柴頭”，你也可以將它視為一個非常簡易的雷管），在引爆炸藥時給電阻通電，電阻升溫的溫度就足夠將起爆藥藥點燃（這只是一個簡單的例子，實際情況要比這複雜很多）。下圖是一張透過電路引爆炸藥的示意圖：

1。4 如何比較不同炸藥的強度

在合成瞭如此多種類的炸藥後，一個問題很自然的產生：究竟哪一種炸藥更加厲害？一種常用的方法是先定義一個衡量炸藥的引數（

Power Index

，

），然後比較引數的大小。接下來介紹一種炸藥強度指數的定義：我們已經知道炸藥在爆炸過程中會釋放大量的化學能Q（單位kJ/kg），同時產生氣體V（單位cm³/g）。因此一個很自然的想法是將Q和V相乘，然後和一種基準炸藥做比較。

$P I=\frac{(Q V)_{\text {explosive }}}{(Q V)_{\text {picric }}}$

我們接下來用三硝基酚作為這種基準炸藥。三硝基酚每千克釋放3745kJ能量，每克釋放790cm³氣體，那麼它作為基準炸藥的QV值就是3745×790=2。959E6。透過試驗，我們可以測量其他炸藥的QV值，然後基於PI公式就可以對比哪種炸藥的強度更大。

下表給出了當使用三硝基酚作為基準時各炸藥的PI值：

炸藥種類

Q（單位kJ/kg）

V（單位cm³/g）

PI（%）

起爆藥

疊氮化鉛

1610

230

斯蒂酚酸鉛

1885

325

次級炸藥

TNT

4520

730

115

RDX/TNT（60/40）

4500

796

138

硝酸甘油

6275

740

159

RDX

5130

908

159

HMX

5130

910

160

從表裡面可以看出，次級炸藥的強度要顯著大於起爆藥，因此更適合作為能量釋放的主體。

1。5 等效TNT質量（equivalent TNT mass）

TNT在軍用及民用炸藥領域有廣泛的應用，因為其爆炸威力較強、惰性較好、儲存方便。許多爆炸的研究，也是基於TNT進行的。那麼，如果我們使用了其他種類的炸藥，如何知道這種炸藥的毀傷效果呢？一種思路就是，我們可以人為設定不同炸藥相對TNT的

質量轉換系數

，這樣我們就可以知道我們使用的這種炸藥相對於多少當量的TNT，再基於TNT的研究，就可以知道其他炸藥的毀傷效果了。

最簡單的定義等效TNT質量的方法就是基於能量定義。我們已知TNT的能量密度為4520kJ/kg（這個值並不是恆定的，還取決於TNT的密度，密度越大能量密度越大），透過將各種炸藥的能量密度除以TNT的能量密度，就可以知道它們的等效TNT質量。下表給出了採用這種方法時部分炸藥的等效TNT質量：

炸藥種類

能量密度（kJ/kg）

等效TNT質量

疊氮化鉛

1540

0。340

雷酸汞

1790

0。395

硝酸銨/TNT（80/20）

2650

0。586

60% 硝酸甘油

2710

0。600

甘油炸藥

4520

1。000

三硝基苯甲硝胺

4520

1。000

TNT

4520

1。000

彭託利特炸藥/TNT（50/50）

5110

1。129

RDX/TNT（60/40）

5190

1。148

RDX

5360

1。185

HMX

5680

1。256

PETN

5800

1。282

硝酸甘油（液體）

6700

1。481

鋁末混合炸藥（Torpex）

7540

1。667

如果不使用能量等效方法，另一種等效方法是基於引數的等效，取決於我們需要計算的是衝擊波壓力還是衝擊波衝量。我們可以先計算相同質量的TNT爆炸後在某一點產生的超壓或者衝量（之後的章節會介紹如何計算），然後乘以

等效超壓係數

或

等效衝量係數

（兩種多數時候並不相同），就可以得到其他種類的炸藥的衝擊波引數。

下表給出了三種炸藥相對TNT的等效超壓係數和等效衝量係數

炸藥種類

等效超壓係數

等效衝量係數

RDX/TNT（60/40）

1。11

0。98

彭託利特炸藥

1。40

1。07

TNT

1。00

1。6 總結

在本章的最後，我們對炸藥的一般特性做一個總結：

炸藥是一種化合物，它既可以是CHON有機物，也可以是金屬基化合物，透過高速碰撞、電作用、衝擊波、外熱源、機械撞擊、過載或鐳射照射後，可使炸藥經歷正常燃燒、對流燃燒、低速爆轟、正常爆轟四種轉變型式（儘管大多數情況下上述過程是瞬間發生的），然後在介質中形成衝擊波，釋放出能量和氣體，拋射、毀傷周圍的受載介質，以完成其能量的傳遞和輸出。