爆轟(detonation)又稱爆震。它是一個伴有大量能量釋放的化學反應傳輸過程。反應區前沿為一以超聲速運動的激波，稱為爆轟波。爆轟波掃過后，介質成為高溫高壓的爆轟產物。能夠發生爆轟的系統可以是氣相、液相、固相或氣－液、氣－固和液－固等混合相組成的系統。通常把液、固相的爆轟系統稱為炸藥。
簡介
19世紀80年代初，法國物理學家M.馬塞蘭·貝特洛、P.維埃耶、E.馬拉爾和H.-L.勒夏忒列等做過火焰傳播實驗。他們將一個充滿可燃氣體混合物的管子一端點燃，發現火焰通常以每秒數厘米到數米的低速傳播，但是在某些特殊情況下，這種緩慢的燃燒過程能夠轉變為高速的特殊燃燒過程，他們稱這種現象為爆轟。后來發現，固相和液相炸藥也能發生爆轟。
爆轟過程不僅是一個流體動力學過程，還包括復雜的化學反應動力學過程。兩者互相影響、互相耦合。爆轟還伴隨著熱、光、電等效應。爆轟同周圍介質相互作用時，周圍介質中會產生激波或應力波，推動物體運動，造成物體破壞。人們通常把燃燒（即爆燃）和爆轟聯系起來考察。爆轟同燃燒最明顯的區別在于傳播速度不同。燃燒時火焰傳播速度在10～10米/秒的量級，小于燃燒物料中的音速；而爆轟波傳播速度則在10～10米/秒的量級，大于物料中的聲速。例如，化學計量的氫、氧混合物在常壓下的燃燒速度為10米/秒，而爆轟速度則約為2820米/秒。爆轟中的化學反應過程高速釋放能量。因此，爆轟的功率很大，高效炸藥每平方厘米爆轟波陣面的功率高達 10瓦。這個特點使爆轟成為一種獨特的能量轉換方式。爆轟現象的研究通常包括爆轟的起爆、爆轟波的結構和爆轟同周圍介質的相互作用等問題。
起爆
通常應用火花放電或激波使氣體混合物起爆，應用雷管和傳爆藥使藥柱起爆。在起爆過程中，激波到爆轟的轉變(簡稱SDT)和爆燃到爆轟的轉變(簡稱滴滴涕)這兩個問題是當前爆轟研究中的重要課題。大量的研究表明起爆的過程有兩類：①對于氣相、液相（不含氣泡和雜質）、固相（單晶）均勻系統，初始激波波陣面后的物質整體受熱，發生化學反應，并在受熱時間最長也即最早受到沖擊處轉為爆轟。爆轟波在已受到沖擊的介質中傳播，成為過壓爆轟，此過壓爆轟波趕上初始激波波陣面而發展成為定常爆轟。②對于液、固態不均勻系統，沖擊起爆過程很復雜，初始激波同不均勻系統中的密度不連續處介質相互作用，形成熱點，發生化學反應，放出能量加強初始激波，加強的激波同密度不連續處介質相互作用，形成溫度更高的熱點，使更多的炸藥分解，放出更大的能量，這樣激波不斷得到加強，直接轉入定常爆轟。
結構
爆轟波的結構是爆轟研究的主要問題。D.L.查普曼于1899年、E.儒蓋于1905年分別提出最簡單的爆轟波結構理論，后稱為C-J理論。20世紀40年代，Я.Б.澤利多維奇、J.von諾伊曼和W.杜林各自獨立地建立起了爆轟波內部結構的模型，后稱為ZND模型。
C－J理論 它把爆轟波簡化為一個沖擊壓縮間斷面，其上的化學反應瞬時完成，在間斷面兩側的初態、終態各參量可以用質量、動量和能量三個守恒定律聯系起來，經變換可得如下三個方程：
式中p為壓強；v為比容（v=1/ρ，ρ為密度）；e為比內能；u為質點速度；D為爆轟波傳播速度，即爆速；下標"0"表示初態。第二式在p-v平面內為一直線，通常稱為瑞利線；第三式稱為許貢紐方程，它是p-v平面內的一條曲線，稱為許貢紐線。一切同初態（p0,v0）滿足守恒關系的狀態點都在這條線上。爆轟產物的狀態方程可寫作：e=e(p，v)。
四個方程中共有五個未知量，要單值確定爆轟參量，還須找出第五個方程。為此，查普曼和儒蓋提出了著名的假設（稱為C-J假設或C-J條件）：穩定爆轟產物的狀態對應于許貢紐線和瑞利線的切點J,即C-J點,該點的爆速DJ是極小值，可以證明，在J點有下面關系：
DJ=uJ+cJ，
式中c為音速，下標"J"表示J點的值。圖1曲線的BA段對應于爆轟過程，AE段不對應于任何實際過程，EF段對應于爆燃過程。爆轟波和爆燃波的一些性質見表1。
表1 爆轟波和爆燃波的性質
對實際爆轟系統應用C-J理論進行計算，一般都能得到同實驗爆速值相近的結果，這表明 C-J理論基本正確。但是，對氣相爆轟進行精密測量得到的爆轟壓強和密度值，比用C-J理論得到的值約低10%～15%,對爆轟產物實測得到的馬赫比計算的C-J值約高10%～15%。這表明C-J理論是一種近似理論。另外，炸藥的爆轟實際上存在一個有一定寬度的反應區，而且有些反應區的寬度相當大，因此，將爆轟波僅僅看作一個強間斷面已不恰當。這說明還須對爆轟波的內部結構進行深入研究。
ZND模型 爆轟波具有雙層結構：前面一層是以超聲速推進的激波，緊跟在后面的一層是化學反應區。激波仍作為一個強間斷面，爆轟物質被瞬時地壓縮到高溫高密度狀態，接著開始化學反應，直到反應區末端達到C-J狀態，在反應區內忽略粘性和熱傳導的影響。ZND模型（下方為壓強分布）。除初始物質、爆轟產物和它們的混合物的狀態方程外，還必須建立反應速率方程：
式中ξ為化學反應程度變量，稱反應進度；t為時間；λ為反應速率，它是壓強p、溫度T和ξ的函數。在ZND模型中，ξ=0對應于反應區的初態，即激波后的狀態；ξ=1對應于反應區的終態。反應區內各點處于熱力學平衡狀態。
由瑞利線、許貢紐線和反應速率方程，原則上就能得出反應區內各參量的空間分布或時間分布。對爆轟這樣快速過程中的化學反應動力學問題，迄今還了解得很少。
實驗研究
20世紀20年代，C.坎貝爾和D.W.伍德黑德在研究氣體混合物的爆轟特性時，首先觀察到爆轟波中有周期性擾動存在。爆轟波在圓管中傳播時，如果在管內壁涂上一薄層銀粉或煙碳，可以觀察到螺旋線的痕跡，故稱此種爆轟為螺旋爆轟。起初以為螺旋爆轟只是在接近臨界條件時才出現的一種不穩定現象，但近20年的大量實驗研究發現，氣體爆轟波陣面都具有復雜的三維結構。在扁平管中，可以觀察到在煙碳層平面上具有很規則的胞格結構。在擴展的球形爆轟中也觀察到類似的結構。在液體和固體炸藥的爆轟中也發現了與氣相爆轟相似的胞格結構。觀察到的胞格尺寸比正常爆轟反應區的寬度大1～2個數量級。實驗表明，除了沿爆轟波傳播方向前進的波外，還有橫向的弱激波在作周期性的脈動。圖3為爆轟波陣面結構。根據迄今為止的大量的實驗研究結果可以設想，爆轟波一般具有不定常、非平面和多波頭的胞格結構。C-J狀態只是一個宏觀熱力學的平均狀態，它是大量微觀或準微觀狀態的綜合表現。因此，盡管C-J假設不能反映復雜的爆轟波結構，仍不失為一較好的近似。橫波的機制則至今未明。
相互作用
當爆轟波同周圍介質相互作用時，在介質中產生激波或應力波，推動物體運動，造成層裂、破碎等。爆轟是一種高速的能量轉換方式，也是產生動態超高壓的一種手段。壓力值可達103吉帕。一些材料的沖擊絕熱線和炸藥爆轟產物的反射許貢紐線。兩者的交點決定平面爆轟波正沖擊時在物料表面產生激波的初始強度。如果爆轟波不是垂直而是傾斜作用于物料表面，即爆轟波滑移單射。
爆轟產物初始運動方向平行于物料表面，在物料中產生的激波強度要小得多。表2給出兩種情況下B炸藥沖擊波壓力的比較。
空心裝藥(shapedcharge)就是利用高效炸藥爆轟產生的高壓，使金屬藥形罩變形，產生以每秒數千米高速運動的金屬射流，具有強烈的侵徹作用，應用于各種破甲武器。
表2 B炸藥接觸爆轟在物料中產生的沖擊波壓力
數據處理
爆轟過程壓力高（凝聚相爆轟可達10吉帕的量級）、溫度高(103開)、持續時間短（微秒量級），必須有與此相適應的測試技術；爆轟的數值計算技術在爆轟研究工作中應用日益廣泛。
測試
爆轟測試常用的儀器有高速照相機、 X射線閃光照相機、高分辨的時間測定儀和脈沖示波器等。目前已有：①畫幅頻率達2×10^7幅/秒、掃描速度為20～60毫米/微秒、象質分辨率達25線/毫米的轉鏡式高速照相機;②電壓高達3～6兆伏、閃光時間為20納秒的X射線閃光照相機；③時間分辨率為納秒的多通道時間測定儀；④可以測量10～30吉帕動態壓力、頻率響應為 1兆赫以上的動態測量元件。此外，激光干涉測速、激光全息技術和脈沖激光光譜技術等也已逐漸應用于爆轟的測試工作。
數值計算
首先是C-J定常爆轟的計算，其次是起爆過程和爆轟與惰性介質相互作用的數值模擬。計算中的一個必要前提是要知道爆轟產物的狀態方程。迄今還不能不依賴爆轟數據，僅從炸藥的分子結構和基本物理、化學性質得到凝聚相爆轟產物的狀態方程。目前引用的BKW狀態方程、LJD狀態方程、JWL狀態方程和JCZ狀態方程等都是半經驗性質的方程。盡管如此，爆轟的數值計算已能提供許多有用的知識，幫助解決許多工程技術問題，并有利于對爆轟本質的深入研究。例如，C.L.馬德提出的Fortran BKW計算程序，采用最小自由能法計算多個化學反應產物的平衡組成，不僅可以計算由10種化學元素組成的爆炸物、由20種氣體和 5種固體組成的混合體系的C-J爆轟參量，還可以計算許貢紐線和等熵線，給出與實際情況大致符合的定量描述。近年來，爆轟的數值模擬技術有很大進展，發展了一維、二維和三維流體力學計算程序以模擬爆轟產物同惰性介質的相互作用，并且同化學動力學方程、炸藥的本構方程(見本構關系)和爆轟產物狀態方程結合起來得到均勻的和不均勻的炸藥起爆過程的模型，可以預估某種炸藥在特定條件下的起爆特性。
分類
氣相、凝聚相（液或固）和多相（混合相）系統中都能發生爆轟。
氣相爆轟
在同一壓力下，若氣體混合物的初始溫度升高，從而密度減小，則爆速減小；而在同一溫度下，若壓力升高，密度增大，則爆速增大。在氣體混合物中摻入氮或其他惰性氣體，會使爆速和爆轟壓減小。表3列出一些氣體混合物在室溫和 1個大氣壓時的實測爆轟參量值。對于氣體混合物，在一定的濃度范圍內才能發生爆轟。在此濃度范圍外，同樣的條件不能引起爆轟。這個濃度范圍稱為爆轟極限。表 4列出一些氣體混合物的爆轟極限值。在濃度極限的范圍內，爆速隨濃度而改變，不同氣體混合物的變化情況不同，有的出現爆速的極大值或極小值。
表3 一些氣體混合物的實測爆轟參量值(288開，101325帕)
表4 一些氣體混合物的爆轟極限
凝聚相爆轟
即液相或固相的爆轟。凝聚相爆轟系統通常稱為炸藥。炸藥的爆速都隨裝藥密度的增大而增大，一般呈線性關系。表5列出一些液態和固態炸藥的實測爆轟參量值。炸藥的爆速還隨著藥柱直徑的加大而增大，一般為：
式中R為藥柱直徑；D為藥柱直徑為R時的爆速；D為對應于無窮大直徑藥柱的爆速;K為常數。對于各種炸藥藥柱，都存在一個最小直徑，稱為臨界直徑，例如，密度為1.71g/cm的RDX/三硝基甲苯（65/35）炸藥在無外殼情況下的臨界直徑為4毫米。小于臨界直徑時，爆轟波不能定常傳播。這是由于藥柱爆轟時，側向稀疏波(即膨脹波)傳入化學反應區的緣故。單質炸藥和混合炸藥的臨界直徑都隨炸藥顆粒尺寸的減小和藥柱初始密度的增大而減小。工業上應用的藥包也受藥包直徑和裝藥密度的影響。
表5 一些炸藥的實測爆轟參量值
多相爆轟
包括氣、液、固中的二相系統或三相系統中的爆轟。例如，液體燃料同空氣混合而成的氣溶膠，煤粉、金屬粉末同空氣的混合物，在一定條件下都能發生爆轟。所謂燃料空氣炸藥(云爆彈)就是一種兩相爆轟系統。把環氧乙烷或其他燃料用爆炸的方法分散在空氣中，形成南岳云霧茶，再用引爆裝置使云霧爆轟，爆轟波以及空氣中形成的激波可以產生足夠強烈的破壞作用。這種原理已在武器中得到實際應用。金屬粉末、煤粉、谷物粉末等同空氣的混合物發生爆轟時，常造成很大災害，是安全研究中的重要課題。
發動機
汽油發動機，當混合氣 (空氣與燃油充分的混合) 在進氣行程進入燃燒室后，活塞在壓縮行程時便將其壓縮，火花塞將高壓混合氣點燃后，其燃燒所產生的壓力則轉換成發動機運轉的動力。
造成爆震最主要有以下幾點原因
一、點火角過于提前：為了使活塞在壓縮上止點結束后，一進入動力沖程能立即獲得動力，通常都會在活塞達到上止點前提前點火 (因為從點火到完全燃燒需要一段時間)。而過于提早的點火會使得活塞還在壓縮行程時，大部分油氣已經燃燒，此時未燃燒的油氣會承受極大的壓力自燃，而造成爆震。二、發動機過度積碳：發動機于燃燒室內過度積碳，除了會使壓縮比增大(產生高壓)，也會在積碳表面產生高溫熱點，使發動機爆震。三、發動機溫度過高：發動機在太熱的環境使得進氣溫度過高，或是發動機冷卻水循環不良，都會造成發動機高溫而爆震。四、空燃比不正確：過于稀的燃料空氣混合比，會使得燃燒溫度提升，而燃燒溫度提高會造成發動機溫度提升，當然容易爆震。五、燃油辛烷值過低：辛烷值是燃油抗爆震的指標，辛烷值越高，抗爆震性越強。壓縮比高的發動機，燃燒室的壓力較高，若是使用抗爆震性低的燃油，則容易發生爆震。
怎么知道爆震及爆震的影響
爆震的英文是Detonation，敲擊的意思，所以爆震時發動機會產生敲擊聲。輕微不連續的爆震聲音相當清脆，有點類似輕敲三角鐵的聲音。而嚴重且連續的爆震時，發動機會有“哩哩哩”的聲音，此時發動機也會明顯的沒力。現在許多車廠為了將發動機壓榨出最大的性能及降低油耗，通常會把常用轉速區域的點火角設定的比較提前，所以有些發動機在2000至3000轉間負荷較大時，難免會有輕微的爆震，然而輕微的爆震對發動機不會有太大的影響，車主也不用過于擔心。但是若因為發動機出問題所產生的爆震，如嚴重積碳或散熱不良等，這種爆震通常很嚴重，如果是在高轉速高負荷發生連續且嚴重的爆震，不出一分鐘，輕則火花塞及活塞熔損，嚴重的甚至連汽缸及發動機本體都會炸穿。
爆震感知器
最快速且有效的抑制爆震的方法，就是延后點火提前角，降低燃燒壓力。所以爆震感知器作動原理，是當偵測到發動機爆震時，則將點火提前角延后到不會爆震的點火時機，待發動機不爆震時，再慢慢的將點火提前回復。爆震感知器是利用加速度傳感器來量測發動機的加速度變化，也就是震動。工程師在調校爆震感知器時會把爆震的震動模式寫入ECU中，一旦爆震感知器偵測出該震動模式，ECU則判定發動機爆震，隨即延后點火提前角。目前較先進的爆震感知器甚至能判定是哪一個汽缸爆震，而針對該汽缸個別延后點火提前角。
參考書目
Я．Ь．澤爾道維奇、A．C．康巴涅耶茨著，徐華舫譯：《爆震原理》，高教社，北京，1958。
W．Fickett and W．C．Davis，Detonation，Univ．of 加利福尼亞州 Press，Berkeley , Los Augeles and London，1979．
C．L．Mader，Numerical Modeling of Detonations, Univ．of California Press，Berkeley, Los Angeles an
參考資料 >