空中爆炸事件的原因及影响分析

1.空中爆炸的形成

爆破战斗部在空气中爆炸时，炸药能量的60%～70%通过空气冲击波作用于目标，给目标施加巨大的压力和冲量。炸药在空气中爆炸，瞬间转变为高温、高压的爆轰产物。由于空气的初始压力和密度都很低，爆轰产物急剧膨胀，使其内部压力和密度下降；同时，爆轰产物高速膨胀，强烈压缩周围空气，在空气中形成空气冲击波，具体过程如下。

假设爆轰由装药中心引发，当爆轰波到达炸药和空气界面时，瞬间在空气中形成强冲击波，称为初始冲击波，其参数由炸药和介质性质决定。初始冲击波作为一个强间断面，其运动速度大于爆轰产物-空气界面的运动速度，造成压力波阵面与爆轰产物-空气界面的分离。初始冲击波构成整个冲击波的头部，其压力最高，压力波尾部压力最低，与爆轰产物-空气界面压力相连续。由于惯性效应，爆轰产物会产生过度膨胀，其压力将低于临近空气的压力，即刻在压力波的尾部形成稀疏波，并开始第一次反向压缩。此时，压力波和稀疏波与爆轰产物分别独立地向前传播。这样就形成一个尾部带有稀疏波区（或负压区）的空气冲击波，称为爆炸空气冲击波。爆炸空气冲击波的形成和压力分布如图10-1所示。

2.爆炸空气冲击波参量

爆炸空气冲击波形成以后，脱离爆轰产物独立地在空气中传播。在传播过程中，波的前沿以超声速传播，而正压区的尾部则以与压力p0相对应的声速传播，所以正压区不断被拉宽。爆炸空气冲击波的传播如图10-2所示。随着爆炸空气冲击波的传播，其峰值压力和传播速度等参数迅速下降。其原因是：首先，爆炸空气冲击波的波阵面随传播距离的增加而不断扩大，即使没有其他能量损耗，其波阵面上单位面积的能量也迅速减小；其次，爆炸空气冲击波的正压区随传播距离的增加而不断拉宽，受压缩的空气量不断增加，使得单位质量空气的平均能量不断下降；此外，空气波的传播是熵增过程，因此在传播过程中始终存在着因空气冲击绝热压缩而产生的不可逆的能量损失。爆炸空气冲击波传播过程中波阵面压力在初始阶段衰减快，后期减慢，传播一定距离后，冲击波衰减为声波。

图10-1　爆炸空气冲击波的形成和压力分布

图10-2　爆炸空气冲击波的传播

典型冲击波压力随时间的变化曲线如图10-3所示。Δp=p-p0为冲击波超压，t＋表示正压持续时间，为比冲量。冲击波常压峰值Δpm=pm-p0、t＋和I＋构成了爆炸空气冲击波的三个基本参数。

图10-3　典型冲击波压力随时间的变化曲线(www.xing528.com)

炸药在地面爆炸时，由于地面的阻挡，空气冲击波主要向一半无限空间传播，地面对冲击波的反射作用使能量向一个方向增强。图10-4给出了炸药在有限高度H爆炸时，冲击波传播的示意图。有限高度空中爆炸后，冲击波到达地面时发生波反射，形成马赫反射区和正规反射区，反射波后压力得到增强，形成不对称作用。

图10-4　空爆时冲击波传播示意图

3.爆炸空气冲击波的破坏作用

装药在空气中爆炸能对周围目标（如建筑物、军事装备和人员等）产生不同程度的破坏和损伤。离爆炸中心距离小于（10～15）r0（r0为装药半径）时，目标受到爆轰产物和冲击波的同时作用，而超过上述距离时，主要受到空气冲击波的作用。在实际中，空气冲击波在传播时遇到的目标往往是有限尺寸的。这时除了有反射冲击波作用，还发生冲击波的环流作用，又称绕流作用。假设平面冲击波垂直作用于一座很坚固的障碍物，这时发生正反射，壁面压力增高Δp2。与此同时，入射冲击波沿着墙顶部传播，显然，并不发生反射，其波阵面上压力为Δp1。由于Δp1＜Δp2，稀疏波向高压区内传播。在稀疏波作用下，壁面处空气向上运动，但在其运动过程中，由于受到障碍物顶部入射波后运动的空气影响而改变了运动方向，形成顺时针方向运动的旋风，另外又和相邻的入射波一起作用，变成绕流向前传播，如图10-5（a）所示。绕流进一步发展，绕过障碍物顶部沿着障碍物后壁向下运动，如图10-5（b）所示。这时障碍物后壁受到的压力逐渐增加，而障碍物的正面则由于稀疏波的作用，压力逐渐下降。即使如此，降低后的压力还是要比障碍物后壁受到的压力大。绕流波继续沿着障碍物后壁向下运动，经某一时刻到达地面，并从地面发生反射，使压力升高，如图10-5（c）所示。这和空中爆炸时，冲击波从地面反射的情况类似。绕流波沿着地面运动，大约在离障碍物后2H（H为障碍物高度）的地方形成马赫反射，这时冲击波的压力大为加强，如图10-5（d）所示。因此，这种情况下利用障碍物做防护时，越靠近障碍物内侧越安全。

图10-5　冲击波的绕流情况

（a）反射的初始情况；（b）绕流情况；（c）绕流波与地面的反射；（d）障碍物后的马赫反射
1—入射冲击波；2—反射冲击波；3—绕流波；4—马赫波

当冲击波遇到高而窄的障碍物（如烟囱等）时，冲击波绕流情况如图10-6所示。冲击波在墙的两侧同时产生绕流，当两个绕流绕过障碍物继续运动时将发生相互作用现象，作用区的压力骤然升高。当障碍物的高度和宽度都不是很大时，受到冲击波作用后绕流同时产生于障碍物的顶端和两侧，这时在障碍物的后壁某处会出现三个绕流波汇聚作用的合成波区，该处压力很高。因此，在利用障碍物做防护时，必须注意障碍物后某距离处的破坏作用可能比无障碍物时更加严重。

图10-6　冲击波对高而窄障碍物的绕流情况

1—入射冲击波；2—绕流波；3—反射波；4—稀疏波