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1、冲击波物理与爆轰物理研究进展 3锋f赵谭 华吴 强蔡灵仓谭多望祝文军( 中国工程物理研究院流体物理研究所 绵阳 621900)在中国工程物理研究院 (以下简称中物院) 建院 50 周年之际 ,文章作者对近年来在中物院开展的冲击波摘 要物理与爆轰物理研究工作进展情况作了介绍. 首先 ,对该项研究工作的意义作了说明. 其次 ,简单回顾了过去完成的几个代表性研究工作. 然后 ,对近期主要的研究方向 ,其中包括冲击波温度测量和高压熔化规律研究 、高密度气体物 态方程研究 、固体物质的宽区物态方程实验和理论研究 、高压本构关系研究 、材料的损伤演化及动态破坏研究 、爆轰 波传播规律与驱动飞层研究 ,以及
2、高能炸药起爆性能与热点形成机理研究在实验技术 、规律性探索到理论建模方面 取得的近期主要进展作了重点介绍. 文章最后对未来研究作了展望.关键词核武器 ,冲击波物理 ,爆轰物理 ,冲击动力学 ,爆炸力学Shock wave and detonation physics researchin the Chinese Academy of Engineering PhysicsZHAO FengfCAI Ling2CangTAN HuaTAN Duo2WangWU QiangZHU Wen2J un( I nstit ute of Fl ui d Physics , Chi na A ca dem
3、y of En gi neeri n g Physics , M i any an g 621900 , Chi na)AbstractTo celebrate t he 50t h anniver sary of t he founding of t he Chinese Academy of Engineering Physics , abrief review is presented of t he research on shock wave and detonation p hysics in t he Academy. Concept s and ap2 plications a
4、re int roduced fir st , followed by a brief review of some t ypical advances in t he past years. We focus on t he recent breakt hroughs in experimental technology , t heory , modeling and simulation. In particular , shock tem2 perat ure measurement s and melting diagno stics , t he equation of state
5、 ( EOS) of high densit y gases , t he unified EOS of solid material s , t he constit utive relationship of high p ressure , dynamic damage evolution and f ract ure , propagation and acceleration of detonation , and t he initiation and for mation of hot spot s for heterogenous explo2sives are explici
6、tly described. Finally , we p ut forward some suggestions for f ut ure research.Keywordsnuclear weapon , shock p hysics , detonation p hysics , impact dynamics , explo sion dynamics器是利用高能炸药爆炸释放的化学能压缩核材料 ,并使之最终发生核爆炸的极其精密和复杂的系统. 图 1是氢弹动作的主要过程示意图 ,在所列出的 13 个关 键过程中 ,起爆 、传爆 、冲击 、卸载 、推进 、压缩 、减速和压紧 8 个过程都属
7、于冲击波物理与爆轰物理的研究范畴. 因此 ,研究核武器从雷管点火到引发炸药爆炸 ,到爆轰波传播 、推进并压缩飞层材料 ,直到最终发生 1概述冲击波物理与爆轰物理是一门典型的交叉学科 ,它涉及到物理学中的高压凝聚态物理和爆炸物理 ,力 学中的爆炸力学和冲击动力学 ,以及极端条件下的材料科学和化学等 ,它是发展核武器物理设计技术 、工 程设计技术和武器效应研究的重点基础学科 ,是建立 武器物理学和工程学的主要科学基础.中国工程物理研究院冲击波物理与爆轰物理学 科的发展始终与我国核武器研制工作紧密联系. 核武3国家自然科学基金 ( 批准号 : 10772167) 、中国工程物理研究院预研基金 (批准
8、号 :2009A0201008) 资助项目2009 - 11 - 10 收到通讯联系人. Email :ifpzf 163 . co mf核爆炸的极其短暂的内爆过程中发生的各种物理 、力学和化学现象 ,获取上述重要过程中的各种数据和规 律性认识 ,是核武器设计 、研制 、改进和性能评估的重 要依据 ,同时也构成了中物院冲击波物理与爆轰物理 学科研究工作的核心内容.面的系列工作.3 . 1 . 1冲击波温度测量和高压熔化规律研究 材料在冲击压缩下的温度和熔化特性 ,直接关系到材料的压缩状态和动力学行为的精确描述 . 冲 击波温度测量的方法之一是测量物质在高温下的辐射强度 ,通过与黑体或灰体辐射理
9、论对比获得温度 . 以“理想界面模型”为基础的辐射法冲击波温度测量 技术在实际运用中遇到了实验技术上和物理模型上 两方面的困难 :样品制备和实验数据解读. 研究人员 在过去工作的基础上提出了冲击波温度测量的“非理想界面模型”,以及直接测量高压熔化温度的模型 和实验方法 ,对铁 、铜 、钽和陨石等典型材料的冲击 波温度和熔化温度进行了系统研究 ,解释了长期以 来困扰辐射法测温实验的一些问题 ,成功地得到了 这些材料的在数百 GPa 压力下的熔化温度 8 13 .3 . 1 . 2 高密度气体物态方程研究高密度氢 、氦及其同位素混合气体的物态方程 是核武器物理建模所需的重要数据 . 将常温常压下
10、的组分气体混合后进行冲击压缩 ,不能产生核武器 物理感兴趣的高温 、高压和高密度状态 . 为了得到高达 100 GPa 压力和 104 K 温度的混合气体物态方程 数据 ,研制了首套适用于二级轻气炮实验的低温致 密气体样品装置 ,用它测量了氢 、氘 、氦及其混合气 体的冲击绝热线数据及冲击波温度 . 得到了气体中 最 高 冲 击 压 力 达 到 25 GPa , 最 高 温 度 达 到 近10000 K ;同时还得到 了 受冲 击气 体的 电 子数 密度 与冲击温度的关系曲线 ,为研究氢 、氘 、氦混合气体 物态方 程 提 供 了 可 靠 的 实 验 数 据 和 基 本 物 理 图 像 14
11、,15 . 我们还建立了多元稠密混合气体反应动力 学模型 ,确立了对高密度氦部分电离区物态方程的计算模型 ,在考虑 He , He + , He2 + ,e 之间相互作用 的基础上 ,建立了粒子化学势的非理想电离平衡方 程 ;采用自洽流体变分过程对方程求解 ,计算了体系 的热力学状态参 量. 以氢 氦 、氘氦 二元 混 合气 体为 例 , 获 得 了 密 度 = 0 . 01 0 . 8 g/ cm3 , 温 度T = 2000 10000 K 和在各种混合比例下的物态方 程及离化度随密度和温度变化的曲线 16 19 .3 . 1 . 3固体物质的宽区物态方程实验和理论研究 在核武器内爆过程中
12、涉及的压力 - 密度 - 温度范围内 ,固体物质将经历固 、液 、气 、等离子体等多种相态的变化 ,建立一个能够在宽广的热力学状态范 围内对物质经历的固 、液 、气和等离子体态等物相变 化过程进行全面描述的宽区物态方程 ,一直是研究 工作关注的一个重要基础问题 .图 1 氢弹动作的主要过程示意图2研究工作的回顾早期的研究工作是紧密围绕核武器设计开展的.主要的代表性工作包括爆轰波聚焦元件的设计 、炸药 网络起爆设计 、化爆加载技术和气体炮加载技术 ,以及配套的实验诊断技术. 在完成这些工作的基础上 ,开展了高能炸药冲击起爆和爆轰性能研究 ,材料冲击雨贡 纽状态方程测量和冲击温度的测量 、材料动态
13、损伤和断裂以及材料的冲击相变与合成等方面的实验诊断技 术 、响应特性 、理论模型和数值模拟计算的研究工作.提出或发展了流体动力学的特征线理论 、实验物态方 程理论 、含空隙材料的状态方程 、爆轰波传播的二维几 何光学模型 、高能炸药冲击起爆临界判据 、材料断裂的损伤度函数模型 、高压本构关系模型和冲击温度测量 技术等 1 7 . 这些研究进展的取得为我们进一步开展冲击波物理与爆轰物理奠定了坚实的基础.3 近期研究工作进展介绍3 . 1冲击波物理研究进展针对武器内爆过程中涉及的重要物理问题对冲 击波物理研究工作提出的需求 ,开展了相关材料的冲击波温度与高压熔化特性研究 ,高密度气体物态 方程研究
14、 ,宽区物态方程实验和理论研究 ,高压本构关系研究和材料损伤演化及动态破坏研究等 5 个方锆 、铁 、锡等典型金属材料在低压冲击下会发生固 - 固相变 ,通过波剖面测量 ,研究冲击相变波剖面 的特征 ,首次观测到了冲击波压缩导致的金属锡从体 心四方 ( bct) 相到体心立方 ( bcc) 相的固 - 固相变 ,由 此确定了金属锡在冲击波压缩下随加载压力升高而 发生的相 bct 相 bcc 相的复杂序列相变 ,解释了 文献数据中提出的有关质疑 20 ,21 . 其次 ,基于分子动 力学计算模拟 ,揭示了冲击波压缩下金属铁在低压下 的(体心立方结构) (六方密排结构) 相变的完整 动力学过程及缺
15、陷对相变机制的影响 ,对国外文献中 争论多年的铁冲击相变机制问题提出了新的见解 ,为 建立多相物态方程提供了物理依据 22 .静高压实验中压力的定标是一个关键的要素. 选择单质金属铂和化合物 Fe - O - S 等两种典型材 料作为定标材料 . 利用静高压实验测量了金属铂等温物态方程的基本数据 ,共取得 49 个压力点和 153 个温度测点的实验数据 ,最高压力达到 45 GPa ,最 高温度为 1700 K. 对比第一性原理计算以及冲击波 压缩数据 ,建立了金属铂的宽区物态方程 . 其次 ,对 化合物 Fe - O - S ( 地球深部的一种重要矿物) 的高温 高 压 物 态 方 程 进 行 了 较 为 系 统 的 研 究 . 在85 232 GPa压力范围内建立了化合物 Fe - O - S 的高压物态方程 ,该研究结果不仅对静高压实验中 压力的定标具有重要意义 23 ,而且对地球深部物质 组分的物理化学建模也具有重要意义 .基于第一性原理 ,采用原子集团变分法 ,对合金材料 Ni3 Al 的冲击波压缩 H ugo nio t 曲线进行了计 算分析 ,发现在 205 GPa 压力下存
