空中爆炸

炸药、炮弹、炸弹(包括核弹)和导弹等在距地面或水面一定高度处的爆炸。炸后在空气中形成冲击波 (即激波)，向四周传播，碰到地面经过反射后沿地面传播。冲击波遇到物体时发生反射，同时物体受到冲击载荷。冲击波和炸弹碎片是常规武器的杀伤和破坏的手段。在核爆炸的多种杀伤和破坏因素中冲击波也是主要的。

冲击波的传播  冲击波相对于它前面的未扰动空气来说是一个具有很陡的压强、很高的密度和质点速度以及温度变化的突变锋面，这个锋面称为冲击波阵面。它以超声速传播，并在传播过程中逐渐衰减为声脉冲，最后消失。距爆心一定距离处的冲击波压强随时间变化的理想波形如图1所示。在t时刻冲击波到达某点，该点压强和质点速度都突然升高到最大值。波阵面后超过未扰动大气压p的这部分压强称为超压Δp，阵面上最大超压称为超压峰值Δp;以一定速度运动的空气冲击物体产生的单向压力称为动压q，峰值为q，单位为千克力/厘米。随着冲击波逐渐扫过该处，超压和质点速度(动压)逐渐降低，在t时刻，正相过程结束(正相的持续时间为τ)，此时超压Δp＝0，超压和质点速度均恢复到未受扰动时大气的相应值。紧接着负相开始，此时波阵面后空气的压强低于未扰动大气压，二者之差称为负压。负压的最大值为Δp;质点的运动方向同冲击波运动方向相反。在t时刻，负相结束(负相持续时间为τ)，大气恢复到未扰动时的状态。图1所示的波形也是物体受到冲击波作用的全过程。冲击波的杀伤和破坏作用主要由超压、动压的大小和持续时间长短来决定，或用超压冲量I表征，I定义为，即为波形中正相区的面积(图1中阴影部分)。

冲击波在自由大气中的传播规律  实践表明，点源和球源爆炸理论可以分别描述核爆炸和具有一定体积的炸药爆炸的冲击波传播规律。量纲理论分析和大量实测结果表明，不同药量的爆炸遵循几何相似律：在同一种介质中两个药量分别为Q、Q的爆炸，在不同距离R、R上超压相同的条件是比例距离相等，即。由此可得超压仅为比例距离的函数，即。描述冲击波的其他参量(冲击波速度、质点速度等)亦遵循类似的关系式。根据球形TNT装药的大量实验，得出比例距离满足时冲击波阵面上超压峰值的经验公式：

，

式中Q的单位为千克TNT当量，R的单位为米。对于核爆炸，如果比例距离满足 76米/(千吨)＜R/Q＜860米/(千吨)，则

式中Q的单位为千吨TNT当量，R的单位为米。对于爆源置于地面的爆炸，必须考虑地面的作用，可将上式中的Q乘以2，便得到超压随距离的分布。波阵面上其他参量皆可由此求出。

冲击波的影响因素  冲击波传播时，受到地形、地物、地面性质和大气条件等因素的影响。核爆炸时，由于光辐射的作用时间长，强度大，地表温度显著升高，使地面的有机物燃烧，某些矿物质挥发，结晶水蒸发，从而使得地面上方形成含有大量尘埃、温度急剧升高的热空气层。冲击波经过热空气层时，它的影响表现为冲击波超压峰值降低，动压明显增大，而且波形由陡峭(图1)变为随时间逐渐上升，即达到超压峰值需要一定的时间。热空气层影响主要发生在距爆心在地面投影点的距离约等于爆炸高度的范围内。冲击波在传播中遇到山丘、凹地等地形和地物时发生绕流，影响它的超压和动压。例如对于山丘，冲击波爬坡时超压略有增加，下坡时则略有减小。对于地物，迎冲击波一面超压增加，背面和距背后一定的范围内超压、动压都有所降低。冲击波减弱到超压小于 0.1大气压(1大气压等于101325帕)时，便成为弱冲击波。大气温度和风向、风速随高度的分布都会影响弱冲击波的传播。

弱冲击波聚焦  弱冲击波可以近似地看成声波，其径迹就是声线。声波传播速度等于介质声速和风速的代数和(合成声速)。如果因为大气中温度和风速的分布不均匀，而使合成声速随高度递减(图2a中高度不低于12公里的情况)，则声线向上弯折(图2b)；如果这种不均匀使合成声速随高度递增(图2a中高度z大于 12公里而小于50公里的情况)，则声线向下弯折(图2b)。在适宜的大气条件下，从爆心向上延伸的声线在一定高度上向下弯折和其他声线汇聚，造成特定区域内弱冲击波超压增大，最大可增加到近百倍，这个区域称为聚焦区。在聚焦区以外一定范围内，弱冲击波超压减弱，甚至听不到爆炸声响，这个区域称为寂静区。聚焦现象可分为两类：① 8～18公里处存在西风急流层，风速达50～60米／秒，从地面到西风急流层高度若有适当大气条件配合时，就会造成弱冲击波在爆心东部约100公里以内的区域聚焦，此即西风急流引起的聚焦；②由于在约20～55公里高空存在逆温层(在55公里附近出现合成声速的最大值)，因此，弱冲击波在200～300公里范围内发生聚焦。由于在约20～60公里上高空风在冬季盛行西风，夏季盛行东风，所以冬季聚焦区主要在爆心东部，夏季主要在爆心西部。聚焦现象不仅发生在地面，也发生在空中，尽管超压不大，但对空中飞机是个威胁。

图2a

冲击波在地面的反射  冲击波传到地面会发生反射，可把地面当作刚壁。反射的性质决定于入射波的强度和入射角(图3)。在冲击波垂直入射的情况下，波后气流突然被阻止并形成反射冲击波(即在爆心投影点的正碰反射)。反射波在入射波后的气体中运动。正碰反射的反射波波强比入射波波强大得多。例如，入射超压小于20千克力/厘米，经正碰反射后增大到2～8倍； 如入射超压大于20千克力/厘米，反射超压增大得更多。在冲击波斜入射情况下，波后气流被迫沿地面运动，亦必产生反射波。在 入射角由0°增加到某个极限值(称为临界角)前，仅产生单一的反射波，它的强度和反射角决定于入射波强度和入射角，这种反射称为规则反射。当入射角超过临界角(对于空气中的强冲击波，临界角为39°14)时，产生一个波面与地面垂直的合成波和一个与地面有一定夹角(反射角)的反射波，这两个波与入射波汇聚于一点，称为三波点(图3)，

这种性质的反射称为非规则反射或称马赫反射。可以认为，当入射角大于临界角时，反射波不断赶上入射波并部分地和它会合成为合成波。随着入射角增大，会合的部分也增大，三波点愈向上方运动，合成波也就愈高。入射波足够强时，反射波同入射波完全重合，即三波点运动到爆心上方，这种反射称为半球反射。例如地面爆炸所形成的半球面冲击波就可以看作是半球反射的结果。

根据爆炸高度的大小，大体可将爆区地面分成三个反射区：距爆心在地面投影点的距离小于爆炸高度的区域为规则反射区；大于该高度为非规则反射区；数倍高度以外为半球反射区。

冲击载荷  冲击波经过物体时发生绕流，物体的各个面上都受到不同的冲击载荷。冲击载荷不仅同冲击波的超压、动压和持续时间等有关，还同物体的大小、形状、结构和相对于冲击波的方位有关。对于不同物体须作具体的分析和实验。就一立方形密封物体而言，冲击波遇到正面时发生反射，反射压力为入射超压的2～8倍。然后冲击波绕流立方体，反射压力很快衰减为滞止压力，即入射超压与动压的代数和。作用于顶面和两侧的压力峰值等于入射超压。当冲击波到达背面时，产生绕射，压力经过一定时间到达峰值。因为正、背两面的载荷大小和作用时间不同，载荷的差值就是物体在水平方向上受到的净载荷，可能推动或抛掷物体。如果冲击载荷超过物体所能承受的压力，物体便遭到破坏。

冲击波的杀伤和破坏作用  物体在冲击波的作用下同时承受超压载荷和动压载荷。一般说来，物体是在这两种载荷的作用下破坏的。但对于不同形状的物体，两种载荷所起的破坏作用不同。通常有两种情况：①对于圆柱形和球形目标(如烟囱、坦克等)起主要破坏作用的是动压载荷；②对于箱形体(如房屋、汽车)起主要破坏作用的是超压载荷。对于人的杀伤，两者都起作用，但动压造成的伤情要严重些。对于人，0.2～0.4千克力/厘米的超压就会造成轻度的冲击损伤，如耳膜破裂或穿孔，体表擦伤等；大于1千克力/厘米超压会使人当场死亡。物体的破坏程度一般可分为严重、中等和轻微三类。使不同物体受不同程度破坏的超压值见表。