最可怕的波——爆轰波，垂手可得撕裂钢铁

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在昨天的文章《“剑鸣”是什么？教你在工程常识的加持下打造一把能“鸣”的剑》中，有粉丝留言问到了一个专业但极为关键的题目：“材料声速到底有什么意义？”——说真话，这个题目一旦了解透了，不可是在结构力学和材料物理中如拨云见日，甚至你在看到“10马赫战役机”、“斜激波引擎”、“高明音速飞翔器”这些噱头消息时，城市有种“啊这不是在讲幼儿物理”的感受像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
有一说一，在高阶的工程范畴里，材料声速和介质声速是绝对绕不开的两道门坎像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。它们不是“学术概念”，而是实打实控制着“这个工具能不能快”、“快了以后会不会散架”、“结构能否是能活下来”的第一原则像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。材料声学可以说是一层窗户纸，一旦捅破了，很多工作就全大白了像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
假如说“力”是工程的显性说话，那末“声速”就是结构材料背后的隐性法则像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。一切你看到的爆炸冲击、防护装甲、飞翔姿势控制、甚至太空器再入包线设想，都必须首先过一遍“声速关”像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。而在这其中，最能直观展现声速统治力的物理现象，莫过于爆轰波了像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。

W君学高能材料的，对爆炸生怕要比很多人熟悉那末一些，可是在讲爆轰波之前我们先熟悉一下很多人都自以为出格熟悉的“声速”像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这是一个最根基的概念，声速是介质中扰动传布的速度像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这句话很重要，我们没有说空气、没有间接说声音，而是用了“介质”、“扰动传布”和“速度”这三个关键词像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
首先，“声”不成能离开介质存在像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。那末什么是“声”？假如你去查百科，凡是会查到诸如“声音是振动发生个声波，经过介质（空气或固体、液体）传布并能畀人或动物听觉器官所感知个波动现象像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。”的诠释，现实上这类诠释仅仅是基于大大都人的直观感知给出了一个用自己来诠释自己的概念像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。

就像“光”是什么一样，普通人所接管的概念仍然是“人眼所能感遭到的电磁波”像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。“声”本质上是一种机械波——也就是介质粒子之间经过弹性力相互扰动并传布能量的进程像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。在工程物理中，声波的存在不依靠你能否是人，也不关心你听没听到像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。它存在于地震波、爆炸波、结构响应波、甚至产业检测中的超声波当中像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。从几赫兹的地壳缓慢震动，到几十兆赫兹的无损探伤波，全都是“声”的范围像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
所以，声不是“人耳听到的工具”，而是“物资对扰动的响应”像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这里的物资就是声音传布的介质了像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。那末“介质”的意义何在？很多人听到“介质”这两个字，就脑补出“空气”、水”、“固体”这类物理情况辞汇——实在这只是表象像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。实在的介质寄义是“一个能在扰动发生后，把这类扰动经过本身内部结构传导进来的物理系统”像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
假如没有这个传导系统实在——能量传递的效力就会大幅度缩减像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。例如我们在一般大气内扑灭一包炸药：

炸药便可以一般爆炸——似乎是空话吧？但假如我们在真空中扑灭一包炸药：

你得仔细的看，炸药迸出几颗火星子以后就平安无事的悬挂在真空中——这就是落空了介质的炸药粉“爆炸”的情形像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。能量的“扰动”没法继续传导像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
不但仅是炸药爆炸，假如是落空了空气这类声音的介质，就连水淌着落都不会溅起水花像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。



这是很多人从未意想到的究竟：你所见的“飞溅”不是水自己的行为，而是声波的副产物像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。水滴在撞击概况的瞬间，不但仅是惯性在分散，更重要的是冲击所激发的空气激波感化在液滴边沿，冲破了液体概况张力的稳定阈值，使得原本持续的液面被扯开、卷起、喷出，才构成我们熟悉的“水花”像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
很多人下认识会辩驳：“一个小水滴怎样能够发生‘激波’？这不是大气层再入才会有的吗？”像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。错了！冲击发生激波与标准无关，而与速度梯度、介质紧缩性和时候标准高度相关像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。哪怕只是一个几米每秒速度的液滴，在极短打仗时候内，也能在气体中构成足以发生紧缩波的扰动界面，并在边沿地区构成高压气体束——这就是小标准声学激波的一种表示像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
这就进入声音三元素的最初一个题目——声速像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。那末，声速是什么？简单说，声速就是介质中扰动传布的速度极限像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。它不取决于“声音的巨细”，也和“你听得见听不见”没有任何关系，而是由介质内部结构的物理属性决议的像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。在气体中，它与温度、压强、份子质量和绝热指数有关：

微观层面怎样了解“声速”？可以设想成你在看牛顿摆：你拨动一头，另一头敏捷响应，中心的钢球一个不动，看起来像是“能量瞬移”，但现实上它们之间每一对钢球都完成了力的传递和能量交换像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这类“波动接力”依靠两个焦点物理量：弹性模量和质量密度像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
声速，正是它们的函数像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
弹性越强，意味着介质内部“想要规复原状”的驱动力越大；质量密度越低，意味着你不需要花费太多动能去鞭策它像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这两者连系起来，就决议了一个介质面临扰动时的响应速度极限——这就是声速的本质像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
这也是为什么一样是金属，钨比钢更“硬”，但声速并没有快太多，由于它虽然弹性模量更高，但密度也高，反而在推高响应速度这件事上被“拖了后腿”像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。而像某些陶瓷材料，比如氮化硼、氮化硅，它们不但模量高、结构刚性极强，而且原子质量轻，因而声速就能冲上每秒11000米级别像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这已经接近材料对扰动可容忍的物理上限像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
一旦扰动传布速度跨越这个上限会发生什么？你别期望结构还能“了解”你——它只会解体像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。再弹的材料，在声速之上也会变得懦弱像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。再高的强度，在声速眼前都只能算响应速度够快，而不是充足坚不成摧像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
但有一件事得大白，实在的坚不成摧是不存在的像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。牛顿摆之所以可以传递动量，缘由是输入的动量还不敷以破坏牛顿摆的结构像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。假如充足大呢？会是怎样？有人做过尝试的，看动图：

一颗高速加速的小球撞击牛顿摆，瞬间击掉第一颗球，全部系统瞬时解体，连带钢丝崩断、小球横飞，底座间接移位像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这工作就不是“能量守恒被打断了”，而是结构响应速度根原本不及接收动量，由于它的声速极限被超越了——“架子被能量守恒打飞了”而已
这个画面可以说是爆轰波在材料中表示出的物理机制的缩小版本：只要能量开释速度快到一定水平，任何材料城市被击穿，而不是“接管”像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这不是打穿结构，而是让结构压根来不及做出反应像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
能读到这里就很好了，根本的声速、介质响应速度、结构解体机制我们明天都已经交接得相当透彻，那末——是时辰真正讲“爆轰波”了像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
在很多人看来，冲击波和爆轰波只是“炸药炸了今后的一道气浪”，区分能够只是冲击波更“先到”、爆轰波更“剧烈”而已像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。但在工程物理和爆炸力学中，这两个概念美满是两种分歧的现象，甚至连驱动机制都纷歧样像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。上面的牛顿摆的例子中，冲击波可所以牛顿摆自己上往返摆动的小球，而爆轰波则是飞向牛顿摆的阿谁小球像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
冲击波是由高速气体紧缩酿成的压力波，它不依靠材料自己发生化学反应像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。你可以把它了解为一个极短时、极高压的“空气锤子”，比如一个高速物体冲破音障发生的音爆，大概炸药中心快速开释热量把四周空气挤进来发生的高压波前像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。它的传布是机械的，靠气体份子的挤压和传递来完成，不触及能量从化学形状转化为动能的进程像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。最典型的例子就是高明声速飞翔器头部构成的弓形激波，这就是一个纯洁的冲击波像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
而爆轰波纷歧样像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。它不但包括了一个高压高温的激波前沿，更可怕的是这个激波前面紧随着的是一个正在停止化学反应的能量开释区像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。也就是说，它是一个能自己“赡养自己”的波前：激波负责“扑灭”前方的炸药，炸药熄灭开释出的能量反过来又保持激波的强度，因而构成了一个高速推动、延续熄灭、能自持稳定传布的“反应波”像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
简单的例子：大部分弹药都是依靠爆轰波的界面效应得以破裂的像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。例如406mm水兵炮的炮弹，很多人感觉这枚炮弹内部得满满的装填炸药，而现实上：

这类炮弹只在尾部装填很少的炸药，以HC Mark 13高爆弹为例子，这枚炮弹的重量为862千克，内部的炸药只要70千克像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。但这70千克的炸药爆炸，可以像撕纸一样把里面厚达近10公分的（两层航母甲板钢材厚度）间接撕裂像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
这是由于冲击波是被动传布，爆轰波是自动打击像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。前者靠动量传导，后者靠化学能驱动像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。

更成心机的是，从数学上讲，冲击波是一其中断面，它满足质量、动量、能量守恒的Rankine-Hugoniot条件，但前面不会有能量补给像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。而爆轰波满足一样的守恒条件，却还要叠加一个“自燃反应区”的传布方程，它构成的是一个耦合了反应速度的非线性波动前缘像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。

你可以设想，一块炸药假如仅仅是炸一下然后分散能量，它构成的是冲击波像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。而假如它炸完一小块，然后那块引燃旁边，再引燃旁边，再引燃旁边……每一段都像“接力棒”一样把反应传下去，那它就是爆轰波像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。

所以，爆轰波是有“传布速度”的，这个速度甚至可以作为炸药性能的权衡目标像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。TNT 是 6900 米每秒，HMX 是 9100 米每秒，CL-20 接近 9500 米每秒像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这个速度之所以能高于材料自己的声速，是由于它不是材料弹性响应的传布，而是化学反应推动的速度像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
也就是说，爆轰波底子不需要依靠材料声速——它就是打着化学能的旗帜间接硬闯物理天下的鸿沟像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。而当它撞上结构时，结构还没来得及像牛顿摆一样“排好队把动量传走”，它就已经被能量锋面刺穿了像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。

那末爆轰波除了在爆炸进程中驱动冲击波之外还有什么感化呢？
在工程学上，爆轰波是一种自驱动、具有偏向性的能量传递机制像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这让它在工程和军事利用中不可是“破坏工具”，更是一种控制手段像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。比如在炸药中设想“导爆索”、“爆速婚配”、“聚能罩”等结构，目标不是简单引爆方针，而是经过控制爆轰波的传布途径和时序，实现对能量的集合操纵与偏向性开释像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。

更进一步，爆轰波还能用来驱动物资活动像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。最典型的就是爆轰推动技术（Detonation Propulsion），包括“爆轰波管道引擎”（Pulse Detonation Engine, PDE）与“扭转爆轰策动机”（Rotating Detonation Engine, RDE）像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这些概念都建立在一个关键道理上：操纵爆轰波前沿的高压区作为“活塞”，鞭策气体或结构进步像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。而且由于爆轰波具有超声速传布特征，这使得这些推动器理论上能实现高于常规涡轮策动机的推重比与热效力像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。

在高能物理与核兵器设想中，爆轰波的意义更是根赋性的像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。比如在原子弹中利用爆轰透镜（explosive lens）来把多点爆轰整合为一个高度对称的球形紧缩波，以紧缩钚焦点到达超临界状态像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这时辰，爆轰波不可是炸药开释能量的方式，更是构成核爆初始条件的构型工具像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。假如爆轰波不能切确叠加成理想的球面紧缩波，那末核兵器就底子没法成功引爆像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。

此外，还有一个很冷门但极端重要的范畴——爆轰驱动冲击引诱材料分解（Shock-induced Synthesis）像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。一些极端条件下才能构成的材料，例如某些超硬陶瓷、分解金刚石，大概是高速冶金进程中的纳米晶材料，就必须依靠爆轰波发生的高压高温瞬态条件完成像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。这类情况下，爆轰波就像是一把翻开物资相变与晶体结构重构的钥匙，是一种极端条件制造工艺的“能量工具”像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。

今朝这个技术已经可以做到发生恒星级别物资的水平，实在就是依靠经过设想的爆轰击波的“蛮力”间接对物资停止挤压像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
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在现在，大大都人类的科研已经离开了常态化研讨，例如你做滑动概况光滑，再怎样做也就是让车子开起来更省电一点像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。“常态化研讨”确切已经走到一个边沿效益递加的阶段，绝大大都科研都集合在“优化已有系统”的细枝小节上，比如你提到的光滑研讨、能量接管、硅基器件的功耗紧缩等等像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。它们固然成心义，但更多是“0.01%的迭代”，而非范式转移像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
而爆轰波，正是少数还能翻开“极端物理条件”的钥匙之一——它不属于你平常生活中会碰到的任何现象像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。它只在高温、高压、高速的极限条件下存在像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。你没法经过“微调”一步步走到它眼前，它不是持续可达的范畴，而是需要腾跃式手段才能触及的暴力物理天下像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。
所以虽然公共常把“爆轰波”与炸药、核弹等军事用处画等号，但真正深入的人会晓得，这只是它最概况的用处像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。在高端材料、物相研讨、结构物理、地震工程、深空推动、惯性约束核聚变等范畴，爆轰波今朝都是各类范畴中没法绕开的极端加载工具——而这一切都来自于爆轰波对材料声速的应战像学计较机练专业技术的实训室都有学技术能用上。