使用可视记录与压力测量耦合监测爆震波的演变与传播

爆震波为何与日常生活息息相关

爆炸不仅仅出现在动作片中；它们影响着我们如何开采原料、修建隧道、设计更安全的车辆，并保护士兵与平民免受攻击。每当炸药爆炸时，都会发出强烈的压力波，能够碎裂混凝土、损坏设备或伤及人员。本研究对这种爆震波如何在空气中生成与传播进行了帧对帧的细致观察，结合高速摄像与精确的压力测量，以更好地理解并预测其影响。

两种不同炸药，相同的严谨试验布置

研究人员关注两种工业上常用的炸药：含有硝酸铵与铝粉的阿莫纳尔（Ammonal），以及以强力成分RDX为基础的塑粘炸药Heksoflen。他们将每种材料装入相同的塑料管中，将炸药悬挂在距地面约一米处，并用小型助爆药与电引爆器引燃。为记录随后发生的过程，他们在每个炸药体内布置了四个探针以跟踪起爆沿程速度，在不同距离处布置了三个压力传感器记录冲击波，并在约50米外用高速相机以每秒数千帧的速度拍摄。

摄像机揭示的火球细节

通过逐帧浏览高速影像，团队看到了单凭数据难以呈现的爆炸演变。对于阿莫纳尔，明亮的燃烧区相对紧凑。在大约一千五百分之一秒内，气体与细小固体颗粒喷出，很快在现场形成一团尘烟，将活跃燃烧区遮蔽。Heksoflen 则表现截然不同：其发光的火球膨胀得更大，并在超过四千分之一秒的时间里持续扩张，随后缓慢收缩并上升。随着热气体升起，摄像机甚至捕捉到逐渐消散的双胞漩涡——空气中的大尺度旋转结构。这些视觉差异暗示两种炸药释放能量的方式存在显著不同。

测量爆震的速度与强度

仪器证实并量化了肉眼所见的现象。在炸药内部，Heksoflen 的起爆速度约为阿莫纳尔的两倍半，表明其化学反应更为猛烈。在空气中，两种炸药都产生了以数百米每秒起始、随后随距离衰减并趋近声速的冲击波。压力传感器显示，在最近的测点处，Heksoflen 的峰值压力约为阿莫纳尔的1.5倍，冲量——即波所施加的总体推力——也约为1.5倍。正如预期，峰值压力与冲量均随距离稳步下降，但在所有传感器位置上，更强的炸药始终占优。

将复杂爆炸归约为简单法则

由于不可能在每种距离和气象条件下重复试验，工程师常依赖公式来估算爆炸载荷。作者利用其测量数据校准了一个简单关系式，将峰值压力与三项因素联系起来：炸药量、距爆距离，以及一个依炸药类型而异的常数。通过绘图并拟合直线，他们分别为阿莫纳尔与Heksoflen 提取了这些常数。将所得方程用于预测不同标尺度距离处的压力时，计算值与测量值高度吻合，尽管所用炸药为圆柱形而非球形，后者通常会使问题更复杂。

对安全与设计的意义

对非专业读者而言，关键结论是：相同质量的爆炸并不总是同样危险——炸药的化学成分显著改变了爆震波的强度及其持续时间。通过将高速成像与传感器结合，本研究表明可以直观观测爆震波的推进、测量其冲击力，并将这些行为浓缩为一条简明的数学规则。针对不同炸药单独调校的这些规则，可帮助规划者估算安全的防护距离、设计结构与防护装备，并在不必现场测试每一种情形的情况下评估工业炸药与简易装置带来的风险。

引用: Sławski, S., Polis, M., Krzystała, E. et al. Monitoring blast wave evolution and propagation using coupled visual recording and pressure measurements. Sci Rep 16, 14204 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41174-2

关键词: 爆震波, 炸药, 压力测量, 高速成像, 爆炸安全