首都科学讲堂 | 第725期：“飞天魔法”之爆炸科学

本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。

烟花绽放、火箭发射、定向爆破、气囊弹出……“危险”又迷人的爆炸科学，其实在日常生活中有着诸多实际应用。爆炸和冲击到底怎么解释？爆炸背后的化学反应都有哪些？如何运用爆炸的“魔法”来造福人类？

本期首都科学讲堂之“极简科学课”邀请北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室副主任杨利教授，带我们了解爆炸科学的知识，感受爆炸科学的魅力。

主讲嘉宾：

杨利

北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室副主任、教授

▲“飞天魔法”之爆炸科学（上）▲“飞天魔法”之爆炸科学（下）

什么是爆炸？

从敦煌飞天到嫦娥奔月，人类始终对天空有一种永恒向往。18世纪，法国造纸商孟格菲兄弟发现纸袋充满热气后，可以在热的作用下飘浮起来。他们制造了热气球实现了在天空飞翔的梦想。当时的热气球在天空飞行的最长的时间是25分钟。1903年，莱特兄弟制造了第一架飞机“飞行者1号”，第一次实现了以固定翼的方式来控制飞机翅膀，使飞机在机械控制作用下飞翔了260米的距离。

后来，随着技术发展，飞机和卫星导航已经成为了我们出行必不可少的交通工具和设备。卫星的发射是通过火箭发射进行运输的，熊熊烈火在火箭的尾部燃烧，有效起到了推进作用，使火箭顺利升空。

但有同学可能会问：火箭发射和爆炸有什么关系呢？其实火箭在点火发射的过程中，充分利用了爆炸这个重要的环节。想要了解为什么吗，接下来，我们需要先来了解一下爆炸的概念。

爆炸是一种极为迅速的物理和化学能量释放过程。简而言之，爆炸过程中必然会出现一些物理或化学反应，而且这种反应的发生都是极其迅速。在爆炸整个过程中，空间内的物质是以极快的速度反应生成大量的能量，并释放出物质内部本身所有的能量，将其转变为机械功、光和热等能量的形态。

因为爆炸常常对建筑和生命造成损坏和伤害，所以提到爆炸，我们首先可能会想到一些有破坏性的画面。

爆炸可以分为三个类型：物理爆炸、化学爆炸、核爆炸。物理爆炸表面上看起来是一个简单的物理反应，典型的案例，如粉尘爆炸。粉尘由于颗粒非常细小，它在被加热的过程中，会使周围空气发生迅速地膨胀。由于粉尘细小颗粒的数目众多，会造成粉尘所覆盖周边出现大范围膨胀的过程。当整个膨胀过程产生的能量不能够被充分地释放时，就会形成粉尘爆炸。

而在其中，如果粉尘是面粉的话，由于面粉有碳元素，它在加热的过程中，如果遇到一些火，可能就会发生化学反应，生成一些二氧化碳等的气体。这种反应的发生也是一个快速气体释放的过程。在这个过程中，气体的释放形成大量的能量聚集，而不能被瞬间排放掉的时候，就会看到我们所说的爆炸事故的产生。粉尘爆炸就是比较典型的物理爆炸。

但在面粉造成的粉尘爆炸中，也掺杂着一部分化学爆炸的过程。通常情况下，物理爆炸和化学爆炸是一种交叉过程，可能会同时存在。

化学爆炸是通过化学原料之间发生化学反应而形成的，这种化学反应是以化学原料为基础，可以与空气中氧气反应，或是原料之间发生反应，由于反应的快速，所聚集的能量不能被有效释放的时候，就发生了爆炸。

核爆炸，主要是由核原料在核裂解状态下形成的核爆炸。

通常情况下，日常生活中我们看到最多的是物理爆炸和化学爆炸。

物理爆炸、化学爆炸和核爆炸，如果按照初始能量分类的话，物理爆炸其实是由物理变化（温度、体积和压力等因素）引起的。爆炸前后，爆炸物质的性质和化学成分均不改变。比如刚才讲的粉尘爆炸，没有参与化学反应，爆炸是由于体积膨胀而导致的。化学爆炸则是由化学变化造成的，而对于引发化学爆炸的物质来讲，它是一个相对不稳定组分。在外界一定强度刺激与作用下，能够发生剧烈的放热反应，产生一个高温、高压的冲击波，形成强烈的破坏作用。这种化学爆炸，我们常在电影大片中看到，一些带来强烈视觉冲击的爆炸场景，都是用化学爆炸的方法实现的电影拍摄技巧。

核爆炸是能量迅速释放的结果，主要由核裂变或核聚变形成的。

爆炸背后的神奇反应

那么，爆炸背后所发生的化学反应是怎么样的？

我们一般把能够引发爆炸的物质叫做爆炸物。确切地说，某些不稳定的化学物质在受到外界刺激或冲击时，可能会发生爆炸。这些冲击可能包含着撞击、火焰、摩擦，同时也有一些静电、电火花等，都是触发爆炸物爆炸的方式。

著名的科学家诺贝尔就是一位专门研究爆炸物的化学家。他将硅藻土加到了硝化甘油中，实现了对硝化甘油的钝化作用。正是因为他的这个发明专利，从而创建了更多的产业，实现了更多的经济价值。

爆炸发生必须要具备五个条件：第一个就是必须有提供能量的可燃性物质，即爆炸性物质。这些能与氧气或空气发生反应的物质，可以是气体、液体，也可以是固体。

第二个，必须要有辅助燃烧的助燃剂。助燃剂是氧气或空气，也可以是氧化剂。

第三条，可燃物质与助燃剂均匀混合的物质。

第四条，混合物质放在相对密封的空间中，爆炸会产生更大的威力。

第五条，要有足够能量的点火源。点火源包含明火或电气的火花、机械火花、静电火花、高温等。

TNT是广为人知的一种爆炸物，在第二次世界大战结束前，TNT就是一种综合性能最好的炸药。它是淡黄色的粉末，化学名称为三硝基甲苯，被称为“炸药之王”。

直到今天，TNT一直被广泛地使用着。这种炸药有一个非常好的特点，就是相对来讲敏感程度不是很强，熔点比较低。所以使用的过程中，具有非常好的稳定性。

除了TNT，还有其他一些炸药。比如民用矿山领域的炸药。这种炸药是用于岩石膨化的硝铵炸药，和前面TNT炸药相比，在化学组分中有很多不同的地方。但是不管这些炸药是什么，其实都是由各种不同的化学组分配方比形成的。根据不一样用途形成的炸药，化学成分也是不同的。我们可以根据应用场景的不同，要实现的功能不同，来进行实际地配方，形成不同的化学组分的炸药。

在现实生活当中，人们也经常会用一种炸药来去引爆另一种炸药，形成爆炸序列的状态，实现更好的做功方式。大家耳熟能详的军用炸药C4，是采用复合或混合配方的炸药。这些炸药都是通过不同的化学成分、化学配方，从而实现各种不同的功能。

炸药在爆炸过程中，通常会伴随着破坏性的冲击波（爆轰波）。炸药产生的冲击波可以以每秒几千米的速度来进行传播，造成很大范围内的冲击和破坏。

黑色的爆炸残渣形成气固两相的爆炸场景，外围有透明的波态传播过程，这种波态就是大家熟悉的冲击波。整个爆炸过程中，冲击波所带来的危害远远超过爆炸本身所带来的危害。爆炸过后，夷为平地的效果就是破坏性的冲击波所造成的。

一般情况下，比较微小的爆炸是看不到冲击波存在的。但如果达到一定程度的重量级爆炸时，就可以通过一些仪器设备，来观测冲击波的毁伤程度。

这里，我们可以通过一些在实验室内能够看到的科学小实验，进一步地展示爆炸过程中诞生的神奇部分。

第一个是水加上液氮的过程。大家都知道，液氮温度是零下196摄氏度。当在这么低温度的液氮中，突然间加进去一桶常温下的水，就会使得液氮温度迅速地升高，它就会从液态变成气态，大量的氮气会被瞬间释放，进而看到爆炸的状态。

第二个是金属铯加水的过程。由于铯是一个性质活泼的金属，加水的过程当中会迅速产生化学反应，产生大量的热，进而出现爆炸现象。而铯加了氟气后，会形成蓝色的光，这种化学反应也会被用在很多焰火的表演上。

还有一个是二乙基锌暴露在空气中，会迅速地形成火焰燃烧起来。二乙基锌的燃点非常低，所以在空气场景下会快速燃烧。最后是氯酸钾加上糖后，也会形成爆炸和燃烧的状态。

通常情况下，我们评估是否发生爆炸，一般是通过是否形成爆轰波来判断。那么，爆炸和燃烧的区别到底在哪儿？我们知道，爆炸过程当中，一定会有一个剧烈的燃烧，我们称之为“燃爆”。简言之就是由燃烧转为爆炸的过程。比如，当我们用一些锶加上硫磺，锶和硫磺发生快速反应后，就会形成“燃爆”的状态。聚丙烯酸钠加上热水会形成快速膨胀的效果。铝加上溴反应，会形成电闪雷鸣的效果。

通过这些小实验，我们进一步验证了爆炸产生的原理，同时也要特别提醒，大家遇到这些物质时，要进一步提高安全意识。我们除了需要了解爆炸知识和背景，考虑怎么防控爆炸也非常重要。

飞天梦想与“爆炸的艺术”

开头我们提到航空航天与爆炸之间的联系，大多数人会想到历史上各种爆炸事件。实际上我们每一次成功的航天任务，也都离不开爆炸反应的参与。

比如航天飞机上天，以及到返回舱返回地面的过程当中，其中非常重要的一个步骤就是分离。卫星返回地球的时候，为了节省燃料，它就需要减轻自己的重量，将身上的“包袱”卸掉，只保留最重要的返回舱的部分。我们在飞行的过程当中，如何将身上的“包袱”卸掉，大家可以充分地发挥自己的想象，来思考一下。在卸掉的过程当中，没有任何人为的力量帮忙，这个就要通过很多我们看不到的技术来实现。

这种实现的过程，我们可以通过小实验来完成。有一个不动声色的爆炸分离的器件，可以在没有产生很大爆轰波的过程当中，就实现了一个螺栓的掉落。在这个螺栓掉落过程当中，不会出现大家想象的会看到有火焰或有冲击波的这样一个过程，而是通过一个非常微小的爆炸反应来实现分离效果的，我们把这个器件称为爆炸螺栓。也就是说，在航天飞机上天以及到返回舱成功返回的过程当中，卸掉身上“包袱”的动作，恰恰是通过这些精准控制的微小的爆炸反应来实现的。在这个过程当中，不会出现大家看到的那种剧烈的火焰燃烧，以及巨大的爆轰波等现象。

在分离的过程当中，是真正爆炸创造的艺术。火箭在发射入轨之前，要多次地进行分离，及时丢掉不必要的壳体从而减少燃料消耗。在助推装置燃料燃完之后，就要实行分离的过程，如何把不必要的壳体从主火箭上分离出去？其实背后原理也是通过我们看到的那种小小的爆炸螺栓做功的方式来实现的。当然在实现过程当中，一定要将爆炸装置控制在极为精确的时间内，需在各个部位同时脱开来完成爆炸反应。

大家可以想象，如果有6到8个这样的爆炸螺栓，爆炸的过程如果不是同时完成爆炸反应的时候，可能会出现什么现象？可能出现火箭飞行方向的偏离，造成严重后果。利用这种微小的爆炸反应，可以将爆炸限定在非常小的范围之内，在瞬间准确地来炸断连接的部分，实现巧妙分离的过程。这个就是我们把爆炸应用到极致的一个地方。

卫星的太阳翼在打开的过程当中，也离不开爆炸的反应。太阳翼看上去很像是卫星的翅膀，但是实际上是给卫星提供能量的。当卫星入轨之后，太阳翼的打开也是通过微小而精准的爆炸反应，来实现太阳板打开这样一个功能。

同时，返回舱在降落的最后环节，降落伞会在一定高度的时候及时地打开，保证返回舱能够在接触地面的时候，减小更多动能的做功。降落伞打开的过程也可以通过爆炸反应来快速做功，实现开伞的效果。

前面我们提到的爆炸常常伴随着熊熊烈火、很浓的烟和强烈的光等现象。但现在这些微小精准的爆炸充满了艺术感，简直可以说是不动声色，实现了通过爆炸造成的脱离和切割功能。

掌握爆炸的“魔法”

日常生活中，我们也会常常看到很多的爆炸场景，都是服务于人民的。

典型的有矿山爆破开采的过程，对于无法用一些机械来进行移动的巨石，我们可以通过采用爆破的方式，将这些巨大的石头炸成碎石后再完成挪移。高铁的快速发展，也是离不开通过爆炸开凿的方式。

一些旧楼房或建筑物在拆除过程当中，也需要定向爆破实现拆除。在过去，楼房爆破的时候通常会要倒向一边，容易危及到其他建筑，随着技术发展，定向爆破的方式可以在原地最小范围内，实现对旧的建筑物快速地拆除。

烟花表演也离不开爆炸。烟花的主要成分是一些不稳定的化合物，绚丽烟花绽放的背后，是我们对爆炸反应的组分控制。比如焰色反应，是通过不同元素的掺杂来实现的。同时，根据现在的环保和安全性的要求，对爆炸后的残渣也需要进行评估和限制。

另外，爆炸还有一个更重大的任务，就是保家卫国，服务人民。手枪武器也是一个简单的爆炸过程，其原理是通过针刺的方式起爆子弹的底火，点燃子弹中的发射药，发射药发射之后，弹丸就能快速地被推出去，沿着直线方式螺旋飞行，到达指定目标。

在这个过程当中涉及到的爆炸反应，就是针刺和底火相遇的过程。底火的药剂也是通过不同的敏感药剂配方来实现的，发射药也是通过不同的配方、不同的装药结构来实现弹丸的推出，这种实现的方式制约着弹丸飞行姿态，比如在发射过程当中飞行的距离，以及旋转的速度，包括最后的杀伤力等效果。除了手枪，爆炸也更多服务于大型武器系统当中，主要用于海、陆、空等不同的作战环境中。

当然，失去控制的爆炸会造成严重破坏和灾难。所以随着科学的不断进步，我们要更好地去了解它、控制它，对它进行充分的防控，防止破坏和灾难事故的发生。

我们也要清楚认识到，爆炸带来破坏和毁灭的同时，它也可以造福人类。在航空航天这种精密复杂的工程当中，爆炸反应续写了伟大的故事。人类登月，包括在浩瀚宇宙当中自由翱翔，都是通过控制爆炸或利用爆炸进行辅助来实现的。

在强国事业的发展过程当中，也更离不开爆炸反应的有效参与和广泛应用。如何掌握爆炸，如何将爆炸之力更好地应用到我们所需中，都是需要我们进一步通过各种科普活动和深入学习，来更好地了解爆炸的科学。

（本期图片视频来自第725期首都科学讲堂）

传播科学知识

弘扬科学精神

让科学普及与科技创新两翼齐飞

内容来源：首都科学讲堂

点击下方 “近期文章” 回顾更多资讯