Page 22 - 《爆炸与冲击》2026年第4期

第 46 卷 姚术健，等： 等效模拟爆炸加载试验技术研究进展 第 4 期

三硝基甲苯（TNT）当量是爆炸工程领域的重要量化概念，其本质是在相同爆炸距离下，单位质量炸
药产生相同爆炸参数所需要的 TNT 质量。据此定义 TNT 当量因子 E q,TNT =W TNT /W ，其中 W TN T 和 W H E 分
HE
别为产生相同爆炸效果的 TNT 当量和实际炸药质量 [24] 。根据 Hopkinson-Cranz 比例定律 [25] ，两个几何相
似但尺寸不同的同种炸药在相同大气环境下爆炸，必然在相同的比例距离产生相似的冲击波。比例距
离 Z=R/W 1/3 ，其中 R 为爆炸时目标点距离爆炸中心的距离。近年来，许多学者结合 TNT 当量因子和数
TNT
值模拟技术开展了冲击波参数分析。Shin 等 [26] 通过计算流体动力学方法模拟了球形 TNT 装药在自由
场环境的爆炸，通过大量仿真数据拟合入射/反射的峰值超压、冲量及冲击波到达时间的多项式表达式，
显著提高了近场区域参数的估算精度。王雅等 [27] 借助 LS-DYNA 的仿真数据，建立了超压峰值的经验公
式，并通过修正方程消除了不同经验模型的计算偏差。此类研究都基于对能量传递过程的等效，其核心
目的是复现冲击波的 Friedlander 波形特征。
通常，为了研究结构和材料在爆炸荷载作用下的性能，理论计算和数值模拟无疑是有效的研究工
具，Peng 等 [28] 和 Dennis 等 [29] 基于深度学习的爆炸荷载预测模型，使预测模型在不牺牲其快速性和准确
性的前提下具备了一定的预测精度。但理论模型和数值模拟的预测准确性在很大程度上依赖于可靠的
材料模型和精确的边界条件 [30-31] 。然而，由于经验公式和 CFD（computational fluid dynamics）计算存在不
确定性，以及新型建筑材料的不断涌现，现有的研究结果无法很好地表征结构爆炸响应特性，开展相应
的爆炸试验研究显得尤为重要。目前，工程抗爆试验一般分为两类：现场试验 [32] 和实验室爆炸波模拟试
验 [33-34] 。对于现场试验，在一次装药周围不同距离设置多个目标，炸药爆轰产生的强电磁辐射、大量带
电粒子、固体颗粒、火光和高温使得测量环境变得极其复杂和严酷，传感器极易损坏，测量信号也容易
受到严重干扰，大大降低了试验的可重复性，使得现场试验成本极高且效率低下 [35-38] 。实验室爆炸波模
拟试验提供了更好的控制条件，可以精确地设置和调整爆炸参数从而更准确地模拟爆炸波的特性和影
响 [39] 。其次，实验室模拟试验的可重复性高，可以多次进行相同条件下的试验，有助于收集可靠的数据
并验证结果的一致性 [40] ，使其成为研究爆炸荷载作用下结构性能的主要方式。
本文总结目前关于模拟爆炸荷载的等效试验加载技术的研究现状，主要包括利用平面压力波加载
的激波管和利用作动器加载的爆炸波模拟器。对各种技术的原理、适用范围、优缺点及其模拟爆炸载荷
是否准确进行归纳和讨论，并提出未来发展方向。目前在实验室内精确模拟大当量或长持时的爆炸冲
击、并拟合准确的爆炸超压-时程曲线的试验技术尚有很大难度，有待广大学者进一步研究。

1 激波管加载试验技术

在 1817 年，Davy [41] 在实验室内进行可燃物爆燃研究时，首次注意到管道中气体波动现象。而世界
上第一个激波管是 Vieille [42-43] 于 1899 年研制成功的，该装置直径为 22 mm、通道长度为 6 m，在试验中
成功产生了马赫数为 2 的激波。典型的激波管一般为具有圆形或矩形截面的长管，激波管被一个气密
隔膜将容纳高压气体的驱动部分和包含低压区域的被驱动部分隔开，两端一般由固定的盖子所封闭，如
图 2(a) [44] 所示。图 2 中，p 为压力，T 为温度，u 为速度，ρ 为密度，R 为稀疏波，C 为波阵面，S 为压缩波。
工作时，通过一种特殊装置或机构使隔膜迅速打开（或破碎），高压室中工作气体冲入低压室内形成冲击
波，而中心稀薄波则以相反的方向进入驱动部分，与此同时，两种气体之间由一个接触间断面分开 [45] 。
求解一维激波管问题是一个经典的黎曼问题，许多学者对此进行了探索 [46-47] 。然而，这些求解通常基于
一些理想化的假设，如流体被视为理想气体、忽略黏性损失和摩擦引起的能量损失等。尽管存在这些简
化，这些研究为理解激波管内的复杂流动现象提供了重要的理论支持，并为后续的试验设计和数值模拟
奠定了坚实的基础。
激波管作为一种试验设备，其核心价值是模拟爆轰物剧烈变化引起的空气压力波。随着相关研究
的不断深入，已经形成了一个独立的研究领域。通过激波管模拟爆炸加载技术，研究人员能够在一个控
制良好的环境中复现爆炸产生的高速气流，进而研究爆炸波的效应、材料在动态载荷下的响应以及冲击

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