Page 28 - 《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

动和高压气体驱动模式下工作，在受控的实验室环境中可以重现自由场爆炸的气体动力学参数，通过对
过渡段和试验段上方的百叶窗开口位置和大小的精确控制，实现了对冲击波形的有效调控。研究结果
表明：过渡段上游的开窗可调节峰值超压、正相持续时间、负相脉冲的大小，降低二次冲击的影响；试验
段下游采用可控通风设计，在不改变入射超压和反射超压的情况下，提供了一种调节正相脉冲和持续时
间方法。程帅等 [91] 则通过精细控制稀疏波和压缩波的反射与透射过程，优化了冲击波的衰减特征，使产
生的冲击波在阶梯状衰减特征的基础上，提前了各个压力阶梯的衰减时间，提升了实验冲击波与标准爆
炸波指数衰减过程的相似度，从而实现了冲击波超压衰减历程的控制。
激波管膜片的几何参数和破裂行为对于确保模拟爆炸荷载能产生预期的冲击波特性至关重要 [92] 。
Andreotti 等 [93] 在研究双隔膜激波管装置性能时考虑了管端壁的压力损失，该损失主要来自于管壁振动、
有限管刚度、附面层和膜片开口机制，其中，膜片撕裂过程是最相关的耗散源，图 9 展示了有限元模拟膜
片开口过程的各个阶段。Houas 等 [94] 在研究激波管中冲击波传播的影响因素时，使用铝箔材质的膜片在
激波管中进行试验，膜片处设置不同形状的开口的刚性支撑结构。研究发现：不同开口面积的膜片都能
形成激波，而膜片开口面积越小，形成的激波距离开口处越远，激波强度也越低，因此需要激波管膜片在
试验中破开足够的面积。Kim 等 [95] 在激波管内进行了薄膜测试，观测了金属和金属氧化物涂层表面的
传热速率。在另一项研究中，Kim 等 [96] 将 4 个不同级别粗糙度的表面都涂上了钛和二氧化硅，实验考察
了钛表面粗糙度对氧催化的影响，结果表明，钛和二氧化硅涂层试样的氧重组效率随着表面粗糙度的提
高而提高。

(a) The phase from plate (b) Tear propagation (c) Petal formation
to membrane phase
图 9 膜片破裂阶段
Fig. 9 Diaphragm rupture stages

综上，相较于炸药爆轰驱动，高压气体驱动的激波管更适合在实验室开展大量、可控的冲击加载试
验。这类激波管因其内部的激波和膨胀波特性，脉宽较长，能有效模拟远场爆炸或核爆炸的载荷特性，
同时保障了良好的重复性。通过调整压缩气体的压力/温度、膜片的材质/厚度以及试验段的尺寸等参
数，可以精确地调节产生的冲击载荷。然而，目前用于试验研究的压缩气体激波管在设计上通常注重激
波的产生，扩张段设计主要用于提高激波声速，导致低压段出口的超压上限受限。此外，由于高压室强
度的限制，压缩气体的压力/温度存在上限，这限制了气体的内能和初始声速，使得在模拟爆炸载荷时难
以达到足够高的峰值压力。因此，实际应用中能够模拟高压加载和适用于大尺寸试件的激波管较罕见，
表 1 列出了部分的激波管模拟爆炸试验装置。

表 1 激波管模拟爆炸加载试验装置
Table 1 Shock tube-based simulated explosion loading experimental setup
激波管 机构 尺寸 驱动方式 目的
比利时布鲁塞尔大学材料与 内径168.2 mm，长1 200 mm， C4炸药驱动，
EDST [30, 51] 研究材料在极端条件下的性能
结构力学系 圆柱形激波管 无隔膜
炸药驱动激 中国强脉冲辐射环境模拟与 总长9.5 m，驱动段长1.5 m内径0.14 m， TNT炸药驱动， 探究炸药驱动激波管内的冲击
波管 [48, 91] 效应国家重点实验室 圆柱形激波管 无隔膜 超压环境

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