爆風

流体力学 において、爆風とは、非常に局所的な小さな体積に大量のエネルギーが蓄積された結果生じる圧力と流れの増加です。流れ場は、先行衝撃波と、それに続く類似の亜音速流れ場として近似できます。簡単に言えば、爆風は爆発の中心から超音速で外側に広がる圧力領域です。その先頭には圧縮されたガスの衝撃波面があります。爆風の後には、負のゲージ圧の爆風が続き、物体を中心に向かって吸い込みます。爆風は、中心に非常に近い物体や建設的干渉の場所にある物体に特に有害です。高性能爆薬が爆発すると爆風が発生します。

出典

高次爆薬（HE）は低次爆薬（LE）よりも強力です。HEは爆発すると特徴的な超音速過加圧衝撃波を生じます。HEの発生源としては、トリニトロトルエン（TNT）、C-4、セムテックス、ニトログリセリン、硝酸アンモニウム燃料油（ANFO）などがあります。LEは爆燃して亜音速爆発を起こし、HEのような過加圧波は生じません。LEの発生源としては、パイプ爆弾、火薬、モロトフカクテルなどの石油を原料とする焼夷弾や、誘導ミサイルとして改良された航空機などがあります。HEとLEは誘発する傷害のパターンが異なります。真の爆風を生じるのはHEだけです。[ 1 ]

歴史

古典的な流れの解、いわゆるテイラー・フォン・ノイマン・セドフ爆風解は、第二次世界大戦中にジョン・フォン・ノイマン[ 2 ] [ 3 ]とイギリスの数学者ジェフリー・イングラム・テイラー[ 4 ] [ 5 ]によって独立に考案されました。戦後、相似解は、それを独立に発見した3人の著者、L・I・セドフ[ 6 ]、R・ラター[ 7 ]、J・ロックウッド＝テイラー[ 8 ]によって発表されました。[ 9 ]初期の理論的研究以来、爆風の理論的研究と実験的研究の両方が継続して行われてきました。[ 10 ] [ 11 ]

特性と性質

フリードレンダー波形は爆風の最も単純な形です。

爆風の最も単純な形態はフリードレンダー波形として説明され、名付けられている。[ 12 ]これは高性能爆薬が自由場、つまり相互作用する表面が近くに存在しない状態で爆発したときに発生する。爆風は波の物理学によって予測される特性を持つ。例えば、狭い開口部を通過する際に回折したり、物質を通過する際に屈折したりする。光波や音波と同様に、爆風が2つの物質の境界に達すると、その一部は透過し、一部は吸収され、一部は反射される。2つの物質のインピーダンスによって、それぞれの発生量が決まる。

フリードレンジャー波形の式は、爆風の圧力を時間の関数として表します。

P（t）＝Pse−tt∗（1−tt∗）。{\displaystyle P(t)=P_{s}e^{-{\frac {t}{t^{*}}}}\left(1-{\frac {t}{t^{*}}}\right).}

ここで、P sはピーク圧力、t* は圧力が最初に水平軸を横切る時間（負の位相の前）です。

爆風は物体や建物を包み込みます。[ 13 ]そのため、大きな建物の背後にいる人や物体は、建物の反対側から発生した爆風から必ずしも保護されるわけではありません。科学者は、効果的な防護壁やより安全な建物を設計するために、高度な数学モデルを用いて物体が爆風にどのように反応するかを予測しています。[ 14 ]

マッハステムの形成

爆風が地表で反射し、マッハステムを形成する。写真は、高度540メートルで発生した20キロトンの空中爆発を示しており、少なくとも15psiの爆風被害範囲を最適化している。

マッハステムの形成は、爆風が地面で反射し、その反射波が元の衝撃波面に追いつくことで発生します。その結果、地面から爆風の端にある三重点と呼ばれる点まで高圧帯が形成されます。この領域にある物体は、元の衝撃波面のピーク圧力の数倍にも達するピーク圧力を経験します。

建設的干渉と破壊的干渉

建設的干渉の例。

物理学において、干渉とは、相関関係にある2つの波が出会い、それが建設的干渉か弱め合う干渉かによって、正味の振幅が増加または減少することを指します。波の山が別の波の山と同じ点で出会うと、2つの山は建設的に干渉し、結果として生じる山の波の振幅は増加し、元の波のどちらよりもはるかに強い波を形成します。同様に、2つの谷は振幅の大きい谷を形成します。波の山が別の波の谷に出会うと、2つの山は弱め合うように干渉し、全体の振幅は減少し、元の波のどちらよりもはるかに小さな波を形成します。

マッハステムの形成は、建設的干渉の一例です。爆風が建物の壁や車内などの表面で反射すると、異なる反射波が相互作用し、特定の点における圧力の上昇（建設的干渉）または低下（弱め合う干渉）を引き起こします。このように、爆風の相互作用は音波や水面の波動と似ています。

ダメージ

爆風は、波の前の空気が大きく圧縮されること（衝撃波面を形成）と、それに続く風の組み合わせによって被害を引き起こします。[ 15 ]爆風は音速よりも速く伝わり、衝撃波の通過は通常、わずか数ミリ秒しか続きません。他の種類の爆発と同様に、爆風も爆風、破片、火災によって物や人に被害をもたらす可能性があります。最初の爆発では、非常に高速で移動する破片が飛び散ります。破片や時には人が爆風に巻き込まれ、貫通傷、串刺し、骨折など、より多くの傷害を引き起こします。爆風は、破片や破片を最初の爆発に向かって押し戻す低圧領域です。爆風は、爆発によって生じる高温と燃料を含む物体の物理的破壊の組み合わせによって、火災や二次爆発を引き起こすこともあります。

アプリケーション

爆弾

英国MAUD委員会からの問い合わせに対し、G.I.テイラーは、原子爆弾が空中で爆発した場合に放出されるエネルギー量を推定しました。彼は、理想的な点エネルギー源の場合、流れの変数の空間分布は、与えられた時間間隔において同じ形を保ち、変数はスケールのみが異なると仮定しました（これが「相似解」の名の由来です）。この仮説により、r（爆風の半径）とt （時間）に関する偏微分方程式は、相似変数に関する 常微分方程式に変換されます。

r5ρot2E{\displaystyle {\frac {r^{5}\rho _{o}}{t^{2}E}}}

ここでは空気の密度、 は爆発によって放出されるエネルギーである。[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]この結果により、テイラーは新聞や雑誌に掲載された爆発の写真のみを使用して、1945年にニューメキシコで行われたトリニティ実験の核出力を推定することができた。 [ 9 ]爆発の出力は次の式を使用して決定された。 ρo{\displaystyle \rho _{o}}E{\displaystyle E}

E＝ρot2（rC）5{\displaystyle E={\frac {\rho _{o}}{t^{2}}}\left({\frac {r}{C}}\right)^{5}}

ここで、は定圧空気の比熱と定積空気の比熱の比の関数である無次元定数である。Cの値は放射損失の影響も受けるが、空気の場合、Cの値は1.00～1.10の範囲で一般的に妥当な結果が得られる。1950年、テイラーは最初の原子爆発の収量Eを明らかにした2つの論文を発表したが[ 4 ] [ 5 ]、これは以前は機密扱いであったため、その発表は論争の的となった[ 19 ] 。C{\displaystyle C}

核爆発は爆風の破壊力を示す最も明確な例の一つですが、通常爆弾やその他の高性能爆薬兵器の爆発によって発生する爆風も、多発外傷を引き起こす効果が高いことから、戦争兵器として使用されてきました。第二次世界大戦とベトナム戦争では、爆風肺は一般的な傷害であり、しばしば致命的でした。車両および個人用防護具の改良により、爆風肺の発生率は低下しました。しかし、兵士が貫通損傷からよりよく保護され、以前は致命的だった曝露から生き延びるにつれて、手足、目、耳、脳の傷害はより蔓延しています。

爆風荷重による建物への影響

爆発時の構造挙動は、建物の建設に使用されている材料によって異なります。爆発の衝撃波は建物の正面に当たると反射します。この構造物への衝撃は、建物の外装部品に運動量を与えます。可動部品が破壊から免れるためには、この運動エネルギーを吸収または消散させる必要があります。一般的に、これは可動部品の運動エネルギーを抵抗要素のひずみエネルギーに変換することによって実現されます。[ 20 ]一般的に、窓、建物のファサード、支柱などの抵抗要素が破損し、部分的な損傷から建物の進行性崩壊へと至ります。

天文学

いわゆるセドフ・テイラー解は、天体物理学において有用となっている。例えば、超新星爆発の結果を推定するために適用することができる。セドフ・テイラー膨張は「爆風」段階としても知られ、超新星のライフサイクルにおける断熱膨張段階である。 [ 21 ]：96 超新星殻内の物質の温度は時間とともに低下するが、物質の内部エネルギーは常に初期放出エネルギーであるE 0の72%である。これは、超新星残骸の挙動を予測することに関心を持つ天体物理学者にとって有用である。

研究

爆風は、軍事紛争の環境を再現し、爆風の物理的性質やその結果生じる傷害をより深く理解し、爆風曝露に対するより優れた防護策を開発する目的で、爆発または圧縮ガス駆動の衝撃管を使用して研究環境で生成されます。 [ 22 ]爆風は、構造物（車両など）、[ 23 ]材料、生物学的標本[ 24 ]または代替物に向けられます。高速圧力センサーや高速度カメラは、爆風曝露に対する反応を定量化するためによく使用されます。当初は自動車業界向けに開発された人体模型試験装置（ATDまたはテストダミー）は、場合によっては追加の計測機器と組み合わせて、爆発事象に対する人間の反応を推定するために使用されています。たとえば、車両に乗っている人員や地雷除去チームの人員は、これらのATDを使用してシミュレートされています。[ 25 ]

実験と組み合わせることで、爆風と無生物および生物構造との相互作用に関する複雑な数学モデルが構築されている。[ 26 ]検証済みのモデルは、「もし～だったら」という仮定に基づく実験、つまり様々なシナリオにおける結果を予測するのに役立つ。モデル化対象となるシステムによっては、正確な入力パラメータ（例えば、爆風荷重時の速度感受性材料の材料特性など）を得ることが困難な場合がある。実験検証の欠如は、あらゆる数値モデルの有用性を著しく制限する。

参照

参考文献

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