自從第二次世界大戰(zhàn)特別是核武器出現(xiàn)以來，爆炸效應(yīng)研究極受關(guān)注。爆炸效應(yīng)試驗(yàn)可以在現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行。現(xiàn)場試驗(yàn)真實(shí)性好，但環(huán)境惡劣、費(fèi)用昂貴，適于綜合性或最后的考核。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)條件易于控制與改變，測量準(zhǔn)確度高，宜于開展基礎(chǔ)性研究工作。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行爆炸效應(yīng)試驗(yàn)的關(guān)鍵裝置是爆炸模擬器。在各種類型的爆炸模擬器中，激波管具有明顯的優(yōu)越性。發(fā)展激波管爆炸模擬器受到世界各國的重視。

20世紀(jì)40年代就已經(jīng)建造了直徑2米、長60米的激波管；這種早期設(shè)備是將炸藥懸吊在管的一端，而試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t置于另一端進(jìn)行試驗(yàn)。模擬考慮比較簡單。20世紀(jì)60年代初，美國Lovelace醫(yī)學(xué)教育與研究基地建造了內(nèi)徑42英寸-72英寸（1英寸=0.0254米）和12英寸-24英寸-40英寸多種組合變截面激波管，利用管端反射激波進(jìn)行生物沖擊傷試驗(yàn)；但是，這些設(shè)備產(chǎn)生的壓力波形不規(guī)整，利用反射區(qū)做試驗(yàn)不能模擬氣流效應(yīng)。與此同時(shí)，西德馬赫研究所研制了一種等壓激波管。這種設(shè)備構(gòu)思新穎，當(dāng)末端開放氣孔時(shí)，能產(chǎn)生作用時(shí)間相當(dāng)長的爆炸波壓力波形。與前述設(shè)備一樣，只能模擬靜壓作用。從20世紀(jì)50年代末開始?xì)v時(shí)十年，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室建成巨型錐激波管。該設(shè)備工作原理很直觀，就是將球?qū)ΨQ的爆炸空間切出一個(gè)小的立體錐供試驗(yàn)用，以節(jié)省炸藥用量并相應(yīng)降低對周圍環(huán)境的影響，其流動條件接近現(xiàn)場試驗(yàn)。主要缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)十分龐大，但正壓作用時(shí)間仍然有限。20世紀(jì)70年代，針對錐激波管的缺點(diǎn)，著重解決縮小結(jié)構(gòu)尺寸和降低費(fèi)用，西德馬赫研究所的Amann和法國d’Etudes中心的Gratias先后采用多根長度不同的驅(qū)動段來模擬錐形驅(qū)動段，而被驅(qū)動段則改為等截面管。這種新結(jié)構(gòu)激波管，由于采用空氣驅(qū)動，結(jié)構(gòu)長度縮短而正壓作用時(shí)間仍很長。為了避免平面激波受橫向氣流干擾，要求所有驅(qū)動段膜片在工作過程中同時(shí)破裂。Amann認(rèn)為破膜時(shí)間差應(yīng)低于5μs，這對破膜技術(shù)及操作要求都比較高。更主要的缺點(diǎn)是由于各驅(qū)動段長度不同，獲得的壓力波形還產(chǎn)生與驅(qū)動段數(shù)目相對應(yīng)的起伏。在這期間，原中國人民解放軍總參謀部工程兵科研三所亦建起了國內(nèi)專用爆炸效應(yīng)試驗(yàn)激波管。

值得注意的是，工業(yè)意外爆炸事故、國際恐怖活動、常規(guī)戰(zhàn)爭和核襲擊時(shí)，沖擊傷較多見。為探討沖擊傷的發(fā)生機(jī)制及防治措施、制定各種軍用和民用的損傷標(biāo)準(zhǔn)，美國、瑞典和中國等國家利用激波管進(jìn)行了大規(guī)模的模擬爆炸試驗(yàn)，并推動激波動力學(xué)的學(xué)科發(fā)展及與其他學(xué)科的交叉融合。整體來說，研究方向集中于以下幾點(diǎn)：①激波傳播、反射、折射與相互作用；②超聲速與高超聲速流動；③爆轟物理與應(yīng)用；④流動模擬與實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)；⑤數(shù)值模擬研究；⑥實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測量技術(shù)；⑦激波的多學(xué)科交叉及應(yīng)用。習(xí)慣上，人們將適用于生物實(shí)驗(yàn)研究的激波管稱為生物激波管。生物激波管作為“致傷源”設(shè)備，在上述研究中有重要意義。

為了解釋生物激波管，首先要解釋激波，我們可以用日常生活中的例子來說明它。大家知道空氣的某一點(diǎn)發(fā)生輕微的壓力變化時(shí)，這種變化就會以聲速傳播出去。可是假設(shè)在靜止的空氣某一點(diǎn)或小的體積內(nèi)，壓力突然發(fā)生劇烈的變化，例如爆炸，則壓力波傳播的速度比音速快，其快慢根據(jù)爆炸的強(qiáng)弱而定。這種波的特點(diǎn)是當(dāng)波前到達(dá)某一球面時(shí)，在該球面上氣體的物理性質(zhì)發(fā)生劇烈變化，而其波前不到的地方，空氣不受到任何影響。波后面的壓力與密度比靜止的空氣壓力及密度高，波后面的粒子也流動起來。這樣的波，我們叫它為激波，或更準(zhǔn)確一點(diǎn)叫前進(jìn)激波。

還有另外一種激波，是我們?nèi)粘Ｉ钪胁蝗菀子X察到的，譬如一個(gè)圓錐形的子彈以超音速在空氣中飛行時(shí)，在它的前面就有一激波。為了證明這一點(diǎn)，我們可以把子彈頭放在超音速的風(fēng)洞里，用特種照相法可得如圖6-1所示的激波現(xiàn)象。

我們假設(shè)激波是沒有厚度的，嚴(yán)格說起來空氣的分子不可能在沒有厚度的面上就完成突然的變化，換言之，激波是有厚度的，分子的突變是在相當(dāng)于分子的平均自由路程的厚度內(nèi)完成的。在通常的情形下，分子的平均自由路程很小，所以在運(yùn)算上假設(shè)激波為一物理性質(zhì)不連續(xù)的面，或稱之為間斷面（圖6-2）。

第一個(gè)計(jì)算激波前后物理態(tài)關(guān)系的是黎曼（Riemann），但是他犯了理論上的錯(cuò)誤；經(jīng)蘭肯（Rankine）及雨果里阿（Hugoriot）各自獨(dú)立的改正后，便得到下面計(jì)算激波的公式：設(shè)激波靜止，又設(shè) P ₁、 ρ ₁、 T ₁及 M ₁代表激波前的壓力、密度、溫度及馬赫數(shù)， P ₂、 ρ ₂、 T ₂及 M ₂代表激波后面的壓力、密度、溫度及馬赫數(shù)，γ為氣體的等壓比熱與等體積比熱之比，則：

因?yàn)榧げü芰髦幸灿邢∈璨ǎ苏f明激波外，還應(yīng)該說明什么是稀疏波。讓我們參看圖6-3所示的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：

設(shè)活塞在一長管中以某常速向右前進(jìn)[圖6-3（a）]，則產(chǎn)生一向右前進(jìn)的激波。如前面所說，激波所到區(qū)域內(nèi)的空氣受到壓縮作用，并向右流動；在激波前的空氣維持靜止，不受任何影響。這實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步解釋了激波。相反地，若使活塞向左以某常速后退，則產(chǎn)生如圖6-3（b）所示的稀疏波。當(dāng)活塞開始后退時(shí)，空氣不是立刻就受到影響，僅僅是波頭所到的區(qū)域內(nèi)的空氣受到影響。波頭以音速向右前進(jìn)，波頭的空氣粒子速度仍然為零，但開始受到稀疏波的加速作用。換言之，當(dāng)稀疏波經(jīng)過某一粒子時(shí)，它受到加速作用，愈接近波尾的粒子，其速度愈大，一直到波尾，粒子速度增加到同活塞后退的速度一樣，同時(shí)不再有加速。在波尾與活塞間的粒子速度均與活塞后退速度一樣。活塞后退超過某速度時(shí)（此速稱為逃速），波尾與活塞間成真空，故前者叫不完全擴(kuò)張，后者叫完全擴(kuò)張。

激波管不過是一根長管子，兩端封閉，當(dāng)中用薄膜分隔為高壓室與低壓室。普通兩室中均是空氣，也有時(shí)用其他氣體，如氫、氬、氦、氮、氧等。當(dāng)薄膜被刺破時(shí)，因高壓室與低壓室的壓力差而產(chǎn)生波動。首先分析低壓室發(fā)生的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象相當(dāng)于活塞在管中前進(jìn)，靠近薄膜的分子被壓縮而形成激波以超音速沿低壓室前進(jìn)。在激波前面的物理狀態(tài)，不受薄膜破裂影響。激波后面與接觸面之間的氣體被壓縮后獲得一均勻流速。

再來分析高壓室所發(fā)生的現(xiàn)象，此現(xiàn)象相當(dāng)于活塞在管中后退。在高壓室這邊，薄膜附近產(chǎn)生稀疏波。稀疏波頭以音速向左傳播，波頭左側(cè)是未受擾動的高壓氣體，波的厚度決定于波前后的壓力比。在稀疏波與接觸面之間的分子，已經(jīng)過擴(kuò)散程序，并獲得一均勻流速，其粒子速度與前相等。由于接觸面與稀疏波之間的氣體經(jīng)過擴(kuò)張，其溫度下降，接觸面與激波之間的氣體曾被壓縮、溫度上升，故前者的溫度比后者低。因此，前者的聲速比后者低，結(jié)果是前者的馬赫數(shù)比后者的大。

實(shí)驗(yàn)證明，根據(jù)上面簡單的波及均勻流場推算出來的結(jié)果很正確。現(xiàn)列舉其結(jié)果如下。其中， α代表聲速， P代表壓力， u代表粒子速度， w代表激波速度， x代表沿激波管與薄膜的距離， ρ代表密度， C _p代表等壓比熱， C _v代表等體積比熱， M 代表馬赫數(shù)， T 代表溫度， E _ij=（ C _v T） _i/（ C _v T） _j（i，j指激波管流中某流場中的物理態(tài)）， M _i=u _i/α _i， P _ij= P _i/ P _j， T _ij= T _i/ T _j，u _ij=u _i/α _j，W _ij=w _i/α _j，α _i=（γ _i+1）/（γ _i-1），β _i=（γ _i-1）/2γ _i，γ=（ C _p/ C _v），Γ _ij= ρ _i /ρ _j， =向右傳播的激波， =向左傳播的稀疏波， =向右傳播的接觸面。

從上面的公式看來，只要測量在薄膜破裂前管內(nèi)氣體的物理態(tài)，就可以計(jì)算激波管流。

眾所周知，核武器有四種殺傷因素：光輻射、沖擊波、早期核輻射、放射性沾染。實(shí)際上，人們還發(fā)現(xiàn)，電磁脈沖的破壞也是不能忽視的。這些破壞殺傷因素中，沖擊波的破壞殺傷威力最大。在核武器防護(hù)研究中，沖擊波的防護(hù)研究占有相當(dāng)重要的地位。沖擊波對人員的殺傷，分為直接殺傷和間接殺傷兩種。所謂直接殺傷，就是人員受到?jīng)_擊波的作用致傷；間接殺傷是沖擊波作用于各種建筑物及物體，使建筑物倒塌，或被沖擊波拋射的各種物體，如武器裝備、砂石、磚瓦、碎玻璃等造成的機(jī)械性損傷。核爆炸沖擊傷可分為輕度、中度、重度、極重度四種。對地面暴露人員造成各等級沖擊傷都有相應(yīng)的沖擊波超壓值；而對重度、極重度沖擊傷，還有相應(yīng)的動壓值。在同一比例爆高下，核武器空中爆炸、2萬噸級、中度沖擊傷的范圍，距爆心投影點(diǎn)約1 000米；100萬噸級，中度沖擊傷的范圍，距爆心投影點(diǎn)達(dá)4 000米，殺傷范圍是相當(dāng)大的。日本受原子彈襲擊后，傷員中70%有沖擊傷。在廣島原子彈襲擊后，早期死亡人員中，60%是因沖擊傷致死的。

核爆炸沖擊波，其正壓作用時(shí)間比較長，自0.3秒到2～3秒。這就使得沖擊波可以從各種孔口進(jìn)入堅(jiān)固防護(hù)工事的內(nèi)部，破壞內(nèi)部設(shè)施及殺傷內(nèi)部人員。如何防止沖擊波從進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、排煙孔、排水口、門等進(jìn)入防護(hù)工程內(nèi)部，即孔口防護(hù)問題，是防護(hù)工程設(shè)計(jì)研究人員十分重視的問題。

隨著核武器威力的增大，為了利用自然巖土的承載能力以增強(qiáng)其抗力，防護(hù)工程不斷往地下深入。北美防空司令部地下指揮所主體部分的自然防護(hù)層厚420米。近年來，民防工程引起世界各國的重視，歐洲流行“原子時(shí)代就是地下時(shí)代”“歐洲進(jìn)入地下”等說法；瑞士掩蔽人數(shù)占總?cè)丝?0%，防護(hù)工程深入地下。這就提出了激波在巖土介質(zhì)中的傳播問題。

沖擊波防護(hù)涉及許多力學(xué)研究課題。關(guān)鍵問題包括：核爆炸沖擊波參數(shù)的計(jì)算問題；沖擊波遇到各種障礙物的反射、繞射等問題；地面建筑物和物體所受的動荷載問題；熱氣層對激波的影響；激波進(jìn)入管道或坑道的傳播與衰減；波在巖土介質(zhì)中的傳播；荷載與地下結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的相互作用問題等。總之，很多問題亟待研究。

防護(hù)研究除涉及許多理論與計(jì)算問題外，必須重視試驗(yàn)研究。1945—1972年，美國進(jìn)行了大氣層核試驗(yàn)193次，地下核試驗(yàn)358次，水下核試驗(yàn)5次。核試驗(yàn)主要是為了研究核武器本身的技術(shù)問題；同時(shí)，也進(jìn)行核武器效應(yīng)的其他試驗(yàn)，其中包括沖擊波防護(hù)的試驗(yàn)。但由于核試驗(yàn)場的條件、氣候影響各種殺傷因素對參試人員的限制，直接試驗(yàn)并不能完全解決問題。為求試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、重復(fù)性，人們研制了多種模擬爆炸沖擊波的室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備。

激波管技術(shù)早在19世紀(jì)80年代就有了；但用于抗爆的試驗(yàn)研究，卻還是近幾十年的事。1953年瑞典首先建成直徑為1.0米，長11.5米的激波管。20世紀(jì)50年代末，美國海陸空三軍相繼建成各種類型的激波管，其中美海軍武器實(shí)驗(yàn)室的大型錐形激波管最大，錐尖直徑0.4米，錐底直徑7.2米，全長736.4米。我國從20世紀(jì)60年代初將激波管用于抗爆研究。激波管能進(jìn)行哪些沖擊波防護(hù)問題的試驗(yàn)研究呢？

激波進(jìn)入管道或坑道時(shí)，如果入射波方向與管道或坑道軸向的夾角不同，則在管道或坑道內(nèi)所形成的新激波強(qiáng)度是不同的。激波在管道內(nèi)傳播，由于附面層和膨脹波的影響，激波強(qiáng)度是衰減的；管道的斷面變化或軸線方向變化時(shí)，激波強(qiáng)度則可能減小也可能增大。如管道面積是縮小的，激波強(qiáng)度就增大；管道是彎曲的，激波傳播過程中發(fā)生反射，折射等，超壓值是增大的。管道幾何形狀引起的超壓值增大，總是小于激波正反射的超壓值。激波在非等截面或非直管中傳播，其波動圖像是比較復(fù)雜的；用波動理論進(jìn)行計(jì)算，既復(fù)雜又無實(shí)際的必要。國內(nèi)外所提出的經(jīng)驗(yàn)性、半經(jīng)驗(yàn)性的計(jì)算公式，主要是通過試驗(yàn)總結(jié)出來的。美國空軍設(shè)計(jì)手冊明確指出，資料的主要來源是模型坑道體系激波管的研究。國內(nèi)也進(jìn)行過“幾種坑道出入口形式的試驗(yàn)研究”“人防工事出入口壓力分布試驗(yàn)”等，通過激波管試驗(yàn)、獲得各種形式出入口的壓力分布以及門上壓力值。只要按照適當(dāng)?shù)南嗨茥l件進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，所得結(jié)果還是可供應(yīng)用的，如能與核效應(yīng)試驗(yàn)相檢驗(yàn)與修正，實(shí)際應(yīng)用時(shí)就更可靠了。

結(jié)構(gòu)物上的動荷載，不僅與入射激波的自由場參數(shù)（風(fēng)速、壓力、方向等）有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)物形狀、表面性質(zhì)等有關(guān)。一般用動壓力乘以阻力系數(shù)來確定動荷載。但是，恒速風(fēng)洞測得的阻力系數(shù)，不能直接用于抗爆的地面結(jié)構(gòu)物，因?yàn)榧げê蟮娘L(fēng)速是瞬時(shí)變化的。自由場參數(shù)對阻力的影響是由雷諾數(shù)（ R）與馬赫數(shù)（ M）表示的。雷諾數(shù)表示氣流繞物體的活動形式：低雷諾數(shù)表示平滑層流；而高雷諾數(shù)時(shí)，結(jié)構(gòu)物后面形成紊尾流，紊流邊界層將較小的阻力傳給目標(biāo)。臨界雷諾數(shù)范圍內(nèi)氣流不穩(wěn)定，隨時(shí)間而發(fā)生變化。馬赫數(shù)可分為三個(gè)范圍：亞音速范圍大約 M<0.5，結(jié)構(gòu)物周圍的氣流有亞音速的；跨音速范國大約為0.5< M<2，結(jié)構(gòu)物周圍的氣流有亞音速和超音速的；超音速范圍為 M>2，結(jié)構(gòu)物周圍的氣流都是超音速的。為了研究地面建筑物的動荷載，國內(nèi)還利用抗爆激波管進(jìn)行過地面建筑物破壞以及附建式人防工事頂板荷載的試驗(yàn)，圓錐體的荷載分布試驗(yàn)，地形對激波的影響等。

抗爆工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的內(nèi)容是比較多的，國內(nèi)外都進(jìn)行了不少試驗(yàn)。總體可歸為兩大類，一類為防爆波設(shè)備，如防爆波活門，防護(hù)門，消波槽，過濾設(shè)備等；另一類為防護(hù)結(jié)構(gòu)，多為淺埋的結(jié)構(gòu)，如梁、拱、圓形結(jié)構(gòu)等。防爆波設(shè)備的試驗(yàn)，多數(shù)是通過試驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)備的強(qiáng)度以及防爆波性能是否符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求等。防護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，由于相似條件難以完全滿足，往往只做小型試驗(yàn)，用來檢驗(yàn)理論計(jì)算方法，探索結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)規(guī)律。國內(nèi)利用抗爆激波管進(jìn)行了這兩類問題的許多試驗(yàn)研究。淺埋結(jié)構(gòu)小型試驗(yàn)，要注意兩方面問題，第一是結(jié)構(gòu)放置的位置，要保證壓縮波峰值通過結(jié)構(gòu)稍后，即結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)之前，箱體前璧反射波及箱體后壁稀疏波不能到達(dá)結(jié)構(gòu)上；第二是結(jié)構(gòu)變形參數(shù)的量測結(jié)果分析問題，對所有量測參數(shù)，同時(shí)作出記錄起始時(shí)標(biāo)，以便讀出某一瞬時(shí)的各點(diǎn)參數(shù)值、分析的著重點(diǎn)是壓縮波最大峰值通過整個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)情況，或者分析結(jié)構(gòu)位移最大值出現(xiàn)的瞬時(shí)情況，不能進(jìn)行全波形的分析，因?yàn)槿ㄐ伟诉叡诜瓷渑c稀疏的影響。為了研究箱體邊壁影響，曾對模擬箱體進(jìn)行過空氣激波在箱體的波動圖像的光學(xué)攝影（暈光儀測量），試驗(yàn)表明，滿足試驗(yàn)要求的位置是可以選擇到的。有人對激波管能否進(jìn)行淺埋結(jié)構(gòu)試驗(yàn)持懷疑態(tài)度，其根據(jù)是邊壁反射影響及全波形的分析。殊不知，激波管在氣動力學(xué)模型試驗(yàn)，往往也是選用定常流那段時(shí)間做試驗(yàn)的。對砂介質(zhì)箱體調(diào)試表明，箱底的反射影響范圍不大，如采用消能墊，可以進(jìn)一步減少箱底反射的影響。這就表明，激波管做淺埋小型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)是可行的。

激波管產(chǎn)生的激波是一個(gè)強(qiáng)間斷面，具有突然加載的形式，加載速度很快，進(jìn)行土壤的動力性能試驗(yàn)是比較好的。為了提高壓力峰值，往往利用端面反射進(jìn)行試驗(yàn)。等截面激波管產(chǎn)生的激波是一維波，用圓柱形土壤接在管端進(jìn)行試驗(yàn)，只要注意消除邊壁摩擦的影響，是可以進(jìn)行一維波在土中傳播的試驗(yàn)研究的。國外進(jìn)行土壤動力性能試驗(yàn)和土中應(yīng)力波傳播試驗(yàn)，多數(shù)是在垂直激波管中進(jìn)行的。

核武器出現(xiàn)之后，沖擊傷是防護(hù)醫(yī)學(xué)上的重要研究課題，國內(nèi)外的資料表明，“沖擊傷”研究的致傷源大多數(shù)采用激波管。生物效應(yīng)既可作定性觀察，又可作定量測量，進(jìn)行沖擊傷的早期診斷、病理解剖和實(shí)驗(yàn)治療等系統(tǒng)研究。室內(nèi)試驗(yàn)可以重復(fù)進(jìn)行，便于觀察，參試人員不必采取防護(hù)措施就可以進(jìn)行試驗(yàn)研究工作，對系統(tǒng)研究規(guī)律性的東西是有利的。但是，必須與核效應(yīng)試驗(yàn)相結(jié)合，找出兩者的差異與相關(guān)因素，才能推斷室內(nèi)試驗(yàn)成果的相似性。

壓力傳感器的動態(tài)性能檢驗(yàn)，主要包括壓力值的標(biāo)定曲線、頻率特性、阻尼特性等。人們?yōu)榱搜芯繖z驗(yàn)壓力傳感器的動態(tài)性能，研制了一些試驗(yàn)設(shè)備，激波管是其中之一，而且是有效的。激波管可以產(chǎn)生強(qiáng)間斷面，這就保證了陡峻的壓力前沿，使信號具有階躍信號的特征，激波后有一定常流動區(qū)，往后為非定常流動，整個(gè)持續(xù)時(shí)間可達(dá)110ms。激波管產(chǎn)生的壓力波形，其頻帶是比較寬廣的。它是壓力傳感器動態(tài)性能檢驗(yàn)的比較理想的設(shè)備。壓力值可以用激波馬赫數(shù)換算。激波速度的量測系統(tǒng)，配上高精度的瞬時(shí)值數(shù)字電壓表，是可以獲得比較可靠的壓力標(biāo)定值。大量的壓力標(biāo)定試驗(yàn)表明，采用激波管進(jìn)行超壓傳感器的標(biāo)定，是準(zhǔn)確可靠的，相對誤差在±2%以內(nèi)。對動壓傳感器的性能檢驗(yàn)問題，試驗(yàn)表明，由傳感器的響應(yīng)曲線，可以分析出繞射特性、阻尼特性、拖曳特性等。對動壓值的標(biāo)定問題，由于在定常流動區(qū)內(nèi)，接觸面前后氣流的速度是相同的，但密度不同，其動壓值也是不同的，呈階躍形。動壓的實(shí)驗(yàn)值與理論值，在超壓值較大時(shí)，往往偏離。激波管作為動壓的標(biāo)定設(shè)備，對其數(shù)值的換算與誤差分析等，尚需進(jìn)一步研究。

綜上所述，激波管用途廣泛，是抗爆試驗(yàn)研究不可缺少的設(shè)備。作為加載設(shè)備，技術(shù)上是比較成熟的。但是，如何應(yīng)用這種設(shè)備，更有效地進(jìn)行各種抗爆工程試驗(yàn)，還需要進(jìn)一步研究試驗(yàn)理論與試驗(yàn)技術(shù)問題。譬如，抗爆工程試驗(yàn)的相似律問題；減少箱壁摩擦、箱壁反射的技術(shù)措施；大壓力標(biāo)定的增壓措施及其誤差分析等。總之，任何一種試驗(yàn)，必須根據(jù)試驗(yàn)要求、設(shè)備性能進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。有時(shí)，還可能需要根據(jù)試驗(yàn)要求對原有設(shè)備進(jìn)行某些改進(jìn)。試驗(yàn)設(shè)備只能提供一定性能的試驗(yàn)條件。如何利用這些條件來解決自己的研究問題，還必須研究相關(guān)的技術(shù)問題。

生物組織的材料力學(xué)特性與工程上常見的非生物組織有較大差別。因此，生物實(shí)驗(yàn)研究用的激波管與工程用激波管相比，有一些特殊的要求。

利用激波管模擬產(chǎn)生爆炸波進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求追趕激波的第一道反射稀疏波抵達(dá)激波波陣面以后的波形是指數(shù)波，而不是“平臺波”。

值得注意的是，不同的火器（槍、炮）、爆炸種類（化爆、核爆）和爆炸當(dāng)量，產(chǎn)生的波形不同，損傷情況也不一樣。例如，炮口激波對炮手聽器和非聽器的損傷作用、多次發(fā)射時(shí)的損傷累積效應(yīng)、子彈在水中飛行時(shí)產(chǎn)生的激波對細(xì)胞代謝和形態(tài)的影響等，均和激波波形參數(shù)有直接關(guān)系。室內(nèi)、坑道成掩體內(nèi)的爆炸，或者裝甲車、軍艦等密閉或半密閉空間內(nèi)的爆炸，產(chǎn)生的激波多次反射形成復(fù)雜波，所致傷情具有特殊性。

生物實(shí)驗(yàn)時(shí)，動物置于激波管被驅(qū)動段管口的前方，利用流出管口后的激波致傷；同時(shí)，也要求避免激波管本身造成的某些不必要波形因素。這對研究各種爆炸波與生物損傷之間的關(guān)系是非常重要的。

在整體、器官、組織、細(xì)胞等水平研究激波的效應(yīng)，需用全身暴露、局部暴露、在體或離體器官和組織灌注、細(xì)胞培養(yǎng)等精巧的實(shí)驗(yàn)技術(shù)；血液氧和系統(tǒng)、恒溫裝置、呼吸道等要放在動物附近或穿經(jīng)管壁與動物相連，并且不為管內(nèi)激波破壞。

研究激波壓力-傷情關(guān)系，激波作用瞬間動物胸或腹腔容積的變化，膈肌運(yùn)動，胸或腹壁對激波載荷響應(yīng)的位移及其變化率，胸腹壁獲得的動量向深部器官和組織轉(zhuǎn)移，激波經(jīng)組織和血管傳播時(shí)的時(shí)間差異，壓力波在血管系統(tǒng)內(nèi)的向心性傳遞及波的干涉效應(yīng)，電生理指標(biāo)的測定及呼吸狀態(tài)的調(diào)控，應(yīng)力波在不同組界面上的反射、傳遞在某些組織結(jié)構(gòu)附近形成的應(yīng)力集中或聚焦等，需將不同類型的傳感器置于激波管中，放在動物體表或體內(nèi)，高速攝影機(jī)或高速X線攝影機(jī)要就近配置并記錄有關(guān)參數(shù)及其變化。要求激波管的設(shè)計(jì)能保證上述方法的實(shí)施，傳感器或測試儀器不受破壞。

激波管閉口使用時(shí)，可提高反射壓，但激波消失后的數(shù)秒至數(shù)分鐘內(nèi)，管內(nèi)的高壓環(huán)境可使動物窒息。從另一方面看，強(qiáng)激波作用引起動物急性死亡，主要原因是肺內(nèi)氣體進(jìn)入肺靜脈，導(dǎo)致冠狀動脈或腦動脈氣栓，如用高壓艙治療，可降低死亡率，激波管內(nèi)的高壓環(huán)境也可能有治療和預(yù)防作用。這兩種情況均使致傷因素復(fù)雜化，增加分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的難度，因?yàn)檫@在一般的爆炸中是不會出現(xiàn)的。

研究高空飛行員和潛水員水下作業(yè)時(shí)遇到的爆炸及損傷關(guān)系時(shí)，需降低或提高被驅(qū)動段的壓力。使動物在不同環(huán)境壓力下受激波作用，致傷后迅速地將環(huán)境壓降低或升高，并維持一定的時(shí)間。

因此，要求激波管管體密封性強(qiáng)，配備快速充壓和泄壓的設(shè)施，或能對實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行快速密封隔離，以保證升壓和降壓的速度。

爆炸當(dāng)量及動物與爆心的距離和傷情直接相關(guān)。當(dāng)量小、距爆心近（即超壓峰值高、作用時(shí)間短），引起沖量型損傷，反之則為壓力型損傷。研究這兩種損傷的差異及其防護(hù)，要求激波管產(chǎn)生的激波超壓峰值和作用時(shí)間的范圍較寬。但當(dāng)正壓時(shí)間超過5ms，一般不要求超壓峰值超過600kPa，因此時(shí)已達(dá)到常用實(shí)驗(yàn)動物百分之百死亡的閾值。

化學(xué)爆炸時(shí)，產(chǎn)生大量的一氧化碳等毒性氣體，可使動物窒息、中毒或死亡，不利于探討某單一因素（如超壓）的致傷效應(yīng)及其機(jī)制，進(jìn)行劑量-效應(yīng)研究、制定殺傷范圍或死亡率時(shí)，又要求激波管驅(qū)動源能產(chǎn)生炸藥或氣浪彈等爆炸的毒性環(huán)境。

按照驅(qū)動段、被驅(qū)動段的長度和內(nèi)徑分類，生物激波管可分成大、中、小和微型；按照作用時(shí)間的長短分類，可分成長、中、短作用時(shí)間的激波管；按照超壓峰值的幅度分類，可分成高、中、低壓型激波管。但上述任意一種分類均不能全面概括生物激波管的特性，例如微型激波管可產(chǎn)生長達(dá)1秒的正壓作用時(shí)間。就目前文獻(xiàn)報(bào)道所知，僅美國和中國建成了生物激波管系列。

美國自20世紀(jì)50年代初開始，在新墨西哥城的Lovelace基地建造了直徑為0.31～1.83米的四臺多用激波管，歷時(shí)11年。利用近百種裝配方式對12種動物（包括鼠、兔、豬、犬、羊等），進(jìn)行了上萬次實(shí)驗(yàn)，研究了動物對激波載荷的耐受性和種屬相關(guān)性，并用外推法建立了人體損傷標(biāo)準(zhǔn)。

總長54.56m。驅(qū)動段內(nèi)徑1.07m、長4.75m；在38m長的擴(kuò)散段和2.74m長的錐形段后，連接有直徑1.83m、長9.14m的實(shí)驗(yàn)段。末端用擋板密封，以行超壓致傷研究。

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：①在錐形段表面，設(shè)置了7個(gè)方孔，面積共0.65m ²；②錐形段遠(yuǎn)離驅(qū)動段；③下設(shè)輪軌系統(tǒng)，便于夾膜操作和管段互換。通過錐形段上的孔，可引導(dǎo)稀疏波，避免激波在擋板和錐形段之間發(fā)生多次反射，輪軌系統(tǒng)可調(diào)節(jié)動物所在的實(shí)驗(yàn)段位置，這均可“修飾”波形以選擇所需的波形參數(shù)。

總長21.34m。驅(qū)動段長5.31m、直徑1.03m；近夾膜處，呈錐形，直徑變?yōu)?.61m。自夾膜處依次接擴(kuò)散段（內(nèi)徑0.61m，長9.14m）、錐形段（長 0.91m），同時(shí)內(nèi)徑又增至1.03m；后接6.71m長的等截面實(shí)驗(yàn)段；末端用擋板封閉，做超壓致傷研究。

其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：①驅(qū)動段末端為半球形，對反射稀疏波的形成不利，可延長激波正壓作用時(shí)間；②驅(qū)動段呈噴管狀，增大了驅(qū)動段內(nèi)容積，但夾膜面積不大，可延長作用時(shí)間，并節(jié)省夾膜材料；③鄰近實(shí)驗(yàn)段處的錐形段上均勻分布三個(gè)梯形孔，總面積為0.19m ²，可引入稀疏波，使“平臺形”激波迅速變成指數(shù)形的爆炸波，比在驅(qū)動段處接錐形段更能充分利用超壓峰值；這些孔還可起激波消失后的快速泄壓作用，也能使激波在末端擋板和錐形段之間多次反射時(shí)的幅度迅速降低；④錐形段是半球形，球面上反射的激波有聚焦作用、不致于又反射到9m遠(yuǎn)處的動物身上，使作用在動物體表的激波波形更接近于單次爆炸波；⑤正壓作用時(shí)間可達(dá)400ms。

后來對此設(shè)備又作了改進(jìn)。用長0.91m、直徑0.61m的管段作驅(qū)動段，以降低進(jìn)入被驅(qū)動段內(nèi)的氣體容積。原直徑1.03m、長5.31m的驅(qū)動段作儲氣瓶或真空瓶用，通過管道和閥與驅(qū)動段和被驅(qū)動段相通，可調(diào)節(jié)破膜前后的實(shí)驗(yàn)段內(nèi)壓力，模擬高空和水下爆炸時(shí)的環(huán)境壓力。數(shù)個(gè)動物籠直接安裝在被驅(qū)動段末端的擋板上。用此法證明，破膜前和/或破膜后提高管內(nèi)壓力，持續(xù)1小時(shí)，可降低動物死亡率。

總長43.6m。驅(qū)動段內(nèi)徑0.61m，長度于1.52～3.05m之間可調(diào)；前29.56m擴(kuò)散段為圓形等截面，后接9.75m長的平底半圓形截面的管段，余下的4.27m恢復(fù)成圓截面。實(shí)驗(yàn)段5.18m長，距夾膜處10.67m。實(shí)驗(yàn)段管壁上安裝5個(gè)容積為 20.3cm×20.3cm×20.3cm的盒狀結(jié)構(gòu)以放置小動物，通過向盒內(nèi)放置不同大小和形態(tài)的充填塊，可改變盒內(nèi)動物暴露的面積和高度，模擬激波對掩體中人員于各種暴露姿勢時(shí)的致傷條件。9.75m長平底管段內(nèi)裝有5塊面積為43.18cm×43.18cm方形鋼板，以安放不同形狀的動物模型；如安放在背側(cè)，可研究繞流激波的致傷作用，模擬人員處于墻后時(shí)的受傷條件。

和“0.61m直徑激波管”相似。驅(qū)動段內(nèi)徑0.61m、長0.76m，擴(kuò)散段末端開口使用時(shí)，被驅(qū)動段長9.14m，閉口使用時(shí)為5.18m。在擴(kuò)散段上可安裝通氣管道，增加或降低破膜前后的擴(kuò)散段內(nèi)壓力，模擬環(huán)境壓改變對傷情的影響（0.5～1.5個(gè)大氣壓）。

為產(chǎn)生不同波形、不同作用時(shí)間的激波，常常采用適當(dāng)?shù)淖儚焦苓M(jìn)行多種組合，形成組合式激波管。其結(jié)構(gòu)特征如下：

1.改變驅(qū)動段長度或在錐形段開孔，以獲取不同正壓時(shí)間的波形。

2.在夾膜處和/或擴(kuò)散段中部，將法蘭對接的管段留有8～25cm的空隙，或?qū)⑤^細(xì)的上游管端直接置于下游較粗的管端附近，中間留有一定寬度的空隙，呈離斷式組合。上游來的“平臺型”激波到達(dá)空隙時(shí)，迅速稀疏成指數(shù)型爆炸波，到達(dá)動物后的擋板發(fā)生反射，流經(jīng)這些空隙時(shí)，又稀疏一次，到達(dá)驅(qū)動段末端擋板反射回來后，流至這些空隙，再次發(fā)生稀疏，此時(shí)激波強(qiáng)度經(jīng)三次稀疏后已銳減，動物受到的基本是單次指數(shù)波的作用。

擴(kuò)散段用較細(xì)的管段，實(shí)驗(yàn)段用較粗的鋼管，并在實(shí)驗(yàn)段前的錐形段上開孔，以產(chǎn)生典型爆炸波的方法，或利用離斷式裝配以修飾波形的方法，均表明：擴(kuò)散段的管徑可縮小、總長度可縮短、波形因素可明顯改善；方法簡單易行，在生物激波管的設(shè)計(jì)中值得借鑒。

3.移動擋板式裝配：用0.61m內(nèi)徑的等截面激波管，在接近擴(kuò)散段末端的管壁上，安裝動物盒，盒深約等于小動物胸腔橫徑。擴(kuò)散段末端擋板可前后移動，改變作用在盒內(nèi)動物體表上的激波入射和反射峰之間的時(shí)間差，模擬掩體、地堡內(nèi)或與某固壁不同距離時(shí)人員受到激波作用的條件，探討這個(gè)時(shí)間差對傷情的影響。已證明：小動物受激波作用時(shí)，該時(shí)間差越大，耐受性越高。

4.為模擬Nevada核試驗(yàn)場中單兵掩體內(nèi)動物受到的激波作用時(shí)間，用長6.02m、最大內(nèi)徑為1.03m、容積3.82m ³的丁烷氣罐作驅(qū)動段；該驅(qū)動段一端為半球形，一端為錐形，由兩個(gè)錐度相同的錐段串接而成，使內(nèi)徑降為0.31m。在0.31m處或兩個(gè)錐段之間可夾膜。實(shí)驗(yàn)段最大內(nèi)徑1.03m、長約2m，內(nèi)容積約1.1m ³，形狀是端頭為球面的圓柱體，在兩球端焊接直徑為0.31m的鋼管，一端用帶孔的鋼板封閉，孔的面積可變，另一端通過三通管（直徑0.31m）與驅(qū)動段呈線形或“T”形連接。三通管的三個(gè)臂的長度均可調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)段設(shè)內(nèi)置球面形擋板，移動時(shí)可改交氣流的速度與方向，動物置于擋板的球凹內(nèi)。根據(jù)三通管的臂長、總開孔面積、移動式擋板的位置，可調(diào)節(jié)作用在動物體表上的激波超壓峰值、壓力上升和下降的速率；可使壓力在10～155ms內(nèi)升至690～1 380kPa，正壓時(shí)間可達(dá)5～20s，能模擬千萬噸當(dāng)量的核爆激波正壓時(shí)間。

上述激波管均用壓縮空氣驅(qū)動，用聚酯軟片做夾膜，采用充氣破膜或槍擊破膜方式。

Clemedson等研究兔肺順應(yīng)性的變化時(shí)，用變截面激波管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。動物位于實(shí)驗(yàn)段（內(nèi)徑2.3m、長12m）末端，緊靠末端擋板；爆炸段內(nèi)徑0.7m、長4m，后接細(xì)排氣管和消音器。改變排氣管開口面積，可調(diào)節(jié)反射壓的幅度和作用時(shí)間；炸藥置于2m長的錐形段之間，可模擬7～30g TNT爆炸，超壓峰值和正壓時(shí)間分別可達(dá)360kPa和15ms。

Read等報(bào)道了總長 72.5m、實(shí)驗(yàn)段內(nèi)徑達(dá)4.9m的近錐形激波管，可模擬20噸TNT爆炸的超壓峰值和作用時(shí)間，波形與真實(shí)化爆很相似。Phillips等用長36.6m，內(nèi)徑3.0m的火藥驅(qū)動的激波管做了綿羊穿防彈衣時(shí)的壓力-傷情試驗(yàn)，動物靠擋板，另一端開口，超壓峰值420kPa。

近年來，研究局部激波暴露-傷情關(guān)系和局部沖擊載荷-撞擊傷關(guān)系時(shí)，常用微型激波管。車禍時(shí)，常發(fā)生局部鈍性撞擊傷。Yen等研究肺對沖擊載荷的響應(yīng)時(shí)，制造了微型激波管。驅(qū)動段內(nèi)徑2.5cm，用壓縮空氣驅(qū)動，用紙做夾膜，充壓207～276kPa，氣動針刺破膜。

Jaffin等研究局部沖擊傷時(shí)，設(shè)計(jì)了類似的微型激波發(fā)生器。驅(qū)動段容積 150ml，承壓10～25MPa，用一片或數(shù)片0.36mm厚鋁箔作夾膜，自然充氣破膜。動物置于被驅(qū)動段管口前方，調(diào)節(jié)動物與管口的距離，可改變激波強(qiáng)度，作用時(shí)間均為340μs，用高速X線攝影法觀察到了激波在動物體表形成的馬赫板（Mach disc）及高速氣流的撞擊現(xiàn)象。特點(diǎn)是可在直視狀態(tài)下測定動物的心電圖變化；在驅(qū)動段末端可接高壓軟管，在軟管的另一端設(shè)置夾膜段，以調(diào)控激波的作用方向。

上述激波管產(chǎn)生的波形均不光滑。有人用泄壓原理，研制了波形規(guī)劃、呈指數(shù)衰減、作用時(shí)間長達(dá)1秒的泄壓式微型激波管。動物置于擴(kuò)散段末端，使用帶泄壓孔的擋板將末端封閉。用延時(shí)器控制泄壓孔的開放面積和速率。破膜后，當(dāng)激波到達(dá)動物時(shí)，泄壓孔打開。因被驅(qū)動段很短，激波消失后，高壓氣體充盈于整個(gè)管道中，形成高壓環(huán)境，使泄壓孔開啟面積呈指數(shù)微型加大，管內(nèi)壓力呈指數(shù)型下降；調(diào)節(jié)泄壓孔的放氣速度，改變壓力波形下降沿的曲率，可使正壓作用時(shí)間長達(dá)1秒，相當(dāng)于萬噸級核爆的時(shí)間。在激波管兩端放置松軟不平的吸波物質(zhì)，以免反射波和稀疏波影響波曲線的光滑，得到的指數(shù)波形甚佳。

激波管激波的生物效應(yīng)與化爆或核爆相似。用激波管開展沖擊傷研究時(shí)，有若干優(yōu)點(diǎn)。

1.可經(jīng)濟(jì)地得到長作用時(shí)間的激波，易于模擬和重復(fù)某些波形，這是生物實(shí)驗(yàn)大樣本統(tǒng)計(jì)資料的基本要求。

2.記錄動物體內(nèi)生理變化的儀器以及特殊的直視或X線攝影裝置，可接近激波管，在致傷瞬間或傷后早期有可能進(jìn)行在化爆現(xiàn)場難以做到甚至不可能做到的各種功能和動力學(xué)測量，且結(jié)果穩(wěn)定、重復(fù)性佳。

3.改變激波管的裝配方法可改變波形參數(shù)，并可通過適當(dāng)?shù)霓k法對波形進(jìn)行修飾。

4.動物傷情重復(fù)性較好，可同時(shí)進(jìn)行多種指標(biāo)檢測。

5.實(shí)驗(yàn)可在室內(nèi)或?qū)嶒?yàn)室附近開展，避免化爆時(shí)的長途奔波，節(jié)省人力和財(cái)力，實(shí)驗(yàn)程序和結(jié)果不受外界氣候條件的影響。

大型化爆或核爆時(shí)，負(fù)壓時(shí)間遠(yuǎn)大于正壓時(shí)間，可達(dá)2～10倍；有研究指出，負(fù)壓對傷情也有影響。在激波管中，負(fù)壓幅度和時(shí)間取決于反射稀疏波尾氣體壓力是否低于被驅(qū)動段內(nèi)初始時(shí)刻的壓力。與初始時(shí)刻的壓力相比，稀疏波尾的氣體壓力越低、持續(xù)時(shí)間越長，則負(fù)壓時(shí)間越長、負(fù)壓值越大。但目前圓柱形激波管的工作原理及其結(jié)構(gòu)，均不能產(chǎn)生強(qiáng)大的稀疏波，負(fù)壓參數(shù)不能達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)。也許探討產(chǎn)生長負(fù)壓時(shí)間的激波管工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身，就是一個(gè)新的課題。

化爆或核爆時(shí)，波形遠(yuǎn)不如激波管激波波形光滑和規(guī)則。有人推測，肺損傷是由于爆炸波的低頻成分接近肺的固有頻率造成的，激波管波形不存在爆炸波的大量諧頻成分，對傷情可能有一定影響；同一化爆條件下，受氣候、地形、建筑物、防護(hù)狀態(tài)、體位等影響，波形因素和傷情的差異均較大。有限數(shù)量的激波管，不可能完全模擬這些條件。

進(jìn)行劑量-效應(yīng)關(guān)系研究，炸藥量的選擇范圍相當(dāng)寬（1克至2 000噸）。還常將一些胸腹模型或假人等置于實(shí)驗(yàn)場中，研究密閉環(huán)境中復(fù)合激波的生物效應(yīng)；常選用坑道、裝甲車等，探討爆炸波動壓作用對沖擊傷繼發(fā)效應(yīng)和第三效應(yīng)等的影響。全面模擬上述情況，對任何實(shí)驗(yàn)室來說，均有相當(dāng)?shù)碾y度，甚至是不可能的。

從上述意義講，生物激波管不可能完全代替化爆或核爆實(shí)驗(yàn)。

一臺定型的激波管，模擬爆炸波的能力很有限，需建造激波管系列及高壓氣源等配套系統(tǒng)，才能滿足一般的實(shí)驗(yàn)要求。這使得沖擊傷研究不易在一般的實(shí)驗(yàn)室開展，也使一次性實(shí)驗(yàn)投資較大。從設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試至投入使用，往往需數(shù)年的時(shí)間才能完成。對于時(shí)間要求較緊的課題，當(dāng)然不如選擇化爆。對定型的激波管，模擬化爆的范圍有限，不可能廣泛應(yīng)用；但某一具體的生物實(shí)驗(yàn)課題的周期并不長，使設(shè)備閑置。這均使激波管的利用率不高。

用壓縮空氣驅(qū)動的激波管，常備高壓儲氣設(shè)施，至少在某具體實(shí)驗(yàn)的整個(gè)周期中是如此，激波管往往設(shè)置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或附近，對工作人員和環(huán)境均有一定的危險(xiǎn)性。和開闊地化爆時(shí)人員遠(yuǎn)離現(xiàn)場的情況不同，用炸藥或壓縮空氣驅(qū)動的激波管，會產(chǎn)生較大的震動和百余分貝以上的噪聲。閉口使用時(shí)，不便設(shè)置消音系統(tǒng)，對操作和測試人員及附近環(huán)境有一定的危害。

1983年下半年，第三軍醫(yī)大學(xué)野戰(zhàn)外科研究所在中國科學(xué)院力學(xué)研究所的協(xié)助下開始建造一臺供動物沖擊傷試驗(yàn)用激波管。該激波管的技術(shù)參數(shù)要求為：試驗(yàn)區(qū)內(nèi)徑1m，超壓2kg/cm ²，正壓作用時(shí)間大于20ms。波前沿陡峭，峰值處無平臺，波形規(guī)整。除技術(shù)要求外，著重提出要造價(jià)低廉。

考慮到爆炸效應(yīng)不僅正壓區(qū)有作用，尤其是對生物沖擊傷試驗(yàn)，負(fù)壓區(qū)作用更不應(yīng)忽略。因此，除前述要求外，加上模擬負(fù)壓區(qū)要求。

要全部滿足上述各種要求，仿造任何一種現(xiàn)有設(shè)備都是難以辦到的。必須在工作原理上創(chuàng)新，以求研制出一種結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)要求低而性能良好的新設(shè)備。

20世紀(jì)60年代美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室建成的巨型錐形激波管，可能是最早全面模擬爆炸波及波后氣流的設(shè)備。它是將空間爆炸切出一小塊，除了管壁摩擦和管尾反射波影響外，實(shí)質(zhì)上是一種現(xiàn)場試驗(yàn)。由于錐形管制造工藝?yán)щy加上結(jié)構(gòu)龐大，造價(jià)昂貴，難以推廣采用。20世紀(jì)70年代，德法兩國對錐形激波管采取了兩點(diǎn)改進(jìn)：一是將被驅(qū)動段由錐形改為圓管；二是將錐形驅(qū)動段近似簡化為階梯管，再簡化為多根長度不同的圓管。這些改進(jìn)，使得制造工藝簡化了，但后一改變引起同步破膜困難和波形起伏。具有錐形驅(qū)動段的激波管是當(dāng)破膜形成激波時(shí)，驅(qū)動段錐形壁面形成的連續(xù)稀疏波立刻趕上激波，激波強(qiáng)度（密度）逐漸衰減，波后氣流壓力亦逐漸下降。形成爆炸波壓力波形。

對于普通等截面激波管，只要被驅(qū)動段與驅(qū)動段長度比達(dá)到某定值，則在驅(qū)動段末端反射回的稀疏波將趕上激波。在該截面以后的流動與錐形驅(qū)動段激波管流動相同，同樣可產(chǎn)生爆炸波壓力波形。在稀疏波剛趕上激波處，超壓峰值最高。由于該處距夾膜處有相當(dāng)距離，因而具有一定正壓區(qū)時(shí)間。錐形驅(qū)動段激波管最高超壓峰值在夾膜處附近，正壓作用時(shí)間短。試驗(yàn)區(qū)在下游，正壓作用時(shí)間可延長，但不能充分使用最大峰壓。

當(dāng)反射稀疏波尾的氣體壓力低于被驅(qū)動段初始壓力，就能形成負(fù)壓區(qū)。

爆炸波波形參數(shù)超壓峰值（Δ P ₊）、負(fù)壓最大值（Δ P _-）、驅(qū)動氣體驅(qū)動壓力（ P ₄）、反射稀疏波趕上激波處的被驅(qū)動段無量綱長度、正壓作用時(shí)間（ T ₊），可由激波管理論公式求出。由于計(jì)算復(fù)雜，不再贅述。

已建成的爆炸效應(yīng)試驗(yàn)激波管，多數(shù)采用炸藥或火藥燃?xì)怛?qū)動，少數(shù)采用壓縮空氣。炸藥燃?xì)饴曀俑撸菀撰@得強(qiáng)爆炸波或高峰值壓力。缺點(diǎn)是燃?xì)鉃槿毖蹩扇細(xì)猓c大氣接觸將再燃燒。在分界面燃燒將干擾流場，在出口燃燒將增高噪聲。對于生物實(shí)驗(yàn)還將造成燒傷和窒息。壓縮空氣由于聲速低，適用于產(chǎn)生低中等超壓。此外，在其他條件相同時(shí)，正壓作用時(shí)間較長。根據(jù)本設(shè)備要求，決定選用壓縮空氣驅(qū)動。

當(dāng)爆炸波傳到激波管末端出口處，產(chǎn)生的反射波傳回試驗(yàn)區(qū)將干擾壓力波形。其次，強(qiáng)度較高的爆炸波傳出管外，對周圍建筑可能造成破壞并影響環(huán)境。為此，需要采取消波措施。

第一種方案為末端出口處消波。根據(jù)不定常波傳播特性，波在封閉端反射同類波：壓縮波或稀疏波在開口端反射異類波。若出口處適當(dāng)收縮則可減弱甚至消除反射波。這種消波方案主要功能在于降低反射波對試驗(yàn)區(qū)的不利影響。由于出口沖擊力巨大，端部反射器結(jié)構(gòu)笨重，難以調(diào)節(jié)。當(dāng)試驗(yàn)參數(shù)改變時(shí)，消波效果差別較大。

第二種方案為多層孔板消波。激波或爆炸波在其中傳播引起的反射與渦干擾，動能將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋＿@種消波方案對強(qiáng)波的衰減很有效，對弱波的作用差。考慮到不便于放置試驗(yàn)動物，未采用這種方案。

第三種是開孔管消波。激波或爆炸波通過開孔管時(shí)，部分氣體向側(cè)向泄放，波強(qiáng)度因而逐漸衰減。衰減到允許值后，從末端排出。本設(shè)備采用這種方案，消波效果良好，但消聲效果不滿意。在考慮方案時(shí)，可能未考慮近距離內(nèi)有居民區(qū)，未著重解決消聲問題。

當(dāng)激波管工作時(shí)，后坐力很大。若將管體固定在地基上，則基礎(chǔ)混凝土用量將很大。本設(shè)備采用活動安裝。由于采用開口管和設(shè)計(jì)中盡量增加質(zhì)量，使得每次試驗(yàn)移動距離不大。多次試驗(yàn)后調(diào)整一次即可。

大口徑等截面管的膜片口徑大，夾膜機(jī)尺寸亦大。夾膜機(jī)尺寸愈大造價(jià)愈高。為求節(jié)約，縮小驅(qū)動段內(nèi)徑。根據(jù)現(xiàn)有材料，選定內(nèi)徑為346mm。驅(qū)動段內(nèi)徑縮小，同樣驅(qū)動壓力條件下，產(chǎn)生的激波強(qiáng)度下降。按已配氣源可滿足要求。而造價(jià)及試驗(yàn)費(fèi)可降低。此外，低強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，變截面的負(fù)壓值加大。

第三軍醫(yī)大學(xué)（現(xiàn)陸軍軍醫(yī)大學(xué)）王正國等在1985～1988年間，先后研制成國內(nèi)唯一用于沖擊傷研究的大、中、小（微）系列生物激波管。大量動物實(shí)驗(yàn)表明，此套裝置可使羊、狗、兔、豚鼠、大鼠等動物造成從輕傷至現(xiàn)場死亡的不同程度損傷，并可根據(jù)需要造成眼球等局部損傷，因而能較好地滿足沖擊傷實(shí)驗(yàn)研究的需要。現(xiàn)將有關(guān)研制和應(yīng)用情況敘述如下。

激波管全長39.0m，由驅(qū)動段、擴(kuò)張段、過渡段、試驗(yàn)段、消波段及附屬設(shè)備、空氣壓縮機(jī)、高壓氣罐等組成，采用雙夾膜結(jié)構(gòu)。驅(qū)動段長1.41m、內(nèi)徑均為0.348m，擴(kuò)張段長1.0m、內(nèi)徑0.348～1m，過渡段和試驗(yàn)段長24.0m，消波段長11m、內(nèi)徑均為1m。實(shí)測結(jié)果顯示：試驗(yàn)段末端開口時(shí)，試驗(yàn)段超壓達(dá)0.219MPa，正壓作用時(shí)間為 32.7ms，負(fù)壓為0.9MPa；試驗(yàn)段末端封閉時(shí)，試驗(yàn)段超壓可達(dá)0.63MPa，正壓作用時(shí)間24.5ms，因而可模擬幾十千克至6 000千克TNT炸藥空爆時(shí)的爆炸波。

設(shè)計(jì)原理：利用驅(qū)動端末端擋板的反射稀疏波，使稀疏波和激波在管道中同向運(yùn)行；當(dāng)稀疏波趕上激波時(shí)，激波壓力迅速下降；稀疏波尾壓力低于大氣壓時(shí)，則可得到負(fù)壓相；據(jù)此，可模擬出既有正壓又有負(fù)壓的爆炸波。此外，利用活動擋板調(diào)節(jié)驅(qū)動段的長度或改變驅(qū)動段內(nèi)壓力，可調(diào)節(jié)試驗(yàn)段的超壓和負(fù)壓峰值以及相應(yīng)的作用時(shí)間，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)參數(shù)可控的目的。采用壓縮空氣（而不是炸藥）驅(qū)動，可避免生物中毒。用純鋁作膜片，采用雙膜階梯充壓式破膜法，可精確控制破膜壓力和避免碎片造成動物破片傷。實(shí)驗(yàn)段末端設(shè)計(jì)有活動擋板，可以模擬開闊地或有限空間內(nèi)爆炸的兩種致傷條件。

驅(qū)動段有五種基本裝配型，內(nèi)徑分別為 77mm、100mm、200mm、350mm和600mm，可分別模擬高原爆炸波、水下爆炸波、爆炸性減壓、高速氣流撞擊效應(yīng)等；超壓值和正壓作用時(shí)間分別為2.52～650kPa和0.2～2 000ms，能以±1dB和±1ms為步長改變致傷條件。

設(shè)計(jì)原理：驅(qū)動段內(nèi)的稀疏波可趕上激波，這是模擬萬噸級核爆炸波正壓作用時(shí)間的前提條件。驅(qū)動段采用串接組合方式，可得到12種不同長度，從而提高模擬爆炸波的能力和范圍。利用激波在截面變化處的錐形段和末端擋板間的距離，可得到不同的入射波與反射波間的時(shí)間差。為模擬離某一反射壁不同距離時(shí)人體受兩次爆炸波作用的條件，此設(shè)備為密封式設(shè)計(jì)：A艙和B艙上裝有負(fù)壓，正壓調(diào)控器和供水供氣系統(tǒng)，可在破膜前將艙內(nèi)壓力維持在低氣壓水平以模擬高原作戰(zhàn)或高空氣行時(shí)的爆炸條件。若維持在高壓環(huán)境或采用充水加壓方法，則可模擬潛水員水下作業(yè)時(shí)遇到爆炸波作用的條件。致傷后，利用A艙或B艙可迅速將動物艙內(nèi)恢復(fù)到致傷前水平，以提高模擬的真實(shí)性。驅(qū)動段末端為半球形盲端，可使稀疏波不能同步反射，從而在較短的設(shè)備上得到作用時(shí)間長達(dá)100ms的爆炸波波形。若置于試驗(yàn)段末端，則可研究聚焦激波的作用，并提高致傷強(qiáng)度。

激波管全長0.5m，設(shè)計(jì)承壓68.6MPa，試驗(yàn)段有9個(gè)截面（內(nèi)徑2～10mm），超壓峰值和正壓作用時(shí)間分別為26.8～477.0kPa和0.062～16.8ms。該裝置用于產(chǎn)生點(diǎn)源性爆炸波，允許定距離、定面積和定位的爆炸波暴露。

設(shè)計(jì)原理：利用激波傳播至管口后在空氣中迅速稀疏而獲得爆炸波；為提高生成不同強(qiáng)度爆炸波的能力，可采用鋼質(zhì)充填塊改變驅(qū)動段容積或壓力；通過調(diào)節(jié)管口與布放動物間的距離，改變動物所受的爆炸波強(qiáng)度。此外，通過防護(hù)罩上開孔直徑，可以作定部位、定面積的局部沖擊傷研究；萬向管架可改變激波方向，以便于實(shí)驗(yàn)操作。該設(shè)備允許使用壓力、加速度和位移等傳感器，以記錄爆炸波作用瞬間生物體內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)。

系列生物激波管建成以來，先后應(yīng)用1459只動物（大鼠757只、豚鼠105只、家兔 335只、犬240只、羊22只）進(jìn)行全身或局部（眼、耳、頭、胸、腹）沖擊傷實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示：此套設(shè)備可造成自聽器官輕度傷至立即死亡的各種程度的沖擊傷；擋板閉合時(shí)，可作超壓致傷實(shí)驗(yàn)；開口時(shí)，可作超壓和動壓共同致傷實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)將部分動物實(shí)驗(yàn)資料報(bào)告如下。

用成年雄性雜種狗 52 只，體重（12.3±1.8）kg，BST-Ⅰ型激波管致傷。52只動物中，7只于傷后5分鐘內(nèi)死亡；其中，4只死于嚴(yán)重肺出血和水腫，2只死于肝脾破裂引起的內(nèi)出血，1只死于冠狀動脈氣栓。

用家兔50只，分為5組，每組10只。第1、3組動物用繃帶環(huán)繞其胸廓，使沖擊波作用后胸廓擴(kuò)張受限，以達(dá)到減輕肺損傷的防護(hù)目的。第2、4組動物為致傷對照，而第5組為正常對照。結(jié)果顯示：用繃帶包繞的第1、3組動物，其肺出血面積明顯小于無繃帶包繞的第2、4組動物（ P<0.05）。

將60只家兔置于距管口4cm和2cm處，分別正向和側(cè)向暴露兔眼；超壓峰值分別為（477.0±42.4）kPa和（236.7±22.0）kPa、正壓作用時(shí)間分別為（8.2±0.3）ms和（0.062±0.23）ms，致傷后傷眼有瞳孔縮小（占97.5%），眼壓升高（占80%），健側(cè)眼分別為22.5%和35%，兩眼差別顯著（ P<0.05）。病理檢查見傷眼有角膜、晶體、視網(wǎng)膜及眼球血管膜損傷。嚴(yán)重者可發(fā)生眼球破裂、視路斷離，甚至眼球被擊出體外。值得注意的是，有的傷眼角膜和前房無明顯改變，但卻發(fā)生了晶體和視網(wǎng)膜損傷。

實(shí)驗(yàn)動物為50只大鼠、體重為（234±25）g；均分為 5組，第1和第 3組為胸部致傷組，第2、4組為腹部致傷組，第5組為對照組。第1、2組的暴露距離為15mm，而第3、4組的暴露距離為135mm。結(jié)果表明：胸部暴露時(shí)，僅出現(xiàn)胸部損傷（肺出血），腹部無臟器損傷；而腹部暴露時(shí)，胸腹部臟器均有損傷，這可能是由于腹部受壓時(shí)膈肌突然上頂所致。

為進(jìn)行沖擊傷的實(shí)驗(yàn)研究，以往多用炸藥爆炸法給動物致傷。此種方法雖接近真實(shí)情況，但很難得到準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù)，也很難在現(xiàn)場對動物進(jìn)行早期功能等檢查。傷情不夠穩(wěn)定，重復(fù)性差；而采用激波管致傷，則能較好地克服上述缺點(diǎn)。

美國和瑞典曾于20世紀(jì)50年代研制了實(shí)驗(yàn)室用小型生物激波管，內(nèi)徑0.1m、長1m至數(shù)米，分為驅(qū)動段和試驗(yàn)段兩部分；中間用膠片隔開。用此裝置進(jìn)行了壓力值與小鼠死亡率關(guān)系等研究。

20世紀(jì)60年代后，美國Richmond等先后研制5種大型或中型的生物激波管。并用此裝置系統(tǒng)研究了不同壓力峰值、不同正壓作用時(shí)間條件下，不同動物的致傷或致死效應(yīng)，進(jìn)而將其結(jié)果推論到人體。

1987年，美國Jaffin等設(shè)計(jì)了一種微型激波發(fā)生器。其驅(qū)動段容積15ml，承壓10～25MPa。用一片或數(shù)片0.36mm厚鋁箔作膜片，自然充氣破膜。用此裝置可作小動物實(shí)驗(yàn)。

第三軍醫(yī)大學(xué)王正國等研制的激波管在前人工作的基礎(chǔ)上又有所改進(jìn)，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是：①同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有大、中、小三型，基本上做到了系列化。②由于設(shè)計(jì)原理新穎（如BST-Ⅰ型利用驅(qū)動段末端擋板的反射稀疏波追趕激波，當(dāng)稀疏波尾壓力低于大氣壓時(shí)，則可得到負(fù)壓波），可得到典型的爆炸波形。國外的生物激波管多不能產(chǎn)生典型的負(fù)壓波，因而模擬的程度較差。③采用雙夾膜結(jié)構(gòu)，可更好地調(diào)控壓力。④BST-Ⅰ型為多功能組合式，可分別模擬高原環(huán)境下的爆炸波、水下爆炸波、爆炸性減壓、高速氣流撞擊效應(yīng)等。⑤由于裝置配套，故實(shí)驗(yàn)范圍廣；既可造成大小動物（羊、犬、兔、鼠等）的全身損傷，也可造成局部損傷；既可造成超壓傷，也可造成超壓和動壓共同作用的損傷；既可造成輕傷，也可造成致死性損傷。基于以上情況，可以認(rèn)為：上述系列化生物激波管是先進(jìn)的，能較好地滿足沖擊傷實(shí)驗(yàn)研究的需要，并使其達(dá)到更高的水平。

大約自1950年開始，激波管已被發(fā)展成為有很多用途的試驗(yàn)工具之一。已經(jīng)成為研究空氣動力學(xué)、超高音速空氣動力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、物理力學(xué)（尤其是高溫物理）、爆炸力學(xué)、凝結(jié)效應(yīng)、化學(xué)流體力學(xué)、電磁流體力學(xué)、低溫力學(xué)、天文物理學(xué)等有關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究的有效工具，深受航空、宇宙航行、物理、化學(xué)、天文、爆破、防護(hù)工程、環(huán)境保護(hù)（指噪聲和污染）、計(jì)量等部門的歡迎。同時(shí)，由于造價(jià)和投資低，深受高等院校、研究所等部門歡迎。但對我國來說，在這方面還是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，必須大力加以扶持和加強(qiáng)。

生物激波管是指專門或主要用于生物實(shí)驗(yàn)的激波管。此種裝置所產(chǎn)生的激波，可模擬核爆炸或炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的爆炸波。第三軍醫(yī)大學(xué)生物激波管實(shí)驗(yàn)室，已建成生物激波管系列，利用近百種組合方式，對大鼠、豚鼠、家兔、狗和綿羊進(jìn)行了千余次模擬爆炸實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，激波管的類型和性能已經(jīng)能基本滿足生物研究的需要，有力推動激波動力學(xué)的學(xué)科發(fā)展及與其他學(xué)科的交叉融合。

值得注意的是，用激波管研究爆炸沖擊波的損傷效應(yīng)，在國外已有近40年的歷史，但在國內(nèi)還屬一條新路，尚有理論上和實(shí)踐上的經(jīng)驗(yàn)要總結(jié)。進(jìn)一步探討生物研究用激波管的理論和設(shè)計(jì)方面的特點(diǎn)，對沖擊傷研究非常重要，對加強(qiáng)力學(xué)、生物力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)及其他學(xué)科的互相聯(lián)系和滲透，亦會起推動作用。

1.王正國.沖擊傷.北京：人民軍醫(yī)出版社，1983：40-93.

2.王正國.系列生物激波管的研制及應(yīng)用.爆炸與沖擊，1993，13（1）：77-83.

3.俞鴻儒.氫氧燃燒及爆轟驅(qū)動激波管.力學(xué)學(xué)報(bào)，1999，31（4）：389-397.

4.韓惠霖.激波管的發(fā)展與應(yīng)用.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，1980，（3）：717-188.

5.STEWART JB，PECORA C.Explosively driven air blast in a conical shock tube.Rev Sci Instrum，2015，86（3）：351-358.

6.LYNCH PT，TROY TP，AHMED M，et al.Probing combustion chemistry in a miniature shock tube with synchrotron VUV photo ionization mass spectrometry.Anal Chem，2015，87（4）：2345-2352.

7.LUO X，SI T，YANG J，et al.A cylindrical converging shock tube for shock-interface studies.Rev Sci Instrum，2014，85（1）：151-157.