苏联氢弹研制科学理论基础的奠定——核聚变理论工作(1946—1953)

1946—1953年间,苏联4个科研团队的核聚变理论工作,既是苏联氢弹研制的首要工作,也是苏联核计划的重要组成部分,为氢弹研制奠定了科学理论基础。库尔恰托夫团队负责分析情报信息并向政府提供建议,对其他小组的工作进行管理并开展了少许的理论研究工作;泽利多维奇小组是苏联最早对轻核聚变可行性进行研究的团队,开展了与“管式构型”氢弹相关的核聚变理论工作;朗道小组从工作伊始就探索核聚变理论的实际应用问题,就两种构型的氢弹开展了重要的理论计算工作;塔姆小组提出并完善了“层式构型”氢弹的设计构想,并开展了与此相关的核聚变理论工作,在苏联首枚氢弹的研制中发挥了关键作用。他们开展的核聚变理论工作为苏联氢弹研制的设计理论、技术理论等理论问题提供了科学依据,在热核装药的选择、引爆问题、爆炸过程、能量释放以及试爆工作等实际问题的解决中起到了极其重要的理论指导作用。核聚变理论工作不仅为苏联氢弹研制的成功提供了理论保障,而且在某种程度上还加深了核裂变理论的相关研究,进而构建并强化了苏联核武体系的科学理论基础,而且还进一步改进了对原子弹、氢弹的研发工作,大大增强了苏联的国防力量。

乙醇-氢气-空气混合燃气的层流燃烧速度测定

为了研究乙醇的层流燃烧特性,在定容燃烧弹内,分别研究了初始压力为0.3 MPa,氢气比例为50%时,不同初始温度(370 K和450 K)和当量比(0.7~1.4)下,氢气-乙醇混合燃气的火焰传播规律。计算得到了混合燃气的层流燃烧速度和马克斯坦长度,分析了拉伸率对火焰传播速度的影响,同时将研究结果与文献数据进行了比较,验证了计算模型的可靠性。结果表明:随着初始温度的增加,混合燃气的层流燃烧速度也会随之提升;当量比的增加也会提升混合燃气的层流燃烧速度,在当量比为1.2时达到了峰值,随后开始降低。初始温度的增加会在一定条件下会导致火焰的不稳定;在初始温度370 K下,马克斯坦长度始终大于0,火焰一直处于稳定状态;初始温度450 K、0.7~0.9当量比下的马克斯坦长度小于0,火焰出现了不稳定状态,因为较高的初始温度会产生强烈的对流和湍流效应,这些效应会使火焰的边界层受到扰动,造成火焰不稳定;不同初始温度下的马克斯坦长度都随当量比的增加而增加,火焰的稳定性不断提升。对计算得到的层流燃烧速度进行数据拟合,得到了计算乙醇-氢气-空气混合气层流燃烧速度的关系式。

TiH2粉尘火焰传播速度及温度分布的高速二维测量

为探究储氢合金TiH2在温压弹中应用的可行性,利用开放式和半开放式哈特曼管,分别模拟温压弹在空中和地下坑道内的爆炸过程,并利用基于比色测温和轮廓检测技术的高速二维测量平台,研究不同浓度TiH_(2)粉尘云火焰特征参数及其影响因素。实验结果表明:在开放空间内,TiH_(2)粉尘火焰温度在2150~2400 K范围内,随着粉尘浓度的增加,火焰温度呈下降趋势,其初期火焰传播速度和加速度受粉尘浓度影响不大,后期随浓度的增加而增加;在管道受限空间内,不同浓度TiH_(2)粉尘云稳定燃烧的温度都在2430 K左右,粉尘浓度越大、火焰传播到顶部所需时间越短,管道内粉尘的稳定火焰温度较开放空间内的高50~210 K,其火焰传播速度是开放空间内的6~15倍。与传统爆炸测试手段相比,比色测温方法可以准确重构某区域的瞬态温度分布云图,轮廓检测技术可以实现火焰前锋面速度和加速度的精确测量,从而为温压弹的配方设计和毁伤效能鉴定提供了一种新的技术手段。

浅谈工程物理

为了继承发扬王淦昌先生“以身许国”的精神,浙江大学物理学系2018年起开设“工程物理导论”课程,将涉及核武器的公开物理原理和我国研制核武器的历史特别是老一辈科学家科学报国的精神有机融合在课堂教学中。工程物理是一门典型的交叉学科,一方面核结合能的释放是一个微观核物理过程,而要得到宏观效应则是一个典型的非平衡态统计物理的输运问题,因此,涵盖了核物理、原子物理、中子输运、等离子体物理等一大批学科方向。课程以培养物理学专业的学生对大科学工程和工程科学的理解为目标。为纪念王淦昌先生诞辰115周年,我们将课程讲义的导论部分整理修改形成了此文。

氢气乙醇混合物层流燃烧速度及火焰不稳定性研究

氢气是一种高效的添加剂,可改善乙醇燃料的燃烧特性,为更好地应用于燃烧装置,有必要研究其层流燃烧特性。在初始压力为0.1及0.4 MPa,初始温度为400 K,等效比范围为0.7~1.4,氢气比例为20%、50%和80%下进行实验,采用定压法(constant pressure method,CPM)得到层流燃烧速度(laminar burning velocity,LBV)。对火焰发展不同阶段的火焰形貌进行研究,当火焰表面的大裂纹分裂出现小裂纹,并导致新细胞再生时,火焰变得不稳定;还研究流体动力学效应和热扩散效应对火焰固有不稳定性的影响。结果表明:LBV随着氢气比例的增加而增加,在富氢状态下其提升效果更加显著;流体动力不稳定性随着压力的增加而增加,热扩散不稳定性对压力变化不敏感;此外,增加氢气比例或初始压力将使火焰更早变得不稳定。

不同初始压力下氢气燃烧的胞状不稳定性及自加速性

采用高速纹影摄像系统和定容燃烧弹对不同初始压力下（0.1～0.5,MPa）氢气燃烧的不稳定性和自加速性进行了实验研究，分析了火焰胞状不稳定性的发展过程和变化规律，分别对比了火焰轮廓及火焰传播速度的自加速表现．研究结果表明，在火焰没有达到一开始就完全胞状化之前，随初始压力的增大，氢气燃烧的不稳定性增强；胞状不稳定的火焰会出现自加速，而稳定火焰不会出现自加速；火焰的加速特性在均布的胞状结构形成后便会出现，其始点与胞状不稳定的火焰临界半径一致，始点过后，火焰的传播速度（或燃烧速度）随着燃烧半径的增加（或燃烧时间的增加）而不断地自加速．

天然气/氢气燃烧特性研究

在定容燃烧弹中研究了不同氢气掺混比例、燃空当量比和初始压力下的大然气／氢气混合气的燃烧特性，建立了适合用于容弹计算的准维双区模型。研究结果表明：在各种当量比和初始压力下，随着掺氢比例的增加，混合气的质量燃烧速率明显增加，燃烧持续期和火焰发展期娃著缩短。随着掺氢比例的增加，短的燃烧持续期所对应的当量比范围变宽，稀混合气和浓混合气条件下天然气掺氢对火焰发展期缩短的效果更明显。化学计量比附近（1．0—1．1）掺氢燃烧对燃烧最大压力值影响不大，浓混合气（燃空当量比大于1．1）和稀混合气燃烧时，随着掺氢比例的增加，最大燃烧压力值增加。

氢气/空气混合气层流燃烧速度的实验测量与模拟计算

采用高速纹影系统和定容燃烧弹对氢气预混层流燃烧球形膨胀火焰的燃烧速度特性进行研究.分别在改变燃空当量比(0.3～6.0)、初始温度(300～450,K)、初始压力(0.1～0.3,MPa)的条件下,对比分析Markstein长度、火焰传播速度、火焰燃烧速度的变化规律,得出了燃烧速度随燃空当量比、温度、压力变化的拟合公式,并应用CHEMKIN-PRO进行了相应的不同化学反应机理的模拟计算与敏感性分析.研究结果表明,氢气的火焰燃烧速度与传播速度随燃空当量比、温度、压力的变化规律相似,随着燃空当量比的增加其值先增加后减少;随着温度的增加其值增加,且增加的相对幅度较大;中等浓度时,随着压力的增加其值增加,而低浓度和高浓度时随压力的增加而减小.拟合得到的燃烧速度与当量比呈4次多项式关系,温度指数因子与当量比呈3次多项式关系,压力指数因子与当量比呈分段线性关系.

离子电流法测量CH_4/H_2混合气燃烧火焰传播速度的实验研究

在定容燃烧弹上布置一对测量电极,运用离子电流法、根据燃烧火焰在接触测量电极时刻的离子电流信号值,对不同工况下CH4/空气及其掺氢混合气的平均火焰传播速度进行了计算,并与传统光学纹影法测得的火焰速度进行了对比。结果表明：对于CH4/空气混合气预混燃烧火焰,在过量空气系数分别为0.75、0.8、0.85、0.9、1、1.1时,利用离子电流法测得的火焰传播速度分别为1.714、1.935、2.195、2.250、2.045、1.538 m/s,相对纹影法误差分别为1.32%、2.09%、4.65%、3.48%、3.64%、7.06%;对于过量空气系数为0.8的CH4/H2燃料,在掺氢比为0%-80%（10%递增）的情况下,离子电流法测得的火焰传播速度相对于纹影法的误差均在5%之内。该结果为离子电流法的层流火焰传播速度测量提供了理论、实验依据,测量方法简单易行、快捷准确、可行性高。

采用离子电流法测量火焰厚度的研究

在定容燃烧弹上，运用离子电流法，测量了CH4及其掺氢混合气在不同工况下燃烧的离子电流信号，给出了燃烧火焰的前锋面厚度的计算方法，并与已有文献结论进行对比验证，结果表明，对于 CH4/空气混合气预混层流燃烧，利用离子电流法测得的前锋面火焰厚度在空燃比为0.75、0.80、0.85、0.90、1.00和1.10时分别为1.337mm、1.316mm、1.273mm、1.260mm、1.309mm、1.353mm；在空燃比为0.8、掺氢比0-80%,（10%,递增）时测量结果分别为1.456mm、1.371mm、1.216mm、1.111mm、1-062mm、0.951mm、0.857mm、0.871mm 和0.818mm．该结果变化规律均与已有文献结论一致，表明利用离子电流法测量层流火焰厚度以分析火焰稳定性具有较高的可行性，离子电流法不仅能够测量火焰速度，同时还能够在线得出火焰厚度．

稀释气对掺氢天然气层流预混燃烧火焰稳定性的影响

在定容燃烧弹内研究了初始压力为0.1 MPa,初始温度为285 K下掺氢天然气-空气-稀释气体混合气的层流火焰传播过程,获得了在不同掺氢比、稀释度和当量比下的Markstein长度,并结合Markstein长度以及纹影图片分析了氮气稀释气和CO2稀释气对火焰稳定性的影响及其异同.研究结果表明,Markstein长度随着掺氢比的增加而减小.Markstein长度随稀释度的变化规律与掺氢天然气的掺氢比和当量比有关.CO2稀释气对火焰稳定性的影响较氮气更为显著.

氢气预混层流燃烧球形膨胀火焰的拉伸研究

采用高速纹影系统和定容燃烧弹对氢气预混层流燃烧球形膨胀火焰的拉伸进行了研究.分别改变燃空当量比(0.3～4.0)、初始温度(283～400,K)、初始压力(0.05～0.30,MPa)的条件下对比分析拉伸的变化规律,以及拉伸对火焰速度、燃烧速度的影响规律,还解释了拉伸对不等扩散不稳定和流体力学不稳定的影响机理.研究结果表明,随着半径的增大,拉伸率成幂函数关系逐渐减小,其指数和系数值随燃空当量比、温度、压力的变化有明显的变化规律;火焰拉伸的存在使得火焰速度和燃烧速度发生改变,同时它还是火焰不等扩散不稳定和流体力学不稳定发生的前提条件.

掺氢对二甲醚预混层流燃烧特性的影响

利用定容燃烧弹试验和化学反应动力学数值模拟相结合的方法,研究了不同氢气掺混比下的二甲醚-氢气-空气预混层流火焰特性,分析了氢气掺混量(掺氢比)对二甲醚预混层流燃烧速度、绝热火焰温度以及火焰中主要活化自由基的影响。试验结果显示:随掺氢比的增大,混合气体的层流燃烧速度、绝热火焰温度逐渐增大,且在掺氢比小于80%时增大幅度较小,在掺氢比大于80%时,增大幅度较大;掺氢比较小时,混合燃料燃烧初期,火焰中会有一定量的氢气生成,说明混合燃料燃烧过程中,二甲醚会被优先氧化分解,在掺氢比较小的混合燃料燃烧过程中二甲醚的氧化分解占主导地位;随掺氢比的增大,火焰中自由基的浓度逐渐增大,大掺氢比时H自由基浓度增大幅度更为明显,H自由基浓度随掺氢比增大的剧增导致层流燃烧速度的剧增。

稀释气对掺氢天然气层流预混燃烧燃烧速率的影响

在定容燃烧弹内研究了初始压力为0.1 MPa、初始温度为285 K时掺氢天然气-空气-稀释气体混合气层流预混燃烧的火焰传播规律,获得了分别使用氮气和二氧化碳作为稀释气时,在不同掺氢比、稀释度和当量比下的无拉伸层流燃烧速率,并分析了氮气和二氧化碳稀释气对燃烧速率的影响.结果表明:无拉伸层流燃烧速率随着掺氢比的增加而增加,随着稀释度的增加而减小,二氧化碳对燃烧速率的作用强于氮气.

钱学森对祖国建设的科学思考与贡献

钱学森回国50多年来,作为中国航天事业的重要奠基人,于"文化大革命"之后,在继续搞好自然科学工程技术工作的同时,兼而深入探索、研究社会科学与哲学等许多新的领域,对于如何更加科学而民主地建设社会主义祖国,提出一系列独创的、前瞻性的科学理论与设想,有些已产生巨大的社会效益,其价值和意义不亚于、甚至超过了他对中国"两弹一星"的杰出贡献。

甲烷-氢气-空气预混合气燃烧特性研究

在定容燃烧弹内进行了甲烷-氢气-空气混合气燃烧试验,采集燃烧压力数据和火焰扩散图片,讨论不同的初始温度、初始压力、燃空当量比、掺氢比对甲烷-氢气-空气混合气的最大燃烧压力、最大压力升高率、燃烧速率和燃烧稳定性的影响.结果表明:混合气在较高初始温度和较低初始压力下,燃烧速率相对较大;随着混合气中氢气比例增加,最大燃烧压力值增大,其出现时刻提前,火焰半径明显增大且出现褶皱,火焰传播稳定性降低.

定容燃烧模拟装置内氢气绝热理论燃烧温度的计算

进行了定容燃烧模拟装置内氢气绝热理论燃烧温度的热力学分析和计算,在定容燃烧弹内,实际的燃烧过程是定容过程而不是定压过程,应在定容绝热条件下进行氢气绝热理论燃烧温度的计算,氢气的定容绝热理论火焰温度和定压绝热理论火焰温度是不同的,在化学反应平衡方程式所需的化学计量浓度附近,其燃烧温度和压力都达到最大值。

氢气定容燃烧模拟实验装置设计与应用

设计了氢气定容燃烧模拟实验装置,利用纹影法在此装置中进行了无隔板和带隔板条件下的氢气空气预混合物燃烧特性研究。结果表明,该装置可模拟氢气、空气预混合物的自燃。本文实验条件下,无隔板实验中,球形火焰两端出现两股火焰;氢气空气预混合物的自燃首先发生在球形火焰前锋与两侧壁面的夹角区域。带隔板实验中,2种方案都可实现自燃;其中第2种方案可有效阻断火焰从上燃烧室传播到下燃烧室,进而实现自燃。

储氢型乳化震源弹配方设计及爆轰性能研究

为了提高乳化震源弹的爆炸威力和抗压性能,同时减少环境污染和安全隐患,设计了一种储氢型乳化震源弹,以TiH_2-玻璃微球复合敏化的乳化炸药作为起爆药柱,MgH_2化学敏化的乳化炸药作为主装药。利用猛度实验、爆速实验、水下爆炸实验和冲击波动压实验,分别研究了TiH_2-玻璃微球复合敏化乳化炸药的爆炸威力和MgH_2化学敏化乳化炸药的爆炸威力及抗压性能。结果表明,与传统乳化震源弹相比,储氢型乳化震源弹中TiH_2-玻璃微球复合敏化的乳化炸药爆炸威力大,铅柱压缩量为23.80mm,达到军用炸药猛度,同时爆速达到4 659m/s,适合作为起爆药柱代替TNT起爆药柱;MgH_2化学敏化乳化炸药的爆炸威力大且抗压性能好,峰值压力、比冲量、冲击波总能较传统玻璃微球敏化炸药分别提高了8.7%、12.4%、33.0%,适合作为主装药代替乳化炸药主装药;采用储氢型乳化震源弹替代传统震源弹具有较好的应用前景。

不同初始压力下掺氢天然气的燃烧特性

在定容燃烧弹内研究了不同初始压力下天然气-氢气-空气混合气的火焰传播规律,得到了不同掺氢比例和初始压力下,不同燃空当量比时混合气的层流燃烧速率,并分析了火焰的稳定性及其影响因素.研究结果表明,随着天然气中掺氢比例的增加,混合气的燃烧速率增加,且增长速率逐渐加快,而马克斯坦长度值则随着掺氢比例的增加而减小,即火焰的稳定性下降.不同初始压力下,随着燃空当量比的增加,马克斯坦长度值在不同掺氢比例下均增加,显示火焰的稳定性增加.无拉伸层流燃烧速率随着初始压力的增加略有减小,且在化学当量比附近,变化的初始压力和掺氢比对无拉伸层流燃烧速率的影响最为明显.