自从第二次世界大战特别是核武器出现以来，爆炸效应研究极受关注。爆炸效应试验可以在现场或实验室进行。现场试验真实性好，但环境恶劣、费用昂贵，适于综合性或最后的考核。实验室试验条件易于控制与改变，测量准确度高，宜于开展基础性研究工作。在实验室进行爆炸效应试验的关键装置是爆炸模拟器。在各种类型的爆炸模拟器中，激波管具有明显的优越性。发展激波管爆炸模拟器受到世界各国的重视。

20世纪40年代就已经建造了直径2米、长60米的激波管；这种早期设备是将炸药悬吊在管的一端，而试验模型则置于另一端进行试验。模拟考虑比较简单。20世纪60年代初，美国Lovelace医学教育与研究基地建造了内径42英寸-72英寸（1英寸=0.0254米）和12英寸-24英寸-40英寸多种组合变截面激波管，利用管端反射激波进行生物冲击伤试验；但是，这些设备产生的压力波形不规整，利用反射区做试验不能模拟气流效应。与此同时，西德马赫研究所研制了一种等压激波管。这种设备构思新颖，当末端开放气孔时，能产生作用时间相当长的爆炸波压力波形。与前述设备一样，只能模拟静压作用。从20世纪50年代末开始历时十年，美国海军武器实验室建成巨型锥激波管。该设备工作原理很直观，就是将球对称的爆炸空间切出一个小的立体锥供试验用，以节省炸药用量并相应降低对周围环境的影响，其流动条件接近现场试验。主要缺点为结构十分庞大，但正压作用时间仍然有限。20世纪70年代，针对锥激波管的缺点，着重解决缩小结构尺寸和降低费用，西德马赫研究所的Amann和法国d’Etudes中心的Gratias先后采用多根长度不同的驱动段来模拟锥形驱动段，而被驱动段则改为等截面管。这种新结构激波管，由于采用空气驱动，结构长度缩短而正压作用时间仍很长。为了避免平面激波受横向气流干扰，要求所有驱动段膜片在工作过程中同时破裂。Amann认为破膜时间差应低于5μs，这对破膜技术及操作要求都比较高。更主要的缺点是由于各驱动段长度不同，获得的压力波形还产生与驱动段数目相对应的起伏。在这期间，原中国人民解放军总参谋部工程兵科研三所亦建起了国内专用爆炸效应试验激波管。

值得注意的是，工业意外爆炸事故、国际恐怖活动、常规战争和核袭击时，冲击伤较多见。为探讨冲击伤的发生机制及防治措施、制定各种军用和民用的损伤标准，美国、瑞典和中国等国家利用激波管进行了大规模的模拟爆炸试验，并推动激波动力学的学科发展及与其他学科的交叉融合。整体来说，研究方向集中于以下几点：①激波传播、反射、折射与相互作用；②超声速与高超声速流动；③爆轰物理与应用；④流动模拟与实验测试技术；⑤数值模拟研究；⑥实验设备与测量技术；⑦激波的多学科交叉及应用。习惯上，人们将适用于生物实验研究的激波管称为生物激波管。生物激波管作为“致伤源”设备，在上述研究中有重要意义。

为了解释生物激波管，首先要解释激波，我们可以用日常生活中的例子来说明它。大家知道空气的某一点发生轻微的压力变化时，这种变化就会以声速传播出去。可是假设在静止的空气某一点或小的体积内，压力突然发生剧烈的变化，例如爆炸，则压力波传播的速度比音速快，其快慢根据爆炸的强弱而定。这种波的特点是当波前到达某一球面时，在该球面上气体的物理性质发生剧烈变化，而其波前不到的地方，空气不受到任何影响。波后面的压力与密度比静止的空气压力及密度高，波后面的粒子也流动起来。这样的波，我们叫它为激波，或更准确一点叫前进激波。

还有另外一种激波，是我们日常生活中不容易觉察到的，譬如一个圆锥形的子弹以超音速在空气中飞行时，在它的前面就有一激波。为了证明这一点，我们可以把子弹头放在超音速的风洞里，用特种照相法可得如图6-1所示的激波现象。

我们假设激波是没有厚度的，严格说起来空气的分子不可能在没有厚度的面上就完成突然的变化，换言之，激波是有厚度的，分子的突变是在相当于分子的平均自由路程的厚度内完成的。在通常的情形下，分子的平均自由路程很小，所以在运算上假设激波为一物理性质不连续的面，或称之为间断面（图6-2）。

第一个计算激波前后物理态关系的是黎曼（Riemann），但是他犯了理论上的错误；经兰肯（Rankine）及雨果里阿（Hugoriot）各自独立的改正后，便得到下面计算激波的公式：设激波静止，又设 P ₁、 ρ ₁、 T ₁及 M ₁代表激波前的压力、密度、温度及马赫数， P ₂、 ρ ₂、 T ₂及 M ₂代表激波后面的压力、密度、温度及马赫数，γ为气体的等压比热与等体积比热之比，则：

因为激波管流中也有稀疏波，除了说明激波外，还应该说明什么是稀疏波。让我们参看图6-3所示的两个实验：

设活塞在一长管中以某常速向右前进[图6-3（a）]，则产生一向右前进的激波。如前面所说，激波所到区域内的空气受到压缩作用，并向右流动；在激波前的空气维持静止，不受任何影响。这实验进一步解释了激波。相反地，若使活塞向左以某常速后退，则产生如图6-3（b）所示的稀疏波。当活塞开始后退时，空气不是立刻就受到影响，仅仅是波头所到的区域内的空气受到影响。波头以音速向右前进，波头的空气粒子速度仍然为零，但开始受到稀疏波的加速作用。换言之，当稀疏波经过某一粒子时，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样，同时不再有加速。在波尾与活塞间的粒子速度均与活塞后退速度一样。活塞后退超过某速度时（此速称为逃速），波尾与活塞间成真空，故前者叫不完全扩张，后者叫完全扩张。

激波管不过是一根长管子，两端封闭，当中用薄膜分隔为高压室与低压室。普通两室中均是空气，也有时用其他气体，如氢、氩、氦、氮、氧等。当薄膜被刺破时，因高压室与低压室的压力差而产生波动。首先分析低压室发生的现象。这一现象相当于活塞在管中前进，靠近薄膜的分子被压缩而形成激波以超音速沿低压室前进。在激波前面的物理状态，不受薄膜破裂影响。激波后面与接触面之间的气体被压缩后获得一均匀流速。

再来分析高压室所发生的现象，此现象相当于活塞在管中后退。在高压室这边，薄膜附近产生稀疏波。稀疏波头以音速向左传播，波头左侧是未受扰动的高压气体，波的厚度决定于波前后的压力比。在稀疏波与接触面之间的分子，已经过扩散程序，并获得一均匀流速，其粒子速度与前相等。由于接触面与稀疏波之间的气体经过扩张，其温度下降，接触面与激波之间的气体曾被压缩、温度上升，故前者的温度比后者低。因此，前者的声速比后者低，结果是前者的马赫数比后者的大。

实验证明，根据上面简单的波及均匀流场推算出来的结果很正确。现列举其结果如下。其中， α代表声速， P代表压力， u代表粒子速度， w代表激波速度， x代表沿激波管与薄膜的距离， ρ代表密度， C _p代表等压比热， C _v代表等体积比热， M 代表马赫数， T 代表温度， E _ij=（ C _v T） _i/（ C _v T） _j（i，j指激波管流中某流场中的物理态）， 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， =向右传播的激波， =向左传播的稀疏波， =向右传播的接触面。

从上面的公式看来，只要测量在薄膜破裂前管内气体的物理态，就可以计算激波管流。

众所周知，核武器有四种杀伤因素：光辐射、冲击波、早期核辐射、放射性沾染。实际上，人们还发现，电磁脉冲的破坏也是不能忽视的。这些破坏杀伤因素中，冲击波的破坏杀伤威力最大。在核武器防护研究中，冲击波的防护研究占有相当重要的地位。冲击波对人员的杀伤，分为直接杀伤和间接杀伤两种。所谓直接杀伤，就是人员受到冲击波的作用致伤；间接杀伤是冲击波作用于各种建筑物及物体，使建筑物倒塌，或被冲击波抛射的各种物体，如武器装备、砂石、砖瓦、碎玻璃等造成的机械性损伤。核爆炸冲击伤可分为轻度、中度、重度、极重度四种。对地面暴露人员造成各等级冲击伤都有相应的冲击波超压值；而对重度、极重度冲击伤，还有相应的动压值。在同一比例爆高下，核武器空中爆炸、2万吨级、中度冲击伤的范围，距爆心投影点约1 000米；100万吨级，中度冲击伤的范围，距爆心投影点达4 000米，杀伤范围是相当大的。日本受原子弹袭击后，伤员中70%有冲击伤。在广岛原子弹袭击后，早期死亡人员中，60%是因冲击伤致死的。

核爆炸冲击波，其正压作用时间比较长，自0.3秒到2～3秒。这就使得冲击波可以从各种孔口进入坚固防护工事的内部，破坏内部设施及杀伤内部人员。如何防止冲击波从进风口、排风口、排烟孔、排水口、门等进入防护工程内部，即孔口防护问题，是防护工程设计研究人员十分重视的问题。

随着核武器威力的增大，为了利用自然岩土的承载能力以增强其抗力，防护工程不断往地下深入。北美防空司令部地下指挥所主体部分的自然防护层厚420米。近年来，民防工程引起世界各国的重视，欧洲流行“原子时代就是地下时代”“欧洲进入地下”等说法；瑞士掩蔽人数占总人口80%，防护工程深入地下。这就提出了激波在岩土介质中的传播问题。

冲击波防护涉及许多力学研究课题。关键问题包括：核爆炸冲击波参数的计算问题；冲击波遇到各种障碍物的反射、绕射等问题；地面建筑物和物体所受的动荷载问题；热气层对激波的影响；激波进入管道或坑道的传播与衰减；波在岩土介质中的传播；荷载与地下结构、介质的相互作用问题等。总之，很多问题亟待研究。

防护研究除涉及许多理论与计算问题外，必须重视试验研究。1945—1972年，美国进行了大气层核试验193次，地下核试验358次，水下核试验5次。核试验主要是为了研究核武器本身的技术问题；同时，也进行核武器效应的其他试验，其中包括冲击波防护的试验。但由于核试验场的条件、气候影响各种杀伤因素对参试人员的限制，直接试验并不能完全解决问题。为求试验的经济性、可靠性、重复性，人们研制了多种模拟爆炸冲击波的室内试验设备。

激波管技术早在19世纪80年代就有了；但用于抗爆的试验研究，却还是近几十年的事。1953年瑞典首先建成直径为1.0米，长11.5米的激波管。20世纪50年代末，美国海陆空三军相继建成各种类型的激波管，其中美海军武器实验室的大型锥形激波管最大，锥尖直径0.4米，锥底直径7.2米，全长736.4米。我国从20世纪60年代初将激波管用于抗爆研究。激波管能进行哪些冲击波防护问题的试验研究呢？

激波进入管道或坑道时，如果入射波方向与管道或坑道轴向的夹角不同，则在管道或坑道内所形成的新激波强度是不同的。激波在管道内传播，由于附面层和膨胀波的影响，激波强度是衰减的；管道的断面变化或轴线方向变化时，激波强度则可能减小也可能增大。如管道面积是缩小的，激波强度就增大；管道是弯曲的，激波传播过程中发生反射，折射等，超压值是增大的。管道几何形状引起的超压值增大，总是小于激波正反射的超压值。激波在非等截面或非直管中传播，其波动图像是比较复杂的；用波动理论进行计算，既复杂又无实际的必要。国内外所提出的经验性、半经验性的计算公式，主要是通过试验总结出来的。美国空军设计手册明确指出，资料的主要来源是模型坑道体系激波管的研究。国内也进行过“几种坑道出入口形式的试验研究”“人防工事出入口压力分布试验”等，通过激波管试验、获得各种形式出入口的压力分布以及门上压力值。只要按照适当的相似条件进行模型设计，所得结果还是可供应用的，如能与核效应试验相检验与修正，实际应用时就更可靠了。

结构物上的动荷载，不仅与入射激波的自由场参数（风速、压力、方向等）有关，而且与结构物形状、表面性质等有关。一般用动压力乘以阻力系数来确定动荷载。但是，恒速风洞测得的阻力系数，不能直接用于抗爆的地面结构物，因为激波后的风速是瞬时变化的。自由场参数对阻力的影响是由雷诺数（ R）与马赫数（ M）表示的。雷诺数表示气流绕物体的活动形式：低雷诺数表示平滑层流；而高雷诺数时，结构物后面形成紊尾流，紊流边界层将较小的阻力传给目标。临界雷诺数范围内气流不稳定，随时间而发生变化。马赫数可分为三个范围：亚音速范围大约 M<0.5，结构物周围的气流有亚音速的；跨音速范国大约为0.5< M<2，结构物周围的气流有亚音速和超音速的；超音速范围为 M>2，结构物周围的气流都是超音速的。为了研究地面建筑物的动荷载，国内还利用抗爆激波管进行过地面建筑物破坏以及附建式人防工事顶板荷载的试验，圆锥体的荷载分布试验，地形对激波的影响等。

抗爆工程结构试验的内容是比较多的，国内外都进行了不少试验。总体可归为两大类，一类为防爆波设备，如防爆波活门，防护门，消波槽，过滤设备等；另一类为防护结构，多为浅埋的结构，如梁、拱、圆形结构等。防爆波设备的试验，多数是通过试验检验设备的强度以及防爆波性能是否符合设计的标准和要求等。防护结构试验，由于相似条件难以完全满足，往往只做小型试验，用来检验理论计算方法，探索结构的动力效应规律。国内利用抗爆激波管进行了这两类问题的许多试验研究。浅埋结构小型试验，要注意两方面问题，第一是结构放置的位置，要保证压缩波峰值通过结构稍后，即结构最大位移出现之前，箱体前璧反射波及箱体后壁稀疏波不能到达结构上；第二是结构变形参数的量测结果分析问题，对所有量测参数，同时作出记录起始时标，以便读出某一瞬时的各点参数值、分析的着重点是压缩波最大峰值通过整个结构时，结构的反应情况，或者分析结构位移最大值出现的瞬时情况，不能进行全波形的分析，因为全波形包括了边壁反射与稀疏的影响。为了研究箱体边壁影响，曾对模拟箱体进行过空气激波在箱体的波动图像的光学摄影（晕光仪测量），试验表明，满足试验要求的位置是可以选择到的。有人对激波管能否进行浅埋结构试验持怀疑态度，其根据是边壁反射影响及全波形的分析。殊不知，激波管在气动力学模型试验，往往也是选用定常流那段时间做试验的。对砂介质箱体调试表明，箱底的反射影响范围不大，如采用消能垫，可以进一步减少箱底反射的影响。这就表明，激波管做浅埋小型结构试验是可行的。

激波管产生的激波是一个强间断面，具有突然加载的形式，加载速度很快，进行土壤的动力性能试验是比较好的。为了提高压力峰值，往往利用端面反射进行试验。等截面激波管产生的激波是一维波，用圆柱形土壤接在管端进行试验，只要注意消除边壁摩擦的影响，是可以进行一维波在土中传播的试验研究的。国外进行土壤动力性能试验和土中应力波传播试验，多数是在垂直激波管中进行的。

核武器出现之后，冲击伤是防护医学上的重要研究课题，国内外的资料表明，“冲击伤”研究的致伤源大多数采用激波管。生物效应既可作定性观察，又可作定量测量，进行冲击伤的早期诊断、病理解剖和实验治疗等系统研究。室内试验可以重复进行，便于观察，参试人员不必采取防护措施就可以进行试验研究工作，对系统研究规律性的东西是有利的。但是，必须与核效应试验相结合，找出两者的差异与相关因素，才能推断室内试验成果的相似性。

压力传感器的动态性能检验，主要包括压力值的标定曲线、频率特性、阻尼特性等。人们为了研究检验压力传感器的动态性能，研制了一些试验设备，激波管是其中之一，而且是有效的。激波管可以产生强间断面，这就保证了陡峻的压力前沿，使信号具有阶跃信号的特征，激波后有一定常流动区，往后为非定常流动，整个持续时间可达110ms。激波管产生的压力波形，其频带是比较宽广的。它是压力传感器动态性能检验的比较理想的设备。压力值可以用激波马赫数换算。激波速度的量测系统，配上高精度的瞬时值数字电压表，是可以获得比较可靠的压力标定值。大量的压力标定试验表明，采用激波管进行超压传感器的标定，是准确可靠的，相对误差在±2%以内。对动压传感器的性能检验问题，试验表明，由传感器的响应曲线，可以分析出绕射特性、阻尼特性、拖曳特性等。对动压值的标定问题，由于在定常流动区内，接触面前后气流的速度是相同的，但密度不同，其动压值也是不同的，呈阶跃形。动压的实验值与理论值，在超压值较大时，往往偏离。激波管作为动压的标定设备，对其数值的换算与误差分析等，尚需进一步研究。

综上所述，激波管用途广泛，是抗爆试验研究不可缺少的设备。作为加载设备，技术上是比较成熟的。但是，如何应用这种设备，更有效地进行各种抗爆工程试验，还需要进一步研究试验理论与试验技术问题。譬如，抗爆工程试验的相似律问题；减少箱壁摩擦、箱壁反射的技术措施；大压力标定的增压措施及其误差分析等。总之，任何一种试验，必须根据试验要求、设备性能进行试验方案的设计。有时，还可能需要根据试验要求对原有设备进行某些改进。试验设备只能提供一定性能的试验条件。如何利用这些条件来解决自己的研究问题，还必须研究相关的技术问题。

生物组织的材料力学特性与工程上常见的非生物组织有较大差别。因此，生物实验研究用的激波管与工程用激波管相比，有一些特殊的要求。

利用激波管模拟产生爆炸波进行生物实验时，要求追赶激波的第一道反射稀疏波抵达激波波阵面以后的波形是指数波，而不是“平台波”。

值得注意的是，不同的火器（枪、炮）、爆炸种类（化爆、核爆）和爆炸当量，产生的波形不同，损伤情况也不一样。例如，炮口激波对炮手听器和非听器的损伤作用、多次发射时的损伤累积效应、子弹在水中飞行时产生的激波对细胞代谢和形态的影响等，均和激波波形参数有直接关系。室内、坑道成掩体内的爆炸，或者装甲车、军舰等密闭或半密闭空间内的爆炸，产生的激波多次反射形成复杂波，所致伤情具有特殊性。

生物实验时，动物置于激波管被驱动段管口的前方，利用流出管口后的激波致伤；同时，也要求避免激波管本身造成的某些不必要波形因素。这对研究各种爆炸波与生物损伤之间的关系是非常重要的。

在整体、器官、组织、细胞等水平研究激波的效应，需用全身暴露、局部暴露、在体或离体器官和组织灌注、细胞培养等精巧的实验技术；血液氧和系统、恒温装置、呼吸道等要放在动物附近或穿经管壁与动物相连，并且不为管内激波破坏。

研究激波压力-伤情关系，激波作用瞬间动物胸或腹腔容积的变化，膈肌运动，胸或腹壁对激波载荷响应的位移及其变化率，胸腹壁获得的动量向深部器官和组织转移，激波经组织和血管传播时的时间差异，压力波在血管系统内的向心性传递及波的干涉效应，电生理指标的测定及呼吸状态的调控，应力波在不同组界面上的反射、传递在某些组织结构附近形成的应力集中或聚焦等，需将不同类型的传感器置于激波管中，放在动物体表或体内，高速摄影机或高速X线摄影机要就近配置并记录有关参数及其变化。要求激波管的设计能保证上述方法的实施，传感器或测试仪器不受破坏。

激波管闭口使用时，可提高反射压，但激波消失后的数秒至数分钟内，管内的高压环境可使动物窒息。从另一方面看，强激波作用引起动物急性死亡，主要原因是肺内气体进入肺静脉，导致冠状动脉或脑动脉气栓，如用高压舱治疗，可降低死亡率，激波管内的高压环境也可能有治疗和预防作用。这两种情况均使致伤因素复杂化，增加分析实验结果的难度，因为这在一般的爆炸中是不会出现的。

研究高空飞行员和潜水员水下作业时遇到的爆炸及损伤关系时，需降低或提高被驱动段的压力。使动物在不同环境压力下受激波作用，致伤后迅速地将环境压降低或升高，并维持一定的时间。

因此，要求激波管管体密封性强，配备快速充压和泄压的设施，或能对实验段进行快速密封隔离，以保证升压和降压的速度。

爆炸当量及动物与爆心的距离和伤情直接相关。当量小、距爆心近（即超压峰值高、作用时间短），引起冲量型损伤，反之则为压力型损伤。研究这两种损伤的差异及其防护，要求激波管产生的激波超压峰值和作用时间的范围较宽。但当正压时间超过5ms，一般不要求超压峰值超过600kPa，因此时已达到常用实验动物百分之百死亡的阈值。

化学爆炸时，产生大量的一氧化碳等毒性气体，可使动物窒息、中毒或死亡，不利于探讨某单一因素（如超压）的致伤效应及其机制，进行剂量-效应研究、制定杀伤范围或死亡率时，又要求激波管驱动源能产生炸药或气浪弹等爆炸的毒性环境。

按照驱动段、被驱动段的长度和内径分类，生物激波管可分成大、中、小和微型；按照作用时间的长短分类，可分成长、中、短作用时间的激波管；按照超压峰值的幅度分类，可分成高、中、低压型激波管。但上述任意一种分类均不能全面概括生物激波管的特性，例如微型激波管可产生长达1秒的正压作用时间。就目前文献报道所知，仅美国和中国建成了生物激波管系列。

美国自20世纪50年代初开始，在新墨西哥城的Lovelace基地建造了直径为0.31～1.83米的四台多用激波管，历时11年。利用近百种装配方式对12种动物（包括鼠、兔、猪、犬、羊等），进行了上万次实验，研究了动物对激波载荷的耐受性和种属相关性，并用外推法建立了人体损伤标准。

总长54.56m。驱动段内径1.07m、长4.75m；在38m长的扩散段和2.74m长的锥形段后，连接有直径1.83m、长9.14m的实验段。末端用挡板密封，以行超压致伤研究。

其结构特点是：①在锥形段表面，设置了7个方孔，面积共0.65m ²；②锥形段远离驱动段；③下设轮轨系统，便于夹膜操作和管段互换。通过锥形段上的孔，可引导稀疏波，避免激波在挡板和锥形段之间发生多次反射，轮轨系统可调节动物所在的实验段位置，这均可“修饰”波形以选择所需的波形参数。

总长21.34m。驱动段长5.31m、直径1.03m；近夹膜处，呈锥形，直径变为0.61m。自夹膜处依次接扩散段（内径0.61m，长9.14m）、锥形段（长 0.91m），同时内径又增至1.03m；后接6.71m长的等截面实验段；末端用挡板封闭，做超压致伤研究。

其结构特点是：①驱动段末端为半球形，对反射稀疏波的形成不利，可延长激波正压作用时间；②驱动段呈喷管状，增大了驱动段内容积，但夹膜面积不大，可延长作用时间，并节省夹膜材料；③邻近实验段处的锥形段上均匀分布三个梯形孔，总面积为0.19m ²，可引入稀疏波，使“平台形”激波迅速变成指数形的爆炸波，比在驱动段处接锥形段更能充分利用超压峰值；这些孔还可起激波消失后的快速泄压作用，也能使激波在末端挡板和锥形段之间多次反射时的幅度迅速降低；④锥形段是半球形，球面上反射的激波有聚焦作用、不致于又反射到9m远处的动物身上，使作用在动物体表的激波波形更接近于单次爆炸波；⑤正压作用时间可达400ms。

后来对此设备又作了改进。用长0.91m、直径0.61m的管段作驱动段，以降低进入被驱动段内的气体容积。原直径1.03m、长5.31m的驱动段作储气瓶或真空瓶用，通过管道和阀与驱动段和被驱动段相通，可调节破膜前后的实验段内压力，模拟高空和水下爆炸时的环境压力。数个动物笼直接安装在被驱动段末端的挡板上。用此法证明，破膜前和/或破膜后提高管内压力，持续1小时，可降低动物死亡率。

总长43.6m。驱动段内径0.61m，长度于1.52～3.05m之间可调；前29.56m扩散段为圆形等截面，后接9.75m长的平底半圆形截面的管段，余下的4.27m恢复成圆截面。实验段5.18m长，距夹膜处10.67m。实验段管壁上安装5个容积为 20.3cm×20.3cm×20.3cm的盒状结构以放置小动物，通过向盒内放置不同大小和形态的充填块，可改变盒内动物暴露的面积和高度，模拟激波对掩体中人员于各种暴露姿势时的致伤条件。9.75m长平底管段内装有5块面积为43.18cm×43.18cm方形钢板，以安放不同形状的动物模型；如安放在背侧，可研究绕流激波的致伤作用，模拟人员处于墙后时的受伤条件。

和“0.61m直径激波管”相似。驱动段内径0.61m、长0.76m，扩散段末端开口使用时，被驱动段长9.14m，闭口使用时为5.18m。在扩散段上可安装通气管道，增加或降低破膜前后的扩散段内压力，模拟环境压改变对伤情的影响（0.5～1.5个大气压）。

为产生不同波形、不同作用时间的激波，常常采用适当的变径管进行多种组合，形成组合式激波管。其结构特征如下：

1.改变驱动段长度或在锥形段开孔，以获取不同正压时间的波形。

2.在夹膜处和/或扩散段中部，将法兰对接的管段留有8～25cm的空隙，或将较细的上游管端直接置于下游较粗的管端附近，中间留有一定宽度的空隙，呈离断式组合。上游来的“平台型”激波到达空隙时，迅速稀疏成指数型爆炸波，到达动物后的挡板发生反射，流经这些空隙时，又稀疏一次，到达驱动段末端挡板反射回来后，流至这些空隙，再次发生稀疏，此时激波强度经三次稀疏后已锐减，动物受到的基本是单次指数波的作用。

扩散段用较细的管段，实验段用较粗的钢管，并在实验段前的锥形段上开孔，以产生典型爆炸波的方法，或利用离断式装配以修饰波形的方法，均表明：扩散段的管径可缩小、总长度可缩短、波形因素可明显改善；方法简单易行，在生物激波管的设计中值得借鉴。

3.移动挡板式装配：用0.61m内径的等截面激波管，在接近扩散段末端的管壁上，安装动物盒，盒深约等于小动物胸腔横径。扩散段末端挡板可前后移动，改变作用在盒内动物体表上的激波入射和反射峰之间的时间差，模拟掩体、地堡内或与某固壁不同距离时人员受到激波作用的条件，探讨这个时间差对伤情的影响。已证明：小动物受激波作用时，该时间差越大，耐受性越高。

4.为模拟Nevada核试验场中单兵掩体内动物受到的激波作用时间，用长6.02m、最大内径为1.03m、容积3.82m ³的丁烷气罐作驱动段；该驱动段一端为半球形，一端为锥形，由两个锥度相同的锥段串接而成，使内径降为0.31m。在0.31m处或两个锥段之间可夹膜。实验段最大内径1.03m、长约2m，内容积约1.1m ³，形状是端头为球面的圆柱体，在两球端焊接直径为0.31m的钢管，一端用带孔的钢板封闭，孔的面积可变，另一端通过三通管（直径0.31m）与驱动段呈线形或“T”形连接。三通管的三个臂的长度均可调节。实验段设内置球面形挡板，移动时可改交气流的速度与方向，动物置于挡板的球凹内。根据三通管的臂长、总开孔面积、移动式挡板的位置，可调节作用在动物体表上的激波超压峰值、压力上升和下降的速率；可使压力在10～155ms内升至690～1 380kPa，正压时间可达5～20s，能模拟千万吨当量的核爆激波正压时间。

上述激波管均用压缩空气驱动，用聚酯软片做夹膜，采用充气破膜或枪击破膜方式。

Clemedson等研究兔肺顺应性的变化时，用变截面激波管进行实验。动物位于实验段（内径2.3m、长12m）末端，紧靠末端挡板；爆炸段内径0.7m、长4m，后接细排气管和消音器。改变排气管开口面积，可调节反射压的幅度和作用时间；炸药置于2m长的锥形段之间，可模拟7～30g TNT爆炸，超压峰值和正压时间分别可达360kPa和15ms。

Read等报道了总长 72.5m、实验段内径达4.9m的近锥形激波管，可模拟20吨TNT爆炸的超压峰值和作用时间，波形与真实化爆很相似。Phillips等用长36.6m，内径3.0m的火药驱动的激波管做了绵羊穿防弹衣时的压力-伤情试验，动物靠挡板，另一端开口，超压峰值420kPa。

近年来，研究局部激波暴露-伤情关系和局部冲击载荷-撞击伤关系时，常用微型激波管。车祸时，常发生局部钝性撞击伤。Yen等研究肺对冲击载荷的响应时，制造了微型激波管。驱动段内径2.5cm，用压缩空气驱动，用纸做夹膜，充压207～276kPa，气动针刺破膜。

Jaffin等研究局部冲击伤时，设计了类似的微型激波发生器。驱动段容积 150ml，承压10～25MPa，用一片或数片0.36mm厚铝箔作夹膜，自然充气破膜。动物置于被驱动段管口前方，调节动物与管口的距离，可改变激波强度，作用时间均为340μs，用高速X线摄影法观察到了激波在动物体表形成的马赫板（Mach disc）及高速气流的撞击现象。特点是可在直视状态下测定动物的心电图变化；在驱动段末端可接高压软管，在软管的另一端设置夹膜段，以调控激波的作用方向。

上述激波管产生的波形均不光滑。有人用泄压原理，研制了波形规划、呈指数衰减、作用时间长达1秒的泄压式微型激波管。动物置于扩散段末端，使用带泄压孔的挡板将末端封闭。用延时器控制泄压孔的开放面积和速率。破膜后，当激波到达动物时，泄压孔打开。因被驱动段很短，激波消失后，高压气体充盈于整个管道中，形成高压环境，使泄压孔开启面积呈指数微型加大，管内压力呈指数型下降；调节泄压孔的放气速度，改变压力波形下降沿的曲率，可使正压作用时间长达1秒，相当于万吨级核爆的时间。在激波管两端放置松软不平的吸波物质，以免反射波和稀疏波影响波曲线的光滑，得到的指数波形甚佳。

激波管激波的生物效应与化爆或核爆相似。用激波管开展冲击伤研究时，有若干优点。

1.可经济地得到长作用时间的激波，易于模拟和重复某些波形，这是生物实验大样本统计资料的基本要求。

2.记录动物体内生理变化的仪器以及特殊的直视或X线摄影装置，可接近激波管，在致伤瞬间或伤后早期有可能进行在化爆现场难以做到甚至不可能做到的各种功能和动力学测量，且结果稳定、重复性佳。

3.改变激波管的装配方法可改变波形参数，并可通过适当的办法对波形进行修饰。

4.动物伤情重复性较好，可同时进行多种指标检测。

5.实验可在室内或实验室附近开展，避免化爆时的长途奔波，节省人力和财力，实验程序和结果不受外界气候条件的影响。

大型化爆或核爆时，负压时间远大于正压时间，可达2～10倍；有研究指出，负压对伤情也有影响。在激波管中，负压幅度和时间取决于反射稀疏波尾气体压力是否低于被驱动段内初始时刻的压力。与初始时刻的压力相比，稀疏波尾的气体压力越低、持续时间越长，则负压时间越长、负压值越大。但目前圆柱形激波管的工作原理及其结构，均不能产生强大的稀疏波，负压参数不能达到上述标准。也许探讨产生长负压时间的激波管工作原理和结构设计本身，就是一个新的课题。

化爆或核爆时，波形远不如激波管激波波形光滑和规则。有人推测，肺损伤是由于爆炸波的低频成分接近肺的固有频率造成的，激波管波形不存在爆炸波的大量谐频成分，对伤情可能有一定影响；同一化爆条件下，受气候、地形、建筑物、防护状态、体位等影响，波形因素和伤情的差异均较大。有限数量的激波管，不可能完全模拟这些条件。

进行剂量-效应关系研究，炸药量的选择范围相当宽（1克至2 000吨）。还常将一些胸腹模型或假人等置于实验场中，研究密闭环境中复合激波的生物效应；常选用坑道、装甲车等，探讨爆炸波动压作用对冲击伤继发效应和第三效应等的影响。全面模拟上述情况，对任何实验室来说，均有相当的难度，甚至是不可能的。

从上述意义讲，生物激波管不可能完全代替化爆或核爆实验。

一台定型的激波管，模拟爆炸波的能力很有限，需建造激波管系列及高压气源等配套系统，才能满足一般的实验要求。这使得冲击伤研究不易在一般的实验室开展，也使一次性实验投资较大。从设计、制造、安装、调试至投入使用，往往需数年的时间才能完成。对于时间要求较紧的课题，当然不如选择化爆。对定型的激波管，模拟化爆的范围有限，不可能广泛应用；但某一具体的生物实验课题的周期并不长，使设备闲置。这均使激波管的利用率不高。

用压缩空气驱动的激波管，常备高压储气设施，至少在某具体实验的整个周期中是如此，激波管往往设置在实验室内或附近，对工作人员和环境均有一定的危险性。和开阔地化爆时人员远离现场的情况不同，用炸药或压缩空气驱动的激波管，会产生较大的震动和百余分贝以上的噪声。闭口使用时，不便设置消音系统，对操作和测试人员及附近环境有一定的危害。

1983年下半年，第三军医大学野战外科研究所在中国科学院力学研究所的协助下开始建造一台供动物冲击伤试验用激波管。该激波管的技术参数要求为：试验区内径1m，超压2kg/cm ²，正压作用时间大于20ms。波前沿陡峭，峰值处无平台，波形规整。除技术要求外，着重提出要造价低廉。

考虑到爆炸效应不仅正压区有作用，尤其是对生物冲击伤试验，负压区作用更不应忽略。因此，除前述要求外，加上模拟负压区要求。

要全部满足上述各种要求，仿造任何一种现有设备都是难以办到的。必须在工作原理上创新，以求研制出一种结构简单、技术要求低而性能良好的新设备。

20世纪60年代美国海军武器实验室建成的巨型锥形激波管，可能是最早全面模拟爆炸波及波后气流的设备。它是将空间爆炸切出一小块，除了管壁摩擦和管尾反射波影响外，实质上是一种现场试验。由于锥形管制造工艺困难加上结构庞大，造价昂贵，难以推广采用。20世纪70年代，德法两国对锥形激波管采取了两点改进：一是将被驱动段由锥形改为圆管；二是将锥形驱动段近似简化为阶梯管，再简化为多根长度不同的圆管。这些改进，使得制造工艺简化了，但后一改变引起同步破膜困难和波形起伏。具有锥形驱动段的激波管是当破膜形成激波时，驱动段锥形壁面形成的连续稀疏波立刻赶上激波，激波强度（密度）逐渐衰减，波后气流压力亦逐渐下降。形成爆炸波压力波形。

对于普通等截面激波管，只要被驱动段与驱动段长度比达到某定值，则在驱动段末端反射回的稀疏波将赶上激波。在该截面以后的流动与锥形驱动段激波管流动相同，同样可产生爆炸波压力波形。在稀疏波刚赶上激波处，超压峰值最高。由于该处距夹膜处有相当距离，因而具有一定正压区时间。锥形驱动段激波管最高超压峰值在夹膜处附近，正压作用时间短。试验区在下游，正压作用时间可延长，但不能充分使用最大峰压。

当反射稀疏波尾的气体压力低于被驱动段初始压力，就能形成负压区。

爆炸波波形参数超压峰值（Δ P ₊）、负压最大值（Δ P _-）、驱动气体驱动压力（ P ₄）、反射稀疏波赶上激波处的被驱动段无量纲长度、正压作用时间（ T ₊），可由激波管理论公式求出。由于计算复杂，不再赘述。

已建成的爆炸效应试验激波管，多数采用炸药或火药燃气驱动，少数采用压缩空气。炸药燃气声速高，容易获得强爆炸波或高峰值压力。缺点是燃气为缺氧可燃气，与大气接触将再燃烧。在分界面燃烧将干扰流场，在出口燃烧将增高噪声。对于生物实验还将造成烧伤和窒息。压缩空气由于声速低，适用于产生低中等超压。此外，在其他条件相同时，正压作用时间较长。根据本设备要求，决定选用压缩空气驱动。

当爆炸波传到激波管末端出口处，产生的反射波传回试验区将干扰压力波形。其次，强度较高的爆炸波传出管外，对周围建筑可能造成破坏并影响环境。为此，需要采取消波措施。

第一种方案为末端出口处消波。根据不定常波传播特性，波在封闭端反射同类波：压缩波或稀疏波在开口端反射异类波。若出口处适当收缩则可减弱甚至消除反射波。这种消波方案主要功能在于降低反射波对试验区的不利影响。由于出口冲击力巨大，端部反射器结构笨重，难以调节。当试验参数改变时，消波效果差别较大。

第二种方案为多层孔板消波。激波或爆炸波在其中传播引起的反射与涡干扰，动能将逐渐转变为热能。这种消波方案对强波的衰减很有效，对弱波的作用差。考虑到不便于放置试验动物，未采用这种方案。

第三种是开孔管消波。激波或爆炸波通过开孔管时，部分气体向侧向泄放，波强度因而逐渐衰减。衰减到允许值后，从末端排出。本设备采用这种方案，消波效果良好，但消声效果不满意。在考虑方案时，可能未考虑近距离内有居民区，未着重解决消声问题。

当激波管工作时，后坐力很大。若将管体固定在地基上，则基础混凝土用量将很大。本设备采用活动安装。由于采用开口管和设计中尽量增加质量，使得每次试验移动距离不大。多次试验后调整一次即可。

大口径等截面管的膜片口径大，夹膜机尺寸亦大。夹膜机尺寸愈大造价愈高。为求节约，缩小驱动段内径。根据现有材料，选定内径为346mm。驱动段内径缩小，同样驱动压力条件下，产生的激波强度下降。按已配气源可满足要求。而造价及试验费可降低。此外，低强度试验时，变截面的负压值加大。

第三军医大学（现陆军军医大学）王正国等在1985～1988年间，先后研制成国内唯一用于冲击伤研究的大、中、小（微）系列生物激波管。大量动物实验表明，此套装置可使羊、狗、兔、豚鼠、大鼠等动物造成从轻伤至现场死亡的不同程度损伤，并可根据需要造成眼球等局部损伤，因而能较好地满足冲击伤实验研究的需要。现将有关研制和应用情况叙述如下。

激波管全长39.0m，由驱动段、扩张段、过渡段、试验段、消波段及附属设备、空气压缩机、高压气罐等组成，采用双夹膜结构。驱动段长1.41m、内径均为0.348m，扩张段长1.0m、内径0.348～1m，过渡段和试验段长24.0m，消波段长11m、内径均为1m。实测结果显示：试验段末端开口时，试验段超压达0.219MPa，正压作用时间为 32.7ms，负压为0.9MPa；试验段末端封闭时，试验段超压可达0.63MPa，正压作用时间24.5ms，因而可模拟几十千克至6 000千克TNT炸药空爆时的爆炸波。

设计原理：利用驱动端末端挡板的反射稀疏波，使稀疏波和激波在管道中同向运行；当稀疏波赶上激波时，激波压力迅速下降；稀疏波尾压力低于大气压时，则可得到负压相；据此，可模拟出既有正压又有负压的爆炸波。此外，利用活动挡板调节驱动段的长度或改变驱动段内压力，可调节试验段的超压和负压峰值以及相应的作用时间，从而达到实验参数可控的目的。采用压缩空气（而不是炸药）驱动，可避免生物中毒。用纯铝作膜片，采用双膜阶梯充压式破膜法，可精确控制破膜压力和避免碎片造成动物破片伤。实验段末端设计有活动挡板，可以模拟开阔地或有限空间内爆炸的两种致伤条件。

驱动段有五种基本装配型，内径分别为 77mm、100mm、200mm、350mm和600mm，可分别模拟高原爆炸波、水下爆炸波、爆炸性减压、高速气流撞击效应等；超压值和正压作用时间分别为2.52～650kPa和0.2～2 000ms，能以±1dB和±1ms为步长改变致伤条件。

设计原理：驱动段内的稀疏波可赶上激波，这是模拟万吨级核爆炸波正压作用时间的前提条件。驱动段采用串接组合方式，可得到12种不同长度，从而提高模拟爆炸波的能力和范围。利用激波在截面变化处的锥形段和末端挡板间的距离，可得到不同的入射波与反射波间的时间差。为模拟离某一反射壁不同距离时人体受两次爆炸波作用的条件，此设备为密封式设计：A舱和B舱上装有负压，正压调控器和供水供气系统，可在破膜前将舱内压力维持在低气压水平以模拟高原作战或高空气行时的爆炸条件。若维持在高压环境或采用充水加压方法，则可模拟潜水员水下作业时遇到爆炸波作用的条件。致伤后，利用A舱或B舱可迅速将动物舱内恢复到致伤前水平，以提高模拟的真实性。驱动段末端为半球形盲端，可使稀疏波不能同步反射，从而在较短的设备上得到作用时间长达100ms的爆炸波波形。若置于试验段末端，则可研究聚焦激波的作用，并提高致伤强度。

激波管全长0.5m，设计承压68.6MPa，试验段有9个截面（内径2～10mm），超压峰值和正压作用时间分别为26.8～477.0kPa和0.062～16.8ms。该装置用于产生点源性爆炸波，允许定距离、定面积和定位的爆炸波暴露。

设计原理：利用激波传播至管口后在空气中迅速稀疏而获得爆炸波；为提高生成不同强度爆炸波的能力，可采用钢质充填块改变驱动段容积或压力；通过调节管口与布放动物间的距离，改变动物所受的爆炸波强度。此外，通过防护罩上开孔直径，可以作定部位、定面积的局部冲击伤研究；万向管架可改变激波方向，以便于实验操作。该设备允许使用压力、加速度和位移等传感器，以记录爆炸波作用瞬间生物体内的动态响应。

系列生物激波管建成以来，先后应用1459只动物（大鼠757只、豚鼠105只、家兔 335只、犬240只、羊22只）进行全身或局部（眼、耳、头、胸、腹）冲击伤实验。结果显示：此套设备可造成自听器官轻度伤至立即死亡的各种程度的冲击伤；挡板闭合时，可作超压致伤实验；开口时，可作超压和动压共同致伤实验。现将部分动物实验资料报告如下。

用成年雄性杂种狗 52 只，体重（12.3±1.8）kg，BST-Ⅰ型激波管致伤。52只动物中，7只于伤后5分钟内死亡；其中，4只死于严重肺出血和水肿，2只死于肝脾破裂引起的内出血，1只死于冠状动脉气栓。

用家兔50只，分为5组，每组10只。第1、3组动物用绷带环绕其胸廓，使冲击波作用后胸廓扩张受限，以达到减轻肺损伤的防护目的。第2、4组动物为致伤对照，而第5组为正常对照。结果显示：用绷带包绕的第1、3组动物，其肺出血面积明显小于无绷带包绕的第2、4组动物（ P<0.05）。

将60只家兔置于距管口4cm和2cm处，分别正向和侧向暴露兔眼；超压峰值分别为（477.0±42.4）kPa和（236.7±22.0）kPa、正压作用时间分别为（8.2±0.3）ms和（0.062±0.23）ms，致伤后伤眼有瞳孔缩小（占97.5%），眼压升高（占80%），健侧眼分别为22.5%和35%，两眼差别显著（ P<0.05）。病理检查见伤眼有角膜、晶体、视网膜及眼球血管膜损伤。严重者可发生眼球破裂、视路断离，甚至眼球被击出体外。值得注意的是，有的伤眼角膜和前房无明显改变，但却发生了晶体和视网膜损伤。

实验动物为50只大鼠、体重为（234±25）g；均分为 5组，第1和第 3组为胸部致伤组，第2、4组为腹部致伤组，第5组为对照组。第1、2组的暴露距离为15mm，而第3、4组的暴露距离为135mm。结果表明：胸部暴露时，仅出现胸部损伤（肺出血），腹部无脏器损伤；而腹部暴露时，胸腹部脏器均有损伤，这可能是由于腹部受压时膈肌突然上顶所致。

为进行冲击伤的实验研究，以往多用炸药爆炸法给动物致伤。此种方法虽接近真实情况，但很难得到准确的测试数据，也很难在现场对动物进行早期功能等检查。伤情不够稳定，重复性差；而采用激波管致伤，则能较好地克服上述缺点。

美国和瑞典曾于20世纪50年代研制了实验室用小型生物激波管，内径0.1m、长1m至数米，分为驱动段和试验段两部分；中间用胶片隔开。用此装置进行了压力值与小鼠死亡率关系等研究。

20世纪60年代后，美国Richmond等先后研制5种大型或中型的生物激波管。并用此装置系统研究了不同压力峰值、不同正压作用时间条件下，不同动物的致伤或致死效应，进而将其结果推论到人体。

1987年，美国Jaffin等设计了一种微型激波发生器。其驱动段容积15ml，承压10～25MPa。用一片或数片0.36mm厚铝箔作膜片，自然充气破膜。用此装置可作小动物实验。

第三军医大学王正国等研制的激波管在前人工作的基础上又有所改进，主要创新点是：①同一实验室内有大、中、小三型，基本上做到了系列化。②由于设计原理新颖（如BST-Ⅰ型利用驱动段末端挡板的反射稀疏波追赶激波，当稀疏波尾压力低于大气压时，则可得到负压波），可得到典型的爆炸波形。国外的生物激波管多不能产生典型的负压波，因而模拟的程度较差。③采用双夹膜结构，可更好地调控压力。④BST-Ⅰ型为多功能组合式，可分别模拟高原环境下的爆炸波、水下爆炸波、爆炸性减压、高速气流撞击效应等。⑤由于装置配套，故实验范围广；既可造成大小动物（羊、犬、兔、鼠等）的全身损伤，也可造成局部损伤；既可造成超压伤，也可造成超压和动压共同作用的损伤；既可造成轻伤，也可造成致死性损伤。基于以上情况，可以认为：上述系列化生物激波管是先进的，能较好地满足冲击伤实验研究的需要，并使其达到更高的水平。

大约自1950年开始，激波管已被发展成为有很多用途的试验工具之一。已经成为研究空气动力学、超高音速空气动力学、化学动力学、物理力学（尤其是高温物理）、爆炸力学、凝结效应、化学流体力学、电磁流体力学、低温力学、天文物理学等有关学科的基础理论和应用研究的有效工具，深受航空、宇宙航行、物理、化学、天文、爆破、防护工程、环境保护（指噪声和污染）、计量等部门的欢迎。同时，由于造价和投资低，深受高等院校、研究所等部门欢迎。但对我国来说，在这方面还是一个薄弱环节，必须大力加以扶持和加强。

生物激波管是指专门或主要用于生物实验的激波管。此种装置所产生的激波，可模拟核爆炸或炸药爆炸时产生的爆炸波。第三军医大学生物激波管实验室，已建成生物激波管系列，利用近百种组合方式，对大鼠、豚鼠、家兔、狗和绵羊进行了千余次模拟爆炸实验。结果表明，激波管的类型和性能已经能基本满足生物研究的需要，有力推动激波动力学的学科发展及与其他学科的交叉融合。

值得注意的是，用激波管研究爆炸冲击波的损伤效应，在国外已有近40年的历史，但在国内还属一条新路，尚有理论上和实践上的经验要总结。进一步探讨生物研究用激波管的理论和设计方面的特点，对冲击伤研究非常重要，对加强力学、生物力学、生物医学及其他学科的互相联系和渗透，亦会起推动作用。

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