Loading
1

[vfxinfo 独家]The anatomy of an explosion 爆炸的原理

文章一部分是转载在Hammer Chen的Blog(本文获得Hammer的转载许可),一部分是自己的使用心得 感谢Hammer无私的让我们转载他的文章,感谢!!!

Hammer的原始文章链接 http://hammerbchen.blogspot.com/2011/05/smoke-fire-and-explosion.html


这篇爆破特效文章翻译自Ground Zero FX网站, 作者是Kieron Helsdon. 在3ds Max环境中要製作真实爆破的话 分成三部分:一為物体模型的碎裂 可透过Rayfire这类外掛来处理 免费的Maxscript如Fracture Voracronoi则是不错的选择2 其二是爆炸的烟尘效果 可由SitniSati Afterburn或FumeFx来处理, 如果要更近一步处理碎片或是调整爆炸的效果 Particle Flow或是Cebas Thinkingparticles则必须导入.

不论是用哪套软体 怎样的外掛 能够了解爆炸的原理多少对特效製作有帮助. 有个好的参考图也会帮助特效师製作更具说服力的爆破效果, 以下中文翻译跟各位分享:

----以下翻译自Ground Zero FX网站----

写这篇文章的目的是要让读者了解各种爆炸,為何发生 从而了解爆炸的架构与如何製作爆炸动画。网路上有狠多相关文章 本篇只专注在动画的部份。為了要正确地製作爆破动画 我们要先知道爆炸的物理本质。我们必须确认这是什麼类型的爆炸,它的燃料是什麼,由什麼触发或啟动爆炸?这些答案将有助於我们了解爆炸时间序列会发生哪些细节

爆炸的类型
爆炸分成自然產生的或人造的-简单的定义就是突然的能量释放。爆炸会突然增加物质 同时会增加大量的压力 通常会有一个闪光与巨响,被称為爆炸。爆炸会在区域產生压力震波。如果这些压力波的速度达到超音波时 就会被称為deflagrations。例如火药或燃料内燃机爆炸。 Deflagrations会比引爆好的控制- 因為其目的是要将某物体快速移动(例如枪管中的子弹,或是引擎中的活塞),是由突然的空气扩张所引发的。

自然界的爆炸
世界上最小的爆炸之一 就是液体之间的相互作用,用高速摄影就可以看到流体交互作用的细节

这些照片是由Dave Palmer拍出来的。高品质的流体高速摄影。你可以在他网站上看到更照片

自然界最大的爆炸就是火山引发的爆发。这包含火山爆发,喷泉,海底喷口和地震。间歇泉是温泉爆发喷泉和定期的水蒸汽喷发。这是发生在密闭空间中当地下水加热到沸点时。当压力略降或温度增加将导致一些水达到沸点,然后引发水蒸气压力自缝隙中喷发出来。这些减少的水更近一步地降低地下水的压力 造成剩餘的水突然转化成水蒸气 而导致水在路面爆发开来

岩浆则是从熔岩的开洞中被迫推挤出来的。爆炸发生火山喷发时,岩浆上升积累了大量的溶解气体。当熔岩升起导致气体自溶液中形成泡泡飘出来 因此使体积剧烈增加。普通人会以為火山喷射大量的烟雾及火焰,事实上这些烟是由狠细微的烟尘所构成 掺杂了硫磺的蒸气。那些好像是火焰的东西其实是喷发物质的高温所引起的眩光感。这个炫光在烟尘中散射看起就像火一般。

当岩浆流到海水中时会发生蒸气爆炸。

熔岩有三种形态2 1 A1a ,枕头状熔岩及Pahoehoe 。 1 A1a发音1啊,啊1 (见下文)是夏威夷对熔岩流的称呼 其表面粗糙且含有破碎的岩浆块称為熟料。在熟料的表面下面 其实暗藏了密度狠高的核心 含有岩浆流 最活耀的核心。当岩浆在核心中移动 熟料也会在表面移动

枕头熔岩是由各类岩石在海底火山的熔岩喷出时形成地。它的形成长条状的熔岩丘1枕头 经由重复流出与挤压高热的玄武岩。光亮地壳在新挤出的熔岩周围形成,构成一个扩大的枕头岩石。压力不断累积,直到新的表壳断裂,并像挤牙膏般挤出玄武岩,形成另一个枕头

Pahoehoe是夏威夷对玄武熔岩的称呼 具有平滑,丘状,或寙状表面。Pahoehoe流通常会有一系列小型叶状分支,自冷却的壳中不断分支开来。

更多关於火山和图片讯息可到美国地质调查局网站查看

太阳耀斑是在太阳表面经常发生的爆炸现象。当太阳表面的大气磁能量累积到一定程度突然释放时 竟会產生太阳耀斑。以下图片是用x光拍摄的照片。右边显示的白色是后耀斑环,是在太阳耀斑后的残留热环。这些耀斑的总量释放能量相当於数以百万计的100万吨氢弹在同一瞬间爆炸

宇宙其实还有更大的爆炸 称為超新星爆炸,这属於星级爆炸。

比上述还更大的爆炸是伽马射线脉衝,这些是自令人难以置信的深太空所发出的爆炸,但其确切的发生原因性质仍然不确定。他们会短暂发出具有万万亿个太阳那样强度的亮光 目前几乎肯定是由於恆星崩溃所產生的。该理论认為,因為它们折叠束的能量发射沿轴向星的自转及如果梁目的是地球伽玛射线爆发可以被记录下来。最接近的记录一个地球2.6亿光年的距离,观测这次爆炸支持领先的模式被称為火球模型理论。这支撑源源不断的物质和能量的赛车离港。更多关於伽马射线脉衝这裡&这裡。

人工爆炸
最常见的人工爆炸是利用化学物质製作的爆炸物。这种东西在点燃烧后会以极迅速的速度產生大量气体,这个热气非常迅速地矿大,產生压力。爆炸物是依照它所引发的能量来分类的。引发爆炸的起始能量可能是震波 衝击 或是摩擦,放电来引起主要的爆炸。化学炸药也分类成為高爆炸药和低炸药,但某些爆裂物可能同时是高爆炸物与低爆炸物 端看它是如何被引爆的

低炸藥是透過緩燃(deflagration)的方式引爆 而不是透過爆轟波 這類通常需要熱與封閉空間才能引發爆炸。高能炸藥會以超音速的速度爆炸而且不需要封閉空間,他們是由震波或是熱產生的炸藥震力(Brisance)來引發的。有了炸藥震力摧毀了它周遭的直接接觸物質。炸藥震力是一個用來決定爆炸效力的重要指標,例如砲彈碎片,砲彈外殼,手榴彈等

初级炸药极為敏感,只需要少量的能源就能引发。它们的功能主要用於雷管发起二级爆炸。二级炸药相对不敏感(稳定),需要大量的能源才能引爆。跟初级炸药比起来 二级炸药更不容易引爆 所以才需要初级炸药的雷管设计,例如:炸药, TNT炸药,RDX, PETN, HMX,硝酸銨, tetryl ,picric acid,硝化棉, gelignite 。

这些引爆的东西对做爆炸特效的你极為重要,因為爆裂物是如何引爆的 他的物质 这会对你製作的动画会有明显的影响。请记住,一级爆炸与二级爆炸不是完全分开的,当一级爆炸发生后会引发二级爆炸 一级爆炸会引发它周遭的物质后触动爆炸区域(物质)。

火药爆炸是首次被发现的人工爆炸。歷史学家相信,早在2000年前的中国炼金术士偶然发现混合硫磺,木炭和硝石可以製造出硝烟。这混合物乾燥成片状黑色粉末,当点燃时会產生巨大的火焰,它不如现代的火药强大,因為这混合物中并没有包含硝酸钾,儘管如此这个发明仍能產生高热与闪光。当把这粉末投入到竹桶中 烟火就產生了。

有趣的是,2000年前烟火中的只有火药中的橘色,金属粉末產生的白光这两种顏色而已。但在19世纪,科学就已经发展到製作红色,绿色,蓝色,黄色的烟火 藉由添加金属盐(鍶=红色,钡=绿色,铜=蓝色,钠=黄色)和氯化粉末混合物產生的焰火。

其他重要的火药发展史 例如1865年诺贝尔发明的硝化棉( guncotton ),后来被作為子弹推进剂。

当然1866年 诺贝尔发明了炸药。炸药基本上只是某种吸水材料(如木屑)浸泡在硝化甘油。吸收材料使硝酸甘油更稳定,通常你需要一个雷管引爆炸药,雷管產生小爆炸,引发炸药本身的更大的爆炸。

史上第一个最大爆炸发生在1917年12月6日的哈利法克斯港,新斯科舍省。这个爆炸发生是由於法国弹药船与比利时货轮相撞。相撞產生的火花引发了爆炸。法国船舶载超过2,700吨炸药,包括TNT炸药, guncotton ,与picric acid。该船漂向码头,那裡聚集了狠多人群 法国水兵警告岸上人离开 但是没有人听的懂他们的警告,一旦发生火灾就引发了大规模爆炸。当船舶爆发时火焰如高楼般窜起 瞬间消耗光方圆一英哩的空气,窗户破裂散开到一百公里以外的特鲁罗,法国船的锚在五公里外被找到 大约在两公里个裡的范围内被移為平地 超过1500人死亡和9000人被玻璃碎片割伤

爆炸的瞬间,港口的水底部可见。爆炸引发了巨大的波浪,并推向港岸。烟囱被摧毁,建筑物从基部被扳起 木製房屋被彻底消灭。除了火焰,剪力把炉子炸垮,掉落在房子上。强大的热气引发了小龙捲风或颶风,造成更大的破坏

弹药
我们都知道枪是一种武器,以高速度发射对準目标。子弹是由火药推进產生的拋射物 如果子弹本身又带有火药就是一种砲弹。

枪可分成三种。首先是手枪(用手射击的枪) 。这裡有一些优秀的高速摄影拍摄的画面(砲口闪光及壳牌弹射) 当在枪管中发烧爆炸时 推进子弹移动,爆炸產生的气体将子弹推进 於是產生了闪光与烟雾排放

第二类是步枪/卡宾枪。这些包括火枪,气动枪,步枪,猎枪,半自动,衝锋枪和机枪。每种枪都有它特殊的外观与特性。他们之间的作用会狠不同。你可以看这裡有不同的机枪构造。这裡有更多的枪的技术文章

 

最后一类是抱。
抱是指大口径的抱管 发射含有火药的弹药或火箭 。抱的体积和重量必须要有个专门的载具才有办法操作 例如飞机 船舰或战车。歷史上出现的抱请点这裡。枪和抱的主要差别在大小,一般来说口径小於20mm的就称為枪

 

 

不同的抱口制动器会產生不同形状的烟雾,由於受到不同的反作用力而有不同形状。抱口制动器转移推进气体到枪管的背面或是上方。这种气体的排放使枪管得以在发射时能稳定 减少枪管的翻动 让使用者快速再次瞄準目标。口径越是,抱口制动器就越重要。请注意,手枪不使用枪口制动器,他们使用补偿器,具有类似的功能但会產生非常不同的闪光和和烟雾排放。

现代枪抱管越来越多是平滑的内管,而不是像手枪有膛线。膛枪并不如膛线枪稳定,但他们以更快的速度推动火箭而不会让火箭磨损

在衝击的瞬间,导弹穿透墙并在两面爆炸,大部分爆炸发生在正面,碎片粉末则是在另外一面。当你製作火箭动画时 请注意它会穿透物体 產生一个洞口 然后穿过爆炸点。

上图显示两种不同的反坦克导弹击中的测试指标,请仔细看。标枪从右边射入產生惊人的绿色闪光 在影片的前几格中显示了几段干扰。另外还可以看到旋转的油罐弹跳到前景中洒出液体

 

现代坦克射击发射两种类型的抱弹 一者称為称為热抱弹(高爆反坦克抱弹)及脱壳抱弹。热抱弹使用大量炸药的火力,而不是產生穿透装甲的动能。脱壳抱弹没有任何爆炸性的火力,但它具有穿透装甲的剪力 就像弓箭的箭头一般。脱壳弹提供弹道导弹优势 因為直径更小的弹丸将有更好的弹道系数。脱壳穿甲弹后面接了火炮 当点燃时子弹就在抱管中推进。火炮与脱壳穿甲弹之间黏的不是很紧,因此发射时他会很快脱离

请注意上图的炸弹,在不同的时间引爆,如果你要製作动画 把时间错位可以產生更自然生动的爆炸。

燃料空气炸药 将燃料喷发成云状 由雷管引发爆炸。快速扩大的压力波前把周围的云层物体迅速压扁,而破坏性也十分惊人。燃料空气炸药的主要破坏力是超高呀,可用来对付软目标,如地雷区,装甲车辆,停在掩体中的飞机。燃料空气的设备在军事方面的应用 其实也广為使用在各行个业中,例如如果你把小麦尘埃喷发成云状,也可以很容易引发爆炸。更多资讯点这裡

衝击波有两种-衝击波和推动波。爆炸性物质產生衝击波,能以超音速喷发开来。驱动波是由一个物体不断持续地產生(例如,太阳风) 。驱动波可以达到稳定态 连结到风中。在点然火炸药时 迅速扩大的大量的空气產生了衝击波。高爆炸药(如我们见下文)的衝击波能达到超音速,这会让空气中的水份瞬间凝结。这会產生瞬间白云与闪光 。这闪光时间很短暂 会由白色 变成黄色或是橘色

如图中所见 你可以看到凝结的震波碰触到建筑物的左下半部,由慢速度播放你可以看到在火球发生前 碎片的扰动

你可以在这张图看到更大的衝击波,在Ivy King这个地方 由核裂变装置引爆的炸弹。

你可以在这裡看到更多传统流体力学的资讯。

原子弹
人类发明威力最强大的炸弹是核弹。 1939年,传闻纳粹已经研发出核弹,所以美国自己也开始投入研究计划,这个计画隶属陆军工程兵部队 1942年6月 也就是所谓的曼哈顿计划

為了正确衡量爆炸强大 科学家必须要调整仪器。因此,在1945年5月7日 100吨的炸药被引爆。这项试验使用多达一百零八吨TNT炸药堆放在木製平台上面。史上第一次核爆炸发生在新墨西哥州。该核子是被称為小工具

爆炸產生的衝击波把120英里以外的窗户给震碎,而在160英里以外都能感受到震波。爆炸造成的闪光在整个新墨西哥州和部分亚利桑那州,德克萨斯州和墨西哥都可以看到。在蘑菇云在几分鐘内上到38,000英尺

你可以在图中看到由核爆產生的巨大的空气压力变化,当震波界触到假人 假人升到半空中 被往后扔

 

这是一个典型的地下核爆炸,你可以清楚地看到衝击波,对地面物质造成扰动。

裂变炸弹使用类似铀-235的元素 来產生核爆,燃料必须存放在单独的容器中,避免融合提前发生引发爆炸。这两大物质必须要混合在一起才能形成超过零界点的物质作為引爆。要把这两大物质群摆在一起需要一个技术叫做:枪触发与

上图是被成為小男孩的核弹 被用在投到日本广岛 以B – 29轰炸机Enola Gay所投射。他是枪触发的裂变炸弹当大量的铀经由管状物发射到另外一大量的铀引发巨量的爆炸力 相当於20000吨的TNT炸药

胖子炸弹则是第二个用在战争的核弹 於1945年投在日本长崎。他是属於内爆式的核弹 使用钚元素。大量的钚被安置在空心球的中心 然后大量的雷管位於表面同时引爆。这会產生衝击波,会压缩核弹的核心 於是在一秒内开始发生压缩裂变反应。

裂变炸弹是会爆炸的,但却不是很有效率的运作。融合炸弹,也称為热核炸弹,会產生更多的千吨爆爆炸威力 也比裂变炸弹更有效率。Stanislaw Ulam认為,核裂变反应產生的辐射主要是X射线,这些X光会產生高温和压力作為融合的条件。其结果会產生巨大的爆炸,会是比广岛小男孩核弹的700倍以上的威力。它会產生有10,000千吨的威力。

史上最大的核弹是在1961年由俄罗斯製造的。被称為Tsar Bomba(炸弹之王 ) 下图是其原设要產生的100万吨炸弹的威力。即使在是50兆吨的威力也是很壮观地

“儘管爆炸发生在4,000公尺高空( 13,000英尺) 那巨大火球仍接触到地面,而膨胀上升至接近非飞机的高度。在爆炸所產生的压力是300 PSI 是广岛核弹的六倍。引发的闪光非常明亮,即使天空多云,远在1000公里都能够看到。一位参与测试的测试员 在距离270公里远的地方 透过黑色闪光护目镜仍然看到闪光 而且还能感受到热脉衝。

一位摄影记者说:飞机下的云彩被强烈的闪光照亮。大量的光线在机舱口扩散开来,甚至使云彩开始发光,云还变成透明的。在那一刻,我们的飞机从两个云层穿出 下面出现巨大的亮橙色的火球。火球很强大感觉像木星一样傲慢。它静静地慢慢爬向上....突破了一层厚厚的云层。它似乎要把整个地球都吸进去。这精彩的场面是,虚幻,超自然的。

另一位观察员,在更远的距离的地方,描述了他看到的画面: ...一个强大的白光出现在地平线上 经过很久时间后,他听到一个很远的,沉重撞击声,听起来就像整个地球被摧毁了!

有趣的是,核爆產生的蘑状云是很多变的,而不只是刻板香菇状。

你可以在核武资料库网页看到更多有关核子武器。另一个有趣的网站是关於美国的核武器计划的电影