生产蓝色烟花有多难？‘烟花的原理’是什么？

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　　在电视剧《三十而已》中，“蓝色烟花”作为烟花设计师许放炮心中的最高梦想被反复提及，更是作为推动剧情的重要元素不断出现。

　　那么，在现实中，蓝色烟花真的没人做出来过吗？

　　当然不是。加入含铜化合物，就可以让烟花呈现蓝色。不过，蓝色烟花的确是烟花行业的圣杯，色泽纯正的蓝色烟花不仅好看，而且少见。

　　烟花的原理是什么？为什么烟花有颜色？蓝色烟花为什么难制造？为什么蓝色烟花很危险？

　　首先了解一下烟花的原理

　　我们从三种简单的原料开始：硫磺、木炭和硝酸钾。

　　木炭并是有机物（如木材）在被烧焦或被热解后，所留下的碳残留物，因为有机物中所有的水分都被带走后就会剩下碳。

　　硝酸钾可以从硝土中提取出来，来源包括鸟粪和蝙蝠粪便，还有硝土也会存在于厕所、猪、牛栏屋，庭院的老墙脚，崖边，岩洞以及不易被雨水冲洗的地面。

　　硫磺可以从天然硫矿制得，或将黄铁矿和焦炭混合在有限空气中燃烧制得。

　　把它们混合在一起，就会得到一种黑色粉末。这个黑色粉末就是火药。接下来只需要的一些氧气和一个很小的热源就可以将其点燃。硝酸钾就是很强的氧化剂，火药燃烧的氧气就来源于此，因此烟花甚至可以在没有氧气的外星球上燃放。

　　至于点火源，这更简单，一根火柴足矣。

　　当把一切准备就绪，划根火柴，瞬间火光四溅，并伴随“砰”的一声。但是，一个简单的“爆炸”并不是烟花，这只是烟花的一部分。真正的烟花要比这复杂的多。

　　想要制作一个好的烟花需要考虑四大要素：高度、大小、形状和颜色。

　　高度最容易理解

　　烟花“炮弹”的高度取决于初始速度，烟花越大需要的初始速度越高。一个小型的烟花表演发射的烟花“炮弹”直径在5厘米到15厘米之间，打出的炮弹高度在60-150米之间。一个大型烟花表演，烟花“炮弹”的直径高达近1米，这些烟花打出的高度通常超过300米。

　　烟花“炮弹”在被底座炮筒打出的那一刻，如果一切正常引信就会被点燃，并在上升的过程中燃烧。出于美观和安全的考虑，需要将大型烟花尽可能发射到更高的高度。高度越高，烟花就越好看，能看到的人也就越多，而且更加安全，毕竟烟花也是火。

　　什么决定了烟花壮观的形状？

　　为了找到答案，需要了解烟花的内部结构。

　　烟花的三种基本类型。

　　烟花有许多不同的风格，但有三个重要的因素，炮弹里的火药的类型、装药方式和星体。

　　炮弹里的装药可以是简单的火药，也可以是更复杂的炸药，装药方式可以是简单的一级装药（在空中爆炸一次）甚至是多级装药（在空中爆炸多次）。另一方面，炮弹里的星体在爆炸后可以向各个方向发散，产生更为壮观的美丽景象。

　　而星体的发射方向和模式取决于烟花的组合方式，每一级的火药爆炸都可以把星体推到事先设计的模式或方向上。星体在空中的排列方式就产生了我们看到的各种形状。

　　而每个星体内部还装有火药，为其提供推力，例如使单个星体旋转、上升或向任意方向推进这些星体也是烟火中绚丽的光和颜色的来源。

　　剧中的“GJ”“UU”……这些烟花图案都是怎么打出来的？还有我们日常观看到的图案烟花，是如何打出来的呢？

　　剧中的的“GJ”“UU”

　　这就不得不提到大型烟花要使用的烟花弹了。

　　烟花弹是烟花的一种，它的核心部分是焰火剂，也就是燃烧时产生各种颜色火焰的药剂。焰火剂的主要成分包括：氧化剂、可燃物、发色剂和粘合剂。它的工作原理是氧化剂在可燃物的作用下受热分解，释放出的氧气再供可燃物进一步燃烧产生高温，从而促使（金属）发色剂发生焰色反应，粘合剂则起到将各种成分粘结成整体的作用。

　　发色剂通常由能够呈现焰色反应的各种金属盐类构成。普通烟花燃烧时的温度在2000C，但加入光辉剂后，燃烧温度能达到3000C，可以呈现异常明亮的白炽光芒。

　　烟花弹通常是球形或者环形构造，制成球状的焰火剂位于球或环的外周部分，中心处是用来起爆的火药，起爆火药直接连接着引信。将烟花弹装入发射管时，其实管内已经有了一定量的发射火药，发射火药的作用是将烟花弹发射到空中。

　　发射火药点火的同时，引信也同时被引燃。等到烟花弹正好升到了预定的高度，引信也燃烧到了烟花弹内部，之后起爆火药发生爆炸，焰火剂中的可燃成分随之被引燃。

　　烟花弹结构

　　人们常将焰火剂制成多层结构，由外向内的每一层中包含有不同成分的发色剂。这样，在上空发生爆炸时，外层发色剂就会最先爆炸，然后是中层，最后是内层。这样的好处是烟花会呈现出明显的阶段性变色效果，增强观赏性。

　　至于拼字烟花和图案烟花，则主要是通过控制起爆火药的装药方向和装药量，达到以不同力度、向不同方向喷射焰火剂球的效果。

　　心形烟花结构

　　烟花的颜色从哪来？

　　烟花能呈现各种色彩是因为加入了不同的金属化合物，产生了一种叫“焰色反应”的物理变化。焰色反应，就是金属的原子或者离子在火焰中呈现不同颜色的现象。

　　钡、锶、锂、钠、铜、钾的焰色反应

　　当将金属元素置入火焰中时，金属的外层电子会吸收火焰能量发生“跃迁”——即本来拥有稳定轨道的电子会到达一个具有更高能量的轨道上。跃迁后的电子并不稳定，它们会马上回到曾经较低的能量状态。此时，电子会将原本吸收的能量以电磁波的形式释放出来。

　　电子能级跃迁示意图

　　不同元素原子中的电子在跃迁时会释放出特定波长的电磁波，这个波长与具体的元素种类有关，是原子的特征属性。不少金属原子的电子在跃迁时释放的电磁波正好位于可见光波段，因此人们可以清楚地看到五彩缤纷的颜色，这就是焰色反应得名的由来。

　　不同元素和化合物会发出各种各样的颜色！不同的钡、钠、铜和锶的化合物可以产生覆盖大量可见光谱的颜色，而烟花中嵌入的不同化合物是我们看到的各种颜色的原因。如下图所示：

　　我们看到的蓝色烟花，其实就是无数的电子在以蓝色光的形式向外释放能量。

　　一般，人们会利用铜或者铜的化合物作为发色剂来产生蓝色，包括铜粉、硫酸铜、碳酸铜、硝酸铜、氢氧化铜、碱式碳酸铜、氯化亚铜等。其中又以氯化亚铜（CuCl）释放的420-460纳米波长的蓝光最为纯正，因为其它铜盐产生的蓝色通常带有明显的绿色色调。

　　蓝色烟花为什么很难生产？

　　首先，夜空虽然看起来是黑色，但其实仍然有相当浓重的蓝色调。如何让蓝色烟花从背景中鲜明地凸显出来，并不是一件容易的事情。因为成分的细微改变就会造成燃烧温度、火焰颜色的极大变化，所以调控焰火剂的配比，从而让它们呈现出期望中的颜色本来就不是一件容易的事情。蓝色烟花更是还得考虑与夜空背景的对比度，难度可想而知。

　　此外，还有一个天然存在的矛盾制约着蓝色烟花的制造。一般来说，焰火剂燃烧时的温度越高，焰色反应的颜色就越明亮，视觉观感就越好。但同时，过高的温度又会让作为发色剂的金属盐类发生分解，导致金属原子的状态改变，无法释放预期的颜色。最有希望产生纯正蓝光的氯化亚铜的分解温度只有几百度，当它发生焰色反应时，实际上已经开始分解了。因此，想要呈现蓝光时温度最好控制在1200摄氏度以下，否则就会产生其它白亮的杂色，影响蓝光的纯正性。

　　不过归根结底，蓝色烟花难以制造的原因还是与材料的稀缺性有关。其它色系对应的无机金属盐种类繁多，但能够产生蓝光的却几乎只有氯化亚铜一种。当然，如果我们把有机铜盐也列入考察对象，那么可供选择的对象确实会大大增加。问题是，生产烟花需要消耗大量盐类，成本是非常关键的因素，而有机盐类显然太贵了。为了寻找氯化亚铜的替代品，人类已经努力了几个世纪，不过直到今天，它还是蓝色烟花的首选原料。烟花工程师们只能通过不断调试焰火剂的配方来让最后呈现的蓝色尽量绚丽夺目。

　　蓝色烟花

　　“蓝色烟花”为什么很危险？

　　蓝光烟花生产、保存难度确实比较大，这是因为蓝光中含有铜离子，它使得药物配方的稳定性较差。其实不管哪种烟花，存放时，自身都有一个组分相容性问题，会发生化学固态反应，也就是其储存安定性与其化学稳定性，蓝光烟花铜盐 Cu 离子稳定性差，所以对存放条件有特别要求，比如恒温恒湿等。

　　大型烟花的安全问题

　　第一，引信失效造成的哑弹，装载着大量火药的哑弹最终会落回地面。虽然一般的烟花表演都会尽量确保即便有哑弹或残留物落下，也会直接落入湖面海面，但如果真的遇到了烟花哑弹，务必要第一时间联系消防部门进行处理。

　　第二，点火器失效造成的点火失灵，电子设备都有发生故障的可能，历史上也多次出现因为此类原因导致烟花表演失败或者终止的事例。

　　此时如果需要进行临时人工点火，操作员应该务必做好防护，另外装药量超过了某一程度后必须进行远距离点火。

　　第三，烟花发射过程中还可能出现发射筒倒伏之类意外，因此务必需要提前确保设备处于最佳状态。

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