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1、 爆破 聚能装药原理和应用 李名能编译 长沙矿山研究院 摘要 在二次世界大战中 策能装药广 泛 用于穿透坚硬 目标如坦克甲板 掩体 和燃料贮存容器 今天 它既用于军事用途 又用于石油 钢铁工 业 地球物理勘 探 采矿和采石业 海 上打捞 拆除工作 导弹自鼓装置中的线型切钊药包 超高速冲 击研究和其它高度专业化的领域等和 平用途 本文将介绍聚能装药原理 的各种用途 关镇饲 聚能装药 发展简史 应 用 领域 玻能装药原理 凡一端有空穴另一端插 雷管的炸药柱称 为聚能装药 空穴几乎可 做 成 任一几何形 状 如 半 球形 圆锥形等 当空穴药柱起 爆时 其 气体产物把爆轰产物能量 聚集起来 爆轰产物聚
2、集产生一个 强大的 定 位力 空 穴药柱和无空穴药柱直接在 钢板 上爆炸时 即使后者药 量较多 由于聚集 力的影 响 前 者比后者炸出一个较 深的凹坑 这一现象在 美国通常 称为门罗 效应 然而猛炸药空穴效 应最初由现代聚能装药 的真正发明者冯 福 斯特在 年发现 空穴 效应 如无药 型罩 聚能装药 由查尔斯 门罗重 新发现 许多资料证明 门罗的发现始于 年 若空穴 衬有金属 玻 璃 陶 瓷等薄 层 则 炸药起爆时 药型 罩 就形成射 流 起爆 时球面 高压冲击波从起爆 点 向外传 播 由于爆 轰波 压合药型 罩 且在高爆 轰压 下加速 故锥面 崩坍 图 描述了典型 锥形药 型罩 的崩坍 药
3、型罩在非常 短 的时间 微秒级 内强烈地扭 曲 发生极大的形变和变 形速度 形变叠加 产生一个很大的 流体动压 压 力峰值 高于 万大气压 超 过钢 的抗屈强度两个 数 量级 一 一 收稿 锥面 药型罩崩坍在轴线聚 焦 一部分药型 罩 以射流 形式 流动 该射 流尖端能以高于 英尺 秒的速度运行 因存 在一个速度梯 度 故该射流将拉 长直 到断裂 成颗粒 柱流 当这种极大的高能射流冲击一块金属板 时形成一 个深凹坑 其深度超过无药 型罩 聚 能装药 由这种射 流靶的相互作用在金属板 上 形成 的凹坑 与 其说是 由热效应引起的 还不如说是 由极大压力引起钢板横向位移 聚能装药柱在 钢板上爆炸时
4、可观察到如图 所示的定向穿透效应 弹坑深度约为空 心 锥 形 孔直 径的一 半 由高压 高速 气 体冲 刷 门罗效应 而成 当该聚能装药柱有一金 属或 玻 璃锥面药型 罩 时 则产生一个很深的 弹 坑 如图 所示 此外 当药 型罩聚能 装药柱移到靶块 某个最佳 距离 称为药型 罩 口至目标距离 时 穿透能力 更加 提高 如 图 所示 这一原 理非专业人员 不 十分理解 如据 劳顿等人报道 聚能装药射流既不 是一种 切 割等离子体 也不是 烧穿钢板 和 熔 化 的 金 属棒 且聚能装药 热 喷 射体作 用 的描述很可能十之八九 是错的 这可能是 李名能编译 聚 能装药原理应用 一一一 曰 一一
5、钊 几工刁 口 己 山曰乡奋翻 洲 尸夕 门 阅 勺 之 气 面 习 夕 六 之 夸 心夸 冲 柞 又 司 多妇 烈 一 一厂 一厂少 射流 响咬 长塑些嘴 一酬 一 阅 八八八 义义少少少少少 丫丫丫丫丫丫丫丫丫八八八八八 口 一 一 习 图 锥面药型罩聚能装药的崩坍 因缩语 人 代表反坦克猛炸药 而与热 效应无关 射流结构取决于药型罩 外 形尺寸和材 料 猛炸药几何尺寸 约束材料和外 形 若 有约束 所用猛炸 药类型和起 爆方式 无 论如何目标是控制和集中轴 向能 以提高聚 能装药的破坏作用 大角度锥面或半球形 药型罩聚能装药的 崩坍模型根木不同于中等顶角 锥面药型罩 除线型和球型装药之外
6、 已广泛 应用其 它药 型罩结构 线型和球型装 药的截面分 别是 形和半圆形结构 线形装药产生的射流呈薄 带状 而球形装药则产生 管状射 流 药型革聚能装药发展 简史 最早的药型罩聚能装 药之一 由门罗发 明 它 由一个装有狄纳米特火药柱的薄罐构 成 薄罐敝开端朝下 其保 险盖顶有一孔 年 间 主要是因 二次世界 大 图 空腔 药型 罩效 果 战极大地加 速了药型置聚能装药 的研究 这 一时期聚能装药的发 展 史 难 以分辨 英 德 美都对现 代药 型罩 聚能装药的早期发展 作 出了巨大 贡献 现代药型 罩发明者是德国 的弗 鲁 托马菜 克和美国 的亨利 汉斯 他们 独立完 成了聚能装药原 理
7、 和 最先有 效地开发药型罩聚能装 药穿透 器 年 月 日德国人 在比利 时要 塞埃 本埃马尔 首 次使用无药型罩 聚 能装 药和聚能 装药 它有两种规 格 磅和 磅 药量 能破坏 英寸厚的钢炉和比利 时 国防早期遗 留下来的 观察炮 塔 直到美 英和德国在 年拍 摄到 闪光 射线照片后 人 们才真正理解聚能装药原 理 由于伴随 爆轰产生的烟雾和火花使得普 通的 照片没有价 值 因此必需 一射 线 照片 即 闪光 一射 线图 沃尔 特 朱卡斯和肯 尼 迪 介绍了更 全面 的聚能装药发展史 机 琪能装药的各种用途 各种炸弹 当需要强大的局部聚 焦以穿透障碍 物 时 聚能装药是 非常有用的 它最初
8、应 用于 包括 鱼雷 导 弹 反 坦克猛炸药和加农炮发 射整发弹及各种炸弹等军事领域 其 目标是 摧 毁装甲板 仓库 混 凝土防御工事和机动车 辆 和对付飞机和宇宙飞船的进攻 大多数 弹头有一尖顶覆盖药型罩 射 弹飞 行 时它充 当空气 流体 动 力 遮 板 给冲击引信 或制 导提供屏蔽 层 图 展示了一 个旧反 坦 克猛 炸药炮弹 底座起爆 导火 线 旋 转带 蠕变弹簧 主装药 人造尖顶 高压气体 封 口 点火检 试样按塞 壳体 撞击雷管 引爆剂 带法兰盘的锥面药型 图 反坦克猛 炸 药火箭炮 弹 已知最大的 聚能 装药之一 是 它 由一架无人驾驶 的轰炸机机头 携带 弹头直径 英 尺 为一
9、 大角度 锥面 聚能装药 其药 型罩顶角为 厚度约为 英寸 由低 碳钢或铝 制 成 弹头重 磅 其中炸药重 磅 德国人在第二次 世 界大战快结束时开发了这一装置 幸 好大多 数都被原封不动 地缴 获 日本 把一种按比例 缩小的 叫做 炸弹 用来 作神风自杀飞机 攻击军舰的炸 弹 当与 自旋 弹头 应用有关时 使 用 自旋 补 偿药型 罩 药型 罩压 合时 自旋角动量 传 给 药型罩业保持守恒 这使射 流角速度有一个 大的增量以致如果离心力超 过材料的屈服强 度时 离心力将撕开射 流 若无 自旋补偿 射流径向消失 势必降低穿透能力 可 通过 冶 金自旋补偿或凹糟药 型罩达到自旋补 偿 模拟陨 星
10、 国家航空和航天 局研究了聚能装药流星 模拟以获得已知质量 组成和再进 入地球大 气速度的类流 星体发光效 果 发光 效 果 是物 体动能转换成可见 光的百 分 数 兹 维 基在 年提 出了利用聚能装药产生模拟 陨星 的 方 法 他建议 在 一 火箭上发 射一个超高 速 聚能装药以超过地球的 逃逸速度 这样就 产生一个 模 拟 陨星 超高速 喷射颗粒 能沿轨 道行 驶以研究 高超音速 的空气 动力效果 该 试验 也能用来让该射流冲击象月球这样的天 体 撞击闪光的光谱分析将揭示月 球 表面的 基本化学 组成 这个试验虽然可行 但永 远 实现不了 也论述了 射 流在 气流急 剧 滞 止时的气化作用
11、 拆除爆破 聚能装药还用 于拆除工作 常见的拆除 目标有大楼 桥梁和旧建筑物 通常 人工放 置 拆 除药 包 也用于岩石钻孔 利用糊炮 爆 破技术破碎 岩石 隧道掘进 岩 层移 动和钻 井中 李名能 编译 聚能装药原理应用 伐木爆破 聚能 装药 也用来砍 伐直 径达 英寸的多 汁活树 如直 径为 英寸 的 北 美 胡桃 木 白杨 树和位树等 所 需药量大大 少于传 统伐木技 术 直 径大的树可用 个药包 在树周长的 处 对称起 爆 砍 断 若一 时无聚能 装 药 可临时用 咖 啡 罐 作聚能装药外壳 内装 磅 炸 药 沿 树直 径面对面 起爆 可砍 伐 直径达 连英寸的树 油井爆破穿孔 石油工
12、业中用直径大而极 短的药型罩 聚 能装药穿透各种地 质岩层以提高油流 它衬 有锥面 半球 形 斜 截 锥面 抛 物面和喇 叭形 等药型罩 油井 穿孔器锥面 顶 角通 常为 至约 角度越小 穿透能力越高 但孔很 小 讹角越大 势必产生一个 阻碍 油流的锥 孔 此外 壁厚 壁 锥度和 壁面顶 部 半径的 相互关系 都影响穿 透 性能 如壁太 厚 穿透 能力降低业产生 一 种 堵 孔射 流 棒 如壁太 薄 身 十 流棒 质量 大大 降 低 射 流 质 量也下 降 穿透能 力较低石油工 业 中约 肠要穿 透的村料是水泥井环和岩层 其空间有 限 投射距离较短 环 境恶劣 腐蚀 性强和温度 高于 叻 同时
13、要使钻孔 套 管损 耗 最小 和避免邻近药包问的 干扰 通常几个聚能 装 药药包同时 一 起爆 事 实上药包在起 爆前 要 在这种不利环 境 中保 留几小时 因此该 问题 很复杂 油井爆破 钻 孔中通 常 有一最佳 投 射 距离 其值大于药包直径 三倍 而且油井 穿 孔器设计者难以求得 该最佳距离 油井应用中最初的喷射穿孔器 使用玻璃 药型罩聚能装药 它炸 成的孔较大 但 穿透 深度不足 后来 用钢 铜 锌 铅和这些金 属 尤其是铜和锌 的混 合物 或合金作 药型 罩 此外 药型置可 由两个锥面 压合而成 其内锥面 空气狈 为铜 厚度约为 复合 锥面 壁厚的一半 这部分药型 罩形成射流 外 锥
14、 面 炸药侧 由锌 或铅等低 熔 点金属制 成 很少或不形成射流棒 全由锌合金制成的锥 面药型 罩不产生射 流棒 外侧为铅 和锌合 金 内侧为 铜合金 的双金属 药型 罩 其性能 无明显下降 而射 流棒或节 却最小 铜 颗粒 细分成薄片压成 铸模 然后烧结 成的药型罩 不产生射 流节 断裂 采用标准 粉末 冶金 技 术 由铜粉制 成的药型罩 也不产 生射流断 裂 炼钢炉开孔 聚能装药的另一用途是在 炼 钢 炉上 开 孔 炼 钢炉射 流 出钢有时称 为炉底 结块爆 破 一旦 出钢 孔被 堵塞 需尽快开 孔将炉内 熔融钢流放出 尽 可能远地挖一个至炼钢 炉 砌面的出钢孔 用装药 杆将射流开孔器插入
15、 该 出钢孔 射 流开 孔器为一衬有锥面金属 或 玻璃药型置的聚能装药然后起爆该射流开 孔器清 除炉底砌块 通 常 成功 率很高 图 为 一个 商业射流开 孔器 如图 所示 聚能 装药部 件校 准在 轴上 或 偏 离轴 为了降 低堵 塞物的视线厚度 必 须打眼 射 流开孔 器系统 应绝 缘 热 为了经 受长时间高温热 辐射 需使用专 用雷管 口 图 偏心勇 丁流开孔器药包 炸 药 铜锥面药 型革 电雷管 装药杆 塑料 壳 绝缘 热 拱 形体 了 切割药包 线型 楔 形 一形 或 一形 聚能装 药用 作为切割药包 它们产 生带状射流以切割金 属 或 其它材料 主要用于导弹和宇宙飞船的 隔离 开伞
16、和安全自毁系 统 中 菜德尔 论述 了环形 圆形切割药包的设 计 冰上爆破 琼斯论述了用 大 的拆除类聚能装 药在书极海冰上打眼 他介绍了三种普遍使 用的拆除药包 和 拆 除药 包 英国人设计 的 号 英寸 拆除药 包 的特性 业给出了它们穿透 各种目标的 近似穿透能力 论 述 了聚能装药 冰川爆破 梅勒论述了聚能 装药冰 爆破 介绍了包 括水下拆除的几种聚能装 药应 用 混凝土破碎 目前正在研究用于爆破漏斗 移动岩 层 砾石破碎 混凝土破碎和地质岩层穿 透等领域的聚能装药 尤其是 用 于 维 克斯 堡 密西西比航道试验 站中的 聚能装药 论述了聚能装药在采矿和糊炮爆 破中的应用 此外 聚能装药还用作地球物 理勘探和地震勘探的地震 波源 万 裸炸焊接 聚能装药还用于爆炸焊接 金 属包层 或 金属零件爆炸成形 本质上 该技术就是用 炸药爆炸形成双金属或三金属零件 因常用 昂贵材料薄层作衬底材料和耐腐蚀隔 板 故 可大大节 约材料 聚能装药还应用于化学容 器 热交换器 脱 盐管道设备和有腐蚀性环 境的其 它领域 利用爆炸焊接技 术 除可焊 接相容金属外 还能焊接冶金不相容和难混 溶金 属
