石油射孔弹聚能效应理论培训讲义培训人：王树山、魏继锋、徐豫新北京理工大学爆炸科学与技术重点实验室2010年9月i目 录1石油射孔弹的结构 12基本概念 32.1空穴装药 32.2射流 42.3 聚能效应 42.4 炸高 42.5 爆轰 53 聚能射流形成理论 53.1 射流形成过程 53.2 射流形成机理 63.2.1 Birkhoff定常理论 73.2.2轴对称药型罩压合时厚度方向各层的速度和压力分布 114 射流侵彻理论 154.1 概述 154.2 连续射流侵彻的流体力学理论 174.2.1 定常理想不可压缩流体力学理论 174.2.2准定常理想不可压缩流体力学理论 175 射孔弹影响因素 185.1 炸药性能 195.2 起爆方式 205.3 药型罩材料及成型工艺 215.4 药型罩形状及结构 235.5 炸高 265.6 壳体 275.7 隔板 285.8 靶板 296 爆轰驱动理论分析 306.1 Gurney模型 306.2一维爆炸驱动能量守恒方程 316.3 聚能射流形成的临界条件 346.3.1 低速限制条件 346.3.2 高速限制条件 36石油射孔弹聚能效应理论培训讲义1石油射孔弹的结构图1.1.1石油射孔弹实物图图1.1.2石油射孔弹结构示意图图1.1.3 射孔弹作用示意图射孔弹主要由起爆器、穿/扩爆药、主装药、壳体、药型罩五部分组成。
少数还可能含波形调整器1）起爆器常为雷管2）炸药装药是射孔弹做功的能源, 炸药装药的品种(配方)、密度、几何尺寸等物理和化学特征都对其性能有很大的影响主装药通常有RDX、HMX为基的药剂3）壳体壳体材料的物理性能决定了壳体材料的弹塑性和强度，这一性能直接影响炸药爆炸能量的利用率一般而言壳体强度越大，炸药的爆炸能量越容易集中作用于药型罩，壳体强度越小，壳体就越过早破裂，能量就越容易分散释放，能量利用率也就越低4）药型罩药型罩的作用是将炸药的爆轰能量转换成罩的动能，从而提高聚能作用，产生金属射流对罩的材料的要求是：可压缩性小，在聚能过程中不气化，密度大，延性好聚能药型罩一般采用以铜基为主的粉末药型罩，它的特点是延伸性好，密度较大，易于加工等目前通用的配方为80% 紫铜、19% 铅和1% 石墨, 也有在这些配方中加入适量的钨、锌、铋、钛等金属，目的是提高射流的密集度或加大它的延伸性，以便有利于提高穿深如今，也有少量使用金属钽制作的药型罩，或者采用双锥罩事实上，不仅锥形罩能产生聚能作用，其他如抛物线形罩和半球形罩等也能产生聚能作用，这些都属于轴对称聚能装药锥形罩也有圆锥形、喇叭形、双锥罩等多种形式。
有时，药型罩可以做得很长，用以产生一条聚能射流，起切割作用，这种装要成为线型聚能装药或切割索轴对称和平面对称型聚能装药应用很广，如在军事上，用于对付各种装甲目标；在工程爆破中，可在土层和岩石上打孔（勘探领域）；在野外切割钢板、钢梁；在水下切割构件（打捞沉船时切割船体） 图1.1.4 破甲效应2基本概念2.1空穴装药一段具有空穴而另一端起爆的柱形装药称为空穴装药空穴的几何形状可以是锥形、半球形空穴图2.1.1 空穴装药2.2射流射流是指流体从管口、孔口、狭缝射出，或靠机械推动，并向周围流体掺混的一股流体流动射流有气流、液流、固体颗粒流等在弹药领域涉及的射流，可以这样称谓：在高温高压作用下，通过聚能效应产生的高速金属流射流可进行动量、热量和质量传递2.3 聚能效应聚能效应（Gathering energy effect），通常称为“门罗效应”，源于1888年美国人门罗(Charles E. Munroe)在炸药试验中发现即炸药爆炸后，起爆炸产物在高温高压下基本是沿炸药表面的法线方向向外飞散的因此，带凹槽的装药在引爆后，在凹槽轴线上会出现一股汇聚的、速度和压强都很高的爆炸产物流，在一定的范围内使炸药爆炸释放出来的化学能集中起来。
2.4 炸高药型罩口部距目标靶表面的距离称为炸高如果将带有药型罩的炸药装药离开目标靶一定距离处引爆，将会增加侵彻深度其中对应最佳深度的炸高，称为最佳炸高炸高/装药直径侵彻深度/装药直径图2.4.1炸高示意图 图2.4.2 聚能装药侵彻深度—炸高曲线2.5 爆轰爆轰是伴有化学反应的冲击波，通常是前驱冲击波作用于炸药，在高温高压条件下诱发化学反应，释放的能量支持冲击波自持传播的过程爆轰波实质上是带有化学反应的冲击波能够发生爆轰的系统可以是气相、液相、固相、气—液、气—固或液—固瞬时爆轰是指装药一经起爆立即全部变成爆轰产物的现象3 聚能射流形成理论3.1 射流形成过程1) 炸药的爆轰反应起爆器作用后，使得主装药发生爆轰；主装药以球面散心爆轰波向四周传播2) 爆轰产物对药型罩的驱动爆轰波与药型罩相遇，高温高压产物驱动药型罩运动不同的爆轰波形对药型罩的驱动效果不同3) 药型罩的压垮加速段药型罩微元以压垮角在轴线处会聚，在会聚处产生高温高压由于药型罩微元到轴线的距离逐渐增加，使得药型罩微元可以加速的距离增加；同时，因作用在药型罩微元上的炸药量减少，药型罩可以获得的终速逐渐减小。
两者综合的结果是药型罩微元的压垮速度和射流速度都是沿聚能装药的轴线由小变大，然后逐渐变小最先形成的速度较低的射流元被后面的高速射流元追上，经过多次碰撞，形成质量大速度高的射流头部4) 射流与杵体分离药型罩沿轴线闭合，产生高速运动的金属射流和低速运动的杵体由于射流和杵体速度相差很大，两者很快分离，中间形成空隙；后续压垮的药型罩微元在此空隙处会聚，继续形成射流和杵体药型罩连续压垮，从而在会聚过程中形成连续的射流和杵体5) 射流拉伸与断裂随着时间的延续，射流速度梯度逐渐显现，拉伸过程中逐渐分成无数小段，断裂开来图3.1.1射流形成示意图图中：a为成型装药原形，1～4表示罩微元的编号；b表示爆轰波阵面到达微元2的末端，此时2开始向轴线运动，3正在轴线处闭合，4已碰撞完毕并分成射流和杵体两部分；c表示射流和杵体全部形成射流的特点是速度大、细长、温度较高，从头部到尾部具有递减的速度梯度一般头部速度达数千米每秒，尾部速度可能仅数百米每秒射流在轴向上存在速度梯度，从而出现金属射流在飞行过程中拉断现象3.2 射流形成机理1948年，Birkhoff等人首先系统阐述了聚能装药射流形成理论他们假设，在药型罩压合过程中，爆轰波产生相当大的压力，以致药型罩材料的强度可以忽略不计。
实际上，将药型罩处理为一种无粘性、不可压缩的流体，锥形罩处理成楔形，并假设是稳定压合模型这样，药型罩微元被瞬间加速到最终压合速度稳态模型预测的射流长度不变，等于锥形药型罩母线长度然而，聚能装药射流具有速度梯度，头部运行快，尾部运行慢造成射流的拉伸，乃至断裂1952年，Pugh等人改进了稳态压合理论，考虑了射流速度梯度改进的非稳态理论与稳态理论基于相同的原理，只不是认为不同药型罩微元的压合速度是不同的，它与微元在药型罩上的初始位置有关3.2.1 Birkhoff定常理论基本假定：l 由于炸药爆轰作用在药型罩上的压力很大，忽略药型罩强度的影响，将药型罩视为一种无粘性、不可压缩的流体；l 爆轰波到达壁面某点后，该点罩微元瞬时达到，并以不变的速度和方向运动；l 药型罩各微元的、、相同；l 药型罩在压垮过程中其长度不变，即；l 爆轰波扫过罩壁的速度不变OCBAEβV1V0V2δαGδβ图3.2.1 射流形成的定常流体力学模型OC为药型罩初始位置，为半锥角，当爆轰波到达G点时，G点微元开始运动，瞬时到达速度（压合速度），运动方向与罩表面法线成δ角（方向角）；药型罩G点微元与聚能装药轴线在E点相碰时，爆轰波到达A点，A点微元瞬时到达速度，方向角也为δ角；A点运动到轴线上时B点，爆轰波到达C点，设药型罩壁变形前后母线长度不变，此时罩壁CB与轴线的夹角为β（压合角或压垮角）。
根据基本假定，变形后罩壁BC为直线，当爆轰波由A点到达C点时，A点微元以压垮速度运动轴线上的B点，可以看作在此时间内E点运动到B点，运动速度以表示在中，应用正弦定律，有 (3.1)在静止坐标系中，碰撞点附近图像如下图罩壁微元以速度在轴线碰撞后分成两部分：射流和杵体，分别以速度和运动VSVJV0图3.2.2 静坐标碰撞点以速度运动在以碰撞点为原点的参考坐标系中，运动状态不随时间变化，把罩壁碰撞形成射流和杵体的过程描述为定常状态现建立以速度运动的动坐标，如下图罩壁以相对速度向碰撞点运动，然后分成两股一股向碰撞点左方运动，另一股向碰撞点右方运动QV3V3V2P图3.2.3 动坐标根据流体力学的定常不可压缩的伯努利方程，流体各处的压力和单位体积动能的总和为常数对于远离碰撞点的来流（罩壁）Q点和向左流（杵体）的P点，可得式中、分别为P点和Q点的静压力，、分别为P点和Q点的流体密度，、分别为P点和Q点的流速由上叙述已知，由于罩金属为不可压缩流体，即如果假设药型罩非常快地离开爆轰产物，则作用在罩壁上的压力很低，接近大气压，P点和Q点的压力和大气压平衡，因此可以忽略、，有，即。
在以碰撞点为原点的参考坐标系中，杵体以向左运动，射流以向右运动由于在实验坐标系（静坐标）中，碰撞点以向右运动，因此该坐标系中射流和杵体的速度和分别为 (3.2)代入式(3.1)，得 (3.3)药型罩微元质量为，射流和杵体质量为、，则 (3.4)由对称轴线方向的动量守恒，有即有 (3.5)上式是在动坐标条件下得到的，由于其中没有速度项，因此同样适用于静坐标情况式(3.3)和式(3.5)就是平面对称聚能装药的定常不可压缩理想流体力学理论的射流和杵体的参量计算公式对于轴对称聚能装药，由于药型罩厚度方向各层速度不同，则动量守恒方程应是罩微元各层总动量和射流以及杵体动量之间的关系，因此，仅当药型罩壁非常薄时，上述公式才能应用3.2.2轴对称药型罩压合时厚度方向各层的速度和压力分布设药型罩微元在爆炸驱动下瞬时得到动能，在以后的向对称轴线运动过程中，保持不变，与轴线夹角不变，宽度不变设材料为理想不可压缩流体，如图b0θb3b2Ob图3.2.4 药型罩微元压合计算图中罩微元在压合途中，内、外表面与轴线上点距离为、，质量为 (3.6)微元内表面到达轴线上点时，外表面长为，则微元中距离为的某微层厚为，速度为，动能为，该层与外表面间的质量为，取和时间为物质坐标（Lagrange）系，则内外表面和某层的速度为，， (3.7) (3.8)令，，微元动能为 。