石油射孔弹聚能效应理论讲义

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

目录

1石油射孔弹的结构 (1)

2基本概念 (3)

2.1空穴装药 (3)

2.2射流 (4)

2.3 聚能效应 (4)

2.4 炸高 (4)

2.5 爆轰 (5)

3 聚能射流形成理论 (5)

3.1 射流形成过程 (5)

3.2 射流形成机理 (6)

3.2.1 Birkhoff定常理论 (7)

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 (11)

4 射流侵彻理论 (15)

4.1 概述 (15)

4.2 连续射流侵彻的流体力学理论 (17)

4.2.1 定常理想不可压缩流体力学理论 (17)

4.2.2准定常理想不可压缩流体力学理论 (17)

5 射孔弹影响因素 (18)

5.1 炸药性能 (19)

5.2 起爆方式 (20)

5.3 药型罩材料及成型工艺 (21)

5.4 药型罩形状及结构 (23)

5.5 炸高 (26)

5.6 壳体 (27)

5.7 隔板 (28)

5.8 靶板 (29)

6 爆轰驱动理论分析 (30)

6.1 Gurney模型 (30)

6.2一维爆炸驱动能量守恒方程 (31)

6.3 聚能射流形成的临界条件 (34)

6.3.1 低速限制条件 (34)

6.3.2 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。

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

炸高/装药直径

侵彻深度/装药直径

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