聚能射流

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4.3 爆炸成形弹丸
EFP战斗部由金属药型罩、壳体、炸药装药和起爆序 列组成。装药爆炸后，爆炸产物产生足够的压力加速 药型罩使之几乎同时形成一根杆或其他所要求的形状。 EFP将以超过2000m/s的速度冲击靶板，传递约10亿 瓦功率的能量。
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4.3 爆炸成形弹丸
EFP的特点：
与小锥角（一般在40～60度）药型罩形成的射流相比， EFP具有以下一些特点：
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4.1 基本概念
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4.1 基本概念
射流效应并不仅限于锥形罩和半球罩、还可以制成楔 形和环形药型罩，分别用于线型装药或盘型装药中， 如图4-6所示。 这时由线型装药产生的射流将形成一个薄片，而盘型 装药则形成一环状射流。
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4.1 基本概念
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4.2 聚能射流形成理论
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4.2 聚能射流形成理论
4.2.1定常理论
Birkhoff等人(1948)首先系统地阐述了聚能装药射流形 成理论。他们假设：
（1）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。 （2）在爆炸高压下药形罩金属为理想(无粘性)不可压 缩流体。
（3）药形罩各处的压垮速度u相同，且在压垮过程中u 保持不变。
聚能射流
4.1 基本概念
（a） 爆轰产物向柱型装药四周均匀飞散，药柱底部 爆轰产物作用与靶板。 （b） 装药锥孔部分的爆轰产物飞散时，向轴线集中 会聚成速度和压力很高的气流，爆轰产物的能量集中 在较小的面积上，在靶板上打出更深的孔。 （c） 装药锥孔部分加装金属罩，爆轰产物在推动罩壁 向轴线运动的过程中，将能量传递给了金属罩，依靠 罩的动能产生了更大的破坏作用。 （d）增大炸高（Stand-off）可以使射流充分形成，提 高侵彻能力。
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4.1 基本概念
如果将带有药型罩的炸药装药离开靶板表面一定距离 引爆，侵彻深度还会增加。 具有锥形药型罩的炸药装药，其侵彻深度随炸高的变 化曲线如图4-3所示。其中对应最佳深度的炸高称最佳 炸高。 聚能装药被广泛应用于军事弹药和民用爆破方面，如 侵彻坦克装甲、掩体，以及勘探、采石和打捞作业等 等。
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4.2 聚能射流形成理论
在ΔOBC中，∠OBC＝2δ，则
β＝α＋2δ
即 δ＝β-α-δ
(4-2-7)
带入(4-2-5)、(4-2-6)式，稍加变换，vj，vs也可写为：
(4-2-8)
(4-2-9)
式中β角为压垮角。
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4.2 聚能射流形成理论
设ue为爆轰波沿罩面扫过的速度，t为A点闭合运动到C 点所用的时间，则有uet=AB，v0t=AC。 由图可得
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4.1 基本概念
爆轰产物的飞散方向
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4.1 基本概念
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4.1 基本概念
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4.1 基本概念
在射流形成的过程中，罩材料在非常短的时间内产生 非常强烈的变形，其最大应变可达10以上，应变率可 达104～107/s。由于变形时罩材料的迅速叠加，据计算 其峰值压力约达200GPa，衰减后的平均值也达20GPa。 锥形药型罩材料被压合到轴线上形成的射流以很高的 速度向前运动，其头部速度可超过10km/s。由于沿射 流长度方向上存在速度梯度，射流将被拉伸，最后直 至断裂形成柱形颗粒。
射流质量约占药型罩质量的15％，其余部分形成杵。 当药型罩锥角增大时，向内压合部分显著减少，相应 地射流和杵之间的速度差也随之减小。 Held发现，当半锥角接近750时，射流和杵接近具有相 同的速度，如图4-29所示。在这种角度下将形成EFP。
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4.3 爆炸成形弹丸
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4.3 爆炸成形弹丸
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4.3 爆炸成形弹丸
下面基于动量守恒原理考虑炸药和药型罩之间的相互 作用。 炸药爆轰后，冲击波通过炸药，冲击药型罩，冲击波 之后是高压爆炸气体产物。
现考察药型罩上一微元，其厚度为h，如图4-30所示。
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4.3 爆炸成形弹丸
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4.3 爆炸成形弹丸
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4.3 爆炸成形弹丸
为简化问题，现考虑轴对称或二维药型罩表面的情况， 其基本矢量可写成分量的形式。
V0不能过大，β也不能太小。
对铜药形罩当V0的径向分量 vr v0 cos( ) 1200 m / s
时 ，药形罩微元将不能汇聚到轴线上，而是形成破片 飞散出去。
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4.3 爆炸成形弹丸
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4.3 爆炸成形弹丸
利用爆炸能使金属板变形成为凝聚连贯的侵彻体并同 时加速到很高速度的这种概念，为利用动能侵彻体而 不用长杆提供了一种极好的方法。 这种概念主要用于采矿，直到19世纪70年代中期，当 引入炸高概念提高了对靶板的毁伤效应之后，在实际 的战斗都中才开始采用爆炸成形弹丸(EFP)。 EFP（Explosively formed projectile)还可以叫做爆炸 成形侵彻体、自锻破片、能量聚焦装臵和P-装药。
联立上两式，可得：
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4.2 聚能射流形成理论
4.2.2 PER准定常理论
1952年，Pugh、Eichelberger和Rostoker对稳态理论 作了重要改进，提出了一个非稳态射流形成理论，成 为PER理论。 PER理论假设锥形（或楔形）罩壁的压合速度是变化 的，压合速度从罩顶至罩底逐渐降低。
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4.3 爆炸成形弹丸
各自的速度分量为：
可见，整个药型罩的最终图形也就是EFP的形状，它 将由沿药型罩的这些速度分量分布给出。
对于一给定的初始药型罩外形，就将产生一定形状的 EFP。 一旦改变药型罩外形（通过改变药型罩的角度和厚 度），就将产生不同形状的EFP。
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4.3 爆炸成形弹丸
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4.2 聚能射流形成理论
如果在具有Vl速度的动坐标系上来看药形罩的压垮过 程，只能看到罩材料是以V2的速度沿母线向轴线流来。 它类似于一股定常流体冲击刚性壁面的情况，在碰撞 点分为方向相反的两股流。 由于定常不可压缩流体满足伯努利（Bernoulli）方程， 即流体各处满足
1 P V 2 常数 2
AG sin AB
v0 arcsin( ) 2U e
(4-2-10)
如果爆轰波是按平面波的形式以爆速D沿轴向传播，则 ue=D/cosα (4-2-11)
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4.2 聚能射流形成理论
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4.2 聚能射流形成理论
射流与杵体的质量mj、ms，可以利用质量守恒与动量 守恒求得。由质量守恒，有 药型罩的闭合流动(v2)在罩轴线方向上应满足动量守恒 条件，即
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4.1 基本概念
聚能效应：利用装药一端的空穴以提高局部破坏作用的效 应，称为聚能效应。 聚能装药（Shaped Charge）：具有聚能效应的装药称为 聚能装药。
射流：聚能气流和金属流统称为射流，或聚能射流。
破甲：射流对靶的作用称为破甲。 破甲弹（high explosive antitank(HEAT)projectile）：利 用聚能效应使金属药形罩形成高温高压高速射流穿透装甲 或其它坚硬目标并具有一定后效作用的炮弹或战斗部。 药型罩口部至靶板表面的距离称之为炸高（Stand-off）。
(2)高精度的计算机数字控制结构技术，由此可保证复 杂形状药型罩的加工精度；
(3)美国陆、空军提倡许多系统概念可使用EFP技术， 这就为系统设计提供了资金和专用设备，可确保有效 地集中研究EFP技术。
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4.3 爆炸成形弹丸
4.3.1 爆炸成形弹丸形成机理
典型的具有锥形药型罩的聚能装药如图4-28所示，其 中衬有药型罩的空穴较深。炸药爆炸后，药型罩被压 合分别形成速度较高的射流和运行较慢的杵，最后彼 此分离。
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4.3 爆炸成形弹丸
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4.3 爆炸成形弹丸
炸药装药的密度和几何形状也非常重要，炸药性能的 对称性也充分影响形成弹丸的对称性。如果药型罩两 侧炸药密度不同，一侧比另一侧高，那么对所形成的 EFP形状和速度的影响将与上面描述的非对称性战斗 部具有同样的效果。 炸药装药的长径比L/D对EFP的形成也有重要的影响， 当L/D增加时，EFP的动能增加，直到某一值开始减小。 例如，装药直径为117mm的战斗部，内装铜制药型罩， 炸药装药的长径比L/D与动能的关系曲线如图4-32所示。
（3）对炸高不敏感，基本不受弹丸转速的干扰 只要设计合理，对炸高不是很敏感，甚至可在几十米 处还能打穿坦克的顶甲或侧甲。它短而粗的形状决定 了它受弹丸转速的干扰不敏感。
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4.3 爆炸成形弹丸
关于EFP技术，早在20世纪70年代中期就已建立起来， 主要表现在三个方面： (1)成功地模拟EFP装臵的流体编码技术，它为设计者 提供了迅速改变药型罩形状的能力；
杵体的速度为:
vs v1 v2
（4-2-1） （4-2-2）
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4.2 聚能射流形成理论
由图4-2-1，可得：
DCF ACB CAB
CFD 0CA (

2


( )

2
)
2
由正弦定理可得：
v0 sin
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4.2 聚能射流形成理论
在具有V1速度的动坐标系上观察射流和杵的运动（图 4-2-2)
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4.2 聚能射流形成理论
在距碰撞点较远各处(O、B、H点等)的压强可认为近 似相同，也相同，由上式可得：
vB v0 vH v2
在静坐标系中，射流的速度为：
v j v1 v 2
（1）速度低、形状短粗、质量大
自锻破片的速度一般在1500~3500m/s。其平均直径 （一般都是不规则的）通常为原罩径的40～60%。它 成一整体，分不出射流和杵体来，其质量约为原罩 60~70%。
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4.Baidu Nhomakorabea 爆炸成形弹丸
（2）穿深浅、后效大
EFP的穿深较浅，最大的也只有一倍罩径左右。但其 后效要比一般射流大得多。它不仅穿孔直径大，进入 靶后的金属多，而且还能在装甲板背面形成大块崩落 的碟形破片。
（4）罩变形过程中其母线长度保持不变。
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4.2 聚能射流形成理论
压合过程的几何图形（图4-2-1）
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4.2 聚能射流形成理论
以药型罩上的某一微元为研究对象，在爆轰传到时A点 (环)以V0的速开始闭合。当其运动到轴线上c处时发生 互撞，并且此时爆轰波母线已传到了B处。由假设(4) 有AB＝BC。 V0与AC方向一致。δ为V0偏离A点法线的一个飞散角 (也称抛射角)。可以把闭合点处(c点)的V0，分解到BC 和）OC两个方向上，即有 V0二Vl+V2
4.3.2 战斗部外形和侵彻体形状
典型的EFP战斗部由金属壳体、高能炸药和金属药型 罩组成。壳体不仅为炸药和药型罩提供保护作用，另 外壳体质量可增加炸药冲击压力的作用时间，从而增 加传递给药型罩的总能量。
通常，EFP战斗部中的壳体、装药和药型罩都设计成 对称性。否则，由炸药产生的爆炸产物的非均匀性将 导致爆炸冲击压力的不平衡，从而造成EFP的严重变 形。
sin( ) 2

v1

sin[ ( )] 2

v2
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4.2 聚能射流形成理论
即
cos v1 v0 sin
cos( ) v 2 v0 sin
(4-2-3)
(4-2-4)
将其代入(4-2-1)、(4-2-2)式得：
(4-2-5)
(4-2-6)
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4.2 聚能射流形成理论
压合速度变化时，药型罩的压合过程
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4.2 聚能射流形成理论
4.2.3 形成射流的条件
从图4-2-2可以看出，如果v2大于材料的音速c，在闭合 处形成冲击放，致使来流不能顺畅地折转，射流不能 正常形成。因此要求
v 2 v0 cos( ) c sin
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4.3 爆炸成形弹丸
对于对称装药而言，当改变壳体厚度即炸药的限制质 量时，最终形成的EFP形状和速度将有显著差异。 图4-31示出了具有相同药型罩而钢壳厚度分别为10mm 和5mm的EFP装药和爆炸后形成的EFP形状。
图中表明，壳体厚度为10mm的装药形成的EFP稍短， 速度为2.57km/s；而5mm厚壳体的装药，EFP稍长， 速度为2.43km/s。 可见，药型罩的设计与周围壳体质量有关，且对质量 的对称性很敏感。