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发信人: spaceflight (雨前龙井), 信区: Mechanics
标  题: [身边的力学]奇妙的爆炸聚能——言志信
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 16:25:15 2005), 站内

奇妙的爆炸聚能

言志信


    细心的人会注意到雷管的尾部有一凹穴，这并非人们故弄玄虚，而是因为有了它，雷管的引爆能力将大大提高。

    那么，小小凹穴为何能提高雷管引爆能呢？为弄清其中的缘故，我们来做一实验。实验用的炸药柱均由黑索金和梯恩梯按各占50％的比例铸成，直径30毫米，高50毫米，但药柱底部形状不同，如图1所示，A为平底，B底部有一圆锥形凹穴，C和D底部还在凹穴中加了一个圆锥形铜罩；药柱下均为中碳钢板，这些药柱被引爆后，对钢板产生的作用效果有显著差别，实验数据列于表1。实验显示，凹穴（通常

    表1    不同药柱对钢板的作用效果（单位：mm）
    
  试验号   药柱                     药柱底与靶距离         穿孔深度
   A       圆柱，平底                     0                   浅坑
   B       圆柱，下有锥孔                 0                    6-7
   C       圆柱，下锥孔且有聚能罩         0                    80
   D       圆柱，下锥孔且有聚能罩         70                   110

为锥孔）改变了爆炸能量在空间的分布，大大增强了锥孔方向的破坏效果。因此人们将这种底部带凹穴的装药称之为聚能装药，其爆炸为聚能爆炸；凹穴叫聚能穴，聚能穴装上铜罩其聚能效果特别显著，聚能穴方向的作用效果为其他方向的几倍至十几倍，因此人们称这种罩为聚能罩。其实，早在19世纪人们就已发现了这一现象，不过直到1923至1926年人们才对此有所研究，而1935至1950年因二次世界大战，极大地加速了研究的过程，1941年拍摄到了这种装药爆炸时的闪光X射线照片，揭示了能量汇聚过程。尔后制造出给敌人致命打击的穿甲弹、火箭弹、反坦克手雷等穿透力很强的武器。

    聚能爆炸是怎样汇聚能量的呢？如图1中A′所示，圆柱形药柱引爆后，爆轰产物（炸药以最大稳定速度化学反应时，反应终了瞬间的产物），沿近似垂直于原药柱表面的方向向四周飞散，作用于钢板部分的仅仅是药柱端部的爆轰产物，作用面积等于药柱端部面积；图1中B′与之不同，当爆轰波（在炸药中传播，压力突然跃升并伴随化学反应的压缩波）前进到锥体部分，其爆轰产物则沿锥孔内表面垂直方向飞出，由于飞出速度大小相等，方向与药柱形状轴对称，爆轰产物汇聚于轴线，形成一股速度和压力以及能量密度（单位体积的能量）都很高的气流，人们称之为聚能流，聚能流集中作用在靶板较小面积上，因而在钢板上形成较深的孔。但是爆轰产物的压力本来就很高，在轴线汇聚时，压力进一步提高，这种高压迫使爆轰产物向四周低压区膨胀，使能量分散，从另一方面限制了对钢板的穿孔深度。

    为了克服膨胀而使能量分散的弊端，在药柱锥孔表面加一个铜罩，如图1中C所示，那么爆轰产物在推动罩壁向轴线运动过程中，将能量传递给铜罩，由于铜的可压缩性（压强增大体积减小的性质）很小，因此，内能增加很少，能量的极大部分为动能，这样避免了高压膨胀引起的内能分散。同时罩壁在轴线汇聚碰撞时，使能量密度进一步提高，形成能量密度很高的金属射流，射流头部速度达到7～8千米／秒，甚至10千米／秒；沿射流头部往后，速度逐渐降低，尾部速度最低，射流头部的能量密度可达爆轰波能量密度的14．4倍，可见铜罩的聚能作用是非常显著的。金属射流和爆轰产物聚能流的聚能过程都需要一定距离来延伸。一方面随着距离延伸射流拉长，从而提高穿孔深度；另一方面，随距离延伸，射流径向分散和摆动，甚至断裂，使穿孔深度降低，因此当靶板在药柱底部外某点，这点既不离药柱太近，也不离得太远时，攻击最为有效。这就是图1中D比C对靶板穿透更深的原因了。这有点类似光学凸透镜的焦距和焦点的关系。

    以上说明，聚能装药的神奇威力在于能量的调整和汇聚，而总能量并没有改变，就是说总能量是守恒的。

    此外还可看到，聚能罩对聚能效果起关键性作用。通过合理设计，人们已能用聚能爆炸穿透0.6米厚的钢板。聚能罩大多为锥形，也可为半球形和喇叭形或线形。

    聚能爆炸广泛用于鱼雷、导弹、火箭弹等广泛的军事领域，用以摧毁敌坦克、装甲、仓库、混凝土防御工事和机动车辆，以及对付飞机和宇宙飞船。已知最大的聚能装药之一是法国的MISTEL，装药重为1724千克。

    现今，聚能爆炸在民用方面已获得广泛应用，其中根据聚能原理的石油射孔弹在石油开采中扮演着重要角色，一口耗资几十万至上百万元的油井，最后能否正常出油就取决于射孔作用。石油射孔弹聚能罩的锥面顶角为45°～60°，角度越小，穿透能力越强，但孔径很小，锥角太大，则穿孔深度不够，石油难以流出。此外壁厚、壁锥度等都影响穿孔性能，例如，壁太厚则穿孔能力降低并产生一种堵孔的射流棒；壁太薄，射流质量下降，穿孔能力低。为了提高射孔质量，80年代我国科学工作者根据我国油井实际，大胆创新，试用内层为冲压铜罩，而外层为金属粉末罩的复合聚能罩装药，取得了良好射孔效果，因为这种聚能罩内层能形成优质射流，外层使形成的堵孔射流分散，从而达到高穿深不堵孔的目的。

    线型聚能罩横断面为V形，装药引爆后产生的带状金属射流如快刀一般，可用来切割钢板、钢梁、钢管，其速度是其他方法不可相比拟的，并能在水下进行，如在“佛山号”沉船打捞和“渤海二号”钻井平台的水下切割中都显示了其独特优点。

    用于平炉穿孔出钢的喷射式穿孔器也是根据聚能原理制成的，既安全可靠，又省工省时。

    此外，这一原理还广泛用于伐木；用于冰上打眼，其效率远高于机械钻眼；用于混凝土破碎以及采矿和焊接中；用于提高起爆能力。本文开头提到的雷管上的小锥孔就是用来提高雷管引爆能力的。

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