聚能射流.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,聚能射流,2,4.1,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。,3,4.1,基本概念,爆轰产物的飞散方向,4,4.1,基本概念,5,4.1,基本概念,6,4.1,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,10,4,10,7,/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。,7,4.1,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,）。,8,4.1,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。,9,4.1,基本概念,10,4.1,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。,11,4.1,基本概念,12,4.2,聚能射流形成理论,13,4.2,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。,（,4,）罩变形过程中其母线长度保持不变。,14,4.2,聚能射流形成理论,压合过程的几何图形（图,4-2-1,）,15,4.2,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,V,0,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,。,V,0,与,AC,方向一致。,为,V,0,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,V,0,，分解到,BC,和）,OC,两个方向上，即有,V,0,二,V,l,+V,2,16,4.2,聚能射流形成理论,如果在具有,V,l,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,V,2,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,17,4.2,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),18,4.2,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：,在静坐标系中，射流的速度为：,（,4-2-1,）,杵体的速度为,:,（,4-2-2,）,19,4.2,聚能射流形成理论,由图,4-2-1,，可得：,由正弦定理可得：,20,4.2,聚能射流形成理论,即,(4-2-3),(4-2-4),将其代入,(4-2-1),、,(4-2-2),式得：,(4-2-5),(4-2-6),21,4.2,聚能射流形成理论,在,OBC,中，,OBC,2,，则,2,(4-2-7),即,-,-,带入,(4-2-5),、,(4-2-6),式，稍加变换，,v,j,，,v,s,也可写为：,(4-2-8),(4-2-9),式中,角为压垮角。,22,4.2,聚能射流形成理论,设,u,e,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,u,e,t,=AB,，,v,0,t=AC,。,由图可得,(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,u,e,=D/,cos,(4-2-11),23,4.2,聚能射流形成理论,24,4.2,聚能射流形成理论,射流与杵体的质量,m,j,、,m,s,，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,(v,2,),在罩轴线方向上应满足动量守恒条件，即,联立上两式，可得：,25,4.2,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。,26,4.2,聚能射流形成理论,压合速度变化时，药型罩的压合过程,27,4.2,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,v,2,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,0,不能过大，,也不能太小。,对铜药形罩当,V,0,的径向分量,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。,28,4.3,爆炸成形弹丸,29,4.3,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、能量聚焦装置和,P-,装药。,30,4.3,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。,31,4.3,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：,（,1,）速度低、形状短粗、质量大,自锻破片的速度一般在,15003500m/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,6070%,。,32,4.3,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。,（,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。,33,4.3,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,装置的流体编码技术，它为设计者提供了迅速改变药型罩形状的能力；,(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。,34,4.3,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。,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,75,0,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,。,35,4.3,爆炸成形弹丸,36,4.3,爆炸成形弹丸,37,4.3,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。,38,4.3,爆炸成形弹丸,39,4.3,爆炸成形弹丸,40,4.3,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。,41,4.3,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,。,42,4.3,爆炸成形弹丸,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。,43,4.3,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。,44,4.3,爆炸成形弹丸,45,4.3,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。,46,4.3,爆炸成形弹丸,47,4.3,爆炸成形弹丸,图中表明，随着,L/D,的增加，,EFP,的动能增加，直到,L/D,约为,1.5,时，曲线变得平坦。一般说来，炸药装药的长径比,L/D,约为,1.5,时较为合适。,如果战斗部没有足够的空间，根据某些研究者的经验数据，,L/D,约为,0.75,亦已足够。,药型罩外形和结构模式的选择主要依据靶板的要求和整个系统的战斗任务。通过改变药型罩外形和壁厚，可形成各式各样的,EFP,。,48,4.3,爆炸成形弹丸,已开展研究的三种基本形状是：实心球、长杆和喇叭 杆。,早期的,EFP,设计主要集中在实心球上面。然而，随着目标要求的提高，实心球不再用来对付重型装甲，但是用来对付轻型装甲还是非常有效的。,事实上，球形,EFP,多用在破片式战斗部上，以攻击轻型装甲。如图,4-33,所示。,49,4.3,爆炸成形弹丸,50,4.3,爆炸成形弹丸,（,1,）实心球，可由两种方法形成：,聚焦法：,在药型罩压合过程中，使整个药型罩材料朝向一个共同点聚集，如图,4-34,所示。,51,4.3,爆炸成形弹丸,W,折叠法,：通过药型罩的设计，使之在变形过程中的截面形成一,W,形状，即使药型罩逐渐向自身上压合，如图,4-35,所示。,52,4.3,爆炸成形弹丸,（,2,）杆状,EFP,，也有两种形成方法：,向前折叠,和,向后折叠,。,在向前折叠的模式中，药型罩边缘加速在前，罩中心加速在后，并同时被驱动向对称轴运动。这样，最终使药型罩边缘变成杆的尖端，罩中心变成杆尾。,一般情况下，在向前折叠的方法中，杆状,EFP,在尾部形不成稳定的喇叭状。所以，向前折叠模式可产生非常坚实的长杆,EFP,。,53,4.3,爆炸成形弹丸,在向后折叠的模式中，药型罩中心加速在前，罩边缘加速在后，并同时被驱动向对称轴运动，所以药型罩将发生翻转。,向后折叠模式对形成气动稳定的,EFP,非常合适，因为通常头部很对称，而尾部呈喇叭状且中空，由此可造成重力中心向前，有利于飞行稳定。,另外，由于径向压合不如向前折叠厉害，所以更有可能形成单一杆状侵彻体。而向前折叠模式在对称轴处更容易造成空腔，由此减小了,EFP,对靶板的侵彻能力。,54,4.3,爆炸成形弹丸,4.3.3,爆炸成形弹丸的材料动力学性能,55,4.3,爆炸成形弹丸,56,4.4,射流对靶板的侵彻,57,4.4,射流对靶板的侵彻,4.4.1.,基本现象,聚能破甲作用包括,金属射流形成,与,金属射流侵彻靶板,两部分。,1.,射流的形成,58,4.4,射流对靶板的侵彻,两个阶段：（,1,）聚能装药起爆，炸药爆轰，进而推动药型罩向轴线运动。（,2,）药型罩各微元运动到轴线处并发生碰撞，形成射流与杵体。,注意：药型罩顶部形成的射流在射流的最前端，尾部形成的射流在射流的最后端。,59,4.4,射流对靶板的侵彻,2.,射流的侵彻,60,4.4,射流对靶板的侵彻,图（,a,）为射流刚接触靶板，在碰撞点压力可达到,20,万,MPa,，温度可达,5000K,。射流与靶板材料碰撞后，速度降低，在靶上因射流冲击形成一个孔洞，射流与靶板孔底材料具有相同的运动速度，这个射流与靶板碰撞点的速度，称为破甲速度。,碰撞后的射流，其能量并没有消耗光，其剩余能量虽不足以继续破甲，却能扩大孔径。当后续射流,3,到达碰撞点后，继续破甲。,61,4.4,射流对靶板的侵彻,但此时，射流所碰到的不再是静止的靶板材料，而是经过冲击波的压缩已有一定的速度的靶材，碰撞点周围的金属产生高速塑性变形，在碰撞点附近形成一个高温、高压、高应变率的三高区。,图（,b,）表示射流,4,正在破甲，在碰撞点周围形成三高区；图（,c,）表示射流,4,已附在孔壁上，有少部分飞溅出去。射流,3,已完成破甲作用，射流,2,即将破甲。可见，射流残留在孔壁上的次序和在原来射流中的次序是相反的。,62,4.4,射流对靶板的侵彻,3.,射流破甲的三个阶段,开坑阶段：,也就是破甲的开始阶段。从射流头部碰击靶板到射流在靶板中建立起稳定的三高区。此阶段只占孔深的很小一部分。,准定常阶段：,开坑后，射流对三高区靶板的侵彻阶段。由于此阶段的碰撞压力小，射流的能量变化缓慢，破甲参数变化不大，靶孔直径变化不大，基本上与破甲时间无关，故称准定常阶段。,63,4.4,射流对靶板的侵彻,终止阶段：,此阶段情况很复杂。,首先，,射流速度已相当低，靶板强度的作用愈来愈明显。故在此阶段不能忽略靶板强度。,其次，,由于射流速度低，不仅破甲速度减小，而且扩孔能力也下降了。由于后续射流推不开前面已经释放能量的射流残在破甲孔渣，使其堆积底，因而后续射流不是直接与靶孔材料作用，影响了破甲的进行。实际上，在射流和孔底之间，总是存在射流残渣的堆积层的，但在准定常阶段堆积层很薄，而在终止阶段在愈来愈厚，使射流破甲过程停止。,再者，,射流在破甲的后期产生颈缩和断裂，对破甲过程产生不利影响。,64,4.4,射流对靶板的侵彻,破甲终止的原因：,（,1,）射流速度降低到某一临界值时，不能再侵彻靶板，此值通常成为临界速度。它与射流及靶板的材料有关。,（,2,）由于侵彻过程中的射流残渣堆积，使后续射流和孔底隔开，因此，即使射流还没有下降到临界速度，也可能使侵彻过程停止。,（,3,）射流断裂，并且翻转和偏离轴线，使侵彻过程停止。,（,4,）虽然射流尾部速度大于临界速度，但因射流消耗完毕而终止破甲。,65,4.4,射流对靶板的侵彻,4.4.2,破甲的流体动力学理论,1.,连续射流的定常侵彻,66,4.4,射流对靶板的侵彻,Birkhoff,等人最早描述了射流侵彻的分析模型，他们假设：靶板和射流的行为均为不可压缩流体，并建议用简单的,Bernoulli,方程来描述射流对靶板的侵彻，即在碰撞点的两侧流体静压和动压之和相等，如上图所示。所以,式中,V,j,为射流速度；,u,为侵彻速度；,j,和,t,分别为射流和靶板的密度。,67,4.4,射流对靶板的侵彻,上式对于高速射流侵彻金属板的情况具有一定的精 度。也就是说，在高速侵彻时可以忽略靶和射流的强度。一般，射流对均质钢装甲的典型侵彻速度约为,4km/s,或更高。,后来大多数的侵彻模型都是在上式形式上的改进，包括断裂射流效应、射流和靶板强度效应等。,求解上式，可得射流侵彻速度，即侵彻过程中孔底运动速度为,68,4.4,射流对靶板的侵彻,于是作为时间,t,函数的侵彻深度可表示为：,对于速度和长度都不变的射流，当射流消耗殆尽时侵彻终止，这时侵彻持续时间为,将式（,4-90,）和（,4-93,）代入式（,4-92,），可得侵彻深度为,这就是常说的密度定律。,69,4.4,射流对靶板的侵彻,该式表明恒速射流的侵彻深度仅仅与射流的长度、射流和靶板的密度之比有关，并与靶板密度平方根成反比。,该式也表明侵彻与射流速度无关。但是，当射流速度足够高时，侵彻将产生远远超过靶板强度的压力，显然将影响侵彻深度。,Pack,和,Evans,扩展了方程,(4-90),以适用断裂射流，给出断裂射流的侵彻公式为,70,4.4,射流对靶板的侵彻,式中，,为常数，对连续射流,1,；对断裂射流,2,。,值范围在,1,2,之间，表明射流断裂到达的程度。另外式中射流密度,j,表示射流质量除以包括射流段间隙在内的射流总体积所得的密度。于是侵彻深度为：,71,4.4,射流对靶板的侵彻,72,4.5,射流的实验测试,