电磁能与炸药联合加载药型罩基础理论_豆剑豪.pdf

第 44 卷第 6 期2 0 2 3 年 6 月兵工学报ACTA AMAMENTAIIVol 44 No 6Jun2023DOI:10 12382/bgxb 2022 0120电磁能与炸药联合加载药型罩基础理论豆剑豪1，2，贾鑫2，梁争峰1，黄正祥2，薛标1(1 西安近代化学研究所，陕西 西安 710000;2 南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)摘要:为提高聚能射流对炸药能量的利用率，结合电磁加载药型罩以及爆磁压缩发生器原理，提出一种电磁能与炸药联合加载药型罩的原理结构。联合加载分为两个阶段:第 1 阶段，电容器放电，在爆磁压缩发生器中形成初始磁通;第 2 阶段，炸药 1 爆轰，压缩磁场，电流增大，同时爆轰波传播至药型罩部分引爆炸药2，电磁力与爆轰压力共同压垮药型罩。结合炸药爆轰理论、传统 PE 射流成型理论以及电磁加载特性，建立电磁与炸药联合加载下药型罩射流成型的理论模型。利用理论模型计算 56 mm 聚能装药在联合加载结构下的射流成型，并通过理论计算分析联合加载时序对联合加载射流成型的影响。计算结果表明:电磁与炸药联合加载能够增加成型射流的速度以及动能，提高聚能射流对炸药的利用率，并且优化联合加载时序能够进一步提高射流速度和动能;联合加载下射流动能相对传统聚能装药提升了 34.5%，对炸药的能量利用率提高了 36%。关键词:聚能射流;电磁能与炸药;爆磁压缩发生器;能量利用率;联合加载时序中图分类号:TJ410.1文献标志码:A文章编号:1000-1093(2023)06-1754-10收稿日期:2022-03-02基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(11602110)Basic Theory of Loading Liner With ElectromagneticEnergy and ExplosivesDOU Jianhao1，2，JIA Xin2，LIANG Zhengfeng1，HUANG Zhengxiang2，XUE Biao1(1 Xian Modern Chemistry esearch Institute，Xian 710000，Shaanxi，China;2 School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China)Abstract:To improve the explosives energy utilization rate of the shaped charge jet，a principle structurein which electromagnetic energy and explosive are combined to load the liner is proposed considering theprinciples of the liner loaded by electromagnetic force and magnetic flux compression generatorCombined loading is divided into two stages:in the first stage，the capacitor discharge and the initialmagnetic flux is formed in the magnetic flux compression generator;in the second stage，Explosive 1detonates，which compresses the magnetic field and increases the current，and at the same time，thedetonation wave propagates to the liner to detonate Explosive 2 The electromagnetic force and detonationpressure jointly crush the liner Combined with the explosive detonation theory，traditional PE theory ofjet formaton and electromagnetic loading characteristics，a theoretical model of jet formation of a linerunder combined electromagnetic and explosive loading is established Then，the jet formation of 56 mmshaped charge under the combined loading structure is calculated by the theoretical model，and theinfluence of the combined loading sequence on jet forming is analyzed by theoretical calculation Thecomputational results show that the combined electromagnetic and explosive loading can increase thevelocity and kinetic energy of the shaped jet，improve the explosive utilization rate of the jet，and第 6 期电磁能与炸药联合加载药型罩基础理论optimize the combined loading sequence，which will further improve the jet velocity and kinetic energyThe kinetic energy of the jet under combined loading is 34.5%higher than that of the traditional shapedcharge，and the energy utilization rate of explosive is increased by 36%Keywords:shaped jet;electromagnetic energy and explosives;energy utilization;magnetic fluxcompression generator;combined loading sequence0引言破甲弹通过聚能装药爆炸后压垮药型罩形成的金属聚能射流来对装甲目标进行毁伤1。为了提升聚能装药的威力，国内外学者进行了大量研究，徐文龙等2提出一种超聚能结构，并通过数值模拟和试验进行了验证，超聚能结构下射流的有效 质 量 及 侵 彻 能 力 远 大 于 传 统 聚 能 射 流。张昊等3和苏成海等4对活性材料射流侵彻混凝土进行了研究，以提高射流侵彻开孔和后效效应。Kemmoukhe 等5 6 对改变药型罩结构来提高聚能装药威力进行了研究。郑宇等7 对双层药型罩的射流形成进行了研究分析。杨丽等8 对带隔板装药的杆式射流成型及侵彻特性进行研究，以提高射流威力。但根据聚能装药的作用原理，如图 1 所示(为压垮角)，聚能装药在爆轰过程中爆轰产物向四周飞散，非毁伤元驱动方向的装药几乎没有利用，很难将较多的爆轰能量集中于某一特定方向，同时圆柱部分装药主要用于传递爆轰和调整波形，炸药能量没有加载至药型罩上，因此现阶段传统聚能装药形成的射流对炸药能量利用率较低。现有国内外公开资料表明，聚能装药对钢靶的最大侵彻威力为10 倍装药直径9，很难再通过提高炸药爆速、爆压或改变药型罩结构及材料的手段来进一步提升聚能装药的侵彻威力。图 1传统聚能装药原理Fig 1Schematic diagram of traditional shaped charge爆磁压缩发生器(FCG)是一种能够把炸药化学能转化成电磁能的脉冲能源装置10 11，其基本概念是通过炸药爆轰驱动电枢压缩定子产生磁场，将化学能转化为电磁能，从而在负载中实现脉冲电流和电磁能量的放大。自前苏联的 A D Caxapov 和美国的 J L Folwer 提出 FCG 以来12，至今被国内外大量研究。国内中国流体物理研究所和国防科技大学自上世纪 60 年代开始研究11，已于 2000 年研制的 8 6 型 FCG 可在5.2 H 电感性负载上产生100 kA 的脉冲电流，储能达 25 kJ，脉宽 17 s。孙奇志等13 于 2009 年设计的 EMG125 型螺线型发生器可以在 25 nH 的负载上输出大于 3 MA 的电流，电磁能量放大 50 倍。夏明等14 利用 FCG 作为初始能源，成功加载薄壁金属管变形。可见 FCG 技术相对成熟，能够实现对炸药能量的转化。本文基于 Dou 等15 17 以及 Grace 等18 对电磁加载药型罩的研究以及 FCG 原理，提出一种电磁与炸药联合加载药型罩的原理结构，如图 2 所示。图 2中，S1、S2为闭合开关，1、L1分别为传输线路的电阻和电感，C 为电容器，I 为传输线路电流。该结构将原聚能装药的圆柱部分炸药设计为 FCG 结构，该部分炸药一方面用于压缩磁场放大电流，实现炸药能向电磁能的转化，另一方面传递爆轰波，引爆炸药 2，爆轰加载药型罩。通过上述方法，将炸药 1 的部分能量也用于加载药型罩，提高成型射流的速度和威力以及对炸药能量的利用率。本文建立了炸药与电磁共同加载药型罩的简单理论模型，并对 56 mm装药结构进行联合加载设计，计算了炸药和电磁共同加载下的射流成型，并通过理论分析了联合加载时序对射流成型的影响。1联合加载下射流成型理论模型1.1加载原理及基本假设炸药与电磁联合加载的电路与原理示意图如图 2 所示，炸药 1 为原聚能装药的圆柱部分装药。电磁的初始能源由电容器 C 提供，左端虚线框内为FCG 结构。加载共分为两个阶段:1)第 1 阶段为初始磁通形成阶段，闭合放电开关 S1，电容器对整个回路放电，电路包括传输线路5571兵工学报第 44 卷图 2炸药与电磁联合加载原理示意图Fig2Schematic diagram of the combined loading principleof explosives and electromagnetic force电阻 1和电感 L1，FCG 的等效电阻 2和电感 L2，药型罩装置(负载)的电阻 3和电感 L3。此时电流较小，电磁力无法压垮药型罩。当电流到达电流峰值后，闭合开关 S2，进入第 2 阶段。2)第 2 阶段为磁通压缩阶段，药型罩在电磁力及炸药的加载下压垮成型。此时电容器被短路，由FCG 向负载供能，在闭合开关 S2的同时控制炸药起爆，起爆点位于圆柱部底端轴线处。炸药 1 爆轰后驱动电枢向外运动，根据磁场冻结效应，极短时间内定子线圈与电枢之间的磁通量几乎不变，空间被压缩导致磁感应强度增大，电流被放大，放大的电流在药型罩上产生垂直于药型罩表面指向里的电磁力。同时爆轰波在炸药 1 中向右传播，引爆炸药 2，炸药 2 爆炸后，爆轰压力作用药型罩上与电磁力共同加载药型罩向轴线压垮。当电枢完全膨胀，FCG的电感不再减小时，电流增加到最大值。存储在电感中的电磁能继续向负载放电，此时的电路为 L电路，电流不断减小，电磁力与炸药爆轰压力继续共同加载药型罩，驱动药型罩在轴线处碰撞形成射流，最后电路断开，联合加载结束。炸药爆轰会产生破坏效应，在试验或应用中应考虑爆轰的破坏，可在电路中设置隔爆装置，降低爆轰波的在电路器件中的传播，在电路被破坏前完成加载。本文只进行初步的理论研究，因此在建立理论模型前，先做出一些基本假设:1)在磁爆加载过程中，电路、炸药、磁场和力场互相不影响。2)电路加载过程中，药型罩装置与 FCG 之间的磁场变化相互独立，互不影响。3)在电路作用过程中，除了理论模型设计的关键参数外，其余各元件为理想元件。4)炸药能够理想传爆及爆轰，爆轰波以平面波的方式传播。5)不考虑炸药爆轰对电路的破坏。1.2炸药爆轰压力传统炸药加载下的药型罩压垮理论已经相对成熟，这里采用有效装药的绝热压缩方法计算炸药爆轰压力1。假设炸药瞬时爆轰，且稀疏波沿装药表面的内法线方向向爆炸产物内部传播，爆轰产物是以稀疏波初始交界面为刚性边界进行定向膨胀的，药型罩向轴线压垮运动时，有效装药部分向内绝热膨胀做功。有效装药可以用装药剖面图的各个 角 平 分 线 来 确 定，如 图 3 所 示，MN 平 分PMQ，MQN 围成的区域即为该装药结构下的有效装药，故为了不减小原有装药结构下形成的射流威力，在采用图 2 所示结构时，炸药 2 的装药长度不能小于 PM。图 3有效装药示意图Fig 3Schematic diagram of effective charge根据有效装药绝热膨胀的假设，作用于药型罩微元表面的压力 pi1 应满足:pi=p0(iV0iV)i(1)式中:p0i为爆轰产物的初始压力;V0i为药型罩微元对应的有效装药的初始体积;Vi为爆轰产物所占体积;为绝热系数，一般的猛炸药可取 3。瞬时爆轰后，爆轰产物的初始压力可近似取为p0i=12pCJ=18eD2(2)式中:pCJ为炸药的 CJ 压力;e为装药密度;D 为爆速。1.3FCG 理论模型在加载第 1 阶段，加载电路相当于 LC 电路，电流可用式(3)15 表达:I(t)=U0Le tsin(t)(3)式中:U0为电容器的初始电压;为电路振荡频率，=1LC(2)L槡2，L 为电路总电感，为电路总电阻;为衰减系数，=/2L。第 1 阶段的电流到达峰值时，闭合开关 S2，此时的电流记为 I0，FCG 的初始电感为 L20，存储在 FCG 中的总磁通量为=I0L20=N=IL2(4)6571第 6 期电磁能与炸药联合加载药型罩基础理论式中:N 为线圈匝数;为单匝线圈的磁通量;L219 可表达为L2=0N2(r2c r2a)f(l，rc，ra)K(5)0为真空磁导率，rc为定子线圈半径，ra为电枢半径，f 为电感修正系数，f=1011l+8(rc ra)，l rc ra1011l+9(rc ra)，lrc ra(6)l 为线圈长度;K 为计算动态电感时的体积修正系数，K=1 ViV0i(7)假定磁感应强度在空间内均匀分布13，因此空间内的磁感应强度 B 为B=IL2NS(8)式中:S 为定子线圈与电枢间空腔的剖面积。在磁通压缩的第 2 阶段，炸药爆炸，电枢在爆轰压力作用下向外膨胀，此时作用在电枢上的有向外的爆轰压力以及向内的磁压，磁压力模型20 为py=B220cos(9)式中:为电枢膨胀角，即电枢向外膨胀时与轴线的夹角，如图 4 所示。在炸药爆轰的初始时刻，=0。图 4FCG 作用过程Fig 4Process of FCG电枢在爆轰压力和磁压共同作用下的运动方程为midvidt=si(pdi pyi)(10)式中:mi、vi和 si分别为第 i 个电枢微元的质量、速度和面积;pdi和 pyi分别为第 i 个电枢微元受到的爆轰压力和电磁力。磁通压缩的第 2 阶段，开关 S2闭合，电容器被短路，FCG 作为供能源，此时的电路方程为IdL2dt+(L2+L3)dIdt+I=0(11)式中:为磁通损耗系数，根据试验结果来拟合，一般取 0.7 0.97。由于药型罩装置的电感远小于FCG 电感，为了简化模型，不考虑药型罩的电感变化，且利用修正系数来近似替代电阻的热效应，动态电阻 c=c，c 为修正系数21。将式(11)积分，即可得磁通压缩阶段的电流表达式:I(t)=I0(L20+L3)L2(t)+L3(expt0cL2(t)+L3d)t(12)1.4压垮速度计算记炸药 1 的长度为 l1，炸药 2 的长度为 l2，中间的间隔为 l3，炸药 1 开始爆轰的时刻 ts=(l1+l3)/D，此时药型罩可能已经在电磁力的作用下开始压垮，假定爆轰波速度无衰减，爆轰波追赶上压垮微元时，微元的运动距离为 h1，此时对应的时刻即为爆轰压力与电磁力共同压垮药型罩的时刻:te=ts+x+h1D(13)式中:x 为该微元距离顶端微元的轴向距离。药型罩微元的运动方程为Mdvdt=Fe Fs，t teFe+spd Fs，tte(14)式中:M 为药型罩微元的质量;v 为压垮速度;Fe为电磁力，Fe=0I2/4ro，ro为微元外径;Fs为塑性力，认为微元压垮在力的作用下开始压垮后 Fs为定值，Fs=0I2s4r2，Is为微元的临界屈服电流17;s 为罩微元的表面积;pd为炸药爆轰压力。将式(14)对时间积分，即可求得轴线处压垮速度 v0。由于加载过程中电流与药型罩形态速度随时间而变化，不能通过直接积分求得压垮速度，需要利用压垮时各参数(电感 L2，电流 I，内径 ri，外径 ro等)对时间 t 的单值性，采用迭代的方法实现压垮速度的计算。单值是指计算中任意时刻，所有参数都只有唯一值。计算中以初始加载电压、初始电路参数为初始条件，计算得到第 1 阶段的峰值电流，再以电流 I0、初始 FCG 参数及药型罩内外径为初始条件，得到微元在加载第 2 阶段和第 3 阶段的联合加载下的运动速度及位置等结果，具体的计算流程图如图 5 所示。图 5 中，CUENT1、CUENT2、EXPLOSIVE、7571兵工学报第 44 卷图 5计算联合加载下药型罩压垮速度流程图Fig 5Flow chart of calculating the collapse velocityof the liner under combined loadingVELOCITY 为 自 编 的 计 算 程 序，根 据 式(1)式(14)编写，输入初始的电压 U0、电阻 0以及电感L0后，程序 CUENT1 计算出加载第 1 阶段的峰值电流 I0，输入至 CUENT2 中，并且以初始 FCG 参数为初始输入条件，计算得到 t 时刻的电流值，进而求得作用在微元上的电磁力 Fe。同时判断爆轰波是否传递至罩微元，若 t te，则由 EXPLOSIVE 计算出作用在罩微元上的爆轰压力 pi，与电磁力 Fe共同输入至 VELOCITY 程序中，求解 t 时刻微元新的位置(ri，ro)以及此时的压垮速度 v0，反之则电磁力 Fe单独加载药型罩。接着将得到的新的电阻电感以及微元位置反馈到下一步的计算中，作为下一个时间步的输入条件，依次循环直到计算结束。循环是否结束的判断依据是微元是否运动至轴线处(ri0 m)且压垮速度是否大于 0 m/s(v0 0 m/s)。当ri0 m 时，微元正常压垮至轴线处发生碰撞，输出此时刻的压垮速度即为在轴线处碰撞的压垮速度v0;当 v00 m/s 时，说明电磁力太小不能克服材料的屈服应力导致运动停止，计算结束，输出压垮速度v0=0 m/s，以及此刻的微元位置。1.5射流成型理论将坐标系建立在碰撞点 Q 上，从驻点坐标系来看药型罩的压垮过程，可以看见药型罩沿着母线方向向轴线压垮，记地球坐标系下的压垮速度为 v0，驻点移动速度为 v1，驻点坐标系下的压垮速度为 v2，v0、v1和 v2的关系如图6 所示。图6 中 为联合加载下药型罩微元的抛射角，可由其定义来计算。图 6驻点坐标系下的速度关系Fig 6Velocity diagram in stationary pointcoordinate system展示的速度之间的夹角由几何关系得到，各个速度之间的关系由正弦定理得到:v1=cos(+)sin v0v2=cos(+)sin v0(15)根据伯努利方程以及电磁加载特性16，联合加载下射流和杵体的表达式为vj=v1+v2b=v0sin(cos(+)+cos(+)vs=v1 v2a=v0sin(cos(+)cos(+)(16)式中:=2p2/v22槡+1，p2为在碰撞点作用在药型罩上的压力，p2=0I2/82r22。2联合加载下药型罩形成射流分析以 56 mm 装药为例，对联合加载进行计算分析。将原装药结构用于联合加载，56 mm 装药结构如图721 所示，外径为56 mm，装药高度73.3 mm，药型罩壁厚为1 mm，锥角为60，所使用的炸药为无壳 8701，装药质量 203 g，装药密度 1.713 g/cm3，其爆速为 7 980 m/s。联合加载结构如图 8 所示，将基准装药分为炸药 1 和炸药 2 两部分，装药直径保持不变，都为56 mm，对应长度 l1=20 mm、l2=53.3 mm，药型罩结构保持一致，电枢直径 ra=31 mm，厚度为 3 mm，定子线圈的缠绕半径 rc=50 mm，选取导线直径 ds=8571第 6 期电磁能与炸药联合加载药型罩基础理论图 756 mm 聚能装药结构21 Fig 756 mm shaped charge structure21 2 mm，因此线圈的匝数 N=l1/ds=10。给定初始电路参数为加载电压 U=20 kV，电容 C=50 F，连接导线电阻 1=0.1 m，电感 L1=0.1 H，经计算FCG 的 电 阻 和 电 感 分 别 为 2=2.2 m、L2=4.1 H，负载的电阻和电感分别为 3=0.01 m、L1=9.4 nH。可以看出，相较于连接导线，FCG 的电阻电感较大，负载的电阻电感可以忽略不计，在加载条件不变情况下，FCG 的结构是影响加载电流的关键。图 8联合加载装药结构Fig 8Charge structure under combined loading动态电阻的修正系数取 5.721，忽略磁通损耗，在上述加载结构以及条件下，第 1 阶段加载的电流峰值为 66.5 kA。到达电流峰值后，闭合开关 S2短路电容器，同时引爆炸药，开始爆磁压缩阶段。记此时的时刻为 0 s 时刻，磁通压缩阶段的电流以及 FCG 的电感变化如图 9 所示。在炸药爆轰的初始阶段，电枢的膨胀速度较低，电感变化较慢且减小的幅度较小，故炸药能量对电磁能的转化较慢，在 10 s 前电流增加缓慢。随着 FCG 电感不断减小，电流增加速率变快，在 14 s 时，FCG 电感减小到最小值时，电流增大到最大值，图 9 中所示电流峰值为 1 739.6 kA。理想情况下，FCG 电感减小到无限接近于 0 H，随后开始加载第 3 阶段，FCG 中存储的电磁能对电路放电，电流不断减小，直到加载结束。图 9磁通压缩阶段电流以及 FCG 电感变化Fig 9Current and FCG inductance changes in themagnetic flux compression stage取药型罩微元长度为 1 mm，共 42 个微元，由药型罩的顶端至底端依次编号为 1 42，药型罩在炸药加载和电磁炸药联合加载下的压垮速度和形成的射流速度分别如图 10 和图 11 所示，药型罩微元在联合加载下压垮至轴线的时间如图 12 所示。图 10不同加载方式下压垮速度对比Fig 10Comparison of collapse velocities ofdifferent loading methods两种加载方式下的头部压垮速度和射流速度的变化趋势几乎一致，由图 12 所示，药型罩头部微元压垮至轴线的时刻在 10 s 之前，而由图 9 可见，在10 s 之前电流较小，在压垮过程中作用在微元上的电磁力远小于爆轰力，电磁能未能完全作用于微元上，电磁力对头部微元的压垮速度的影响可忽略不计，故联合加载下头部微元的压垮速度和射流速度与炸药加载几乎一致。对于较靠后的微元，在压垮9571兵工学报第 44 卷图 11不同加载方式下射流速度对比Fig 11Comparison of jet velocities of differentloading methods图 12微元压垮至轴线时间Fig 12Time of elements collapsing to the axis过程中，电磁力较大，在微元压垮至轴线前，大部分电磁能已经作用在微元上，故联合加载下的微元压垮速度和射流速度要高于炸药加载。经计算，炸药加载下药型罩形成射流的动能为116 kJ，8701 炸药单位体积的能量为 9.5 J/mm3，故炸药总能量为 1 373 kJ，对炸药能量的利用率为8.4%。在上述结构的联合加载下，射流动能为139 kJ，初始电容器的能量为 10 kJ，相较于炸药能量可以忽略不计，因此联合加载下射流动能提高了19.8%，对炸药的能量利用率为 10.1%，相对提高了 20.2%。3联合加载时序对射流成型的影响电磁能与炸药的联合加载是涉及电场、磁场、炸药爆轰的复杂过程，药型罩结构、装药结构、初始加载能量、加载时序等因素都会影响射流的成型状态，为研究联合加载下射流的成型机制，需要对各影响因素进行分析，这里选择对联合加载时序对射流成型的影响进行分析。在上述计算中，由于药型罩头部附近微元的压垮时间与电流峰值时间未联合，头部微元速度相较于传统加载无明显提升。为了提高联合加载下药型罩头部微元的压垮速度以及射流速度，需要对联合加载时序进行调整，本文提出两种方案，一是通过改变联合加载结构，减小电流上升时间，二是将炸药 2延时爆轰。下面分别对这两种优化方案下的射流成型进行计算。3.1减小电流上升时间由式(11)可知，电流上升速率与 FCG 电感变化相关，而电感变化速率，取决于炸药能量、爆速、电枢厚度以及电枢和线圈的半径，这里通过只改变线圈缠绕半径，即 rc的大小来改变电流上升时间。计算算例以及电流计算结果如表 1 所示，表 1 中下标 0表示加载 0 s 时刻的值，tu为电流上升时间，Imax为电流峰值，加载阶段的电流如图 13 所示。随着线圈缠绕半径的减小，FCG 的初始电阻和电感都相对减小，在电容器电压和电容不变的情况下，第 1 阶段的电流峰值会随之增大。由于定子线圈的半径减小，电枢膨胀时间缩短，因此磁通压缩阶段的电流上升时间减小，但由于 FCG 初始电感的减小，导致 FCG 的电感在电路总电感中比重较小，因此放大后的电流峰值会相对减小。表 1计算算例Table 1Numerical examples编号rc/mm20/mL20/HI0/kAtu/sImax/kAs-1502.24.166.514.31 737s-2452.03.276.112.11 585s-3401.82.291.59.81 357图 13不同算例的电流比较Fig 13Current comparison of different examples随后计算了微元的压垮速度和射流速度，其中0671第 6 期电磁能与炸药联合加载药型罩基础理论压垮速度以及第 10、第 20、第 30 和第 40 个微元的压垮速度对比如图 14 和图 15 所示，算例 s-0 为炸药加载。由图 14 可以看出，3 种算例下，联合加载下药型罩微元的头部的压垮速度与炸药加载几乎一致，而随着微元位置的后移，结合图 15，在第 10 个微元处，算例 s-3 的压垮速度最先开始有明显的增大，随后在第 15 个微元处，算例 s-2 的压垮速度有明显增大。对于第 20 个微元，算例 s-3 的压垮速度最大而 s-1 的压垮速度最小，说明了随着电流上升时间的减小，电磁力对药型罩头部微元的加载作用增大，在微元压垮至轴线前，更多的电磁能作用于微元上，相较于算例 s-0，电磁力使得更多药型罩微元的压垮速度增大。对于后续微元，如图 15 所示的第 30 和第 40 个微元，压垮速度随着电流上升时间的减小先增加后减小，这是因为底端微元压垮至轴线前，绝大部分电磁能已经作用，而电流峰值的降低，导致作用于底端微元的电磁能量减少，故压垮速度降低。图 14不同算例的压垮速度对比Fig 14Comparison of collapse velocities ofdifferent examples图 15不同微元的压垮速度对比Fig 15Comparison of collapse velocities ofdifferent elements图 16 展示了各微元形成的射流速度，图 17 为第 10、第 20、第 30 和第 40 个微元的射流速度对比，可以看出电流上升时间对射流速度的影响规律与压垮速度相同，由于压垮角的变化，射流速度对微元位置的变化相较于压垮速度出现了延迟，如第 10 个微元时，算例 s-3 的压垮速度相比于其他算例已经有明显的增大，但射流速度仍与其他算例几乎相同，在第 13 个微元时，才出现明显的增大。图 16不同算例的射流速度对比Fig 16Comparison of jet velocities indifferent examples图 17不同微元的射流速度对比Fig 17Comparison of jet velocities of different elements算例 s-2 和 s-3 计算下的射流动能分别为143 kJ 和144 kJ，3 种算例下形成的射流动能都大于炸药加载下的射流动能，虽然随着电流上升时间的减小，药型罩顶端微元的速度有显著增加，但同时因为电流峰值的减小，相较于算例 s-1，算例 s-2 和 s-3的射流动能并没有显著增加。3.2炸药延时引爆以算例 s-1 为基准，假定炸药 2 能延时起爆，由表 1 可知，算例 s-2 和算例 s-3 的电流上升时间相较与算例 s-1 分别减少了 2.2 s 和 4.5 s，作为对比，1671兵工学报第 44 卷假定炸药 2 分别相对于算例 s-1 延时起爆 2.2 s 和4.5 s，记为 s-2-1 和 s-3-1，相当于电流上升时间减小而电流峰值不变。计算得到的药型罩微元压垮速度和射流速度如图 18 和图 19 所示。算例 s-2-1 和s-3-1 的药型罩的压垮速度和射流速度随微元的变化趋势与其对应的算例 s-2 和 s-3 一致，但数值上较大，说明了炸药 2 延时起爆后，电流集中的时间区间与药型罩顶端微元的压垮时间吻合较好，使得电磁能更多地作用于靠近药型罩顶端的微元。加载算例s-2-1 和 s-3-1 的电流峰值分别大于算例 s-2 和 s-3，所以微元的压垮速度和射流速度均增大。图 18压垮速度对比Fig 18Comparison of collapse velocities图 19射流速度对比Fig 19Comparison of jet velocities表 2 统计了所有算例下的射流动能以及对炸药的能量利用率，可以看出，相同炸药能量下，联合加载下形成的射流速度和动能都高于炸药加载，其中算例 s-3-1，通过炸药延时起爆的方法，使得电流作用时间与炸药爆轰的作用时间联合更好，加载药型罩得到的射流动能最大(156 kJ)，相对于炸药加载，射流动能提高了 34.5%，对炸药的能量利用率相对提高了 36%。表 2射流动能和能量利用率Table 2Kinetic energy and energy utilization rate of jet算例射流动能/kJ炸药能量利用率/%s-01168.4s-113910.1s-214310.4s-314410.5s-2-114710.7s-3-115611.44结论本文基于 FCG 原理，将原聚能装药结构中的圆柱部分装药设计为 FCG 结构，炸药 1 能量转换为电磁能后，与炸药 2 共同加载药型罩，同时建立了联合加载药型罩的理论模型，并通过理论计算了 56 mm装药结构下联合加载的射流成型。得到主要结论如下:1)建立了电磁能与炸药联合加载药型罩的理论模型，理论计算结果表明，联合加载能够提高部分药型罩的压垮速度和射流速度，传统 56 mm 聚能装药形成的射流动能为 116 kJ，联合加载下形成的射流动能为139 kJ，提高了19.8%，对炸药的能量利用率提高了 20.2%。2)电磁能与炸药能量作用时序对射流成型有较大影响，在本文算例下，当电流的上升时间减小或者炸药爆轰作用时间延后时，联合加载下药型罩头部微元的压垮速度和射流速度增加，电磁能作用更多的药型罩微元，药型罩形成的射流动能相应增加。在本文算例中，通过改变电流与炸药的联合作用时序，形成射流动能最大为 156 kJ，相较于传统炸药加载，提高了 34.5%，对炸药的能量利用率提高了36%。参考文献(eferences)1黄正祥 聚能装药理论与实践M 北京:北京理工大学出版社，2014HUANG Z XTheory and practice of shaped chargeMBeijing:Beijing University of Technology Press，2014(inChinese)2徐文龙，王成，徐斌 超聚能射流形成过程机理研究J 兵工学报，2018，39(2):261 268XU W L，WANG C，XU B 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