聚能效应及其应用

1、聚能效应1 引言聚能效应（Gathering energy effect），通常称为“门罗效应”，源于1888年美国人门罗(Charles E. Munroe)在炸药试验中发现的规律，即炸药爆炸后，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，带有锥形凹槽的装药在引爆后，凹槽附近的爆轰产物飞散时将在装药轴线处汇聚，形成一股高速、高温、高密度的射流，这股射流在靶板较小的区域内形成较高的能量密度，致使炸坑较深。这种利用装药一端空穴以提高爆炸后局部破坏作用的效应称为聚能效应。2 聚能效应现象图1 不同装药结构的穿透能力图1-a所示的圆柱形装药爆炸后，高温、高压的爆炸物近似沿着装药表

2、面法线方向四处飞散，能量不能有效集中，在靶板上只能炸出很浅的坑。图1-b所示的带有锥形凹槽装药爆炸后，靶板上的凹坑加深，凹槽附近的爆轰产物飞散时将在装药轴线处汇聚，形成一股高速、高温、高密度的射流，这股射流在靶板较小的区域内形成较高的能量密度，致使炸坑较深。为了进一步提高聚能效应，就应设法避免高压膨胀引起能量分散而不利于能量集中的因素，对于聚能作用，能量集中的程度可用单位体积能量，即能量密度，来做比较。爆轰波的能量中，位能占3/4，动能占1/4。而聚能过程，动能是能够集中的，位能则不能集中，反而起分散作用，所以，聚能气流的能量集中程度不是很高的。如果设法把能量尽可能转换成动能的形式，就能大大提

3、高能量的集中程度。理论分析及实验结果表明，如果锥形凹槽表面加上金属或其他粉末材料制成的保护层（称之为药型罩），爆轰产物在推动罩壁向轴线运动过程中，就能将能量传递给了药型罩。由于药型罩的可压缩性很小，因此内能增加很少，能量的加大部分表现为动能形式，这样就可避免高压膨胀引起的能量分散而使能量更为集中。此外，药型罩还有两个有利于穿孔的作用：1. 罩壁在轴线处汇聚碰撞时，发生能量重新分配。罩内表面金属层的速度比闭合时的速度高1至2倍，使能量密度进一步提高，形成金属射流；罩的其余部分则形成速度较低的杵。严格的讲，药形罩壁在向轴线运动过程中，能量已经在逐渐地由外曾向内层转移。2. 金属射流各部分的速度是不

4、同的，端部速度高，尾部速度低，因此射流再向前运动过程中将被拉长。但由于金属优良的延展性，射流可以比原长延伸好几倍而不断裂。当然，金属射流在延伸过程中不像聚能气流那样膨胀分散，仍保持着原来的能量密度。由此可知，药型罩的作用是将炸药的爆轰能量转换成罩的动能，从而大大增加了聚能射流的能量，对靶板的破坏效果进一步加强（见图1-c）。如果带有药型罩的装药距离靶板一定高度（称之为炸高，见图1-d），对靶板的破坏效果将发生变化，破坏效果随炸高变化曲线如图2所示，其中对应最佳深度的炸高称最佳炸高。图2 聚能装药侵彻深度-炸高曲线3 聚能效应的影响因素3.1 炸药性能和装药形状图3为破甲深度P、孔容积V与爆轰压

5、p的关系曲线。其中药柱直径为48mm，长度为140mm；药型罩为钢罩，锥角440，口部直径为41mm；炸高为50mm；炸药分别为B炸药、TNT和RDX等。由图中可以看到，侵彻深度和孔容积基本上呈线性关系，而孔容积更明显。主要是试验是在固定炸高下进行的，对于不同爆轰压的炸药应有不同的有利炸高，所以侵彻深度有波动，而孔容积却能更好地反映靶板所吸收的能量。3.2 药形罩材料和结构形状由理论分析及表1试验结果表明，药型罩被压合后形成射流其延续性好、不断裂、密度大，对破坏效果最有利。所以，从原则上要求药型罩材料密度大、塑性好，在形成射流过程中不汽化。从射流形成理论中射流速度和质量公式分析和实验可知，药型

6、罩锥角存在一最佳范围，通常在35度60度之间选取。当锥角小于30度时，虽然侵彻深度增大，但相应的穿孔直径减小，后效作用降低，同时侵彻稳定性变坏。当锥角大于90度时，射流形成过程可能发生了新的变化，即可能形成爆炸成形弹丸，侵彻深度显著下降，但孔径增大。所以，应依据对付的目标特性，选用合适的药型罩锥角。3.3 其他因素 聚能效应的影响因素众多，作用原理复杂，其他因素诸如药型罩壁厚、靶板材料以及炸高等，在此略过，不再一一赘述。4 聚能效应的应用 聚能式射孔器是石油工程领域最常用的射孔器材，也是聚能效应在石油领域最典型、最重要的应用。它是利用炸药爆轰的聚能效应产生的高温、高压、高速的聚能射流来射穿套管、水泥环及地层，从而完成射孔作业的。 在军事上，可利用聚能效应来生产穿甲弹、碎甲弹、反坦克枪榴弹等，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）； 在水下切割构件（打捞沉船时切割船体）； 在野外切割钢板、钢梁；5 结语聚能效应是利用装药一端空穴以提高爆炸后局部破坏作用的现象。聚能效应在石油领域可用于油气井深穿透射孔，使石油气产量