2.3　高能傳爆藥裝藥結構設計理論依據

2.3.1　有效裝藥理論

一定形狀的裝藥，當爆轟完成時，爆炸產物即開始運動，在瞬時爆轟（所謂瞬時爆轟，就是認為炸藥的爆轟速度極大，一定形狀的藥柱可以在極短的時間內完成爆轟過程，在爆轟結束瞬間，可以認為藥柱體積不變，保持原來的密度）條件下，運動方向沿著藥柱表面的法線方向，而且全部表面上以同一速度垂直于表面向外運動。其在各個方向只能散射出一定的爆炸產物，相應于此爆炸產物的炸藥量，稱為該方向的有效裝藥量。由圖2.3可知，藥柱對彈體平面的有效裝藥為圓錐體ABC所包圍的部分。如果設V₀為裝藥總體積，V_θ為有效裝藥的體積，則η=V_θ/V₀稱為有效裝藥系數。

對傳爆藥柱來說，起爆主裝藥輸出端的有效裝藥體積越大，入射沖擊波壓力作用時間越長，主裝藥的熱點越容易成長，爆轟越容易形成。因此，設計高能傳爆藥裝藥結構時，要盡量提高其有效裝藥系數。根據該理論可以確定，高圓柱體的有效裝藥系數最小，短圓柱體次之，空心球裝藥、圓錐體裝藥的有效系數較大。

2.3.2　拐角效應理論

拐角現象是指當爆轟波在不同直徑的藥柱間傳遞時，由于離散而致使在部分區域產生低壓區的現象。具體而言，即爆轟波從雷管或小的傳爆藥柱進入大的藥柱時，產生散心爆轟波，傳播方向偏離起爆方向。爆轟波拐角過程中出現的波陣面滯后或局部不爆轟現象稱為拐角效應。爆轟波繞射是指炸藥中出現拐角時，爆轟波傳播面積突然增大，繞過拐角的現象。

在炸藥爆轟過程中，隨著爆轟波的傳播，波陣面展寬，同時曲率增加，正向擴展速度大于側向擴展速度，在入射爆轟界面的附近存在一個不爆轟區。當爆轟波傳播到一定位置時出現反向爆轟區，該區域內爆轟波有兩種趨勢：逐漸熄爆或成長為穩定爆轟。研究證明：

①對于某一確定種類的炸藥，隨著炸藥起爆面積的增加，拐角效應現象減弱，弱爆區減小，暗區減小；

②當起爆面積大于一定數值時，不爆區消失，弱爆區減小，并且難以觀察到回爆區逐漸熄滅的現象；

③對于某一確定的起爆面積，爆轟波在不同方向上延遲程度隨離散角的增加而增加，隨著起爆面積的減小，爆轟波在同一方向的延遲程度逐漸加強。

傳爆藥柱在導爆藥的作用下起爆時，導爆藥的體積較小，起爆時可以看作是點起爆，如圖2.4所示。

當沖擊波接觸到傳爆藥柱且壓力達到一定值時，圓柱形傳爆藥柱從A點開始起爆。圖2.4中，BAC線外的部分為反向爆轟區，這部分傳爆藥對于傳爆藥柱的爆轟沒有多少貢獻，為傳爆藥柱的“死區”，所以傳爆藥柱的有效用量減少了。在不增加傳爆藥柱藥量的前提下，要想提高傳爆藥柱的起爆能力，必須增加傳爆藥柱的有效裝藥量。因而，設法把圓柱形傳爆藥柱爆轟死區的藥量轉變為有效藥量是傳爆藥裝藥結構設計的關鍵之一。

2.3.3　聚能效應理論

通常，把在裝藥底部帶有一定形狀凹穴（如錐形、半球形、喇叭形等，統稱為聚能穴），使爆炸能量在一定的方向集中起來，從而增大對目標的局部破壞效果的現象，稱為“聚能效應”。

為了說明聚能現象，我們首先看一組實驗結果，實驗目的是比較不同裝藥結構的起爆能力。實驗用藥柱由TNT/RDX50/50鑄裝，直徑為30mm，長度為100mm，所用鋼板為中碳鋼。圖2.5（a）是將藥柱直接放在鋼板上的實驗結果：在鋼板上炸出一個淺淺的小坑。圖2.5（b）所示是尺寸不變，而下端挖一個錐形孔（聚能穴）的藥柱的實驗結果：在鋼板上炸出一個深為6～7mm的小坑。可見，藥柱下端有錐形孔時，炸藥量雖然減少了，起爆能力卻提高了。

為了解釋聚能現象，首先應分析爆轟產物的飛散過程。聚能裝藥之所以能提高起爆能力，主要原因在于雷管起爆的位置及裝藥的特殊所引起的炸藥能量的重新分配。從普通圓柱形藥柱（無聚能穴）和聚能裝藥的起爆能力有著明顯的差別來看，其關鍵就在于裝藥結構的改變，即與鋼板直接接觸處有一定形狀的聚能穴。圓柱形藥柱爆轟后，爆轟產物沿近似垂直于原藥柱表面的方向向四周飛散，作用于鋼板部分的僅僅是藥柱端部的炸藥產生的爆轟產物，作用面積等于藥柱的端面積。其爆轟產物的飛散方向如圖2.6（a）所示。帶聚能穴的裝藥則不同，雷管起爆時，爆轟波由起爆點開始向前傳播。當爆轟波到達聚能穴頂部，并繼續向前傳播時，高溫、高壓的爆轟產物沿聚能穴表面的法線方向飛散。同時，向軸線集中并在軸線上匯合，從而形成一股高溫、高速、高密度的聚能氣流[圖2.6（b）]。聚能氣流在聚能穴底部一定距離上集聚的密度最大，速度也最高（可達12000～15000m/s），稱此點為焦點。焦點和裝藥的端面距離叫焦距，空穴的直徑與在焦距上氣流的直徑之比叫聚焦度。由于被壓縮的爆轟氣流的徑向膨脹作用，在大于焦距距離上，隨著離端面距離的增大，聚能效應也就迅速減少，以致完全消失。

焦距的大小首先取決于聚能穴的形狀。聚能穴表面的曲率越小，爆炸生成物通過表面向外流出的方向越接近于與裝藥中心軸線相平行，因此焦距越大。若聚能穴的形狀一定，則焦距隨裝藥的爆速而變化。例如，帶有半球形空穴的裝藥，如果爆速非常大，爆轟波同時到達聚能穴的表面，那么焦點將接近于半球形的中心。如爆轟波不同時到達聚能穴表面，則焦點離圓心較遠，焦距就較大。因此，要使波陣面能同時到達整個半球的表面，就必須使爆速無限大。因此，裝藥的爆速越小，焦距就越大，則炸藥的聚能效應將會越低。

2.3.4　波形控制理論

2.3.4.1　爆轟波的自然波形

爆轟波的傳播與光波的傳播相類似，它們都遵守幾何光學的惠更斯-費涅爾原理。按照這一原理，光波傳到每一點都可視為一個新的子光源，由該點發射出子波。在t+Δt時刻的新波陣面即為t時刻各子波的包跡面，如圖2.7所示，爆轟波的傳播也服從這一規律。因此爆轟波的傳播可以應用幾何光學的一般原理進行考查研究。

2.3.4.2　爆轟波形的控制

就均質炸藥中點引爆的爆轟波形而言，在無限大的均質球形炸藥中心進行點引爆時，爆轟波為中心對稱的球形爆轟波。在這種情況下，爆轟波形的曲率半徑是隨著爆轟波向外擴展無限制增大的。大量的實驗研究發現，對于有限尺寸的均勻柱形藥柱在軸線上點引爆時，除了藥柱邊緣部位因受到側向稀疏波的影響爆轟波陣面的彎曲較嚴重外，整個爆轟波面是球形的，并且波的傳播方向垂直于爆轟波面。

爆轟波形的控制具有重要的實際意義。在殺傷戰斗部傳爆系列設計中，一個中心指導思想是設法獲得一個有利的爆轟波形，以將殺傷破片的飛散方向控制在所要求的角度之內，從而保證該飛散角度內有足夠的有效破片密度；核武器引爆系統的一個重要任務就是將各塊核燃料同時向中心匯聚，這就要求實現良好的球形收斂爆轟波。因此，爆轟波形的控制已成為裝藥結構設計中的一個重要的研究課題。本書后面章節所設計的高能傳爆藥柱，就試圖通過改變傳統的圓柱形傳爆藥柱裝藥結構，使傳爆藥柱的爆轟波匯聚，獲得具有高溫、高壓和高速的收斂爆轟波，從而達到提高傳爆藥柱的輸出威力的目的。

基于這個基本原理，可以通過改變傳爆藥的裝藥結構來改變自然波形，從而達到控制爆轟波形的目的。