門羅效應

門羅效應

物理定律
也稱聚能效應英文名稱:Gathering energy effect (Munroe effect)源于1888年美國人門羅(Charles E. Munroe)在炸藥試驗中發現的定律。即炸藥爆炸後,爆炸産物在高溫高壓下基本是沿炸藥表面的法線方向向外飛散的。因此,帶凹槽的裝藥在引爆後,在凹槽軸線上會出現一股彙聚的、速度和壓強都很高的爆炸産物流,在一定的範圍内使炸藥爆炸釋放出來的化學能集中起來。[1]
    中文名:門羅效應 外文名:Munroe effect 别名: 提出者:門羅(Charles E. Munroe) 提出時間:公元1888年 應用學科:物理

空心裝藥

所謂“空心裝藥”,指的是戰鬥部中存在一個空腔部分的破甲彈頭。

破甲彈頭在彈頭前部裝有一個圓錐形金屬罩(一般是紫銅的合金),錐口朝前,錐尖朝後,金屬罩後面裝有炸藥,前面是空的。彈頭爆炸時,金屬罩被高溫熔化成高速液體金屬射流,象凹面鏡那樣聚焦到空心部分的中心,射向敵坦克的裝甲,把裝甲沖出一個洞,并毀傷裡面的設備和人員。這就象我們用高壓水龍頭在沙堆上沖出一個洞道理一樣。

聚能效應

當裝藥凹槽内表面襯上一個藥形罩時,裝藥爆轟後,凹槽附近炸藥爆炸的能量就會傳遞給藥形罩,使藥形罩以很大的速度向軸線運動,此時,藥型罩在高溫高壓的爆轟産物的作用下,形成金屬杆,可以看作流體。其中,藥型罩的内表面形成細長的金屬射流,藥型罩外表面形成杵體。藥型罩壓垮并産生射流的過程,射流吸收的爆炸能量不會象爆炸産物那樣再散失掉。金屬杆在軸向上存在速度梯度,從而,引起了金屬射流在飛行過程中拉斷現象。炸藥性能和重量、裝藥結構、起爆方式、藥型罩材料及其幾何尺寸等對金屬流的形成和侵徹具有顯着影響。

圓柱形藥柱爆洪後,爆轟産物沿近似垂直原藥柱表面的方向,向四周飛散,作用于闆部分的僅僅是藥柱端部的爆轟産物,作用的面積等于藥柱端面積。帶錐孔的圓柱形藥柱則不同:錐孔部分的爆轟産物飛散時,先向軸線集中,彙聚成一股速度和壓力都很高的氣流,稱為聚能氣流。爆轟産物的能量集中在較小的面積上,在鋼闆上就打出了更深的孔,這就是錐形孔能夠提高破壞作用的原因。

種類

大概可以分為:大錐角型、小錐角型、喇叭型、複合型、半球型等等。下面數據以某個固定量的RDX裝藥為基準,大家可以作為對比參考各種藥型罩的性能。(不同種類和量的裝藥,其測試結果會有所不同,因此下列數據表非準确數據,隻可用于不同形狀藥型罩性能的對比參考)

錐角大于120度的藥型罩,可以稱為大錐角型藥形罩。此種藥型罩形成的金屬射流速度較低,隻有5000~9000米每秒,但其好處是能夠降低炸高,提高了命中率,适合用于對付較薄弱裝甲目标。

錐角小于120度的藥型罩,可以稱之為小錐角藥型罩。一般情況下錐角會大于30度小于90度,此種藥型罩形成的金屬射流速度更高,可以達到8000~11000米每秒,對裝甲侵徹能力更強,但相對要求更高的炸高。

喇叭型藥型罩,其截面曲線非規則的圓錐形,而是類似于喇叭一樣的形狀。這種藥型罩形成的金屬射流速度最高,能夠達到18000~21000米每秒的速度,對裝甲的侵徹能力也最強,但其生成工藝對精确度的要求比較嚴格,限制了這種裝藥的應用。

複合型裝藥,其尾半段為一段較小錐角藥型罩(錐角小于30度),後半段為一較大錐角藥型罩的一半。此種藥型罩是喇叭形藥型罩的簡略版本,金屬射流速度可達15000~18000米每秒。

半球型藥型罩。金屬射流速度較低,隻有3000~5000米秒且射流精确度較差,适合用于大炸高非準确打擊的彈藥,比如對空導彈彈頭。

兩個因素

錐孔處爆轟産物向軸線彙聚時,有兩個因素在起作用:

1.爆轟産物質點以一定速度沿近似垂直于錐面的方向向軸線彙聚,使能量集中;

2.爆轟産物的壓力本來就很高,彙聚是在軸線處形成更高的壓力區,高壓迫使爆轟産物向周圍低壓區膨脹,使能量分散。

由于上述兩因素的綜合作用,氣流不能無限的集中,而在離藥柱端面某一距離處達到最大的集中,以後則又迅速飛散開了。

利用

為了提高聚能效應,就應設法避免高壓膨脹引起能量分散而不利于能量集中的因素,對于聚能作用,能量集中的程度可用單位體積能量,即能量密度來做比較。爆轟波的能量中,位能占3/4,動能占1/4。而聚能過程,動能是能夠集中的,位能則不能集中,反而起分散作用,所以,聚能氣流的能量集中程度不是很高的。如果設法把能量盡可能轉換成動能的形式,就能大大提高能量的集中程度。

在藥柱錐孔表面加一個銅罩,爆轟産物在推動罩壁向軸線運動過程中,就能将能量傳遞給了銅罩。由于銅的可壓縮性很小,因此内能增加很少,能量的加大部分表現為動能形式,這樣就可避免高壓膨脹引起的能量分散而使能量更為集中。此外,銅罩還有兩個有利于穿孔的作用:

1.罩壁在軸線處彙聚碰撞時,發生能量重新分配。罩内表面銅層的速度比閉合時的速度高1至2倍,使能量密度進一步提高,形成金屬射流;罩的其餘部分則形成速度較低的杵。嚴格的講,錐形罩壁在向軸線運動過程中,能量已經在逐漸地由外曾向内層轉移。

2.金屬射流各部分的速度是不同的,端部速度高,尾部速度低,因此射流再向前運動過程中将被拉長。但由于銅的優良的延性,射流可以比原長延伸好幾倍而不斷裂。當然,金屬射流在延伸過程中不像聚能氣流那樣膨脹分散,仍保持着原來的能量密度。

由此可知,藥型罩的作用是将炸藥的爆轟能量轉換成罩的動能,從而提高聚能作用,所以對罩的材料的要求是:可壓縮性小,再聚能過程中不氣化,密度大,延性好;銅是目前應用最為普遍的材料,也有少量使用金屬钽制作的藥型罩。

由上面的分析來看,聚能效應的主要特點使能量密度高和方向性強,但僅僅在錐孔方向上有很大的能量密度和破壞作用,其他方向則和普通裝藥的破壞作用是一樣的;因此,聚能裝藥一般隻适用于産生局部破壞作用的領域。

事實上,不僅錐形罩能産生聚能作用,其他如抛物線形罩和半球形罩等也能産生聚能作用,這些都屬于軸對稱聚能裝藥。錐形罩也有圓錐形、喇叭形、雙錐罩等多種形式。有時,藥型罩可以做得很長,用以産生一條聚能射流,起切割作用,這種裝要成為線型聚能裝藥或切割索。軸對稱和平面對稱型聚能裝藥應用很廣,如在軍事上,用于對付各種裝甲目标;在工程爆破中,可在土層和岩石上打孔(勘探領域);在野外切割鋼闆、鋼梁;在水下切割構件(打撈沉船時切割船體)。

改進

門羅效應破甲彈的空心裝藥技術源于1888年美國人門羅在炸藥試驗中發現的聚能效應(通常稱為“門羅效應”)。1930年,伍德進一步改進了門羅的實驗,在藥柱的圓錐孔腔表面鑲上金屬罩,可使穿甲能力大大增強。其原理是帶錐形孔的空心藥柱爆炸時,能量沿藥柱軸方向高度集中,能擊穿很厚的鋼闆。但由于不明原因,瑞士人掌握了這一技術,而美國軍方卻對這一發明一無所知。1938年,一批瑞士專家就組織了一次新型的反坦克炸藥表演試驗,并且特别邀請了英國駐瑞士武官前往觀看。

在試驗中,一發炮彈命中靶闆後爆炸,并把很厚的靶闆擊穿。瑞士人想使英國人對這種新型的反坦克炸藥感興趣,并能購買這項技術。由于瑞士人要價很高,并對其詳情秘而不宣,因此,英國武官暗中進行窺察,他發現這種新型炸藥不過是市場上可以随意買到的諾貝爾黃色炸藥。為了進一步探明這種炸藥之所以具有如此巨大的穿甲威力的奧秘,在第二次表演試驗時,英國武官專門請來倫敦伍利治兵工廠的爆炸專家前來瑞士觀看。英國人在探知了這一技術秘密——“門羅效應”原理後,很快就研制出了一種反坦克槍榴彈,并把它應用到英國制造的恩弗爾德步槍上。英國的反坦克槍榴彈是世界上第一種使用空心裝藥原理的反坦克武器。

應用

門羅效應的最好應用便是用于對付擁有鋼闆防護的裝甲車以及坦克,于是空心裝藥的破甲彈便産生了。之後有人在實驗中發現如果在破甲彈空心部分加上一層薄薄的金屬(比如紫銅),就可以使破甲威力大大增加,原因是原先的破甲實體是炸藥爆炸後的爆轟産物,是一團高溫高壓的強氣流,而加裝了金屬藥罩後,爆炸産生的高溫首先摧垮了金屬,之後高速氣流才遵循門羅效應将這些被壓跨的金屬向中央壓縮并以極高的速度推出。這些以高溫(1000℃以上)高壓(100萬大氣壓以上)高速(大約8000到9000米每秒)方式前進的物體被稱作金屬射流,它代替了原先簡單的爆轟氣流,大大加強了對重型裝甲的侵徹能力。

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