2.3　高能传爆药装药结构设计理论依据

2.3.1　有效装药理论

一定形状的装药，当爆轰完成时，爆炸产物即开始运动，在瞬时爆轰（所谓瞬时爆轰，就是认为炸药的爆轰速度极大，一定形状的药柱可以在极短的时间内完成爆轰过程，在爆轰结束瞬间，可以认为药柱体积不变，保持原来的密度）条件下，运动方向沿着药柱表面的法线方向，而且全部表面上以同一速度垂直于表面向外运动。其在各个方向只能散射出一定的爆炸产物，相应于此爆炸产物的炸药量，称为该方向的有效装药量。由图2.3可知，药柱对弹体平面的有效装药为圆锥体ABC所包围的部分。如果设V₀为装药总体积，V_θ为有效装药的体积，则η=V_θ/V₀称为有效装药系数。

对传爆药柱来说，起爆主装药输出端的有效装药体积越大，入射冲击波压力作用时间越长，主装药的热点越容易成长，爆轰越容易形成。因此，设计高能传爆药装药结构时，要尽量提高其有效装药系数。根据该理论可以确定，高圆柱体的有效装药系数最小，短圆柱体次之，空心球装药、圆锥体装药的有效系数较大。

2.3.2　拐角效应理论

拐角现象是指当爆轰波在不同直径的药柱间传递时，由于离散而致使在部分区域产生低压区的现象。具体而言，即爆轰波从雷管或小的传爆药柱进入大的药柱时，产生散心爆轰波，传播方向偏离起爆方向。爆轰波拐角过程中出现的波阵面滞后或局部不爆轰现象称为拐角效应。爆轰波绕射是指炸药中出现拐角时，爆轰波传播面积突然增大，绕过拐角的现象。

在炸药爆轰过程中，随着爆轰波的传播，波阵面展宽，同时曲率增加，正向扩展速度大于侧向扩展速度，在入射爆轰界面的附近存在一个不爆轰区。当爆轰波传播到一定位置时出现反向爆轰区，该区域内爆轰波有两种趋势：逐渐熄爆或成长为稳定爆轰。研究证明：

①对于某一确定种类的炸药，随着炸药起爆面积的增加，拐角效应现象减弱，弱爆区减小，暗区减小；

②当起爆面积大于一定数值时，不爆区消失，弱爆区减小，并且难以观察到回爆区逐渐熄灭的现象；

③对于某一确定的起爆面积，爆轰波在不同方向上延迟程度随离散角的增加而增加，随着起爆面积的减小，爆轰波在同一方向的延迟程度逐渐加强。

传爆药柱在导爆药的作用下起爆时，导爆药的体积较小，起爆时可以看作是点起爆，如图2.4所示。

当冲击波接触到传爆药柱且压力达到一定值时，圆柱形传爆药柱从A点开始起爆。图2.4中，BAC线外的部分为反向爆轰区，这部分传爆药对于传爆药柱的爆轰没有多少贡献，为传爆药柱的“死区”，所以传爆药柱的有效用量减少了。在不增加传爆药柱药量的前提下，要想提高传爆药柱的起爆能力，必须增加传爆药柱的有效装药量。因而，设法把圆柱形传爆药柱爆轰死区的药量转变为有效药量是传爆药装药结构设计的关键之一。

2.3.3　聚能效应理论

通常，把在装药底部带有一定形状凹穴（如锥形、半球形、喇叭形等，统称为聚能穴），使爆炸能量在一定的方向集中起来，从而增大对目标的局部破坏效果的现象，称为“聚能效应”。

为了说明聚能现象，我们首先看一组实验结果，实验目的是比较不同装药结构的起爆能力。实验用药柱由TNT/RDX50/50铸装，直径为30mm，长度为100mm，所用钢板为中碳钢。图2.5（a）是将药柱直接放在钢板上的实验结果：在钢板上炸出一个浅浅的小坑。图2.5（b）所示是尺寸不变，而下端挖一个锥形孔（聚能穴）的药柱的实验结果：在钢板上炸出一个深为6～7mm的小坑。可见，药柱下端有锥形孔时，炸药量虽然减少了，起爆能力却提高了。

为了解释聚能现象，首先应分析爆轰产物的飞散过程。聚能装药之所以能提高起爆能力，主要原因在于雷管起爆的位置及装药的特殊所引起的炸药能量的重新分配。从普通圆柱形药柱（无聚能穴）和聚能装药的起爆能力有着明显的差别来看，其关键就在于装药结构的改变，即与钢板直接接触处有一定形状的聚能穴。圆柱形药柱爆轰后，爆轰产物沿近似垂直于原药柱表面的方向向四周飞散，作用于钢板部分的仅仅是药柱端部的炸药产生的爆轰产物，作用面积等于药柱的端面积。其爆轰产物的飞散方向如图2.6（a）所示。带聚能穴的装药则不同，雷管起爆时，爆轰波由起爆点开始向前传播。当爆轰波到达聚能穴顶部，并继续向前传播时，高温、高压的爆轰产物沿聚能穴表面的法线方向飞散。同时，向轴线集中并在轴线上汇合，从而形成一股高温、高速、高密度的聚能气流[图2.6（b）]。聚能气流在聚能穴底部一定距离上集聚的密度最大，速度也最高（可达12000～15000m/s），称此点为焦点。焦点和装药的端面距离叫焦距，空穴的直径与在焦距上气流的直径之比叫聚焦度。由于被压缩的爆轰气流的径向膨胀作用，在大于焦距距离上，随着离端面距离的增大，聚能效应也就迅速减少，以致完全消失。

焦距的大小首先取决于聚能穴的形状。聚能穴表面的曲率越小，爆炸生成物通过表面向外流出的方向越接近于与装药中心轴线相平行，因此焦距越大。若聚能穴的形状一定，则焦距随装药的爆速而变化。例如，带有半球形空穴的装药，如果爆速非常大，爆轰波同时到达聚能穴的表面，那么焦点将接近于半球形的中心。如爆轰波不同时到达聚能穴表面，则焦点离圆心较远，焦距就较大。因此，要使波阵面能同时到达整个半球的表面，就必须使爆速无限大。因此，装药的爆速越小，焦距就越大，则炸药的聚能效应将会越低。

2.3.4　波形控制理论

2.3.4.1　爆轰波的自然波形

爆轰波的传播与光波的传播相类似，它们都遵守几何光学的惠更斯-费涅尔原理。按照这一原理，光波传到每一点都可视为一个新的子光源，由该点发射出子波。在t+Δt时刻的新波阵面即为t时刻各子波的包迹面，如图2.7所示，爆轰波的传播也服从这一规律。因此爆轰波的传播可以应用几何光学的一般原理进行考查研究。

2.3.4.2　爆轰波形的控制

就均质炸药中点引爆的爆轰波形而言，在无限大的均质球形炸药中心进行点引爆时，爆轰波为中心对称的球形爆轰波。在这种情况下，爆轰波形的曲率半径是随着爆轰波向外扩展无限制增大的。大量的实验研究发现，对于有限尺寸的均匀柱形药柱在轴线上点引爆时，除了药柱边缘部位因受到侧向稀疏波的影响爆轰波阵面的弯曲较严重外，整个爆轰波面是球形的，并且波的传播方向垂直于爆轰波面。

爆轰波形的控制具有重要的实际意义。在杀伤战斗部传爆系列设计中，一个中心指导思想是设法获得一个有利的爆轰波形，以将杀伤破片的飞散方向控制在所要求的角度之内，从而保证该飞散角度内有足够的有效破片密度；核武器引爆系统的一个重要任务就是将各块核燃料同时向中心汇聚，这就要求实现良好的球形收敛爆轰波。因此，爆轰波形的控制已成为装药结构设计中的一个重要的研究课题。本书后面章节所设计的高能传爆药柱，就试图通过改变传统的圆柱形传爆药柱装药结构，使传爆药柱的爆轰波汇聚，获得具有高温、高压和高速的收敛爆轰波，从而达到提高传爆药柱的输出威力的目的。

基于这个基本原理，可以通过改变传爆药的装药结构来改变自然波形，从而达到控制爆轰波形的目的。