线性聚能装药技术的优化应用

1.线性聚能装药技术概述

爆炸切割是利用聚能原理，采用线性聚能装药结构来切割坚硬物质的爆炸新技术。线性聚能装药是一种长条形带有空腔的装药，在空腔中嵌有金属药型罩。药型罩的形状可以是圆弧形或各种不同顶角的楔形，药型罩的材料可以是铜、钢、铝、铅等。利用这种装药可制成各种爆炸切割器，图9-7所示为线性聚能装药的基本构形。

图9-7　线性聚能装药的基本构形

当炸药起爆后，爆轰波一方面沿着炸药的长度方向传播，另一方面沿着药型罩运动，聚能作用使爆炸能量向药型罩汇聚，爆轰产物以高达几十万大气压的压力作用于药型罩，并将其压垮，而后向对称轴闭合运动，并在对称平面内发生高速碰撞，药型罩内壁附近的金属在对称平面上挤出一块向着装药底部以高速运动的片状射流，通常称之为“聚能刀”。它一般是呈熔融状态（热塑状态）的高速金属射流，其头部速度为3 000～5 000 m/s，集中了很高的能量。

金属射流在飞行中不断拉长，当它与金属靶板发生相互作用时，迫使靶板表面压力突然达到几百万大气压。在高压作用下，靶板表面金属被排开，向侧表面堆积，而飞溅和汽化的不多。随着射流和靶板的连续作用，金属射流不断损失能量并依附在金属断裂面上。爆炸切割器正是依靠这种片状的“聚能刀”，实现对金属的切割作用。

2.滑移爆轰理论

线性聚能射流参数是研究射流切割的主要因素，对于端部起爆的线性聚能装药而言，可以采用滑移爆轰理论来研究射流的主要参数。

设线性聚能装药引爆后，经一定距离爆轰波趋于定常，波面为平面，坐标Oxyz随爆轰波阵面一直运动，Oyz为切割器的横截面，Oxy为对称面，α为金属药型罩的顶半角，如图9-8所示。

图9-8　线性聚能药型罩压垮示意图

由图9-8可以看出，药型罩平面的单位法向量为

直线OA在Oyz平面上，其方程为

因此，可得压垮平面OAC的方程式：

则平面OAC的单位法向量为

设药型罩的折转角为θ，则有

可以得出

设压垮平面OAC与对称平面OCD构成的夹角为σ，该夹角即为碰撞棱OC的V形角的一半，则有

按照经典射流理论，射流质量由式（9-8）给出：

式中，ML为药型罩质量，将式（9-7）代入式（9-8），可得射流质量为

在高压作用下，药型罩材料可近似为理想不可压缩流体。药型罩OB在其垂直法平面（即Oxs平面）内的运动可按飞板飞行曲线的一般理论来求解。如图9-9所示，S=f（x）为飞行曲线。

式中，θ为飞板弯折角。碰撞来流速度在Oxyz坐标系中可表示为(www.xing528.com)

图9-9　飞板飞行曲线及弯折角示意图

在Oxy平面上的碰撞点连线（在二维碰撞时为驻点连线，以下称为碰撞棱）的方程式为

式中，α为药型罩与对称面之间的夹角，碰撞棱与x轴的夹角为β，则

如果建立一个新坐标系Ox′y′z′，如图9-10所示。

图9-10　新坐标系Ox′y′z′示意图

其中x′轴，y′轴是x轴，y轴绕z轴转过β角而求得的。为

取该坐标系相对Oxyz坐标以u的速度沿x′轴的正方向运动，其中为

将式（9-14）代入式（9-11）中并减去，可以获得在新坐标系中的碰撞前来流速度为

因此，这个三维碰撞在Ox′y′z′坐标系中就变为来流速度为的二维轴对称碰撞，且有解，见图9-10。

式中，δ为药型罩厚度；δs为碰撞后药型罩的出流厚度；δj为再入射流厚度；为Ox′y′z′坐标系中的射流速度；为Ox′y′z′坐标系中的出流速度。

将式（9-16）代入式（9-17），求得

将速度还原到Oxyz坐标系中，可以得到

进而有

式（9-20）中表示的是在坐标系Oxyz中所观察到的射流速度，因而射流的绝对速度为

射流方向与形状如图9-11所示，从式（9-20）和式（9-21）可以求得

图9-11　线性聚能射流参数示意图

式中，ϕ为射流刀与x轴夹角；γ为射流绝对速度与对称轴y的夹角。显然α=2γ，即射流绝对速度是角∠EOG的平分线。