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空腔聚能与金属射流(二)
本帖最后由 不爱吱声 于 2012-4-5 10:50 编辑 ; X Z; z# h/ y* M
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空腔聚能与金属射流(二) ' B7 `4 h: R3 Y* E' ?4 I) k
3 a& p! U- m9 z; K) n9 {1 o9 w上节我们给大家详细讲述了“门罗效应”。
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我们一开始也提到，其实是德国人范-福斯特于1883年最先发现了这种炸药的空腔聚能效应。可惜德国人的工作是使用德文发表在比较专业的期刊上，在当时并没有引起人们的注意，结果他的工作一直默默无闻，被深深埋藏在了故纸堆中。直到多年以后，德国航空研究所（German Academy of Aviation Research）的费沃德（Heinz Feiwald）同学为了完成自己的博士毕业论文[1]，遍查资料，福斯特的帖子才得以被再次顶起，不过那已经是1941年的事情了，这一耽搁就是58年。
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, G9 t6 B! `. F) `3 S/ g4 n门罗同学则不同。他在自己的实验完成后，从1888年开始先后发表五篇文章向人们描述了他的新发现，他的这些文章不仅包括专业期刊，还包括《大众科学》这类面向普通大众的科普类期刊，这使得他的工作进入在公众的视野，特别是在英美国家，得到更广泛的关注与认可 [2，3]。因此，后来英美国家的人们就以他名字来命名这种空腔聚能现象,称其为“门罗效应”。! I* P$ S( s' ~! O% r R0 n
$ s+ c: @1 @$ i* i. |; J, j, e: ?这个故事再次告诉我们，要想尽快获得其他同学的认可，爱吱声才是硬道理。3 {! R6 L0 C! ~. ], K. d
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不管是福斯特还是门罗，他们的发现都是带有极大的偶然性的。尽管他们观察到这种空腔聚能现象，但是他们显然并不了解这背后的物理机制为何，或许他们也并不清楚应该如何利用这种效应，总之，两位同学都没有为自己的发现申请过任何专利。
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0 T) |4 e' C5 q/ V% P$ @* u/ j4 \4 u就这样，空腔聚能效应在被发现之后就基本被束之高阁，虽然很多人通过门罗的科普文章知道了有这么一回事，但这些人归根到底都是打酱油的。6 U. u( e# |' z$ c& T5 `& v7 a
, k1 W# f6 t: q# n正如一池碧水，偶尔投入的一颗石子固然可以激起了涟漪，然而如果没有持续的助力，终究无法掀起大浪，很快的池塘水也就又恢复了平静。
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& R+ k5 S* c/ s- o7 Y/ g& l" H当空腔聚能效应再次被人们提起，并最终以专利的形式确定下来已经是1910年的事情了。+ \! U8 H1 j$ m
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1 p8 X/ b. K$ |9 l0 o- T1 r图一：WASAG 专利示意图，1911, 来自[2]
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! D+ {1 P, I" K在19世纪到20世纪初这一段日子里，德国人在很多科技领域都是处于领先位置。这次也不例外，又是德国人占据了先机。德国的WASAG研究协会（Westfalische Anhaltische Sprengstoff Actien Gesellschaft的缩写，不知道准确翻译）分别于1910年和1911年申请并取得了空腔聚能设备在德国和英国的专利权。& f3 b7 P& Q' i j/ _
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图二：现代设计的整形聚能器示意图。此类多用于石油开采中的射孔（perforating）作业。 ( R$ J5 L( V) p, H/ e5 O6 R+ _! T
) F! L9 V( c( P9 @, ]WASAG专利清楚地说明了空腔装药以及对于药罩(liner)的使用[见图一]，这正是现在整形聚能器中起最关键作用的两个部件[见图二]。专利书中特别提出为了增强炸药的效能，应该在炸药面向目标的一面制作圆锥型或者其他类似形状的空腔，而且还应该在空腔一面覆盖上金属皮或者其他材料制成的药罩。这已经与现在人们设计的整形聚能器看上去差别不大，可以说该有的都有了。6 d; j% {6 {6 Z" k+ m' D5 E
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但是，专利书中说明设计药罩主要是为了将炸药与环境隔离开来，这样可以保护炸药不会受潮。号称，要是把这个设备用于武器中比如说鱼雷，那就用钢皮制做药罩；要是用来采矿的话，就别那么穷讲究了，整个石蜡纸（(paraffined paper)就能好使。很多很多年以后，人们终于知道比起炸药中的空腔来说，药罩在聚能器中所扮演的角色才更为至关重要，可惜那时候的设计者们对此一无所知。( M3 R! Y6 g* L
" S. F' B. b! t0 m6 `" V* e( j. i同一时期，德国人萌纽曼（M Neumann）也发帖说明了空腔聚能效用。在那篇发表于1911年的文章中他对自己的实验做了如下描述：
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使用了两个圆柱型的TNT 炸药去炸钢板，其中一个是实心的，重310克，另一个则在面向钢板的一面挖出一个圆锥形的空腔，这样当然带空腔的炸药显然要轻些，重量只有247克，结果表明有圆锥形的空腔的TNT炸药在钢板上留下了更深的孔洞。2 @3 g/ V9 [3 y7 k; B$ L% C/ L7 Y! M& i- E
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同为德国人，萌纽曼比他的前辈福斯特运气好太多了，他的文章发表的时机比较合适，马上就引起了周围更多同行的围观，献花者络绎不绝，结果后来的德国同学就都把空腔聚能效应称为“纽曼效应”。
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回顾这段历程，从福斯特到门罗，再到纽曼，炸药的空腔聚能效应被不同国家的人们反复地“重新”发现。在没有计算机，没有互联网，没有搜索引擎的年代，科学探索之路总是荆棘丛生，蜿蜒曲折，早期的探索者或许在走过的路上已经留下了自己足迹，但是孤身一人没有跟随者，他们的足迹将慢慢被岁月所掩盖。当后来者再次到达这路口，由于没有明显路标的指示，他们也只有拿起指南针，最终只能靠自己的摸索，再次发现森林那边的靓丽风景。: Z* E5 I0 y8 k& u$ c9 M; f
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写下了这段文字，我不由得要感叹科技进步给人们生活和工作所带来的极大便利。: L5 ?$ l2 C7 k' Q( P( `
6 Q* r- \# U! n( h. r+ x$ j今天，有了GPS的指引，人们得以更容易地发现前人的足迹；借助于古哥的帮助，我只是在键盘上敲下几个关键词，便在几分钟内找到了完成这篇文章所需要的很多信息，而不再需要跑到图书馆才能查到我所需要的文献资料；通过计算机，我得以把一百年前纽曼所作的实验通过计算机模拟而再现出来[见图三，图四]。 c" g$ l' j C
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7 W& O0 W8 E x% o9 o t$ Q' y2 u2 n图三，纽曼试验的计算机模拟简化模型，此模型只为这里定性演示之用，模型中所采用的尺寸以及相应材料模型与当年试验并不完全相同。尽管图片以二维平面方式显示，但实际计算中则采用轴对称建模方式。 + {/ Z& `6 @% @! |$ Q, K b6 V
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* M# U- D+ r- ]) V$ X- O5 |" i图四，计算机对纽曼试验的模拟结果。
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通过以上图片，大家可以清楚看到，计算机模拟程序清楚地表明，具有锥形空腔的炸药爆炸后在铁板表面形成了更深的炸坑（crater）。而圆柱形实心炸药则只是形成了较浅的相对平坦炸坑。这正是纽曼在他当年的文章中所描述的现象。
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+ S- u1 w& L3 C+ R9 g. O( y" P比较成熟的计算机模拟程序不仅可以得到与当年实验相一致的结果，而且人们还可以通过把压力数值的大小通过不同的颜色表示出来，进而可以细致地“观察”到爆炸波的整个传播过程。这可是当年的人们怎么想也想不到的。6 }6 B% c+ p Z1 A
7 J, i5 }5 [% F! o4 j; \* M我们下面就来看看计算机给我们讲述了一个怎样的故事。
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图五，计算机模拟显示起爆后第1微秒时刻，爆炸波传播方式与压力分布。红色代表很高的压力，蓝色代表比较低的压力（图六至图九与此相同）。
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) W6 ]( P- L/ a9 Y5 _9 M. {6 U在起爆后第一微秒时刻，球形爆炸波的波前刚刚到达锥形空腔的尖端[备注1]，此时的爆炸波在两种情况下炸药中传递的形式并没有什么差别。. x6 t4 R; _$ h# Z" P
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图六，计算机模拟显示起爆后第2微秒时刻，爆炸波传播方式与压力分布。 $ i9 X, e4 ~9 q
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在起爆后第二微秒时刻，实体炸药中，爆炸波仍然保持球形波面，波前接近目标钢板。而锥形空腔改变了爆炸波的波面形状，球形波面沿着空腔边界断开，而沿着锥形轴线出现了锥形高压区，高压区尖端冲向目标钢板，高速气流聚集在这个锥形区域内,这是引起锥形空腔聚能效应的基本机制。
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, Y4 ~9 j3 K/ t5 C图七，计算机模拟显示起爆后第3微秒时刻，爆炸波传播方式与压力分布。
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/ K1 s, p# ~0 M+ o I* j$ e: w/ v在起爆后第三微秒时刻，实体炸药中，爆炸波波面开始在目标钢板内部传递，整体压力因此重新分布。而锥形空腔导致的锥形高压气体开始侵蚀钢板。+ `& k5 C2 I( G
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图八，计算机模拟显示起爆后第5微秒时刻，爆炸波传播方式与压力分布。
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- J5 Z. |3 z7 b- S起爆第五微秒以后，爆炸波的尖端压力已经开始缩减，高压波主要在钢板内传递。而对于具有锥形空腔的炸药，更明显的高压区集中在圆锥轴线周围，说明气体对钢板的局部撞击，其侵蚀作用要高于实心炸药。2 R" _0 _- s% n5 ? R5 t
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图九，计算机模拟显示起爆后第15微秒时刻，爆炸波传播方式与压力分布。 ' J, K" u6 y0 }3 b: b c4 ]2 H
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起爆第十五微秒以后，爆炸的整个过程就基本结束，世界又恢复了往日的平静。仅仅用了十五微秒，爆炸波就完成了他的使命，挥一挥手，不带走一片云彩，只在钢板上留下了深浅不一的炸坑。使用"迅雷不及掩耳盗铃之势"是不足以描述爆炸过程的迅速的，因为声音在十五微秒内仅仅在空气中传递了大概五毫米，而对于那些离爆炸中心仅有五毫米距离的人来说，他们能够存活下来并有机会听到爆炸声的可能性为零。。。
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计算机模拟让人大开眼界，但是这些都无不与百年来无数前辈们的科研探索密不可分。因此我们还是应该离开计算机，在爆炸声中穿越回到一百年前，继续讲述那过去的故事。/ ~5 p, B* Q( D7 X1 c2 Y6 }2 h
9 [" g1 u3 Y1 N) s0 A且听下回分解。
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8 p( l' J! Q& N下一节预告：5 R( ?2 l! g) i+ |' |2 H
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连续两次世界大战接踵而至，战争为新型武器的研制与发展提供的动力，那么在这期间，空腔聚能效应相关研究进展又如何？有哪些演员粉墨登场呢，又发生了哪些有趣的故事呢，敬请收看下一节。
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参考文献:) \7 V) l# v2 G& u
. n$ S% n& G8 |. d[1]”The history of hollow charge effect of high explosive charges” by Heinz Feiwald, Gatow, with foreword by Hubert Schardin, for German Academy of Aviation Research, 15 September 1941.* K* r9 {9 P/ C9 [0 w
[2]”History of the shaped charge effect, the first 100 years, a paper in four parts”, D. R. Kennedy, Originally prepared for presentation at the 100th Anniversary of the Discovery of the Shaped Charge Effect by Max Von Foerster, Observed at MBB Schrobenhausen, West Germany, September, 1983.5 L/ _3 h& b' j4 E: S! `' l& `& x
[3] “A brief history of shaped charges” W.P. Walters. The 24th International Symposium on Ballistics, Vol. 1, pp. 3-10, New Orleans, LA, 22-26 September 2008.
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$ l/ p) t9 J9 D& Z4 _ D9 P备注1 ：这与炸药的爆冲速度以及起爆点与空腔尖端的距离有关，此算例中恰好在1微妙时刻是巧合。
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雷达卡
楼主
显身卡
发表于 2012-3-28 21:27:44
5 b# b2 ^% i6 T1 p: T" D" F
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我应该谢谢你，解答的很生动，很清楚