TA的每日心情 | 奋斗 2022-2-8 01:13 |
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空腔聚能与金属射流(一)
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4 W: B9 D! @& Y0 v3 b' s7 G在<从爆炸力学讲起>一文的最后,我们聊起人们是可以将炸药产生的巨大能量聚集起来,这样就可以更容易穿透目标[1,2]。0 t I, E% L5 o8 y) V
6 `* S w% d, ~- x这事儿乍听起来挺容易理解的.大家都知道能量被聚集起来后总是能发挥更大的作用.比如说,正常情况下,把一根火柴放到太阳底下是很难自行燃烧起来的,不过如果我们使用放大镜可以把太阳光聚集到一点,调整角度让这个光点正好在火柴头上,那么很快火柴就会燃烧起来.这是利用凸透镜的聚焦原理.显然,光能被聚集起来后,可以导致局部产生很高的温度足以点燃火柴.' j6 s. s0 L* E$ |) } x
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图一:实际应用中的太阳灶 ' o8 n0 V& g/ @: n
, @& S6 F+ v" T4 \/ C: ^而更为实用的应用,人们可以设计出来太阳灶,通过把反光镜的镜面设计成旋转抛物面,就可以把平行的光线聚集到一焦点或者一个小的焦面,如果我们把水壶安装在这个焦面上,那么过不太长的一段时间,里面的水也可以烧开了.
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' G1 V% p, z" O# Q2 e以上的例子都是聚集光能,利用的是光线的在透镜中的折射或者照射到镜面后的反射原理.对于这些,大家肯定耳熟能详,无需多说.如果有同学实在不知道,建议现在赶紧出门左转,在大街上随便找个初中生模样的小朋友问一下,最多给他买个棒棒糖,肯定能得到准确答案.
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不过,大家千万不要以为"随便给你一根杠杆你就真的可以撬动地球了".
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想把爆炸能量聚集起来,放大镜和太阳灶完全不管用,把他们随便扣在炸药上,粉身碎骨将是唯一的结果.虽然光能和爆炸能都号称是能量,不过能量特性的不同,聚能的原理自然也是大相径庭.! u; N- F6 k+ n/ w) d
5 ?3 f% [4 V8 w( M: `5 p人们对光的折射和反射现象的描述可以追溯到距今几乎两千年前的古希腊时期.而是对于爆炸聚能方式历史却不是那么长的.有历史记载的,最早在1792年,采矿工程师,Franz Von Baader曾经注意到过空心装药可能具有聚能效果,但他的文章并没有专门讨论和强调这种聚能效应,同时他使用的是黑火药,并不具有产生爆炸冲击(detonation,shock)的机制[3],要知道那个年代发明炸药的诺贝尔都还没出生呢,因此Baader通常并不被认定为爆炸聚能效应的最先发现者.
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. T/ y' U( q4 V9 ]在诺贝尔同学1867年发明炸药后的第六个年头,一个叫Von Foerster的德国人第一个发现了高能炸药(High explosive, HE)的空穴装药方式具有聚能效应(Hollow Cavity Effect)。而对这种爆炸聚能方式的更系统研究则是由门罗(Charles Edward Munroe)同学来完成的,因此,目前人们普遍称其为门罗效应("The Munroe Effect").$ h1 k$ B$ A0 Q2 C# }
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(以上内容主要参考文献[4,5]).% I+ w( [! E. H# J) _+ o" u
, p _2 n; ?1 _& t' Y4 {我们下面就来专门讲讲门罗。
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% V; l* |1 g! B4 n( {图二,门罗博士,1919年,图片来自[4]
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这哥们1849年出生在美国麻省的剑桥市,1871年毕业于哈佛大学.他先后在哈佛大学和United States Naval Academy任教职.1886年,他去位于美国罗得岛洲新港(New Port)的Naval Torpedo Station进行炸药方面的研究工作。正是在那里的研究期间,他发现了后来以他名字命名的门罗效应(Munroe effect)。他曾经在1900年获得过诺贝尔化学奖提名。1892以后,他大部分时间就呆在了 Columbian University (现在的乔治华盛顿大学George Washington University,位于华盛顿特区,可不要跟位于纽约的哥伦比亚大学搞混),先后担任过化学系系头,研究生院院长等职位。其间,他分别于1894年时候,获得了博士学位(Ph.D, 不要奇怪,那个年代教授可不全是博士,先做教授后拿学位也并不稀奇)以及1912年获得了法学博士学位(LL.D) [6]。在那里,他还把以前的相关实验系统总结出来,先后发表成四篇文章.其中,发表在《大众科学》1900年二月刊的一篇文章让更多的人了解了这种神奇的爆炸聚能效应[7].: v. b) {. e9 G# A: O* ?
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说起来,门罗的发现有点偶然,不过实验整得非常有趣,值得一说。[7,8]
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" H! }8 A. y/ m% a/ R图三,门罗实验示意图.摘选自[8] ! J0 H* L+ w8 A! Z* t/ K
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在Naval Torpedo Station工作期间,他使用了硝化棉(guncotton)。这些棉药被制成饼状,药饼的一面被刻有U.S.N.字样(其实是United State Naval的首字母缩写).当他把这些带有印痕的药饼面贴到铁板上,然后从药饼另一面点火,结果发现,爆炸过后,铁板上出来了同样U.S.N.的刻痕.乍看貌似印刷,却与印刷完全不同。我们知道,印刷的时候,不管是图案还是文字,那都是被事先以凸出的方式刻画在印版上,可是药饼爆炸过后却是把炸药中原本凹陷的部分的形状刻在了铁板上。
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- j |9 Z+ l8 H他还尝试把树叶插到平整的药饼和体板中间,同样在药饼另一面点火,爆炸过后,树叶的脉络竟然也被神奇地刻在了铁板上。大家都知道,对于铁板来说,树叶绝对属于弱不禁风,爆炸过后,树叶必定,一定,以及肯定是瞬间化为一屡青烟随风而去。不过,棉药药饼比树叶还要软弱,当药饼和铁板之间被插入树叶后,树叶凸起的筋脉就会在棉药药饼的表面刻下凹痕,于是在铁板上印制树叶脉络的罪魁祸首看来又是药饼表面的凹痕无疑了。' f: ~2 w) S4 P" G3 o% e! G# W& M
: g1 B! Y: \5 E这事儿还没完,他觉得浅浅的凹痕还不过瘾,索性把整个药饼中心掏空。当爆炸声再次响起,围观群众惊奇地发现,这回整个铁板被彻底击穿了。于是刘谦说,见证奇迹的时刻到来了。。。 b$ ?6 u& b+ K
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刘谦说它是奇迹一点不错。因为如果使用不被中心挖空的药饼,那铁板上则只会出现浅浅的痕迹而已。按照围观群众的普通常识经验来看,药饼被挖空,药量自然就少了很多,越少的炸药应该威力怎么着也应该越小才对啊,可是现在更少的强棉药反倒给铁板造成更大的破坏,这事还真有点邪门,到底咋整得呢?
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不过,先别急找答案.因为故事仍在继续,正可谓一波未平一波又起.
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说起来他做实验那地方搁中国来说也能算上个军区驻地了。军区么缺啥都不缺两样,一个是炸药,另一个就是罐头食品。炸药已经被他用各种办法折腾一遍,再怎么折腾也没啥子新意了。最终,他把目光落在了垃圾堆上,因为他完全被眼前的“牛肉已被吃干净,此地空余罐头盒”场景所深深吸引。不过与一个饿了很多天的乞丐不同,他关注的可不是罐头盒里残留的那一点牛肉末,此刻他45度角仰望天空,目光深邃,他的思绪已经不局限于个人的温饱问题,而是解决全人类的幸福,那就是如何在他实验中把废弃的空罐头盒也利用上,实现他那废物利用的伟大绿色目标。! O- ~/ y' l2 _7 o+ n' g# U
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! b' \/ V" x8 R9 t' H5 c+ X: O1 L! N% _图四,门罗实验示意图,摘选自[8].友情提醒,图中展示的设备实在够粗糙,有志于DIY定型聚能器的,切莫着急,不如等待后文,搞清楚原理后再学做不迟.
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对不起,以上情节纯属杜撰。不过在他的实验中,还真的用到了疑似罐头盒,只有底没有盖或许叫锡皮桶更准确些。他把成捆的炸药布置在锡皮桶的顶部以及周围,于是他制作了历史上第一个有潜在应用价值的整型聚能器(shaped charge)。当把这个炸药--罐头桶一体装置的桶口向下,再次放置到铁板上,点火,爆炸过后,铁板被穿透,使用更厚的铁板,仍然被穿透。显然,锡皮的存在让炸药的威力得到更充分的发挥。门罗博士通过这一系列的实验,(重新)发现了聚能效应。他知道通过人为地在炸药中局部区域形成空腔,是有可能将炸药爆炸的部分能量聚积起来,因此可以在局部形成非常高的冲击力,继而穿透很厚的铁板。; e/ K; \& n- ]: Q* x$ h
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不过,门罗博士当时也并不清楚,这种聚能效应的原理到底何在?而到底又是什么原因使得锡皮能够极大地增强这种聚能效应呢?而多年以后,人们又是如何把门罗效应应用到武器设计或其他领域中去的呢?
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且听下回分解.2 A9 y7 ?* I k) H; k
, Z: V6 J4 ^/ p5 g1 [- T参考文献:
. f8 p( m# p7 d! b: F/ E[1]从爆炸力学讲起; x, y: P4 p" G' J! X5 S' [, W
http://www.aswetalk.org/bbs/foru ... 10696&fromuid=4$ e+ i; }" f& ]5 p4 O" i5 v1 B
[2]碰撞与穿射. 写作进行中,预留坑位.8 w0 n7 N/ b4 U
[3]讲述火药与炸药发展历史,以及特性,应用等等.写作进行中,预留坑位.
: q$ {7 A! ^3 {0 G[4]Fundamentals of Shaped Charges, W.P. Walters / J.A. Zukas, CMCPress, Baltimore, USA. 1989.
5 {1 r W' Y2 P* N( O( n: L[5] “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.
8 d( c; W6 t& g6 b# g; ~0 u! C[6]链接:http://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Edward_Munroe3 u0 C6 O8 e& w2 K- c: `7 }
[7] “The applications of explosives”, C.E. Munroe. Popular Science Monthly, in 2 parts, pp. 300-455, Vol. 56, Feburary, 1900.
$ L6 B+ ?3 M* U8 T: J) M4 O" W[8]”It makes steel flow like mud”, V. Torrey. Popular Science Monthly. In 3 parts, pp. 65-216, Feburary 1945. + X& s* e% ^8 i: @; O
9 a$ |2 E. ^$ [$ A, a4 T1 s1 E推荐搜索关键词:
x% s6 J* @: D B' ~. ^6 O英文: Munroe effect, Hollow cavity effect, Shaped charge, Hollow charge' [- J2 R7 @8 {2 K# X
中文:门罗效应,空腔聚能效应,整型聚能器,空腔聚能器
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