[趣味力学] 空腔聚能与金属射流(一),(二)

不爱吱声 · 发表于 2012-3-24 10:54:11

空腔聚能与金属射流(一)

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]。

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.

图一:实际应用中的太阳灶

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.

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.

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".

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.

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.

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").

(以上内容主要参考文献[4,5]).

我们下面就来专门讲讲门罗。

图二,门罗博士，1919年，图片来自[4]

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].

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]

图三,门罗实验示意图.摘选自[8]

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。

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。

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。。。

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?

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.

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。

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.

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。

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?

且听下回分解.

参考文献:
[1]从爆炸力学讲起
http://www.aswetalk.org/bbs/foru ... 10696&fromuid=4
[2]碰撞与穿射. 写作进行中,预留坑位.
[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.
[4]Fundamentals of Shaped Charges, W.P. Walters / J.A. Zukas, CMCPress, Baltimore, USA. 1989.
[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.
[6]链接:http://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Edward_Munroe
[7] “The applications of explosives”, C.E. Munroe. Popular Science Monthly, in 2 parts, pp. 300-455, Vol. 56, Feburary, 1900.
[8]”It makes steel flow like mud”, V. Torrey. Popular Science Monthly. In 3 parts, pp. 65-216, Feburary 1945.

推荐搜索关键词:
英文: Munroe effect, Hollow cavity effect, Shaped charge, Hollow charge
中文:门罗效应,空腔聚能效应,整型聚能器,空腔聚能器

不爱吱声 · 发表于 2012-3-30 14:42:44

本帖最后由不爱吱声于 2012-4-5 10:50 编辑

空腔聚能与金属射流(二)

上节我们给大家详细讲述了“门罗效应”。

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。

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”。

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。

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。

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。

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。

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。

图一：WASAG 专利示意图，1911, 来自[2]

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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”。

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。

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。

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]。

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。

图四，计算机对纽曼试验的模拟结果。

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。

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。

我们下面就来看看计算机给我们讲述了一个怎样的故事。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。。。

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。

且听下回分解。

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下一节预告：

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:

[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.
[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.
[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.

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。

冰蚁 · 发表于 2012-3-24 12:57:25

在那里他把他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<流行科学>1990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[6]

1890, not 1990?

就爱抬杠 · 发表于 2012-3-24 18:19:04

有意思。快点讲原理吧

gordon · 发表于 2012-3-24 19:05:45

飞花摘叶皆可伤人，爆炸成形真是牛叉。

假如十八 · 发表于 2012-3-24 21:32:02

晨枫 · 发表于 2012-3-24 23:46:59

空心装药会不会是因为炸药表面积增加，造成燃速增加？《流行科学》疑为《大众科学》？

njyd · 发表于 2012-3-24 23:47:44

我的理解，是爆炸能量沿炸药表面的垂直线向外扩展，剩下的就是能量的聚集与分散了。

不爱吱声 · 发表于 2012-3-25 00:45:24

本帖最后由不爱吱声于 2012-3-24 10:51 编辑

晨枫发表于 2012-3-24 09:46 ; N) g2 t" l1 D; m( I# U! g
空心装药会不会是因为炸药表面积增加，造成燃速增加？《流行科学》疑为《大众科学》？ ...

多谢指正。
刚刚查了一下,《popular science》是应该翻译成《大众科学》。

其实自己对很多英文专业词汇都拿不准该如何翻译成中文，大家如果知道还请指出。

不爱吱声 · 发表于 2012-3-25 00:51:19

“爆炸能量沿炸药表面的垂直线向外扩展”

确实是这种爆炸波的传递方式起到很重要作用

雪个 · 发表于 2012-3-25 03:22:56

这个树叶的痕迹真是让人觉得匪夷所思啊。。。

code_abc · 发表于 2012-3-25 06:49:42

CSI调查人员在被炸毁的金库大门上发现一个完整的人类牙印！虽然对有人能咬穿5英寸厚的装甲板感到不可思议，然而还是通过牙医记录抓获嫌犯。后来得知此人将塑胶炸药藏在自己的饭盒中时忘记倒掉里面自己咬过一口的牛肉。

——以上故事纯属虚构

包子 · 发表于 2012-3-25 07:48:33

内牛满面啊，终于等到了。

guncotton 是啥东西，俺理解好像是硝化棉啊。

不爱吱声 · 发表于 2012-3-25 08:11:36

对于guncotton的解释：
In general, cotton was used as the cellulose base, and is added to concentrated sulfuric acid and 70% nitric acid cooled to 0 °C to give cellulose trinitrate (or guncotton).

我也不知道怎么翻译，古歌出来的叫强药棉。专业术语翻译着实让我头疼，自己读的文献几乎全是英文的，因此对相应词汇的汉语翻译很痛苦。包括shaped charge,hollow effect这些都是这次为了写这个文章才到处查中文资料才知道的。

可能就是硝化棉吧

如有神助 · 发表于 2012-3-25 08:52:18

不管了，强贴留名了

赫然 · 发表于 2012-3-25 10:11:45

不爱吱声发表于 2012-3-24 19:11
; ~& x4 {" A* J! d6 m: d9 S' c" J对于guncotton的解释：
) Y9 S2 ^5 I; O% { bIn general, cotton was used as the cellulose base, and is added to concentrate ...

我猜也是硝化棉。这应该是最容易制造的了。

当时的条件下，这个可能性最大。

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刚刚GG了一下， Guncotton 就是nitrocellulose，硝化棉！

夏雨 · 发表于 2012-3-25 13:06:48

那片树叶好像武侠小说里的桥段。

机器猫 · 发表于 2012-3-27 01:53:02

跟着老大学习

机器猫 · 发表于 2012-3-27 01:55:58

周伯通的空明拳是不是也这个道理？

不爱吱声 · 发表于 2012-3-27 01:58:10

机器猫发表于 2012-3-26 11:55
3 m6 `/ f. F' t( r$ j) _周伯通的空明拳是不是也这个道理？

更合适的类比是火焰刀。。。下一节要讲

同文 · 发表于 2012-3-27 02:19:16

强贴留名:

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