基于漂移速度和空隙效应的成形装药射流穿透间隔板的非理想行为

本研究为何重要

成形装药是一种能在装甲、混凝土和岩石等坚硬材料上打出整齐、深孔的爆炸装置。它们被用于军事系统、油气井作业，甚至用于模拟太空碎片。设计者通常假设由此产生的金属射流像针一样笔直飞行。本文表明，在现实中，射流并不那么理想：它会弯曲、断裂并扩散开来。这些不完美在射流需要穿透若干带有空气间隙的金属板（常见的防护配置）时尤为关键。更真实地理解射流行为，有助于工程师设计更有效的穿透器和更可靠的装甲。

成形装药如何穿透金属

成形装药的结构使其在爆炸时，圆锥形金属内衬向内坍塌并被挤压成一束极快的细长射流。射流前端的速度可达数千米每秒，通常在固体目标上钻出又深又细的坑。经典的“理想”理论假定射流沿装药轴线保持完全直线且连续。基于该假设，可以计算出在给定装药与目标距离（即待焰距离）下的穿透深度。然而，几十年的实验表明真实射流的行为有所不同，尤其是在跨越较长空隙或穿透多层分隔板时。

射流何时弯曲与断裂

在实际中，制造中的微小缺陷和射流的剧烈断裂使得每一小块金属获得横向速度，称为漂移。随着射流拉伸与碎裂，碎片更像是一串高速粒子而非光滑的杆状体。作者借鉴先前研究，将这种漂移归因于两方面：加工误差和断裂过程。随着横向速度增大，粒子会偏离它们正在钻凿的窄坑。如果碎片偏离得足够多，它就会撞在坑壁上而不是坑底，因此不再增加孔的深度。同时，相邻碎片间间隙的增大进一步降低了它们向前钻进的效率。

建立更现实的模型

为捕捉这些效应，研究人员将穿透理论扩展以同时包含径向漂移和粒子间距。首先，他们使用计算机模拟和在钢块上的简单穿透实验来确定坑径如何增长以及射流在钻入时如何减速。然后拟合描述粒子横向漂移速度以及穿透深度对粒子间距敏感性的关键参数。得出这些参数后，他们计算了一个非理想、粒子化射流在撞击若干相距较大的钢板时的行为——模拟分层装甲或结构屏蔽。

在路径上放置板材

团队用一个倾斜放置的三板钢目标来检验他们的模型，板间留有较大间隙，后面放置了一块见证板。使用高纯度铜内衬和一种标准军用炸药制成射流。实验中，射流轻易穿透了全部三块板，但只有一小部分射流到达了见证板，留下几个平均总深约23毫米的浅孔。仔细分析表明，位于射流“尾部”的较慢粒子在途中丢失。它们的横向漂移足以使其撞击坑壁或飞出轴线，因此未能继续贡献穿透深度。

结果揭示了什么

该非理想模型考虑了漂移和有间隙的粒子，预测只有速度大约在5.15到6.25千米每秒之间的碎片能够穿过这些分隔板并仍影响见证板。模型还预测见证板的穿透深度约为22毫米——与实测值极为接近。相比之下，传统的理想射流理论会预期整个残余射流通过，从而给出远大于观察到的深度。这一吻合表明，将射流视为不完美、弯曲且断裂的粒子化体系，对现实预测至关重要。

对实际设计的启示

对非专业读者来说，核心信息是：当射流需要跨越多个空隙或层时，射流中的微小不完美会产生重大影响。横向漂移和碎片间的间距在长距离上悄然削弱了射流的穿透能量。作者提出的非理想模型提供了一种实用方法，用以预测在分层防护下究竟有多少射流成分能存活并在最终板材中产生多深的穿透。这一认识可以指导更有效的装甲设计以及在工程和工业中更安全、更可靠地使用成形装药。

引用: Xiao, Q.Q., Zu, X.D., Huang, Z.X. et al. Non-ideal penetration of shaped charge jet into spaced plate based on drift velocity and gap effects. Sci Rep 16, 10072 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39841-5

关键词: 成形装药射流, 分层装甲, 穿透力学, 炸药工程, 弹道防护