海军武器工程简介

弹头

到目前为止讨论的所有传感器和制导系统都有一个目标:将弹头直接送到目标附近。当然，在这一点上，弹头将会爆炸并有希望摧毁目标。弹头有各种各样的设计，有些只用于特殊目的。但大多数会以两种简单的方式之一造成伤害:要么是通过冲击(爆炸效果)，要么是通过一个或多个碎片穿透。

为了了解弹头的功能，我们必须首先了解弹头能做什么，然后再了解目标如何受到它们的影响。

弹头建设

典型的弹头有三个功能部件：引信机制，爆炸性填充和弹头壳。

图1所示。弹头的一部分。

引信机制执行许多功能。它包含用于检测目标的接近度并启动称为TDD设备的爆震序列（用于目标检测和爆炸）的设备。它还包含一种或多种安全机制，防止了主电荷的无意中爆炸。最后，Fuze提供了高爆炸火车的开始。它由雷管组成，这是少量的主要高爆炸性，并且可能是助力电荷充电。

装药是大量的二次高爆药，在爆炸时，会释放大量的热量。最初，爆炸被控制在外壳内。随着热量的增加，气体的产物会使压力升高，直到容器无法容纳气体为止。此时，套管会破裂，气体会迅速膨胀。机壳会破碎成碎片，然后以极快的速度向外推进。迅速膨胀的气体会压缩周围的空气并产生冲击波，冲击波将以接近音速(~340米/秒)的速度向外传播。

对目标造成伤害的主要影响有两种:弹壳的高能碎片和冲击波(或爆炸)。弹头的设计通常是为了最大限度地提高这些影响之一。碎片的杀伤力往往比爆炸效果更大，但这取决于特定的目标。飞机和人员都特别容易受到碎片的伤害。另一方面，只有广泛的爆炸效应才能摧毁建筑。现在我们来详细说明每一种类型。

核爆炸的影响

外壳爆炸后，气体产物的快速膨胀产生了冲击波。冲击波是一种声波，就像普通的声音，但持续时间有限，能量巨大。回想一下，声波的能量是振幅或峰值压力的函数。在冲击波中，峰值压力只达到一次，称为峰值超压。当冲击波通过时，峰值过压达到非常快，之后压力更慢地消耗。

图2。激波中的峰值超压和动压。

随着波通过压力振荡阳性和阴阶段之间的一次或多次。当压力高于环境温度时，冲击波被认为是正相。相反的条件称为负阶段。

由于冲击波内的压差，空气将从高压流到低压。这产生了一种爆炸风，可以具有大量的速度，超过100英里/小时。爆破风仅持续在负阶段的第二个和变化方向的一部分。随着风向物体流动，它们会感受到拖动的动态压力。对象感觉到的动态压力遵循熟悉的拖动方程式：

P._{直流发电机}= C._d½rv²那

地点:
C_d是特定物体的阻力系数，
r空气密度(正常~1.2 kg/m^3.),
V是大风的速度。

爆炸影响预测

由于爆炸的复杂性，很难预测这些爆炸效应的大小。但是，对于1公斤TNT炸药的爆炸，有大量的实验数据，我们选择它作为参考爆炸。任意爆炸的值可以通过称为的关系将其与参考爆炸关联起来标度律。它涉及对不同爆炸量感受到相同效果的距离。缩放因子是w^1／3式中W = TNT当量(kg)。W是用炸药的质量乘以其相对强度(RS)得到的。明确:

d_W.= D._oW.^1／3

地点:
d_o距离1 kg tnt
d_w是从TNT等效的W kg的距离。






示例：如果特定的峰值过度压力，（例如：1.5 psi）距离1公斤TNT爆炸（参考），觉得估计远离10千克PETN爆炸的距离，则会感受到相同的效果。

佩恩的Rs是173％（来自Berthelot近似）。

w = 10 kg 1.73 = 17. 3 kg

因此缩放距离= (17.3)^1／35米= 12.9米

相同的扩展法也将适用于动态压力。

峰值超压和动态压力如图3所示。

图3.峰值超压和动态压力为1千克TNT。



示例：计算面向10公斤TNT等效物的爆炸的人的峰值过压和动态压力，距离距离距离距离距离距离达到5米。

要使用图形，距离必须按比例缩小到参考条件。

d_o= D._w/ W.^1／3

d_o=（5米）/（10）^1／3= 2.3米

使用图形，

峰值超压= 25 psi
动压力= 2.5 psi

爆炸效应弹头通常在地面上引爆。这样做是为了利用直接来自弹头的冲击波和从地面反射的冲击波之间的相互干涉。在一定距离之外，这两种波会聚集在一起，形成一个具有更大爆炸效果的区域。这被称为马赫效应地区。

图4.马赫茎区域。

在这个区域，峰值超压和动态压力几乎是在地面上引爆的两倍。在一定范围内使这种效果最大化的离地面的高度叫做最佳爆裂高度。这用于确定雷管的设置。虽然这种效果可以大大增加一些武器的有效范围，但它只对非常大的炸弹和核弹头的实际应用。对于较小的弹头，从地面上方的爆炸导致的目标的额外距离远远超过Mach阀杆区域中的增加压力。

碎片弹头

与弹头相比，以冲击波的形式传播致命作用，碎片弹头通常更便宜并且具有更大的致命范围。主要是，这是因为片段的能量比冲击波的能量更缓慢地散发。碎片弹头设计有两个主要标准：单个碎片是否有足够的能量来损坏目标，以及是否存在碎片将实际击中目标的高概率。

破片弹头的设计相当简单。你只需要用一个很重的外壳包裹炸药，它也可以作为炸药的容器。当装药引爆时，它会积聚足够的压力来炸破外壳。如果套管被预先刻划成小碎片，单个碎片将以高速向外抛出。图5是一种最简单的设计——手榴弹的示意图。

图5。手雷爆炸

在这个例子中，炸药的外部是由一个锯齿状的碎片线圈组成，线圈内部是一个薄金属片外壳。你可能也注意到直接使用高爆列车(compb是一种次级高爆列车)。


距离爆炸的一定距离处的单个片段的动能将取决于两个因素：初始速度，并且由于抗风阻力而降低速度。


碎片将以取决于爆炸材料的性质(即爆炸的能量有多大)和弹头的配置的速度向外抛出。所谓结构，我们指的是炸药的质量，碎片可用材料的数量和物理结构。R.W.格尼在1943年做了一项理论分析，预测了碎片的初始速度。速度是三个因素的函数:

每单位质量爆炸材料的爆炸热，D.E, J /公斤。要从kJ/mol换算，必须乘以10^6.并除以分子量。例如D.e = 616.4 kj / mol tnt。由于TNT的分子量为227g / mol

D.E = 616.4 kJ/mol (1 mol/227 g^3.J / kJ) (10^3.克/公斤)
D.E = 2.715 x 10^6.J / kg = 2.715 x 10^6.米²/ s.²

配置。出于我们的目的，我们只会处理三种简单的形状：平板，气缸和球体。大多数弹头将落入其中一个类别。例如，一个陆地矿井是平板，2000磅炸弹是圆筒，手榴弹是球体。

炸药装药与破碎金属的比率，C/M。这也被称为电荷与金属的比率。

以下是理论结果:

其中K的值取决于配置:

平板:K = 1/3
气缸:K = 1/2
球:K = 3/5


的术语,，被称为格尼常数(Gurney constant)，用于表示爆炸性物质。的D.E项是爆炸热，单位为J/kg。格尼常数的单位是速度[米/秒]。这是对爆炸速度的粗略测量。例如，TNT的格尼常数是2328米/秒。Gurney常数后的表达式一般在0.5 ~ 2.0之间。





示例：从M-61手榴弹中找到碎片的初始速度。

M-61使用185g Comp-B（Gurney常数= 2843米/秒）
210克破碎的金属外壳。

charge-to-metal比率,
C/ m = 185/212 = 0.87

利用K = 3/5时的球面因子，

v_o=(2843米/秒)(0.760)
v_o= 2150 m / s

减少范围的速度

当碎片从外壳向外抛出时，由于风阻(阻力)，它们的速度将开始下降。阻力为:

拖动=½.rv²C_d一种

地点:r空气的密度。通常1.2公斤/米^3.。
V =碎片速度。
C_d=拖动系数。取决于片段的形状以及一定程度的速度。
A =断片的横截面积。

我们可以解决射弹动作方程，并根据行驶距离的函数获得片段的速度：





s =值域，v_0.是初始的片段速度。

例子-求出离M61手榴弹爆炸100米的碎片速度，给定:

v_0.= 2150 m / s
A = 1 cm²
C_d= 0.5
m = 2 g

我们使用空气密度的默认值。这给出了速度

V(100米)=(2150米/秒)e^{-(1.2 x 0.5 x 0.0001 x 100)/(2 x 0.002)}
v = 480米/秒