CN1668889A - 高速射弹 - Google Patents

Abstract

一种锥形装药和射弹的组合，其用来从武器中发射，该组合包括射弹(3)、高性能炸药材料的锥形装药(1)以及位于装药(1)和射弹(3)之间金属内衬(2)。装药(1)包括引爆器(6)和面对武器枪口的外面内的内腔(4)，内腔(4)被成形为要使一旦装药(1)被引爆即沿轴向将炸药集中朝向射弹(3)的后部(5)。金属内衬(2)在装药(1)被引爆后形成一内衬材料的喷射流以冲击射弹(3)的后部(5)，于是，以高速从武器中推进射弹(3)，速度通常大于1000m/s，到达6000m/s。因此，射弹(3)沿一平弹道运动，并具有一比传统推进的射弹高的穿透力。

Description

高速射弹

发明领域

本发明涉及高速射弹，具体来说，涉及锥形装药(shaped charge)和射弹的组合，其中，锥形装药的引爆致使一内衬变形和加速，以对射弹提供动能。

背景技术

枪支通常利用枪膛内的气体压力来推进射弹。其实例包括气枪和使用诸如无烟火药或黑火药之类的低速炸药的武器，这些炸药的贡献在于，在枪膛的范围内提供足够的气体体积和/或压力以将诸如子弹或炮弹之类的射弹推出枪膛。例如，无烟火药是一易燃而不是爆炸的材料，这样，雷管的爆炸将点燃无烟火药而产生足够的气体压力以推进子弹。枪支通常设置有来复线枪膛来旋转子弹，以有助于子弹保持沿其飞行路径的稳定性，因此提高子弹的命中率。某些枪支(例如，滑膛枪)不使用来复线枪膛，其中，多个射弹(弹丸)通过炸药的燃烧而沿枪膛被推进。

人们已经尝试过生产高速射弹。其实例包括使用较长的枪膛、使用火箭或其它推进装置来帮助将动能传递到射弹。其它的实例还包括线性发动机和氢气枪(hydrogen gun)，两者要求长的枪膛。长枪膛武器不适于格斗的情况。

在军事应用中，坦克和其它装甲车已将新材料用于装甲，这使得难于设计出发射的射弹能穿透装甲的枪支。同样地，防弹服的进步已使得传统的子弹难于穿透胸甲而伤害穿防弹服者。

一锥形装药或金属内衬的内腔的锥形装药是一带有主要是半球的或锥形内腔的金属内衬的高性能炸药的装药。锥形装药的炸药一引爆，爆炸波向前席扫并在其顶端开始处坍陷金属内衬。爆炸力压缩和变形金属内衬并形成非常高速移动的熔化的(或金属)喷射流。该喷射流达到的速度超过4至12km/s。金属喷射流的产生称之为“Munroe效应”。该类型的锥形装药产生一金属喷射流，其可用于穿透和打孔装置。

然而，锥形装药的一个问题在于熔化喷射流的有效范围非常有限。由于引爆的特性和锥形装药内衬的设计，熔化喷射流的产生不是一致的。喷射流的质量和速度在其长度上还具有大的变化，因此，在运动一短距离之后就衰落。

由于质量和速度的大的梯度，锥形装药的引爆必须在离目标的一特定距离发生，以便在开始穿透目标之前喷射流获得最大可能的速度。如果装药引爆离目标太远，则在到达目标之前弹出的内衬材料将衰减到小的块，而喷射流的速度将减慢。如果锥形装药引爆太靠近目标，则喷射流不会达到理想的速度且性能也会降低。

发明内容

在广义上，在一个方面中，本发明包括一锥形装药和射弹的组合，该组合包括：一射弹；一高性能炸药材料的锥形装药，该锥形装药包括一在该装药(charge)外面内的内腔，该内腔被成形以当一旦锥形装药朝向射弹引爆将沿轴向集中炸药，以及，一介于锥形装药与射弹之间的金属内衬，以在锥形装药一引爆就形成一内衬材料的喷射流，以冲击射弹的后部并推进该射弹。

锥形装药和射弹可组合到一枪弹筒内。

在广义上，在另一方面，本发明包括一锥形装药和射弹的组合，该组合包括：一射弹；一高性能炸药材料体，该炸药材料体形成一装药并包括一通向装药一端的内腔，以便在锥形装药爆炸后沿轴向集中爆炸力朝向射弹的后面；以及，一位于锥形装药内的内腔内部的金属层衬里。

在广义上，在另一方面，本发明包括一种推进一射弹的方法，该方法包括：

提供一射弹、提供一高性能爆炸材料的锥形装药，该装药包括：一在装药外面内的内腔，该内腔成形为在锥形装药爆炸后沿轴向集中爆炸力朝向射弹；以及，

提供一在锥形装药与射弹之间的金属内衬，在与内腔相对的一端处引爆锥形装药以形成一内衬材料的喷射流，并将喷射流集中在射弹的后部，这样，喷射流动能的至少一部分传输到射弹，以此推进射弹。

附图说明

本发明将参照附图作进一步描述，附图只是举例而已，并无意限制本发明，在诸附图中：

图1示出一锥形装药和射弹组合的实例；

图2示出一锥形装药和内衬；

图3示出一模拟的结果，示出从内衬中形成的熔化材料的喷射流；

图4示出一模拟的结果，示出从内衬中形成的熔化材料的喷射流，以对射弹提供动能；

图5A示出在引爆前的射弹和带有内衬的锥形装药；

图5B示出在锥形装药的炸药引爆后的锥形装药、内衬和射弹的模拟；

图5C示出内衬形成一喷射流时引爆后的锥形装药、内衬和射弹的模拟；

图5D示出锥形装药引爆后的内衬和射弹的模拟；

图6示出锥形装药和射弹的组合，包括一弹道盘(ballistic disk)；以及

图7示出一带有一喷射塔盘(jet trap)的射弹。

具体实施方式

图1示出本发明的锥形装药和射弹组合的实例。锥形装药1具有一大致的圆柱形或截头锥体的外形的高性能炸药，使内腔4面向开火武器的敞开端。内腔4和高性能炸药1之间的边界设置有金属内衬2。射弹3容纳在内腔4内。锥形装药的高性能炸药也设置有引爆装置6。

当炸药引爆时，内衬形成为熔化材料的喷射流，它冲击射弹的后部。内衬动能的至少一部分传到射弹并推进射弹。因为射弹是一自由运动物体，所以，作用在射弹上的喷射流的冲击力沿喷射流的运动的原始轴线推进射弹喷射流。理想的是，喷射流的该运动的轴线是发火武器的枪膛的中心轴线。该轴线理想地也与射弹的中心轴线同轴线。

用于锥形装药内的炸药是高性能炸药。所谓高性能炸药是指引爆速度超过1000m/s的炸药材料。高性能炸药的实例包括塞姆汀塑胶炸药、TNT、RDX和PETN。

炸药装药(explosive charge)和内衬的成形应使一旦炸药装药被引爆，则内衬形成一与射弹的中心轴线同轴线的熔化材料的喷射流。射弹5的后背由能抵抗高温和喷射流的力的材料形成。合适的材料包括(但不限于)碳、钛、钨、陶瓷、钢、铀和贫铀。在某些情形中，射弹5的后部可包括一孔以增加射弹后部的表面面积和喷射流将冲击在其上的面积。

示于图1中的锥形装药和射弹的组合适用于固定直径武器，其包括有枪筒的武器。在图1所示的组合中，射弹具有比装药小的口径，并不会紧密接触武器枪膛的内部。因此，在诸如图1的组合中，武器枪膛不要求来复线，但这些组合适用于带有来复线枪膛的武器。在诸如图1的组合中，射弹可设置有诸如翅片之类的稳定装置，一旦射弹飞出武器，稳定装置即对射弹的飞行路径提供稳定性。

在其它的组合中，射弹口径可以等于或大于锥形装药。在这些系统中，如果射弹的口径与武器相同，且武器的枪膛设置有来复线，则射弹可设计成与来复线互相作用，因此，提供旋转的和稳定的射弹。

锥形装药和射弹的组合允许射弹以高速推进，通常为大于1000m/s。射弹的精确的速度将取决于许多事情，其中包括选择用于锥形装药的高性能炸药、锥形装药和射弹的相对尺寸、炸药的几何形状(即锥形装药的精确形状)、引爆点、金属内衬的质量和几何形状、内衬与射弹之间的距离、引爆炸药分解的方式、内衬材料，以及射弹的重量、尺寸和材料。

使用高性能炸药可提供比低性能炸药大的推进力。不同类型的高性能炸药提供不同的推进力。一含有高性能炸药的较大的锥形装药将提供比含有相同高性能炸药的较小的锥形装药大的爆炸力。

锥形装药的几何形状还对作用在射弹上的喷射流的推进力产生影响。带有圆柱形内腔的锥形装药产生的喷射流是圆柱长度的函数。对于带有圆柱形内腔的锥形装药，变化炸药量和沿内腔的内衬可变化喷射流的产生。在带有圆柱形内腔的锥形装药的情形中，内衬越是圆筒形则产生的喷射流越长。在带有锥形或半球形内腔的锥形装药中内衬增加喷射流的长度，其为装药直径的函数。在带有锥形内腔的锥形装药中，内衬和装药中心轴线之间的角度也影响到形成的喷射流。角度越小则喷射流形成的速度越快。

锥形装药相对于射弹的尺寸越大，则相对于射弹提供到喷射流的力也越大，赋予射弹的动能也越大。

如上所述，金属内衬的几何学影响到喷射流。内衬具有与锥形装药的外边界相同的形状。例如，一圆柱形内衬将形成一喷射流，其长度依赖于圆柱的长度。内衬材料的质量也影响喷射流的密度和速度。

内衬与射弹之间的距离也影响射弹的性能。如果射弹太靠近内衬，则射弹可被喷射流消耗或变形。如果射弹太远离内衬，则由内衬形成的喷射流失去动能或在提供给射弹动能之前开始衰落。

射弹的性能也受射弹尺寸影响。理想地是，射弹轻而强度大，并具有覆盖至少射弹后部的耐高温材料。在某些实施例中，射弹可完全用耐高温的材料层覆盖。如上所述，合适的材料包括(但不限于)碳、钛、钨、陶瓷、钢、铀和贫铀。

图2示出一锥形装药和内衬，它们可与射弹组合使用。该锥形装药包括一外壳、高性能炸药的中心区域和用内衬衬里的内腔。如上所述，内腔和内衬的形状影响由内衬形成的熔化材料的喷射流。

当锥形装药被引爆时，一高温高密度的喷射流将以一引爆速度集中在射弹的后部上，引爆速度超过1000m/s，通常在5000-6000m/s的量级上，根据选择用于锥形装药的炸药材料而定。锥形装药的高性能炸药可以是塞姆汀塑胶炸药或其它合适的高性能炸药材料。

任何合适的引爆器可用来引爆锥形装药的高性能炸药。例如，锥形装药可借助于一撞针或借助于电气引爆进行物理冲击而引爆。电气引爆具有如下的优点：精确定时点燃、快速点燃，并可防止纵然撞针物理运动也可能发生的那种不稳定性。锥形装药的高性能炸药还可用激光引爆器进行引爆。激光引爆器具有与电气引爆相同的优点。电气和激光引爆还能使本发明的锥形装药和射弹组合用于具有安全机构的枪中，其中，只有一合适的电气装置(例如，身份卡)靠近到枪，枪才会发射。或者，诸如指印或面部识别之类的生物测定可用作为一安全机构。

通过使用一锥形装药，并尽可能将熔化材料的喷射流的动能传输到射弹的动能中，则可造成射弹比传统子弹以更高的速度运动。通过将射弹(例如一子弹)的速度增加到1000m/s或以上，子弹可以远为平坦的弹道运动，所述弹道通常在发射者和目标之间具有短得多的时间，并具有高得多的冲击速度，允许子弹穿过不同装甲的范围。本发明的射弹和锥形装药组合的射弹具有比传统射弹高的动能，因此，在冲击物上可形成更大的危害。这又意味着射弹在一较长距离上比传统子弹或炮弹更加有效。对于较轻的枪支，它还能使枪再设计为比传统枪具有更大的范围和杀伤力。

尽管上述射弹已经称之为一子弹，但用于本发明的锥形装药组合中的射弹不局限于子弹。射弹可以是炮弹、导弹或任何设计来经炸药装药引爆从武器中推进的射弹。在射弹运动长距离或包括一导向系统的情形中，射弹可设置有火箭，以便稳定和/或提供进一步的推进力。

用作本发明的一部分的射弹可要求有稳定装置。如果射弹具有与用于发射射弹的武器枪膛的内径相同的口径，则射弹可包括与枪膛内的任何来复线互相作用的装置。在其它的实施例中，诸如图1和5A至5D中所示的实施例，其中，射弹小于枪膛的内径，射弹可以设置有翅片或其它稳定装置，它们稳定射弹，可以旋转或不旋转射弹。口径与发射射弹的武器的枪膛相同的射弹(以及口径小于枪膛的射弹)，可以设置有诸如涟漪、槽或其它凹陷形的稳定装置。可布置稳定装置以在其弹道上光顺射弹的路径，或通过旋转射弹来提供稳定性。可使用上述稳定装置的各种组合。

图3是由图2的锥形装药产生的喷射流的计算机模拟。该图示出在高性能炸药的锥形装药被引爆之后近似为14.5×10^-6秒的变形的内衬材料的喷射流。图的右侧的键示出喷射流的速度梯度。在此图和其后的图中，喷射流的运动方向是从左到右。从该图中可见，喷射流的速度在喷射流的右侧处为最大，这表明喷射流的前沿比喷射流的后部运动得更快。该喷射流继续延长，且喷射流的前沿比喷射流的后部继续具有更大的速度。最终，喷射流碎成至少两块，一较快移动的前块和一较慢移动的后块。

图4是一计算机模拟，其示出在高性能炸药的锥形装药引爆之后，近似为14×10^-6秒的喷射流和射弹。就图3来说，图的右手侧的键示出喷射流的速度梯度。从该图中可见，喷射流对射弹提供动能，且射弹具有比喷射流大的速度。进一步的发射图像示于图5A至5D中。

图5A至5D示出本发明的锥形装药和射弹组合的引爆的计算机模拟。图5示出引爆前锥形装药和射弹50的结构。在此实例中，射弹是高为2mm底为2mm的锥体。锥形装药的外径是25.4mm。锥形装药具有一锥形内腔，而内衬51设置在锥形装药的炸药与内腔之间的边界处。

图5B示出锥形装药的炸药被引爆之后的近似为5×10^-6秒的瞬时。喷射流51形成在射弹50后面，从爆炸产生的动能传递到射弹50。图5C进一步示出引爆之后近似为12×10^-6秒的喷射流的形成。射弹50保持在喷射流的前端。

最后，图5D进一步示出引爆之后，近似为16×10^-6秒的喷射流51的形成和射弹50。比较图5C和5D可见，喷射流的长度在增加。还可看到：图5D中的射弹比图5C更远离喷射流的前沿。这显示射弹比喷射流具有更大的速度，因此，比喷射流具有更大的范围。应该指出的是：图5A至5D对于内衬材料的喷射流都没有包括速度图(velocity profile)。喷射流和射弹的典型的速度图显示在图3和4中。

在某些实施例中，内衬可用如图6所示的弹道圆盘代替。弹道圆盘/锥形装药组合中的弹道圆盘先前已用作为穿透和打孔装置。通过锥形装药的引爆，弹道圆盘可形成到射弹内。在图6所示的实施例中，当锥形装药引爆时弹道圆盘冲击在射弹的后部，并提供给射弹以动能。

在图6中，一弹道圆盘用来推进射弹。在此情形中，锥形装药的引爆致使装药射出一弹道圆盘。该弹道圆盘又冲击设置有耐热材料的射弹的后端，且较佳地，在预成形的射弹的后部处设置一高密度材料(例如贫铀)。因为射弹是一自由运动的物体，所以，与弹道圆盘的撞击可沿弹道圆盘运动的原始轴线移动射弹和圆盘。

图7示出带有一喷射塔盘(见下面)和一过大的锥形装药的射弹。通过使用一作为锥形装药的金属内衬质量的一部分的射弹，则引爆发出的更多的动能可传递到射弹，以使射弹达到超过每秒6000米的超高速度。

在一实施例中，喷射塔盘是一截头锥孔，其最大直径位于射弹的后部。周围的材料较佳地由一耐热高密度材料形成，例如贫铀材料。喷射塔盘被设计成一传递动能的装置，该动能是由锥形装药的引爆引起而生成的动能。通过在与一喷射流互相作用的射弹的后部增加表面面积，则可延长冲击的时间并增加喷射流与射弹之间的互相作用的表面面积。在其最简单处，喷射塔盘是一凹陷到射弹后部内的简单的圆锥或截头锥体。

较佳地，喷射塔盘的开口的直径显著地大于喷射流的直径，该喷射流是首先接触射弹的某点处的锥形装药被引爆而产生的。

喷射塔盘的内部的表面面积可通过合适地形成喷射塔盘内表面的形状而得以增大。在一实施例中，可通过形成星形凹陷型式以此增加喷射塔盘的表面面积来增大表面面积。

通过合适地成形喷射塔盘的内部的形状，可形成来复线的效果，由此，旋转射弹。

较佳地，喷射塔盘的内表面可在冲击发生时与锥形装药的引爆产生的喷射流对齐，喷射流接触一表面将离心作用施加到射弹上。

因为动能传递到射弹的传递率可设计远比传统炮小的炮弹片，但可实现同样的杀伤力或同样的范围，但远比传统枪大得多。此外，由于较大速度的结果可达到较大的距离。这也导致一平的弹道，因此，能使用高速子弹的概念来对导弹或火箭提供便宜的选择，而覆盖相同的范围或冲击速度。还可利用本发明来帮助发射无人卫星，或发射探头送入上层大气层内(假如它们能承受与发射速度相关的相当的重力)。在此情形中，一包含火箭或多个锥形装药的射弹将以高速发射，然后，利用火箭或其它推进装置加速到逃逸速度。

以上描述了包括多个优选实施例的本发明。对于本技术领域内的技术人员来说是十分显然的各种变化和修改，将被包括在由附后的权利要求书定义的本发明的范围之内。

Claims (41)

1.一种锥形装药和射弹的组合包括：

一射弹，

一高性能炸药材料的锥形装药，包括一在装药外面内的内腔，形状形成为沿轴向集中的炸药，锥形装药一被引爆即朝向射弹，以及

一介于锥形装药与射弹之间的金属内衬，以在锥形装药一被引爆就形成一内衬材料的喷射流，以冲击射弹的后部并推进射弹。

2.如权利要求1所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药容纳在一形成弹药筒的外壳内。

3.如权利要求2所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹保持在锥形装药的内腔内。

4.如权利要求1至3中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹的前端和后端具有一弹道形，其中，至少后端包括一耐高温材料层。

5.如权利要求4所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，耐高温材料是以下组群中的一个：碳、钛、钨、陶瓷、钢、铀和贫铀。

6.如权利要求1至5中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹包括一面向锥形装药的内衬的孔。

7.如权利要求1至6中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹包括稳定装置。

8.如权利要求7所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，稳定装置包括外部翅或翅片。

9.如权利要求7所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，稳定装置包括凹坑或槽。

10.如权利要求7所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，稳定装置包括与一武器的枪膛内的来复线互相作用的装置。

11.如权利要求1至10中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹是一子弹。

12.如权利要求1至10中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹是一炮弹。

13.如权利要求1至12中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药内的内腔具有一凹陷形状。

14.如权利要求1至12中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药内的内腔具有一椭圆形状。

15.如权利要求1至12中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药内的内腔具有一圆柱形状。

16.如权利要求1至15中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药的炸药布置成由电气点燃进行引爆。

17.如权利要求1至15中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药的炸药布置成由撞针进行引爆。

18.如权利要求1至15中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药的炸药布置成由激光点燃进行引爆。

19.如上述权利要求中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹的直径小于锥形装药内的内腔的最宽截面。

20.如上述权利要求中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，内衬是一弹道圆盘。

21.一种锥形装药和射弹的组合包括：

一射弹，

一高性能炸药材料体，它形成一装药并包括一通向该装药一端的内腔，以便在锥形装药爆炸后沿轴向集中爆炸力朝向射弹的后面，以及

一位于锥形装药内的内腔内部的金属层衬里。

22.如权利要求21所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药容纳在一形成弹药筒的外壳内。

23.如权利要求22所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹保持在锥形装药的内腔内。

24.如权利要求21所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹的前端和后端具有一弹道形，其中，至少后端包括一耐高温材料层。

25.如权利要求24所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，耐高温材料是以下组群中的一个：碳、钛、钨、陶瓷、钢、铀和贫铀。

26.如权利要求21至25中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹包括一面向锥形装药内衬的孔。

27.如权利要求21至26中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹包括稳定装置。

28.如权利要求27所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，稳定装置包括外部翅或翅片。

29.如权利要求27所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，稳定装置包括凹坑或槽。

30.如权利要求27所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，稳定装置包括与一武器的枪膛内的来复线互相作用的装置。

31.如权利要求21至30中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹是一子弹。

32.如权利要求21至30中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹是一炮弹。

33.如权利要求21至32中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药内的内腔具有一凹陷形状。

34.如权利要求21至32中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药内的内腔具有一椭圆形状。

35.如权利要求21至32中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药内的内腔具有一圆柱形状。

36.如权利要求21至35中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药的炸药布置成由电气点燃进行引爆。

37.如权利要求21至35中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药的炸药布置成由撞针进行引爆。

38.如权利要求21至35中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，锥形装药的炸药布置成由激光点燃进行引爆。

39.如权利要求21至38中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，射弹的直径小于锥形装药内的内腔的最宽截面。

40.如权利要求21至39中任何一项所述的锥形装药和射弹组合，其特征在于，内衬是一弹道圆盘。

41.一种推进一射弹的方法包括：

提供一射弹，

提供一高性能爆炸材料的锥形装药，该装药包括一在装药外面内的内腔，该内腔成形为在锥形装药爆炸后沿轴向集中爆炸力朝向射弹，

提供锥形装药和射弹之间的一金属衬里，以及

在与内腔相对的一端处引爆锥形装药以形成一内衬材料的喷射流，并将喷射流集中在射弹的后部，这样，喷射流动能的至少一部分传输到射弹以推进射弹。

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