李志鵬, 張攀軍, 呂子劍, 龍新平, 戴 斌

(1. 中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999; 2. 中國工程物理研究院, 四川 綿陽 621999)

1 引 言

橋絲火工品性能較為穩(wěn)定,易于控制,在發(fā)動機點火、折疊翼的展開、自毀裝置及爆炸螺栓等中都有應用[1],同時也是常規(guī)武器和核武器主要的初始引發(fā)能源。作為廣泛使用的一種點火裝置,其靜電安全性受到了普遍重視。人們根據(jù)橋絲火工品生產(chǎn)和使用過程可能遇到的一般靜電危險源(如人體、機器、家具等),對橋絲火工品經(jīng)受較低電壓(幾萬伏)靜電放電刺激后的響應特性開展了研究工作。如白瑞祥等[2]采用人體靜電放電模型,研究了5～30 kV放電電壓對橋絲的影響。李志鵬等[3-4]研究了50 kV人體靜電放電對火工品裝藥的影響。Borovina等[5]采用人體和家具復合模型,研究了25 kV放電電壓條件下幾種類型橋絲火工品裝藥的響應情況。Michael等[6]則通過計算分析了幾種靜電放電模型條件下(最高電壓40 kV)火工品橋絲和藥劑的響應情況。

然而,隨著武器彈藥使用電磁環(huán)境的日益復雜化,其在空中運輸?shù)冗^程中可能受到來自運載工具高壓靜電感應的威脅,比如,直升機在飛行過程中或戰(zhàn)斗機在執(zhí)行空中補給任務時,由于與云團的摩擦等產(chǎn)生的靜電電壓高達幾十萬伏[7]。橋絲火工品作為武器彈藥中的敏感元器件,其遭受高電壓(幾十萬伏)靜電放電刺激的可能性大增。因此,僅研究較低電壓靜電放電刺激下火工品的安全性已不能滿足實戰(zhàn)需要。美國早在20世紀90年代就提出了模擬直升機空中補給的靜電放電標準試驗方法,并在2005年進行了修訂[8],試驗條件為: 充電電壓50～300 kV,放電電容1000 pF,放電電阻最大1 Ω。我國的封青梅等[7]參照美軍標準也建立了相關的試驗方法。但關于高壓靜電放電條件下火工品響應特性方面的研究工作尚未見文獻報道。然而該方面的研究工作對于認識高壓靜電放電作用下火工品的響應特性,以及評估其高壓靜電安全性等都是必不可少的工作。

本研究采用高壓靜電放電模擬試驗系統(tǒng),在250 kV,1000 pF,1 Ω的放電條件下,對某爆炸橋絲火工品腳-腳和腳-殼兩種靜電放電方式下的響應特性進行了試驗研究,并對實驗結果進行了分析,以期為高壓靜電放電條件下火工品的安全性評估提供參考。

2 實驗部分

靜電放電試驗裝置采用高壓靜電放電模擬試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)由控制裝置、充/放電裝置、測試裝置等組成。其中充/放電裝置見圖1所示,由高壓電源、儲能電容器、充/放電電阻、球形放電開關等組成。高壓靜電放電模擬試驗系統(tǒng)相關技術指標符合美軍標MIL-STD-331C[8]要求,其輸出電壓為0～300 kV、放電電容1000 pF、放電電阻1 Ω、放電電感16 μH,采用100 Ω校準電阻檢測得到負載能量消耗率約為電容儲能的92%,放電極性為負極性。

圖1 高壓靜電放電模擬系統(tǒng)充放電裝置

1—高壓電源, 2—充電電阻, 3—儲能電容, 4—球形放電開關, 5—放電電阻

Fig.1 Charge and discharge equipment of high-voltage electrostatic discharge system

1—high voltage power supply, 2—charge resistance, 3—capacitance, 4—globular discharge switch, 5—discharge resistance

試驗采用的爆炸橋絲火工品結構示意圖見圖2。其橋絲材料為金,電阻為幾十毫歐量級,始發(fā)裝藥為低密度季戊四醇四硝酸酯(PETN),電極塞與管殼由密封膠灌封。根據(jù)被測火工品生產(chǎn)和使用過程中可能遇到的靜電放電情形以及對其結構進行分析,分別對火工品進行了腳-腳和腳-殼兩種方式的靜電放電刺激。其中腳-腳放電刺激為電流注入式放電,腳-殼方式靜電放電刺激時,將火工品的兩個腳線并聯(lián)作為一個放電極,對火工品腳殼間藥劑形成擊穿放電。

參照美軍標MIL-STD-331C[8]的要求,爆炸橋絲火工品高壓靜電放電模擬試驗采取的樣品數(shù)量為20發(fā),其中腳-腳和腳-殼兩種放電方式各為10發(fā)。

圖2 被測火工品結構示意圖

1—管殼, 2—裝藥, 3—橋絲, 4—電極塞, 5—密封膠, 6—腳線

Fig.2 Sketch of detonator structure

1—shell, 2—primary explosive, 3—bridgewire, 4—electrode plug, 5—glue, 4—down-lead

3 結果與討論

3.1 腳-腳放電響應情況

為便于觀察腳-腳方式靜電放電時橋絲的響應情況,首先采用與被測火工品狀態(tài)相同的電極塞(含橋絲)進行了靜電放電試驗。圖3所示為不同靜電放電電壓條件下火工品橋絲的幾種典型響應狀態(tài),由圖3可見,隨著放電電壓的逐漸升高,橋絲出現(xiàn)了不同的響應狀態(tài),當靜電電壓在55～59 kV時,橋絲出現(xiàn)了不同程度的損傷,但均為物理損傷。當電壓增加到100 kV時,可觀察到明亮的火花,同時從圖3d中也可以看到電極塞表面的灼燒痕跡,這可能是高壓靜電放電作用下,橋絲熔融并且汽化形成高溫高壓的等離子體造成的,由此可以判斷橋絲發(fā)生了爆炸。為驗證上述試驗觀測結果,采用真實火工品在57 kV條件下進行了靜電放電刺激試驗,并用CT觀測了橋絲的斷裂情況,結果見圖4所示,由圖4可見,火工品中的橋絲發(fā)生了非常明顯的斷裂,這和圖3b中所示的局部斷裂一致,由此也說明采用電極塞(含橋絲)試驗可有效觀測橋絲的響應狀態(tài)。

a. partial melting b. local fracture

c. full fracture d. explosion

圖3 靜電放電條件下橋絲的幾種典型響應狀態(tài)

Fig.3 Typical responses of bridge wire to electrostatic discharge(ESD)

為進一步研究橋絲靜電放電作用下的響應規(guī)律,對被測火工品橋絲發(fā)生50%概率斷裂的電壓進行了測試。試驗采用25發(fā)含橋絲的電極塞,根據(jù)GJB/Z 377A-1994進行了升降法試驗并對數(shù)據(jù)進行了處理,結果見表1所示。根據(jù)測試結果,在本研究的試驗條件下,被測火工品橋絲發(fā)生50%概率斷裂的電壓為56.33 kV,這與圖3、圖4所示的實驗結果基本吻合。

圖4 57 kV靜電放電條件下橋絲斷裂的CT圖

Fig.4 CT picture of bridgewire after ESD with the voltage of 57 kV

表1 被測火工品橋絲發(fā)生斷裂的閾值電壓

Table 1 Threshold voltage when bridgewire fracture occurs

circuitparametertestconditionfracturevoltage/kV0.01%50%99.99%1000pF,1Ω18℃,30%relativehumidity48.2856.3364.38

由圖3d可知,當靜電放電電壓為100 kV時,被測火工品的橋絲就會發(fā)生爆炸反應,極有可能使火工品發(fā)生點火。然而,本研究在250 kV,1000 pF,1 Ω的放電條件下,對10發(fā)被測火工品進行了腳-腳方式的靜電放電刺激,結果發(fā)現(xiàn)被測火工品均未點火。究其原因,可從靜電放電的能量分布以及爆炸橋絲火工品的點火機理等方面進行分析。首先,本試驗中采用的靜電放電能量雖較大,但主要是由于較高的充電電壓引起的,而電路中的儲能電容和放電電阻均較小,儲能電容越小,放電火花越易分散,能量不易集中使用; 放電電阻越小,放電火花越易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,同樣不易于能量的集中。此外,由于試驗中被測火工品的橋絲電阻非常小,僅有幾十毫歐,根據(jù)靜電放電的能量耦合模型以及分布規(guī)律,大部分的能量都會消耗在電路中,而作用在橋絲上的能量將十分有限。此外,根據(jù)爆炸橋絲火工品的點火機理: 金屬橋絲在強電流作用下迅速受熱汽化,產(chǎn)生高溫高壓等離子體,并迅速膨脹形成沖擊波,以沖擊波形式引爆炸藥[9]。試驗中橋絲雖在強電流作用下瞬間受熱汽化,但僅吸收了少部分的放電能量,導致橋絲并未充分形成高溫高壓的等離子體,產(chǎn)生的沖擊波能量不足以引起火工品裝藥的反應或者局部發(fā)生了反應但反應難以持續(xù)而熄滅,因此,未引起被測火工品點火。

3.2 腳-殼放電響應情況

采用250 kV,1000 pF,1 Ω的放電參數(shù),在相對濕度(RH)20%的條件下,對10發(fā)被測火工品進行了腳-殼方式的靜電放電刺激測試,試驗結果照片見圖5所示。

圖5 被測火工品腳-殼方式靜電放電試驗結果照片

Fig.5 Detonators after ESD stimuli test through pin-shell

由圖5可知,10發(fā)被測火工品中有1發(fā)(圖5所示第4發(fā))發(fā)生了較高級別的反應,火工品殼體破裂,未回收到火工品裝藥。其余被測火工品的電極塞和管殼分離,但殼體基本保持完整,能回收到少量裝藥。在保持其他實驗條件不變的情況下,發(fā)現(xiàn)即使電壓降低到60 kV,被測火工品仍可能發(fā)生電極塞和管殼分離現(xiàn)象,但隨著電壓的降低,可回收的火工品裝藥殘余粉末增多。

圖6所示為被測火工品腳-殼方式靜電放電刺激后的典型響應結果,其中圖6a為50 kV靜電放電刺激后被測火工品內(nèi)部藥劑損傷情況的CT檢測照片,圖6b為被測火工品電極塞和管殼分離照片。由圖6a可見,在對被測火工品進行腳-殼方式的靜電放電時,火工品裝藥在高壓靜電作用下發(fā)生擊穿并形成明顯的放電通道,同時在電極塞表面形成了黑色的類似灼燒的反應痕跡(圖6b)。

a. CT picture of explosive damage b. electrode plug break away from shell

圖6 被測火工品腳-殼方式靜電放電刺激后的典型響應結果

Fig.6 The typical response of detonators after ESD stimuli through pin-shell type

靜電放電對炸藥的引爆過程是一個非常復雜的過程,一般認為,這是由熱主導,壓力驅(qū)動的一個過程[10]。由于被測火工品的裝藥為低密度的太安(PETN),含有較多的空氣,其擊穿過程為空氣先擊穿,然后形成電火花,若電火花能量不足以引爆炸藥,可能只把炸藥吹散; 若電火花能量足以引燃炸藥,并有足夠的約束,炸藥則可能發(fā)生燃燒轉爆轟(Deflagration-to-Detonation Transition,DDT)從而起爆。靜電放電在火工品腳殼間擊穿放電時,靜電火花的電能轉換成熱能,一方面使裝藥內(nèi)部的空氣瞬時被加熱到很高的溫度并發(fā)生膨脹,壓力突升; 另一方面,靜電放電的熱效應使得藥劑溫度升高,從而導致部分藥劑發(fā)生分解反應,產(chǎn)生氣體急速膨脹,當兩方面的壓力大于電極塞和殼體間的密封強度時,電極塞和殼體分離,壓力迅速衰減,反應終止。由于不同火工品密封性能不同,若電極塞和殼體間的密封強度足夠強,使得炸藥反應能維持高壓力并持續(xù)下去時,裝藥就會發(fā)生更高級別的爆燃或爆炸反應,這可能就是試驗中有一發(fā)火工品發(fā)生較高級別反應的原因。

4 結 論

(1) 在腳-腳方式靜電放電條件下,火工品橋絲隨著靜電放電電壓的升高出現(xiàn)熔融、斷裂甚至是爆炸現(xiàn)象,測試獲得其發(fā)生50%概率斷裂的電壓約為56.33 kV。對10發(fā)被測爆炸橋絲火工品的試驗結果表明,雖然橋絲發(fā)生了爆炸但未引起火工品發(fā)火。這主要是因為橋絲吸收的能量有限,未能充分形成高溫高壓的等離子體,產(chǎn)生的沖擊波能量不足以引起火工品裝藥的反應或者局部發(fā)生了反應但反應難以持續(xù)而熄滅。

(2) 在腳-殼方式靜電放電條件下,10發(fā)被測火工品中有1發(fā)火工品殼體破裂,未回收到火工品裝藥,其余火工品典型的響應特性為電極塞和殼體發(fā)生分離。這主要是因為靜電放電熱效應引起的空氣膨脹以及藥劑部分分解反應產(chǎn)生氣體引起的壓力突升,大于電極塞和殼體間密封強度,造成電極塞和殼體分離。

綜合以上結果可知,在高電壓靜電刺激條件下,爆炸橋絲火工品的響應并不一定表現(xiàn)為發(fā)火,這可能使其造成危害的程度有所降低。但從橋絲以及藥劑的響應特性來看,高壓靜電放電刺激下,火工品損傷嚴重,這一點值得關注。

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