蘇 謙，褚恩義，解瑞珍，劉 衛(wèi)，薛 艷，任小明，韓克華

九點(diǎn)爆炸箔電爆炸性能試驗(yàn)與仿真模擬

蘇 謙，褚恩義，解瑞珍，劉 衛(wèi)，薛 艷，任小明，韓克華

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

為探索多點(diǎn)爆炸箔施加電壓與爆發(fā)電流之間的關(guān)系以及支路、單點(diǎn)電流的分布情況，對(duì)設(shè)計(jì)的三點(diǎn)串聯(lián)后并聯(lián)的九點(diǎn)爆炸箔進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：隨著充電電壓的升高，橋箔爆發(fā)電壓逐漸升高，支路電流逐漸升高，橋箔爆發(fā)時(shí)間減小。試驗(yàn)測(cè)得的一體化九點(diǎn)爆炸箔爆發(fā)電流值為單條支路上電流值，3條支路上電流值一致，總回路中的電流值符合歐姆定律。本研究為一體化多點(diǎn)爆炸箔與單點(diǎn)組合多點(diǎn)爆炸箔起爆陣列感度研究提供了理論支持。

爆炸箔；電爆炸；ANSYS；仿真計(jì)算

爆炸箔起爆器（exploding foil initiator，簡(jiǎn)稱EFI）是目前本質(zhì)安全性最高的火工品，其對(duì)極端惡劣環(huán)境具有很強(qiáng)抵抗力，并且具有起爆高可靠性、高瞬發(fā)性特點(diǎn)，可滿足大型戰(zhàn)斗部高安全性、高可靠性的起爆要求[1-3]。國(guó)外報(bào)道了采用沖擊片雷管作為定向戰(zhàn)斗部起爆裝置的研究，并采用多發(fā)沖擊片雷管同步起爆鈍感炸藥[4]。國(guó)內(nèi)韓克華等[5]也開(kāi)展了沖擊片雷管用于定向戰(zhàn)斗部直列式多點(diǎn)起爆系統(tǒng)的研究。因此，采用多發(fā)沖擊片雷管起爆戰(zhàn)斗部已成為國(guó)內(nèi)外同步起爆技術(shù)的重要研究方向。

沖擊片雷管由基板、橋箔、飛片、加速膛和炸藥柱等組成。爆炸箔作為沖擊片雷管的核心換能組件，經(jīng)歷固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)-等離子體的相變過(guò)程，在整個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。本研究對(duì)設(shè)計(jì)的一體化三串三并九點(diǎn)爆炸箔進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究，探索了多點(diǎn)爆炸箔施加電壓與爆發(fā)電流之間的關(guān)系，以及支路、單點(diǎn)電流的分布情況，為多點(diǎn)橋箔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和陣列排布提供理論指導(dǎo)，為多點(diǎn)爆炸箔起爆陣列設(shè)計(jì)提供參考。

1 九點(diǎn)爆炸箔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)多點(diǎn)同步起爆的爆炸箔過(guò)程中，爆炸箔的排列方式尤為重要，橋箔串并聯(lián)連接方式直接影響雷管陣列能量利用率[6]。秦國(guó)圣等[7]對(duì)兩點(diǎn)串聯(lián)、兩點(diǎn)并聯(lián)、三點(diǎn)串聯(lián)橋箔、三點(diǎn)并聯(lián)橋箔、兩點(diǎn)串聯(lián)后兩兩并聯(lián)四點(diǎn)橋箔進(jìn)行了橋箔電爆炸性能對(duì)比試驗(yàn)，由對(duì)比試驗(yàn)得出，串并聯(lián)組合方式兼顧了串聯(lián)起爆的一致性和并聯(lián)起爆充分利用脈沖功率源能量的優(yōu)勢(shì)，可以提高多點(diǎn)起爆的同步性及提高橋箔爆炸的能量利用率。因此，本文設(shè)計(jì)九點(diǎn)爆炸箔起爆器，采用三點(diǎn)串聯(lián)后再三組并聯(lián)的連接方式。橋箔具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，橋箔設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表1。

圖1 九點(diǎn)爆炸箔結(jié)構(gòu)圖

表1 橋箔設(shè)計(jì)尺寸[8]

Tab.1 Design dimensions of bridge foil

對(duì)九點(diǎn)及單點(diǎn)爆炸箔電阻值進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示，從表2可以看出設(shè)計(jì)的三串三并連接方式的九點(diǎn)爆炸箔等效電阻與單點(diǎn)爆炸箔電阻接近。

表2 橋箔電阻值 (mΩ)

Tab.2 Resistance value of bridge foil

2 九點(diǎn)爆炸箔電爆炸性能試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)原理與裝置

爆炸箔電爆過(guò)程為在高壓脈沖功率源產(chǎn)生的窄脈沖大電流下，金屬橋箔瞬間發(fā)生電爆炸，產(chǎn)生等離子體轟擊飛片，在加速膛內(nèi)剪切，撞擊炸藥柱。隨著沖擊片雷管串聯(lián)起爆點(diǎn)數(shù)的增加，起爆時(shí)回路等效電阻與等效電感也隨之增加，橋箔爆炸時(shí)的爆發(fā)電流和爆發(fā)電流密度明顯降低。爆炸箔電爆性能測(cè)試裝置如圖2所示，包括高壓電源、脈沖功率源、發(fā)火回路（包括0.44μF電容，耐壓3 500V火花隙開(kāi)關(guān)）、數(shù)字高壓表、電流環(huán)、分壓器、示波器等。

圖2 實(shí)驗(yàn)電路原理圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)高壓電源對(duì)電容進(jìn)行充電，得到不同充電電壓下，橋箔兩端的電壓與電流曲線，如圖3所示。電壓曲線峰值處為爆發(fā)時(shí)刻，爆發(fā)點(diǎn)處電壓與電流數(shù)值見(jiàn)表3。試驗(yàn)中9點(diǎn)橋箔全部發(fā)生電爆炸，試驗(yàn)前后橋區(qū)圖對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖3 不同充電電壓下橋箔電壓與電流變化曲線

圖4 爆炸箔試驗(yàn)前后對(duì)比圖

表3 九點(diǎn)橋箔電爆炸參數(shù)

Tab.3 Electrical explosion parameters of 9-point bridge foil

從表3中可以看出，隨著充電電壓逐漸升高，橋箔兩端爆發(fā)電流、爆發(fā)電壓、峰值電流逐漸升高，從觸發(fā)到爆發(fā)時(shí)刻時(shí)間逐漸降低。

由于從表3中無(wú)法看出九點(diǎn)爆炸箔施加電壓與爆發(fā)電流之間的關(guān)系以及支路、單點(diǎn)電流的分布情況，依據(jù)該試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)九點(diǎn)爆炸箔起爆器陣列起爆感度進(jìn)行設(shè)計(jì)還相對(duì)欠缺，因此，在該性能測(cè)試的基礎(chǔ)上對(duì)九點(diǎn)爆炸箔電爆性能進(jìn)行仿真研究。

2.3 九點(diǎn)爆炸箔仿真計(jì)算

2.3.1 仿真模型及驗(yàn)證

仿真計(jì)算采用ANSYS/Multiphysics軟件，首先建立仿真模型，選擇單元類型，劃分網(wǎng)格，設(shè)置銅箔相應(yīng)參數(shù)，施加載荷，求解計(jì)算。通過(guò)對(duì)橋箔一端施加0V的電位約束，對(duì)另一端施加1A穩(wěn)態(tài)電流，求解得到九點(diǎn)爆炸箔電壓分布，如圖5所示。通過(guò)分析爆炸箔兩端的電壓值數(shù)值上等于九點(diǎn)爆炸箔的電阻值，得到九點(diǎn)爆炸橋箔電阻值，如表4所示。

從圖5中可以看出，電壓在同一條支路上階梯分布，同一列橋箔電壓分布基本一致，九點(diǎn)橋箔電阻為43.08mΩ，對(duì)比表2測(cè)得的44.15mΩ，誤差2.6%，說(shuō)明建立的仿真模型正確，可以使用此仿真模型進(jìn)行電爆炸性能仿真。

圖5 九點(diǎn)爆炸箔電壓分布圖

表4 九點(diǎn)爆炸箔電阻值仿真與試驗(yàn)對(duì)比

Tab.4 Comparison of simulation value and test value of 9-point bridge foil resistance

2.3.2 九點(diǎn)爆炸箔電爆炸仿真

試驗(yàn)中，通過(guò)給電容器兩端充電，觸發(fā)后流經(jīng)橋區(qū)，發(fā)火回路中電感對(duì)施加在橋區(qū)兩端的電壓影響較大。通過(guò)施加電容在不同充電電壓下放電電壓載荷，求解得到各支路上電流密度數(shù)值，進(jìn)而運(yùn)用公式1[9]得到爆發(fā)時(shí)刻支路電流。圖6為不同電壓下九點(diǎn)橋箔電流密度分布，統(tǒng)一單位后具體數(shù)值見(jiàn)表5。

式（1）中：ρc為單位長(zhǎng)度截面積單元體密度；Vc為單元體體積；I為電流。

表5 橋箔電爆炸仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

根據(jù)文獻(xiàn)[9-13]，可知金屬銅爆炸電流密度為9.9×106mA/mm3，從表5可以看出，橋區(qū)4個(gè)拐角處電流密度最大，最先實(shí)現(xiàn)電爆炸；且在此電流密度下，九點(diǎn)爆炸箔可全部發(fā)生電爆炸，與試驗(yàn)結(jié)果一致，仿真計(jì)算得到的單條支路上爆炸電流值與實(shí)際測(cè)得的結(jié)果非常接近，誤差不超過(guò)10%。由此，可得出結(jié)論：試驗(yàn)中測(cè)得爆發(fā)電流值為3條支路中最先發(fā)生電爆炸的支路上的電流值，總回路中的電流符合歐姆定律，應(yīng)為3條支路電流的疊加值。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)三串三并共九點(diǎn)爆炸箔，對(duì)其進(jìn)行電爆炸性能測(cè)試與仿真計(jì)算，可以得出如下結(jié)論：

（1）隨著充電電壓的升高，橋箔爆發(fā)電壓逐漸升高，支路電流逐漸升高，橋箔爆發(fā)時(shí)間減??；

（2）試驗(yàn)測(cè)得的一體化九點(diǎn)爆炸箔爆發(fā)電流值為單條支路上電流值，3條支路上電流值一致，總回路中的電流值符合歐姆定律；

（3）一體化制作的九點(diǎn)爆炸箔橋區(qū)4個(gè)拐角處電流密度最大，最先發(fā)生電爆炸；且在此電流密度下，九點(diǎn)爆炸箔可全部實(shí)現(xiàn)電爆炸。

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Experimental Study and Simulation on the Electrical Explosion Performance of Nine-point Explosive Foil

SU Qian，CHU En-yi，XIE Rui-zhen，LIU Wei，XUE Yan，REN Xiao-ming，HAN Ke-hua

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

To explore the relationship between the applied voltage and the burst current of the multi-point explosive foil, and the distribution of the branch and single-point current, the simulation and experimental research on the design of nine-point explosion foil in parallel after three points in series were carried out. The results show that with the charging voltage increases, the burst voltage of the bridge foil increases gradually, as well as the branch current, and burst time of the bridge foil is shortened. The experimental measured burst current value of integrated nine-point explosion foil is the current value of a single branch, the current values of the three branches are consistent, and the current value in the total loop conforms to Ohm's law. It provides theoretical support for the sensitivity study of integrated multi-point explosive foil and single-point combined multi-point explosive foil detonation array.

Explosive foil；Electrical explosion；ANSYS；Simulation calculation

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.004

1003-1480（2019）05-0015-04