60 kJ高速电炮的装置性能*

陈 林,戴英敏,苏建军,丰树平,谢卫平,王 辉,任 靖,吴守东,李 晔

（1.中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳 621900;

2.西安近代化学研究所,陕西西安 710065）

1 引 言

电炮是一种强脉冲电流快速加热金属箔片使之汽化爆炸从而驱动聚酯薄膜飞片高速飞行的一种短脉冲加载实验装置。与传统的气炮、化爆以及Hopkinson杆等加载手段相比,优点在于加载压力范围大、平面性好、冲击波的压力和脉宽可调、结构简单、使用效率高等[1]。主要应用领域包括:炸药的冲击点火、高压物态方程测量、冲击波的相互作用以及材料的冲击损伤、层裂强度研究等。

此项技术最早在20世纪60年代由美国利弗莫尔国家实验室（LLNL）[2]提出,早期主要用于研究1～10 GPa范围内冲击波对材料的影响,70年代扩展到炸药的冲击引爆等应用研究。1979～1980年,LLNL实验室首次明确提出了电炮（electric gun）的概念,并指出它具有将薄的飞片加速至1～20 km/s的能力[3]。由于在高压物态方程、超高速碰撞材料动力学性能和炸药的冲击感度等方面的重要应用和需求,近几十年来这项技术得到快速的发展。1989年,LLNL实验室[4]在100 kV/87 kJ电炮装置上将厚0.3 mm、面积1 cm2的Kapton飞片（约 43 mg）加速到18 km/s,加载压力接近 TPa量级;同时还将厚0.3 mm、面积100 cm2的Kapton飞片（约4.3 g）加速到3.2 km/s。20世纪90年代初,LLNL实验室又建立起了储能为1 MJ的电炮装置[5],主要用于发射大面积的飞片,并将30.5 cm×30.5 cm×0.15 mm的Kapton飞片加速到3.9 km/s。该装置可以用来研究再入飞行器绝热材料的冲击损伤、层裂强度以及各种材料的冲击Hugniot曲线或高压物态方程测量等。

国内的电炮技术是1981年由徐兴海等[6]发展起来的,在10 kV的电炮装置上可将直径12 mm、厚0.05 mm的聚酯薄膜（Mylar）飞片加速到4.5 km/s,在20 kV电炮装置上采用铝桥箔可将直径15 mm、厚0.05 mm的Mylar膜飞片加速到7.2 km/s。在此之后,由于受到当时电炮复杂工作环境下光电测试技术的制约,同时低电感、高能量密度电容器储能技术、低电感开关技术以及桥箔负载组合件的精密制作技术等还未成熟,从而阻碍了电炮技术的发展和推广应用。近年来,随着相关的各项关键技术相继取得突破,电炮实验技术在国内又重新得到快速发展。2006年,赵剑衡等[1]在30 kV电炮装置上已将直径10 mm、厚0.1 mm的Mylar膜飞片（约11 mg）加速到10 km/s。在此基础上,我们开展了具有更高驱动能力的100 kV/60 kJ电炮的研制,目前可将直径18 mm、厚0.15 mm的Mylar膜飞片（约53 mg）加速到8 km/s;同时还将直径12 mm、厚0.2 mm的Mylar膜飞片（约32 mg）加速到9.6 km/s。

2 实验描述

2.1 装置简介

电炮装置一般由电容器或电容器组、传输线、开关、桥箔、飞片、加速膛以及开展效应实验的试品（如炸药、冲击样品等）等构成。本文中的电炮实验装置主体外形尺寸为1.8 m（长）×1.0 m（宽）×1.6 m（高）,其三维结构如图1所示,大体可以分为储能区、开关区和负载区。装置能源系统标称储能为60 kJ,由12台50 kV/4 μF电容器通过串并联方式组成,采用正负充电。电炮装置的基本电参数为:电容C=48 μF,电压U0=±50 kV,储能E=60 kJ,电阻R=40 mΩ,电感L=70 nH,周期T=7.0 μs,峰值电流Imax=800 kA。本文实验中电容器的充电电压均为±44 kV。

本装置中使用的开关为固体介质开关,固体介质开关的最大优点在于电感小、导通电流大,每次实验只需使用1只开关。负载区主要由桥箔/飞片组合件、加速膛以及开展效应实验的试品（如炸药、冲击样品等）等构成。图2所示为负载区结构示意图。

图1 60 kJ电炮装置示意图Fig.1 Schematic of the 60 kJ electric gun

图2 电炮负载区结构示意图Fig.2 Schematic of the load region

2.2 负载区参数

桥箔材料为铝,飞片材料为聚酯薄膜,加速膛材料为有机玻璃。表1为桥箔、飞片和加速膛的基本参数:表中m为飞片质量,l为加速膛长度。需要说明的是,由于飞片启动的瞬间会受到加速膛切割飞片带来的边沿滞后效应以及桥区边沿电流密度分布不均匀等因素的影响,因而实验过程中一般采取加速膛内孔直径稍小于桥区尺寸的措施,从而可以获得形状规则、结构完整的飞片。另外,表中的加速膛高度为经过实验优化之后的数据。

表1 负载基本参数Table 1 Basic parameters of the load

2.3 诊断措施

对于飞片的平面度测试,一般采用光纤阵列探针法。当飞片撞击光纤端面时,每一根光纤探针在冲击压力的作用下将产生一个瞬时光信号,光信号经光纤传输到光电探测器,变换为电信号后再由示波器记录。通过测量处于同一高度的不同光纤探针信号的时间间隔,就可以估计飞片撞击探针时的平面度。自发光光纤探针的材料一般为融凝石英。为了防止环境杂散光的影响,光纤端面需要经过光学加工并镀上一层厚度约0.3 μm的金属膜。石英光纤的芯径为62.5 μm,实验时光纤探针呈十字形分布（如图3所示）,间距为2 mm。

对于飞片的速度测试,绝大部分实验中同样采用了光纤阵列探针法。只不过两部分探针分别处于不同的高度（图4中第1、2组探针）,通过测量处于不同高度的光纤探针信号的平均时间间隔,从而间接得到末端一定距离内的平均速度。为了判断上述方法所得速度数据的有效性,后期实验中利用双精度VISAR测量了Mylar膜飞片的后自由表面速度曲线,并对测试结果进行了比较。

图3 平面度测试中的光纤探针分布示意图Fig.3 Layout of optical fiber probes in flatness measurement

图4 速度测试中的光纤探针分布示意图Fig.4 Layout of optical fiber probes in velocity measurement

3 实验结果

3.1 飞片的完整性和飞行平面度

图5给出了直径18 mm、厚0.15 mm的Mylar膜飞片以约8 km/s速度撞击10 mm厚LY12铝样品的情况。可以看到飞片在撞击样品时,前表面的撞击坑较圆,边界清晰,表明刀口对飞片切割效果较好。撞击坑的深度也较为均匀,表明飞片撞靶时的平面度较好。样品后自由表面有层裂片剥落,剥落片的厚度也相对均匀,这些均表明桥箔爆炸后,在等离子体驱动下飞片没有发生破碎现象,撞靶时较为完整且均匀性好。

图5 ∅18 mm×0.15 mm Mylar膜飞片以约8 km/s的速度撞击10 mm厚LY12铝靶前后表面状况Fig.5 Impacted and spallation surfaces of LY12 aluminum impacted by∅18 mm×0.15 mm Mylar flyer with 8 km/s velocity

表2为其中一发实验获得的飞片飞行5.5 mm后碰撞各探针所对应的时间t,探针的分布见图3。由于制作的探针分布在直径12 mm的范围内,因此测量结果显示的是飞片中心区直径12 mm范围内的平面度。由于光纤的原因,7号探针未记录到数据。由表可知,各探针间最大的时间间隔为32 ns,这就是飞片在飞行5.5 mm后的平面度。需要说明的是,由于制作工艺问题,很难将石英光纤端面控制在一个标准的平面内,因此实际的平面度要好于测试值。

表2 飞片碰撞光纤探针所对应的时间Table 2 The time of flyer to impact on the optical fiber probes

为了解本文中电炮装置的加载能力,实验中还针对不同质量的飞片开展了相应的平面度和速度测试。表3为实验获得的驱动不同质量的飞片对应的平面度Δt和速度v,由表中数据可知,该装置驱动的Mylar膜飞片的飞行平面度 Δt≤42 ns。

表3 不同飞片质量对应的速度和平面度数据Table 3 The velocity and flatness of flyer with different mass

3.2 飞片的速度

为了提高实验效率,采用图4所示的光纤阵列探针进行飞片速度测试。图6为实验获得的其中一组光纤探针的典型信号。图中光信号突然变化的时间起点对应于飞片撞击光纤端面的时刻。根据这一组光纤探针获得的飞片碰靶时间的平均值以及另一组探针获得的时间数据即可计算出本次实验飞片的碰靶平均速度。

根据该方法获得的不同质量飞片对应的速度数据见表3。其中直径18 mm、厚0.15 mm的Mylar膜飞片（约53 mg）可被加速到8 km/s,直径12 mm、厚0.2 mm的Mylar膜飞片（约32 mg）则可被加速到9.6 km/s。结果表明,研制的60 kJ电炮装置具有较高的加载能力。

为了判断上述方法所得速度数据的有效性,后期实验中利用双精度VISAR测量了Mylar膜飞片的后自由表面速度历史。图7为采用VISAR测试系统获得的飞片全程速度时间历史,桥箔尺寸为20 mm×20 mm×0.05 mm,飞片尺寸为∅18 mm×0.15 mm,对应的飞片质量约53 mg。实验测得的终端速度为8.2 km/s。与表3中数据基本符合,表明采用光纤探针法获取飞片的速度是简单、有效的。

图6 飞片速度测试中一组光纤探针的典型信号Fig.6 Typical signals of fiber probes in velocity measurement

图7 采用VISAR系统获得的飞片全程速度时间历史Fig.7 Velocity history of M ylar flyer obtained by VISAR system

4 结 论

随着研制高速电炮的各项关键技术相继取得突破,及其在炸药的冲击点火、高压物态方程测量、冲击波的相互作用以及材料的冲击损伤、层裂强度等研究领域的需求牵引下,研制了具有较高驱动能力的100 kV/60 kJ高速电炮装置。在该装置上开展了飞片的速度和平面度等性能测试。结果表明,飞片的完整性和飞行平面度均较好,其中平面度优于42 ns。通过驱动不同质量飞片获得的速度数据表明,对于质量为32～125 mg的Mylar膜飞片,可将其加速至 5.5～9.6 km/s,其中32 mg的Mylar膜飞片对应的速度为9.6 km/s,表明该电炮装置具有较高的加载能力。

[1] 赵剑衡,孙承纬,唐小松,等.高效能电炮实验装置的研制[J].实验力学,2006,21（3）:369-375.ZHAO Jian-heng,SUN Cheng-wei,TANG Xiao-song,et al.Development of electric gun with high performance[J].Journal of Experimental Mechanics,2006,21（3）:369-375.

[2] Keller D V,Penning J R.Exploding foils-The production of plane shock waves and the acceleration of thin plates[M].New York:Plenum Press,1962:263-277.

[3] Chau H H,Dittbenner G,Hofer W W,et al.Electric gun:A versatile tool for high pressure shockwave research[J].Review of Scientific Instruments,1980,51（12）:1676-1681.

[4] Osher J E,Barnes G,Chau H H,et al.Operating characteristics and modeling of the LLN L 100 kV electric gun[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1989,17（3）:392-402.

[5] Lee R S,Osher J E,Chau H H,et al.1 MJ electric gun facility at LLNL[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1993,29（1）:457-460.

[6] 徐兴海,陈素年,高顺受,等.电爆炸金属箔推动下的薄飞片运动[C]//爆轰研究论文集.绵阳:中国工程物理研究院流体物理研究所,1998:268-272.