低能爆炸箔电爆参数及冲击片速度测试

李　蛟，褚恩义，同红海，周　密，王　寅



低能爆炸箔电爆参数及冲击片速度测试

李蛟，褚恩义，同红海，周密，王寅

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

针对低能爆炸箔起爆系统需求，分析了起爆系统放电回路效率影响规律，开展了3.5μm厚桥箔爆发电流、爆发电压测试研究。结果表明：回路最大能量利用率符合理论分析，在0.22μF、1 500V电压下电路能量利用效率达到72.33%，桥箔电爆炸驱动飞片速度达到3 680m/s，可以起爆冲击片雷管装药。

低能爆炸箔；电爆参数；飞片；速度

爆炸箔起爆系统（exploding foil initiator system，EFIs）由于采用不敏感装药取代通常使用的敏感起爆药，并采用高电压脉冲功率技术，因而在安全方面得到了本质提高，并能在复杂的电磁环境下可靠地工作，可广泛应用于导弹、鱼雷等多种武器弹药系统中。目前国外对EFIs的研究主要集中在芯片技术、机电系统与某些武器装备的集成化研究。2007年第51届引信年会上，KDI精密产品公司介绍了使用EFI的电子安全备炸装置［1］，其将发火电压1.5kV以下的爆炸箔起爆系统定义为低能爆炸箔起爆系统。现阶段国内主要集中于EFI的低能化、小型化研究，在爆发电压、爆发电流、飞片速度等方面做了大量的工作，但主要集中于传统EFI的研究，发火电压较高，系统能量利用率较低，尚未完全满足低能爆炸箔起爆技术要求［2-4］。为此本文开展了低能爆炸箔起爆技术范畴内的桥箔电爆性能及飞片速度测试研究，并进行了起爆验证试验。

1　爆炸箔起爆原理

爆炸箔起爆系统分为脉冲功率单元和爆炸箔起爆单元两部分。脉冲功率单元在较短的时间内给高压电容器充电，通过触发高压开关，快速在起爆回路中产生大电流脉冲。图1为爆炸箔起爆原理图。图1中，桥箔发火回路可简化成由电阻R、电感L和电容C组成的振荡放电回路。其中C为发火电容，L和R分别为回路等效电感和等效电阻，包括电容器、传输线、高压开关及桥箔的电阻和电感，U0为起爆电压，即给发火电容充电的初始电压。

图1　爆炸箔起爆原理图Fig.1　The schematic of exploding foil initiator

根据基尔霍夫定律，回路方程为：

假设回路中R和L不变，对式（1）微分得：

式（5）中：T为振荡周期。由式（3）可知电流随时间变化并按幅值衰减。图2为放电回路电流曲线。

图2　放电回路电流曲线Fig.2　Current curve of discharge circuit

由图2可知电流最大值在第1峰值处。由于回路电阻比较小，则电流最大值为：

由此可知：若桥箔在放电回路第1峰值处爆炸，则可获得较理想的能量利用效果。电流的最大值取决于起爆电压U0、发火电容C、回路电感L，由于起爆电压和发火电容一般都为定值，回路电感越小电流最大值越大，因此应尽量减少回路电感。

2　爆发电流、爆发电压测试

爆炸箔起爆系统实验装置如图3所示。

图3　爆炸箔起爆系统实验装置Fig.3　Experiment device of exploding foil initiator system

实验装置由3部分组成：脉冲功率源部分；爆炸箔起爆单元部分；示波器、电压电流信号采集器组成的信号采集部分。实验采用罗柯夫斯基线圈测量爆炸桥箔爆发电流，高压探头测量爆炸桥箔爆发电压。其中充电电容采用0.22μF陶瓷电容。爆炸桥箔为铜箔，桥区尺寸为0.35mm× 0.35mm ×0.003 5mm。测得实验数据见表1。

表1　桥箔电爆性能测试结果Tab.1　Electrical exploding characters of foil

对比韩克华［5］等人 2012年实验数据，充电电压在2 200～2 500V时能量利用率在10.9%～11.3%，本文的充电降低到了1 500V左右，而能量利用率提升到70%左右。表1所对应的爆发电压、爆发电流曲线见图4。

图4　不同发火电压下的爆发电压及爆发电流曲线Fig.4　Burst voltage and current curves under different discharge voltage

由表1得出3.5μm桥箔在充电电压1 500V下能量利用率为72.33%，相对较大，分析其原因：

（1）放电回路分析式（1）～（5）表明若桥箔在放电回路第1峰值处爆炸，则可获得较理想的能量利用效果，由1 500V爆发电压电流曲线可以看出桥箔在放电回路第1峰值处爆炸。

（2）由图4可见，1 100V放电电压下峰值电流在爆发电压之前。1 300V放电电压下峰值电流和爆发电压基本重合，爆发电流曲线振荡3次。在1 500V放电电压下，峰值电流和爆发电压重合，爆发电流曲线振荡1次。在1 700V放电电压下，峰值电流在爆发电压之后，放电曲线振荡4次。在放电电压1 500V时，爆发电压和爆发电流曲线都只有1个振荡周期并且重合度很高，高压电容放电快，峰值电流和爆发电压很接近。

3　冲击片速度计算和测试

冲击片速度是冲击片雷管能否可靠起爆的一个关键因素，它决定了撞击炸药产生的压力，可以作为判断冲击片窄脉冲起爆炸药的一个参数。因此对3.5μm厚桥箔驱动飞片最大速度进行了计算和测试。

3.1冲击片速度计算

1975年，Tucker和Stanton［6］在格尼模型的基础上提出了电格尼能的概念，将格尼模型应用到电爆炸箔冲击片构建中，对应于平面不对称结构的格尼公式，有：

飞片计算公式为在式（7）基础上的简化公式：

式（8）中：ρ、d分别表示初始密度和厚度；e和f分别对应于爆炸桥箔和飞片。

通过式（8），可以计算出冲击片的最大速度。爆炸桥箔为铜箔，桥区尺寸为 0.33mm×0.33mm×0.003 5mm，冲击片为聚酰亚胺薄膜，厚度 12.5μm，电格尼系数k和n分别取17.059 7×10-8和1.117 7［7］。不同放电电压下冲击片最大速度计算结果见表2。

表2　冲击片速度计算结果Tab.2　The velocity of flying plate by calculation

3.2冲击片速度PDV测试

PDV是一种基于物体运动产生的光学多普勒效应的新型激光干涉技术。本文利用PDV对冲击片速度进行了实验测试。实验所用桥箔尺寸为0.33mm× 0.33mm×0.003 5mm，放电电容为0.22μF，冲击片材料为聚酰亚胺薄膜，厚度为 12.5μm，发火电压 1 500V。实验测试飞片最大速度为3 680m/s，与表2计算结果的误差为3.45%。测试结果如图5所示。

图5　PDV测速结果Fig.5　The testing data of PDV

从图5可以看出大约在1.11μs时刻，飞片速度出现拐点，在此之前飞片速度上升较快，在大约100ns内达到最终速度的75%。在速度拐点之后，飞片速度上升相对变缓，在大约100ns内完成了剩余25%速度的增加。

在上述测速实验条件下进行了起爆 HNS-Ⅳ验证试验，HNS-Ⅳ的装药密度为1.57g/cm3，药柱尺寸为φ4mm×4mm。结果显示3发试验样品全部起爆。

4　结语

本文研究了 3.5μm厚桥箔在较低充电电压 1 500V下的电爆性能，发现若桥箔在放电回路第1峰值处爆炸，则可获得较理想的能量利用效果，能量利用率最高为 72.33%；同时验证了在此电压条件下爆炸箔驱动飞片的能力，飞片最大计算速度为 3 553.1 m/s，PDV实测速度为3 680m/s，误差为3.45%，并且可以起爆HNS-Ⅳ药柱，效果理想。

［1］ Dave Grilliot， Cory Hatch. Multiple launch rocket system（MLRS） fuzing evolving to meet end user requirements［C］// 51st Annual NDIA Fuze Conference，2007.

［2］ 陈清畴，陈朗，覃文志，韩菲，韩忠飞.PDV方法测量电爆炸驱动小飞片速度［J］.含能材料，2014，11（3）:413-416.

［3］ 吕军军，曾庆轩，李明愉，周利存.起爆高密度TATB炸药的飞片速度阈值［J］.爆炸与冲击，2014，1（1）:125-128.

［4］ 钱勇，褚恩义，同红海，等.爆炸箔起爆器飞片速度测试研究［J］.火工品，2009（2）:42-44.

［5］ 韩克华，任西，秦国圣，褚恩义.高压脉冲功率源输出特性［J］.探测与控制学报，2012，8（4）:24-29.

［6］ Sandia National Laboratoties.Electrical gurney energy:a new concept in modeling of energy transfer from electrically exploded conductors［R］. SAND 75-0244， 1975.

［7］ 陈军，李涛，王治平.电爆炸桥箔推动飞片运动速度的经验计算［J］.高能量密度物理， 2007， 12（4）:143-148.

The Testing of Electrical Exploding Parameters and Flying Plate Velocity of LEEFI

LI Jiao， CHU En-yi， TONG Hong-hai， ZHOU Mi， WANG Yin
（National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry， Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute， Xi’an， 710061）

Based on the requirement of low energy exploding foil initiator （LEFFI） system， the influence rule of discharging circuit was analyzed， and the exploding voltage and exploding current of the bridge foil with 3.5μm thickness was tested. The result indicates that under 0.22μF capacity， 1 500V discharge voltage， the maximum energy conversion efficiency is 72.33%， the velocity of flying plate can reach up to 3 680m/s and the HNS-Ⅳ of detonator can be initiated.

Low energy exploding foil initiator（LEFFI）；Electrical exploding parameter；Flying plate；Velocity

TJ450.6

A

1003-1480（2015）06-0024-04

2015-09-28

李蛟（1989 -），男，在读硕士研究生，主要从事先进火工技术。

国防基础科研项目（JCKY20132080002）。