激光驱动飞片起爆HNS-IV飞片膜参数设计研究

王浩宇，褚恩义，贺爱锋，陈建华，井波

（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）

激光驱动飞片起爆HNS-IV飞片膜参数设计研究

王浩宇，褚恩义，贺爱锋，陈建华，井波

（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）

设计了3种不同结构参数的飞片膜，基于激光驱动飞片起爆理论，进行了不同膜结构飞片的速度计算与测试，并完成了激光驱动飞片起爆HNS-IV压装药柱（ρ=1.566g/cm3）的实验，分别获得了其最低起爆阈值。结果表明实验结果与理论分析具有良好的一致性，在优化设计参数下，复合飞片起爆性能及稳定性优于单膜飞片。本研究为飞片膜的优化设计提供了参考。

冲击起爆；激光；飞片；参数；HNS-IV

随着现代战场环境的日益复杂，对起爆系统的可靠性与安全性提出了更高的要求。激光驱动飞片起爆技术具有本质电磁安全、作用快速、可远距离传输刺激能量、环境适应性好等优点［1］，目前国外已经实现了利用光纤传能驱动飞片起爆的激光冲击片雷管。我国从20世纪90年代开始研究相关技术，目前在较高的激光能量下，已经可以起爆PETN等高能炸药，但未见起爆HNS-IV的详细报道。

一般认为在高功率固体激光器输出能量和光束质量等外部因素确定的条件下，影响飞片性能的关键因素就是飞片膜的结构设计［2］。目前飞片膜结构按膜层数量可分为单膜结构和复合膜结构两种，复合膜结构又可分为双层膜结构和三层膜——“三明治”结构，本文通过所制备的两种不同厚度的Al/Al2O3/Al复合膜与单膜Al飞片，研究飞片膜参数对激光驱动飞片起爆HNS-IV性能的影响。

1　理论分析

激光驱动飞片起爆HNS-IV属于冲击波起爆非均质炸药，其作用机理为：激光器产生高峰值功率的激光，经过透镜聚焦后，辐射附着在透明窗口上的金属膜，受照射的部分膜层立即形成高温高压等离子体，在窗口和加速膛的限制作用下高温高压等离子体膨胀，驱动剩余的膜层所形成的飞片，在极短的距离内瞬间加速至高速；高速飞片撞击炸药柱，在药柱端面形成压力为P、持续时间为τ的冲击波，当P2τ超过炸药的冲击临界起爆能量Ec时炸药将发生爆轰［3-6］。

同一规格的炸药柱其冲击临界起爆能量Ec是一定值，压力P与飞片的速度vf有关，τ与飞片的厚度xf有关。当飞片厚度xf不变时，τ为定值，飞片速度vf就成为影响飞片撞击炸药能量P2τ的唯一因素。飞片的速度可用Lawrence-Gurney模型表示，对于单质金属飞片，仅考虑一维情况：

式（1）中：E为Gurney能；ρ为金属膜层密度；xd为激光烧蚀厚度；x0为金属膜层初始厚度；v0为飞片速度。式（1）右边第1项是飞片的动能项，第2项是等离子体的动能项。

假设激光沉积能量为指数分布：

式（2）中：μeff为有效吸收系数；r为有效能量损失；F0为入射激光能量；ρ为金属膜层密度；x为激光能量沉积深度。

设材料的汽化能为εd，由于ε（xd）=εd，则激光的烧蚀深度xd为：

激光Gurney能E为：

由此可求出飞片的最终速度vf为：

对于复合飞片，由于烧蚀层、隔热层和飞片层的材料不同，设烧蚀层的密度为ρb，厚度为xd，隔热层的密度为ρg，厚度为xg，飞片层的密度为ρf，厚度为xf。假设激光能量仅与烧蚀层相互作用产生高温高压等离子体，进而驱动隔热层和飞片层飞出，因此可以将飞片层和隔热层看作一个整体作为飞片，二者具有相同的速度。由此得到，发展Lawrence- Gurney模型，即可推出复合飞片的速度公式为：

利用式（5）和式（6）所给出的速度计算方程，结合表1所给出的相关材料参数即可对激光驱动飞片的速度进行数值仿真，结果如图1所示。由图1可以看出相同激光能量密度辐照下，4μm的复合膜飞片速度最高，其次为5μm的单膜飞片，最后是5μm的复合飞片，由此可以预估飞片膜的起爆能力，4μm复合膜速度与5μm单膜Al速度非常接近。

表1　计算中用到的材料相关参数Tab.1　Related parameters of film material

图1　不同膜结构飞片的速度曲线Fig.1　Velocity curves of different membrane structure flyer

2　实验设计

2.1实验装置

实验选用法国Thales公司的SAGA-120固体Nd：YAG调Q脉冲激光器，输出波长1 064nm、脉宽12ns，光斑直径8mm，脉冲能量10～1 000mJ 可调；聚焦透镜选用焦距为f=1 000mm的平凸透镜GCL-010126，可将激光器输出的光束聚焦为光斑直径为1mm左右的光斑；换能元由K9玻璃基底、飞片膜、加速膛（刀口参数φ 0.5mm×0.3mm）和HNS-IV高能炸药柱组成。实验采用了3种用于冲击起爆HNS-IV的飞片膜，结构参数如表2所示。激光驱动飞片起爆换能元试验样品如图2所示。

表2　实验所用飞片膜结构参数Tab.2　The structure parameters of flyers for test

实验还选用LABMASTER LM-30V大功率光功率计测量激光器的输出功率，分光镜选用GCC-411122宽带分光平片，光电探测器选用DET10A光学传感器，响应时间小于1ns，数字示波器选用泰克TDS 5054数字示波器，带宽500MHz。

图2　激光驱动飞片起爆换能元试验样品图Fig.2　Photo of tested sample

2.2不同膜结构飞片的平均速度比较

实验采用PVDF压电传感器测量了激光固定能量（120±3）mJ下驱动2种不同膜结构、3种飞片的平均速度，实验原理如图3所示：激光器输出的一小部分激光（约1%）经过分光镜给光电探头一个触发信号，作为计算飞片速度的时间原点t0，飞片经过长度为l的加速膛加速后撞击PVDF压电传感器产生的压电信号时间点t1作为终点，考虑光电探头和压电传感器的弛豫时间△t（≈15ns），则飞片的平均速度如式（7）所示：

图3　PVDF测量飞片平均速度装置图Fig.3　Diagram of average velocity testing by PVDF

实验测量结果如表3所示，比较1#和3#，相同5μm膜厚下Al单膜的速度远高于复合膜速度；2#4μm厚复合膜速度略高于1#5μm厚单膜速度。推测2#起爆能力应略强于1#，1#、2#都应强于3#。

应当注意的是实验测得的结果普遍高于理论计算结果，分析认为：（1）光电探头和压电传感器的弛豫时间△t具有不确定性，计算仅预估其约为15ns，而弛豫时间无法准确测量。（2）在仿真中使用的光束模型为平顶光束，其在飞片中心能量分布远低于实际的高斯光束能量分布。不过二者的趋势一致，均能够反映膜参数对激光驱动飞片速度的影响。

表3　激光驱动飞片平均速度测量结果Tab.3　The average velocity result of flyer by laser-driven

2.3激光驱动飞片起爆HNS-IV实验

2.3.1实验装置

激光驱动飞片起爆实验装置如图4所示，实验通过调节激光器的输出能量，测试表2所列3种不同参数飞片膜起爆HNS-IV高能炸药性能。实验所用HNS-IV平均粒度为1μm，HNS-IV药柱尺寸为φ 4.2mm×4.0 mm，平均装药密度为1.566g/cm3（90%TMD）。

图4　激光驱动飞片起爆实验装置图Fig.4　Set up of the initiating explosive by laser-driven flyer

2.3.2实验结果及分析

利用图4所示的实验系统，共完成了16发实验，其中起爆11发，结果如表4所示。

表4　激光驱动飞片起爆HNS-IV实验结果Tab.4　The result of HNS-IV explosive initiated by laser-driven flyer

当激光能量足以支持飞片成功起爆HNS-IV时，起爆后夹具壳体在炸药的爆轰波作用下产生严重变形，如图5所示。当激光能量较低，HNS-IV药柱在高速飞片的冲击作用下出现裂纹和松散的现象，药柱被飞片冲击呈坑状，且周围有熔化现象，壳体由于药剂燃烧被熏黑，如图6所示，说明HNS- IV药剂处于起爆的临界状态，HNS-IV开始发生爆燃却未能持续成长为爆轰。

图5　HNS-IV爆轰前后壳体外形对比Fig.5　Photo of shell before and after HNS-IV detonation

图6　HNS-IV临界状态下药柱端面及壳体Fig.6　Photo of HNS-IV pellet and shell in critical state

从表4实验结果可以看出，3种飞片膜起爆能力从强到弱依次为2#、1#、3#。对比相同厚度的单膜飞片和复合飞片可知，1#单膜飞片的起爆能力优于3#复合飞片，当复合飞片膜层厚度降低至4μm后，2#复合飞片的起爆能力有了较大的提高，该结果与理论仿真结果相吻合。从仿真结果来看1#、2#飞片膜速度非常接近，如果仅从速度来推断起爆能力，二者起爆能力应该比较接近，但2#飞片膜起爆性能远远优于1#飞片膜，说明Al2O3隔热层的引入一方面保护了飞片层的完整性，另一方面增加了飞片的质量、提高了飞片的冲击动能，进一步提高了激光能量的利用效率。比较2#、3#飞片，可以看出飞片层膜厚应严格控制，否则将会降低飞片的速度，降低飞片的起爆性能。

3　结论

综合上述实验结果及理论分析，可得以下结论：（1）飞片速度是影响飞片撞击炸药能量P2τ的重要因素，是HNS-IV能否起爆的关键；（2）良好的飞片膜结构设计对飞片速度、冲击起爆性能的提升具有非常重要的促进作用。实验表明较薄的飞片膜由于其质量较轻易获得更高的速度，其起爆性能优于较厚的飞片膜；（3）通过实验，烧蚀层厚度应控制在1μm以内，隔热层厚度应控制在0.5μm，飞片层厚度不宜过大，否则会影响飞片的整体起爆能力；（4）在优化膜结构设计参数后，复合飞片起爆性能及稳定性优于单膜飞片；（5）获得5μm厚Al膜最低起爆能量为（121±3）mJ，4μm厚复合膜最低起爆能量为（68±3）mJ。

［1］ 赵翔.激光驱动飞片点火设计技术研究［D］.绵阳：中国工程物理研究院，2009.

［2］ 高杨，赵翔，赵兴海，等.激光起爆引信及其关键技术［J］. 探测与控制学报，2008，30（1）：18-24.

［3］ R. J. Lawrence and W. M. Trott. A simple model for the pulsed -laser-driven thin flyers ［J］. Suppl. Su Journal de Physique III，1991（1）：453-458.

［4］ M.D.Bowden，R.C.Drake. The initiation of high surface area pentaerythritol tetranitrate using fiber coupled laser driven flyerplates［C］// Proceedings of SPIE，the International society for Optical Engineering.Bellingham：Society of Photo Optical Instrumentation Engineers，2007.

［5］ 谷卓伟，孙承续，苏小勇.小型激光器驱动飞片冲击引爆炸药的实验研究［J］.爆炸与冲击，2002，22（1）：88-91.

［6］ 王宗辉，禇恩义，贺爱锋，鲁建存.加速膛刀口直径对激光驱动飞片影响的研究［J］.火工品，2011（6）：14-17.

The Research on the Flyer Film Parameters for the Initiation of HNS-IV by Laser-driven Flyer

WANG Hao-yu， CHU En-yi， HE Ai-feng， CHEN Jian-hua， JING Bo
（National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry， Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute， Xi’an， 710061）

In this paper， the flyer films with three structure parameters were designed， and based on theory of laser-driven flyer， the flyer velocity was calculated and tested. Meanwhile， the test of the laser-driven flyer initiating HNS-IV explosive grain（ρ=1.566g/cm3） was also carried out， from which the minimum initiation energy of the three flyer films were obtained. The study showed that the result of experiment and calculation was accordant well， the initiation property and stability of the flyer with multi-layer was super to that of single film flyer after opitimization， which provide reference for the flyer film design.

Initiation by impact；Laser；Flyer；Parameter；HNS-IV

TJ450.3

A

1003-1480（2015）02-0044-04

2014-12-18

王浩宇（1989-），男，在读硕士研究生，从事先进火工技术研究。