爆炸橋絲火工品的高壓靜電放電響應(yīng)

李志鵬, 張攀軍, 呂子劍, 龍新平, 戴 斌

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

1 引 言

橋絲火工品性能較為穩(wěn)定,易于控制,在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、折疊翼的展開(kāi)、自毀裝置及爆炸螺栓等中都有應(yīng)用[1],同時(shí)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(diǎn)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(guò)程可能遇到的一般靜電危險(xiǎn)源(如人體、機(jī)器、家具等),對(duì)橋絲火工品經(jīng)受較低電壓(幾萬(wàn)伏)靜電放電刺激后的響應(yīng)特性開(kāi)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(duì)橋絲的影響。李志鵬等[3-4]研究了50 kV人體靜電放電對(duì)火工品裝藥的影響。Borovina等[5]采用人體和家具復(fù)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(yīng)情況。Michael等[6]則通過(guò)計(jì)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(yīng)情況。

然而,隨著武器彈藥使用電磁環(huán)境的日益復(fù)雜化,其在空中運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中可能受到來(lái)自運(yùn)載工具高壓靜電感應(yīng)的威脅,比如,直升機(jī)在飛行過(guò)程中或戰(zhàn)斗機(jī)在執(zhí)行空中補(bǔ)給任務(wù)時(shí),由于與云團(tuán)的摩擦等產(chǎn)生的靜電電壓高達(dá)幾十萬(wàn)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(wàn)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(shí)戰(zhàn)需要。美國(guó)早在20世紀(jì)90年代就提出了模擬直升機(jī)空中補(bǔ)給的靜電放電標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,并在2005年進(jìn)行了修訂[8],試驗(yàn)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(guó)的封青梅等[7]參照美軍標(biāo)準(zhǔn)也建立了相關(guān)的試驗(yàn)方法。但關(guān)于高壓靜電放電條件下火工品響應(yīng)特性方面的研究工作尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。然而該方面的研究工作對(duì)于認(rèn)識(shí)高壓靜電放電作用下火工品的響應(yīng)特性,以及評(píng)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(yàn)系統(tǒng),在250 kV,1000 pF,1 Ω的放電條件下,對(duì)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(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,以期為高壓靜電放電條件下火工品的安全性評(píng)估提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

靜電放電試驗(yàn)裝置采用高壓靜電放電模擬試驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)由控制裝置、充/放電裝置、測(cè)試裝置等組成。其中充/放電裝置見(jiàn)圖1所示,由高壓電源、儲(chǔ)能電容器、充/放電電阻、球形放電開(kāi)關(guān)等組成。高壓靜電放電模擬試驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)符合美軍標(biāo)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(zhǔn)電阻檢測(cè)得到負(fù)載能量消耗率約為電容儲(chǔ)能的92%,放電極性為負(fù)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(chǔ)能電容, 4—球形放電開(kāi)關(guān), 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(yàn)采用的爆炸橋絲火工品結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。其橋絲材料為金,電阻為幾十毫歐量級(jí),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(cè)火工品生產(chǎn)和使用過(guò)程中可能遇到的靜電放電情形以及對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,分別對(duì)火工品進(jìn)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(shí),將火工品的兩個(gè)腳線并聯(lián)作為一個(gè)放電極,對(duì)火工品腳殼間藥劑形成擊穿放電。

參照美軍標(biāo)MIL-STD-331C[8]的要求,爆炸橋絲火工品高壓靜電放電模擬試驗(yàn)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(cè)火工品結(jié)構(gòu)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(jié)果與討論

3.1 腳-腳放電響應(yīng)情況

為便于觀察腳-腳方式靜電放電時(shí)橋絲的響應(yīng)情況,首先采用與被測(cè)火工品狀態(tài)相同的電極塞(含橋絲)進(jìn)行了靜電放電試驗(yàn)。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(yīng)狀態(tài),由圖3可見(jiàn),隨著放電電壓的逐漸升高,橋絲出現(xiàn)了不同的響應(yīng)狀態(tài),當(dāng)靜電電壓在55～59 kV時(shí),橋絲出現(xiàn)了不同程度的損傷,但均為物理?yè)p傷。當(dāng)電壓增加到100 kV時(shí),可觀察到明亮的火花,同時(shí)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(yàn)證上述試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果,采用真實(shí)火工品在57 kV條件下進(jìn)行了靜電放電刺激試驗(yàn),并用CT觀測(cè)了橋絲的斷裂情況,結(jié)果見(jiàn)圖4所示,由圖4可見(jiàn),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(shuō)明采用電極塞(含橋絲)試驗(yàn)可有效觀測(cè)橋絲的響應(yīng)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(yīng)狀態(tài)

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

為進(jìn)一步研究橋絲靜電放電作用下的響應(yīng)規(guī)律,對(duì)被測(cè)火工品橋絲發(fā)生50%概率斷裂的電壓進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)采用25發(fā)含橋絲的電極塞,根據(jù)GJB/Z 377A-1994進(jìn)行了升降法試驗(yàn)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理,結(jié)果見(jiàn)表1所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,在本研究的試驗(yàn)條件下,被測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)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(dāng)靜電放電電壓為100 kV時(shí),被測(cè)火工品的橋絲就會(huì)發(fā)生爆炸反應(yīng),極有可能使火工品發(fā)生點(diǎn)火。然而,本研究在250 kV,1000 pF,1 Ω的放電條件下,對(duì)10發(fā)被測(cè)火工品進(jìn)行了腳-腳方式的靜電放電刺激,結(jié)果發(fā)現(xiàn)被測(cè)火工品均未點(diǎn)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(diǎn)火機(jī)理等方面進(jìn)行分析。首先,本試驗(yàn)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(chǔ)能電容和放電電阻均較小,儲(chǔ)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(yàn)中被測(cè)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(huì)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(diǎn)火機(jī)理: 金屬橋絲在強(qiáng)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(yàn)中橋絲雖在強(qiáng)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(dǎo)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(yīng)或者局部發(fā)生了反應(yīng)但反應(yīng)難以持續(xù)而熄滅,因此,未引起被測(cè)火工品點(diǎn)火。

3.2 腳-殼放電響應(yīng)情況

采用250 kV,1000 pF,1 Ω的放電參數(shù),在相對(duì)濕度(RH)20%的條件下,對(duì)10發(fā)被測(cè)火工品進(jìn)行了腳-殼方式的靜電放電刺激測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果照片見(jiàn)圖5所示。

圖5 被測(cè)火工品腳-殼方式靜電放電試驗(yàn)結(jié)果照片

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

由圖5可知,10發(fā)被測(cè)火工品中有1發(fā)(圖5所示第4發(fā))發(fā)生了較高級(jí)別的反應(yīng),火工品殼體破裂,未回收到火工品裝藥。其余被測(cè)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(shí)驗(yàn)條件不變的情況下,發(fā)現(xiàn)即使電壓降低到60 kV,被測(cè)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(cè)火工品腳-殼方式靜電放電刺激后的典型響應(yīng)結(jié)果,其中圖6a為50 kV靜電放電刺激后被測(cè)火工品內(nèi)部藥劑損傷情況的CT檢測(cè)照片,圖6b為被測(cè)火工品電極塞和管殼分離照片。由圖6a可見(jiàn),在對(duì)被測(cè)火工品進(jìn)行腳-殼方式的靜電放電時(shí),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(shí)在電極塞表面形成了黑色的類似灼燒的反應(yīng)痕跡(圖6b)。

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

圖6 被測(cè)火工品腳-殼方式靜電放電刺激后的典型響應(yīng)結(jié)果

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

靜電放電對(duì)炸藥的引爆過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程,一般認(rèn)為,這是由熱主導(dǎo),壓力驅(qū)動(dòng)的一個(gè)過(guò)程[10]。由于被測(cè)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(guò)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(zhuǎn)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(shí),靜電火花的電能轉(zhuǎn)換成熱能,一方面使裝藥內(nèi)部的空氣瞬時(shí)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(yīng)使得藥劑溫度升高,從而導(dǎo)致部分藥劑發(fā)生分解反應(yīng),產(chǎn)生氣體急速膨脹,當(dāng)兩方面的壓力大于電極塞和殼體間的密封強(qiáng)度時(shí),電極塞和殼體分離,壓力迅速衰減,反應(yīng)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(qiáng)度足夠強(qiáng),使得炸藥反應(yīng)能維持高壓力并持續(xù)下去時(shí),裝藥就會(huì)發(fā)生更高級(jí)別的爆燃或爆炸反應(yīng),這可能就是試驗(yàn)中有一發(fā)火工品發(fā)生較高級(jí)別反應(yīng)的原因。

4 結(jié) 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(cè)試獲得其發(fā)生50%概率斷裂的電壓約為56.33 kV。對(duì)10發(fā)被測(cè)爆炸橋絲火工品的試驗(yàn)結(jié)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?yàn)闃蚪z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(yīng)或者局部發(fā)生了反應(yīng)但反應(yīng)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(cè)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(yīng)特性為電極塞和殼體發(fā)生分離。這主要是因?yàn)殪o電放電熱效應(yīng)引起的空氣膨脹以及藥劑部分分解反應(yīng)產(chǎn)生氣體引起的壓力突升,大于電極塞和殼體間密封強(qiáng)度,造成電極塞和殼體分離。

綜合以上結(jié)果可知,在高電壓靜電刺激條件下,爆炸橋絲火工品的響應(yīng)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(yīng)特性來(lái)看,高壓靜電放電刺激下,火工品損傷嚴(yán)重,這一點(diǎn)值得關(guān)注。

參考文獻(xiàn):

[1] 劉尚合, 魏光輝, 劉直承, 等. 靜電理論與防護(hù)[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社,1999: 249-250.

[2] 白瑞祥, 嚴(yán)楠. 靜電放電對(duì)電火工品橋絲影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 火工品, 2012(3): 9-12.

BAI Rui-xiang, YAN Nan. Experimental study on the effect of ESD on EED bridgewire[J].Initiators&Pyrotechnics. 2012(3): 9-12.

[3] LI Zhi-peng, LIU Lan, LV Zi-jian, et al. Study on the damage effects of primary explosive in some detonator caused by ESD[C]∥Proceedings of the 2009 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics. Kunming, China, 2009: 94-96.

[4] LI Zhi-peng, LIU Ying, ZHANG Pan-jun, et al. Effects of electrostatic discharge on the performance of exploding bridgewire detonators[C]∥Journal of Physics: Conference Series 418, 2013:0120511-0120515.

[5] Dan B, Douglas M H, Steven C. Electrostatic discharge sensitivity of detonators[C]∥13th International Symposium on Detonation. Norfolk, Virginia, 2006.

[6] Michael J W. Projected response of typical detonators to electrostatic discharge(ESD) environments[R]. UCRL-ID-145642. 2002.

[7] 封青梅, 關(guān)翔云, 劉紅利, 等. 電火工系統(tǒng)引信300 kV 靜電放電試驗(yàn)系統(tǒng)研究[J]. 火工品, 2007(1): 51-53.

FENG Qing-mei, GUAN Xiang-yun, LIU Hong-li, et al. Research on 300 kV electrostatic sensitivity test system for EED and fuze[J].Initiators&Pyrotechnics, 2007(1): 51-53.

[8] MIL-STD-331C. Fuze and fuze components, environmental and performance tests for[S],2005.

[9] 蔡瑞嬌. 火工品設(shè)計(jì)原理[M].北京: 北京理工大學(xué)出版社,1999: 247-248.

[10] Asay B W. Shockwave science and technology reference library,Vol.5: Non-shock initiation of explosives[M]. Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2009: 583-584.