激光驅(qū)動飛片起爆HNS-IV飛片膜參數(shù)設(shè)計研究

王浩宇，褚恩義，賀愛鋒，陳建華，井波

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

激光驅(qū)動飛片起爆HNS-IV飛片膜參數(shù)設(shè)計研究

王浩宇，褚恩義，賀愛鋒，陳建華，井波

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

設(shè)計了3種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的飛片膜，基于激光驅(qū)動飛片起爆理論，進行了不同膜結(jié)構(gòu)飛片的速度計算與測試，并完成了激光驅(qū)動飛片起爆HNS-IV壓裝藥柱（ρ=1.566g/cm3）的實驗，分別獲得了其最低起爆閾值。結(jié)果表明實驗結(jié)果與理論分析具有良好的一致性，在優(yōu)化設(shè)計參數(shù)下，復(fù)合飛片起爆性能及穩(wěn)定性優(yōu)于單膜飛片。本研究為飛片膜的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

沖擊起爆；激光；飛片；參數(shù)；HNS-IV

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境的日益復(fù)雜，對起爆系統(tǒng)的可靠性與安全性提出了更高的要求。激光驅(qū)動飛片起爆技術(shù)具有本質(zhì)電磁安全、作用快速、可遠距離傳輸刺激能量、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點［1］，目前國外已經(jīng)實現(xiàn)了利用光纖傳能驅(qū)動飛片起爆的激光沖擊片雷管。我國從20世紀90年代開始研究相關(guān)技術(shù)，目前在較高的激光能量下，已經(jīng)可以起爆PETN等高能炸藥，但未見起爆HNS-IV的詳細報道。

一般認為在高功率固體激光器輸出能量和光束質(zhì)量等外部因素確定的條件下，影響飛片性能的關(guān)鍵因素就是飛片膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計［2］。目前飛片膜結(jié)構(gòu)按膜層數(shù)量可分為單膜結(jié)構(gòu)和復(fù)合膜結(jié)構(gòu)兩種，復(fù)合膜結(jié)構(gòu)又可分為雙層膜結(jié)構(gòu)和三層膜——“三明治”結(jié)構(gòu)，本文通過所制備的兩種不同厚度的Al/Al2O3/Al復(fù)合膜與單膜Al飛片，研究飛片膜參數(shù)對激光驅(qū)動飛片起爆HNS-IV性能的影響。

1　理論分析

激光驅(qū)動飛片起爆HNS-IV屬于沖擊波起爆非均質(zhì)炸藥，其作用機理為：激光器產(chǎn)生高峰值功率的激光，經(jīng)過透鏡聚焦后，輻射附著在透明窗口上的金屬膜，受照射的部分膜層立即形成高溫高壓等離子體，在窗口和加速膛的限制作用下高溫高壓等離子體膨脹，驅(qū)動剩余的膜層所形成的飛片，在極短的距離內(nèi)瞬間加速至高速；高速飛片撞擊炸藥柱，在藥柱端面形成壓力為P、持續(xù)時間為τ的沖擊波，當P2τ超過炸藥的沖擊臨界起爆能量Ec時炸藥將發(fā)生爆轟［3-6］。

同一規(guī)格的炸藥柱其沖擊臨界起爆能量Ec是一定值，壓力P與飛片的速度vf有關(guān)，τ與飛片的厚度xf有關(guān)。當飛片厚度xf不變時，τ為定值，飛片速度vf就成為影響飛片撞擊炸藥能量P2τ的唯一因素。飛片的速度可用Lawrence-Gurney模型表示，對于單質(zhì)金屬飛片，僅考慮一維情況：

式（1）中：E為Gurney能；ρ為金屬膜層密度；xd為激光燒蝕厚度；x0為金屬膜層初始厚度；v0為飛片速度。式（1）右邊第1項是飛片的動能項，第2項是等離子體的動能項。

假設(shè)激光沉積能量為指數(shù)分布：

式（2）中：μeff為有效吸收系數(shù)；r為有效能量損失；F0為入射激光能量；ρ為金屬膜層密度；x為激光能量沉積深度。

設(shè)材料的汽化能為εd，由于ε（xd）=εd，則激光的燒蝕深度xd為：

激光Gurney能E為：

由此可求出飛片的最終速度vf為：

對于復(fù)合飛片，由于燒蝕層、隔熱層和飛片層的材料不同，設(shè)燒蝕層的密度為ρb，厚度為xd，隔熱層的密度為ρg，厚度為xg，飛片層的密度為ρf，厚度為xf。假設(shè)激光能量僅與燒蝕層相互作用產(chǎn)生高溫高壓等離子體，進而驅(qū)動隔熱層和飛片層飛出，因此可以將飛片層和隔熱層看作一個整體作為飛片，二者具有相同的速度。由此得到，發(fā)展Lawrence- Gurney模型，即可推出復(fù)合飛片的速度公式為：

利用式（5）和式（6）所給出的速度計算方程，結(jié)合表1所給出的相關(guān)材料參數(shù)即可對激光驅(qū)動飛片的速度進行數(shù)值仿真，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出相同激光能量密度輻照下，4μm的復(fù)合膜飛片速度最高，其次為5μm的單膜飛片，最后是5μm的復(fù)合飛片，由此可以預(yù)估飛片膜的起爆能力，4μm復(fù)合膜速度與5μm單膜Al速度非常接近。

表1　計算中用到的材料相關(guān)參數(shù)Tab.1　Related parameters of film material

圖1　不同膜結(jié)構(gòu)飛片的速度曲線Fig.1　Velocity curves of different membrane structure flyer

2　實驗設(shè)計

2.1實驗裝置

實驗選用法國Thales公司的SAGA-120固體Nd：YAG調(diào)Q脈沖激光器，輸出波長1 064nm、脈寬12ns，光斑直徑8mm，脈沖能量10～1 000mJ 可調(diào)；聚焦透鏡選用焦距為f=1 000mm的平凸透鏡GCL-010126，可將激光器輸出的光束聚焦為光斑直徑為1mm左右的光斑；換能元由K9玻璃基底、飛片膜、加速膛（刀口參數(shù)φ 0.5mm×0.3mm）和HNS-IV高能炸藥柱組成。實驗采用了3種用于沖擊起爆HNS-IV的飛片膜，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。激光驅(qū)動飛片起爆換能元試驗樣品如圖2所示。

表2　實驗所用飛片膜結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2　The structure parameters of flyers for test

實驗還選用LABMASTER LM-30V大功率光功率計測量激光器的輸出功率，分光鏡選用GCC-411122寬帶分光平片，光電探測器選用DET10A光學(xué)傳感器，響應(yīng)時間小于1ns，數(shù)字示波器選用泰克TDS 5054數(shù)字示波器，帶寬500MHz。

圖2　激光驅(qū)動飛片起爆換能元試驗樣品圖Fig.2　Photo of tested sample

2.2不同膜結(jié)構(gòu)飛片的平均速度比較

實驗采用PVDF壓電傳感器測量了激光固定能量（120±3）mJ下驅(qū)動2種不同膜結(jié)構(gòu)、3種飛片的平均速度，實驗原理如圖3所示：激光器輸出的一小部分激光（約1%）經(jīng)過分光鏡給光電探頭一個觸發(fā)信號，作為計算飛片速度的時間原點t0，飛片經(jīng)過長度為l的加速膛加速后撞擊PVDF壓電傳感器產(chǎn)生的壓電信號時間點t1作為終點，考慮光電探頭和壓電傳感器的弛豫時間△t（≈15ns），則飛片的平均速度如式（7）所示：

圖3　PVDF測量飛片平均速度裝置圖Fig.3　Diagram of average velocity testing by PVDF

實驗測量結(jié)果如表3所示，比較1#和3#，相同5μm膜厚下Al單膜的速度遠高于復(fù)合膜速度；2#4μm厚復(fù)合膜速度略高于1#5μm厚單膜速度。推測2#起爆能力應(yīng)略強于1#，1#、2#都應(yīng)強于3#。

應(yīng)當注意的是實驗測得的結(jié)果普遍高于理論計算結(jié)果，分析認為：（1）光電探頭和壓電傳感器的弛豫時間△t具有不確定性，計算僅預(yù)估其約為15ns，而弛豫時間無法準確測量。（2）在仿真中使用的光束模型為平頂光束，其在飛片中心能量分布遠低于實際的高斯光束能量分布。不過二者的趨勢一致，均能夠反映膜參數(shù)對激光驅(qū)動飛片速度的影響。

表3　激光驅(qū)動飛片平均速度測量結(jié)果Tab.3　The average velocity result of flyer by laser-driven

2.3激光驅(qū)動飛片起爆HNS-IV實驗

2.3.1實驗裝置

激光驅(qū)動飛片起爆實驗裝置如圖4所示，實驗通過調(diào)節(jié)激光器的輸出能量，測試表2所列3種不同參數(shù)飛片膜起爆HNS-IV高能炸藥性能。實驗所用HNS-IV平均粒度為1μm，HNS-IV藥柱尺寸為φ 4.2mm×4.0 mm，平均裝藥密度為1.566g/cm3（90%TMD）。

圖4　激光驅(qū)動飛片起爆實驗裝置圖Fig.4　Set up of the initiating explosive by laser-driven flyer

2.3.2實驗結(jié)果及分析

利用圖4所示的實驗系統(tǒng)，共完成了16發(fā)實驗，其中起爆11發(fā)，結(jié)果如表4所示。

表4　激光驅(qū)動飛片起爆HNS-IV實驗結(jié)果Tab.4　The result of HNS-IV explosive initiated by laser-driven flyer

當激光能量足以支持飛片成功起爆HNS-IV時，起爆后夾具殼體在炸藥的爆轟波作用下產(chǎn)生嚴重變形，如圖5所示。當激光能量較低，HNS-IV藥柱在高速飛片的沖擊作用下出現(xiàn)裂紋和松散的現(xiàn)象，藥柱被飛片沖擊呈坑狀，且周圍有熔化現(xiàn)象，殼體由于藥劑燃燒被熏黑，如圖6所示，說明HNS- IV藥劑處于起爆的臨界狀態(tài)，HNS-IV開始發(fā)生爆燃卻未能持續(xù)成長為爆轟。

圖5　HNS-IV爆轟前后殼體外形對比Fig.5　Photo of shell before and after HNS-IV detonation

圖6　HNS-IV臨界狀態(tài)下藥柱端面及殼體Fig.6　Photo of HNS-IV pellet and shell in critical state

從表4實驗結(jié)果可以看出，3種飛片膜起爆能力從強到弱依次為2#、1#、3#。對比相同厚度的單膜飛片和復(fù)合飛片可知，1#單膜飛片的起爆能力優(yōu)于3#復(fù)合飛片，當復(fù)合飛片膜層厚度降低至4μm后，2#復(fù)合飛片的起爆能力有了較大的提高，該結(jié)果與理論仿真結(jié)果相吻合。從仿真結(jié)果來看1#、2#飛片膜速度非常接近，如果僅從速度來推斷起爆能力，二者起爆能力應(yīng)該比較接近，但2#飛片膜起爆性能遠遠優(yōu)于1#飛片膜，說明Al2O3隔熱層的引入一方面保護了飛片層的完整性，另一方面增加了飛片的質(zhì)量、提高了飛片的沖擊動能，進一步提高了激光能量的利用效率。比較2#、3#飛片，可以看出飛片層膜厚應(yīng)嚴格控制，否則將會降低飛片的速度，降低飛片的起爆性能。

3　結(jié)論

綜合上述實驗結(jié)果及理論分析，可得以下結(jié)論：（1）飛片速度是影響飛片撞擊炸藥能量P2τ的重要因素，是HNS-IV能否起爆的關(guān)鍵；（2）良好的飛片膜結(jié)構(gòu)設(shè)計對飛片速度、沖擊起爆性能的提升具有非常重要的促進作用。實驗表明較薄的飛片膜由于其質(zhì)量較輕易獲得更高的速度，其起爆性能優(yōu)于較厚的飛片膜；（3）通過實驗，燒蝕層厚度應(yīng)控制在1μm以內(nèi)，隔熱層厚度應(yīng)控制在0.5μm，飛片層厚度不宜過大，否則會影響飛片的整體起爆能力；（4）在優(yōu)化膜結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)后，復(fù)合飛片起爆性能及穩(wěn)定性優(yōu)于單膜飛片；（5）獲得5μm厚Al膜最低起爆能量為（121±3）mJ，4μm厚復(fù)合膜最低起爆能量為（68±3）mJ。

［1］ 趙翔.激光驅(qū)動飛片點火設(shè)計技術(shù)研究［D］.綿陽：中國工程物理研究院，2009.

［2］ 高楊，趙翔，趙興海，等.激光起爆引信及其關(guān)鍵技術(shù)［J］. 探測與控制學(xué)報，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.

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［6］ 王宗輝，禇恩義，賀愛鋒，魯建存.加速膛刀口直徑對激光驅(qū)動飛片影響的研究［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，在讀碩士研究生，從事先進火工技術(shù)研究。