典型橋絲火工品靜電放電響應(yīng)研究

鐘 敏，李志鵬，龍新平，呂子劍，文 雯

?

典型橋絲火工品靜電放電響應(yīng)研究

鐘 敏1，李志鵬1，龍新平2，呂子劍1，文 雯1

（1．中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽，621900；2. 中國工程物理研究院，四川綿陽，621900）

為研究不同橋絲火工品靜電放電響應(yīng)的差異，采用高壓靜電放電模擬裝置對兩種典型的熱橋絲和爆炸橋絲火工品進(jìn)行了腳-腳電流注入式靜電放電，測試獲得了兩種火工品50%發(fā)火電壓及其橋絲50%熔斷電壓值，并對火工品的響應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行了理論計(jì)算和分析。結(jié)果表明：火工品橋絲的響應(yīng)狀態(tài)可根據(jù)靜電放電引起的橋絲溫度與其橋絲材料熔點(diǎn)溫度值的對比來判定；爆炸橋絲和熱橋絲火工品不同的起爆機(jī)理是造成其靜電響應(yīng)特性差異的主要原因。

橋絲火工品；靜電放電；響應(yīng)特性；安全性

橋絲火工品因其性能較為穩(wěn)定且易于控制，在戰(zhàn)略導(dǎo)彈、核武器以及航空航天系統(tǒng)中均有廣泛應(yīng)用。根據(jù)其不同的起爆機(jī)理，大致可分為熱橋絲（Hot Bridge Wire，HBW）和爆炸橋絲（Exploding Bridge Wire，EBW）火工品兩種，其中熱橋絲火工品將電能轉(zhuǎn)化為熱能，以熱起爆形式導(dǎo)致火工品發(fā)火，而爆炸橋絲火工品則將電能轉(zhuǎn)化為引爆炸藥的沖擊波，主要以沖擊波形式起爆猛炸藥從而導(dǎo)致火工品發(fā)火[1]。

目前，人們對橋絲火工品的靜電放電響應(yīng)情況已開展了一些研究工作。如白瑞祥等[2]對未裝藥的熱橋絲火工品腳腳間進(jìn)行了靜電放電試驗(yàn)，研究了靜電放電對火工品橋絲的影響情況，分析認(rèn)為電阻變化主要是由于靜電放電使橋絲升溫，起到了熱處理的作用所致。Dan等[3]分別采用人體和家具復(fù)合模型，研究了幾種類型熱橋絲火工品裝藥的靜電放電響應(yīng)情況。Michael等[4]則主要通過計(jì)算分析了靜電放電對幾種典型爆炸橋絲火工品橋絲的影響情況，計(jì)算表明通過沖擊電流的對比可以分析橋絲的響應(yīng)狀況。然而，上述工作主要是針對較低電壓（<40kV）條件下橋絲火工品的響應(yīng)情況，而對于較高電壓靜電放電條件下熱橋絲和爆炸橋絲火工品的響應(yīng)情況，以及具體的影響過程等問題卻很少有進(jìn)一步的研究。

為研究不同橋絲火工品靜電放電響應(yīng)的差異，本文采用高壓靜電放電模擬裝置，分別對兩種典型的熱橋絲（HBW-1）和爆炸橋絲（EBW-1）火工品進(jìn)行了靜電放電試驗(yàn)，測試獲得了1 000pF、1Ω靜電放電條件下兩種火工品50%發(fā)火電壓及其橋絲50%熔斷的電壓值，并通過理論計(jì)算對試驗(yàn)中火工品的響應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行了分析，研究結(jié)果對于深入認(rèn)識橋絲式火工品的靜電安全性有一定意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)采用了兩種典型的橋絲式火工品，其中HBW-1為熱橋絲式火工品，橋絲材料為鎳鉻絲，電阻約為1Ω。EBW-1為爆炸橋絲式火工品，橋絲材料為金，電阻約40mΩ。兩種火工品結(jié)構(gòu)基本相似，均由電極塞、橋絲、裝藥和殼體等部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 橋絲式火工品結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)裝置和方法

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、測試裝置等組成。其中充/放電裝置見圖2所示，由高壓電源、儲能電容器、充/放電電阻、球形放電開關(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[5]要求，其輸出電壓最大可達(dá)300 kV、放電電容1 000 pF、放電電阻1Ω、放電電感16μH，采用100Ω校準(zhǔn)電阻檢測得到負(fù)載能量消耗率約為電容儲能的92%，放電極性為負(fù)極性。

圖2 高壓靜電放電模擬系統(tǒng)充放電裝置

試驗(yàn)時(shí)，對火工品進(jìn)行腳-腳方式的注入式靜電放電。火工品橋絲熔斷電壓測試時(shí)，為便于觀測，試驗(yàn)樣品為與火工品狀態(tài)相同的電極塞（含橋絲）?；鸸て?0%發(fā)火電壓及其橋絲50%熔斷的電壓值測試均根據(jù)GJB/Z 377A-1994升降法試驗(yàn)進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

圖3~4是兩種火工品橋絲不同靜電放電電壓刺激前后的響應(yīng)情況。

圖3 靜電放電前后HBW-1響應(yīng)狀態(tài)

圖4 靜電放電前后EBW-1響應(yīng)狀態(tài)

由圖3~4可見，不同靜電刺激條件下橋絲出現(xiàn)了不同程度的損傷，橋絲的幾種典型響應(yīng)狀態(tài)包括部分熔斷、整體熔斷、熔斷且對電極塞有明顯灼燒痕跡等。隨著靜電放電電壓的升高，橋絲的損傷程度更加嚴(yán)重，在100kV電壓時(shí)，兩種橋絲均劇烈反應(yīng)，且在電極塞表面形成灼燒痕跡。

兩種火工品橋絲發(fā)生熔斷的閾值電壓測試結(jié)果見表1。測試環(huán)境條件：20℃，30%RH。

表1 火工品橋絲熔斷電壓值

Tab.1 Melt fracture voltage of bridge wire

由表1可知，EBW-1火工品橋絲的50%熔斷電壓為56.33kV，99.99％熔斷電壓為64.38kV。HBW-1火工品橋絲50%熔斷電壓為78.71kV，99.99％熔斷電壓為87.41kV，這與圖3~4觀測結(jié)果基本一致。

由于橋絲的響應(yīng)情況與靜電放電引起的橋絲溫升密切相關(guān)，下面進(jìn)行計(jì)算分析。靜電放電作用在橋絲上的能量E導(dǎo)致橋絲升溫，其溫度升高值與能量關(guān)系式為[1,4]：

式（1）中：△表示橋絲溫升值(起始溫度20℃)；為橋絲電阻的溫度系數(shù)；為橋絲比熱容；表示橋絲材料密度；為橋絲長度；為橋絲橫截面面積。測試獲得靜電放電作用在橋絲上的能量值，并假設(shè)橋絲上溫度分布均勻，根據(jù)公式（1）可估算出火工品橋絲發(fā)生不同概率熔斷時(shí)的橋絲溫度值。計(jì)算采用的參數(shù)見表2，計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 計(jì)算參數(shù)

Tab.2 Calculation parameters

表3 橋絲溫度計(jì)算結(jié)果

Tab.3 Calculated temperature of bridge wire

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，靜電放電導(dǎo)致HBW-1和EWB-1火工品橋絲50%熔斷的溫度值分別為1 297℃和998℃，接近于兩種橋絲材料的熔點(diǎn)溫度值1 400℃和1 064℃，由于橋絲上的實(shí)際溫度分布不可能完全均勻，則會出現(xiàn)局部過熱而發(fā)生部分熔斷（如圖3~4所示），因此橋絲有50%的熔斷概率。靜電放電導(dǎo)致HBW-1和EWB-1火工品橋絲99.99%熔斷的溫度值分別為1 552℃、1 157℃，大于橋絲材料的熔點(diǎn)溫度，因此橋絲發(fā)生熔斷。由此說明，火工品橋絲的響應(yīng)狀態(tài)可根據(jù)靜電放電引起的橋絲溫度與其橋絲材料熔點(diǎn)溫度值的對比來判定。

表4所示為兩種橋絲式火工品靜電感度測試結(jié)果，其中EBW-1火工品在200kV條件下連續(xù)進(jìn)行了10發(fā)試驗(yàn)均未發(fā)火，因此認(rèn)為其0.01%和50%發(fā)火電壓均大于200kV。對比表1和表4的數(shù)據(jù)可知，EBW-1火工品橋絲99.99％熔斷電壓為64.38kV，但是其0.01%發(fā)火電壓卻大于200kV；HBW-1火工品橋絲0.01％熔斷電壓為70.02kV，但是其50%發(fā)火電壓卻為68.85kV。也就是說，EBW-1火工品橋絲已經(jīng)熔斷了，但也不一定會引起其發(fā)火，而HBW-1火工品橋絲即使未熔斷，也能導(dǎo)致其發(fā)火。這與兩種火工品不同的起爆機(jī)理是密切相關(guān)的。

表4 兩種火工品靜電放電感度測試結(jié)果

Tab.4 ESD sensitivity of two types of detonators

EBW-1火工品為爆炸橋絲式火工品，其發(fā)火過程為：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[6-7]。根據(jù)圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在100kV條件下EBW-1火工品的橋絲就會發(fā)生較為劇烈的爆炸反應(yīng)，然而由表4可知，試驗(yàn)中雖加載電壓為200kV，10發(fā)試樣均未發(fā)火?？赡艿脑?yàn)?，EBW-1火工品橋絲雖在強(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EBW-1火工品發(fā)火。

HBW-1火工品為熱橋絲式火工品，其發(fā)火過程為：電流通過橋絲按焦耳-楞次定律產(chǎn)生熱量，橋絲在近似絕熱條件下升溫，熱量傳給藥劑，使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，炸藥化學(xué)反應(yīng)釋放熱量使藥劑繼續(xù)升溫，當(dāng)藥劑溫度達(dá)到爆發(fā)點(diǎn)并能自持反應(yīng)時(shí)電爆管發(fā)火。根據(jù)表1可知，靜電放電導(dǎo)致HBW-1火工品橋絲發(fā)生0.01％熔斷時(shí)的電壓值為70.02kV，圖5所示為70kV靜電放電后HBW-1火工品橋絲的狀態(tài)。

圖5 70kV靜電放電后HBW-1火工品橋絲狀態(tài)

由圖5可見，橋絲仍保持完整，并未發(fā)生熔斷，但是與圖3（a）相比橋絲卻發(fā)生了明顯的變色。根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，此時(shí)橋絲溫度值可達(dá)到1 059℃，由此可見橋絲的變色是由高溫作用導(dǎo)致的。雖然此時(shí)橋絲溫度未達(dá)到橋絲的熔化溫度值1 400℃，但已經(jīng)遠(yuǎn)大于該型火工品點(diǎn)火藥的5s爆發(fā)點(diǎn)溫度530℃[1]，因此，極有可能引起火工品發(fā)火。

3 結(jié)論

（1）計(jì)算結(jié)果表明，靜電放電導(dǎo)致HBW-1和EWB-1火工品橋絲99.99%熔斷的溫度值分別為1 552℃、1 157℃，大于兩種橋絲材料的熔點(diǎn)溫度值1 400℃和1 064℃，從而使橋絲發(fā)生熔斷。因此，火工品橋絲的響應(yīng)狀態(tài)可根據(jù)靜電放電引起的橋絲溫度與其橋絲材料熔點(diǎn)溫度值的對比來判定。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，HBW-1熱橋絲火工品50%發(fā)火靜電電壓值約為68.85kV，小于其橋絲50%熔斷的靜電電壓值78.71kV，而EWB-1爆炸橋絲火工品50%發(fā)火靜電電壓值大于200kV，遠(yuǎn)大于其橋絲50%熔斷的靜電電壓值56.33kV。即EBW-1火工品橋絲熔斷不一定會引起其發(fā)火，而HBW-1火工品橋絲未熔斷也能導(dǎo)致其發(fā)火。分析認(rèn)為，兩種火工品不同的起爆機(jī)理是造成上述靜電放電響應(yīng)差異的主要原因。

[1] 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.

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

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

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

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

[6] 王凱民,溫玉全.軍用火工品設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

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

Response of Typical Bridge Wire Detonators to Electrostatic Discharge

ZHONG Min1，LI Zhi-peng1， LONG Xin-ping2，Lü Zi-jian1，WEN Wen1

（1. Institute of Chemical Materials，China Academy of Engineering Physics，Mianyang，621900；2. China Academy of Engineering Physics，Mianyang，621900)

The response of hot bridge wire(HBW) and exploding bridge wire(EBW) detonators to high voltage electrostatic discharge(ESD) was studied using a ESD equipment. The 50% melt fracture voltage of bridge wire and the 50% ignition voltage of detonators were got with the experimental circuit parameters of 1 000pF，1Ω, and the the response of bridge wire to ESD was analyzed by theoretical calculation. The results show that, the response of bridge wire can be explained by comparing the temperature caused by ESD with the melt temperature of bridge wire. The difference response characteristic of two types of detonators is mainly caused by the different initiation mechanisms.

Bridge wire detonator；ESD；Response characteristic；Safety

1003-1480（2015）03-0022-04

TJ45+2.3

A

2015-03-17

鐘敏（1974-），女，高級工，從事火工品靜電安全性能研究。