爆炸箔起爆器參數(shù)對電爆性能的影響

路豐寧，彭志凌，宋進(jìn)宇，王中浩

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

火工品是一種小型、敏感和裝有起爆藥的爆炸元件。目前，隨著新技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)場中遍布惡劣的力學(xué)環(huán)境和電學(xué)環(huán)境，傳統(tǒng)的火工品技術(shù)已經(jīng)滿足不了日益復(fù)雜的作戰(zhàn)需求。為了使武器系統(tǒng)在外界干擾情況下依舊能夠可靠工作，精準(zhǔn)打擊敵對目標(biāo)，新的起爆技術(shù)得以被廣泛關(guān)注和應(yīng)用。其中具有代表性的便是爆炸箔起爆系統(tǒng)(EFIs,exploding foil initiator system)，20世紀(jì)60年代，美國Lawrence Livermore National Laboratory研發(fā)了爆炸箔起爆系統(tǒng)[1]。

爆炸箔起爆系統(tǒng)由脈沖功率單元和爆炸箔起爆單元兩部分組成，由于采用了鈍感炸藥柱及高電壓脈沖功率技術(shù)，EFIs能夠能夠在振動、沖擊、靜電、輻射、雜散電流等惡劣力學(xué)環(huán)境和電學(xué)環(huán)境下可靠工作。這使它的起爆電壓閾值較高，可以在較為復(fù)雜的外界環(huán)境下接收到起爆信號后可靠起爆；整個起爆過程用時短且起爆時間易控制，此外起爆裝置可大批量生產(chǎn)且制作成本較低，因此EFIs得以在武器系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用[2-4]。

EFIs抗干擾能力強、可控性好，且制作成本低，然而隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的EFIs已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代武器各項功能的需求。因此20世紀(jì)90年代以來，EFIs發(fā)展逐步趨向于小型化和低能化。2004年美國KDI公司公布的第三代產(chǎn)品采用MEMS技術(shù)將EFIs系統(tǒng)集成在一個固態(tài)器件上，使EFIs的起爆電壓將至1 250 V；2007年美國e2v公司使起爆系統(tǒng)發(fā)火能量將至0.45 J；G.Scholtes和W.Prinse則將EFIs體積將至8 cm3且發(fā)火能量將到小于0.05 J。國內(nèi)對EFIs的研究起步較晚，20世紀(jì)70年代后期中國工程物理研究院、中國兵器工業(yè)第213研究所和北京理工大學(xué)等單位對EFIs的研究取得了一定成果，國內(nèi)研究了5種不同厚度的銅質(zhì)橋箔，結(jié)果表明在2 kV的充電電壓、爆炸箔橋區(qū)0.5 mm×0.5 mm和厚度為3.5 μm及4.0 μm下能量利用率最高；目前隨著進(jìn)一步研究，結(jié)果表明一般尺寸爆炸箔起爆閾值較高，需要較大的脈沖電容量，從而使EFIs的體積不能小型化；且在一定充電電壓下，橋區(qū)尺寸大小、橋箔材料和橋箔厚度都會對爆炸箔起爆系統(tǒng)的能量利用率產(chǎn)生一定影響[5-7]。

爆炸箔起爆系統(tǒng)如今還存在響應(yīng)速度慢、發(fā)火電壓高和能量利用率低等問題。EFIs中爆炸箔起爆器由高壓脈沖功率電源提供電爆炸瞬間所需的能源[8]。其中起爆回路作為能量傳輸?shù)臉屑~，直接影響能量轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)而影響爆炸箔起爆器的起爆可靠性。而小尺度爆炸箔發(fā)火能量低且體積小，符合爆炸箔起爆系統(tǒng)的發(fā)展需求。因此對小尺度爆炸箔的研究有重要的意義，本文主要對爆炸箔電爆炸過程進(jìn)行仿真，通過爆炸箔起爆器的參數(shù)對爆發(fā)電流、爆發(fā)電壓和爆發(fā)時間的影響進(jìn)行分析，從而提高EFIs的能量利用率。

1 爆炸箔起爆器工作原理

作為第三代火工品，爆炸箔起爆器主要由基底、金屬橋箔、飛片層、加速膛及鈍感炸藥等組成，如圖1所示。爆炸箔起爆器在脈沖功率源作用下，通過高壓變壓器完成逆變—升壓，并給高壓電容器充電，之后觸發(fā)高壓開關(guān)閉合回路完成能量轉(zhuǎn)換引起爆炸。

圖1 起爆器示意圖

爆炸箔電爆炸過程前段是金屬固態(tài)加熱熔化到液態(tài)。在爆發(fā)前隨著電流不斷注入，金屬橋箔上沉積大量熱能，因此金屬橋箔受溫度變化從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)；在爆發(fā)時液態(tài)金屬隨即轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，由于這個過程較短，當(dāng)爆發(fā)時金屬導(dǎo)體處于氣態(tài)情況下，電阻和金屬導(dǎo)體兩端電壓會急速增大。此時在電壓作用下，橋箔表明電子和金屬氣態(tài)原子發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生等離子體，驅(qū)動飛片引爆炸藥；爆發(fā)結(jié)束后電流逐漸減小，將按照RLC電路阻尼振蕩而衰減。

1.1 起爆回路工作原理及模型

起爆回路主要由傳輸線、高壓開關(guān)、高壓電容、爆炸箔等組成，高壓電容器對爆炸箔放電過程可以等效成為一個簡化的二階零輸入放電回路放電過程[9]。如圖2所示，高壓電容器放電后觸發(fā)控制回路控制高壓開關(guān)閉合，使爆炸箔快速放電完成能量轉(zhuǎn)換。

圖2 起爆回路

從圖2中可以看出，高壓電容放電瞬間，高壓開關(guān)的電阻和電感呈動態(tài)變化且較為復(fù)雜，因此將爆炸箔放電過程等效成一個簡化的RLC電路模型[10]。如圖3所示，圖中C為高壓電容，L為放電回路等效電感，R0為回路等效電阻，R(t)為金屬薄膜電爆炸過程中非線性變化的電阻。

圖3 起爆回路簡化模型

爆炸箔起爆回路的基爾霍夫回路方程如式(1)所示:

(1)

式中，C代表發(fā)火電容的電容量；I代表回路電流；U0為起爆電壓；t代表時間；L代表回路等效電感。

1.2 橋箔電阻

初始電阻R，以起爆回路未起爆前的靜態(tài)總電阻為對象。初始電阻的大小對于電爆炸過程中金屬薄膜的沉積能量和系統(tǒng)輸入能量的速率等因素有重要影響。

由圖3的簡化模型可知，初始電阻由回路電阻和橋箔電阻組成?；芈冯娮枞绻划a(chǎn)生變化，則初始電阻R的值隨橋箔電阻的變化而變化。橋箔在爆發(fā)過程中電阻值是非線性的，其電阻變化與輸入電流、金屬材料和電路參數(shù)等因素有關(guān)。

美國Lawrence Livemore實驗室的Lee提出的Fireset模型是研究金屬導(dǎo)體電爆炸過程比較有代表性的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。該模型對小尺寸爆炸箔電爆炸過程具有較好的準(zhǔn)確度，相反對于尺寸較大的金屬導(dǎo)體模擬的準(zhǔn)確度較差。

由于金屬導(dǎo)體尺寸較小，本文采用Fireset經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。其中橋箔電爆炸過程中的非線性電阻可以用金屬薄膜的比內(nèi)能與電阻率的關(guān)系進(jìn)行計算[11-14]。

Fireset模型中假設(shè)金屬導(dǎo)體在電爆過程中尺寸不變，且忽略了電爆炸中橋箔體積的變化，導(dǎo)致Fireset模型計算非線性電阻的結(jié)果偏大且使橋箔兩端電壓的模擬值也偏大。所以計算橋箔比內(nèi)能的時候需要添加一個修正系數(shù)H。

金屬電爆炸過程的比內(nèi)能變化如式(2)所示:

(2)

W是脈沖電流對金屬導(dǎo)體做的功；ω為金屬導(dǎo)體的密度；d是金屬導(dǎo)體沿通流方向的等效長度；Cs是脈沖電流流經(jīng)金屬導(dǎo)體的通流面積。

由式(2)得到改進(jìn)的ρ-EH方程：

(3)

(4)

(5)

式中，A代表金屬薄膜爆發(fā)后的電阻率；B代表金屬薄膜爆發(fā)時刻電阻率峰值；S代表峰值幅值寬度；E0代表爆發(fā)時刻金屬薄膜比內(nèi)能。U0代表起爆電壓；K代表模型中實驗確定的參數(shù)；L代表起爆電路的等效電感；P代表模型中實驗確定的參數(shù)。

由電爆炸過程中導(dǎo)體電阻率與電作用量的關(guān)系可知，F(xiàn)ireset模型注重三個時刻的電阻率數(shù)值，分別是爆炸箔電爆炸前、爆炸時和爆炸后的電阻率[15]。

1.3 回路電感

高壓開關(guān)的兩個重要參數(shù)分別是回路電感L和回路電阻R0，它們會對脈沖回路的性能產(chǎn)生重要影響。當(dāng)高壓爆發(fā)電流通過起爆回路時會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)磁場及感應(yīng)電流[16]。這時金屬導(dǎo)體中產(chǎn)生的電壓與電流變化率之比就叫做電感。

電感是閉合回路的一種屬性，必定存在于起爆回路中。

Zeng等對放電回路中的電感和電阻進(jìn)行計算[2]，得到回路電感電阻的表達(dá)式如下：

(6)

(7)

式中,L為回路電感；R0為回路電阻；C為主回路電容容量；T1為電流曲線第一周期；I1max為第一電流峰值；I2max為第二電流峰值。

脈沖電源為起爆過程提供能量，從而使金屬薄膜快速沉積能量發(fā)生相變[17]。高壓脈沖電源由低壓電源輸入、能量轉(zhuǎn)換裝置、整流電路、高壓開關(guān)、高壓儲能電容和反饋電路等組成，其工作原理如圖4所示。

圖4 脈沖電源工作原理圖

圖4中，首先輸入低壓直流電，然后通過能量轉(zhuǎn)換裝置和整流電路為儲能電容充電其中反饋電路對起爆電壓進(jìn)行控制，當(dāng)達(dá)到起爆條件時，受到激發(fā)的信號控制高壓開關(guān)導(dǎo)通，是儲能電容快速放電，從而完成起爆過程。

1.4 儲能電容

儲能電容與起爆回路的放電周期與速率有關(guān)，回路電容的大小影響放電電流的震蕩周期且在放電過程中會對爆發(fā)電流的大小產(chǎn)生影響，使爆炸箔的電爆炸性能發(fā)生變化。

爆炸箔起爆系統(tǒng)中用到的儲能電容需要電感低、耐壓高和體積小特點。目前常用于EFIs中的電容器，額定電壓為1～3 kV，額定容量0.10～0.47 μF，電感小于20 nH。目前EFIs一般采用紙介電容、有機薄膜電容、云母電容和陶瓷電容。韓克華等對EFIs中常用的各種儲能電容進(jìn)行了研究，結(jié)果表明陶瓷電容的體積、電感和電阻較小，放電電流震蕩周期短且輸出能量密度較為集中，利于沖擊片雷管的起爆，所以本文采用多層瓷介質(zhì)脈沖電容[18-19]。其中陶瓷電容的具體發(fā)展情況如表1所示。

表1 陶瓷電容發(fā)展情況

2 仿真模型建立

本文依據(jù)基爾霍夫回路方程，由于爆炸箔電阻的改變，其線路電阻的變化會反饋給脈沖電流源，這樣就可以控制線路電流、爆炸箔兩端電壓的改變。這一過程通過Simulink實現(xiàn)，進(jìn)行電爆炸過程仿真。

仿真系統(tǒng)由三個模塊組成，其中仿真時間設(shè)置為2 μs。第一部分是脈沖電流源模塊，根據(jù)圖3的RLC電路模型，由充電電容、線路電感等組成，仿真過程中為系統(tǒng)提供脈沖電流；第二部分是動態(tài)電阻計算模塊，主要由金屬薄膜電阻率的計算模塊組成，計算電爆炸過程中動態(tài)電阻的數(shù)值；第三部分是電爆炸伏安特性模塊，主要由通過金屬導(dǎo)體的電路和電壓模塊組成，然后利用scope模塊顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，分析金屬薄膜的電爆炸性能。

2.1 脈沖電源模塊

第一部分是脈沖電流源模塊，由充電電容、線路電感等模塊組成。如圖5所示，主要計算放電回路中的電流。

圖5 脈沖電流源模塊

圖5中，信號In1和In2作為電流源的輸入，Out1信號作為輸出。其中In1為動態(tài)橋箔電阻R(t)，In2為回路電阻R0，Out1為輸出電流。通過兩個積分環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)分別得到回路電感和電容量，由Integrator模塊輸出。

2.2 動態(tài)電阻計算模塊

第二部分是動態(tài)電阻計算模塊，如圖6所示。該模塊主要通過改進(jìn)后的Fireset模型計算電爆炸過程中動態(tài)電阻的數(shù)值。

圖6 動態(tài)電阻計算模塊

圖6中，動態(tài)電阻計算模塊分為5個子模塊：金屬薄膜比內(nèi)能計算模塊、金屬薄膜爆發(fā)后的電阻率模塊A、金屬薄膜爆發(fā)時刻電阻率峰值模塊B、峰值幅值寬度計算模塊S和爆發(fā)時刻金屬薄膜比內(nèi)能計算模塊E0。In1和In2作為比內(nèi)能計算模塊的輸入；In3是起爆電壓，E0作為和S的輸入。依據(jù)改進(jìn)后的Fireset模型，A模塊和B模塊通過公式(3)計算A和B，輸入信號為參數(shù)E0與參數(shù)S。

2.3 電爆炸伏安特性模塊

第三部分是電爆炸伏安特性模塊。如圖7所示，基于電爆炸過程中導(dǎo)體兩端電壓和電流數(shù)值，分析電爆炸性能。

圖7 電爆炸伏安特性模塊

圖7中，電爆炸伏安特性模塊以回路電流與動態(tài)電阻作為輸入，得到爆炸箔兩端的電壓，從而獲取電爆炸過程中的伏安特性曲線。

在計算模型的求解器選項中設(shè)置仿真步長為變步長，仿真采用的算法為ode45，仿真時間隨電爆炸試驗條件而定，其它選項設(shè)置為默認(rèn)選項。

3 仿真模型參數(shù)

3.1 橋箔結(jié)構(gòu)

爆炸箔橋區(qū)結(jié)構(gòu)的選擇對爆炸箔的電爆炸性能有重要的影響，爆炸箔橋區(qū)結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段爆炸箔形狀主要有方形、方波形以及環(huán)形等[20]。

環(huán)形爆炸箔在爆發(fā)后飛片在飛行狀況下有較高的飛行平整度，使飛片在撞擊炸藥柱時候有較大的沖擊力，可以降低電爆炸的發(fā)火電壓，從而可以使爆炸箔的設(shè)計更加小型化；方波形爆炸箔在相同的橋區(qū)空間有更小的通流面積和長度，改變了爆炸箔的電阻率，使薄膜在電熱升溫過程中能沉積更多的能量；而方形爆炸箔在此基礎(chǔ)上更方便表征且電爆炸性能更。本文選擇方形爆炸箔進(jìn)行研究。方形橋區(qū)結(jié)構(gòu)爆炸箔如圖8所示。

圖8 方形橋區(qū)爆炸箔

3.2 橋箔尺寸

橋箔尺寸與電爆炸性能相關(guān)，橋箔的大小與厚度直接影響爆炸箔上沉積的能量[21]。爆炸箔的體積對金屬蒸汽產(chǎn)生的驅(qū)動力也有較大的影響。橋箔體積太小，則沉積能量就小，可能會使飛片速度過小，達(dá)不到起爆閾值；橋箔太厚，初始電阻率就會偏小，其沉積能量可能使飛片達(dá)不到合理的速度，因此本文橋箔尺寸采用 250 μm×250 μm×3 μm，爆炸箔整體尺寸采用3.3 mm×1.4 mm。

3.3 橋箔材料

橋箔材料會影響爆炸箔的電爆炸性能，實驗表面Au、Pt、Cu、Al等材料擁有良好的性能。根據(jù)李少卿等對不同橋箔材料在不同爆發(fā)電壓下的研究可知，橋箔材料為A1更適合用于爆炸箔低能發(fā)火的情況，而橋箔材料為Cu時爆炸箔在充電電壓較高的情況下有更大的爆發(fā)能量[22-23]。橋箔具體電爆炸過程電爆參數(shù)如表2所示。

表2 A1和Cu在不同爆發(fā)電壓下的電爆參數(shù)

由表2可知，橋箔材料A1比Cu的爆發(fā)能量小，爆發(fā)時間也更早；在相同充電電壓下，橋箔材料A1比Cu峰值功率更高，但能量利用率卻相差不大，然而A1更適合低能發(fā)火，因此本文橋箔材料選用A1進(jìn)行分析。仿真模型中參數(shù)如表3所示。

表3 橋箔材料A1的參數(shù)

4 實驗

4.1 電容量對電爆炸性能影響仿真分析

本文通過對100 nF、200 nF和300 nF三種不同電容量進(jìn)行仿真，從而分析電容量對電爆炸性能的影響。結(jié)果如圖9與圖10所示。

圖9 不同電容量下電爆炸過程電壓仿真圖

圖10 不同電容量下電爆炸過程電流仿真圖

由圖9和圖10可以看出，隨著電容量從100 nF提高到300 nF，電爆炸時間、爆發(fā)電壓和爆發(fā)電流逐漸增加，脈沖電源放電周期變長。如表4所示。

表4 不同電容量下的電爆炸性能

表4中，電容量由100 nF提高到200 nF，爆發(fā)電壓提高336 V，變動幅度為90.1%；爆發(fā)電流提高81A，變動幅度為81%；爆炸時間提前61 ns，變動幅度為18.4%。

電容量由200 nF提高到300 nF，爆發(fā)電壓提高61 V，變動幅度為8.6%；爆發(fā)電流提高15 A，變動幅度為8.3%；爆炸時間提前10 ns，變動幅度為3.7%。

以上分析表明，脈沖電源電容量對電爆炸過程影響較大。其中，電容量的變化對爆發(fā)電流和爆發(fā)電壓的影響相對較大，對爆發(fā)時刻的影響相對較小。

4.2 等效電感對電爆炸性能影響仿真分析

本文通過對200 nH、260 nH和320 nH三種不同等效電感進(jìn)行仿真，從而分析電感對電爆炸性能的影響。結(jié)果如圖11與圖12所示。

圖11 不同等效電感下電爆炸過程電壓仿真圖

圖12 不同等效電感下電爆炸過程電流仿真圖

由圖11和12可以看出，隨著回路等效電感從200 nH提高到360 nH，電爆炸時間逐步延后，爆發(fā)電壓和爆發(fā)電流逐漸減小，脈沖電源放電周期變長。如表5所示。

表5 不同電感下的電爆炸性能

表5中，等效電感由200 nH提高到260 nH，爆發(fā)電壓降低61 V，變動幅度為7.9%；爆發(fā)電流降低16 A，變動幅度為8.1%；爆炸時間延后41 ns，變動幅度為17.8%。

等效電感由260 nH提高到320 nH，爆發(fā)電壓降低47 V，變動幅度為6.6%；爆發(fā)電流降低12 A，變動幅度為6.6%；爆炸時間延后10 ns，變動幅度為16.6%。

以上分析表明，起爆回路等效電感對電爆炸過程有一定影響，并且等效電感的變化與爆發(fā)電壓、爆發(fā)電流以及爆發(fā)時刻的變動呈線性關(guān)系。

4.3 電阻對電爆炸性能影響仿真分析

本文通過對0.12 Ω、0.24 Ω和0.36 Ω三種不同起爆回路電阻進(jìn)行仿真，從而分析電阻對電爆炸性能的影響。結(jié)果如圖13與圖14所示。

圖13 不同回路電阻下電爆炸過程電壓仿真圖

圖14 不同回路電阻下電爆炸過程電流仿真圖

由圖13和圖14可以看出，隨著回路電阻從0.12 Ω提高到0.36 Ω，電爆炸的時刻逐步延后，爆發(fā)電壓和爆發(fā)電流逐漸減小，脈沖電源放電周期不變。如表6所示。

表6中，回路電阻由0.12 Ω提高到0.24 Ω，爆發(fā)電壓降低41 V，變動幅度為5.5%；爆發(fā)電流降低11 A，變動幅度為5.7%；爆炸時間提前10 ns，變動幅度為3.8%。

表6 不同回路電阻下的電爆炸性能

回路電阻由0.24 Ω提高到0.36 Ω，爆發(fā)電壓提高44 V，變動幅度為6.2%；爆發(fā)電流降低10 A，變動幅度為5.5%；爆炸時間提前11 ns，變動幅度為4.1%。

以上分析表明，起爆回路電阻對爆炸箔電爆炸過程影響有限，并且電阻的變化與爆發(fā)電壓、爆發(fā)電流以及爆發(fā)時刻的變動呈線性關(guān)系。

根據(jù)表4～6，通過對電爆炸過程中爆發(fā)電壓、爆發(fā)電流和爆發(fā)時間等因子的分析，可得出電容、電感及電阻對電爆炸性能的具體影響。

其中隨著電容量的增大，爆炸箔的爆發(fā)電壓和爆發(fā)電流的峰值越大，爆發(fā)時間越晚，因此盡管電容值越大能提供越多的放電能量，但爆發(fā)時間的延遲會導(dǎo)致能量利用率降低，所以需要選擇滿足起爆時間、耐壓性能和電容體積等要求的小電容；同樣隨著回路電的不斷增大，爆發(fā)電壓和爆發(fā)電流的峰值越大，而爆發(fā)時間卻提前了，因此在滿足系統(tǒng)性能的前提下，電感參數(shù)應(yīng)適量減??；回路電阻的變化符合基爾霍夫定律，回路電阻值越大，爆發(fā)電壓和爆發(fā)電流逐步減小，而爆發(fā)時間稍有滯后，由于本文采用的是小尺寸的金屬A1薄膜，所以電阻值不能忽視。但同樣由于系統(tǒng)中各元器件的存在，使得電容存儲的能量不能100%利用，所以電阻值應(yīng)盡可能的小。

其中不同電容、電感及電阻的值對爆發(fā)電壓、爆發(fā)電流和爆發(fā)時間數(shù)值的具體幅值變化如表7所示。

表7 電爆炸過程電容、電感和電阻對應(yīng)因子幅值變化

5 結(jié)束語

1)仿真結(jié)果表明，脈沖電源電容量對電爆炸性能有較大影響，而回路等效電感和起爆回路電阻對電爆炸性能影響有限。

2)回路等效電感和起爆回路電阻參數(shù)越小，其在電爆炸過程的中能量利用率就越高，電爆性能也越好。

3)脈沖電源電容量的大小對爆發(fā)電壓和爆發(fā)電流影響較大，對爆發(fā)時間影響較小。較小的電容量能滿足爆發(fā)時間和電流峰值到來的同一性，從而避免能量浪費，提高能量利用率。