60 kJ高速電炮的裝置性能*

陳 林,戴英敏,蘇建軍,豐樹平,謝衛(wèi)平,王 輝,任 靖,吳守東,李 曄

（1.中國工程物理研究院流體物理研究所,四川綿陽 621900;

2.西安近代化學(xué)研究所,陜西西安 710065）

1 引 言

電炮是一種強(qiáng)脈沖電流快速加熱金屬箔片使之汽化爆炸從而驅(qū)動(dòng)聚酯薄膜飛片高速飛行的一種短脈沖加載實(shí)驗(yàn)裝置。與傳統(tǒng)的氣炮、化爆以及Hopkinson桿等加載手段相比,優(yōu)點(diǎn)在于加載壓力范圍大、平面性好、沖擊波的壓力和脈寬可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡單、使用效率高等[1]。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括:炸藥的沖擊點(diǎn)火、高壓物態(tài)方程測量、沖擊波的相互作用以及材料的沖擊損傷、層裂強(qiáng)度研究等。

此項(xiàng)技術(shù)最早在20世紀(jì)60年代由美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）[2]提出,早期主要用于研究1～10 GPa范圍內(nèi)沖擊波對(duì)材料的影響,70年代擴(kuò)展到炸藥的沖擊引爆等應(yīng)用研究。1979～1980年,LLNL實(shí)驗(yàn)室首次明確提出了電炮（electric gun）的概念,并指出它具有將薄的飛片加速至1～20 km/s的能力[3]。由于在高壓物態(tài)方程、超高速碰撞材料動(dòng)力學(xué)性能和炸藥的沖擊感度等方面的重要應(yīng)用和需求,近幾十年來這項(xiàng)技術(shù)得到快速的發(fā)展。1989年,LLNL實(shí)驗(yàn)室[4]在100 kV/87 kJ電炮裝置上將厚0.3 mm、面積1 cm2的Kapton飛片（約 43 mg）加速到18 km/s,加載壓力接近 TPa量級(jí);同時(shí)還將厚0.3 mm、面積100 cm2的Kapton飛片（約4.3 g）加速到3.2 km/s。20世紀(jì)90年代初,LLNL實(shí)驗(yàn)室又建立起了儲(chǔ)能為1 MJ的電炮裝置[5],主要用于發(fā)射大面積的飛片,并將30.5 cm×30.5 cm×0.15 mm的Kapton飛片加速到3.9 km/s。該裝置可以用來研究再入飛行器絕熱材料的沖擊損傷、層裂強(qiáng)度以及各種材料的沖擊Hugniot曲線或高壓物態(tài)方程測量等。

國內(nèi)的電炮技術(shù)是1981年由徐興海等[6]發(fā)展起來的,在10 kV的電炮裝置上可將直徑12 mm、厚0.05 mm的聚酯薄膜（Mylar）飛片加速到4.5 km/s,在20 kV電炮裝置上采用鋁橋箔可將直徑15 mm、厚0.05 mm的Mylar膜飛片加速到7.2 km/s。在此之后,由于受到當(dāng)時(shí)電炮復(fù)雜工作環(huán)境下光電測試技術(shù)的制約,同時(shí)低電感、高能量密度電容器儲(chǔ)能技術(shù)、低電感開關(guān)技術(shù)以及橋箔負(fù)載組合件的精密制作技術(shù)等還未成熟,從而阻礙了電炮技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。近年來,隨著相關(guān)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)相繼取得突破,電炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)在國內(nèi)又重新得到快速發(fā)展。2006年,趙劍衡等[1]在30 kV電炮裝置上已將直徑10 mm、厚0.1 mm的Mylar膜飛片（約11 mg）加速到10 km/s。在此基礎(chǔ)上,我們開展了具有更高驅(qū)動(dòng)能力的100 kV/60 kJ電炮的研制,目前可將直徑18 mm、厚0.15 mm的Mylar膜飛片（約53 mg）加速到8 km/s;同時(shí)還將直徑12 mm、厚0.2 mm的Mylar膜飛片（約32 mg）加速到9.6 km/s。

2 實(shí)驗(yàn)描述

2.1 裝置簡介

電炮裝置一般由電容器或電容器組、傳輸線、開關(guān)、橋箔、飛片、加速膛以及開展效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的試品（如炸藥、沖擊樣品等）等構(gòu)成。本文中的電炮實(shí)驗(yàn)裝置主體外形尺寸為1.8 m（長）×1.0 m（寬）×1.6 m（高）,其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示,大體可以分為儲(chǔ)能區(qū)、開關(guān)區(qū)和負(fù)載區(qū)。裝置能源系統(tǒng)標(biāo)稱儲(chǔ)能為60 kJ,由12臺(tái)50 kV/4 μF電容器通過串并聯(lián)方式組成,采用正負(fù)充電。電炮裝置的基本電參數(shù)為:電容C=48 μF,電壓U0=±50 kV,儲(chǔ)能E=60 kJ,電阻R=40 mΩ,電感L=70 nH,周期T=7.0 μs,峰值電流Imax=800 kA。本文實(shí)驗(yàn)中電容器的充電電壓均為±44 kV。

本裝置中使用的開關(guān)為固體介質(zhì)開關(guān),固體介質(zhì)開關(guān)的最大優(yōu)點(diǎn)在于電感小、導(dǎo)通電流大,每次實(shí)驗(yàn)只需使用1只開關(guān)。負(fù)載區(qū)主要由橋箔/飛片組合件、加速膛以及開展效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的試品（如炸藥、沖擊樣品等）等構(gòu)成。圖2所示為負(fù)載區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 60 kJ電炮裝置示意圖Fig.1 Schematic of the 60 kJ electric gun

圖2 電炮負(fù)載區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the load region

2.2 負(fù)載區(qū)參數(shù)

橋箔材料為鋁,飛片材料為聚酯薄膜,加速膛材料為有機(jī)玻璃。表1為橋箔、飛片和加速膛的基本參數(shù):表中m為飛片質(zhì)量,l為加速膛長度。需要說明的是,由于飛片啟動(dòng)的瞬間會(huì)受到加速膛切割飛片帶來的邊沿滯后效應(yīng)以及橋區(qū)邊沿電流密度分布不均勻等因素的影響,因而實(shí)驗(yàn)過程中一般采取加速膛內(nèi)孔直徑稍小于橋區(qū)尺寸的措施,從而可以獲得形狀規(guī)則、結(jié)構(gòu)完整的飛片。另外,表中的加速膛高度為經(jīng)過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)。

表1 負(fù)載基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the load

2.3 診斷措施

對(duì)于飛片的平面度測試,一般采用光纖陣列探針法。當(dāng)飛片撞擊光纖端面時(shí),每一根光纖探針在沖擊壓力的作用下將產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)光信號(hào),光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸?shù)焦怆娞綔y器,變換為電信號(hào)后再由示波器記錄。通過測量處于同一高度的不同光纖探針信號(hào)的時(shí)間間隔,就可以估計(jì)飛片撞擊探針時(shí)的平面度。自發(fā)光光纖探針的材料一般為融凝石英。為了防止環(huán)境雜散光的影響,光纖端面需要經(jīng)過光學(xué)加工并鍍上一層厚度約0.3 μm的金屬膜。石英光纖的芯徑為62.5 μm,實(shí)驗(yàn)時(shí)光纖探針呈十字形分布（如圖3所示）,間距為2 mm。

對(duì)于飛片的速度測試,絕大部分實(shí)驗(yàn)中同樣采用了光纖陣列探針法。只不過兩部分探針分別處于不同的高度（圖4中第1、2組探針）,通過測量處于不同高度的光纖探針信號(hào)的平均時(shí)間間隔,從而間接得到末端一定距離內(nèi)的平均速度。為了判斷上述方法所得速度數(shù)據(jù)的有效性,后期實(shí)驗(yàn)中利用雙精度VISAR測量了Mylar膜飛片的后自由表面速度曲線,并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行了比較。

圖3 平面度測試中的光纖探針分布示意圖Fig.3 Layout of optical fiber probes in flatness measurement

圖4 速度測試中的光纖探針分布示意圖Fig.4 Layout of optical fiber probes in velocity measurement

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 飛片的完整性和飛行平面度

圖5給出了直徑18 mm、厚0.15 mm的Mylar膜飛片以約8 km/s速度撞擊10 mm厚LY12鋁樣品的情況。可以看到飛片在撞擊樣品時(shí),前表面的撞擊坑較圓,邊界清晰,表明刀口對(duì)飛片切割效果較好。撞擊坑的深度也較為均勻,表明飛片撞靶時(shí)的平面度較好。樣品后自由表面有層裂片剝落,剝落片的厚度也相對(duì)均勻,這些均表明橋箔爆炸后,在等離子體驅(qū)動(dòng)下飛片沒有發(fā)生破碎現(xiàn)象,撞靶時(shí)較為完整且均勻性好。

圖5 ?18 mm×0.15 mm Mylar膜飛片以約8 km/s的速度撞擊10 mm厚LY12鋁靶前后表面狀況Fig.5 Impacted and spallation surfaces of LY12 aluminum impacted by?18 mm×0.15 mm Mylar flyer with 8 km/s velocity

表2為其中一發(fā)實(shí)驗(yàn)獲得的飛片飛行5.5 mm后碰撞各探針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的時(shí)間t,探針的分布見圖3。由于制作的探針分布在直徑12 mm的范圍內(nèi),因此測量結(jié)果顯示的是飛片中心區(qū)直徑12 mm范圍內(nèi)的平面度。由于光纖的原因,7號(hào)探針未記錄到數(shù)據(jù)。由表可知,各探針間最大的時(shí)間間隔為32 ns,這就是飛片在飛行5.5 mm后的平面度。需要說明的是,由于制作工藝問題,很難將石英光纖端面控制在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平面內(nèi),因此實(shí)際的平面度要好于測試值。

表2 飛片碰撞光纖探針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的時(shí)間Table 2 The time of flyer to impact on the optical fiber probes

為了解本文中電炮裝置的加載能力,實(shí)驗(yàn)中還針對(duì)不同質(zhì)量的飛片開展了相應(yīng)的平面度和速度測試。表3為實(shí)驗(yàn)獲得的驅(qū)動(dòng)不同質(zhì)量的飛片對(duì)應(yīng)的平面度Δt和速度v,由表中數(shù)據(jù)可知,該裝置驅(qū)動(dòng)的Mylar膜飛片的飛行平面度 Δt≤42 ns。

表3 不同飛片質(zhì)量對(duì)應(yīng)的速度和平面度數(shù)據(jù)Table 3 The velocity and flatness of flyer with different mass

3.2 飛片的速度

為了提高實(shí)驗(yàn)效率,采用圖4所示的光纖陣列探針進(jìn)行飛片速度測試。圖6為實(shí)驗(yàn)獲得的其中一組光纖探針的典型信號(hào)。圖中光信號(hào)突然變化的時(shí)間起點(diǎn)對(duì)應(yīng)于飛片撞擊光纖端面的時(shí)刻。根據(jù)這一組光纖探針獲得的飛片碰靶時(shí)間的平均值以及另一組探針獲得的時(shí)間數(shù)據(jù)即可計(jì)算出本次實(shí)驗(yàn)飛片的碰靶平均速度。

根據(jù)該方法獲得的不同質(zhì)量飛片對(duì)應(yīng)的速度數(shù)據(jù)見表3。其中直徑18 mm、厚0.15 mm的Mylar膜飛片（約53 mg）可被加速到8 km/s,直徑12 mm、厚0.2 mm的Mylar膜飛片（約32 mg）則可被加速到9.6 km/s。結(jié)果表明,研制的60 kJ電炮裝置具有較高的加載能力。

為了判斷上述方法所得速度數(shù)據(jù)的有效性,后期實(shí)驗(yàn)中利用雙精度VISAR測量了Mylar膜飛片的后自由表面速度歷史。圖7為采用VISAR測試系統(tǒng)獲得的飛片全程速度時(shí)間歷史,橋箔尺寸為20 mm×20 mm×0.05 mm,飛片尺寸為?18 mm×0.15 mm,對(duì)應(yīng)的飛片質(zhì)量約53 mg。實(shí)驗(yàn)測得的終端速度為8.2 km/s。與表3中數(shù)據(jù)基本符合,表明采用光纖探針法獲取飛片的速度是簡單、有效的。

圖6 飛片速度測試中一組光纖探針的典型信號(hào)Fig.6 Typical signals of fiber probes in velocity measurement

圖7 采用VISAR系統(tǒng)獲得的飛片全程速度時(shí)間歷史Fig.7 Velocity history of M ylar flyer obtained by VISAR system

4 結(jié) 論

隨著研制高速電炮的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)相繼取得突破,及其在炸藥的沖擊點(diǎn)火、高壓物態(tài)方程測量、沖擊波的相互作用以及材料的沖擊損傷、層裂強(qiáng)度等研究領(lǐng)域的需求牽引下,研制了具有較高驅(qū)動(dòng)能力的100 kV/60 kJ高速電炮裝置。在該裝置上開展了飛片的速度和平面度等性能測試。結(jié)果表明,飛片的完整性和飛行平面度均較好,其中平面度優(yōu)于42 ns。通過驅(qū)動(dòng)不同質(zhì)量飛片獲得的速度數(shù)據(jù)表明,對(duì)于質(zhì)量為32～125 mg的Mylar膜飛片,可將其加速至 5.5～9.6 km/s,其中32 mg的Mylar膜飛片對(duì)應(yīng)的速度為9.6 km/s,表明該電炮裝置具有較高的加載能力。

[1] 趙劍衡,孫承緯,唐小松,等.高效能電炮實(shí)驗(yàn)裝置的研制[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2006,21（3）:369-375.ZHAO Jian-heng,SUN Cheng-wei,TANG Xiao-song,et al.Development of electric gun with high performance[J].Journal of Experimental Mechanics,2006,21（3）:369-375.

[2] Keller D V,Penning J R.Exploding foils-The production of plane shock waves and the acceleration of thin plates[M].New York:Plenum Press,1962:263-277.

[3] Chau H H,Dittbenner G,Hofer W W,et al.Electric gun:A versatile tool for high pressure shockwave research[J].Review of Scientific Instruments,1980,51（12）:1676-1681.

[4] Osher J E,Barnes G,Chau H H,et al.Operating characteristics and modeling of the LLN L 100 kV electric gun[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1989,17（3）:392-402.

[5] Lee R S,Osher J E,Chau H H,et al.1 MJ electric gun facility at LLNL[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1993,29（1）:457-460.

[6] 徐興海,陳素年,高順受,等.電爆炸金屬箔推動(dòng)下的薄飛片運(yùn)動(dòng)[C]//爆轟研究論文集.綿陽:中國工程物理研究院流體物理研究所,1998:268-272.