低電壓下爆炸箔的電爆性能

王鵬, 王鋒*, 魯旭濤, 宋進宇, 班偉

(1.中北大學機電工程學院, 太原 030051; 2.中國船舶重工集團公司第七一〇研究所, 宜昌 443003)

為了適應現代戰爭新的作戰環境需求,近些年來,各國都在開展有關爆炸箔起爆系統小型化、低能化研究[1]。美國KDI公司于2004年公布了其電子安全與解除保險裝置系列產品[2],其第三代產品中采用微電子技術將高壓電容、半導體開關、爆炸箔等集成在一個固態器件上,整個裝置起爆電壓降為1 250 V,起爆能量大為降低;Scholtes等[3]將爆炸箔引發劑(exploding foil initiators,EFIs)體積降到8 cm3,整個模塊的發火能量小于 0.05 J;20世紀70年代后期以來,中國工程物理研究院、中國兵器工業第213研究所和北京理工大學等單位對EFIs的研究取得了一定成果[4-5]。近幾年微加工工藝和低溫共燒陶瓷工藝發展以及新型材料的應用,提高了國內EFIs相關元器件加工水平,EFIs單元模塊化集成設計得以實現,系統體積和發火能量大幅度減小[6]。國內研究了5種不同厚度的銅質橋箔的性能及感度,在2 kV的充電電壓中,爆炸箔橋區為0.5 mm×0.5 mm、厚度為3.5 μm和4 μm時的能量利用率最高,在1.3 kV和1.5 kV的充電電壓下,厚度在4 μm下較優,較薄的爆炸箔有利于降低沖擊片雷管的起爆能量[7];有些學者分析了爆發時間和峰值時間的關系,在相同的充電電壓下,研究發現當橋區尺寸在(0.3 mm×0.3 mm)～(0.4 mm×0.4 mm)范圍時,對應的飛片速度最大,發火能量最低[8];在橋箔材料、厚度及橋區尺寸相同的情況下,橋區與橋翼的連接角度對能量利用率也有一定影響[9-11]。在同一發火電壓條件下橋箔夾角為45°時爆發電流、峰值電流和爆發功率最大,有利于降低爆炸箔起爆器發火能量[9]。普通尺寸爆炸箔起爆閾值較高,需要使用大容量電容,這就極大限制了爆炸箔起爆系統體積的減小,不利于爆炸箔起爆系統的小型化。而微型爆炸箔發火閾值較低、具有較高的能量轉化率,且對高壓電容耐壓值要求較小,從這個角度出發,降低爆炸箔的起爆電壓有利于實現起爆系統的小型化。現主要對于低于1 200 V的充電電壓下進行爆炸箔的性能研究,以爆發電壓、爆發電流、爆發時間為基線,利用仿真和試驗驗證的方式,確定1 200 V下微型爆炸箔的最優充電電壓值。

1 爆炸箔起爆原理

爆炸箔起爆系統也被稱為直列式安全起爆系統,其組成包括脈沖功率單元和爆炸箔起爆單元兩部分。脈沖功率單元為爆炸箔起爆單元提供電能,包括變壓器、高壓儲能電容、高壓開關和控制電路等;爆炸箔起爆單元也稱為沖擊片雷管,主要包括金屬橋箔、飛片層、加速膛和鈍感裝藥[12]。電爆炸箔起爆系統的作用過程是:將低壓直流電作為輸入,經過逆變升壓電路為高壓儲能電容充電,達到起爆條件后,控制器控制高壓開關工作,高壓儲能電容向起爆回路輸出脈沖大電流,使金屬橋箔發生電爆炸,產生等離子體使之迅速膨脹,從而驅動飛片高速運動,飛片通過加速膛的剪切,最后高速撞擊炸藥柱[13-14],其系統結構如圖1所示。

圖1 起爆系統功能原理圖

2 電爆炸過程數學模型

借鑒邱林俊等[15]提出的改進的FIRESET模型對其電爆炸過程進行研究。FIRESET模型認為金屬導體電爆炸發生在一個固定的時刻tb,爆發時刻對應電作用量g0,脈沖電流對金屬導體作用過程中其電阻率與電作用量g(t)呈函數關系。

(1)

(2)

式中:S為與金屬材料有關的參數;Cs為金屬導體的通流面積;A、B、S、g0參數用于描述模型中金屬導體的電阻率的變化,這些參數可以根據實驗數據計算得出。

(3)

(4)

式中:U0為充電電壓;K為模型中實驗確定的參數;L為起爆電路的等效電感;P為模型中實驗確定的參數。由電爆炸過程中導體電阻率與電作用量的關系可知,FIRESET模型注重3個時刻的電阻率數值,即初始時刻的電阻率ρ0,爆炸時的電阻率ρtb以及爆炸結束后的電阻率ρ∞。

(5)

(6)

(7)

式中:g0為爆發時刻對應電作用量;gtb為tb時刻的電作用量;g∞為爆炸結束后的電作用量。

3 仿真參數及結果

3.1 改進及建立仿真模型

利用改進的FIRESET模型在計算低電壓下金屬電爆炸過程中比內能的變化時,誤差較大,通過大量計算在改進的FIRESET模型添加一個修正系數H。金屬電爆炸過程的比內能變化的表達式為

(8)

式(8)中:W為脈沖電流對金屬導體做的功;ω為金屬導體的密度;d為金屬導體沿通流方向的等效長度;CS為脈沖電流流經金屬導體的通流面積。

由式(8)及改進的FIRESET模型可以得到金屬導體電阻率隨比內能變化的ρ-EH方程為

(9)

(10)

(11)

式中:A為金屬薄膜爆發后的電阻率;B為金屬薄膜爆發時刻電阻率峰值;S為峰值幅值寬度;E0為爆發時刻金屬薄膜比內能;e0為金屬薄膜溫升所需熱量,J/mg。

在Simulink平臺仿真如圖2所示。

圖2 Simulink仿真模型圖

由電爆炸伏安特性模塊、脈沖電流源模塊和動態電阻計算模塊組成。電爆炸伏安特性模塊主要分析爆炸箔電爆炸性能中的電流及電壓;脈沖電流源模塊以基爾霍夫回路方程為依據,信號In1為初始電阻,信號In2為R(t),兩者作為電流源模塊的輸入,Out1信號提供脈沖電流;動態電阻計算模塊中集成了改進的FIRESET模型對于電爆炸過程中金屬薄膜電阻率的計算模型,計算電爆過程中動態電阻的數值。所用參數如表1所示。

表1 仿真模型所確定參數

3.2 仿真結果

使用仿真模型對Al薄膜電爆炸過程進行仿真。設置仿真時間為2 μs。Al薄膜仿真結果如圖3與圖4所示,仿真結果數據如表2所示。

表2 爆炸箔伏安特性仿真結果數據表

圖3 不同充電電壓下電壓仿真圖

圖4 不同充電電壓下電流仿真圖

研究電源電容量對微尺度爆炸箔發火性能影響,對100、200和300 nF 3種不同電容量條件下的電爆炸過程進行模擬,探討3種情況下的電爆炸性能。模擬結果如圖5與圖6所示。

圖5 不同電容量下Al薄膜電爆炸過程電壓仿真圖

圖6 不同電容量下Al薄膜電爆炸過程電流仿真圖

由圖5、圖6可以看出,隨著電容量從100 nF提高到300 nF,電爆炸的時刻逐步提前,爆發電壓逐漸增大,爆發電流逐漸增加,脈沖電源放電周期變長。

表3中記錄的數據顯示,電容量由100 nF提高到200 nF,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,爆炸時間提前10 ns,變動幅度為3.7%;電容量由100 nF提高到200 nF,爆發電壓提高336 V,變動幅度為90.1%;電容量由200 nF提高到300 nF,爆發電壓提高61 V,變動幅度為8.6%;電容量由100 nF提高到200 nF,爆發電流提高81 A,變動幅度為81%;電容量由200 nF提高到300 nF,爆發電流提高15 A,變動幅度為8.3%;以上分析表明,脈沖電源電容量對電爆炸過程影響較大,并且電容器容量越小,對電爆炸過程各項指標影響越大。其中,電容量的變化對爆發電流和爆發電壓的影響相對較大,對爆發時刻的影響相對較小。

表3 不同電容量下的電爆炸性能對比

4 實驗驗證

4.1 試驗裝置

實驗采用橋區尺寸為250 μm×250 μm×3 μm的Al膜進行試驗,爆炸箔整體尺寸為長3.3 mm,寬1.4 mm。試驗箱回路電感為120 nH,電容為0.1 μF,電阻為120 Ω。0～4 000 V可調試驗箱如圖7所示。

圖7 0～4 000 V可調試驗箱

在接線處上連接高壓探頭測量爆發電壓以及通過羅氏線圈測量爆發電流,總體連接圖如圖8所示。

圖8 實驗裝置總體連接圖

對爆炸箔在充電電壓為800、1 000、1 200 V進行電爆炸實驗,其伏安特性曲線如圖9～圖11所示。

圖9 充電電壓為800 V的伏安特性曲線

圖10 充電電壓為1 000 V的伏安特性曲線

圖11 充電電壓為1 200 V的伏安特性曲線

4.2 試驗結果

在發火信號的觸發下高壓開關導通,儲能電容器迅速放電,產生脈沖電流。在40 ns左右,電流上升曲線出現擾動,電壓快速上升,出現波峰。此時電流和電壓曲線的波動,可能是起爆裝置突然放電,放電回路系統未達到穩定狀態所致。經過電流的快速上升,爆炸箔兩端的電壓先是緩慢增大,這個過程對應金屬箔由固態向液態的轉變,金屬箔電阻變化速率相對較慢;然后爆炸箔兩端的電壓快速增加,這個過程對應金屬箔的汽化階段,金屬箔電阻迅速增加。電壓曲線的出現峰值時刻,發生電爆炸,電流曲線短暫向下,然后繼續上升。爆炸后,電壓曲線逐漸下降,電流曲線到達峰值后,也逐漸下降。

圖7顯示在800 V的充電電壓下,爆發時間滯后于電流的峰值時間,電壓上升速率相對較慢,峰值曲線不尖銳,爆發時刻電流曲線變化不明顯,這可能是因為充電電壓較低,脈沖電流上升速率小,沉積在薄膜上的能量增加的慢,放電回路中的電能損耗較大,能量利用率低,電爆炸不充分;圖8顯示在充電電壓為1 000 V的情況下,爆炸箔汽化過程迅速,電壓升高較快,電爆時刻、電流曲線出現明顯的向下拐點后又再次上升,薄膜爆發時刻出現在脈沖電流1/4周期附近,能量利用率較高,爆炸較為充分,充電電壓與起爆裝置放電周期相匹配。圖9顯示充電電壓為1 200 V的情況下,爆炸箔汽化過程迅速,電壓升高較快,電爆時刻,電流曲線出現明顯的向下拐點后又再次上升,薄膜爆發時刻出現在脈沖電流 1/4 周期之前,表明充電電壓偏大,電容器儲能過剩,充電電壓與起爆裝置放電周期匹配得不是很好。試驗數據如表4所示。

表4 爆炸箔伏安特性試驗數據表

4.3 試驗與仿真對比

仿真結果與試驗結果對比誤差數據表如表5所示。

表5 仿真與試驗數據誤差

從表5可以看出,利用添加修正參數的改進模型仿真所顯示的結果與實驗測量所顯示的伏安特性曲線的結果比較符合,誤差最大為9.4%。計算模型可以對Al箔電爆炸過程進行較好的預測。

5 結論

(1)通過以上分析可知,Al薄膜在1 000 V的充電電壓下起爆,電能利用率更高,要達到理想的爆發狀態所需要的充電電壓較低。在充電電壓從低到高的過程中,Al薄膜的電能利用率先增大后減小,因此存在一個合適的起爆電壓使Al電爆炸能量利用率更高,為爆炸箔的低能化提供理論支撐。

(2)與仿真結果對比分析,低壓條件下,在改進的FIRESET模型中添加一個修正系數H更趨近于試驗結果,計算模型可以較好地對Al箔電爆炸過程進行預測。