激光驱动飞片系统结构及参数设计

激光驱动飞片是一种获得动高压的新兴技术。激光与飞片的能量耦合效率、飞片的平整性是影响激光驱动飞片性能的关键因素,而激光参数、飞片结构及参数是能量耦合和飞片平整性的主要影响因素。分析了激光驱动飞片的原理,激光驱动飞片的结构和参数设计,提出了进一步研究所面临的问题。     

激光驱动飞片飞行特征研究进展

激光驱动飞片是高效的冲击加载方法,作为激光起爆炸药的一种方式,具有本质安全性。激光驱动飞片起爆炸药的可靠度与飞片的飞行特性密切相关,飞片的飞行速度和表观形貌(平面度和完整性)是成功起爆的两个重要参数。因此,从飞片的飞行特性的表征手段与影响因素两方面出发,综述了激光驱动飞片技术的研究进展。针对单层飞片,介绍了观测、表征和接收方法,分析讨论了飞片性能影响因素作用规律的近年研究成果,梳理归纳了现有研究中存在的不足,指出了今后的发展方向,包括激光驱动飞片飞行过程的系统物理模型和激光驱动飞片的平面度和完整性定量参数。     

基于激光驱动的复合飞片参数与性能

在激光驱动飞片技术中,复合飞片的使用可提高对激光的能量利用率,从而获得更高的速度。为进一步研究复合飞片各层参数对激光驱动飞片速度的影响,采用Ti、C、Al2O3、Al等材料制备了不同参数的复合飞片,利用小型掺钕钇铝石榴石晶体ND:YAG固体激光器在200~300 mJ能量下进行了驱动飞片试验,并通过光子多普勒测速仪(PDV)对飞片速度进行了测试。结果表明,在厚度控制合理的情况下,增加了吸收层(0.15μm,Ti)的复合飞片最大速度较单层飞片提高了约110%,同时增加了烧蚀层(0.3μm,Al)和隔热层(1.0μm,Al2O3)的复合飞片最大速度较单层飞片提高了约41%,并对复合飞片的能量利用率及加速距离进行了分析,表明激光驱动复合飞片在0.02μs左右可达到最大速度的90%,在0.08μs左右可达到最大速度。     

激光驱动飞片冲击应力实验研究

为了对激光驱动飞片的冲击应力进行测试,利用PVDF压电材料,自制了满足测试需要的应力计,并给出了应力计的动态标定曲线。通过对激光驱动复合飞片和单层飞片的冲击应力进行测试分析,可知对于激光驱动飞片起爆系统,应用较厚复合飞片可获得较大的冲击应力以及较长的持续时间,并指出了PVDF应力计测试中的若干注意事项。     

RDX驱动台阶式飞片的速度试验研究

为提高RDX驱动台阶式飞片的可靠性，基于光子多普勒测速技术(Photonic Doppler Velocimetry,PDV)搭建了激光点火RDX驱动台阶式钛合金飞片的速度测试系统，试验研究了RDX装药量、飞片剪切厚度及飞片厚度对飞片速度的影响。结果表明：当装药量从40 mg增加至85 mg，飞片峰值速度由494.46 m·s^-1线性增加至591.86 m·s^-1；当飞片剪切厚度从0.2 mm增加至0.8 mm，飞片峰值速度由508.98 m·s^-1线性增加至557.53 m·s^-1；当飞片厚度从1.0 mm增加至2.5 mm，飞片峰值速度由561.32 m·s^-1指数衰减至397.34 m·s^-1，同时飞片动能由1.347J线性增加至1.688 J。因此，通过增加RDX装药量、飞片剪切厚度或飞片厚度可以提高RDX驱动飞片冲击起爆的可靠性。     

激光驱动飞片起爆HNS-IV飞片膜参数设计研究

设计了3种不同结构参数的飞片膜,基于激光驱动飞片起爆理论,进行了不同膜结构飞片的速度计算与测试,并完成了激光驱动飞片起爆HNS-IV压装药柱(ρ=1.566g/cm3)的实验,分别获得了其最低起爆阈值。结果表明实验结果与理论分析具有良好的一致性,在优化设计参数下,复合飞片起爆性能及稳定性优于单膜飞片。本研究为飞片膜的优化设计提供了参考。     

激光起爆引信及其关键技术

基于光纤传输高峰值功率脉冲激光驱动飞片起爆技术，提出了一种新概念引信——激光起爆引信的基本概念。与电起爆引信相比，激光起爆引信在能量形式、起爆机理、组成结构等方面有很大的不同，符合引信技术从机械电子到光电子的发展脉络，是引信设计创新、性能优化、应用创新的重要方向之一。论述了激光起爆引信在核武器以及先进常规武器中的潜在应用价值，根据参考文献总结出激光起爆的三种实现方式。激光起爆引信的关键单元，包括小型化激光器、光纤传能、激光冲击片雷管等，简要讨论了相关的科学研究、总体设计和单元技术。     

加速膛对激光驱动飞片速度及形貌的影响规律

为揭示加速膛对激光驱动飞片速度及形貌的影响规律,采用光子多普勒测速(PDV)技术、阴影成像技术和显微分析方法研究了厚度20μm单层Al飞片在不同加速膛孔径和长度下的速度和形貌演化历程。结果表明,加速膛孔径与Al飞片被激光烧蚀的孔径大小相当时,即孔径在800μm时飞片可获得3100 m·s^-1的最大速度;加速膛孔径大于800μm时对飞片无法起到有效约束作用,飞片速度有所下降,其中加速膛孔径为1500μm时飞片速度最小,为2700 m·s^-1;加速膛孔径为600μm小于激光烧蚀孔径时,造成周围部分能量的浪费,飞片速度也偏低,为2900 m·s^-1。固定加速膛孔径为1000μm,长度在200~700μm时,飞片速度随加速膛长度增加而明显降低,并且Al飞片在飞出加速膛后均破裂成碎片状并迅速向周围扩散,无法保持完整,飞片碎片总体向外扩散速度随加速膛长度的增加而降低,与PDV获得的飞片速度规律基本一致。     

激光驱动飞片中Al2O3隔热层的制备研究

为了在飞片靶中加入氧化铝隔热层,以提高飞片速度,增大飞片冲击炸药的压力,确保炸药的可靠起爆,利用真空射频磁控溅射法制备了激光驱动复合多层飞片靶中的Al2O3隔热层,在溅射功率238W、溅射气压0.4Pa、Ar气流量30sccm、靶基距11cm条件下,得到Al2O3薄膜的沉积速率为125nm/h,制备的Al2O3薄膜为非晶结构,其表面均匀、致密,没有孔洞等缺陷,为后续复合多层飞片靶的制备提供支持.     

爆炸箔起爆器作用机理研究进展

从金属桥箔电爆炸、电爆炸驱动飞片和飞片冲击起爆炸药三个方面,综述了爆炸箔起爆器作用机理的研究进展。认为:爆炸箔起爆器在分段式电阻率模型、先进飞片测速技术、基于能量转化系数的电爆炸驱动飞片速度计算模型和基于临界起爆判据的感度预测等方面取得了重要进展,获得了一些规律性认识,一定程度上促进了其低能化设计。指出:小尺寸条件下电爆炸驱动飞片过程中的能量耗散及飞片烧蚀的定量描述、飞片在飞行中的瞬时形态、爆炸箔起爆器小尺寸装药的非理性爆轰性能预测、波阵面后微流场观测技术将成为爆炸箔起爆器未来研究的重点。     

Al/Ni爆炸箔电爆特性及驱动飞片能力研究

利用传统的MEMs工艺成功制备出Al/Ni复合爆炸箔,在4k V的充电电压下研究其电爆性能。研究表明,相比于传统的铜爆炸箔,复合爆炸箔的能量利用高,可达18%,而且爆发提前,所需能量较小,爆发能量集中。飞片速度研究表明,爆炸箔的厚度和充电电压会影响飞片的最终速度,飞片的速度随爆炸箔的厚度和电压升高而增大。当爆炸箔的厚度为3μm、充电电压为5k V时,飞片的速度可达3 100m/s。     

JO-9C小尺寸传爆药驱动飞片影响因素模拟仿真研究

为优化传爆序列中传爆药驱动飞片性能,建立小尺寸传爆药驱动飞片作动的仿真模型,提出了一种获取传爆药爆轰产物JWL状态方程参数的计算方法。设计了典型传爆药JO-9C驱动飞片试验,验证了仿真模型和计算方法的准确性。提出了采用飞片速度和动能共同作为其效能评价的参量,研究装药结构、加速膛直径和飞片厚度等因素对飞片效能的影响规律。结果表明：装药长径比为1.5时可兼顾飞片速度与装药量;加速膛直径应不大于装药直径,可获得良好飞片形貌及较高飞行速度;飞片厚度过薄可能会出现断裂。以5 mm直径JO-9C装药结构为例,最优设计为：装药长径比为1.5,即装药高度为7.5 mm,加速膛直径为5 mm,飞片厚度为0.3 mm,此时飞片速度为1 663 m/s,动能为51.79 J.     

中低密度材料飞片超高速撞击铝防护结构实验研究

空间碎片相对于在轨航天器具有10 km/ s 左右的平均撞击速度,且处于低轨道90% 数量的空间碎片密度属于中低密度材料,针对空间碎片撞击速度及材料密度的特点,采用电炮、磁驱动超高速飞片发射技术,开展了14 km/ s 速度低密度材料( Mylar) 和近9 km/ s 速度中密度材料(2A12 铝)超高速撞击单/ 双层铝防护结构的实验研究,得到了低密度材料飞片对2A12 铝单/ 双层防护结构撞击损伤实验结果,以及中密度材料飞片超高速撞击形成碎片云对舱壁的损伤结果。结果分析表明:14 km/ s 速度的低密度材料飞片撞击2A12 铝材料形成的碎片云中无熔化成分,而近9 km/ s速度的中密度材料飞片撞击形成的碎片云以液态、甚至是气态为主;与单层防护结构相比,双层防护结构对14 km/ s 的低密度材料飞片有着更好的防护效果。     

一种小型炸药驱动飞片装置的试验与数值模拟研究

设计了一种速度可调的小型炸药驱动飞片装置,进行了不同密度的PETN炸药驱动飞片实验,利用VISAR激光速度干涉仪测量了飞片速度历程;采用VLW状态方程计算了PETN炸药不同密度的JWL状态方程,得到了JWL状态方程参数,进而通过显式动力学有限元程序Ansys/Ls-dyna模拟计算出飞片速度,其结果与试验结果基本吻合,验证了通过数值模拟计算飞片起爆速度的可行性;得到了飞片起爆速度与炸药密度的关系,飞片起爆速度可在2660～3150m.s-1之间调节,对应压力范围为54～86GPa。     

微尺寸叠氮化铅驱动飞片重要结构参数与飞片速度和能量的关系

为获得微尺寸叠氮化铅驱动飞片的重要结构参数与飞片速度和能量的关系,进行微装药驱动飞片的仿真研究。根据叠氮化铅的爆速与密度关系,拟合出基于γ律方程的叠氮化铅Jones-Wilkins-Lee状态方程参数;利用有限元分析软件AUTODYN建立叠氮化铅驱动飞片的仿真模型,并使用光子多普勒测速系统测得飞片速度-位移关系曲线,仿真与试验曲线的一致性好。使用建立的仿真模型分析装药直径、装药高度、加速膛孔径、飞片厚度与飞片速度和能量的关系。结果表明：随着装药直径和高度的增加,飞片速度、能量增长速率减小,装药直径变化对飞片速度、能量的影响更显著;随着飞片厚度增大,飞片速度呈指数下降,飞片能量先增后减,存在着使飞片能量最大的飞片厚度;加速膛孔径小于装药直径时,飞片速度、能量略有下降;加速膛孔径大于装药直径时,飞片速度、能量急剧下降。     

304不锈钢/Q235钢的多面约束装药爆炸焊接

为了提高爆炸焊接中炸药的能量利用率,使用了蜂窝铝结构乳化炸药和在蜂窝铝结构乳化炸药上端布置覆盖板的多面约束装药方式。蜂窝结构及覆盖板的多面约束减弱了空气中稀疏波对炸药爆轰的影响,降低了炸药爆轰的临界直径,提高了炸药对复板的做功能力。以304不锈钢板和Q235钢板分别作为复板和基板,进行了多面约束装药和普通乳化炸药裸露装药的对比爆炸焊接试验,并采用格尼模型对爆炸焊接窗口和覆盖板对复板碰撞速度的影响进行了理论分析。结果表明,与传统爆炸复合技术相比,结合质量明显提高,并且炸药使用量减小了50%,炸药能量利用率显著提高。而复板碰撞速度随着覆盖板质量的增加而增加,但增加率降低。此外,得到了爆炸焊接窗口并对焊接质量进行了预测,实验和预测结果吻合良好。     

飞片初始形状对雷管起爆能力的影响

为了研究飞片初始形状对雷管输出能力的影响规律,采用数值模拟方法计算了HNS炸药驱动平面飞片、椭圆飞片和三角飞片起爆PBX-9404炸药的冲击起爆过程。计算结果表明:椭圆飞片着靶速度较其他两种飞片略高,起爆炸药在对称面上为汇聚的双波结构;平面飞片起爆炸药在对称面上为单波结构;三角飞片起爆炸药在对称面上为収散的双波结构,稳定爆轰波阵面平整性较平面飞片平整,较椭圆飞片弯曲,其起爆时的压力成长相对平面飞片缓慢。