半导体桥等离子体温度的实验研究

基于原子发射光谱双谱线法测温原理,对半导体桥(SCB)等离子体温度进行实时瞬态测定;实验研究了放电脉冲条件下等离子体温度的变化规律及不同脉冲能量对等离子体温度的影响.结果表明:充电电容为22 μF,初始放电电压由21 V增大到63 V,等离子体峰值温度由2 000 K上升至6 200 K;放电电压为39 V,充电电容由...     

原子发射光谱双谱线法测量半导体桥（SCB）等离子体温度（英）

在原子发射光谱双谱线法的基础上,设计了含有两个干涉滤光片和光电倍增管双谱线测温系统。仪器的最高的时间分辨率为0.1μs。讨论了不同能量输入条件下SCB等离子体的温度和等离子体的存在时间。实验结果表明在电压24~32 V,电容68μF不变的情况下,等离子体的温度从2710 K升高到3880 K,等离子体存在时间从170.7μs上升到283.4μs。     

瞬态小尺寸等离子体的判断及光谱法表征

以等离子体为激发能量的点火方式是含能材料点火技术的一个发展方向，等离子体的基本参数如温度和电子密度对研究等离子体点火的机理是重要的参数。对于半导体桥( SCB)在一定放电条件下所产生的瞬态小尺寸等离子体，很多等离子体诊断方法不能适用。本研究利用原子发射光谱技术，同时获得SCB等离子体温度和电子密度随时间分布的诊断结果，在放电电压为16 V，充电电容为47 μF条件下，1.0 Ω的SCB等离子体温度分布在2 400—3 800 K之间，电子密度约为3.2×l014～4.2×1014个／cm3左右。同时，依据筹离子体成立的空间尺度和时间尺度条件，根据光谱诊断结果，判断不同型号的SCB的放电行为是否产生等离子体。本研究为瞬态小尺寸等离子体诊断提供了一种有效的方法，为SCB桥体的设计以及点火方式的控制提供了理论指导和参考依据，以及用于其它体系中等离子体参数的诊断及判断。     

SCB传热模型及点火能量验证

以电容放电的方式研究了半导体桥(SCB)点火过程与药剂之问可能存在的能量作用形式.设计了不同的点火实验,有针对性地验证了等离子体对药剂的冲击作用和渗透热作用.从等离子体存在形式出发,利用等离子体传热理论,初步建立了等离子体传热模型.对斯蒂芬酸铅(LTNR)、叠氮肼镍(NHA)和硝酸肼镍(NHN)进行单颗粒球形传热模型的Fourier分析和数值模拟,并对三种药剂进行了SCB点火实验.LTNR、NHA、NHN三种药剂的最低点火电压分别为11,15,39 V.点火实验结果表明,药剂的导热系数影响SCB点火属性,导热系数小的药剂对应的最低点火电压也小.结合模拟的结果得到了SCB等离子体点火中,渗透热作用为主要能量作用形式的结论.     

叠氮肼镍半导体桥点火研究

研究了一种新型高威力起爆药叠氮肼镍(nickel hydrazine azide,NHA)的半导体桥(semiconductor bridge,SCB)点火性能,确定了其最佳的点火参数为压药压力60MPa,电容47μF,药剂粒度49μm。研究其电压-时间曲线和电压-点火能量曲线发现:在高电压下,半导体桥产生等离子体将药剂点燃,低电压下,半导体桥产生的焦耳热可以在炸药中形成热点,将药剂点燃。     

斯蒂芬酸铅的半导体桥点火试验研究

通过对半导体桥(Semiconductor Bridge,SCB)装药条件下发火电压、发火电容及积分能量对点火时间影响的对比,结合不同点火条件下,桥体两端电压曲线、电流曲线和电流二次峰出现时间的比较,研究了斯蒂芬酸铅(LTNR)的半导体桥点火机理。试验发现特定的点火电路下,SCB点火时间存在一个临界值,且SCB等离子体形成的快慢直接影响点火时间。在充电电压从大到小的点火过程中,在桥与药剂之间存在2种不同的点火机理,在较高点火电压下为等离子体点火机理,在低电压为热点火机理。     

30mm电热化学炮膛内压力波数值模拟研究

使用包含瞬态燃速公式的一维内弹道模型模拟30 mm电热化学发射过程,通过与发射实验结果相比较,验证了该模型的精确性。对比常规发射和电热化学发射膛内压力波曲线可知,电热化学发射技术可以有效降低膛内压力波。进一步分析输入电能、放电时序、发射药弧厚、装填密度等参数变化对膛内压力波的影响。研究表明：同步放电的条件下,电能比不大于0.042时,压力波峰值变化很小;电能比大于0.042时,压力波峰值随着电能比的增加迅速增大;首个负波幅值随着电能比线性递增,但受电能比影响小于压力波峰值;采用时序放电时,在控制压力波的前提下,电能比与放电电流的脉宽呈正比;在较高电能比下,压力波峰值与放电电流的脉宽呈反比;随着发射药装填密度的增加,膛内压力波增大;但在控制压力波的前提下,可输入的电能比无明显变化,首个负波幅值随着电能比的变化趋势不变;弧厚的变化对压力波的影响可忽略不计。     

高钝感半导体桥发火性能研究

为了提高半导体桥（SCB）火工品的安全性,在SCB极脚间并联负温度系数（NTC）热敏电阻,可使NTC-SCB半导体桥满足1.5 A不发火、最高2.0 A不发火的高钝感要求。研究了1.0 A和 1.5 A通电条件下NTC热敏电阻与SCB并联后的分流情况,通过电容放电、恒流激励下的发火实验和发火感度实验对比分析了SCB、NTC-SCB和1.5 A、2.25 W、5 min安全电流实验后的NTC-SCB半导体桥发火性能。结果表明：在1.0 A、1.00 W、5 min和1.5 A、2.25 W、5 min安全电流实验条件下,NTC热敏电阻的分流比约为35%和62%,达到热平衡时的温度大约为112 ℃和170 ℃; 在33 μF、30 V电容放电条件下并联NTC热敏电阻及1.5 A、2.25 W、5 min安全电流实验后,SCB的发火时间和临界发火能量均没有出现显著性变化;在7.0 A恒流激励下,由于输入能量速率较慢以及NTC热敏电阻分流的原因,发火时间和临界发火能量均有较明显提高;SCB的99.9%发火电流在并联NTC热敏电阻后从2.329 A增加到3.709 A,NTC-SCB的99.9%发火电流在1.5 A、2.25 W、5 min安全电流实验后从3.709 A增加到4.285 A,仍然可用于提供大于5.571 A电流的火工装置。     

Al/CuO肖特基结换能元芯片的非线性电爆换能特性

依据肖特基势垒理论,设计并制备了Al/CuO肖特基结换能元芯片。用击穿电压仪研究了换能元芯片的电击穿性能,用电容放电的激发方式研究了芯片的电爆特性。结果表明,对前者,芯片存在发火阈值,具有整流特性,击穿电压与肖特基结的个数无关,击穿电压为8 V;对后者,芯片也存在发火阈值,发火阈值与肖特基结数呈正相关,芯片还具有发火延迟特性。延迟时间的长短与肖特基结数也呈正相关。同时芯片还具有多次激发而连续发火的特性。显示Al/CuO肖特基结换能元芯片是一种具有非线性电爆换能特性的新型电爆换能元。     

半导体桥对含能材料的点火特性研究

在10μF钽电容放电激励下,对两种阻值相当质量不同的半导体桥(SCB)和细化的发火药剂斯蒂芬酸铅(LTNR)和叠氮化铅(PbN6)所组成的发火件进行了实验研究,根据发火件的电特性变化和发火现象发现半导体桥存在电热发火、电爆发火和等离子体发火三种情况,测试了SCB/LTNR和SCB/PbN6发火件的50%发火电压和发火时间。结果表明半导体桥的发火电压阈值不仅与发火药剂有关,还与半导体桥换能元有关,所以半导体桥的设计存在最佳质量,通过对比得知LTNR比PbN6感度高,PbN6比LTNR的燃速高。     

强冲击下PZT-5H压电陶瓷的动力响应及电输出特性研究

为了揭示冲击压力对PZT-5H压电陶瓷电输出特性的影响,利用自行建立的聚偏氟乙烯冲击压力测试系统和压电陶瓷电输出性能测试系统,以一级轻气炮作为加载手段,开展了柱状铝合金弹丸分别以195 m/s、487 m/s、532 m/s和613 m/s的速度垂直撞击复合靶板（钢片-压电陶瓷-有机玻璃）的实验。利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA进行弹靶碰撞的有限元分析,分析了不同速度下PZT-5H的冲击压力时程。根据实验系统建立了弹靶接触时应力波传播的简化模型,并通过模型计算出复合结构中PZT-5H压电陶瓷承受的冲击压力峰值。运用实验得到的冲击压力时程、压电陶瓷输出电压时程和储能电容充电电压时程,分析了不同峰值压力脉冲作用下PZT-5H压电陶瓷电输出特性的变化规律。研究结果表明：冲击压力峰值的计算结果与仿真结果、实验测量结果趋势吻合;冲击压力峰值在200~700 MPa范围内时,PZT-5H压电陶瓷输出电压峰值随着冲击应力峰值的增加而增大,且近似呈线性关系;在高速撞击PZT-5H压电陶瓷过程中动能与电能的能量转化效率较低,当储能电容量与PZT-5H压电陶瓷电容量比值为5.9∶1时,压电陶瓷的能量转化率为1.1%.     

脉冲等离子射流在液体介质中扩展特性的测量与分析

为了深入了解液体工质电热化学炮的燃烧推进机理,设计了模拟实验装置。采用高速录像系统,观察了脉冲等离子射流喷入液体介质中的扩展过程。测量了脉冲等离子射流在液体介质中形成Taylor空腔的轴向位移和体积变化。得到了Taylor空腔体积随时间变化的定量扩展规律。讨论了贮液室边界形状、放电电压和喷嘴直径对等离子射流扩展的影响。结果表明,两相交界处由于湍流掺混形成皱褶不光滑的交界面。Taylor空腔扩展过程中出现了明显的振荡现象。渐扩结构因子由0.6减小到0.4,轴向位移第一峰值和体积第一峰值分别增大16.6%和12.4%。放电电压由3000 V减小到2100 V,轴向位移第一峰值和体积第一峰值分别减小36.1%和60.7%。喷嘴直径由2 mm减小到1.5 mm,轴向位移第一峰值和体积第一峰值分别减小27.2%和56.7%。     

半导体桥静电作用前后点火特性

对静电作用过的半导体桥和未经受静电作用的半导体桥进行D-最优化点火实验,得到全发火电压,并在全发火电压下点火,用示波器采集电压、电流以及发火时间等信号,用显微镜观察桥面的烧蚀情况并计算烧蚀面积。分析得到:静电对半导体桥的桥膜产生了损伤,静电电压越大,烧蚀面积越大;经过静电作用的桥与未静电作用的桥相比,全发火电压降低,发火能量减小,桥变得更加敏感。对全发火电压下的发火能量和发火时间进行t检验,得到21 kV是临界值,静电电压大于21 kV,静电对桥的性能影响明显;小于21 kV,静电对桥的影响不大。     

脉冲等离子射流在空气中扩展特性的测量与分析

为了分析脉冲等离子射流在空气中的扩展特性,采用压电式压力传感器及数字高速录像系统,研究了等离子发生器产生的脉冲等离子射流的扩展过程。用Photoshop等软件处理获得了不同放电电压及喷射破膜压力下,脉冲等离子射流在大气中扩展的体积、轴向位移、径向位移随时间的变化关系。结果表明,脉冲等离子射流扩展时,其形状由初始的类椭球形状逐渐伸展成一个类圆锥头部加细长的类柱形尾部。射流轴向扩展位移始终大于径向位移。扩展的体积随时间呈单峰分布。增大放电电压和喷射破膜压力均可提高射流的扩展能力,且放电电压越大,等离子射流扩展时的湍流掺混越剧烈。     

降低半导体桥/斯蒂芬酸铅发火能量的技术途径研究

进一步降低半导体桥（SCB）换能元件发火能量是微机电系统（MEMS）引信用微型起爆系统发展的瓶颈技术。通过发火感度试验,获得了减小桥区尺寸、增加V型缺口、适当长宽比、降低药剂粒度等是降低SCB发火能量的有效技术途径。在试验方案范围内获得最小全发火电压3.83 V,发火能量0.073 mJ,最大不发火电流229.88 mA. 分析发火现象和电特性曲线得出：SCB换能元的桥区面积7.65×10² μm²,质量3.55×10^-6 mg,临界发火属于电热发火;桥区面积5.68×10² μm², 质量2.64×10^-6 mg,临界发火属于电爆发火。进一步降低半导体桥（SCB）换能元件发火能量是微机电系统（MEMS）引信用微型起爆系统发展的瓶颈技术。通过发火感度试验,获得了减小桥区尺寸、增加V型缺口、适当长宽比、降低药剂粒度等是降低SCB发火能量的有效技术途径。在试验方案范围内获得最小全发火电压3.83 V,发火能量0.073 mJ,最大不发火电流229.88 mA. 分析发火现象和电特性曲线得出：SCB换能元的桥区面积7.65×10² μm²,质量3.55×10^-6 mg,临界发火属于电热发火;桥区面积5.68×10² μm², 质量2.64×10^-6 mg,临界发火属于电爆发火。     

半导体桥上尖角、圆孔对其电爆性能的影响（英）

设计了14种带有尖角和圆孔的半导体桥,研究了在电容放电发火条件下尖角、圆孔对其发火时间、发火所消耗的能量等性能参数的影响规律,并从半导体桥的作用机理方面对实验结果进行了分析.结果表明,SCB上V型尖角使得SCB发火时间和发火所消耗的能量明显降低,而圆孔对SCB发火性能影响不明显.     

HAN基液体发射药电点火参数的实验研究

在两级电点火装置上，和高压脉冲电源进行了ＨＡＮ基液体发射药的电点火实验，实验研究了实现无电弧点火，限制电弧放电所需的电源特性参数及点火结构参数，其结果为液体发射药电点火器设计提供了依据。     

高能量爆磁压缩装置在SCB冲击片雷管中的应用

SCB冲击片雷管是一种高电压大电流起爆的钝感雷管，存在电路中如何产生高压和进行高压隔离以保证安全的问题。作为一种强电流爆炸脉冲能源，螺线管型爆磁压缩装置能在瞬时产生脉冲高电压大电流，并能消除电路中动态电阻、电感的影响，满足SCB冲击片雷管使用要求。     

等离子体射流点火对燃烧转爆轰影响的二维数值计算

采用二维粘性CE/SE方法对等离子射流点火的多相爆轰进行了数值计算,分别以N-S方程和Euler方程为控制方程,对比了等离子体射流条件下粘性对爆轰流场的影响。分析了不同射流温度、时间及初始液滴半径对燃烧转爆轰过程的影响。计算结果表明：粘性作用对爆轰波的传播过程影响甚小,对爆轰参数数值大小有一定影响。提高初始射流点火的温度和时间,可以显著地缩短形成稳定爆轰的燃烧转爆轰距离（DDT）;当等离子体射流已经充分点燃可爆混合物,继续增加射流时间对缩短DDT影响较小。当液滴半径小于50 μm时,爆轰波峰值压力随着液滴半径的增加而增加;当液滴半径大于50 μm时,爆轰波峰值压力随着液滴半径的增加而减小。计算结果对脉冲爆轰发动机（PDE）的设计与实验具有一定的指导作用。     

电热消融毛细管几何参数放电实验研究

在电热化学 (ETC)发射系统中 ,作为等离子发生器的工作元件 ,毛细管的几何参数是影响系统电热转换效率 ,以及等离子体与膛内工质作用效果的主要因素之一 .本文通过在高、低两种电能水平以及不同管径下 ,对多种长度的消融毛细管作发生器放电实验 ,详细分析了在不同电能水平下 ,负载稳态阻抗、峰值电流、负载效率等主要放电特征参量随毛细管几何参数的变化规律