加速膛与复合飞片对集成爆炸箔起爆器性能的影响

采用微机电系统制造技术实现了爆炸箔起爆器的集成制备。利用磁控溅射工艺和化学气相沉积技术制备了0.4 mm(L)×0.4 mm(W)×4.6μm(H)的Cu桥箔、聚氯代对二甲苯(Parylene C)(25μm)/Cu(2μm)复合飞片层;利用紫外光刻技术实现了环氧树脂干膜(SUEX)加速膛的制备,获得了厚度为0.395 mm,直径为0.40,0.56,1.00 mm的三种加速膛,且壁面垂直度均良好。通过光子多普勒速度(PDV)测试系统,研究了发火电压与加速膛尺寸对复合飞片速度的影响。进行了起爆六硝基茋(HNS)炸药的爆轰试验。结果表明,复合飞片的速度随着发火电压的增加逐渐增大;在相同发火条件下,复合飞片的速度随着加速膛直径的减小反而逐渐增加,即在同一发火条件下Ф0.40 mm的加速膛下获得的复合飞片速度最大。起爆HNS炸药的试验结果显示,发火电压随着加速膛直径的减小逐渐降低;相对于Ф1.00 mm的加速膛,Φ0.40 mm的加速膛在0.22μF电容放电条件下,发火电压降低了200 V左右。     

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。     

爆炸箔起爆器发火阈值影响因素的数值模拟

为了研究由桥箔、飞片和加速膛所组成的换能组件对爆炸箔起爆器(EFI)发火性能的影响,达到降低发火阈值的目的,利用ANSYS/AUTODYN软件,模拟了桥箔驱动飞片起爆六硝基茋(HNS-Ⅳ)的过程。研究了桥箔厚度对飞片速度的影响,探究了桥区宽度、飞片材料(有机玻璃、陶瓷和聚酰亚胺)、飞片厚度和加速膛长度对EFI发火阈值的影响。结果表明,减小桥区宽度有利于降低爆炸箔起爆器的发火阈值。在输入电压相同的条件下,2μm厚度的桥箔驱动飞片速度最大;爆炸箔起爆器发火电压随着飞片厚度的增加先降低后增大,当厚度为10μm时发火电压最低;相比于0.225 mm、0.250 mm和0.275 mm加速膛,用0.125 mm加速膛时发火电压最低,说明减小加速膛长度有利于降低爆炸箔起爆器的发火阈值;在加速膛孔径确定的情况下,"无限型"加速膛发火电压低于"有限型"加速膛。聚酰亚胺力学性能好、发火电压低、撞击动能小,优于其它两种材料(有机玻璃和陶瓷)。     

引信飞片起爆多方案动态特性仿真对比

针对引信传爆管输出飞片远距离引爆弹丸主装药优化设计问题,应用ANSYS/LS-DYNA软件研究了12种飞片起爆方案,模拟出炸药驱动飞片起爆过程,并得出不同形状、不同厚度飞片冲击起爆炸药时炸药端面爆轰压力与时间的曲线。结果表明:在飞片厚度设计经验范围内,平板型飞片冲击炸药的爆轰压力随飞片厚度增加而增大;碟型飞片冲击炸药的爆轰压力随飞片厚度增加而减小;锥型飞片越厚越不易引爆炸药,而球缺型飞片越薄越不易引爆炸药,并且对飞片厚度极为敏感。     

HNS-Ⅳ炸药驱动飞片速度及形态的数值模拟

为指导基于冲击片雷管驱动飞片的起爆传爆序列设计,采用数值模拟方法计算获得了六硝基茋(HNS-Ⅳ)炸药驱动不同材料(不锈钢、钛合金、铝),不同厚度(0.1～0.5 mm)和不同直径(3,4,5 mm)飞片速度与形态。计算结果表明:在同一厚度下,铝飞片的速度最高,钛合金飞片其次,不锈钢飞片最低,这与其密度关系相对应;对于同种材料,随着飞片厚度的增加,飞片速度逐渐减小,并趋于一个极值;不同直径飞片被爆轰剪切后,其有效直径均有所减小,其中,Φ4 mm和Φ5 mm飞片的有效直径相当,分别为3.6 mm和3.4 mm,Φ3 mm飞片最小,仅为2.8 mm。在爆轰波作用下,HNS-Ⅳ炸药驱动不同直径、0.10 mm厚度钛合金飞片,Φ4 mm和Φ5 mm飞片略呈球面状,而Φ3 mm飞片形态较为平整,分析认为冲击波反射驱动是其形态平整的主要原因。     

基于MEMS技术的EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药试验研究

采用MEMS技术制备了一体化集成的EFI芯片,研究了EFI芯片起爆HNS-Ⅳ炸药的能力,试验结果表明在起爆电压高于2 400V下EFI芯片能够成功起爆HNS-Ⅳ炸药,并且可靠地剪切出飞片。设计了3种桥箔和加速膛尺寸匹配关系的EFI芯片,用兰利法测试其发火感度。结果表明桥箔尺寸为0.3mm×0.4mm、加速膛直径为0.3mm时,EFI试验件的发火感度最高,50%发火电压为1 928V,全发火电压为2 013V。     

飞片参数及冲击角度对能量激发的影响研究

为研究飞片参数及冲击角度对冲击片雷管作用性能的影响,采用Solidworks和LS-DYNA软件对飞片剪切过程和不同角度冲击炸药的起爆效果进行了仿真,并通过仿真和试验验证飞片厚度和直径对其冲击速度的影响。结果表明：加速膛硬度越高,飞片成形状况越好;飞片最大速度与飞片直径、厚度呈负相关,但飞片厚度过小时易发生破碎现象;入射角度为0,30,60,90°的飞片冲击HNS药柱均能达到稳定爆轰,以0°入射角冲击时爆轰效果最佳。     

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。     

飞片冲击起爆系统设计与数值模拟

为调整炸药装药中的爆轰波波形,设计了一种飞片冲击起爆系统,通过理论分析和计算确定飞片的形状及材料选择原则、飞片的倾斜角、飞片与主装药的间距,采用数值模拟软件LS-DYNA对设计的飞片冲击起爆系统进行了数值仿真计算。结果表明飞片冲击起爆系统能可靠起爆炸药装药并调整炸药装药内部爆轰波波形,可为端部预制破片或多EFP战斗部的驱动提供参考。     

新型炸药2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物的射流冲击感度实验研究

为分析新型高能钝感炸药2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)的射流冲击感度,在口径为56 mm的聚能装药和炸高为80 mm条件下,进行了45#钢隔板覆盖下无围压炸药冲击起爆感度实验。用"Langlie法"获得了ANPyO临界起爆隔板厚度,用AUTODYN计算了临界头部速度和射流直径,标定了ANPyO的临界起爆阈值,并与8701炸药的试验结果作了比较。结果表明:临界爆轰时,8701炸药覆盖的45#钢隔板临界厚度约160 mm,ANPyO炸药的临界隔板厚度约为68 mm,比8701降低了约57.5%。ANPyO炸药的临界速度为3.7 mm·μs-1,射流头部直径为4.8 mm,临界冲击起爆阈值约为32.3 mm3·μs-2,8701为7.16mm3·μs-2,ANPyO为8701炸药的4.5倍,可见ANPyO钝感于8701,是一种低射流起爆感度炸药。     

集成爆炸箔起爆器的制备和飞片驱动能力表征（英文）

利用磁控溅射、光刻、化学气象沉积等技术制备了一种基于氯代对二甲苯(PC)飞片与Su-8光刻胶加速膛的集成爆炸箔起爆器(EFI),利用光子多普勒技术研究了爆炸箔、飞片,以及加速膛结构参数对飞片加载能力的影响作用。结果表明,在起爆电压2.6kV,电容0.2μF,作用时间1.2μs的条件下,集成制造所引发的EFI部分材料的变化并未对其飞片加载能力带来显著影响,相同尺寸的聚酰亚胺飞片与PC飞片的加速历程较为相近,且集成EFI飞片加载能力与结构参数相同的常规EFI相当。利用该集成EFI能成功起爆Ⅳ型六硝基茋。     

2，4-二硝基苯甲醚基熔铸含铝炸药冲击起爆特性

为钝感高能炸药安全性设计和应用提供理论依据和物理基础,深入开展钝感熔铸含铝炸药冲击起爆特性实验研究。建立蓝宝石飞片平面撞击加载炸药一维拉格朗日分析组合式电磁粒子速度计实验测试系统,测量2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基熔铸含铝炸药冲击起爆爆轰成长过程中不同拉格朗日位置的粒子速度-时间变化曲线,获得飞片撞击速度和固相炸药颗粒度等变化对其冲击起爆爆轰成长的影响规律,并确定了该熔铸含铝炸药的冲击Hugoniot关系（D=2.439+2.137u,D为冲击波传播速度,u为粒子速度）和未反应炸药状态方程参数。结果表明：DNAN基熔铸含铝炸药冲击起爆爆轰成长过程的典型粒子速度曲线呈驼峰状,冲击波阵面波后粒子速度明显上升并加速追赶前导波阵面,冲击起爆过程整体表现为加速反应特征;在该装药颗粒度级配范围和加载压力下,加载压力越高或固相炸药颗粒度越小,炸药冲击起爆爆轰成长越快,越早转为爆轰。     

钝感HNS-IV 炸药飞片冲击起爆数值仿真

为获得HNS-IV在飞片冲击下的窄脉冲宽度的起爆特性,使用Lee-Tarver点火增长模型和有限元分析软件,对不同直径、厚度的聚酰亚胺飞片撞击HNS-IV炸药过程进行数值模拟.按照试验装置的设计方案,建立数值模拟模型,对不同直径、厚度飞片冲击起爆HNS-IV炸药的机理及影响规律进行分析.仿真结果表明:在飞片厚度一定的条件下,飞片直径增大相应的引爆阈值压力和引爆阈值速度减小;在飞片直径一定的条件下,随着飞片厚度的增加,炸药的引爆阈值压力和引爆阈值速度减小;随着炸药密度的降低,炸药阈值引爆的飞片速度也随之减小.对于HNS-IV炸药,计算所得引爆阈值压力和脉冲持续时间经拟合后所得曲线满足constnpτ=的判据,确定其临界起爆能量.     

叠氮化铜驱动飞片起爆HNS-IV的研究

针对以叠氮化铜微装药为基础的MEMS起爆传爆序列,利用数值模拟的方法研究起爆序列结构对起爆性能的影响。研究结果表明:飞片的剪切形状与文献结果相符。在装药直径一定的情况下,随着装药厚度的增加,飞片速度增加;当装药厚度为0.5mm、装药直径大于0.7mm时,增加装药直径不能进一步增加飞片速度;当叠氮化铜的尺寸为Φ0.7mm×0.5mm、加速膛长度为0.56mm时,系统能够起爆HNS-IV炸药。利用文献数据拟合得到了HNS-IV炸药的冲击起爆判据,模拟结果符合HNS-IV的冲击起爆判据。     

低温共烧陶瓷爆炸箔起爆芯片的设计、制备与发火性能

采用低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)工艺实现了爆炸箔起爆芯片的一体化集成制备。采用丝网印刷的方式制备了厚度为5μm的Au桥箔(300μm×300μm);采用25μm和50μm两种厚度的生瓷片作为爆炸箔起爆芯片的飞片,设计了圆形(Ф=400μm)和方形(L×W=300μm×300μm)的两种加速膛形状的爆炸箔起爆芯片。在0.22μF电容放电条件下,研究了Au桥箔的电爆性能。通过光子多普勒测速技术分析了陶瓷飞片的速度特征及其运动过程中的形貌。结果表明,在发火电压1.8 kV下,Au桥箔的能量利用率最大;飞片的终态速度随着发火电压的增加而增大;在相同的发火条件下,飞片经方形加速膛加速后的出口速度比圆形加速膛高出106～313 m·s~(-1);另外,陶瓷飞片越厚,飞片在飞行过程中的运动形貌保持得越完整。该工艺制备的爆炸箔起爆芯片可成功点燃硼/硝酸钾(BPN)点火药,并起爆六硝基芪(HNS)炸药。LTCC爆炸箔起爆芯片(50μm厚陶瓷飞片,圆形加速膛)的最小点火电压为1.4 kV,最小起爆电压为2.5 kV。     

三种爆炸箔桥形状的比较分析

为提高爆炸箔起爆器的能量利用率,本文对其主要影响因素之一爆炸箔桥箔进行了研究,测定了3种不同形状爆炸箔桥箔的爆发电流,并对起爆炸药HNS-IV进行了飞片感度试验。试验结果表明圆形桥箔的爆发电流密度最大,起爆HNS-IV的50%起爆电压最低,爆炸箔起爆器(EFI)选用圆形爆炸箔桥箔可以进一步提高能量利用率,降低发火能量。     

亚毫米气隙和垫层对爆轰驱动飞片的影响规律

为了获取亚毫米气隙、垫层对三氨基三硝基苯(TATB)基炸药爆轰驱动飞片的影响规律,设计了亚毫米尺度气隙、垫层的精密爆轰实验,利用光子多普勒激光干涉测试技术获取了TATB基炸药在亚毫米气隙、垫层影响下的爆轰驱动飞片运动历程.实验结果表明,相较于飞片炸药紧贴状态,有亚毫米硅泡沫垫层时,飞片的起跳速度降低,最终速度反而有所提高(约20 m·s-1、占比1％);而气隙对飞片运动的影响更大,最终速度提高更多(50 m·s-1、2％).同时开展了亚毫米气隙影响的数值模拟研究,结果表明,点起爆和线起爆的不同起爆方式对于飞片的运动速度历程有一定影响,但是在不同起爆方式下,气隙增大均有利于提高飞片的最终速度.亚毫米气隙对爆轰驱动飞片影响规律的理论分析结果显示,亚毫米气隙的引入使爆轰产物经过等熵膨胀后再与飞片相互作用,作用强度降低,系统熵增减小,驱动飞片的能量增加,造成了飞片最终速度的提高.不同气隙尺度下,主导机制的不同会带来对飞片运动速度历程影响规律的差别.     

ANBDF炸药的短脉冲起爆感度研究

采用喷射结晶法制备超细7-氨基-6-硝基苯并二氧化呋咱(ANBDF),利用金属箔电爆炸驱动飞片的加载技术,研究了ANBDF炸药的短脉冲冲击起爆性能.研究结果表明ANBDF炸药最小起爆能量为0.892J,50%起爆速度为3 064.7m/s,可以用于冲击片雷管始发装药.     

集成爆炸箔起爆器的制备和飞片驱动能力表征（英）

利用磁控溅射、光刻、化学气象沉积等技术制备了一种基于氯代对二甲苯(PC)飞片与Su-8光刻胶加速膛的集成爆炸箔起爆器(EFI),利用光子多普勒技术研究了爆炸箔、飞片,以及加速膛结构参数对飞片加载能力的影响作用.结果表明,在起爆电压2.6 kV,电容0.2 μF,作用时间1.2 μs的条件下,集成制造所引发的EFI部分材料的变化并未对其飞片加载能力带来显著影响,相同尺寸的聚酰亚胺飞片与PC飞片的加速历程较为相近,且集成EFI飞片加载能力与结构参数相同的常规EFI相当.利用该集成EFI能成功起爆Ⅳ型六硝基芪.     

射流冲击盖板覆盖下有限厚炸药的仿真和试验研究

为了研究有限厚炸药在射流冲击下的起爆过程,并得到有限厚炸药的临界起爆阈值。试验采用Φ40 mm聚能装药作为射流源,通过高速录像进行拍摄,对不同厚度的50SiMnVB盖板覆盖下的43 mm厚TNT炸药进行了射流冲击起爆试验,得到炸药的临界起爆阈值和不同刺激强度下的响应情况以及反应产物的膨胀速度。采用数值仿真软件进行了有限厚炸药在射流冲击下的数值模拟计算,得到了射流冲击下炸药内弯曲冲击波发展过程以及有限厚炸药的临界起爆阈值和炸药厚度关系,并通过试验结果进行了验证。最后建立了有限厚炸药临界起爆阈值和临界盖板厚度的计算模型。结果表明:厚度43 mm的TNT临界起爆阈值为37 mm3·μs^-2,并且在不同响应之间反应产物的膨胀速度相差至少一个数量级。射流冲击有限厚炸药时,弯曲波发展为爆轰波需要一定距离,剩余射流头部速度越高,弯曲波发展为爆轰波所需的距离越短。炸药厚度的减少将导致有限厚炸药的临界起爆阈值和临界盖板厚度的增加,并且有限厚炸药的临界起爆阈值的对数与炸药厚度的对数近似呈线性关系。