金属桥箔电爆炸驱动飞片过程数值模拟研究

为研究金属桥箔电爆炸等离子体驱动飞片全过程中飞片的性能特征和影响规律,建立了金属桥箔电爆炸驱动飞片全过程的多相流数值计算模型,并进行了数值模拟计算.计算中,利用了相变分数描述金属桥箔由固相到等离子体相的相态转变,采用了考虑粒子数目变化及粒子间库仑作用的高温高压等离子体状态方程描述电爆炸等离子体的形成和运动行为,采用了动网格模型描述飞片的运动.将计算结果与实验结果进行对比分析,计算得到的飞片速度值与实验值的误差小于5%,表明计算模型的准确性较好.基于该计算模型,对总面积相同的双体阵列桥箔和单体桥箔电爆炸等离子体驱动飞片过程进行了数值模拟,计算结果表明,由于阵列桥箔电爆炸过程中等离子体和冲击波的叠加汇聚作用,提高了能量转化效率,使得等离子体及冲击波流场对飞片的驱动力增加,从而提高了飞片的速度.等离子体流场对飞片表面的烧蚀厚度约为0.1μm,飞片的完整性较好.

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。

基于飞片冲击起爆原理的微起爆序列技术研究进展

弹药信息化、智能化、小型化发展,对火工品提出了换能信息化、结构微型化、序列集成化的要求,微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)火工品技术孕育而生。近年来,随着微小型无人平台技术的发展,形成了新型微毁伤形式,对微起爆序列这一系统级MEMS火工品的应用提出了迫切的需求。本文侧重于微起爆序列的应用及要求,在微换能元设计及能量控制、微起爆能量控制及器件化、微传爆能量传递与隔爆控制、微起爆序列设计与集成及序列可靠性评估5个方面,对基于飞片冲击起爆原理的微起爆序列研究进展进行了总结。在此基础上,讨论了微起爆序列进一步发展的建议:深化微起爆传爆机理的基础研究;推进数字化工程,提升正向设计能力;加强大批量生产能力;加强微起爆序列样机的应用验证,提升技术成熟度。通过对微起爆序列技术现状的分析和未来发展的建议,以期为同行继续深入系统地开展微起爆序列技术研究、推动其应用进程提供有益参考。

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。

考虑压缩空气边界的爆炸箔起爆器飞片运动模型

为了研究爆炸箔起爆器中的飞片运动规律,对爆炸桥箔蒸气驱动飞片的过程机理进行了研究。在假设爆炸箔电爆炸后形成的蒸气均匀膨胀以及飞片进行一维刚体运动的基础上,考虑桥箔蒸气内部的压力梯度,引入了压缩空气边界条件,进行飞片运动速度的计算,得到特定发火电路中以桥箔长度、桥箔厚度、飞片厚度以及发火电压为自变量的飞片运动速度模型。根据实测飞片速度的PDV(光子多普勒测速仪)测试结果,引入能量利用率对飞片运动速度曲线进行修正,并且拟合得到了能量利用率关于上述4种自变量的经验公式。结果表明:电爆炸推动飞片运动过程中,能量利用率与桥箔厚度和飞片厚度正相关,而与桥箔长度和发火电压负相关;初期,桥箔蒸气内部具有明显的压力梯度,最大压力可达10 GPa数量级;压缩空气段长度随着时间由0逐渐增大;在桥箔长度与加速膛厚度之比为0.41.2、桥箔厚度与加速膛厚度之比为0.0020.010、飞片厚度与加速膛厚度之比为0.0250.160的范围内,减小桥箔长度、桥箔厚度以及飞片厚度对提高加速膛出口飞片速度、降低爆炸箔起爆器的发火能量具有积极的作用。

Lawrence-Gurney模型对于激光驱动飞片的适用性分析

Lawrence-Gurney模型给出了求解激光驱动飞片速度的方程组。文章从理论和试验两个方面对Lawrence-Gurney模型的适用性进行了分析,发现该模型不能较好地描述厚度为10μm以下飞片的驱动过程。主要原因是Lawrence-Gurney模型对激光与飞片的具体相互作用过程进行了简化假设,依据能量守恒和动量守恒定律建立数学方程组,而这些假设条件和近似求解条件对于厚度小于10μm的飞片均不能很好地成立,导致对飞片速度、能量耦合效率、冲量耦合系数和飞片烧蚀深度随激光能量变化的理论预估结果与试验结果偏差较大,需要进行修正。

JO-9C(Ⅲ)炸药的飞片冲击起爆判据参数拟合

针对JO-9C(Ⅲ)炸药的冲击起爆判据参数缺失问题,结合理论模型和模拟计算结果,拟合得到了JO-9C(Ⅲ)炸药的3种不同形式的起爆判据参数。利用AUTODYN软件,建立了不同尺寸钛飞片冲击起爆JO-9C(Ⅲ)炸药的数值模型,得到不同尺寸钛飞片起爆JO-9C(Ⅲ)炸药的临界速度。根据冲击起爆理论和飞片临界起爆速度,计算出JO-9C(Ⅲ)炸药内入射冲击波的波阵面参量,再结合p-τ、James和Π-τ3种起爆判据形式,拟合得到JO-9C(Ⅲ)炸药的起爆判据参数,起爆判据参数的拟合精度从高到低依次为Π-τ、p-τ、James。

飞片冲击镍、硅和铜隔爆材料的理论计算与仿真

为了获得钛飞片冲击时镍、硅和铜3种材料隔爆件内部的冲击波衰减规律和隔爆HNS-Ⅳ的临界厚度,建立了飞片冲击下的隔爆理论和仿真模型,计算了3种材料隔爆件和HNS-Ⅳ传爆药内部的冲击波参数,并结合HNS-Ⅳ的Π-τ临界起爆判据得到了3种材料隔爆HNS-Ⅳ的临界厚度。结果表明:3种材料隔爆件按照其内部冲击波压力和衰减系数由大到小的顺序依次为:镍、铜、硅;按照冲击波脉宽由大到小的顺序依次为:铜、硅、镍。当飞片速度为1600~3200 m·s^(-1)时,镍、铜和硅材料对应的隔爆HNS-Ⅳ的临界厚度分别为:0.26~0.59 mm、0.41~0.74 mm和0.60~1.04 mm。

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。

飞片参数与玻璃撞击损伤特征关系的研究

为考察空间碎片对航天器光学材料的影响,将光学材料撞击损伤与具体撞击碎片相对应,采用激光驱动飞片技术进行空间碎片地面模拟。设计了能形成速度可控的具体撞击碎片的激光驱动飞片装置,针对空间碎片不同速度和形态,通过改变激光能量和光束直径获得具有不同速度和长径比的飞片。研究了石英玻璃撞击损伤特征与飞片速度、长径比等参数的对应关系。结果发现:随着激光能量的增加,飞片速度的增加,撞击坑的损伤面积和坑深表现为先增大后减小;随着飞片长径比的减小,主要撞击损伤特征逐渐由侵彻成坑转变为溅射污染。通过碎片群平均参数改进为具体碎片参数,提高了地面模拟的有效性,利于高通量空间碎片环境中材料服役行为评价的研究,对空间碎片地面模拟技术和撞击损伤效应有一定的参考价值。

多点起爆驱动飞片的数值模拟研究

为了给高速大尺寸加载装置设计提供参考,基于流固耦合算法对炸药驱动飞片的过程进行了数值模拟,分析了不同起爆网络和装药高度对飞片平面范围和速度的影响。结果表明:保持装药高度相同,飞片平面范围主要受起爆网络排布的影响,三角形点阵网络作用下的飞片平面范围优于四边形点阵网络;各多点起爆网络作用下飞片的速度无明显区别,但相对于单点起爆均有明显提升,85mm装药高度27点起爆网络作用下飞片速度提升24.6%;保持起爆网络相同,飞片平面范围随装药高度增加而减小,飞片速度随装药高度增加而增加。

飞片存在状态对起爆过程的影响

从理论上分析了中北大学研制的飞片起爆系统小飞片产生的可能性,实验研究了小飞片的形成对整个起爆过程的影响。结果表明:飞片起爆系统能产生出飞片,而且在小飞片存在的情况下,系统的起爆能量明显高于飞片不存在的情况,且爆炸箔的电流波形图略有滞后。

激光驱动飞片技术的研究评述

激光驱动飞片技术是地面模拟空间微小碎片环境的一种研究方法。本文概述了影响激光驱动飞片发射技术的因素。主要评述了激光光束空间分布、飞片靶的制备、飞片靶镀膜工艺、脉宽等因素对飞片完整性及速度的影响,以及飞片速度测量的表征方法,还展望了今后激光驱动飞片技术的研究方向。本研究将有助于空间环境模拟中激光技术在模拟设备和理论上的发展,促进新的发现和应用。

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。

激光驱动飞片技术的研究进展

激光驱动飞片技术具有产生的飞片速度高、装置简单、成本低等传统动高压加载技术无法取代的优点。在飞片的激光驱动原理、靶材结构、激光驱动飞片的性能测试和表征,以及激光驱动飞片技术在高压物理学、空间科学、材料微成形技术和炸药快速起爆技术中的应用等方面的研究进展进行了评述,指出了未来激光驱动飞片技术的研究和应用的发展方向。

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。

激光驱动飞片超高速发射技术实验研究

介绍了影响激光驱动超高速发射技术的各种因素。分析了激光能量、激光光束空间分布对飞片发射速度及完整性的影响和飞片靶镀膜工艺对飞片速度及完整性的影响。结果表明:空间分布为"平顶型"的激光束有利于发射出完整的飞片。在膜与基底之间增加过渡层Cr可以大大提高膜与基底之间的附着力,从而提高飞片的发射速度。实验上利用波长1 064 nm、脉宽10 ns、能量835 mJ的激光使厚度5μm、直径1 mm的铝飞片的发射速度达到10.4 km/s。大大提升了对微米级空间碎片速度的发射能力。

微装药驱动飞片速度及形态研究

飞片速度和形态对其冲击起爆性能有重要影响,采用光子多普勒干涉激光测试技术(PDV)和数值模拟方法,研究了加速膛直径、飞片厚度和飞片材料对叠氮化铅微装药驱动飞片速度和形态的影响规律。试验结果表明:飞片厚度一定时,存在一个最优加速膛直径(1.4mm)使飞片的稳定速度最大(2050m·s^(-1));最优加速膛直径下,飞片的稳定速度随飞片厚度增加而降低;飞片厚度相同时,铝飞片的稳定速度最大,钛飞片其次,不锈钢飞片最低。仿真结果表明,飞片材料为不锈钢时,30μm厚的飞片平整度最好;飞片厚度相同时,钛飞片的平整度和完整性最好。

8km/s激光驱动飞片发射技术实验研究

实验研究了激光驱动飞片技术中激光能量剖面和飞片靶金属膜层的力学特性对飞片的速度和完整性的影响,认为激光能量剖面整体呈"平顶型"的光束是发射高质量飞片的基础,同时飞片靶的膜基附着力、金属膜层的强度和韧性三者之间应保持良好的匹配才能得到完整的飞片。制备了基底/Cr/Al复合结构飞片靶,利用波长1 064nm、脉宽15ns的激光,将直径1mm、厚度3μm的铝飞片稳定驱动至8km/s。

电炮驱动薄膜飞片的运动速度

用双灵敏度激光干涉测速技术测量了充电电压为18 kV的电炮加载下薄膜飞片自由面的速度历史。介绍了相关的实验装置及测量方法,给出了实验结果,并讨论了影响测速的一些关键技术。整个测速过程约为1.6μs,最终速度为6.7 km/s。