爆炸速度测试

第28卷第1期爆炸与冲击Vol.
28,No.
12008年1月EXPLOSIONANDSHOCKWAVESJan.
,2008文章编号:1001-1455(2008)01-0028-05爆炸箔起爆器小尺寸飞片速度测试*王桂吉1,2,邓向阳2,谭福利2,刘俊2,张宁2,谷岩2,彭其先1,2,吴刚2,韩梅2(1.
中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室,四川绵阳621900;2.
中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900)摘要:设计了一套爆炸箔起爆装置,通过精确控制桥箔-飞片-加速腔三者的定位,在飞片表面镀一定厚度的铝膜(铝膜的质量与飞片的质量相比可忽略),合理选择VISAR探头的工作距离和与干涉腔延迟时间相关的条纹常数,屏蔽测试系统以及加设滤光片等,利用VISAR测试技术有效解决了小尺寸飞片速度的测试问题.
给出了两种尺寸0.
7mm*0.
025mm和0.
5mm*0.
025mm飞片的速度测试结果.
结果表明,采取新的措施后,获得了信噪比好、能正确反映爆炸箔起爆器驱动飞片物理过程的信号和飞片速度历史.
关键词:爆炸力学;速度测量;VISAR;小尺寸飞片;爆炸箔起爆器中图分类号:O384国标学科代码:130·3599文献标志码:A1引言爆炸箔起爆器(Explodingfoilinitiator,EFI),亦称冲击片雷管,其原理是利用金属箔电爆炸驱动聚酯薄膜加速飞行冲击起爆炸药,广泛应用于各类武器系统的起爆序列中.
该装置设计的一个重要特征参数是飞片速度,它不仅对雷管的可靠性评价十分重要,而且可为EFI的优化设计提供量化依据.
研究飞片速度的方法包括理论研究和实验研究.
理论研究主要通过分析金属箔电爆炸驱动飞片运动的物理过程,建立相应的物理模型,用数值或解析的方法求解[1-5].
实验研究主要借助光学或光电结合的方法测量爆炸箔起爆器飞片的速度历史.
通常有有机玻璃台阶法、高速摄影技术、利用多普勒频移效应的VISAR(Velocityinterferometersystemforanyreflector)和Fabry-Perot激光干涉技术等[6-9].
国外对这一问题的研究非常成熟,已经很好地解决了小尺寸飞片速度的实时测量,最常用的诊断工具就是VISAR和Fabry-Perot激光干涉仪[8-9].
国内,VISAR测试技术已经成熟,被广泛应用于气炮、爆轰加载驱动金属飞片的实验研究中[10-12].
而应用于金属箔电爆炸驱动聚酯薄膜飞片的速度测量问题一直没有得到很好的解决.
直到2004年,赵剑衡等[13]、邓向阳等[14]解决了金属箔电爆炸驱动大面积飞片的速度测量问题.
而爆炸箔起爆器的飞片尺寸更小,小于1mm,飞片的加速过程更快,约为200ns,对于这种小尺寸飞片的速度测量问题,一直没有得到有效解决.
究其原因,除了飞片尺寸更小、加速过程更快外,飞片材料常为聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜,厚度约为0.
025mm,透光,对光的反射弱;如装配稍有不慎,由于空气的作用,飞片在飞行过程中姿态容易发生变化,例如飞片倾斜将导致反射信号偏离接收透镜.
另外,爆炸箔起爆器的作用过程中,伴随着强电磁场和强光,严重干扰光电器件的正常工作.
这些环节,如果有一个没有解决好,就将得不到预期的测量信号.
何碧等[15]、赵剑衡曾对该问题进行过研究.
赵剑衡的实验数据解决了条纹丢失的问题,但由于使用的是短工作距离探头(几个毫米),数据的完整性得不到保证,加速的后期信号容易丢失,涉及的飞片尺寸为1.
2mm,对于更小尺寸飞片的情况还未涉及.
在赵剑衡工作的基础上,本文中利用VISAR激光干涉仪进一步研究小尺寸飞片的速度测试问题.
飞片尺寸为0.
7mm*0.
025mm和0.
5mm*0.
025mm.
*收稿日期:2006-06-29;修回日期:2007-03-06作者简介:王桂吉(1977—),男,博士研究生,助理研究员.
2实验装置及测试方法建立了一套爆炸箔起爆装置,如图1所示,回路中电容为0.
446μF,充电电压约为6kV,电感为49nH,电阻为180mΩ,周期为0.
968μs.
飞片速度测试采用双灵敏度VISAR进行,测量原理和VISAR结构示意图参见文献[14],测量系统布局如图2所示.
图1爆炸箔起爆器结构示意图Fig.
1StructuresketchofEFI图2实验测量布局示意图Fig.
2Schemeofthemeasurementarrangement3测量措施针对爆炸箔起爆器飞片速度测试的难点,采取了以下措施,使该问题得到了很好解决.
(1)强电磁场的干扰问题.
为防止强电磁场对测试系统光电转换器和记录设备的干扰,测试过程中,将实验装置与测试系统和记录设备分开,测试系统和记录设备置于屏蔽间,所有仪器设备采用光纤同步机控制.
(2)金属箔电爆炸产生的强光问题.
金属箔电爆炸产生的光强远大于测试所需的激光光源的强度,因此探头接收到的有用信号被金属箔爆炸发光叠加,记录到的将是干扰信号.
解决该问题的办法是在VISAR系统的输入端加一滤光片,该滤光片将金属箔爆炸产生的光滤去,让激光光源的反射光通过.
(3)反射光偏离接收透镜问题.
飞片飞行过程中受到前方空气的影响,飞行姿态可能会发生小的变化,导致其表面的反射光有一个小角度的偏离,致使接收透镜可能接收不到反射光,信号丢失.
采用工作距离长的测试探头能有效解决该问题,飞片的加速范围通常为0~1mm,长工作距离的探头对反射信号微小变化不敏感,而短工作距离的探头则较难控制.
(4)飞片表面的处理.
飞片材料为聚酰亚胺薄膜,颜色为金黄色,对绿光光源的反射较弱,因此需对其表面进行镀膜处理,通常镀铝膜较合适.
需要注意的是所镀铝膜与飞片的结合要紧、均匀,铝膜不能在有效飞行过程中剥落,否则信号丢失.
所镀铝膜的厚度控制在0.
003mm左右,不能太厚,否则会增加飞片的质量;又不能太薄,否则容易剥落,也不能起到遮盖金属箔爆炸产生的光的效果.
(5)飞片飞行姿态的控制.
飞片飞行姿态的控制主要源于对金属桥箔、飞片和加速腔三者的控制.
首先是飞片与金属桥箔的粘接问题,以往的经验是采用胶粘结的办法进行粘结,带来的问题是胶无法均匀涂布,厚度不均,造成飞片受力不均,飞行过程中姿态容易改变.
为解决该问题,采用了排空气的方法,靠大气压力将飞片和金属桥箔紧贴在一起.
其次是三者的定位对心问题,为此,设计了一套定位装置,通过机械设计的尺寸高精度公差配合进行定位对心.
测试中,VISAR干涉腔条纹常数的选择也很关键,条纹常数太小,虽可记录较多的条纹数,但容易引起条纹丢失;而条纹常数太大,记录的条纹数较少,这样会给数据处理带来较大的误差.
条纹数的选择,应该根据实际飞片可能达到的速度以及加速过程快慢来判断.
对于爆炸箔起爆装置来讲,飞片速度为2~5km/s,整个加速过程需要200ns左右,是一个相对较快的过程.
据此,实验VISAR干涉腔的条纹常数选用446和796m/s两种,保证数据记录系统能记录至少2~3个干涉条纹.
92第1期王桂吉等:爆炸箔起爆器小尺寸飞片速度测试图3实验获得的典型原始信号Fig.
3Originalsignalsrecordedinexperiments4测试结果及分析图3是实验中得到的典型原始信号.
结果显示,信号具有较好的信噪比,没有发生条文丢失.
图4是两种飞片尺寸0.
7mm*0.
025mm和0.
5mm*0.
025mm情况下的测试结果.
结果表明,对于尺寸为0.
5mm*0.
025mm的飞片,电容器充电电压为2.
5kV的情况下,飞片飞行0.
5mm后,飞片基本达到最高速度4.
042km/s.
而对尺寸为0.
7mm*0.
025mm的飞片,电容器充电电压为2.
5kV时,飞片飞行0.
35mm后,飞片基本达到最高速度2.
992km/s.
前者飞片的加速时间约为210ns,而后者飞片的加速时间约为180ns.
两种情况下,飞片整个加速历程所反映出的金属桥箔电爆炸驱动飞片的物理过程与大尺寸飞片的相同[13-14],也与文献[16]的结果相同.
图4不同尺寸的飞片位移及速度历史Fig.
4Historyofdisplacementandvelocityoftheflyerwiththedifferentsize图5文献[15]的实验结果Fig.
5Experimentalresultfromreference[15]测试结果还表明:实验条件不相同的情况下,飞片达到最大速度所需的飞行时间和距离并不相同,且相差较大,通常飞片的飞行距离为0.
3~1mm.
具体的变化规律需要在以后的工作中进一步研究.
图5是文献[15]公布的一发测量结果,比较图4和图5可以看出,图5的实验结果中发生了明显的条文丢失问题,因而未反映出金属桥箔电爆炸驱动飞片的物理过程;可能由于测量信号受到干扰,后期曲线震荡较大.
03爆炸与冲击第28卷5结论在采取第三节所述的措施基础上,利用VISAR测试系统,有效解决了爆炸箔起爆器小尺寸飞片速度的测量问题,获得了信噪比好、能正确反映爆炸箔起爆器驱动飞片物理过程的信号和飞片速度历史,为该装置飞片飞行运动规律的研究奠定了基础.
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13第1期王桂吉等:爆炸箔起爆器小尺寸飞片速度测试VelocitymeasurementofthesmallsizeflyerofanexplodingfoilinitiatorWANGGui-ji1,2*,DENGXiang-yang2,TANFu-li2,LIUJun2,ZHANGNing2,GUYan2,PENGQi-xian1,2,WUGang2,HANMei2(1.
LaboratoryforShockWaveandDetonationPhysicsResearch,InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,Sichuan,China;2.
InstituteofFluidPhysics,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,Sichuan,China)Abstract:Anexplodingfoilinitiatorwasdesigned.
Thequestionofthevelocitymeasurementofsmall-sizeflyerwaseffectivelysolvedbyadoptingthemeasuresasfollows:(1)accuratelycontroltheorien-tationofbridgefoil,flyerandbarrel;(2)putathinaluminumfilmonthesurfaceoftheflyerandthemassofthealuminumfilmcanbeneglectedcomparedwiththatoftheflyer;(3)reasonablychoosetheworkdistanceoftheVISARprobeandthefringeconstantsrelatedwiththetimedelayofinterfer-encecavity;(4)shieldmeasuringsystemandusetheopticalfilter.
Thevelocitymeasurementresultsoftheflyerswithtwodifferentsizesof0.
7mm*0.
025mmand0.
5mm*0.
025mmweregiven.
ComparedwiththeresultsbyWeingartRC,theobtainedresultsaftertakingthemeasuresabovearewithgoodsignal-to-noiseratios,andcanreflectthephysicalessenceofexplodingfoilinitiatordrivingflyer.
Keywords:mechanicsofexplosion;velocitymeasurement;VISAR;smallsizeflyer;explodingfoilinitiator23爆炸与冲击第28卷*Correspondingauthor:WANGGui-jiE-mailaddress:wangguiji@126.
comTelephone:86-816-2491854