九点爆炸箔电爆炸性能试验与仿真模拟

苏 谦，褚恩义，解瑞珍，刘 卫，薛 艳，任小明，韩克华

九点爆炸箔电爆炸性能试验与仿真模拟

苏 谦，褚恩义，解瑞珍，刘 卫，薛 艳，任小明，韩克华

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学重点实验室，陕西 西安，710061）

为探索多点爆炸箔施加电压与爆发电流之间的关系以及支路、单点电流的分布情况，对设计的三点串联后并联的九点爆炸箔进行了仿真与试验研究。结果表明：随着充电电压的升高，桥箔爆发电压逐渐升高，支路电流逐渐升高，桥箔爆发时间减小。试验测得的一体化九点爆炸箔爆发电流值为单条支路上电流值，3条支路上电流值一致，总回路中的电流值符合欧姆定律。本研究为一体化多点爆炸箔与单点组合多点爆炸箔起爆阵列感度研究提供了理论支持。

爆炸箔；电爆炸；ANSYS；仿真计算

爆炸箔起爆器（exploding foil initiator，简称EFI）是目前本质安全性最高的火工品，其对极端恶劣环境具有很强抵抗力，并且具有起爆高可靠性、高瞬发性特点，可满足大型战斗部高安全性、高可靠性的起爆要求[1-3]。国外报道了采用冲击片雷管作为定向战斗部起爆装置的研究，并采用多发冲击片雷管同步起爆钝感炸药[4]。国内韩克华等[5]也开展了冲击片雷管用于定向战斗部直列式多点起爆系统的研究。因此，采用多发冲击片雷管起爆战斗部已成为国内外同步起爆技术的重要研究方向。

冲击片雷管由基板、桥箔、飞片、加速膛和炸药柱等组成。爆炸箔作为冲击片雷管的核心换能组件，经历固态-液态-气态-等离子体的相变过程，在整个能量转换过程中起着至关重要的作用。本研究对设计的一体化三串三并九点爆炸箔进行了仿真与试验研究，探索了多点爆炸箔施加电压与爆发电流之间的关系，以及支路、单点电流的分布情况，为多点桥箔的结构设计和阵列排布提供理论指导，为多点爆炸箔起爆阵列设计提供参考。

1 九点爆炸箔结构设计

在设计多点同步起爆的爆炸箔过程中，爆炸箔的排列方式尤为重要，桥箔串并联连接方式直接影响雷管阵列能量利用率[6]。秦国圣等[7]对两点串联、两点并联、三点串联桥箔、三点并联桥箔、两点串联后两两并联四点桥箔进行了桥箔电爆炸性能对比试验，由对比试验得出，串并联组合方式兼顾了串联起爆的一致性和并联起爆充分利用脉冲功率源能量的优势，可以提高多点起爆的同步性及提高桥箔爆炸的能量利用率。因此，本文设计九点爆炸箔起爆器，采用三点串联后再三组并联的连接方式。桥箔具体结构见图1，桥箔设计尺寸见表1。

图1 九点爆炸箔结构图

表1 桥箔设计尺寸[8]

Tab.1 Design dimensions of bridge foil

对九点及单点爆炸箔电阻值进行测试，测试结果如表2所示，从表2可以看出设计的三串三并连接方式的九点爆炸箔等效电阻与单点爆炸箔电阻接近。

表2 桥箔电阻值 (mΩ)

Tab.2 Resistance value of bridge foil

2 九点爆炸箔电爆炸性能试验研究

2.1 试验原理与装置

爆炸箔电爆过程为在高压脉冲功率源产生的窄脉冲大电流下，金属桥箔瞬间发生电爆炸，产生等离子体轰击飞片，在加速膛内剪切，撞击炸药柱。随着冲击片雷管串联起爆点数的增加，起爆时回路等效电阻与等效电感也随之增加，桥箔爆炸时的爆发电流和爆发电流密度明显降低。爆炸箔电爆性能测试装置如图2所示，包括高压电源、脉冲功率源、发火回路（包括0.44μF电容，耐压3 500V火花隙开关）、数字高压表、电流环、分压器、示波器等。

图2 实验电路原理图

2.2 试验结果与分析

通过高压电源对电容进行充电，得到不同充电电压下，桥箔两端的电压与电流曲线，如图3所示。电压曲线峰值处为爆发时刻，爆发点处电压与电流数值见表3。试验中9点桥箔全部发生电爆炸，试验前后桥区图对比见图4。

图3 不同充电电压下桥箔电压与电流变化曲线

图4 爆炸箔试验前后对比图

表3 九点桥箔电爆炸参数

Tab.3 Electrical explosion parameters of 9-point bridge foil

从表3中可以看出，随着充电电压逐渐升高，桥箔两端爆发电流、爆发电压、峰值电流逐渐升高，从触发到爆发时刻时间逐渐降低。

由于从表3中无法看出九点爆炸箔施加电压与爆发电流之间的关系以及支路、单点电流的分布情况，依据该试验数据对九点爆炸箔起爆器阵列起爆感度进行设计还相对欠缺，因此，在该性能测试的基础上对九点爆炸箔电爆性能进行仿真研究。

2.3 九点爆炸箔仿真计算

2.3.1 仿真模型及验证

仿真计算采用ANSYS/Multiphysics软件，首先建立仿真模型，选择单元类型，划分网格，设置铜箔相应参数，施加载荷，求解计算。通过对桥箔一端施加0V的电位约束，对另一端施加1A稳态电流，求解得到九点爆炸箔电压分布，如图5所示。通过分析爆炸箔两端的电压值数值上等于九点爆炸箔的电阻值，得到九点爆炸桥箔电阻值，如表4所示。

从图5中可以看出，电压在同一条支路上阶梯分布，同一列桥箔电压分布基本一致，九点桥箔电阻为43.08mΩ，对比表2测得的44.15mΩ，误差2.6%，说明建立的仿真模型正确，可以使用此仿真模型进行电爆炸性能仿真。

图5 九点爆炸箔电压分布图

表4 九点爆炸箔电阻值仿真与试验对比

Tab.4 Comparison of simulation value and test value of 9-point bridge foil resistance

2.3.2 九点爆炸箔电爆炸仿真

试验中，通过给电容器两端充电，触发后流经桥区，发火回路中电感对施加在桥区两端的电压影响较大。通过施加电容在不同充电电压下放电电压载荷，求解得到各支路上电流密度数值，进而运用公式1[9]得到爆发时刻支路电流。图6为不同电压下九点桥箔电流密度分布，统一单位后具体数值见表5。

式（1）中：ρc为单位长度截面积单元体密度；Vc为单元体体积；I为电流。

表5 桥箔电爆炸仿真计算结果与实测值对比

根据文献[9-13]，可知金属铜爆炸电流密度为9.9×106mA/mm3，从表5可以看出，桥区4个拐角处电流密度最大，最先实现电爆炸；且在此电流密度下，九点爆炸箔可全部发生电爆炸，与试验结果一致，仿真计算得到的单条支路上爆炸电流值与实际测得的结果非常接近，误差不超过10%。由此，可得出结论：试验中测得爆发电流值为3条支路中最先发生电爆炸的支路上的电流值，总回路中的电流符合欧姆定律，应为3条支路电流的叠加值。

3 结论

本文设计三串三并共九点爆炸箔，对其进行电爆炸性能测试与仿真计算，可以得出如下结论：

（1）随着充电电压的升高，桥箔爆发电压逐渐升高，支路电流逐渐升高，桥箔爆发时间减小；

（2）试验测得的一体化九点爆炸箔爆发电流值为单条支路上电流值，3条支路上电流值一致，总回路中的电流值符合欧姆定律；

（3）一体化制作的九点爆炸箔桥区4个拐角处电流密度最大，最先发生电爆炸；且在此电流密度下，九点爆炸箔可全部实现电爆炸。

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Experimental Study and Simulation on the Electrical Explosion Performance of Nine-point Explosive Foil

SU Qian，CHU En-yi，XIE Rui-zhen，LIU Wei，XUE Yan，REN Xiao-ming，HAN Ke-hua

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

To explore the relationship between the applied voltage and the burst current of the multi-point explosive foil, and the distribution of the branch and single-point current, the simulation and experimental research on the design of nine-point explosion foil in parallel after three points in series were carried out. The results show that with the charging voltage increases, the burst voltage of the bridge foil increases gradually, as well as the branch current, and burst time of the bridge foil is shortened. The experimental measured burst current value of integrated nine-point explosion foil is the current value of a single branch, the current values of the three branches are consistent, and the current value in the total loop conforms to Ohm's law. It provides theoretical support for the sensitivity study of integrated multi-point explosive foil and single-point combined multi-point explosive foil detonation array.

Explosive foil；Electrical explosion；ANSYS；Simulation calculation

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.004

1003-1480（2019）05-0015-04