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。     

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。     

激光驱动飞片冲击应力实验研究

为了对激光驱动飞片的冲击应力进行测试,利用PVDF压电材料,自制了满足测试需要的应力计,并给出了应力计的动态标定曲线。通过对激光驱动复合飞片和单层飞片的冲击应力进行测试分析,可知对于激光驱动飞片起爆系统,应用较厚复合飞片可获得较大的冲击应力以及较长的持续时间,并指出了PVDF应力计测试中的若干注意事项。     

基于激光驱动的复合飞片参数与性能

在激光驱动飞片技术中,复合飞片的使用可提高对激光的能量利用率,从而获得更高的速度。为进一步研究复合飞片各层参数对激光驱动飞片速度的影响,采用Ti、C、Al2O3、Al等材料制备了不同参数的复合飞片,利用小型掺钕钇铝石榴石晶体ND:YAG固体激光器在200~300 mJ能量下进行了驱动飞片试验,并通过光子多普勒测速仪(PDV)对飞片速度进行了测试。结果表明,在厚度控制合理的情况下,增加了吸收层(0.15μm,Ti)的复合飞片最大速度较单层飞片提高了约110%,同时增加了烧蚀层(0.3μm,Al)和隔热层(1.0μm,Al2O3)的复合飞片最大速度较单层飞片提高了约41%,并对复合飞片的能量利用率及加速距离进行了分析,表明激光驱动复合飞片在0.02μs左右可达到最大速度的90%,在0.08μs左右可达到最大速度。     

激光驱动飞片系统结构及参数设计

激光驱动飞片是一种获得动高压的新兴技术。激光与飞片的能量耦合效率、飞片的平整性是影响激光驱动飞片性能的关键因素,而激光参数、飞片结构及参数是能量耦合和飞片平整性的主要影响因素。分析了激光驱动飞片的原理,激光驱动飞片的结构和参数设计,提出了进一步研究所面临的问题。     

一种新型爆炸驱动飞片系统

我们描述了一种用于驱动厚飞片达到高速度而不产生碎片的新技术，并且在一个很大范围内具有非常好的平面性。     

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。     

激光驱动飞片起爆HNS-IV飞片膜参数设计研究

设计了3种不同结构参数的飞片膜,基于激光驱动飞片起爆理论,进行了不同膜结构飞片的速度计算与测试,并完成了激光驱动飞片起爆HNS-IV压装药柱(ρ=1.566g/cm3)的实验,分别获得了其最低起爆阈值。结果表明实验结果与理论分析具有良好的一致性,在优化设计参数下,复合飞片起爆性能及稳定性优于单膜飞片。本研究为飞片膜的优化设计提供了参考。     

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。     

加速膛刀口直径对激光驱动飞片影响的研究

为研究激光驱动飞片起爆装置中加速膛刀口直径对输出飞片速度的影响,利用Lawrence Gurney模型进行了理论分析,并设计了不同直径的刀口进行切割聚酰亚胺膜和冲击起爆HNS-Ⅳ试验.理论分析和试验结果均表明:随着加速膛刀口直径减小,输出飞片的速度增大,产生的冲击强度增大;试验未能成功起爆HNS-Ⅳ,但随着加速膛刀口直...     

电爆炸箔加速飞片的动力学模型

本文分析了爆炸金属箔加速飞片的物理过程，介绍计算飞片速度的经验模型和动力学模型。在动力学模型的计算中，利用高斯曲线形的拟功率曲线代替实测功率曲线。飞片速度的计算结果与实验符合较好。     

激光驱动飞片中Al2O3隔热层的制备研究

为了在飞片靶中加入氧化铝隔热层,以提高飞片速度,增大飞片冲击炸药的压力,确保炸药的可靠起爆,利用真空射频磁控溅射法制备了激光驱动复合多层飞片靶中的Al2O3隔热层,在溅射功率238W、溅射气压0.4Pa、Ar气流量30sccm、靶基距11cm条件下,得到Al2O3薄膜的沉积速率为125nm/h,制备的Al2O3薄膜为非晶结构,其表面均匀、致密,没有孔洞等缺陷,为后续复合多层飞片靶的制备提供支持.     

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。     

PDV方法测量电爆炸驱动小飞片速度

为优化爆炸箔起爆器性能,采用光子多普勒速度测量技术(PDV)获得了电爆炸驱动小飞片的速度历程。设计了一种电爆炸驱动小飞片测试装置,可以产生Φ0.35 mm×25μm尺寸的小飞片,试验中未对飞片进行任何处理。对两发电爆炸驱动小飞片进行了PDV测速试验,获得了小飞片的速度历程,测得的有效时长约为160 ns。两发飞片的最大速度分别为4520 m·s-1和4330 m·s-1,速度差约为4%,一致性较好。飞片速度剖面有明显拐点。在拐点之前速度上升较快,在60 ns(0.1 mm位移)内达到了最终速度的75%。在拐点之后,速度上升相对变缓,在100 ns内完成了剩余25%速度的增加。     

爆炸箔尺寸对飞片速度的影响

爆炸箔是冲击片雷管的关键部件,为了获得爆炸箔的厚度和桥区尺寸对冲击片雷管飞片速度的影响,通过光纤台阶法测试了不同厚度和桥区尺寸的爆炸箔驱动飞片的情况。结果表明:在电压3.4 kV、电流3.5 kA的起爆条件下,最佳的爆炸箔厚度为3.67μm,可以驱动飞片产生2 307 m/s的速度;随着爆炸箔桥区尺寸的减小,飞片速度逐渐提高。因此,可以看出在一定的起爆能量下,驱动飞片达到最大速度的爆炸箔存在一个最佳厚度值;在爆炸箔厚度一定的情况下,减小爆炸箔的桥区尺寸,可以提高爆炸箔驱动飞片的能力,从而可以达到降低冲击片雷管起爆能量阈值的目的。     

激光冲击片雷管中飞片的结构优化及性能测试

为有效提升激光冲击片雷管的能量利用率,需对雷管中的飞片结构进行设计和优化。在对飞片进行结构设计的基础上,采用磁控溅射和扫描电镜(SEM)的方法完成了C/Al/Al2O3/Al飞片的制备和表征,获得了飞片各层的制备速率和表面形貌;采用光子多普勒测速系统(PDV)测试了不同参数C/Al/Al2O3/Al飞片的加速历程,发现在相同激光入射能量下,不同参数飞片的加速历程有所不同,设计制备的0.05/0.7/0.7/20.0μm复合飞片(Φ1.0mm)能量利用率最高,飞片速度达到2301 m·s-1。结合飞片各层材料的物理特性分析得到,石墨吸收层的反光系数、汽化能与导热性能,及Al2O3隔热层的表观致密度、电离势能和导热性能直接影响飞片的速度,而飞片加速时间与石墨吸收层较高的导热率相关。     

小尺寸电爆炸箔推动飞片运动速度的经验计算

基于平面一维电格尼公式及电格尼常数与飞片直径有关的假设,推导出一个可以用来计算冲击片雷管中小尺寸电爆炸桥箔推动薄绝缘飞片运动速度的经验公式,对国外发表的40余发实验数据,计算结果与实验值的偏差在±8%以内,可作为冲击片雷管设计的一个实用的工程应用工具.     

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。