高壓脈沖功率源與沖擊片雷管發(fā)火能量匹配關(guān)系特性試驗(yàn)方法

韓克華，王麗萍，任 西，褚恩義

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

高壓脈沖功率源是爆炸箔電起爆器(EFI)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，是沖擊片雷管（Slapper）起爆的能量源。高壓脈沖功率源中的關(guān)鍵元器件包括高壓脈沖電容器、脈沖變壓器、高壓開關(guān)[1-2]。在沖擊片雷管起爆及傳爆序列試驗(yàn)中，由于爆炸能量輸出較大，高壓脈沖功率源器件經(jīng)常被損壞，耗費(fèi)較大。為了保護(hù)起爆裝置、節(jié)約試驗(yàn)成本，同時(shí)保證沖擊片雷管可靠起爆，根據(jù)試驗(yàn)裝置要求，可以在高壓脈沖功率源輸出端與沖擊片雷管之間增加引出電纜，從而對起爆裝置進(jìn)行保護(hù)。然而，由于高壓脈沖功率源的輸出特性與放電回路系統(tǒng)的等效電阻及等效電感有很大關(guān)系，在起爆回路中增加引出電纜將使起爆回路的總電感和總電阻大幅度增加，降低脈沖功率源的輸出能量，從而影響了沖擊片雷管的發(fā)火感度。為此，本文提出高壓脈沖功率源與沖擊片雷管發(fā)火能量的匹配關(guān)系特性試驗(yàn)方法。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，包括采樣速率不低于1GS·s-1的數(shù)字存儲示波器(DSO)、高壓電源、高壓數(shù)字表、脈沖功率源、電流測量線圈、分壓器、金屬橋箔、短路線負(fù)載等。

圖1 試驗(yàn)裝置測試原理框圖Fig.1 Diagram of test principle

圖1中，利用高壓直流電源給沖擊片雷管發(fā)火裝置中高壓儲能電容器充電，用高壓數(shù)字表檢測充電電壓；當(dāng)高壓開關(guān)經(jīng)過高壓直流電源的脈沖信號觸發(fā)時(shí)，高壓開關(guān)導(dǎo)通，高壓儲能電容器上的高電壓經(jīng)過高壓開關(guān)對負(fù)載短路線或者金屬橋箔進(jìn)行放電，放電回路中的短路電流曲線或爆發(fā)電流曲線和爆發(fā)電壓曲線分別用電流測量線圈以及分壓器進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)用數(shù)字示波器進(jìn)行檢測并記錄。為保護(hù)起爆裝置，可以在高壓脈沖功率源輸出端與負(fù)載短路線或金屬橋箔間接入引出電纜。

1.2 試驗(yàn)方法

在接入引出電纜和沒有接入的兩種情況下，首先，利用沖擊片雷管發(fā)火裝置對同一個(gè)短路線負(fù)載進(jìn)行放電，通過對比放電回路中的峰值電流，確定引出電纜對峰值電流的影響，以及沖擊片雷管的發(fā)火電壓；其次，利用沖擊片雷管發(fā)火裝置對相同參數(shù)的金屬橋箔進(jìn)行放電，通過對比金屬橋箔的爆發(fā)電流，確定引出電纜對金屬橋箔爆發(fā)電流的影響，以及沖擊片雷管的發(fā)火電壓；最后，將上述兩步得到的沖擊片雷管的發(fā)火電壓進(jìn)行對比，確定在發(fā)火回路中增加一定長度的引出電纜后沖擊片雷管的發(fā)火電壓，分析理由并進(jìn)行發(fā)火試驗(yàn)驗(yàn)證。

根據(jù)沖擊片雷管發(fā)火裝置的實(shí)際需要，在脈沖功率源輸出端接入長度為100mm的引出電纜，再接入負(fù)載進(jìn)行測試。當(dāng)負(fù)載為短路線時(shí)，發(fā)火裝置通過引出電纜對短路線負(fù)載進(jìn)行放電，利用示波器、電流測量線圈對放電回路中的峰值電流、振蕩周期進(jìn)行測試；當(dāng)負(fù)載為金屬橋箔時(shí)，發(fā)火裝置通過引出電纜對金屬橋箔進(jìn)行放電，通過爆發(fā)電壓可以準(zhǔn)確地確定爆發(fā)電流，相應(yīng)的參數(shù)如爆發(fā)電流、爆發(fā)電壓、爆發(fā)時(shí)間、峰值電流、峰值時(shí)間可以通過示波器、電流測量線圈、分壓器進(jìn)行測量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 短路放電數(shù)據(jù)測試

在加載電壓為1.2kV、1.5kV、1.8kV、2.0kV、2.2kV、2.5kV、2.8kV、3.0kV的條件下，對同一大功率短路負(fù)載進(jìn)行放電測試。根據(jù)美軍標(biāo)MIL-DTL-23659D的要求，要求脈沖功率源在短路放電時(shí)，測量短路放電電流應(yīng)包含至少5個(gè)等間隔減幅振蕩波形[3]。在測量頻率為1MHz的測量條件下，所測試的短路負(fù)載的等效電阻為50mΩ，等效電感為70nH，長度為100mm的引出電纜的電感為30nH，電阻為40mΩ。起爆裝置短路放電所測試的放電波形如圖2所示，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 短路放電波形及測試參數(shù)Fig.2 Curve of the short circuit discharge

表1 沖擊片雷管發(fā)火裝置短路放電性能參數(shù)Tab.1 Data of the short circuit discharge

對比表1中的數(shù)據(jù)，可見在同樣發(fā)火電壓條件下，同樣的起爆裝置在接入引出電纜時(shí)，電流峰值相比未接入電纜有所下降，而周期增長，這是由于接入引出電纜使放電回路總電感和總電阻增大的緣故。通過表1可以看出，1.5kV發(fā)火電壓下1#起爆裝置的第1峰值電流為900A，2#起爆裝置的第1峰值電流為820A，根據(jù)測試系統(tǒng)的精度和誤差要求，認(rèn)為電流峰值下降幅度在測試誤差范圍之內(nèi)（±100A）。對比其他放電電壓下的峰值電流，也可見接入引出電纜后的峰值電流變化較小，說明接入引出電纜對沖擊片雷管的發(fā)火電壓影響不明顯。

2.2 爆炸橋箔電爆性能參數(shù)測試

對相同參數(shù)的金屬橋箔，分別在1.2kV、1.5kV、1.8kV、2.0kV、2.2kV、2.5kV、2.8kV、3.0kV的條件下放電，對各發(fā)火電壓下金屬橋箔的爆發(fā)參數(shù)進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 爆炸橋箔電爆性能參數(shù)Tab.2 Data of the electrical exploding parameters of exploding foil

通過對表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行金屬橋箔放電試驗(yàn)中，在同樣發(fā)火電壓條件下，同樣的起爆裝置在接入引出電纜后，相比未接入引出電纜的峰值電流有所下降、峰值時(shí)間和爆發(fā)時(shí)間增長，這是由于接入引出電纜使放電回路總電感和總電阻增大的緣故。在發(fā)火電壓為1.5kV時(shí)，峰值電流從1 670A下降到1 440A，下降了230A，爆發(fā)電流從1 580A下降到1 340A，下降了240A，下降幅度明顯。對比其他放電電壓點(diǎn)下的峰值電流和爆發(fā)電流，也說明接入引出電纜和未接入引出電纜時(shí)，數(shù)值有明顯的變化。兩種情況的爆發(fā)電流曲線如圖3～4所示。

圖3 未接入引出電纜時(shí)的爆發(fā)電流曲線Fig.3 Discharge curves of exploding foil without cable

圖4 接入引出電纜的爆發(fā)電流曲線Fig.4 Discharge curves of exploding foil with cable

由圖3～4兩組曲線可以明顯地看出，在未接入引出電纜時(shí)，爆發(fā)曲線較為光滑，爆發(fā)點(diǎn)明顯，而接入引出電纜后，爆發(fā)曲線不光滑，爆發(fā)點(diǎn)不明顯；并且在相同發(fā)火電壓下，爆發(fā)點(diǎn)靠近峰值電流位置也不相同，接入引出電纜的爆發(fā)點(diǎn)遠(yuǎn)離未接入引出電纜的爆發(fā)點(diǎn)位置，這說明接入引出電纜后，能量利用率較低。電流對比曲線如圖5所示。

圖5 電流曲線Fig.5 Current curves of exploding foil

通過圖5可以看出，在接入引出電纜和未接入兩種情況下，峰值電流曲線和爆發(fā)電流曲線均距離較遠(yuǎn)，數(shù)值有明顯的變化；但是，發(fā)現(xiàn)同一爆發(fā)電流值時(shí)，兩種情況下的發(fā)火電壓相差300V，表明爆發(fā)電流相同時(shí)，接入引出電纜和未接入引出電纜的發(fā)火電壓相差300V。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，可以進(jìn)行沖擊片雷管發(fā)火驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.3 沖擊片雷管發(fā)火驗(yàn)證試驗(yàn)

使用同批次沖擊片雷管進(jìn)行發(fā)火驗(yàn)證試驗(yàn)，分別在接入引出電纜和未接入兩種條件下進(jìn)行發(fā)火感度試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 發(fā)火感度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Data of the firing sensitivity

通過表3的數(shù)據(jù)可以看出，該批次的沖擊片雷50%發(fā)火電壓為1.35kV，最小全發(fā)火電壓為1.48kV。接入引出電纜后，50%發(fā)火電壓增加260V，最小全發(fā)火電壓增加280V，與根據(jù)爆發(fā)電流所得到的300V結(jié)論較為符合。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

高壓脈沖功率源電路可以等效成為RLC串聯(lián)電路，根據(jù)RLC串聯(lián)電路特性可知，高壓脈沖功率源的輸出特性與起爆系統(tǒng)的等效電阻及等效電感有很大關(guān)系[4-6]。起爆回路增加的引出電纜使回路總電感增大，根據(jù)美軍標(biāo)MIL-DTL-23659D中對高壓脈沖功率源的等效電感要求（20～30nH），可知短路放電峰值電流與加載電壓成正比，與總電感的平方根值成反比，所以總電感對短路放電電流峰值有較小的影響，加載電壓的影響較大。由測試結(jié)果可以看出，同一放電電壓下，在未接入引出電纜和接入時(shí)，短路放電電流峰值減小幅度不明顯，試驗(yàn)結(jié)果符合理論分析結(jié)論。

沖擊片雷管在作用過程中，其內(nèi)部金屬橋箔在高壓脈沖功率源瞬間放電時(shí)產(chǎn)生的大電流作用下，產(chǎn)生電爆炸帶動飛片撞擊鈍感炸藥柱將其引爆，在此過程中，金屬橋箔需要在短時(shí)間內(nèi)得到足以使其產(chǎn)生等離子體的能量，這就要求高壓脈沖功率源輸出的脈沖大電流在幅度和時(shí)間特性上都能滿足要求[7]，所以金屬橋箔的爆發(fā)電流的大小是影響沖擊片雷管能否發(fā)火的直接因素。但是根據(jù)脈沖功率源放電特性可知，產(chǎn)生強(qiáng)電流陡脈沖的高壓脈沖功率源等效電感越小，爆發(fā)電流曲線峰值越大，電流脈沖前沿越陡；等效電感越大，爆發(fā)電流曲線峰值越小，電流脈沖前沿越平緩；高壓脈沖功率源等效電阻越小，峰值電流越大，到達(dá)峰值電流的時(shí)間越長；等效電阻越大，電流越小，到達(dá)峰值電流的時(shí)間越短。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在起爆回路增加引出電纜時(shí)，同一發(fā)火電壓下，峰值電流和爆發(fā)電流數(shù)據(jù)有所減小，這是由于高壓脈沖功率源輸出的能量有一部分損耗在引出電纜上，導(dǎo)致峰值電流和爆發(fā)電流減小，試驗(yàn)結(jié)果符合理論分析。

4 結(jié)論

本文針對高壓脈沖功率源接入引出電纜后與沖擊片雷管發(fā)火能量的匹配問題，提出了特性試驗(yàn)方法。采用試驗(yàn)裝置測試并分析接入引出電纜對發(fā)火裝置短路放電性能參數(shù)的影響，同時(shí)進(jìn)行了理論分析以及沖擊片雷管發(fā)火驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)表明在脈沖功率源輸出端增加100mm的引出電纜后，沖擊片雷管發(fā)火電壓需提升300V，此時(shí)輸出能量等價(jià)于未接入引出電纜的輸出能量。

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