淺析國外電爆閥電爆機(jī)理研究進(jìn)展

袁洪濱，胡　攀，王志永，孫　磊

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

淺析國外電爆閥電爆機(jī)理研究進(jìn)展

袁洪濱，胡攀，王志永，孫磊

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

電爆機(jī)理的分析和研究是電爆閥的技術(shù)關(guān)鍵和設(shè)計難題，因其涉及到電學(xué)、爆炸學(xué)、力學(xué)及熱學(xué)等多學(xué)科耦合，其復(fù)雜性直接影響電爆閥設(shè)計正確性和工作可靠性。為準(zhǔn)確理解和認(rèn)識電爆機(jī)理并指導(dǎo)電爆閥設(shè)計，通過對國外相關(guān)電爆成果的研究，從電爆閥電爆機(jī)理理論、仿真和試驗等方面深入分析目前國外電爆閥的電爆研究方法和成果。闡述了電爆機(jī)理研究思路，通過簡化研究對象，采用仿真手段，結(jié)合試驗測試對電爆機(jī)理進(jìn)行定性和定量研究，并最終有利于指導(dǎo)電爆閥產(chǎn)品研制。

電爆閥；電爆機(jī)理；研究進(jìn)展

0　引言

電爆閥工作原理為利用電爆管火藥燃燒時產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)馔屏κ一钊\(yùn)動，使切破件破裂，形成介質(zhì)通路或斷路。對常閉電爆閥進(jìn)行分析，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電爆管、活塞（切刀）、殼體和切破件組成。

圖1　電爆閥結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig.1　Principle diagram of pyrotechnic valve

電爆閥工作過程非常快，一般為0.3～1 ms，在這過程中伴隨著燃燒、氣體膨脹、金屬件的破裂以及高溫高壓燃?xì)獾臎_擊，作用在切破件表面上形成塑性變形甚至斷裂。由于對電爆閥工作機(jī)理研究不夠深入，導(dǎo)致工程研制中出現(xiàn)切破件未切破、泄漏等問題，影響到產(chǎn)品質(zhì)量和工作的可靠性。而電爆閥電爆管火藥燃燒及其對電爆閥切破作用機(jī)理研究成為制約精細(xì)化設(shè)計水平的關(guān)鍵。

國外對該項技術(shù)研究主要有理論分析、仿真計算以及試驗研究等幾種方法。本文主要總結(jié)了國外電爆機(jī)理的相關(guān)研究成果，并就電爆機(jī)理研究的方法進(jìn)行分析和總結(jié)，提煉出切實有效的電爆機(jī)理研究方法和途徑。

1　電爆理論分析

電爆機(jī)理研究主要涉及火藥爆炸燃燒模型，燃燒產(chǎn)物高速流通模型，壓力、質(zhì)量及能量演變模型等復(fù)雜物理過程模型的建立和求解。美國空軍研究實驗室的Christopher M.Engelhard介紹了求解火藥爆炸模型的數(shù)值計算方法：速度初始化法（Velocity Initialization）、顆粒吸附和傳熱法（Particle Drag and Heat Transfer）、泰勒爆轟波法（Taylor's Blast Wave Solution）、弗雷德曼爆轟波法（Friedman's Blast Wave Solution）、能量耦合法（Energy Coupling） 及顆粒軌跡法（Particle Tracking），結(jié)合上述6種算法開展了相關(guān)的計算分析。分析認(rèn)為，這些方法的最大局限為理想氣體的熱量傳遞規(guī)律假設(shè)，電爆燃燒過程伴隨物理量的大梯度突變過程，理想氣體熱量傳遞規(guī)律中限定的固定比熱比已經(jīng)不能準(zhǔn)確描述該過程，后續(xù)可考慮改變氣體生成物比熱比的方法改進(jìn)此方法。其中，泰勒算法假設(shè)爆炸瞬間為點輻射，利用爆轟波能量量子化方法求解精度較高；而弗雷德曼算法由于不能捕獲爆轟波流動的細(xì)節(jié)，未考慮波系擴(kuò)展至爆炸中心產(chǎn)生反射波的影響，因而其求解精度偏低［1］。

火藥爆炸燃燒模型的不斷細(xì)化和求解，為進(jìn)行電爆閥整個物理過程的計算求解提供有力保證。路易斯安那州立大學(xué)和洛塞勒摩斯國家實驗室的Adam M.Braud，Keith A.Gonthier等人建立帶有時間參數(shù)的電爆閥模型，模型跟蹤了爆炸的演變、燃燒反應(yīng)中氣體產(chǎn)物的物質(zhì)和熱能交換、氣體在內(nèi)部組件之間的流動、與外界的熱交換等化學(xué)物理過程，還模擬了錐形活塞推入殼體等截面腔的物理變化過程。其顯著特點是結(jié)合了爆炸燃燒的能量轉(zhuǎn)換過程、活塞/殼體與高壓氣體的相互作用過程、彈塑性結(jié)構(gòu)力學(xué)的變形過程。由此提供了估算閥門電爆性能的方法。研究對象的模型見圖1所示。

圖2　電爆氮?dú)饷芊忾y示意圖Fig.2　Schematic diagram of pyrotechnics sealing valve

模型能快速評估電爆閥的主要性能。初步計算表明氣體膨脹室內(nèi)的壓力峰值約250 MPa，最終活塞的運(yùn)動速度約150 m/s，閥門的響應(yīng)時間約75 us，與試驗觀測的結(jié)果基本吻合。理論分析認(rèn)為，活塞機(jī)械應(yīng)變過程、膨脹室內(nèi)的氣體壓力、活塞與殼體接觸面間的摩擦力對電爆閥的性能有重要影響［2］。

同一機(jī)構(gòu)的Blaise H.Paul等人將軸對稱的電爆閥用一維模型來描述。模型考慮了氣體傳遞中波的影響。研究表明，氣體動態(tài)波不會導(dǎo)致出現(xiàn)不規(guī)律的結(jié)果，電爆幾何結(jié)構(gòu)的微小改變對電爆閥的性能影響比較顯著，尤其是傳火孔的當(dāng)量直徑對電爆閥炸藥能量的釋放速率和能量的傳輸速率有明顯影響，并且顯著影響活塞的運(yùn)動和撞擊時間［3］。

圖3　不同傳火孔直徑活塞速度曲線Fig.3　Piston's speed Curves of transmission holes with different diameters

Blaise H.Paul等人在氣體特性的影響分析時，假設(shè)：

1）炸藥燃燒后完全變成氣態(tài)產(chǎn)物；

2）完全變成氣態(tài)產(chǎn)物后進(jìn)入膨脹腔再對活塞做功。相當(dāng)于小空間內(nèi)（1 cm3左右）高壓氣體瞬間釋放過程［4］。

2007年，Keith A.Gonthier等人分析給出了一種電爆閥性能隨布局長度線性減小的變化規(guī)律。分析是基于時間項的系統(tǒng)模型，得到了作動腔內(nèi)由于燃燒產(chǎn)生的聚集能量引起爆炸的演變過程。研究表明小型電爆閥內(nèi)腔受結(jié)構(gòu)反射和爆破膜片燃燒產(chǎn)生的氣流沖擊與波動能夠使活塞出現(xiàn)震動運(yùn)動，降低小型電爆閥的性能穩(wěn)定性和可靠性［5］。

電爆機(jī)理理論研究考慮因素眾多，比較全面，但是對于工程研制來講，針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)缺少行之有效的計算方法；一維化學(xué)反應(yīng)使用化學(xué)方程式和反應(yīng)方程，將邊燃燒邊膨脹的過程簡化成完全燃燒加膨脹的過程；對活塞和殼體進(jìn)行受力分析時，結(jié)合燃燒和氣體膨脹的模型進(jìn)行有限元仿真更為合理。

2　仿真研究

仿真研究方面，早在1997年，Shmuel Ben-Shmuel等人利用有限元仿真軟件LS-DYNA3D進(jìn)行了某型電爆閥仿真計算。仿真結(jié)果表明，電爆閥性能取決于起爆火藥的沖擊能量。電爆閥活塞在引爆器內(nèi)50 mg的RDX（三甲基三硝基胺）爆炸沖量的作用下，能夠克服活塞與閥體表面間的摩擦力并切斷切破件。通過仿真研究可以更好地理解常開式電爆閥動態(tài)特性［6］。

2002年，Shmuel Ben-Shmuel等人又建立了電爆閥與推進(jìn)劑管路的有限元模型來研究一種惡劣工況下電爆閥的性能。這個模型利用爆炸流體力學(xué)的有限元計算程序?qū)追N工況進(jìn)行了分析，包括基準(zhǔn)工況（無壓力）和幾種較高壓力工況。結(jié)果表明：在高于額定壓力下，電爆閥也能很好地工作［8］。

美國格林工程有限公司的David J.Green等人開展了電爆閥閥體承壓能力、爆壓及活塞運(yùn)動速度的計算與試驗研究，分析發(fā)現(xiàn)基于能量守恒建立的理論計算模型與試驗結(jié)果吻合良好。結(jié)果表明，某常閉電爆閥切破件切破需90.7 MPa時，大概需要2.48 KJ的爆燃能量經(jīng)0.127 cm3空間壓力擴(kuò)張后作用在活塞上，才能使外徑11.05 mm圓筒狀接管嘴可靠切破，接管嘴切破瞬間活塞會迅速加速至22.3 cm/ms［9］。

借助有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行電爆機(jī)理研究。采取假定的高能炸藥模型和氣體產(chǎn)物壓力時間模型，將電爆機(jī)理進(jìn)行量化研究。這種方法利于研究不同容腔結(jié)構(gòu)的電爆性能，可以作為電爆閥機(jī)理研究的一個主要方向。

3　試驗測試研究

電爆機(jī)理研究試驗測試方面主要表現(xiàn)在建立重復(fù)使用系統(tǒng)試驗和進(jìn)行電爆能力測試。例如：Jose M.Tafoya等人使用氣槍系統(tǒng)模擬電爆閥整個工作過程；費(fèi)爾菲得動力系統(tǒng)研究中心的Steven W.McDonald等人采取SSGT和DDT兩種方法測試電爆閥的輸出能量。氣槍模擬試驗系統(tǒng)能夠提供一個獨(dú)立變化且可重復(fù)使用的驅(qū)動能量。氣槍通過一個隔板起爆器來輸出不大于240 MPa的高壓氮?dú)狻Ｔ囼炗脡毫鞲衅鳒y得壓力，力傳感器得到的活塞出口受力及激光二極管得到的活塞出口時間。對比容腔結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和前壁壓力測量值。結(jié)果表明側(cè)壁壓力測量值小于前壁壓力測量值，側(cè)壁壓力不適于計算活塞上的沖力或決定閥門所需的驅(qū)動能量輸出［10］。

在氣槍模擬試驗系統(tǒng)的試驗中，對比試驗中1 cm3封閉炸彈點火得到的壓力測量值和1 cm3封閉容積內(nèi)用氣槍得到的壓力測量值?，F(xiàn)壓力沖量上升時間略微滯后 （～50 μs）于實際電爆管電爆沖量上升時間，后來驗證了氦氣比氮?dú)飧苣M電爆閥電爆燃燒的過程，模擬的壓力變化和電爆試驗的結(jié)果時間相當(dāng)。研究結(jié)果表明，可以使用氣槍模擬試驗系統(tǒng)對電爆閥的結(jié)構(gòu)性能影響進(jìn)行分析，圖4即為氣槍試驗采用氦氣后的壓力和電爆試驗壓力測試結(jié)果的對比曲線。

圖4　氣槍模擬（氦氣）和電爆試驗壓力結(jié)果曲線Fig.4　Pressure Curves of electric explosion and air gun test

用光學(xué)測試法對活塞運(yùn)動速度進(jìn)行測試，結(jié)果表明：光學(xué)測試法能夠很好測量出0.1～0.25間的動態(tài)摩擦系數(shù)變化引起的活塞速度變化［7］。

洛塞勒摩斯國家實驗室工程技術(shù)應(yīng)用部和武器系統(tǒng)工程部的Jose M.Tafoya等人利用氣槍發(fā)生器脈沖工作模擬電爆閥爆炸沖擊切破結(jié)構(gòu)引起的能量損失情況。試驗表明，不同氣源流速造成出入口接管嘴的剪切變形動能損失是不相同，通過分析獲得了其彈塑性變形的相應(yīng)區(qū)域。同時，還建立了無摩擦的非彈性撞擊數(shù)學(xué)模型，用于模擬金屬薄板撞擊活塞的動量分布情況，對比發(fā)現(xiàn)隨著金屬薄板質(zhì)量的增加，金屬薄板吸收燃燒產(chǎn)物動能增加，金屬薄板作用活塞時間增長，動能傳遞至活塞的作用力峰值略有增大，作用壓力基本保持一致［10-11］。

試驗測試的另外一個重點或關(guān)鍵是電爆能量大小測試，來自費(fèi)爾菲得動力系統(tǒng)研究中心的Steven W.McDonald提出了一種判定爆炸能量傳遞可靠性的間接方法，該方法通過小尺度間隙測量法（Small-Scale Gap Test，簡稱SSGT）和凹痕深度測量法（Dent-Depth Test）分別測量爆炸藥的靈敏度和起爆源的輸出能量。同時開發(fā)了一種基于試驗次數(shù)、置信度、傳爆間隙和凹痕深度的統(tǒng)計方法用于計算起爆可靠性，與傳統(tǒng)方法相比該方法能夠在有限的試驗次數(shù)及小子樣下獲得理想的可靠性指標(biāo)。并且能夠衡量爆炸輸出功率的大?。?2］，這種方法和我們目前常用的銅柱測量方法較為相似。

NESC的研究人員開展了不同閥體材料對傳爆特性的影響試驗分析。分別選取了17-4不銹鋼、鋁合金及工具鋼進(jìn)行點火藥起爆壓力試驗，試驗表明鋁合金材料爆壓峰值更低、壓力衰減更快，17-4不銹鋼和工具鋼的爆壓特性相近，鋁合金與鋼的爆壓峰值相差幾十兆帕。分析原因認(rèn)為主要有兩點：

1） 是起爆壓力與熱量腐蝕鋁合金基體，使其容腔增大；

2） 是鋁合金材料相變引起能量損耗。通過擴(kuò)大傳爆通道與在其內(nèi)部填充不同金屬屑的方法進(jìn)行試驗驗證，結(jié)果表明鋁屑相變消耗能量比不銹鋼多。由此可知，閥體材料的選取和傳爆通道的設(shè)計對電爆閥的可靠性起著重要的作用［12］。

以上分析得出，采取氣槍系統(tǒng)進(jìn)行電爆閥機(jī)理試驗研究，可以重復(fù)多次使用，氣槍系統(tǒng)建立和測試系統(tǒng)的需要開展深入分析研究；電爆閥驅(qū)動腔內(nèi)正面測壓和側(cè)面測壓的結(jié)果相差較大，電爆容腔設(shè)計時應(yīng)考慮盡量采取直口布置方式；電爆殼體材料會影響電爆性能，鋁合金和不銹鋼對比明顯，殼體選材時應(yīng)考慮不同材料對電爆性能的影響；電爆閥能量大小測試時，采用測量金屬凹坑大小是比較合適的方法。

4　結(jié)束語

電爆閥電爆機(jī)理研究涉及到爆炸學(xué)、熱力學(xué)、材料斷裂力學(xué)等多學(xué)科耦合，且由于小容腔爆炸瞬間產(chǎn)生的高壓高溫燃?xì)饧澳芰克查g變化情況難于試驗采集，需要考慮較多的影響因素。通過對國外電爆閥電爆機(jī)理的研究，為解決電爆閥電爆機(jī)理研究提供了有益的參考和啟發(fā)，鑒于目前工程研制缺乏有效的計算方法和理論支撐，建議可以從仿真計算和試驗系統(tǒng)構(gòu)建等方面開展深入機(jī)理研究，為切實搞清楚電爆機(jī)理開展深入研究，為工程研制提供更加切實有效的理論基礎(chǔ)。

［1］ENGELHARDT C M.Numerical Modeling of Heterogeneous High Explosives，AIAA 2008-3921［R］.Seattle，Washington：AIAA，2008.

［2］BRAUD A M，GONTHIER K A，DECROIX M E.System modeling of explosively actuated valves［J］.Journal of propulsion and power，2007，23（5）：1080-1095.

［3］PAUL B H，GONTHIER K A.Analysis of gas-dynamic effects in explosively actuated valves［J］.Journal of propulsion and power，2010，26（3）：479-496.

［4］PAUL B H，GONTHIER K A，OKHUYSEN B S.Analysis of gas dynamic waves in explosively actuated valves，AIAA 2008-4905［R］.Hartford，CT：AIAA，2008.

［5］GONTHIER K A，PAUL B H，DECROIX M E.Modeling of an explosively driven micro-valve，AIAA 2007-291［R］. Reno，Nevada：AIAA，2007.

［6］BEN-SHMUEL Shmuel，GOLDSTEIN Selma.Pyrovalve simulation and evaluation［J］.American Institute of Aeronautics and Astronautics.

［7］TAFOYA J M，INBODY M A，DECROIX M，et al.Evaluation of explosively actuated valve components using a gas gun，AIAA2006-4984［R］.California：AIAA，2006.

［8］BEN-SHMUEL S，SEGUNDO E L.Performance analysis of a normally closed pyrovalve，AIAA 2002-3552［R］. USA：AIAA，2002.

［9］GREEN D J，POULSEN B L，GRAY K L，et al.The design of a heavyweight reusable pyrovalve，AIAA 2012-0431［R］.Nashville，Tennessee：AIAA，2012.

［10］DE CROIX M E，QUINTANA D L，BURNETT D J，et al.Investigation of actuation dynamics in an explosively actuated valve using a gas gun，AIAA 2005-4036［R］. Tucson，Arizona：AIAA，2005.

［11］TAFOYA J M，TAFOYA J I，MICHAEL A.Pyrovalve functiontestingusinggasgunactuation，AIAA 2007-5140［R］.Cincinnati，OH：AIAA，2007.

［12］MCDONALD S W.An alternate method for establishing explosive transfer interface reliability，AIAA 2007-5143［R］.Cincinnati，OH：AIAA，2007.

［13］HINKEL T J，SALAZAR F.Material properties effects on pyrotechnic initiator output，AIAA 2008-4802［R］.Hartford，CT：AIAA，2008.

［14］GROETHE M A，MCDOUGLE S H，SAULSBERRY R L.Measurement of debris in the flow from pyrotechnic，AIAA 2008-4800［R］.Hartford，CT：AIAA，2008.

（編輯：馬杰）

Analysis on research progress of mechanism of pyrotechnic valves abroad

YUAN Hongbin，HU Pan，WANG Zhiyong，SUN Lei
（Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China）

The mechanism analysis and research are the key technology and design difficulties of pyrotechnic valve，Because they involve the multidisciplinary coupling of the electricity，explosion，mechanics and thermodynamics，etc.The complexity directly affects the design correctness and reliability of the pyrotechnic valve.In order to accurately understand and cognitive mechanism and guide the design of pyrotechnic valve，the research measures and achievements are deeply analyzed in the aspects of the pyrotechnic mechanism research，simulation and experimental investigation，etc.The research thoughts of mechanism are described，based on the generalizations of related research at abroad.The qualitative and quantitative study on the mechanism of pyrotechnic valve is conducted by simplifying the research object，taking the simulating method，and combining the experiments and tests，and finallygives the suggestions ofthe product ofthe pyrotechnic valve.

pyrotechnic valve；pyrotechnic mechanism；research progress

V432-34

A

1672-9374（2016）02-0086-05

2015-11-07；

2016-01-25

袁洪濱（1970—），男，研究員，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機(jī)自動器