60 kJ高速電炮的裝置性能*

陳 林,戴英敏,蘇建軍,豐樹平,謝衛平,王 輝,任 靖,吳守東,李 曄

（1.中國工程物理研究院流體物理研究所,四川綿陽 621900;

2.西安近代化學研究所,陜西西安 710065）

1 引 言

電炮是一種強脈沖電流快速加熱金屬箔片使之汽化爆炸從而驅動聚酯薄膜飛片高速飛行的一種短脈沖加載實驗裝置。與傳統的氣炮、化爆以及Hopkinson桿等加載手段相比,優點在于加載壓力范圍大、平面性好、沖擊波的壓力和脈寬可調、結構簡單、使用效率高等[1]。主要應用領域包括:炸藥的沖擊點火、高壓物態方程測量、沖擊波的相互作用以及材料的沖擊損傷、層裂強度研究等。

此項技術最早在20世紀60年代由美國利弗莫爾國家實驗室（LLNL）[2]提出,早期主要用于研究1～10 GPa范圍內沖擊波對材料的影響,70年代擴展到炸藥的沖擊引爆等應用研究。1979～1980年,LLNL實驗室首次明確提出了電炮（electric gun）的概念,并指出它具有將薄的飛片加速至1～20 km/s的能力[3]。由于在高壓物態方程、超高速碰撞材料動力學性能和炸藥的沖擊感度等方面的重要應用和需求,近幾十年來這項技術得到快速的發展。1989年,LLNL實驗室[4]在100 kV/87 kJ電炮裝置上將厚0.3 mm、面積1 cm2的Kapton飛片（約 43 mg）加速到18 km/s,加載壓力接近 TPa量級;同時還將厚0.3 mm、面積100 cm2的Kapton飛片（約4.3 g）加速到3.2 km/s。20世紀90年代初,LLNL實驗室又建立起了儲能為1 MJ的電炮裝置[5],主要用于發射大面積的飛片,并將30.5 cm×30.5 cm×0.15 mm的Kapton飛片加速到3.9 km/s。該裝置可以用來研究再入飛行器絕熱材料的沖擊損傷、層裂強度以及各種材料的沖擊Hugniot曲線或高壓物態方程測量等。

國內的電炮技術是1981年由徐興海等[6]發展起來的,在10 kV的電炮裝置上可將直徑12 mm、厚0.05 mm的聚酯薄膜（Mylar）飛片加速到4.5 km/s,在20 kV電炮裝置上采用鋁橋箔可將直徑15 mm、厚0.05 mm的Mylar膜飛片加速到7.2 km/s。在此之后,由于受到當時電炮復雜工作環境下光電測試技術的制約,同時低電感、高能量密度電容器儲能技術、低電感開關技術以及橋箔負載組合件的精密制作技術等還未成熟,從而阻礙了電炮技術的發展和推廣應用。近年來,隨著相關的各項關鍵技術相繼取得突破,電炮實驗技術在國內又重新得到快速發展。2006年,趙劍衡等[1]在30 kV電炮裝置上已將直徑10 mm、厚0.1 mm的Mylar膜飛片（約11 mg）加速到10 km/s。在此基礎上,我們開展了具有更高驅動能力的100 kV/60 kJ電炮的研制,目前可將直徑18 mm、厚0.15 mm的Mylar膜飛片（約53 mg）加速到8 km/s;同時還將直徑12 mm、厚0.2 mm的Mylar膜飛片（約32 mg）加速到9.6 km/s。

2 實驗描述

2.1 裝置簡介

電炮裝置一般由電容器或電容器組、傳輸線、開關、橋箔、飛片、加速膛以及開展效應實驗的試品（如炸藥、沖擊樣品等）等構成。本文中的電炮實驗裝置主體外形尺寸為1.8 m（長）×1.0 m（寬）×1.6 m（高）,其三維結構如圖1所示,大體可以分為儲能區、開關區和負載區。裝置能源系統標稱儲能為60 kJ,由12臺50 kV/4 μF電容器通過串并聯方式組成,采用正負充電。電炮裝置的基本電參數為:電容C=48 μF,電壓U0=±50 kV,儲能E=60 kJ,電阻R=40 mΩ,電感L=70 nH,周期T=7.0 μs,峰值電流Imax=800 kA。本文實驗中電容器的充電電壓均為±44 kV。

本裝置中使用的開關為固體介質開關,固體介質開關的最大優點在于電感小、導通電流大,每次實驗只需使用1只開關。負載區主要由橋箔/飛片組合件、加速膛以及開展效應實驗的試品（如炸藥、沖擊樣品等）等構成。圖2所示為負載區結構示意圖。

圖1 60 kJ電炮裝置示意圖Fig.1 Schematic of the 60 kJ electric gun

圖2 電炮負載區結構示意圖Fig.2 Schematic of the load region

2.2 負載區參數

橋箔材料為鋁,飛片材料為聚酯薄膜,加速膛材料為有機玻璃。表1為橋箔、飛片和加速膛的基本參數:表中m為飛片質量,l為加速膛長度。需要說明的是,由于飛片啟動的瞬間會受到加速膛切割飛片帶來的邊沿滯后效應以及橋區邊沿電流密度分布不均勻等因素的影響,因而實驗過程中一般采取加速膛內孔直徑稍小于橋區尺寸的措施,從而可以獲得形狀規則、結構完整的飛片。另外,表中的加速膛高度為經過實驗優化之后的數據。

表1 負載基本參數Table 1 Basic parameters of the load

2.3 診斷措施

對于飛片的平面度測試,一般采用光纖陣列探針法。當飛片撞擊光纖端面時,每一根光纖探針在沖擊壓力的作用下將產生一個瞬時光信號,光信號經光纖傳輸到光電探測器,變換為電信號后再由示波器記錄。通過測量處于同一高度的不同光纖探針信號的時間間隔,就可以估計飛片撞擊探針時的平面度。自發光光纖探針的材料一般為融凝石英。為了防止環境雜散光的影響,光纖端面需要經過光學加工并鍍上一層厚度約0.3 μm的金屬膜。石英光纖的芯徑為62.5 μm,實驗時光纖探針呈十字形分布（如圖3所示）,間距為2 mm。

對于飛片的速度測試,絕大部分實驗中同樣采用了光纖陣列探針法。只不過兩部分探針分別處于不同的高度（圖4中第1、2組探針）,通過測量處于不同高度的光纖探針信號的平均時間間隔,從而間接得到末端一定距離內的平均速度。為了判斷上述方法所得速度數據的有效性,后期實驗中利用雙精度VISAR測量了Mylar膜飛片的后自由表面速度曲線,并對測試結果進行了比較。

圖3 平面度測試中的光纖探針分布示意圖Fig.3 Layout of optical fiber probes in flatness measurement

圖4 速度測試中的光纖探針分布示意圖Fig.4 Layout of optical fiber probes in velocity measurement

3 實驗結果

3.1 飛片的完整性和飛行平面度

圖5給出了直徑18 mm、厚0.15 mm的Mylar膜飛片以約8 km/s速度撞擊10 mm厚LY12鋁樣品的情況?？梢钥吹斤w片在撞擊樣品時,前表面的撞擊坑較圓,邊界清晰,表明刀口對飛片切割效果較好。撞擊坑的深度也較為均勻,表明飛片撞靶時的平面度較好。樣品后自由表面有層裂片剝落,剝落片的厚度也相對均勻,這些均表明橋箔爆炸后,在等離子體驅動下飛片沒有發生破碎現象,撞靶時較為完整且均勻性好。

圖5 ?18 mm×0.15 mm Mylar膜飛片以約8 km/s的速度撞擊10 mm厚LY12鋁靶前后表面狀況Fig.5 Impacted and spallation surfaces of LY12 aluminum impacted by?18 mm×0.15 mm Mylar flyer with 8 km/s velocity

表2為其中一發實驗獲得的飛片飛行5.5 mm后碰撞各探針所對應的時間t,探針的分布見圖3。由于制作的探針分布在直徑12 mm的范圍內,因此測量結果顯示的是飛片中心區直徑12 mm范圍內的平面度。由于光纖的原因,7號探針未記錄到數據。由表可知,各探針間最大的時間間隔為32 ns,這就是飛片在飛行5.5 mm后的平面度。需要說明的是,由于制作工藝問題,很難將石英光纖端面控制在一個標準的平面內,因此實際的平面度要好于測試值。

表2 飛片碰撞光纖探針所對應的時間Table 2 The time of flyer to impact on the optical fiber probes

為了解本文中電炮裝置的加載能力,實驗中還針對不同質量的飛片開展了相應的平面度和速度測試。表3為實驗獲得的驅動不同質量的飛片對應的平面度Δt和速度v,由表中數據可知,該裝置驅動的Mylar膜飛片的飛行平面度 Δt≤42 ns。

表3 不同飛片質量對應的速度和平面度數據Table 3 The velocity and flatness of flyer with different mass

3.2 飛片的速度

為了提高實驗效率,采用圖4所示的光纖陣列探針進行飛片速度測試。圖6為實驗獲得的其中一組光纖探針的典型信號。圖中光信號突然變化的時間起點對應于飛片撞擊光纖端面的時刻。根據這一組光纖探針獲得的飛片碰靶時間的平均值以及另一組探針獲得的時間數據即可計算出本次實驗飛片的碰靶平均速度。

根據該方法獲得的不同質量飛片對應的速度數據見表3。其中直徑18 mm、厚0.15 mm的Mylar膜飛片（約53 mg）可被加速到8 km/s,直徑12 mm、厚0.2 mm的Mylar膜飛片（約32 mg）則可被加速到9.6 km/s。結果表明,研制的60 kJ電炮裝置具有較高的加載能力。

為了判斷上述方法所得速度數據的有效性,后期實驗中利用雙精度VISAR測量了Mylar膜飛片的后自由表面速度歷史。圖7為采用VISAR測試系統獲得的飛片全程速度時間歷史,橋箔尺寸為20 mm×20 mm×0.05 mm,飛片尺寸為?18 mm×0.15 mm,對應的飛片質量約53 mg。實驗測得的終端速度為8.2 km/s。與表3中數據基本符合,表明采用光纖探針法獲取飛片的速度是簡單、有效的。

圖6 飛片速度測試中一組光纖探針的典型信號Fig.6 Typical signals of fiber probes in velocity measurement

圖7 采用VISAR系統獲得的飛片全程速度時間歷史Fig.7 Velocity history of M ylar flyer obtained by VISAR system

4 結 論

隨著研制高速電炮的各項關鍵技術相繼取得突破,及其在炸藥的沖擊點火、高壓物態方程測量、沖擊波的相互作用以及材料的沖擊損傷、層裂強度等研究領域的需求牽引下,研制了具有較高驅動能力的100 kV/60 kJ高速電炮裝置。在該裝置上開展了飛片的速度和平面度等性能測試。結果表明,飛片的完整性和飛行平面度均較好,其中平面度優于42 ns。通過驅動不同質量飛片獲得的速度數據表明,對于質量為32～125 mg的Mylar膜飛片,可將其加速至 5.5～9.6 km/s,其中32 mg的Mylar膜飛片對應的速度為9.6 km/s,表明該電炮裝置具有較高的加載能力。

[1] 趙劍衡,孫承緯,唐小松,等.高效能電炮實驗裝置的研制[J].實驗力學,2006,21（3）:369-375.ZHAO Jian-heng,SUN Cheng-wei,TANG Xiao-song,et al.Development of electric gun with high performance[J].Journal of Experimental Mechanics,2006,21（3）:369-375.

[2] Keller D V,Penning J R.Exploding foils-The production of plane shock waves and the acceleration of thin plates[M].New York:Plenum Press,1962:263-277.

[3] Chau H H,Dittbenner G,Hofer W W,et al.Electric gun:A versatile tool for high pressure shockwave research[J].Review of Scientific Instruments,1980,51（12）:1676-1681.

[4] Osher J E,Barnes G,Chau H H,et al.Operating characteristics and modeling of the LLN L 100 kV electric gun[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1989,17（3）:392-402.

[5] Lee R S,Osher J E,Chau H H,et al.1 MJ electric gun facility at LLNL[J].IEEE Transactions on Plasma Science,1993,29（1）:457-460.

[6] 徐興海,陳素年,高順受,等.電爆炸金屬箔推動下的薄飛片運動[C]//爆轟研究論文集.綿陽:中國工程物理研究院流體物理研究所,1998:268-272.