基于爆炸箔起爆器优化设计的模型仿真工具的验证

基于爆炸箔起爆器优化设计的模型仿真工具的验证StefanEbenhoch,SiegfriedNau,andIvoHaring摘要爆炸箔起爆器（EFI）对于只含有次高能炸药的线性引信序列具有高度适用性，主要是因为爆炸箔起爆器的钝感性使引信序列在电磁干扰、机械过载等环境下仍能精确可控发火，同时使之结构紧凑。在EFI起爆过程中，有不同的多重物理现象发生，比如高压开关的发火、桥箔爆炸、飞片的产生和加速以及由飞片撞击炸药所产生的爆轰波等。在本文中，所有的物理过程包括它们之间的耦合都通过多物理模型几步采用复杂的有限元计算，也不是由经验来确定适用参数。通过在仿真工具中的操作，将EFI从发火到炸药起爆的全过程都展现出来。同时也开展了相应测试结构的验证性试验，分析了发火性能以及不同的EFI结构设计所产生的飞片速度。实验研究表明其结果与仿真模拟的结果具有一致性，并具有足够的精度。经过验证的仿真工具可以用来推断发火的临界条件，提高构型设计以及分析发火电路中的次生因素。本文研究表明，这种仿真模拟方法能够用来评估现有的或者未来的EFI系统的可靠性和安全性。关键词：爆炸箔起爆器，多物理模型，仿真模拟工具，试验验证，设计优化，安全性与可靠性标准1简介爆炸箔起爆器或者叫做冲击片雷管，这一概念萌芽于二十世纪六十年代。劳伦斯-拉弗莫尔实验室的JohnStroud等人第一次制成了军用的冲击片雷管。事实上时至今日，EFI更多地被应用在防御性方面。然而，在许多民用方面它们也越来越表现出了其适用性，比如航空、采矿等对需要精确发火的安全要求较高的行业。图1给出了EFI的典型结构。高压电容充电到数千伏高压，用以提供起爆过程所需要的能量。在开关闭合的瞬间，电容在几百个ns内迅速放电，导致数百A的脉冲大电流通过传输线。这种急剧上升的电流使得能量以欧姆热的形式耦合进金属桥箔，从而使之爆炸。在基片和绝缘层之间产生的金属蒸汽以及等离子体在狭小的空间内形成高压，高压作用于绝缘材料薄层，在加速膛边缘处剪切出绝缘飞片。释放的爆炸能量将飞片在加速膛内加速到数km/s。次高能炸药药片放置在加速膛尾部，通过飞片的撞击形成高压冲击波，然后以亚音速在炸药中的进行传播。在冲击波的作用下，次高能炸药被起爆。结果是爆轰通过引信序列中的扩爆器得以传播，并转移到应用领域的主负载上。EFI中次发炸药的应用提供了一个认识军用领域线性引信序列技术要求的机会。线性引信序列只含有次发炸药，而不包含机械壁垒，机械壁垒的作用是在非线性引信序列中将始发炸药与起爆器从次发炸药这一部分中隔离开来。这使得引信序列结构紧凑，并实现了一体化。线性引信序列的另外一个军用标准也很容易得到了满足，即以EFI结构起爆炸药需要数千伏量级的高压。根据STANAG4187第四版和AOP-16第四版中500V的最小需求量，它很容易就能满足这一条件。必要的高起爆电压是EFI系统的重要优势之一，因为这能使得武器系统在电磁波、电磁脉冲、电磁电流以及静电放电等情况下保持钝感。对于由外部电磁干扰而引起的意外起爆，同时也伴随着极高的电压、电流斜率。由于炸药与金属桥箔被绝缘飞片材料和加速膛分离开来，加之EFI具有一定的强度，这使得EFI系统工程在应用中表现出极高的安全性和可靠性。在文献中，有几种EFI建模以及仿真模拟的方法。也存在一些将EFI特性曲线参数化的数学模型，比如电压-时间曲线或者电流-时间曲线，通过可调整的参数来分析或者进行数学表达。Furnberg给出了EFI包括EBW在内的数学模型，该模型描述电阻为吸收能量的函数，并给出了包含七个参数的两个方程。Lee给出了导体的电爆炸过程，以一个方程描述了电阻特性曲线，其中电阻是四个拟合参数的函数。这种方法也被Nappert所采纳，用以阐述EFI的物理特性。在这些文献中，都是通过实验数据去拟合参数，并没有从特征行为下的物理过程中得到数据。仿真所需的输入数据主要是以真实实验为基础的。另外一种有前景的阐述EFI物理过程的可能性是基于有限元法的数值多物理场模拟。Hrousis和Christensen提出了以磁流体力学仿真来描述设计含有高能炸药的电起爆系统，比如EBW系统和EFI系统。Tarver和May等人提出了点火和成长反应流模型来研究驱动飞片的冲击起爆现象。在弗劳恩霍夫Ernst-Mach研究所，首先开展的工作是以耦合的机械-电磁统一连续体模型来数值模拟线爆炸。然而，灵活的多物理场模拟模型并没有找到，对于特定的设计结构，其材料、几何尺寸参数以及发火电路设置严格确定的情况下，得到的结果是不受限制的。尤其是在成长阶段，这种模型太耗时间，因为含有EFI的引信网络中存在着许多设计因素，在优化设计方面这些因素跨有很大的搜索空间。由于这个原因，单参数的优化已经有非常大的运算量。此外，多物理模型需要输入每一种应用材料的参数值，包括每种材料不同物态、不同面积下的值。在当下的认知中，这些参数常常是在非常大的范围内变化，比如金属桥箔从加热到等离子态的变化过程。访问这些数据是非常有限的，它的生成是昂贵的，并且分布往往是限定的。当本文中几乎所有相关的物理学基础都被拿来应用，以期能精确绘制EFI特性图。本文放弃了复杂的数值模型，而是采用了描述发火过程的物理工程模型。EFI中每一个要素包括它们之间的耦合的过程，都具有高精度，并且以基于汇编语言Matlab的Simulink来仿真模拟。这种EFI开发工具允许完整的连锁反应的模拟，在研究阶段也并不需要特定结构的实验参数输入，只需要输入EFI的材料类型、几何尺寸以及发火电路的电学特性参数。这种仿真工具提供了机会进行优化设计的多参数分析和结果评估，并且只需要几分钟的时间。这些模拟在可靠性和安全性方面给出了发火临界参数的定量结果，这也使得对EFI特定设计的评估变得更高效，材料利用也更充分。尤其是电路网络部分，通过模拟确定了给定EFI起爆器中EFI的功率元件设计的需求量和特征值。此外，它能够根据发火电路中功率元件设计出EFI起爆器。第二部分阐述了在EFI点火过程中所有物理效应模型化的方法论，从发火电路到炸药起爆。这部分对清晰的物理效应进行了单独描述，因为它们中的大多数不会发生在同一电路系统中。第三部分展示了应用于仿真环境下的物理现象的模拟。然后将模拟结果和实验数据进行了对比。第四部分的焦点在文献中的EFI结构上。第五部分考虑了EFI的集成。第六部分的主题是利用EFI仿真环境作为有用的工具在安全性可靠性方面进行分析。第七部分是结论。2方法论和基础理论这部分主要阐述了EFI模型化的方法论。对于每一种相关要素，都生成了独立的组件模型。组件模型之间通过耦合模型来连接以保证参数传递。第二部分明确了各部分组件（相关模型将在第三部分做介绍）包括它们之间的耦合。模型结构使得EFI完整起爆过程的模拟成为可能。此外，这部分阐明了实验操作中的应用工具和基于模型方法的仿真开发。2.1发火电路EFI的发火电路模型是经典的电路网络，这种电路网络将示成阻尼电阻-电感-电容（RLC）震荡回路。首先，电容充电到初始电压。它通过闭合高压开关放电。电路中的电感会建立一个磁场将电能转换为磁能，从而使得电流具有震荡特性。电路中的欧姆电阻R、在导体、开关和电路接线中所造成的损失都减弱了电流，将电能转换成了热能。设计具有低感低阻的发火电路是主要目标之一。这使得一方面电流迅速上升能使能量更好地耦合进EFI，另一方面降低发火电路中能量的边界损失。高压开关也是电路中的一个重要因素。在以往的文献中有使用到火花开关、高能半导体开关和单触发开关分别进行建模。对于一个可靠的EFI操作，开关具备极短的闭合时间是非常重要的，这样开关在桥箔爆炸之前能够完全闭合，以避免能量损失。即使在等离子体形成之前闭合也可视为理想化的。开关的电感和欧姆电阻应该比剩余回路部分的电感电阻要小，以免高电感和欧姆损失降低EFI的起爆性能。此外，Siami等人和Campbell等人也提出了发火电路中的其他重要的功率元件的模型。发火电路的模拟以Simulink中的工具Simscape来操作，Simscape是一个电路模拟工具，整体的发火设置以经典的电路网络来模拟。2.2爆炸桥箔EFI中最重要的组成部分是电爆后加速飞片的金属桥箔。桥箔呈中间较窄的沙漏型，称为桥箔。和导体其他部分相比，由于金属箔在此处横截面突然减小，使得桥箔处电阻增大。根据焦耳定律，此处吸收了大部分电能。加速膛放置在桥箔之上，其大小与桥箔尺寸相当。开关闭合后大电流通过桥箔，由于桥箔电阻较大使得桥区被加热。在有尖峰的脉冲大电流作用下，电流上升，桥箔爆炸。在桥箔爆炸的过程中，桥箔经历了不同的相变：固态加热、熔化、液态加热、汽化和等离子化。在每一种相态，桥箔的材料和几何尺寸都发生了很大变化。Tucker和Toth提出了一种相态模型。然而，在他的模型中态方程中的电阻变化取决于具体过程，而不是取决于耦合能量。考虑到等离子体的弧光放电，和他的模型比起来，我们的模型也稍微进行了扩展。图4表示了爆炸的结果和飞片的剪切过程。金属的汽化从桥箔的拐角处开始，然后从外向内推进。汽化过程开始于拐角是因为和桥箔其他部分相比具有更高的电流密度。因此，存在着飞片剪切不受控制的危险。由是，在设计EFI的过程中，将桥箔的拐角处设计成圆弧形是很重要的，因为这有利于桥箔均匀受热汽化。相态模型在Simulink环境中直接与Simscape相连以收集所有的发火电路相关参数，去计算桥箔吸收的能量.EFI桥箔的材料和几何尺寸由并行处理的Matlab草图给定。2.3飞片加速在桥箔爆炸期间，不仅是桥箔的几何尺寸对绝缘飞片的剪切、气泡形成或者是飞片末端速度有影响，加速膛的尺寸也是非常重要的。如果加速膛的直径过于大于桥区面积，不受控剪切的可能性大大增加。然而，如果和桥长相比加速膛直径过小，则会使得剪切面积变小，然后小面积的飞片去起爆炸药。因此，加速膛的直径值和桥长值应该相当。即使如此，对于桥箔的直径，桥箔、飞片和基片厚度，它们的精确尺寸和材料对设计决策和需求是开放的。另一个重要的参数是加速膛长度。它决定了飞片的加速距离。如果加速膛太短，飞片达不到起爆炸药的临界速度。然而，如果加速膛太长也是不利的，因为桥箔爆炸飞片加速以后，不再有能量提供，空气阻力会使飞片减速。为了确保成功起爆，对EFI进行优化设计是很重要的，只有这样才能使桥箔释放的全部能量能够转换成飞片的动能。对于飞片加速的描述，引用了Gurney提出的修正过的非对称三明治结构。这是一个工程分析模型，最初是用来描述炸药填充金属包覆碎片的速度的，比如应用于反应装甲。在本文中，Gurney能量是高能炸药的化学反应能量，然后转换为爆炸产物的内能。与通用Gurney模型相比的不同之处是，它在能量耦合和飞片运动的过程中考虑了时间依赖性。这个模型也为能量平衡考虑所支持。Gurney模型也应用于Simulink环境中并且与相态模型相衔接。相态模型提供剪切和加速飞片的Gurney能量。绝缘层与加速膛的材料以及几何尺寸的数据来自于并行处理的Matlab草图。2.4炸药起爆次高能炸药爆炸的结果是产生了冲击波。它是由飞片冲击炸药产生的。飞片撞击简化为平面撞击模型。冲击波在炸药中的传播冲击波波锋面后的材料的压缩。这种材料温度和压强上升，导致了波锋面不断向前运动。为了更好阐述，冲击波的传播以图5中的活塞运动来做类比，活塞代表着飞片，三种不同的速度描绘了冲击波的传播特点。当冲击波锋面后速度up低于实际的冲击波速度us的时候，冲击波锋面的粒子速度u0是0。此外必须考虑锋前、锋后两个区域的不同的物理参数值，比如密度ρ、压力P或者内能E等，活塞的速度等于波锋后的粒子速度。在接下来的步骤中，冲击波传播的现象转化为飞片和高能炸药的之间的碰撞过程(如图6）。当飞片以速度f撞击时，一方面冲击波在炸药中以seu和粒子速度peu传播，另一方面冲击波在飞片中以速度sfu和粒子速度pfu反向传播。次高能炸药的冲击波在通过媒介时被减弱，爆轰波产生了。爆轰的必要条件是，在炸药中出现急剧的高压峰并能持续一定时间。此外，需具备一个最小的作用面积。目的是为了在碰撞时飞片速度与冲击