强电流环境下冲击片雷管换能元动态响应仿真研究_雷凡.pdf

火工品INITIATORS&PYROTECHNICS文章编号：1003-1480（2023）01-0028-04强电流环境下冲击片雷管换能元动态响应仿真研究雷凡1，郭晓东2，易涛3，付秋菠1（1.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳，621999；2.中国工程物理研究院计量测试中心，四川 绵阳，621999；3.中国工程物理研究院激光聚变中心，四川 绵阳，621999）摘要：为研究强电流环境对弹体内冲击片雷管换能元的影响，采用 30kA 双指数函数波形的脉冲电流模拟弹体被雷电击中后的电流注入，对弹体不同位置处、不同注入电流脉宽条件下冲击片雷管中的感应电流及桥箔的温度响应进行了仿真。结果表明：随着注入电流脉宽从 1.0s 减小至 0.1s，感应电流的幅值从数百安培降至不足 10A；随着冲击片雷管位置逐渐远离电流注入位置，其感应电流幅值缓慢增大。脉宽为2.0s 的注入电流作用下，桥箔的最高温度达到了铜的常压沸点，对桥箔产生了不可逆的破坏作用，而脉宽为1.0s 及以下的注入电流几乎不会对桥箔造成影响。关键词：冲击片雷管；强电流环境；感应电流；桥箔温度中图分类号：TJ45+2文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-1480.2023.01.006Simulation Study on Dynamic Responseof Slapper Detonator EnergyExchange Elementunder HighCurrentEnvironmentLEI Fan1，GUO Xiao-dong2，YI Tao3，FU Qiu-bo1(1.Institute of Chemical Materials,Chinese Academy of Engineering Physics,Mianyang,621999;2.Measurement andTesting Center of China Academy of Engineering Physics,Mianyang,621999;3.Laser Fusion Center,Chinese Academyof Engineering Physics,Mianyang,621999)Abstract：In order to study the influence of strong current environment on the energy exchange element of the slapperdetonator in the projectile,30 kA double exponential function waveform pulse current was used to simulate the current injectionafter the projectile was hit by lightning.The induced current in the slapper detonator and the temperature response of the bridgefoil at different positions of the projectile and under different injection current pulse width were simulated.The results show thatwiththeinjectioncurrentpulsewidthdecreasesfrom1.0s to 0.1s,theamplitudeof inducedcurrentdecreasesfromhundredsofamperes to less than 10 amperes;And as the position of the slapper detonator gradually moves away from the current injectionposition,the amplitude of the induced current increases slowly.Under pulse width of 2.0 s injection current,the highesttemperature of thebridge foil reachestheatmospheric boiling point of copper,which causesirreversible damageto thebridge foil,whiletheinjectioncurrentwithpulsewidthof 1.0sor lesswillhardlyaffectthebridgefoil.Keywords：Slapperdetonator；Strongcurrentenvironment；Inducedcurrent；Bridgefoiltemperature雷电是一种常见的大气放电现象，放电时巨大的能量在极短时间内释放，形成极高电压和极强电流，在一定空间范围内辐射出极高强度的瞬态电磁场，其电磁脉冲会对三维空间内的电子设备造成危害1-3。冲击片雷管因高安全性和高可靠性被广泛应用于各种战略、常规武器系统中4-5，其作用机理是通过金属桥箔将电能转换成热能，产生高温高压等离子体，剪切并驱动飞片撞击起爆钝感装药，因此冲击片雷管仍属2023年第1 期2023 年02 月收稿日期：2022-07-23作者简介：雷凡（1990-），男，助理研究员，从事火工品开发及机理仿真技术研究。通讯作者：付秋菠（1977-），女，副研究员，从事火工品开发技术研究。火工品2023年 02 月29于电雷管范畴，仍受雷电强电磁脉冲影响6-8。为研究强电流环境对弹体内冲击片雷管换能元的影响，以双指数函数波形脉冲电流模拟弹体被雷电击中后的电流注入，研究弹体不同位置处、不同注入电流脉宽条件下冲击片雷管内的感应电流，并通过电爆炸仿真计算程序模拟冲击片雷管换能元的温度分布演化，进而评估感应电流对其损伤情况，为研究雷击对冲击片雷管的损伤及破坏过程提供数据参考。1算法及原理采用有限积分法对冲击片雷管内扁平线缆处的感应总电流进行仿真。仿真时，采用圆锥形金属密闭壳体模拟弹体，壳体材料为铝、底面直径为 1 m、高为 1.8 m。1#、2#、3#冲击片雷管分别置于圆锥形壳体中心轴距离锥底面 0.5，1.0，1.5 m 的 3 个位置，仿真模型如图 1（a）所示。冲击片雷管内扁平线缆长度均为 100 mm，宽度为 4 mm，厚度为 35 m，线缆间距为 50 m；换能元位于扁平电缆左侧，由陶瓷基片和铜桥箔构成。从圆锥顶部注入强度为 30 kA 的高斯脉冲电流，如图 1（b）所示，脉宽分别为 2.0，1.0，0.2，0.1 s。采用 CST 高频电磁仿真软件计算冲击片雷管内扁平线缆处的感应总电流。图1仿真模型及注入电流波形示意图Fig.1Schematicdiagramof simulationmodel and injectioncurrentwaveform通过电爆炸仿真计算程序模拟冲击片雷管中桥箔在感应总电流作用下的温度分布演化。铜桥箔厚度为 5 m，桥区尺寸为 0.4mm0.4mm。桥箔上底边归一化电势设为 1，桥箔下底边归一化电势设为 0，桥箔两边均为第二类边界条件（通过边界法向的电流为0）。仿真用的电爆炸桥箔及网格如图 2 所示。桥箔电爆炸仿真基本过程为：基于初始电阻率分布计算每一个网格的归一化电流密度；计算垂直于底边的归一化总电流；通过归一化总电流与实际对应时刻的真实电流的比值计算桥箔内真实电流密度分布；根据微元电加热方程和材料热容温度函数计算微元的温度分布（由于感应电流频率较高，且持续时间在s 量级，可以忽略热传导过程）；基于温度分布和电阻率温度函数确定新的电阻率分布。重复上述过程，直至桥箔上的最高温度大于铜的常压沸点（3 000 K），从而获得感应电流作用下的桥箔温升过程，如图 3 所示。图2仿真的电爆炸桥箔及网格Fig.2Electricexplosionbridgefoiland gridof simulation图 3电爆炸仿真流程图Fig.3Flowchart of electricexplosionsimulation2结果与讨论1#、2#、3#冲击片雷管在脉宽为 2.0 s 的 30kA 强脉冲注入电流下的感应总电流如图 4 所示。由图 4 可知，1#、2#、3#冲击片雷管内均形成了数百安培的复杂震荡感应电流。感应电流的振幅从强脉冲电流注入开始数微秒内急速增大，在电流注入结束后继续维持高频振荡，且幅值继续缓慢增加。这是由于强脉冲注入电流能量在壳体内部不断反射，因此在注入电流消失后依然不断向换能元中耦合能量。此外，随着测试位置逐渐远离锥顶注入位置，感应电流的震荡幅值缓慢增大。-2.000.51.5-1.0-0.5-1.5-1.5-1.0-0.51.02.01.01.50.52.003#2#1#金属外壳换能元扁平线缆（a）仿真模型（b）注入电流2468t/s30I/kA2010251550归一化电势分布(x,y)计算归一化电流密度j(x,y)桥区总电阻R(t)=1/i计算归一化电流i热容模型Cp(T)电阻率模型(T,)赋初值T0,I0,Q0求解div(1/grad)=0循环结束计算温度分布T(x,y)电阻率分布(x,y)桥区电流密度分布J(x,y)=jI/it=t+tNoYes最高温度是否大于3000K雷凡等：强电流环境下冲击片雷管换能元动态响应仿真研究302023 年第1 期图 4不同位置冲击片雷管内的感应总电流（2.0s，30kA）Fig.4Totalinducedcurrentin slapperdetonators at differentpositions（2.0s，30kA）在脉宽分别为 1.0，0.2，0.1 s（对应频率分别为1，5，10 MHz）的注入电流作用下，1#冲击片雷管的感应总电流如图 5 所示。图 5不同脉宽 30kA 注入电流下 1#冲击片雷管内的感应总电流Fig.5Totalinducedcurrentin 1#slapperdetonatorunderdifferentpulsewidthinjectioncurrentof 30kA由图 5 可知，感应电流的频率随着注入电流频率的增大而增大，同时其平均幅值逐渐降低。这是由于桥箔电爆炸的正常作用频率为 0.51 MHz，越接近此频率的电磁能量耦合入桥箔的效率越高，产生的感应总电流的幅值越大。对感应产生的复杂震荡电流进行频谱分析，以 1MHz 为界将信号分离为高频信号 Ih和低频信号 Il。在高频信号 1 个周期内桥箔的电阻率近似为常数，可以将其等效为 1 个直流信号 IA。等效的基础是直流信号的比作用量与等效前的高频信号的比作用量相同。首先将高频信号 Ih平方积分，使用 kt形式函数对曲线进行拟合，则等效直流 IA幅值满足如下关系：在脉宽为 2.0 s 的 30 kA 注入电流下，1#冲击片雷管内感应电流中高频及低频信号的分离和等效结果见图 6。图 6等效信号分析Fig.6Equivalentsignalanalysis桥箔电爆炸仿真中，注入电流为 IA+Il。脉宽为 2.0s 的 30 kA 注入电流下，2#冲击片雷管中桥箔温度分布随时间的演化云图如图 7 所示。由图 7 可知，桥箔的 4 个角始终保持最高温度，加热约 130 s 后最先达到 Cu 的气化温度。图7电加热过程模拟Fig.7Electricheatingprocesssimulation在脉宽为 2.0 s 的 30 kA 注入电流作用下，不同04080120160t/s2000I/A10000-1000-2000（c）3#04080120160t/s2000I/A10000-1000-2000（a）1#04080120160t/s20