爆炸去磁脉冲功率发生器的实验和理论计算

设计了两种结构的爆炸去磁脉冲功率发生器:炸药透镜平面波冲击加载圆柱形磁体和中心装药冲击加载圆环形磁体，磁体材料都采用Nd2Fe14B永磁体。进行了爆炸冲击加载实验，测量了爆炸去磁脉冲发生器的输出电流、电压以及Nd2Fe14B永磁体中的冲击波速度。通过对爆炸去磁脉冲功率发生器基本原理的分析，建立了感生电动势的理论计算方法。用Maxwell 3D电磁场分析软件，对Nd2Fe14B永磁体进行了静磁场分析，给出了Nd2Fe14B永磁体的磁场强度分布规律。实验结果表明:爆炸去磁脉冲功率发生器每匝线圈能够产生约67 V的感生电动势,对于0.56 H的电感负载能够输出脉宽78.3 s、峰值1 212 A的脉冲电流。     

爆炸对自然磁场干扰机理

爆炸产生的电磁场对爆炸测试有较明显的干扰, 一些含金属炸药产生的电磁干扰甚至可以使设备失效, 为了给出爆炸产生电磁效应的理论分析方法和特性, 针对常规炸药爆炸过程中观察到的自然磁场扰动现象进行理论机理和数值模拟研究. 采用热平衡电离理论描述爆炸过程中产生的电离气体, 结合爆炸问题的数值模拟方法, 获得爆炸场中电导率的时空分布, 计算磁场扩散率; 基于非理想全磁流体力学方程求解一定磁扩散率下等离子体高速运动引起的自然磁场扰动, 实现爆炸产生磁场效应的二维模拟; 对比炸药不同起爆条件对产生磁场扰动的影响, 结果表明: 炸药起爆参数对磁场扰动有很大的影响, 这种影响源自于电导率的巨大差异, 虽然爆轰产物的高速运动有引起磁场大幅度扰动的能力, 然而只有具有一定电导率的爆轰气体才能冻结磁场扰动. 数值模拟结果与文献中的结果进行了对比, 模拟得到的由电磁波引起的磁场扰动在时间尺度上与文献结果符合较好, 从一定程度上证明了数值模拟方法的可靠性. 本文的数值模拟结果指出炸药几何构型不对称的时候, 在自然磁场取不同方向时将会产生不同的磁场扰动强度, 而这是目前该领域中尚且无人关注和讨论过的问题.      

炸药爆炸驱动下铜板的层裂现

在进行炸药驱动铜板实验中,用激光速度干涉仪(VISAR)记录铜板自由面速度,观察到了铜板层裂现象,并用非线性有限元方法对爆炸载荷下铜板层裂过程进行数值模拟分析,得到了与实验结果吻合的计算结果。     

爆炸对自然磁场干扰机理

爆炸产生的电磁场对爆炸测试有较明显的干扰,一些含金属炸药产生的电磁干扰甚至可以使设备失效,为了给出爆炸产生电磁效应的理论分析方法和特性,针对常规炸药爆炸过程中观察到的自然磁场扰动现象进行理论机理和数值模拟研究.采用热平衡电离理论描述爆炸过程中产生的电离气体,结合爆炸问题的数值模拟方法,获得爆炸场中电导率的时空分布,计算磁场扩散率;基于非理想全磁流体力学方程求解一定磁扩散率下等离子体高速运动引起的自然磁场扰动,实现爆炸产生磁场效应的二维模拟;对比炸药不同起爆条件对产生磁场扰动的影响,结果表明:炸药起爆参数对磁场扰动有很大的影响,这种影响源自于电导率的巨大差异,虽然爆轰产物的高速运动有引起磁场大幅度扰动的能力,然而只有具有一定电导率的爆轰气体才能冻结磁场扰动.数值模拟结果与文献中的结果进行了对比,模拟得到的由电磁波引起的磁场扰动在时间尺度上与文献结果符合较好,从一定程度上证明了数值模拟方法的可靠性.本文的数值模拟结果指出炸药几何构型不对称的时候,在自然磁场取不同方向时将会产生不同的磁场扰动强度,而这是目前该领域中尚且无人关注和讨论过的问题.     

爆磁压缩技术综述

介绍了把炸药的化学能转换成电磁能的爆磁压缩技术，其中包括了爆磁压缩发生器的组成、运行原理和大量实验。结果表明：爆磁压缩发生器可在mm^3体积内建立1．99GA／m(25Moe)的强磁场；在nH电感性负载中产生超过250-266MA的脉冲大电流；几kg质量的爆磁压缩发生器能在5μH负载两端产生超过50kV的脉冲电压，经过爆炸丝、间隙闭合开关组成的功率调节组件后。可得到高于500kV的脉冲高电压。     

新型功率调节系统中的炸药驱动断路开关技术

介绍了两种炸药驱动断路开关的基本工作原理及主要性能。提出了在以爆炸磁压缩发生器为能源的脉冲功率调节系统中，采用两级爆炸断路开关。估算并比较了采用两级断路开关和只用一级爆炸丝断路开关时爆炸丝开关中的能量损耗。     

一种以TATB/HMX为基炸药的到爆轰距离

利用光纤探针/光电转换器/示波器技术和楔形炸药块方法,采取电炮驱动薄飞片冲击加载产生高压短脉冲激励的装置,测量了一种以TATB/HMX为基炸药的到爆轰距离,研究了到爆轰距离与初始冲击波压力幅值和脉宽的关系,给出了该炸药的POP曲线和表达式。实验结果有助于了解压力脉宽对钝感炸药的冲击起爆和爆轰成长的影响。对于短脉冲冲击加载,入射压力脉宽对炸药的到爆轰距离影响明显,相同实验条件下,压力脉宽越长,炸药的到爆轰距离越短;相同压力脉宽下,加载压力越高,炸药的到爆轰距离越短。     

B炸药爆炸过程中电磁辐射研究

炸药爆炸过程中产生明显的电磁辐射干扰在很多领域引起了重视, 爆炸产生电磁辐射的机理和理论模型都不成熟, 实验仍然是研究这一现象的重要手段. 本文设计了不同质量的B炸药爆炸电磁辐射实验, 测量了爆炸整个过程中不同时刻的电磁辐射信号. 通过小波分析方法对实测信号进行处理, 得到真实信号和信号的时频特点, 小波分析得到真实信号的频谱主要分布在0$\sim$50 kHz. 利用自主开发的EXPLOSION-3D软件对实验工况进行数值模拟, 得到爆炸过程不同时刻流场的特点. 对比实验结果和数值模拟结果得出: 第一个脉冲信号是由B炸药爆轰产生的高温高压等离子体直接产生的电磁脉冲; 第二个脉冲信号是由地面反射的冲击波追上前沿冲击波, 空气冲击波阵面处形成的等离子体产生的电磁脉冲; 第三个脉冲信号是冲击波撞击测量线圈引起的无效信号. 其中, 第一个电磁脉冲幅值与当量的1/3次方基本呈线性关系, 其到达时间对炸药药量不敏感; 第二个电磁脉冲出现的时间与炸药的当量成指数关系, 药量越大, 出现时间越晚. 通过对第二个脉冲信号的分析, 得出了冲击波反射形成电磁脉冲信号时的爆炸波流场特征, 为后续相关理论机理研究提供了验证数据.      

爆炸产物发生化学反应对药室压力影响的研究

研究了爆炸产物发生化学反应对约束爆炸准静态压力的影响,推导了考虑爆炸产物发生化学反应时,约束空间内准静态压力的计算公式.以TNT炸药发生约束爆炸为例,分析了不同药量体积比下爆炸产物的化学反应动力学过程.编写了计算TNT炸药约束爆炸后准静态压力的程序,将程序计算结果与实验测量结果和ConWep程序计算结果进行对比,验证了计算方法的准确性,证明了爆炸产物发生化学反应对约束爆炸准静态压力有重要的影响.考虑爆炸产物发生化学反应对压力的影响,利用LS-DYNA对TNT炸药在一长方体药室内的爆炸进行了数值模拟,模拟结果表明,考虑爆炸产物发生化学反应时,药室会出现局部塑性应变与应力集中现象,最大塑性应变达到0.8‰.     

RESEARCH ON ELECTROMAGNETIC RADIATION DURING THE EXPLOSION PROGRESS OF COMPOSITION B EXPLOSIVES$^{\bf 1)}$

炸药爆炸过程中产生明显的电磁辐射干扰在很多领域引起了重视, 爆炸产生电磁辐射的机理和理论模型都不成熟, 实验仍然是研究这一现象的重要手段. 本文设计了不同质量的B炸药爆炸电磁辐射实验, 测量了爆炸整个过程中不同时刻的电磁辐射信号. 通过小波分析方法对实测信号进行处理, 得到真实信号和信号的时频特点, 小波分析得到真实信号的频谱主要分布在0$\sim$50 kHz. 利用自主开发的EXPLOSION-3D软件对实验工况进行数值模拟, 得到爆炸过程不同时刻流场的特点. 对比实验结果和数值模拟结果得出: 第一个脉冲信号是由B炸药爆轰产生的高温高压等离子体直接产生的电磁脉冲; 第二个脉冲信号是由地面反射的冲击波追上前沿冲击波, 空气冲击波阵面处形成的等离子体产生的电磁脉冲; 第三个脉冲信号是冲击波撞击测量线圈引起的无效信号. 其中, 第一个电磁脉冲幅值与当量的1/3次方基本呈线性关系, 其到达时间对炸药药量不敏感; 第二个电磁脉冲出现的时间与炸药的当量成指数关系, 药量越大, 出现时间越晚. 通过对第二个脉冲信号的分析, 得出了冲击波反射形成电磁脉冲信号时的爆炸波流场特征, 为后续相关理论机理研究提供了验证数据.     

脉冲气流发生器流场的优化实验研究

为了分析脉冲气流发生器在不同喷嘴结构下的脉冲气流特征及其流场的变化规律,利用高速摄影技术, 通过控制闪光光源,得到不同喷嘴结构产生的冲击波及脉冲气流流场的实验图像及其影响。采用多项式拟合的方法获得冲击波超压值、速度随距离变化的衰减规律;通过图像处理技术,获取脉冲气流的有效数据,采用一阶指数衰减方程拟合出脉冲气流位移、速度随时间的变化规律。该实验方法及数据处理技术可以认知不同结构脉冲气流发生器产生的冲击波、脉冲气流的相关参数。     

强脉冲电磁力驱动的冲击载荷

冲击载荷在材料科学与工程领域具有一定的应用。随着研究的深入, 对冲击速度、冲击能量提出了更高的需求, 是落锤所无法达到的。强脉冲磁场可由脉冲大电流产生, 通过合适的装置可产生强脉冲电磁力, 进而可转换为冲击载荷。通过数值模拟, 给出了强脉冲磁场、电磁力及冲头运动过程的数值模拟结果。采用高速摄像对该压缩冲击装置的运动过程进行记录, 通过对影像数据处理获得了冲击速度及冲击能量, 验证了模拟结果。     

金属柱壳膨胀断裂的实验与数值模拟

基于一端起爆的柱壳外爆加载装置,采用多普勒速度测量仪(DPS)及高速分幅相机联合诊断柱壳的膨胀断裂过程。实验获得了壳体表面的速度历史和膨胀变形、裂纹萌生扩展到爆轰产物泄露的动态图像。利用光滑粒子流体动力学方法(SPH)开展了对应的数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好。实验与数值模拟结果系统地给出了冲击波入射柱壳角、爆轰波稀疏角、内壁速度压力历史及壳体变形应变、壳体断裂等物理信息。     

高压脉冲放电技术在金属裂纹止裂中的应用

如何产生高强度脉冲电流是应用电磁热效应遏制金属裂纹研究的一个关键问题。本文介绍了高压脉冲放电装置的工作原理;从理论上分析了充电电压、回路参数与放电电流幅值、放电周期之间的关系。在此基础上,自主设计、开发了一套高压脉冲放电装置。采用它对金属模具钢中裂纹进行了脉冲放电止裂实验。放电时裂纹尖端熔化形成堆焊和高压应力区,使裂纹尖端钝化,达到了止裂的目的。由于脉冲放电快速加热和冷却,在裂纹尖端处实现了冲击淬火,得到了超细化的隐晶马氏体和细粒碳化物等微观组织,提高了裂纹尖端处的硬度、强韧性和耐磨性,试验结果验证了该装置的有效性,本文的成果为采用电磁热效应对金属模具裂纹止裂提供了实验技术基础。     

水下针-板放电气泡脉动及冲击特性

为明确水中脉冲放电能量释放过程所产生气泡的脉动和压力波冲击特性，依据能量等效原则，在LS-DYNA软件中建立针-板电极结构的水下爆轰模型，模拟气泡形态。通过与获取的物理图像比对，发现气泡形态和时间演化尺度高度一致。在此基础上，对气泡的冲击特性进一步分析，结果表明:冲击波峰值、气泡脉动周期和半径大小随放电能量增加而加大，随静水压力的增加而减小；当放电电压由14 kV增至20 kV，二次压力波峰值由2.89 MPa升至4.09 MPa，提高41.5%；当静水压力由202.65 kPa增至506.63 kPa，二次压力波峰值从5.15 MPa升至6.36 MPa，提高23.5%，放电能量和水压的增加对二次压力波提升明显；随着距离增加，二次压力波所占冲击波的峰值压力比重，由12.6%增加至35.3%，远场放电位置二次压力波不可忽视。     

炸药TATB/粘结剂的短脉冲冲击起爆阈值测量

利用金属箔电爆炸驱动聚酯薄膜飞片产生短脉冲冲击波的加载技术(电炮),依据DRM(Delayed Robbins-Monro)实验程序,研究了炸药TATB/粘结剂在各种激励条件下的短脉冲冲击起爆特性,获得了其50%起爆概率条件下的短脉冲冲击起爆阈值,及实验条件下其短脉冲冲击起爆判据为:lnp=0.205-0.87lnτ。并与相同条件下TATB/HMX为基的高聚物粘结炸药的短脉冲冲击起爆阈值进行了比较。结果表明飞片面积和压力脉宽均对炸药的短脉冲冲击起爆阈值有重要影响,与TATB/HMX为基的高聚物粘结炸药相比,TATB/粘结剂更钝感。     

外加磁场对乙炔气体爆炸反应影响研究

为探究磁场对气体爆炸反应的影响,实验研究了磁场强度对C₂H₂爆炸特征的影响规律,结果表明:磁场能抑制C₂H₂爆炸压力和升压速率,磁场强度越大,抑制效果越明显;沿火焰传播方向,磁场对C₂H₂爆炸火焰传播速度呈现先促进后抑制的效果,整体表现为抑制作用。磁场强度较低时,爆炸火焰平均传播速度降低了38.94%,磁场强度较高时,爆炸火焰平均传播速度降低了49.62%。利用Chemkin-Pro软件模拟了C₂H₂爆炸基元反应过程,理论推导了磁场影响C₂H₂爆炸的反应机理,磁场改变了C₂H₂爆炸反应路径,是造成爆炸特征参数下降的主要原因。由于不同种类自由基的摩尔质量和磁化强度不同,在磁场中,洛伦兹力和梯度磁场力对小分子量自由基比对大分子量自由基的作用力更大。磁场改变了自由基的运动轨迹,由于同种小分子量自由基的聚集和器壁效应的产生,减小了关键自由基之间的碰撞几率,降低了基元反应的速率,导致爆炸强度下降。