激光驱动金属飞片冲击起爆技术研究

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激光驱动飞片冲击起爆技术在提高火工品的起爆安全性和瞬时性方面具有明显的优势。该技术一旦成熟,形成的产品就可以代替现役的大部分火工品,应用在弹药、运载火箭、武器作战平台等系统,可以很大程度上提高火工品的综合性能。目前已经有大量的文献报道了激光飞片起爆炸药的研究成果,但是这些研究在机理层面上还比较宏观,而且系统性不强。针对这些问题,本文从实验和数值模拟两方面,对激光驱动飞片冲击起爆技术进行了研究。研究了激光与约束和非约束条件下的金属膜相互作用特性,利用Boltzmann图谱法计算出Cu和Al等离子体的电子温度,利用Saha-Eggert公式和Stark展宽法计算出Cu和Al等离子体的电子密度,同时将约束条件下的等离子体温度和密度与无约束条件下的进行对比,研究表明:无论是Cu膜还是Al膜,K9玻璃基底在提升它们等离子体的电子温度和电子密度方面均起到了较大的作用。这是因为玻璃基底在减缓等离子体扩散和冷却速度时起到了一定的作用。建立了数学模型,模拟了激光对金属膜的加热、熔化、汽化以致生成等离子体的过程,并且与实验结果进行比较,模拟结果表明,在一定条件下,模型可以满足基本需求。研究了飞片直径、飞片厚度、加速距离、复合飞片以及激光能量等因素对飞片速度、飞片动能耦合率、飞片冲击应力的影响,并且通过碰撞有机玻璃间接分析了飞片的形貌。另外,通过实验研究CuO/Cv、CuO/Al和CuO/Al/Cu三种复合飞片的特性。结果显示:在一定范围内,随着厚度的增加,飞片速度逐渐减小,随着加速距离的增加,飞片速度整体呈上升趋势,CuO/Al作为飞片的复合含能吸收层,可以将Al飞片速度平均提高10%。随着直径和加速距离的增加,飞片的动能耦合率均逐渐增加,随着激光能量的增加,飞片的动能耦合率却逐渐下降。以LSDW理论为基础,对激光驱动飞片的速度进行了数值模拟,并将其与实验结果进行对比。模拟结果表明:随着激光能量的增加,飞片的速度逐渐上升,Cu飞片的模拟与实验结果的平均误差为17.4%。Al飞片平均模拟误差小于8%。利用激光驱动的飞片对PETN和HNS进行了冲击起爆实验,引入P2τ判据对冲击起爆的结果进行了判别。得到了不同激光能量下的炸药冲击起爆规律。在实验基础上,利用AUTODYN软件对飞片冲击起爆PETN的过程进行了数值模拟,得到了炸药中不同位置随时间的压力曲线以及相应的炸药中反应部分的比值曲线。模拟结果表明:模拟的Al飞片(速度4145m·s-1)和Cu飞片(速度3389m·s-1)均能成功起爆PETN;同样的速度下,飞片越厚,对应炸药中的压力就越大。
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