电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验平台及观测装置
阅读说明：本技术 电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验平台及观测装置 (Test platform and observation device for cooperation of electric explosion and energetic material with explosion effect ) 是由 焦文俊 甘云丹 袁建飞 张玉磊 丁刚 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验平台及观测装置,包括爆炸腔体,爆炸腔体的侧壁上沿着径向开设有一对同轴设置的第一光学窗口和第二光学窗口,爆炸腔体内中间位置设置有含能材料胶囊,含能材料胶囊中沿着轴向穿过有金属丝,金属丝的顶端连接在爆炸腔体顶部设置的上放电电极上,金属丝的底端连接在爆炸腔体底部设置的下放电电极上,下放电电极、触发开关、储能电容、上放电电极和金属丝依次通过电缆串联形成一个电爆炸回路；本发明的试验平台具备爆热达到3倍TNT当量等特性,适用于新型高能材料爆炸效应模拟试验。(The invention provides a test platform and an observation device for the synergistic explosion effect of electric explosion and energetic materials, which comprise an explosion cavity, wherein the side wall of the explosion cavity is provided with a pair of a first optical window and a second optical window which are coaxially arranged along the radial direction, an energetic material capsule is arranged in the middle position in the explosion cavity, a metal wire penetrates through the energetic material capsule along the axial direction, the top end of the metal wire is connected to an upper discharge electrode arranged at the top of the explosion cavity, the bottom end of the metal wire is connected to a lower discharge electrode arranged at the bottom of the explosion cavity, and the lower discharge electrode, a trigger switch, an energy storage capacitor, the upper discharge electrode and the metal wire are sequentially connected in series through a cable to form an electric explosion loop; the test platform provided by the invention has the characteristics of explosive heat reaching 3 times of TNT equivalent and the like, and is suitable for a novel high-energy material explosion effect simulation test.)
技术领域
本发明属于爆炸与毁伤领域，涉及爆炸效应的试验，具体涉及一种电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验平台及观测装置。
背景技术
新型高能材料比传统含能材料在提高战斗力和毁伤效果方面具有很大潜能，理论计算表明全氮材料爆炸时放出的热量可达3～8倍TNT当量、金属氢存储能量约是TNT的40-50倍。虽然新型高能材料的合成目前仍处于实验攻关阶段，提前研究其释能过程和方式，掌握其爆炸效应的内在规律，有助于未来合理地利用其爆炸效应实现武器对目标的高效毁伤。西安交通大学邱爱慈院士团队提出利用金属丝电爆驱动含能单质及混合物的方法(例如专利CN 108180003 A公开了一种金属丝电爆炸驱动含能混合物产生水中冲击波的方法)，电爆金属丝外面包裹含能材料，可产生幅值、脉宽可控的冲击波。该技术目前主要应用于发射药和油气开采等领域，由于金属丝在电爆炸过程中不断融化、汽化、爆炸形成等离子体、快速膨胀等过程，爆炸电路中的金属丝由连续状态变成不连续状态，导致电路不通，不能进一步对含能材料长时间馈入能量，整个电爆炸过程仅仅持续了5μs左右，电能溃入不足，使得上述技术成果很难应用于新型高能材料爆炸效应模拟。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验平台及观测装置，解决现有技术中的试验平台无法实现3倍TNT当量新型高能材料爆炸效应模拟的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验平台，包括爆炸腔体，爆炸腔体的侧壁上沿着径向开设有一对同轴设置的第一光学窗口和第二光学窗口，爆炸腔体内中间位置设置有含能材料胶囊，含能材料胶囊中沿着轴向穿过有金属丝，金属丝的顶端连接在爆炸腔体顶部设置的上放电电极上，金属丝的底端连接在爆炸腔体底部设置的下放电电极上，下放电电极、触发开关、储能电容、上放电电极和金属丝依次通过电缆串联形成一个电爆炸回路；
所述的电参数测量单元包括示波器，示波器上分别连接有电压探头和电流探头，电压探头和电流探头分别安装在下放电电极与触发开关之间的电缆上；
所述的光学观测单元包括激光器、扩束镜和高速分幅相机，激光器、扩束镜、第一光学窗口、第二光学窗口和高速分幅相机依次同轴布设。
本发明还保护一种电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验观测装置，该装置包括协同爆炸试验平台、电参数测量单元和光学观测单元；
所述的协同爆炸试验平台即上述电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验平台；
所述的电参数测量单元包括示波器，示波器上分别连接有电压探头和电流探头，电压探头和电流探头分别安装在下放电电极与触发开关之间的电缆上；
所述的光学观测单元包括激光器、扩束镜和高速分幅相机，激光器、扩束镜、第一光学窗口、第二光学窗口和高速分幅相机依次同轴布设。
本发明还具有如下技术特征：
所述的触发开关还与放电触发器相连；所述的储能电容还与充电电源相连。
所述的爆炸腔体的外壳接地。
所述的金属丝采用金、银、铜、铝或镍材料制成。
所述的金属丝和含能材料胶囊中的含能材料的耦合方式为串联、并联或Z型。
所述的触发开关采用三电极触发气体开关。
所述的电流探头采用罗氏线圈。
所述的爆炸腔体外的底部还设置有独立的触发腔体，触发腔体内安装有触发开关。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(Ⅰ)本发明的试验平台利用含能材料爆炸形成的大量等离子体使金属丝周围等离子体浓度增大，从而延长了电路导通时间，增加了馈入到含能材料内部的能量，输出能量达到了3倍TNT当量，实现了电爆炸与含能材料协同爆炸。
(Ⅱ)本发明的试验观测装置，可较清晰地获取到电爆炸与含能材料协同爆炸过程爆炸产物体积、冲击波、发光等在时空内的演化特征，同时完整记录电-化协同爆炸过程电参数随时间的变化历程，从而实现对协同爆炸效应全面、准确的刻画。
(Ⅲ)本发明的试验平台具备爆热达到3倍TNT当量等特性，适用于新型高能材料爆炸效应模拟试验。
附图说明
图1是协同爆炸试验平台及光学观测单元示意图。
图2是协同爆炸试验平台及电参数测量单元示意图。
图3是实施例3中电参与能量输出时程曲线。
图4(a)是实施例3中协同爆炸过程3.92μs分幅图像。
图4(b)是实施例3中协同爆炸过程5.92μs分幅图像。
图4(c)是实施例3中协同爆炸过程9.42μs分幅图像。
图4(d)是实施例3中协同爆炸过程12.92μs分幅图像。
图5(a)是金属丝和含能材料的串联耦合方式示意图。
图5(b)是金属丝和含能材料的并联耦合方式示意图。
图5(c)是金属丝和含能材料的Z型耦合方式示意图。
图6是本发明的电爆炸与含能材料协同爆炸与单独电爆炸释放能量对比。
图中各个标号的含义为：1-协同爆炸试验平台，2-电参数测量单元，3-光学观测单元；
101-爆炸腔体，102-第一光学窗口，103-第二光学窗口，104-含能材料胶囊，105-金属丝，106-上放电电极，107-下放电电极，108-触发开关，109-储能电容，110-电缆，111-放电触发器，112-充电电源，113-触发腔体；
201-示波器，202-电压探头，203-电流探头；
301-激光器，302-扩束镜，303-高速分幅相机。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明中的所有部件和设备，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的部件或设备。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验平台，如图1所示，包括爆炸腔体101，爆炸腔体101的侧壁上沿着径向开设有一对同轴设置的第一光学窗口102和第二光学窗口103，爆炸腔体101内中间位置设置有含能材料胶囊104，含能材料胶囊104中沿着轴向穿过有金属丝105，金属丝105的顶端连接在爆炸腔体101顶部设置的上放电电极106上，金属丝105的底端连接在爆炸腔体101底部设置的下放电电极107上，下放电电极107、触发开关108、储能电容109、上放电电极106和金属丝105依次通过电缆110串联形成一个电爆炸回路；
具体的，触发开关108还与放电触发器111相连，优选的，放电触发器111采用100kV/25ns的触发器；
具体的，储能电容109还与充电电源112相连，优选的，充电电源112采用50kV/0.3A高压恒流电源。
优选的，爆炸腔体101的外壳接地。
本实施例中，爆炸腔体101为内径340mm、高310mm、壁厚10mm的圆筒状罐体。
本实施例中，第一光学窗口102和第二光学窗口103可用于进行激光阴影和高速分幅相机等光学观测诊断。
优选的，金属丝105采用金、银、铜、铝或镍材料制成。本实施例中，金属丝105选择长度15cm、直径0.4mm的铝丝。如图5(a)、5(b)和5(c)所示，金属丝105和含能材料胶囊104中的含能材料的耦合方式为串联、并联或Z型。
优选的，触发开关108为三电极触发气体开关。
本实施例中储能电容109采用金属外壳的低电感电容器，电容量可选取2.6μF、4μF或6μF三种；
优选的，爆炸腔体101外的底部还设置有独立的触发腔体113，触发腔体113内安装有触发开关108。
实施例2：
本实施例给出一种电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验观测装置，图图1和图2所示，该装置包括协同爆炸试验平台1、电参数测量单元2和光学观测单元3；
协同爆炸试验平台1即电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验平台。
电参数测量单元2用于记录协同爆炸过程的电参数。
光学观测单元3用于记录协同爆炸过程的图像信息。
协同爆炸试验平台1采用实施例1中的电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验平台；
电参数测量单元2包括示波器201，示波器201上分别连接有电压探头202和电流探头203，电压探头202和电流探头203分别安装在下放电电极107与触发开关108之间的电缆110上；
光学观测单元3包括激光器301、扩束镜302和高速分幅相机303，激光器301、扩束镜302、第一光学窗口102、第二光学窗口103和高速分幅相机303依次同轴布设。
实施例3：
本实施例给出一种电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验观测方法，该方法采用实施例2中的电爆炸与含能材料协同爆炸效应的试验观测装置。
该方法具体包括以下步骤：
步骤一、将金属丝105穿过装有含能材料的含能材料胶囊104，打开爆炸腔体101，将金属丝105和含能材料胶囊104连接在上放电电极106和下放电电极107之间，密封爆炸腔体101。
本实施例中，金属丝105选用长度15cm、直径0.4mm的铝丝，含能材料粉末装入胶囊，金属丝105和含能材料胶囊104的耦合方式选用串联方式。
步骤二，布置电参数测量单元2的电压探头202和电流探头203，设置分压比。
本实施例中，放电电流由罗氏线圈测量，其分压比设置为10610:1，通过Pearson101线圈进行校正，其灵敏度为0.0001V/A；放电电压由Tektronix电压探头测量，其分压比设置为1000：1，可测量的直流电压20kV、脉冲电压峰值40kV。
步骤三，搭建和调试光学观测单元3，使得激光器301输出的激光通过扩束镜302扩束，穿入爆炸腔体101侧壁上的第一光学窗口102，透过金属丝105和含能材料胶囊104，穿出爆炸腔体101侧壁上的第二光学窗口103，在高速分幅相机303中能够形成分幅图像。
本实施例中，利用EXPLAS激光器输出30ps 532nm激光，爆炸腔体101上的光学窗口采用防弹玻璃，高速分幅相机采用现有技术中已知的分幅超高速光电摄影系统，(例如，授权公告号为CN103197499B的中国发明专利“一种同时分幅扫描超高速光电摄影系统”)。使用水平尺和激光水平仪确定激光阴影系统、爆炸腔体(光学窗口)和高速分幅相机系统的相对位置和姿态。金属丝轴线与视场左右对称线重合。
步骤四，通过延时器控制高速分幅相机303、激光器301和放电触发器111的触发时序，根据理论预估设置触发延时，调整触发延时能够获得协同爆炸过程典型时刻的等离子体演化图像。
本实施例中，延时器采用数字延时发生器(DG535)，调节多通道之间的触发延时来使高速分幅相机和电爆炸之间的触发时间相匹配，根据理论预估，电爆炸8μs时刻开始，故分幅相机的拍摄触发设置为触发按钮按下后的8μs。
步骤五，根据拟馈入电能设置储能电容充电/放电参数，调试示波器201并设置为待触发状态。
本实施例中，选用Tektronix MDO3034示波器，带宽350MHz，为避免电压扰动而造成的误触发，触发模式选择电流触发，采样速率设置为2.5G次/秒，取样点之间间隔为0.4ns。
步骤六，连接电路，充电电源112给储能电容109充电，储能电容109负载的高压端经高压电极板连接到触发开关108上，储能电容109负载的低压端与上放电电极106相连。
本实施例中，电压由50kV/0.3A高压恒流电源提供，储能电容选用高压脉冲电容器，电容值为4μF，额定电压为40kV。
步骤七，爆炸腔体101中充入氮气，通过调节爆炸腔体内的气压来调节开关的击穿电压，防止触发开关发生自击穿。
步骤八，按下放电触发器111的触发按钮，放电触发器111接收到延时器的触发信号后，控制触发开关108闭合，触发储能电容109放电，发送高压脉冲，爆炸腔体101中的上放电电极106和下放电电机107之间的金属丝105在高电压施加下发生电爆炸，电爆炸释放的能量快速馈入含能材料胶囊104中的含能材料内部并激发含能材料使其爆炸，含能材料爆炸形成大量的等离子体进一步增大了金属丝105周围的等离子体的浓度，使电路保持导通，从而增加了馈入到含能材料内部的能量，形成协同爆炸效应。
本实施例中，放电触发器为100kV/25ns的触发装置，选择外控模式，在接收到DG535延时器的触发信号后，控制触发开关闭合。
步骤九，电参测量结果计算与分析：
确定示波器201测量电压和电流的时程曲线真实放电过程，并确定放电时间的有效长度，通过对对电压和电流在放电时间段进行积分，得到馈入含能材料内部的电能；
W电＝U×I×dt；
式中，W电为馈入含能材料内部的电能；U为示波器测量电压；I为示波器测量电流；dt为放电时间。
本实施例中，电参测量结果如图3所示，通过电压和电流的时程曲线求得电爆过程中金属丝的能量沉积曲线(馈入到含能材料内的电能)，通过金属丝的能量沉积曲线观察，电爆炸释能过程由5μs延长到25μs，这样大大增加了馈入到含能材料爆炸的能量。
如图6所示，溃入电能W电＝U×I×dt(爆热)达到2倍TNT当量，协同爆炸效应总能量W总＝W含能材料+W电(爆热)达到3倍TNT当量，成功实现了新型高能材料爆炸效应模拟。
步骤十，分幅图像数据处理与分析：
判断电爆炸能否引爆含能材料，对比分幅获得的两幅图像之间的信息，除以时间间隔，获得金属丝膨胀射流速度和含能材料膨胀速度，给出协同爆炸过程典型时刻。
具体的，协同爆炸过程典型时刻包括电流暂停阶段和金属丝二次击穿放电时刻。
本实施例中，分幅图像如图4(a)至图4(d)所示，4幅分幅图像记录时刻分别为3.92μs、5.92μs、9.42μs、12.92μs，从分幅图像可以看出：3.92μs时刻金属丝处在电流暂停阶段，金属丝未爆但体积明显膨胀；5.92μs时刻金属丝已完成二次击穿进入等离子体放电状态，金属丝电爆炸发生，金属丝出现明显的光亮，且光亮范围和亮度随时间增大；对比5.92μs时刻和9.42时刻可以看出，含能材料并未引爆且受到胶囊包裹，膨胀程度远小于同一时间的金属丝。
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