Page 21 - 《含能材料》火工品技术合集 2015~2019
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亚 微 秒 内 金 丝 电 爆 炸 的 激 光 探 针 测 试 及 三 维 动 力 学 仿 真 475
的实验样品的关键尺寸，如金丝的直径、长度以及金丝 爆炸产物在局部堆积，使该区域的物质密度较大，脉
距离电极塞的高度等进行了细致的筛选，以确保选用 冲激光不易穿透；而且，该区域的自由电子数密度同
的实验样品具有较高的一致性。 样较大，对激光的吸收作用也较强，造成干涉条纹较
2.3 实验结果及分析 模糊；外侧的爆炸产物密度相对较低，对激光的屏蔽
2.3.1 电爆炸流场形貌特征分析 和吸收作用均较弱，因此脉冲激光容易穿透流场形成
采用图 1 所示的实验装置，以电流起跳点为时间 清晰的干涉条纹。第二，干涉条纹在流场最外缘的一
零点 ，获得了 5 个不同时刻的电爆炸流场 ，如图 4 所 个薄层区域内形成了比较明显的双层干涉条纹。分
示。需要说明，采用本实验装置，单次实验只能获得一 析认为，这是由于电爆炸产物的膨胀速度远大于空气
幅实验图像，因此图 4 中不同时刻的图像是在多次实 声速，在膨胀过程中必然压缩空气形成冲击波，在冲
验中采用具有相同状态的不同实验样品获得的。 击波波阵面和爆炸产物外界面之间形成了一个层状
从图 4 可以看出，在不同的时刻，电爆炸流场均 的受压缩空气区域，该区域的物质种类、密度和微观
具有如下典型特征：第一，流场中心区域的干涉条纹 粒子组成均与爆炸产物显著不同，因此其干涉条纹的
较模糊，而远离中心区域的干涉条纹较清楚。分析认 形态也有所不同，形成了观测图像中外缘的双层干涉
为，该现象主要是电极塞阻止了爆炸产物向下运动， 条纹。
a. t=160 ns b. t=206 ns c. t=304 ns
d. t=336 ns e. t=492 ns
图 4 不同时刻的电爆炸流场
Fig.4 The flow field of the explosion product at different typical moments
2.3.2 电爆炸流场膨胀速度分析 时间段内的平均传播速度，如表 2 所示。传播距离的
在计算电爆炸流场的膨胀速度之前，需要首先确 判读是以每个实验样品的电极塞直径为标尺，确定图
定金丝膨胀的起始时刻。金丝在开始膨胀瞬间，其体 像中每个像素点对应的实际长度后，再从图中读取电
积急剧增大，电子密度快速下降，电阻突跃上升，因此 爆炸产物的传播距离。单个像素点对应的实际长度约
可以将放电回路的电阻开始急剧增大的时刻作为金丝 为 0.02 mm，因此空间判读精度大约为 0.02 mm。
的膨胀起始时刻 ［18］ 。然而，放电过程的动态电阻难以 从表 2 中可以看出，金丝爆发瞬间的膨胀速度并
直接测量，考虑到电阻急剧增大时，会在电流曲线上形 非最大，而是经历了先增大后减小的变化过程：在爆发后
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成向下的拐点，所以可以将电流曲线中向下的拐点近 0~28 ns内，电爆炸产物的平均膨胀速度为 3571 m·s ，
似作为金丝的爆发时刻。本实验中，如果以电流起跳 大约为空气中声速的 10.5 倍，必然压缩空气产生冲击
点为时间零点，则金丝的膨胀起始时刻为 132 ns，如 波，进一步验证了 2.3.1 节中对双层干涉条纹成因的分
图 2 所示。 析；在金丝爆发后的 28~74 ns 之间，电爆炸产物的平
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通过对实验图像（图 4）进行数据判读，获得了不 均膨胀速度增大至 8913 m·s ，膨胀速度之所以能够
同时刻电爆炸流场传播距离（干涉条纹顶端与金丝初 增大，是由于爆发后仍有电流持续通过爆炸产物，不断
始位置的距离）随时间的变化规律，并计算获得了不同 向其中沉积能量，导致爆炸产物在初始阶段的膨胀过
CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 6 期 （473-480）
