典型桥丝火工品静电放电响应研究

钟 敏，李志鹏，龙新平，吕子剑，文 雯



典型桥丝火工品静电放电响应研究

钟 敏1，李志鹏1，龙新平2，吕子剑1，文 雯1

（1．中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳，621900；2. 中国工程物理研究院，四川绵阳，621900）

为研究不同桥丝火工品静电放电响应的差异，采用高压静电放电模拟装置对两种典型的热桥丝和爆炸桥丝火工品进行了脚-脚电流注入式静电放电，测试获得了两种火工品50%发火电压及其桥丝50%熔断电压值，并对火工品的响应状态进行了理论计算和分析。结果表明：火工品桥丝的响应状态可根据静电放电引起的桥丝温度与其桥丝材料熔点温度值的对比来判定；爆炸桥丝和热桥丝火工品不同的起爆机理是造成其静电响应特性差异的主要原因。

桥丝火工品；静电放电；响应特性；安全性

桥丝火工品因其性能较为稳定且易于控制，在战略导弹、核武器以及航空航天系统中均有广泛应用。根据其不同的起爆机理，大致可分为热桥丝（Hot Bridge Wire，HBW）和爆炸桥丝（Exploding Bridge Wire，EBW）火工品两种，其中热桥丝火工品将电能转化为热能，以热起爆形式导致火工品发火，而爆炸桥丝火工品则将电能转化为引爆炸药的冲击波，主要以冲击波形式起爆猛炸药从而导致火工品发火[1]。

目前，人们对桥丝火工品的静电放电响应情况已开展了一些研究工作。如白瑞祥等[2]对未装药的热桥丝火工品脚脚间进行了静电放电试验，研究了静电放电对火工品桥丝的影响情况，分析认为电阻变化主要是由于静电放电使桥丝升温，起到了热处理的作用所致。Dan等[3]分别采用人体和家具复合模型，研究了几种类型热桥丝火工品装药的静电放电响应情况。Michael等[4]则主要通过计算分析了静电放电对几种典型爆炸桥丝火工品桥丝的影响情况，计算表明通过冲击电流的对比可以分析桥丝的响应状况。然而，上述工作主要是针对较低电压（<40kV）条件下桥丝火工品的响应情况，而对于较高电压静电放电条件下热桥丝和爆炸桥丝火工品的响应情况，以及具体的影响过程等问题却很少有进一步的研究。

为研究不同桥丝火工品静电放电响应的差异，本文采用高压静电放电模拟装置，分别对两种典型的热桥丝（HBW-1）和爆炸桥丝（EBW-1）火工品进行了静电放电试验，测试获得了1 000pF、1Ω静电放电条件下两种火工品50%发火电压及其桥丝50%熔断的电压值，并通过理论计算对试验中火工品的响应状态进行了分析，研究结果对于深入认识桥丝式火工品的静电安全性有一定意义。

1 实验部分

1.1 试验样品

试验采用了两种典型的桥丝式火工品，其中HBW-1为热桥丝式火工品，桥丝材料为镍铬丝，电阻约为1Ω。EBW-1为爆炸桥丝式火工品，桥丝材料为金，电阻约40mΩ。两种火工品结构基本相似，均由电极塞、桥丝、装药和壳体等部分组成，结构示意图见图1。

图1 桥丝式火工品结构示意图

1.2 试验装置和方法

静电放电试验装置采用高压静电放电模拟试验系统，该系统由控制装置、充/放电装置、测试装置等组成。其中充/放电装置见图2所示，由高压电源、储能电容器、充/放电电阻、球形放电开关等组成。高压静电放电模拟试验系统相关技术指标符合美军标MIL-STD-331C[5]要求，其输出电压最大可达300 kV、放电电容1 000 pF、放电电阻1Ω、放电电感16μH，采用100Ω校准电阻检测得到负载能量消耗率约为电容储能的92%，放电极性为负极性。

图2 高压静电放电模拟系统充放电装置

试验时，对火工品进行脚-脚方式的注入式静电放电。火工品桥丝熔断电压测试时，为便于观测，试验样品为与火工品状态相同的电极塞（含桥丝）。火工品50%发火电压及其桥丝50%熔断的电压值测试均根据GJB/Z 377A-1994升降法试验进行。

2 结果与分析

图3~4是两种火工品桥丝不同静电放电电压刺激前后的响应情况。

图3 静电放电前后HBW-1响应状态

图4 静电放电前后EBW-1响应状态

由图3~4可见，不同静电刺激条件下桥丝出现了不同程度的损伤，桥丝的几种典型响应状态包括部分熔断、整体熔断、熔断且对电极塞有明显灼烧痕迹等。随着静电放电电压的升高，桥丝的损伤程度更加严重，在100kV电压时，两种桥丝均剧烈反应，且在电极塞表面形成灼烧痕迹。

两种火工品桥丝发生熔断的阈值电压测试结果见表1。测试环境条件：20℃，30%RH。

表1 火工品桥丝熔断电压值

Tab.1 Melt fracture voltage of bridge wire

由表1可知，EBW-1火工品桥丝的50%熔断电压为56.33kV，99.99％熔断电压为64.38kV。HBW-1火工品桥丝50%熔断电压为78.71kV，99.99％熔断电压为87.41kV，这与图3~4观测结果基本一致。

由于桥丝的响应情况与静电放电引起的桥丝温升密切相关，下面进行计算分析。静电放电作用在桥丝上的能量E导致桥丝升温，其温度升高值与能量关系式为[1,4]：

式（1）中：△表示桥丝温升值(起始温度20℃)；为桥丝电阻的温度系数；为桥丝比热容；表示桥丝材料密度；为桥丝长度；为桥丝横截面面积。测试获得静电放电作用在桥丝上的能量值，并假设桥丝上温度分布均匀，根据公式（1）可估算出火工品桥丝发生不同概率熔断时的桥丝温度值。计算采用的参数见表2，计算结果见表3。

表2 计算参数

Tab.2 Calculation parameters

表3 桥丝温度计算结果

Tab.3 Calculated temperature of bridge wire

根据表3的计算结果，静电放电导致HBW-1和EWB-1火工品桥丝50%熔断的温度值分别为1 297℃和998℃，接近于两种桥丝材料的熔点温度值1 400℃和1 064℃，由于桥丝上的实际温度分布不可能完全均匀，则会出现局部过热而发生部分熔断（如图3~4所示），因此桥丝有50%的熔断概率。静电放电导致HBW-1和EWB-1火工品桥丝99.99%熔断的温度值分别为1 552℃、1 157℃，大于桥丝材料的熔点温度，因此桥丝发生熔断。由此说明，火工品桥丝的响应状态可根据静电放电引起的桥丝温度与其桥丝材料熔点温度值的对比来判定。

表4所示为两种桥丝式火工品静电感度测试结果，其中EBW-1火工品在200kV条件下连续进行了10发试验均未发火，因此认为其0.01%和50%发火电压均大于200kV。对比表1和表4的数据可知，EBW-1火工品桥丝99.99％熔断电压为64.38kV，但是其0.01%发火电压却大于200kV；HBW-1火工品桥丝0.01％熔断电压为70.02kV，但是其50%发火电压却为68.85kV。也就是说，EBW-1火工品桥丝已经熔断了，但也不一定会引起其发火，而HBW-1火工品桥丝即使未熔断，也能导致其发火。这与两种火工品不同的起爆机理是密切相关的。

表4 两种火工品静电放电感度测试结果

Tab.4 ESD sensitivity of two types of detonators

EBW-1火工品为爆炸桥丝式火工品，其发火过程为：金属桥丝在强电流作用下迅速受热汽化，产生高温高压等离子体，并迅速膨胀形成冲击波，以冲击波形式引爆炸药[6-7]。根据图4的实验结果，在100kV条件下EBW-1火工品的桥丝就会发生较为剧烈的爆炸反应，然而由表4可知，试验中虽加载电压为200kV，10发试样均未发火。可能的原因为，EBW-1火工品桥丝虽在强电流作用下瞬间受热汽化，但仅吸收了少部分的放电能量，导致桥丝并未充分形成高温高压的等离子体，产生的冲击波能量不足以引起火工品装药的反应，或者局部发生了反应但反应难以持续而熄灭，因此，未引起被测EBW-1火工品发火。

HBW-1火工品为热桥丝式火工品，其发火过程为：电流通过桥丝按焦耳-楞次定律产生热量，桥丝在近似绝热条件下升温，热量传给药剂，使其发生化学反应，炸药化学反应释放热量使药剂继续升温，当药剂温度达到爆发点并能自持反应时电爆管发火。根据表1可知，静电放电导致HBW-1火工品桥丝发生0.01％熔断时的电压值为70.02kV，图5所示为70kV静电放电后HBW-1火工品桥丝的状态。

图5 70kV静电放电后HBW-1火工品桥丝状态

由图5可见，桥丝仍保持完整，并未发生熔断，但是与图3（a）相比桥丝却发生了明显的变色。根据表3的计算结果，此时桥丝温度值可达到1 059℃，由此可见桥丝的变色是由高温作用导致的。虽然此时桥丝温度未达到桥丝的熔化温度值1 400℃，但已经远大于该型火工品点火药的5s爆发点温度530℃[1]，因此，极有可能引起火工品发火。

3 结论

（1）计算结果表明，静电放电导致HBW-1和EWB-1火工品桥丝99.99%熔断的温度值分别为1 552℃、1 157℃，大于两种桥丝材料的熔点温度值1 400℃和1 064℃，从而使桥丝发生熔断。因此，火工品桥丝的响应状态可根据静电放电引起的桥丝温度与其桥丝材料熔点温度值的对比来判定。

（2）试验结果表明，HBW-1热桥丝火工品50%发火静电电压值约为68.85kV，小于其桥丝50%熔断的静电电压值78.71kV，而EWB-1爆炸桥丝火工品50%发火静电电压值大于200kV，远大于其桥丝50%熔断的静电电压值56.33kV。即EBW-1火工品桥丝熔断不一定会引起其发火，而HBW-1火工品桥丝未熔断也能导致其发火。分析认为，两种火工品不同的起爆机理是造成上述静电放电响应差异的主要原因。

[1] 蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社, 1999.

[2] 白瑞祥,严楠.静电放电对电火工品桥丝影响的实验研究[J]. 火工品,2012(3):9-12.

[3] Dan B, Douglas M H, Steven C. Electrostatic discharge sensitivity of detonators[C]//13th International Symposium on Detonation. Norfolk, Virginia, 2006.

[4] Michael J W. Projected response of typical detonators to electrostatic discharge(ESD) environments[R]. UCRL-ID- 145642,2002.

[5] MIL-STD-331C Fuze and fuze components,environmental and performance tests for[S],2005.

[6] 王凯民,温玉全.军用火工品设计技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[7] Asay B W. Shock wave science and technology reference library,Vol.5:Non-shock initiation of explosives[M]. Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2009.

Response of Typical Bridge Wire Detonators to Electrostatic Discharge

ZHONG Min1，LI Zhi-peng1， LONG Xin-ping2，LÜ Zi-jian1，WEN Wen1

（1. Institute of Chemical Materials，China Academy of Engineering Physics，Mianyang，621900；2. China Academy of Engineering Physics，Mianyang，621900)

The response of hot bridge wire(HBW) and exploding bridge wire(EBW) detonators to high voltage electrostatic discharge(ESD) was studied using a ESD equipment. The 50% melt fracture voltage of bridge wire and the 50% ignition voltage of detonators were got with the experimental circuit parameters of 1 000pF，1Ω, and the the response of bridge wire to ESD was analyzed by theoretical calculation. The results show that, the response of bridge wire can be explained by comparing the temperature caused by ESD with the melt temperature of bridge wire. The difference response characteristic of two types of detonators is mainly caused by the different initiation mechanisms.

Bridge wire detonator；ESD；Response characteristic；Safety

1003-1480（2015）03-0022-04

TJ45+2.3

A

2015-03-17

钟敏（1974-），女，高级工，从事火工品静电安全性能研究。