第二节 电爆炸箔片雷管

弹药对电火工品的要求主要有三方面：其一是安全可靠，即防静电、防射频、可靠发火；其二是发火能量和尺寸越小越好；其三是高瞬发，作用时间短。对于靠多个推冲器修正弹道的弹药而言，低能量下的高瞬发发火与火工品的安全可靠具有同样的重要性。常规金属桥丝（含膜桥）火工品的发火机理是热起爆，其高瞬发和高安全性是以发火能量高、外形尺寸大为代价的，采用电爆炸方式的电爆炸箔片雷管具有尺寸小、高瞬发及高安全性，是一种新型高技术雷管。

一、电爆炸箔片雷管概述

电爆炸箔片雷管，又称为飞片（冲击片）雷管，其概念最早由劳伦斯利弗莫尔实验室（LLNL）的Stroud在1965年提出，它是以爆炸桥丝雷管为基础衍生出来的一种新式雷管，是指以冲击片为核心的无隔爆爆炸序列以及点火与传火序列。与桥丝热起爆不同，爆炸箔起爆（EFI）是通过金属箔或桥在高能快速脉冲下发生电爆炸的，或通过剪切及驱动一薄塑料片（冲击片）高速撞击起爆高密度炸药使之迅速完成起爆的，所以，爆炸箔起爆器又称为电爆炸箔片雷管。

美国自20世纪80年代起一直在进行相关基础理论及工程化应用研究，在电爆炸箔片雷管的基础上制造出的直列式安保系统已于20世纪90年代后期开始应用，目前已广泛装备于“海尔法”“标枪”及陆军战术导弹等系统中。

1999年美国EG&G公司光电部为美陆军反坦克武器平台研发了一种可靠的低成本密封芯片电爆炸箔片雷管，称为“蓝心”（BlueChip）。该雷管采用现代电子加工技术制造而成，封装在一个桥塞式标准TO-5型晶体管组件内，所生产的各批雷管具有相当好的一致性。据报道，美国已将该起爆系统应用于BLU105/B型战术机场袭击弹、Fog.M.光纤制导导弹、“爱国者”改进型导弹、“陶-2B”重型反坦克导弹、“标枪”反坦克导弹等战术导弹中。1996年，美国在一篇论文中透露，美国年生产电爆炸箔片雷管约一万套。

爆炸箔冲击片技术还可用于点火。采用爆炸箔起爆的导弹、火箭发动机点火序列同样有着固有的安全型和高可靠性的优势。1992年，美国国防部在尤马国家靶场通过了两种用于火箭发动机点火的直列式点火习题的靶场型号鉴定试验，同年又颁布了《弹药火箭和导弹发动机点火习题安全型设计准则》（MIL-STD-1901），这项标准是专门针对直列式点火习题制定的，说明直列式安全点火系统此时已进入实际应用阶段。2005年美国49届引信年会上，研究人员披露了有HNS-IV药剂爆轰转爆燃的爆炸箔爆燃点火器。

低能爆炸箔起爆技术更适用于发动机点火，可提高发动机的可靠性和性能，该点火系统就是以高安全的爆炸箔起爆器技术为基础的。美国的ATK公司战术系统分部（ATKTSC）研究了一种以低能爆炸箔起爆器为基础的与起爆器连接的电子系统，其前端的电子线路由指令程序保护、使能和解除保险逻辑、定时，以及振荡器为基础的“安全与解除保险逻辑装置”组成。

此外，研究人员还为固体火箭发动机研制了LIgnitertmHV低能爆炸箔点火器。LIgnitertmHV用的是标准密封壳体、低能爆炸箔桥、飞片和炸药柱输入装药。国外目前已经开展利用MEMS技术制造电爆炸箔片雷管，由于采用MEMS技术，火工品的体积减小到原来产品的1/17，成本减小到1/4，可靠性提高5～10倍，可从根本上改善安全性和起爆可靠性。

二、电爆炸箔片雷管的特点

由于该系统不需要采用有可移动部件的机械错位和机电式的隔离机构，因此其安全性主要由高度安全的起爆与点火元件本身及多个独立环境力控制的电子系统来保障。该系统取消了敏感的起爆药，不同于传统的点火序列设计，起爆所需能量较大且只有在特定的强电流、陡脉冲作用下才能起爆，能够很好地抗射频和静电，与其他雷管相比，电爆炸箔片雷管的主要性能特点如下。

（1）不含起爆药和低密度猛炸药，采用的药柱为高密度、低感或钝感炸药，是其最大理论密度的90%，如六硝基di（HNS）、1，3，5-三氨基-2，4，6三硝基苯（TATB）等，爆炸桥箔与炸药不直接接触，可抗高过载，进一步提高了雷管的安全性。

（2）发火元件桥箔、绝缘冲击片和加速腔与受主猛炸药被绝缘层和空气间隙完全隔离，结构紧凑，具有良好的抗振、抗冲击和抗过载能力，适用于高的冲击过载和机械冲击环境。

（3）起爆阈值能量高（数千伏），可在低温、静电、射频、高空电磁脉冲级杂散电流等恶劣环境下保证安全性，适应未来战争的复杂电磁作战环境。

（4）用于构成直列式传爆序列，可简化引信的保险机构。

（5）高瞬发特性，作用时间小于1µs，引爆阈值范围窄，同时作用的偏差最小为2ns，重复性和同步性好，能满足各种战术应用要求，尤其适用于多点起爆系统。

（6）电爆炸箔起爆器中关键部件即桥箔是印制电路元件，可以大批量自动化生产，容易制造，制造成本低。到目前为止，美国的爆炸箱起爆器已经商品化和通用化，完全自动生产，不但尺寸大为减小，最低发火能量也从开始时的3.2×10⁴J降低到目前的0.12J（0.1µF，1.5kV）。

三、电爆炸箔片雷管的组成及工作原理

电爆炸箔片雷管的设计主要以两大原理为基础：一是给薄的金属导体在微秒内施加数千安培的强电流脉冲，金属导体将迅速汽化，产生高温高压的等离子体，等离子体驱动飞片撞击主装药；二是Walker和Waslye提出的非均质炸药短脉冲起爆判据p²·τ=常数，炸药能否被起爆是由压力p和压力持续时间τ两个因素决定，在电爆炸箔片雷管中，在炸药特性和飞片材料确定的情况下，压力主要取决于飞片速度，持续时间主要取决于飞片厚度，对于某些炸药来说p的指数不为2，而是大于2，如TATB为2.56。

电爆炸箔片雷管系统组成及工作原理如图2-1所示。其工作原理是电子安全与解除保险装置解除保险后，脉冲功率源装置给储能电容充电至起爆电压时，触发脉冲开关，电爆炸箔片雷管的箔桥起爆后形成等离子体推动飞片撞击高能炸药，使之起爆。

（一）电子安全与解除保险系统

对直列式起爆系统而言，最有效的控制系统是全电子安全系统。电爆炸箔片雷管虽然有很高的安全性，但由于它与下一级装药处于对正状态，没有机械隔离装置，控制系统一旦错误地发出了起爆指令，必然导致弹药的直接起爆，因而对控制系统的要求更为严格。电子安全与解除保险系统是采用阈值、顺序、时间窗、举手表决、动态校核、实时监控等控制策略研制的安全系统，是对环境信号接收、分析处理、阈值判断并控制起爆系统是否动作的电子控制中心。其工作原理是：供电后辅助控制器和主控制器首先进行自检与初始化，并以计时起点信号作为时间基准，由主控制器和辅助控制器分别对传感器提供的两个环境信号进行识别，只有当环境信号全部符合预定要求且达到安全距离后，动态开关才能工作，使高压变换器对高压电容器充电。当接收到目标信号时，高压开关闭合，电容器快速放电，使电爆炸箔片雷管起爆，从而起爆战斗部。

（二）脉冲功率源系统

在以电爆炸箔片雷管为基础的直列式传爆序列中，技术难点集中在能量与质量体积这一对矛盾上。电爆炸箔片雷管起爆需要高压大电流，即高压毫微秒脉冲系统。而满足这一系统的电池、电容器、开关元件、升压器的体积和质量必须要小型化。这些才是爆炸箔起爆系统实用的基础。脉冲功率源是对直列式爆炸箔起爆系统体积影响最大的一个部分，系统的体积决定了它能否应用于常规武器。

1997年，美国研制的起爆系统体积为21cm³，2000年为12cm³。

爆炸箔起爆器工艺设计的主要问题是如何提高能量的利用率，在降低对脉冲电流能量要求和使电源体积缩小的同时，减小爆炸箔起爆系统体积，降低爆炸箔起爆器成本，以实现在常规武器上的广泛应用。

脉冲功率源主要由高压变换、发火电容和高压触发三部分组成。这三部分对脉冲功率源体积的影响都比较大。高压变换部分主要是变压器体积，而影响变压器体积的主要因素则是工作频率和能量转换效率。发火电容体积与容量和额定电压有关。高压触发部分主要是触发管体积。利用高频开关电路，振荡频率在20kHz时，在输入电压27V和磁芯材料适当的情况下，次级线圈也需数千匝。考虑到武器系统要求发火电容充电时间越短越好，次级线圈电流应更大一些。同时，数千匝线圈会绕成许多层，层间寄生电容和整个线圈的分布电容会达到数千皮法，该电容相当于接在高压输出端上，单位时间内给此电容充放电的能量会非常大。虽然该能量没有全部损耗掉，却使初级的开关三极管产生很大损耗和噪声。使用整流式高压电路时，会出现稳压电路部分发热及效率不高等问题，而采用共振式高压电源时，上述问题可得到解决。

（三）电爆炸箔片雷管

电爆炸箔片雷管是直列式爆炸箔起爆系统的核心部件，其结构简单，主要元件有桥箔基片、桥箔、飞片、加速膛及起爆炸药柱等（见图2-2）。

电爆炸箔片雷管的作用过程是：当强大的电流脉冲通过金属桥箔时，桥箔爆炸后产生的等离子体迅速膨胀，并使从加速膛中心孔中剪切下的飞片加速，飞片经过加速膛加速后高速撞击炸药柱，当飞片撞击炸药产生的入射能量大于炸药的冲击起爆临界能量时，炸药将起爆。

由于电爆炸箔片雷管起爆能量及起爆电压均较高，要求有专门的起爆线路，因此，它通常以起爆系统的形式出现，例如，电爆炸箔片雷管与储能电容器、起爆开关、升压电路等集成一个整体构成爆炸箔起爆系统；而爆炸箔起爆系统再与电子安全保险系统构成直列式爆炸箔起爆系统。

电爆炸箔片雷管由点火装置（放电电容器、开关、升压变压器、控制电路等）、起爆装置（基板、金属箔、冲击片、加速腔、起爆药柱）组成。起爆装置如图2-3所示。起爆装置包括高密度始发药柱（也可以使用熟料黏结炸药），带有中心孔的加速腔，蚀刻金属箔和绝缘冲击片，金属箔的细颈部分称为爆炸箔（亦称为桥箔）。

电爆炸箔片雷管的工作过程是一个复杂的过程，其起爆机理与爆炸桥丝雷管相近，即电容器供给大电流能源，使金属箔加热汽化，发生爆炸，所产生的等离子体流驱动紧贴箔桥的绝缘材料薄膜从加速膛的孔中冲出，成为飞片，飞片穿过加速膛，冲击在高密度炸药上。当飞片撞击炸药产生的入射能量大于炸药的冲击起爆临界能量时，炸药将起爆。

从储能电容器放电、爆炸箔爆炸，到冲击片运动、起爆始发药，电爆炸箔雷管历经了一系列复杂的物理、化学过程，包括三个能量转换环节：电容器通过金属箔放电，金属箔被汽化、击穿并被加热至等离子体态；等离子体膨胀、剪切并驱动冲击片穿过加速腔运动；冲击片撞击始发药并使其爆炸。

四、电爆炸箔片雷管的工作过程

（一）电爆炸现象

导体的电爆炸现象是指当向导体通入足够大的电流（电流密度达10⁵～10⁹A/cm²）时，通过大电流的欧姆加热效应使导体在极短的时间内完成固态-液态-气态至等离子体态的相间转变现象。在这个相间转变的过程中，伴随有光、冲击波、电磁辐射和电阻值急剧增加等物理现象。

（二）电爆炸过程

电爆炸的发展（见图2-4）按金属密度变化的剧烈程度主要分为两个阶段。

（1）开始阶段：包括固态金属的加热、熔化和液态金属加热到开始汽化前的过程，此阶段金属密度变化不大。

（2）爆炸阶段：金属导体体积显著膨胀，同时其电阻增长几个数量级。电流快速下降，同时引起导体两端电压快速升高，产生旁路击穿和表面电弧对气态金属加热，形成等离子体，此时导电性显著增加，电流再次快速增长，此时在热压力和磁压力的共同作用下，出现显著不稳定性而发生快速膨胀爆炸。

（三）等离子体基础

等离子体是一种以自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，又称为第四态，可分为高温等离子体和低温等离子体。等离子体的温度可以用电子温度和离子温度表示，两者相等称为高温等离子体，不相等称为低温等离子体。

高温等离子体只有在温度足够高时才能发生，恒星能不断发出这种等离子体，组成了宇宙的99%，日常生活中只能在短时间和局部产生这种等离子体。

低温等离子体现象在自然界时有表现，诸如大街上的霓虹灯、工业电焊时闪耀的电火花、闪电等，都是等离子体发光的表现。就整个宇宙而言，有99.9%以上的物质都处于等离子体状态。但在地球上，只有在特殊条件下用专门的装置才能产生和显现等离子体。等离子体和处于固态、液态或气态的常态物质不同，它是物质在电离过程中产生的，是由带电粒子（电子、离子）、中性粒子组成的一种物质聚集态，是宏观呈电中性的电离气体，具有较高的电导率和温度。产生等离子体的方法有燃烧、爆炸、激光加热和电激励等。本装置中是利用放电方法产生等离子体的，温度可达10⁴～10⁵K。由于等离子体是气态物质，因而可压缩，受热时体积膨胀，存在压力、密度的概念。

要想实现冲击飞片引爆炸药的目的，必须达到两个条件：一是给薄的金属导体在微秒内施加数千安培的强电流脉冲时，金属导体将迅速汽化或发生电爆炸，产生高温高压的等离子体，等离子体驱动飞片；非均质炸药短脉冲起爆判据p²t=常数，炸药能否被起爆，由压力p和压力持续时间t 两个因素决定，在电爆炸箔片雷管中，在炸药特性和飞片材料确定的情况下，压力p主要取决于飞片速度，时间t主要取决于飞片厚度。

（四）影响电爆炸箔片雷管性能的主要因素

电爆炸箔片雷管主要由起爆装置、背板、电爆炸箔、飞片、加速膛和炸药柱组成，其中每一个部件的性能和参数都对电爆炸箔片雷管的性能有着重要的影响。

1.起爆装置

在电爆炸箔片雷管中，起爆装置的作用是为电爆炸箔提供能量，引爆爆炸箔，产生高温高压的等离子体。起爆装置的主要元件是一个电容器和一个开关，对于电容器，由于爆炸箔爆炸需要很高的能量，因此电容器的容量应尽可能大，以便储存更多的电能，同时由于箔爆炸时间很短，超过箔爆炸时间后放出的电能对飞片飞行的速度影响已经不大了，而电容器放电也需要一定时间，所以要求点火装置的放电周期也应尽可能短，为了降低电容器的放电周期，必须大大降低电容器的电感，因此起爆装置中的电容器应该是一个低感或无感大容量的电容器，对于开关，也要求其具有足够快的闭合速度，以及很低的电感；对于整个点火装置的电路来说，也要求其具有很低的电感，一般不大于几十纳亨，否则，电容器放出的电能将在线路上损失很大，影响爆炸箔的正常起爆。

2.桥箔材料及厚度

爆炸箔是电爆炸箔片雷管中的核心部件，其材料和形状参数将直接影响雷管的性能。箔爆炸的过程就是箔输入电流，通过电阻产生热量，使箔在极短的时间内完成固→液→汽→等离子体四态的相转变过程，其过程伴有光、冲击波、电磁辐射和电阻剧增等物理现象。只有当输入箔的能量大于或等于箔汽化所需的能量时，箔才会发生爆炸，否则箔会像普通熔丝那样熔化掉。

在选择箔材料时，原则上任何能够形成薄膜的导电材料（金属、半导体）都可用作桥箔材料。人们通常选用导体爆炸时初始电阻率较大，而升华热较低的导体作为爆炸箔材料，其中Ag、Cu、Al和Au都是较好的电爆炸导体，但Au和Ag很贵重，Al的焊接性能不好，所以通常都选用Cu作为爆炸箔材料。材料选定后，箔的形状参数也很重要，其中箔的厚度通常在4～75μm，太薄的金属箔不能提供足够的膨胀力来驱动飞片，太厚的箔需要的能量太大。箔的爆炸区域一般都采用正方形，尺寸小于1mm×1mm，且要求爆炸区的铜箔厚度均匀，组织致密，无针孔裂纹等缺陷。

3.背板

背板的作用主要有：①限制爆炸箔爆炸产生气体的空间，防止爆炸箔产生的等离子气体的散失，使爆炸箔产生的等离子体尽量多地用于形成和驱动飞片；②由于爆炸箔爆炸时要形成冲击波，冲击波以爆炸区为中心向四周介质传播，背板的作用就是将传递到背板表面的冲击波能量再反射回去，以增加用于加速飞片的能量，而不是通过背板材料传播出去。总而言之，背板的作用就是最大限度地利用爆炸箔爆炸的能量来加速飞片。由于背板同爆炸箔相连，所以必须使用绝缘材料。

4.飞片材料及厚度

电爆炸箔片雷管的飞片材料可使用玻璃、陶瓷、聚酰亚胺膜、各种普通塑料及绝缘介质与金属的夹层结构等，但试验结果表明聚酰亚胺膜较为理想。聚酰亚胺的力学性能、耐热性能、绝缘性能、放电阻抗及与桥箔的贴合性能等方面均符合作为飞片材料的条件。

在材料确定的情况下，飞片的厚度同其在炸药面上的作用时间成正比关系，但同其速度成反比关系，而速度又决定压力p的大小，根据p²t要大于等于某一常数炸药才能起爆的判据。飞片越厚，其作用时间越长，但飞片太厚时，又会导致飞片速度降低。飞片越薄，速度越高，但太薄的飞片在加速膛中不能平稳飞行，且脉宽太窄会影响炸药起爆感应时间，反而影响炸药的正常起爆。另外，厚度不均匀时，将影响起爆效果。因此，飞片的厚度及厚度的均匀性是两个重要的参数。由于飞片受桥箔爆炸的等离子体膨胀驱动，所以，飞片厚度与桥箔厚度有一定的匹配关系。飞片的厚度一般为桥箔厚度的5～10倍。

飞片形成过程，力学特性特别是剪切特性起着主要作用。从能量角度来看，飞片材料与桥箔贴合得越紧，材料阻止桥箔放电的效率越高，桥箔爆炸后所形成的等离子体切割和推动飞片的能量利用率也就越高。

5.加速膛

加速膛也是电爆炸箔片雷管的核心部件之一，加速膛在电爆炸箔片雷管中有三个作用：一是在等离子体的作用下将聚酰亚胺片剪切成与其内径相等的飞片；二是使飞片在加速膛中加速前进；三是消除桥箔四个角上出现的很高的电压梯度。在设计加速膛时，要考虑材料、直径和长度三个因素。

加速膛一般采用绝缘材料或半导体材料，如玻璃纤维、陶瓷、乙酸丁酯纤维、有机玻璃、石英玻璃及蓝宝石等。采用蓝宝石作加速膛材料时，能将加速膛制得很圆，使之均匀剪切飞片，有助于对准受主炸药柱，达到较好的起爆效果。

加速膛的直径一般为桥箔宽度的1.5倍。一方面提高了能量利用率，另一方面对它在桥箔基片上的位置要求不是很严格，便于装配定位。飞片的质量取决于加速膛的直径大小，因此，一般结合飞片厚度来考虑加速膛的直径。

加速膛的长度决定了飞片撞击目标以前运动的距离。加速膛过短，飞片在撞击炸药时可能达不到其极限速度。电爆炸箔片雷管加速膛最佳长度为桥箔厚度的50～100倍。

6.起爆药

炸药的冲击起爆阈值不仅与冲击压力有关，而且与压力脉冲持续时间以及加载面积有密切关系。电爆炸箔片雷管对起爆药的起爆属于小直径、短脉冲冲击起爆，起爆药的选择必须满足如下要求：对持续脉冲冲击钝感，对短脉冲敏感；爆轰成长期短，输出性能好；起爆阈值能量较低，分布散度小；热安定性好。一般都使用高密度猛炸药作为起爆药，药柱的密度为理论密度的90%～95%，这样有利于保证药柱具有一定的强度，便于装配，还可以承受一定的长脉冲冲击。可以用作起爆药的有PETN、HMX、RDX、BTF等猛炸药。现在国外大多采用比表面积为8～10m²/g的HNS（六硝基芪）炸药。

（五）电爆炸箔片雷管多点阵列起爆技术

电爆炸箔片雷管多点阵列起爆技术可实现多路多点的定序起爆或同步起爆，其结构如图2-5所示。其特点是高过载环境安全性好，电磁环境安全性好，同步性好，容易实现起爆点的可选择性。

为保证弹丸的形状，提高弹丸的初速，多模EFP需要多点起爆技术来实现其功能。如果在多模EFP弹药中采用传统的多点起爆技术，则依靠爆炸网络或导爆索传递爆轰引爆诸多的起爆点，爆炸同时性较差，得不到很好的起爆效果。电爆炸箔片雷管快速作用，作用实际精度高，一般小于1μs，能够满足各种战术应用要求（包括常规侵彻弹药），特别适用于多点起爆系统。有人将该雷管设计成多点阵列起爆，如图2-6所示，代替传统的爆炸网络，以满足各种起爆模式及定向EFP弹药的设计功能要求。