火工分離裝置水下分離噪聲與裝藥量研究

陳 霞，田榮艷

(中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

水雷作為水中兵器戰略性常規武器，潛伏過程的隱蔽性和攻擊過程的突然性是其最重要特性，是對敵方艦船構成威脅的重要因素，也是水雷生存的根本。在水雷武器系統中，水中分離、展開常采用火工式分離裝置，其功能是在規定的時間和預定的深度內，利用炸藥的爆炸或火藥的快速燃燒對物體做功，實現系統相關載荷的分離。一般水雷總體對其分離機構有以下基本要求:分離過程安全可靠;分離過程低噪隱蔽;分離過程的快捷性與同步性。

在現代智能水雷中，系統復雜，要執行各種分離的動作較多，多處使用火工分離裝置，如果水雷在每次執行載荷分離或其他動作時噪聲過大，不但泄露我方水雷戰略意圖，還可能暴露我布雷平臺水域的行蹤，使其處于危險境地。所以，在水下監測手段日臻完善的情況下，火工分離裝置的噪聲大小不但影響整個武器系統是否能在預定海域安靜展開，使水雷悄然進入戰斗狀態的效果，同時決定水雷戰役的有效性、隱蔽性和突然性，還將對該武器系統未來生存空間產生較大的影響。所以對水雷的分離噪聲特性進行研究，變得越來越迫切和急需，降低水雷的水中分離噪聲對提高水雷武器系統作戰性能具有較高的軍事應用需求。

1 火工品的發聲機理

爆炸是指一種極為迅速的物理或者化學的能量釋放過程。爆炸的最重要的特征是在爆炸點周圍介質中發生急劇的壓力突變，而這種壓力突變伴隨著爆炸聲波的傳出發出爆炸聲。而爆炸聲的大小必然與裝藥量有著直接關系。當承載炸藥的殼體強度足夠大時，爆炸產生的沖擊波只能在殼體內將空氣脈動通過殼體轉化成水中沖擊振動，經過水介質傳播出去，成為水中爆炸噪聲，在監測噪聲用的水聽器表面產生正壓和負壓變化。

為了使火工分離裝置水中分離噪聲降低，分離裝置在完成各項連接與分離或者回收功能的基礎上，降低噪聲的方法主要從以下3個方面考慮:①選定反應慢、產氣量高的主裝藥，來減少瞬態高壓氣體在水中的振動;②過理論計算適當減小裝藥量值，減小總能量;③ 阻斷聲波在水中的傳播途徑。因此本文研究的重點是以某種特定主裝藥為對象，在滿足分離可靠性的前提下，盡量減少主裝藥的重量，降低分離噪聲，以探尋爆炸噪聲聲源級與分離可靠性指標一對矛盾體之間的平衡關系。

2 火工分離裝置

所設計的火工分離裝置由起爆器、耐壓殼體即壓力腔、運動活塞、剪切銷釘及連接桿等組成，如圖1所示。作用原理為:起爆器作用后在壓力腔內產生高壓氣體，高壓氣體作用到活塞上使其產生運動，固定連接桿的剪切銷釘受剪切力被剪斷，連接桿解鎖后受力向前 (或者反向回縮)移動，解除與被解脫體之間的連接，完成分離功能 。因此在一系列的運動中，產生分離噪聲的主要來源有:

1)分離裝置連接桿到位時活塞與殼體撞擊產生的噪聲;

2)分離裝置工作過程中剪斷銷釘產生的噪聲;

3)由于火工品的特性，內裝火藥在燃爆過程中必然產生較大的聲音。

針對以上3種噪聲源進行對比測試發現:活塞撞擊殼體及剪切銷釘產生的噪聲遠遠小于火藥燃爆時產生的噪聲，而且容易通過設計緩沖墊、更換不同的材料來降低，經過降噪設計后不會對分離噪聲聲源級產生很大的影響。因此要想從根本上降低分離裝置的聲源級，必須在滿足爆炸分離功能裕度的前提下，盡可能減少主裝藥裝藥量。

圖1 分離裝置示意圖Fig.1 The schematic of the pyrotechnic separation device

3 分離裝置裝藥量與水下噪聲聲源級測試

3.1 測試條件

在噪聲測試對比試驗開始前，為保證試驗數據的一致性，首先要明確試驗條件:

1)采用標準的水聲測試設備、信號放大器。

2)為避免測試數據的反射疊加，要求水域范圍大于20 km，水域深度大于15 m，水聲傳感器與分離裝置置于水下同一深度。

3)數據處理公式為

脈沖的有效聲源級為

式中:SL為瞬態脈沖聲源級，dB;V為脈沖持續時間內的電壓均方根有效值，V;20lgK為測量放大器的增益，dB;20lgM為水聽器接收靈敏度，dB，0dB參考值1 V/μPa;R為水聽器和測試樣機距離，m。

依據式(1)，可以計算出在脈沖持續時間τ0內的瞬態聲源級。代入式(2)就可以得到脈沖聲的有效聲源級。

3.2 測試數據

測試樣機理論裝藥量為50 mg，在陸上及水下進行了100多發的分離功能打靶試驗，分離全部正常，可見50 mg的裝藥量完全滿足可靠性裝藥要求。為了降低分離噪聲，降低藥量是最好的方法。按照《火工品可靠性裕度試驗規范》，最小裝藥量一般可以控制在下限50%以內，所以此次測試樣機裝藥量分別設計為25，32，35，40和50 mg五種狀態。具體測試后處理的聲源級結果及分離曲線如表1所示，圖2為分離裝置水下噪聲的時域曲線，圖3為不同裝藥量測試的聲源級對比圖。

表1 分離裝置分離有效聲源級測試結果比較Tab.1 Sound source level vs.charge weight

圖2 分離噪聲曲線Fig.2 The curves of separation sound

圖3 不同藥量分離裝置分離噪聲聲源級對比Fig.3 The comparison of source levels

從試驗后測試樣機的外觀狀態發現:5種樣機狀態，在受力情況進行點火，其中25 mg，32 mg都有1發出現了起爆器完全作用，而連接桿分離不完全的現象，其余樣機均可靠分離。分離裝置在與被分離體緊固后，必然受到一定的徑向力，如果出現連接桿分離不完全的現象，就會產生連接桿卡死而導致分離功能失敗。

分析5種裝藥量的聲源級數據發現:每減少10 mg左右的裝藥量，噪聲聲源級降低6～8dB(不考慮測試設備所產生的誤差，一般在1%左右)。在滿足分離可靠性裕度的情況下，此測試樣機的裝藥量可以40 mg為設計依據，分離噪聲基本可控制在160 dB以下。

4 結語

根據以上研究數據進行對比分析發現:分離裝置通過減少裝藥量可以有效地降低分離噪聲。為了降低分離噪聲，在滿足分離功能可靠性的情況下，裝藥量可以采用比理論值減少20%來達到降低分離噪聲的目的。為了讓火工分離裝置更好地應用于各行業，后續還需進行更多的相關減振降噪研究。

［1］王澤山，歐育湘，任務正，等.火炸藥科學技術［M］.北京:北京理工大學出版社，2002.WANG Ze-shan，OU Yu-xiang，REN Wu-zheng，et al.Explosives and propellants science［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology，2002.

［2］尤立克，等.水聲原理(第三版)［M］.洪申，譯.哈爾濱:哈爾濱工程學院出版社，1990.ROBERT J U.Principles of underwater sound［M］.Harbin:Harbin Engineering University，1990.