核電磁脈沖輻射下電火工品的安全性分析

王殿湘, 張 蕊, 紀向飛, 姚洪志, 趙 團

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核電磁脈沖輻射下電火工品的安全性分析

王殿湘1, 張 蕊2, 紀向飛2, 姚洪志2, 趙 團2

(1. 海軍裝備部, 陜西西安, 710061; 2. 應用物理化學國家級重點實驗室, 陜西西安, 710061)

針對美軍標中提出2.3/23 ns核電磁脈沖輻射作用會對武器系統及電火工品造成嚴重威脅的問題, 利用電火工品核電磁脈沖輻射效應試驗系統, 展開其在電磁脈沖輻射作用下安全性研究, 獲得了火工品的橋絲電阻和腳線長度與電磁脈沖輻射作用下的感應電流和感應能量關系。研究結果表明, 橋絲電阻消耗能量的速率一定, 當橋絲電阻逐漸增大時, 電阻消耗的能量不斷增多, 感應能量隨橋絲電阻的增大線性增大; 橋絲上的感應電流峰值主要由等效天線的等效阻抗決定, 橋絲電阻改變基本不影響峰值感應電流; 峰值感應電流隨腳線長度的增大線性增大, 感應能量隨腳線長度增加呈指數增大關系。文中研究可為提高電火工品核電磁脈沖效應適應性提供設計依據。

電火工品; 高空核電磁脈沖; 感應電流; 安全性

0 引 言

電火工品廣泛用于現役武器裝備, 在戰斗部起爆、導彈發動機點火及各類分離機構中, 都會大量使用電雷管和電點火器等電火工品。由于電火工品的2個發火腳線通常可作為天線在電磁場中吸收能量, 饋入電火工品的橋絲會因發熱而導致火工品意外發火, 出現安全性問題。隨著對海軍艦船武器裝備在復雜電磁環境下的安全性要求的不斷提高, 其所裝載的火工品的電磁安全性正受到前所未有的關注。

火工品通常面臨的電磁環境有電磁輻射、靜電、雷電及核電磁脈沖等多種。在火工品技術領域, 針對靜電和電磁輻射的安全性研究較多。而針對核電磁脈沖環境下火工品的安全性研究較少。由于高空核電磁脈沖等瞬變電磁現象具有場強高、上升沿陡、持續時間短和頻帶寬等特點[1], 可對火工品的安全性構成威脅。電火工品結構簡單、發火能量低[2], 在強電磁脈沖作用下, 更容易在橋絲上產生感應電流, 導致安全性(如早爆)或可靠性(如失效)方面的問題[3]。美軍標MIL-STD- 464C和MIL-STD-461F中指出2.3/23 ns核電磁脈沖輻射作用會對武器系統及電火工品造成威脅。因此, 分析研究電火工品在電磁脈沖輻射環境下的感應效應, 確定電火工品在電磁脈沖輻射環境中的安全性意義重大。

國外針對電火工品的電磁脈沖輻射安全性研究極少有報道, 只能從有限的公開發表的脈沖試驗要求和脈沖波形參數來分析該領域相關性研究的水平和重點研究方向。

國內對電火工品在連續波電磁環境輻射作用下的效應及安全性方面進行了較多研究[4], 但對火工品的電磁脈沖效應及安全性研究較少。為此, 文中選取了典型電火工品, 研究了電火工品的橋絲電阻、腳線長度與電磁脈沖感應電流、感應能量關系, 經分析電火工品在核電磁脈沖環境下的安全性。

1 核電磁脈沖輻射下電火工品安全性分析

1.1 電火工品的結構特點影響對其安全性造成影響

文中的電火工品特指橋絲式電火工品, 通常由管殼、電極塞、電極腳線、橋絲、起爆藥和輸出裝藥等組成[5], 結構如圖1所示。電火工品的作用機理是橋絲通電發熱, 會因接觸起爆藥產生劇烈的化學反應, 瞬間釋放燃燒和爆轟能量, 引發下一級裝藥, 輸出火焰或爆轟能量。因此, 作為換能元的橋絲在電磁環境中是否會有電流通過產生足夠的熱引發起爆藥化學反應, 對于火工品的安全性控制十分重要。

一般情況下, 電火工品的腳線為金屬線, 當其處于電磁脈沖場中時, 其腳線如同天線一樣, 會從電磁場中拾取電磁能量, 產生感應電流。感應電流在橋絲中流通, 按焦耳一楞次定律, 轉化成熱能,傳遞到與橋絲接觸的起爆藥上, 當熱量達到起爆藥的臨界發火能量時, 藥劑發生燃燒或爆炸; 當熱量不能達到起爆藥的臨界發火能量時, 則有可能使起爆藥發生緩慢的熱分解反應, 造成電火工品性能降低, 或導致瞎火, 影響火工品的可靠性。

1.2 典型電磁脈沖環境對火工品的影響

一般核爆炸所產生電磁脈沖的場強可以用簡單的雙指數函數表示

美軍標MIL-STD-464A[7]、MIL-STD-461F[8]、IEC61000-2-9[9]等標準中規定了高空核電磁脈沖波形參數, 即s–1,s–1,,kV/m, 脈沖上升時間2.3±0.5 ns, 半高寬(從上升沿50%到下降沿50%的時間)為23±5 ns。典型高空核電磁脈沖波形如圖2所示。

研究表明, 核電磁脈沖主要以輻射耦合方式對電火工品作用。輻射方式對電火工品造成損傷主要是電磁脈沖對電火工品輻射電磁場能量, 并在電火工品自身形成的電路中產生平衡模式和共模式電流。平衡模式的電流可以在電火工品換能元上產生熱效應。共模式電流對電火工品的影響有2種方式, 一是在電火工品腳線和管殼之間產生高電壓, 發生腳殼擊穿; 二是向平衡模式轉換,對電火工品產生熱效應[10]。這2種方式都會對電火工品的安全產生影響。電磁脈沖能量耦合進入電火工品能量的大小與電火工品的腳線長度有很大關系。腳線長度不同, 等效天線的工作頻率就不同。電磁脈沖頻帶越寬, 相同總能量下分布在各個頻帶內的能量也就越小; 而帶寬越窄, 覆蓋等效天線帶寬的概率也就越小, 但其分布在各個頻帶內的平均功率卻越大。一般情況下, 高空核電磁脈沖帶寬要比等效天線的帶寬大得多, 可完全覆蓋等效天線的工作帶寬。

目前電磁脈沖耦合進入電火工品的能量計算比較困難, 一般通過仿真計算或試驗測試獲得響應能量。由于電磁脈沖問題的復雜性和波形特征的寬譜特性, 一旦武器系統與脈沖場方向發生變化或內部布線改變, 則脈沖場耦合進電火工品的能量將發生很大改變。因此為進行安全性評估試驗, 需做一些簡化處理。假設武器裝置的所有電路, 對脈沖場呈最佳接收、傳輸狀態, 其外殼不產生衰減, 即假定武器裝置既能最大限度地接收脈沖場能量, 又能使該能量全部進入電火工品。這就是所謂最壞情況電磁危害分析, 也叫最不利情況分析[11]。一般認為, 在最不利情況試驗條件下, 火工品是安全的, 則在實際使用中, 極可能是安全的。而如果在最不利情況試驗條件下, 存在危險性, 則需做進一步分析, 可在使用狀態下取一定裕度進行測試。

1.3 核電磁脈沖輻射作用下電火工品特征參數影響分析

1.3.1 電火工品核電磁脈沖輻射效應試驗系統

文中采用核電磁脈沖輻射效應試驗系統對火工品的電磁脈沖效應進行研究。該系統包括脈沖源、千兆赫橫電磁波(gigahertz transverse electromagnetic cell, GTEM)傳輸裝置、電場監測設備、感應電流光纖測試設備等組成。其原理如圖3所示。試驗時, 在GTEM傳輸室內建立符合標準要求的模擬脈沖場, 將電火工品以偶極天線放置于GTEM傳輸室內進行輻照試驗, 獲得電火工品在輻射場下的感應電流及其響應情況。電火工品在GTEM內的放置狀態如圖4所示。

1.3.2 核電磁脈沖輻射對不同橋絲電阻電火工品的安全性影響

一般在連續波輻射環境中, 最不利情況分析對應的是該頻率下的半波長偶極天線模式。由于脈沖波屬于寬頻帶波形, 2.3/23 ns脈沖中96%的能量分布在100 kHz~100 MHz。對應的偶極天線波長應大于100 cm, 但由于試驗系統的空間局限性, 文中采用偶極天線模式時選取腳線長度為100 cm。

選取阻值大小為1W、2W、5W、10W和20W電阻替代電火工品橋絲電阻, 試驗樣品見圖5。以經偶極天線模式, 腳線長度為100 cm, 2只腳線各長50 cm, 在2.3/23 ns波形環境中進行輻射效應試驗。采用電流測試系統監測腳線上的感應電流。試驗現場布局如圖6所示。不同電阻在GTEM傳輸裝置中的輻射效應試驗結果見表1。電阻與感應電流、電阻與感應能量關系曲線如圖7和圖8所示。

表1 不同阻值電阻輻射效應試驗數據

從試驗結果可看出: 1) 幾種電阻感應的電流基本為定值, 與橋絲電阻大小關系不大, 主要原因是由于1 m長的天線等效阻抗遠大于電火工品的橋絲電阻值, 回路電流主要由腳線形成的偶極天線等效阻抗決定; 2) 感應能量隨電阻增大線性增大(依據計算得到感應能量), 當感應電流不變時, 感應能量隨電阻增大線性增大。

為了驗證以上結果, 文中選取DD12、DD4.5和LD14等3種不同橋路電阻的火工品, 對其在電磁脈沖輻射條件下的安全性進行研究(見圖9), 結果見表2。

從表2可知, 3種電火工品的峰值感應電流均在45 A左右, 與橋絲電阻無關, 3種電火工品的感應能量與橋絲電阻滿足線性關系, 與表1中的試驗結論一致。DD4.5電火工品傳導發火能量為1 660 μJ, 遠大于其在電磁脈沖輻射條件下最大的感應能量184.9 μJ; LD14電火工品傳導發火能量為1150 μJ, 遠大于其在電磁脈沖輻射條件下感應能量273 μJ。因此, DD4.5和LD14在電磁脈沖輻射環境下安全性良好。而DD12電火工品傳導發火能量為160 μJ, 小于其在電磁脈沖場中最小的感應能量352.8 μJ, 因此, 在電磁脈沖輻射FDD12樣品全部發火。由此可見, 電火工品在電磁脈沖輻射環境下的安全性與感應能量有關。

表2 3種典型電火工品偶極天線模式下輻射效應試驗

1.3.3 核電磁脈沖輻射對不同腳線長度電火工品的安全性影響

選取腳線長度分別為15 cm, 40 cm, 60 cm, 80 cm和100 cm的DD12電火工品樣品, 以偶極天線模式, 按圖10所示布局, 在2.3/23 ns波形環境中進行輻射效應試驗, 獲得的試驗結果見表3。

圖11給出了腳線長度與峰值感應電流的關系, 不同腳線長度下橋絲上的峰值感應電流隨腳線長度的增加而線性增大, 二者成正比關系。

圖12為腳線長度與感應能量間的關系曲線。從圖中可以看出, 隨腳線長度增加感應能量呈指數增大。

從表3中還可以看出, 當DD12電火工品腳線長度超過80 cm, 達到100 cm時, 其感應能量中已達到300~400 μJ, 遠大于其傳導發火能量160 μJ。因此, 樣品出現安全性問題, 全部發火。而當腳線長度小于80 cm時, 感應能量小于170 μJ, DD12電火工品在同樣強度的電磁脈沖環境下使用安全。

表3 不同腳線長度偶極天線模式下火工品輻射效應驗證試驗

2 結束語

文中選取典型橋絲火工品, 采取最不利情況即偶極天線模式, 進行了電火工品的電磁脈沖輻射效應和安全性分析研究, 獲得了橋絲火工品的橋絲電阻和腳線長度與電磁脈沖輻射作用下的感應電流和感應能量關系。主要結論如下:

1) 電火工品的結構特點決定了其在核電磁脈沖環境下存在安全性問題;

2) 電火工品在核電磁脈沖環境下的安全性與電火工品的感應能量有關, 在腳線長度一定時, 電火工品的橋絲電阻越大, 感應能量越大。當橋絲電阻一定時, 腳線長度與感應能量呈指數變化關系;

3) 電火工品在核電磁脈沖環境下的安全性與電火工品的本質特性有關, 當感應能量大于其傳導發火能量時, 將會導致安全性問題。

文中的研究為電火工品核電磁脈沖效應研究提供分析方法和試驗手段。對于開展核電磁脈沖輻射作用下火工品及武器系統的安全性分析具有重要意義。下一步研究重點將針其他類型電火工品(如, 橋帶式火工品和半導體橋火工品等)開展其在最不利情況下的脈沖輻射效應研究, 以及火工品在工作環境與狀態(如, 放置在引信或彈內等)下的電磁脈沖輻射效應安全性分析。

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(責任編輯: 楊力軍)

Safety Analysis of EED in Nuclear Electromagnetic Pulse Radiation

WANG Dian-xiang, ZHANG Rui, JI Xiang-fei,YAO Hong-zhi,ZHAO Tuan

(1. Navy Armament Department Navy, Xi′an 710061, China；2. Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics-chemistry Research Institute, Xi′an 710061, China)

To solve the problem that the 2.3/23 ns high-altitude nuclear electromagnetic pulse(HEMP) radiation proposed in United States military standard can seriously affect weapon system and electric explosive device(EED), the testing system of HEMP radiation effect was employed to perform safety research on EED under electromagnetic radiation. The relationships of bridge-wire resistance and foot line length of EED with the induced current and energy under HEMP radiation were obtained. The results show that: 1) the energy consumption rate of the bridge-wire resistance is constant; 2) the energy consumed by the resistance rises and the induced energy rises linearly with the bridge-wire resistance; 3) the peak induced current in bridge-wire depends on the equivalent impedance of equivalent antenna, and the change in bridge-wire resistance will not affect the peak induced current; and 4) the peak induced current increases linearly with the foot line length, and the induced energy increases exponentially with the foot line length. This research may provide design basis for improving the adaptability of EED to nuclear electromagnetic pulse effect.

electro explosive devices(EED); high-altitude nuclear electromagnetic pulse(HEMP); induced current; safety

10.11993/j.issn.1673-1948.2017.01.0012

TJ630; TQ560.7

A

1673-1948(2017)01-0059-06

2016-10-19;

2016-11-17.

王殿湘(1963-), 高級工程師, 主要研究方向為彈藥工程.