制導(dǎo)光纖纏繞缺陷與放線故障模式分析*

陳瑞寧，陳 靜，薛耀輝

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

制導(dǎo)光纖為光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)提供了長(zhǎng)距離無(wú)堵塞的數(shù)據(jù)鏈。纏繞狀態(tài)下的制導(dǎo)光纖從線包上高速釋放，應(yīng)避免出現(xiàn)脫匝和垮線故障，一旦光纖斷線或光附加損耗太大，將使傳輸信號(hào)嚴(yán)重衰減和畸變，最終導(dǎo)致導(dǎo)彈失控[1]。

光纖線包是指制導(dǎo)光纖在線軸上纏繞完成后形成的實(shí)體，其半剖截面呈梯形結(jié)構(gòu)。通常選擇在線軸上環(huán)向緊密纏繞方式，每纏繞一圈稱為一匝，每個(gè)新繞的匝緊挨著前一匝，當(dāng)纏繞到線軸一端時(shí)就完成一層纏繞，之后退讓幾匝回繞到前一層上，反向開(kāi)始新的一層纏繞，以此方式繼續(xù)纏繞多層，直至完成整個(gè)線包[2]。理想的線包形態(tài)應(yīng)是內(nèi)外端退匝整齊、光纖纏繞致密而表面無(wú)松散光纖匝。然而實(shí)際纏繞過(guò)程中，會(huì)由于多種因素的影響而產(chǎn)生缺陷，這些缺陷會(huì)給光纖的可靠釋放帶來(lái)隱患。因此，需對(duì)制導(dǎo)光纖纏繞缺陷與放線故障模式進(jìn)行分析。

1 光纖纏繞缺陷分析

1.1 概述

按照纏繞工藝規(guī)程分為兩大類：纏繞過(guò)程缺陷和線包后處理過(guò)程缺陷。

1.2 纏繞過(guò)程缺陷

纏繞過(guò)程中所產(chǎn)生的缺陷，主要表現(xiàn)為間隙、回疊、凸起、端面退繞不齊等形式。

1)間隙。間隙是指相鄰兩匝光纖間存在明顯空隙。若間隙大于一個(gè)線徑，下一層纏繞光纖會(huì)在纏繞張力的作用下嵌入間隙，該現(xiàn)象如圖1(a)所示，其中第2層光纖匝用填充斜剖線表示。即使間隙小于線徑，也會(huì)出現(xiàn)另一種纏繞缺陷，即后續(xù)纏繞匝塌陷現(xiàn)象，如圖1(b)所示，圖中填充斜剖線的線匝為塌陷線匝。應(yīng)關(guān)注的是，在三角區(qū)內(nèi)的所有后續(xù)各匝都受到影響，塌陷高度h也隨之增加[3-4]。

實(shí)際纏繞過(guò)程中的間隙見(jiàn)圖2。選擇適當(dāng)?shù)睦p繞節(jié)距可以消除間隙。設(shè)定節(jié)距時(shí)應(yīng)考慮光纖線徑變化帶來(lái)的影響，以減小間隙產(chǎn)生的似然度。纏繞張力控制也很重要，張力太大會(huì)使上層光纖被拉入下層線匝中并產(chǎn)生間隙。間隙產(chǎn)生后應(yīng)回退纏繞匝至間隙消除，并通過(guò)人工干預(yù)進(jìn)行修復(fù)。

2)回疊?；丿B是指本應(yīng)在同一層上纏繞的光纖在非跨線點(diǎn)出現(xiàn)跨層纏繞的現(xiàn)象(見(jiàn)圖3)。

回疊是非常明顯而嚴(yán)重的纏繞缺陷，主要受包括光纖表面摩擦力、饋線速率和饋線滯后角波動(dòng)等因素影響。饋線滯后角偏大是主要因素。

滯后角定義為饋線與一條垂直于線包回轉(zhuǎn)軸的直線之間的角度。滯后角等于零意味著饋線垂直于線包回轉(zhuǎn)軸。若滯后角為負(fù)，則說(shuō)這個(gè)角是導(dǎo)前的，會(huì)在繞組的各匝之間形成間隙。保持適當(dāng)?shù)臏蠼强梢员苊饣丿B。針對(duì)不同線徑和纏繞節(jié)距，存在一個(gè)最大容許的滯后角[5]。

該缺陷出現(xiàn)后要及時(shí)停止纏繞并回退若干匝，去除回疊現(xiàn)象后才可開(kāi)始后續(xù)纏繞。

3)凸起。凸起是指同一層光纖出現(xiàn)一匝或多匝高于本層的現(xiàn)象(見(jiàn)圖4)。

引起凸起的原因有線徑突然增大、纏繞表面存在膠粒或異物等因素，該缺陷一旦出現(xiàn)將會(huì)影響下一層光纖的纏繞。線徑突然增大一般是在編織芳綸的搭接頭處，可通過(guò)對(duì)搭接頭的梳理來(lái)解決。纏繞表面若存在膠粒或異物，可用刷子將該處的膠?；虍愇锶コ笤龠M(jìn)行后續(xù)纏繞。

4)端面退繞不齊。端面退繞匝數(shù)不一致稱為端面退繞不齊(見(jiàn)圖5)。

理想狀態(tài)下，端面退繞匝數(shù)一致，線包幾何結(jié)構(gòu)層次分明。產(chǎn)生該缺陷的原因包括纏繞張力波動(dòng)大、線徑突變和光纖表面摩擦力變小等因素。該缺陷對(duì)纏繞長(zhǎng)度和纏繞層數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定影響，但不影響線包的存儲(chǔ)和高速放線。該缺陷若小于一匝，一般不做處理。若大于一匝，視情況進(jìn)行手工修復(fù)。

1.3 線包后處理過(guò)程缺陷

線包纏繞完成后，需在干燥箱中進(jìn)行規(guī)定時(shí)間和規(guī)定溫度的加熱固化，目的是松弛線包內(nèi)部的纏繞殘余應(yīng)力，使線包處于應(yīng)力均衡狀態(tài)。根據(jù)具體應(yīng)用要求，部分產(chǎn)品還要進(jìn)行篩選，需進(jìn)行高/低溫貯存、溫沖、振動(dòng)沖擊等環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)對(duì)線包性能進(jìn)行評(píng)估。線包在升溫均熱處理和環(huán)境試驗(yàn)后產(chǎn)生的缺陷統(tǒng)稱為后處理過(guò)程缺陷，主要分為裂縫、擠出、跨線點(diǎn)滑移等。

1)裂縫。裂縫是指在線包表面可以看到的縫隙，一般會(huì)延伸到線包內(nèi)部。裂縫可能出現(xiàn)在線包的任意位置，一般在靠近線包端面的位置出現(xiàn)較多(見(jiàn)圖6)。

線包在經(jīng)歷溫變過(guò)程中，由于內(nèi)部多種材料的熱膨脹系數(shù)不同，使線包內(nèi)應(yīng)力增加。由于線包纏繞殘余應(yīng)力和光纖粘接劑的作用，造成線包內(nèi)部應(yīng)力分布不均且線膨脹各向異性。通常其徑向應(yīng)變很小，軸向應(yīng)變較大。大多數(shù)裂縫現(xiàn)象屬應(yīng)力腐蝕裂縫，其靜態(tài)機(jī)理大都涉及在纏繞匝間局部錯(cuò)位附近發(fā)生明顯的粘接劑破裂這一因素。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，若粘接劑的完整性遭到局部破壞，該處的光纖匝之間就會(huì)產(chǎn)生“裂縫”，并擴(kuò)展成多層的線包裂縫，尤其是在低溫狀態(tài)下，粘接劑開(kāi)裂的幾率會(huì)明顯增加。寬度較小的裂縫在恢復(fù)到常溫或高溫時(shí)大多數(shù)又會(huì)閉合。輕微的裂縫不會(huì)對(duì)光纖放線產(chǎn)生影響，但如果裂縫寬度大于一個(gè)線徑且長(zhǎng)度大于10 mm時(shí)，則可能導(dǎo)致放線斷線。

2)擠出。擠出是指線包出現(xiàn)了層間滑移現(xiàn)象(見(jiàn)圖7)。

產(chǎn)生機(jī)理同樣是線包內(nèi)部各組成材料的熱膨脹系數(shù)不同引起內(nèi)應(yīng)力分布不均，應(yīng)力釋放發(fā)生在層與層之間，并最終反映在線包端面上。輕微擠出不影響放線可靠性，嚴(yán)重?cái)D出則會(huì)對(duì)放線產(chǎn)生致命威脅。嚴(yán)重?cái)D出是指至少有一處擠出長(zhǎng)度超過(guò)1/3圈且寬度大于1 mm。

3)跨線點(diǎn)滑移?？缇€點(diǎn)滑移是指該段光纖的位置發(fā)生了變化(見(jiàn)圖8)。

經(jīng)歷環(huán)境試驗(yàn)篩選后，在光纖線包內(nèi)部應(yīng)力釋放和纏繞芯軸熱脹冷縮的雙重作用下，部分跨線點(diǎn)會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中出現(xiàn)滑移現(xiàn)象?；坪?，跨匝段光纖松弛，增大了跨匝段光纖繼續(xù)滑移的趨勢(shì)。輕微滑移不影響放線可靠性，但嚴(yán)重滑移會(huì)增大光纖放線斷線的幾率。嚴(yán)重滑移是指在跨匝點(diǎn)前后出現(xiàn)整圈光纖脫離原有位置的情況。

1.4 纏繞過(guò)程缺陷和后處理過(guò)程缺陷之間的關(guān)系

兩者同屬線包缺陷，纏繞過(guò)程缺陷一定會(huì)帶來(lái)線包后處理過(guò)程缺陷，所以必須進(jìn)行修正；線包后處理過(guò)程缺陷是某些隱形纏繞過(guò)程缺陷的放大，一般無(wú)法修復(fù)，需要對(duì)缺陷嚴(yán)重性進(jìn)行評(píng)估后取舍。

1.5 降低或消除纏繞缺陷的管理措施

為了提高產(chǎn)品合格率，必須要及時(shí)處理纏繞缺陷。1)針對(duì)上述纏繞缺陷的機(jī)理分析，有針對(duì)性的制定纏繞工藝規(guī)程。2)在現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理過(guò)程中，必須從人員、設(shè)備、原材料、工藝和環(huán)境等方面嚴(yán)格把關(guān)，特別是加強(qiáng)操作人員培訓(xùn)，持證上崗，并嚴(yán)格執(zhí)行纏繞工藝規(guī)程。3)加強(qiáng)產(chǎn)品篩選的質(zhì)量把關(guān)，識(shí)別線包后處理過(guò)程中存在的嚴(yán)重缺陷并剔除不合格產(chǎn)品。

2 光纖放線故障模式分析

2.1 概述

動(dòng)態(tài)線包不穩(wěn)定性體現(xiàn)在高速放線過(guò)程中。光纖從位于導(dǎo)彈尾部的線包上，在橫向纏繞狀態(tài)下沿縱向高速釋放。光纖在線包表面剝離段經(jīng)歷短暫而劇烈的運(yùn)動(dòng)之后，在空中處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這將使釋放出的光纖維持在相對(duì)較低的張力水平。但剝離段光纖在極短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷強(qiáng)彎曲狀態(tài)，且已釋放光纖與線包表面之間還存在周期性變化的動(dòng)態(tài)摩擦力，致使光纖在周期性張力作用下呈現(xiàn)螺旋振蕩的放線特征。

光纖纏繞過(guò)程造成的對(duì)下層光纖的徑向張力具有阻止線包運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，這種穩(wěn)定性稱為線包的本征穩(wěn)定性。光纖粘接劑也具有阻止線包意外松動(dòng)、增強(qiáng)線包穩(wěn)定性的作用。只有光纖纏繞匝的順序釋放，才能不出現(xiàn)斷線故障。放線故障可以分為脫匝故障和垮線故障兩種主要模式。

2.2 脫匝故障

脫匝故障是指光纖逆層剝離至外端面同層最后2～3匝時(shí)，產(chǎn)生的軸向推力大于這2～3匝光纖與下層的結(jié)合力(包括摩擦力和粘接力)，引起最后2～3匝同時(shí)脫出線包并扭結(jié)在一起，如圖9所示。

其故障機(jī)理如下：光纖從線包的纏繞位置抬起并跨過(guò)相鄰?fù)瑢庸饫w匝進(jìn)行釋放的過(guò)程稱為光纖逆層剝離。被釋放的光纖與同層光纖產(chǎn)生接觸，解脫粘接劑所需的力導(dǎo)致軸向分力耦合到釋放光纖的相鄰光纖線匝中，該力對(duì)同層相鄰光纖匝產(chǎn)生軸向壓力的趨勢(shì)，力的方向朝線包的尾部。剝離點(diǎn)處的光纖張力傳播到剝離點(diǎn)前的一小段光纖內(nèi)，當(dāng)產(chǎn)生的軸向推力大于這2～3匝光纖與下層光纖的結(jié)合力(包括摩擦力和粘接力)時(shí)，將引起最外2～3匝光纖同時(shí)脫出線包并扭結(jié)在一起，進(jìn)而導(dǎo)致制導(dǎo)光纖斷線或纖芯斷裂。

2.3 垮線故障

垮線故障是指光纖順層剝離時(shí)，釋放段光纖摩擦帶出下二層光纖，引起端面纏繞匝跨線，造成三層光纖同時(shí)放線的現(xiàn)象，如圖10所示。

其故障機(jī)理如下：當(dāng)光纖順層剝離時(shí)，光纖從線包的纏繞位置抬起釋放，該張力由于摩擦和粘接劑的作用呈指數(shù)倍增加，張力增加的這段特定區(qū)域加上光纖線匝的圓周幾何形狀導(dǎo)致釋放光纖具有切入下層光纖的趨勢(shì)，在光纖線包上產(chǎn)生軸向分力和徑向分力。軸向分力的擾動(dòng)迫使下層光纖受到向線包尾部方向移動(dòng)的傾向。徑向力會(huì)導(dǎo)致被釋放光纖具有切入下層光纖匝間的趨勢(shì)。釋放段光纖不斷與線包外端面下層略為突起的跨線點(diǎn)摩擦與碰撞，這種擾動(dòng)致使跨線點(diǎn)處光纖出現(xiàn)松動(dòng)并逐漸脫離原來(lái)位置，當(dāng)松動(dòng)的光纖段達(dá)到一定長(zhǎng)度后，會(huì)與正在釋放的光纖發(fā)生扭結(jié)并一起放線，通常會(huì)引起相鄰下兩層光纖一起放線?？寰€故障必然導(dǎo)致制導(dǎo)光纖斷線。

3 光纖地面模擬放線試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)光纖地面模擬放線試驗(yàn)，可以測(cè)量光纖動(dòng)態(tài)損耗波動(dòng)和光纖剝離點(diǎn)釋放軌跡，并對(duì)纏繞質(zhì)量和釋放性能做出評(píng)估。

在進(jìn)行了纏繞缺陷和放線故障的分析研究后，有針對(duì)性的對(duì)前期纏繞工藝進(jìn)行了完善，加強(qiáng)了設(shè)計(jì)與樣機(jī)試制的工程管理，并進(jìn)行了大量的地面模擬放線試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后纏繞質(zhì)量得到大幅提高，斷線故障率下降20%以上。

在光纖地面模擬放線試驗(yàn)中，通過(guò)高速攝影捕捉并驗(yàn)證了上述兩種放線故障模式。圖11為脫匝故障發(fā)生瞬間的一組圖片，圖12為垮線故障發(fā)生瞬間的一組圖片。

4 結(jié)論

制導(dǎo)光纖纏繞缺陷分為纏繞過(guò)程缺陷和線包后處理過(guò)程缺陷，前者表現(xiàn)為間隙、回疊、凸起、端面退繞不齊等形式，后者表現(xiàn)為裂縫、擠出、跨線點(diǎn)滑移等形式。放線故障分為脫匝故障和垮線故障兩種模式，對(duì)這兩種故障模式進(jìn)行了機(jī)理分析，并在光纖地面模擬放線試驗(yàn)中，通過(guò)高速攝影捕捉并驗(yàn)證了上述兩種放線故障模式。針對(duì)纏繞缺陷提出了相應(yīng)的解決措施，對(duì)前期纏繞工藝進(jìn)行了不斷完善。進(jìn)行了大量的地面模擬放線試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，纏繞質(zhì)量得到大幅提高，斷線故障率下降20%以上。