某型電點火具靜電感度發火研究

李便花，郝雁軍，潘會平，郭 健，楊銀棟，周文偉，陳麗娟

(1.山西北方晉東化工有限公司，山西 陽泉 045000；2.駐太原地區第三軍事代表室，山西 太原030000)

隨著世界武器裝備技術的快速發展和技術創新的推動，近年來我國啟動研發裝備一系列智能化、靈巧化彈藥。火工品作為彈藥的“心臟”，既要求可靠性高，又要求安全性好，因此火工品技術是武器系統的關鍵技術。自20世紀60年代以來，由于美國在研制破甲彈用壓電引信配用的高瞬發、高敏性電雷管中出現過多次由于人體靜電引發的偶然事故，促使人們認識了電火工品的靜電安全性問題。為了滿足電火工品在生產、儲存、運輸、裝配和使用等過程中的防靜電安全性要求，通過采用不同的方式進行靜電防護。

1 人體靜電的產生

人體本就是導體，人體靜電是由于人身體上的衣物等相互摩擦產生的附著于人體上的靜電。靜電的產生是由于原子核對外層電子的吸引力不夠，從而在摩擦或其他因素的作用下失去電子，于是造成摩擦物帶負電荷(獲得電子的帶負電荷，失去電子的帶正電荷)，在衣物絕緣性能比較好的情況下，這些電荷無法流失，就會聚集起來，并且由于衣物的電容性極差，從而造成雖然電荷量不大但電壓很高的狀況。

2 人體靜電的危害

人體靜電具有電量小、電壓高、能量小的特點。當人體產生的靜電越積越多，形成很高電位時，與其他不帶電或帶不同電荷的物體接觸、分離時，就會形成很高的電位差，從而發生靜電放電現象，甚至產生靜電火花。當攜帶靜電較多的人員操作或裝配靜電火花感度高的火工品時，靜電釋放產生的電火花會引燃產品內裝有的起爆藥或點火藥，藥劑被點燃，產品就會發生燃燒、爆炸等嚴重的安全事故。

3 產品故障及影響

3.1 故障描述

某型電點火具在產品交驗時，用戶現場提出進行點火具“腳-腳”及“腳-殼”間的靜電感度試驗，產品逐發進行試驗時，13發產品“腳-腳”靜電感度試驗均符合要求，但13發產品“腳-殼”靜電感度試驗時均發生了發火現象，最小發火電壓為17 600 V，不符合產品對環境適應性的技術要求。

3.2 產品“腳-殼”靜電感度試驗發火的影響

該點火具是某型彈藥的首發元件，內裝有106 g點火藥，如果在點火具生產中由于“腳-殼”靜電發火，會對操作人員形成傷害；如果在運輸中由于“腳-殼”靜電發火，會有產品殉爆的安全隱患；如果產品在全彈裝配時由于“腳-殼”靜電發火，可能會點燃彈藥發動機裝藥，致使彈藥作用，后果不堪設想；如果產品已安全裝配于全彈中，根據全彈發火回路供電圖(見圖1)可知，全彈只存在“腳-腳”發火回路，已沒有“腳-殼”現象，故不存在“腳-殼”靜電發火。

圖1 全彈發火回路供電簡圖

3.3 靜電感度試驗原理

靜電感度試驗是模擬人體放電(電壓25.0 kV，電阻5 000 Ω±250 Ω)對產品的安全性進行測試的一種試驗，試驗原理如圖2所示。圖2中，R1是充電電阻；R2是串聯放電電阻；S是高壓開關；C是電容器(500 pF)。

圖2 靜電感度試驗原理

當開關K1導通時，直流高壓電源給電容C充電，靜電電壓表V指示電壓，調節高壓輸出達到(25 000±250) V電壓，電壓穩定后，轉開關K2導通，電容C對產品試樣放電。

4 原因分析

4.1 產品的結構及作用原理

該電點火具由殼體、2個點火管(電點火頭與絕緣套管合裝而成)、點火藥組成，其結構如圖3所示。

圖3 產品結構圖

作用原理：當給點火頭輸入發火電流時，電點火頭發火并引燃點火藥，點火藥作用產生的高溫高壓氣體沖破殼體點燃下一級傳火裝置。

4.2 因素排查

根據產品結構及靜電感度試驗原理，形成靜電感度試驗發火的因素有試驗儀器及產品本身質量兩大因素。

4.2.1 試驗儀器

試驗是驗證產品質量的最后一道程序，如果試驗中所用的儀器出現異常，有可能會影響產品質量的判斷，使產品質量出現誤判。試驗儀器中涉及直流高壓電源、靜電電壓表、串聯放電電阻因素。

4.2.1.1 直流高壓電源

產品試驗使用直流高壓電源，使用時間在電源檢定周期內，故障發生后對該電源進行了重新檢定，符合電源的技術要求。排查結論：直流高壓電源無異常。

4.2.1.2 靜電電壓表

靜電電壓表是顯示電源充電達到的真實數值，如果靜電電壓表異常，按照靜電電壓表數值進行放電，有可能加載至產品上的電壓比顯示的數值大，導致產品“腳-殼”電壓擊穿發火。故障出現后，對靜電電壓表進行了重新檢定，電壓表符合要求。排查結論：靜電電壓表無異常。

4.2.1.3 串聯放電電阻

該電點火具產品“腳-殼”絕緣電阻≥10 MΩ，因此串聯放電電阻(5 000±250) Ω無論正常與否，在產品“腳-殼”靜電試驗進行時，分壓作用很小。對串聯放電電阻進行檢測，數量為5 012 Ω。排查結論：串聯放電電阻無異常。

該電點火具出現故障后，用該儀器對另一種電點火具進行靜電感度試驗，無發火現象，符合產品要求。因此排查結論為試驗儀器無異常。

4.2.2 產品本身

根據產品結構，影響產品靜電發火的因素有電點火管、藥劑以及產品設計。

4.2.2.1 電點火管

該電點火具用電點火管是采用制式產品，經排查，點火管生產過程中人員穩定，原材料未更換批次，生產完成后按照技術要求進行了125發試驗，結果符合要求。排查結論：電點火管無異常。

4.2.2.2 點火藥

點火藥水分含量影響藥劑對靜電的敏感度，對故障批產品用點火藥進行追溯，點火藥在使用前水分為0.7%，產品裝配完成驗收時水分為0.8%，故障發生后，隨機抽取故障批產品10發，點火藥水分分析結果為0.7%～0.9%，均符合≤1.0%的技術要求。排查結論：點火藥無異常。

4.2.2.3 產品防靜電設計

該型電點火具發火元件為點火管，點火管由點火頭外套絕緣套管組成，點火頭為橋絲式結構。

橋絲結構電火工品的防靜電設計一般有2種：一是產品內部設計絕緣系統，增加“腳-殼”間的絕緣強度，以保證在所要求的靜電放電電壓下不會被擊穿，即為“堵”；二是采用保護性靜電泄放裝置或材料，構成靜電的泄放通道，即為“泄”[1]。根據該型產品結構分析，點火頭外套絕緣套管，將點火頭屏蔽，增加了點火頭與殼體之間的絕緣電阻，靜電設計采用了“堵”的方式。

1)設計原理分析。

“堵”的靜電設計模式，產品裝配在零部件邊界條件下確保靜電感度試驗符合要求(產品不發火)，產品裝配邊界條件如圖4所示，一是絕緣套管口部與殼體內壁相接觸；二是絕緣套管與殼體底平面相接觸。為防止產品“腳-殼”靜電感度試驗出現發火現象，l1、l2及絕緣套管的壁厚δ必須滿足在產品“腳-殼”之間靜電電壓(25 000±250) V時不被擊穿。

圖4 產品裝配極限結構圖

圖4中，l1是絕緣套管一端面至點火頭的距離；l2是點火頭至絕緣套管另一端面的距離。l1、l2擊穿通道為“殼體-空氣-點火頭”，套管壁厚δ擊穿通道為“殼體-絕緣套管-點火頭”。

根據公式

U=εl

式中，ε為介電強度，ε空氣=3.93 kV/mm[2]，ε酚醛模塑料=3.5 kV/mm；l為靜電釋放距離。

可知：l1(l2)=25.5(kV)/3.93(kV/mm)，即l1(l2)=6.5 mm。因此l1(l2)只要>6.5 mm，在該通道靜電電壓加載時就不會發生擊穿發火現象。

壁厚δ=25.5(kV)/3.5(kV/mm)，即壁厚δ=7.3 mm。因此可知，產品圖定絕緣套管壁厚只要>7.3 mm，在該通道靜電電壓加載時就不會發生擊穿發火現象。

“泄”的靜電設計模式，是在產品結構中設計出一條保護通道，使腳殼間靜電能量早于危險通道優先泄放，起到保護作用。根據該點火具結構，靜電“泄”的方法是在點火頭腳線與殼體接觸部位去掉腳線絕緣皮2～3 mm，再將導靜電膠液涂覆在去掉絕緣皮的芯線與殼體之間(見圖5)。

圖5 涂導靜電膠液產品結構圖

2)產品實物排查。

對該型電點火具用點火管進行檢查，隨機抽取50發進行檢測，l1數據范圍為0.22～1.28 mm，l2數據范圍為1.66～2.94 mm，l1、l2產品實際尺寸均<6.5 mm，根據“堵”的設計計算，當靜電電壓(25 000±250) V加載至產品“腳-殼”時會擊穿產生靜電火花，導致產品發火。

對該型電點火具用點火管壁厚進行檢查，隨機抽取50發進行檢測，δ數據范圍為2.42～2.54 mm，均小于設計計算的7.3 mm，因此當靜電電壓(25 000±250) V加載至產品“腳-殼”時會擊穿產生靜電火花，導致產品發火。

從該型電點火具結構中分析，產品在設計時無涂導靜電膠液的設計，因此產品無靜電泄放通道，無“泄”的靜電設計模式。

4.3 原因定位

根據對試驗儀器、產品本身生產過程、產品設計各因素的分析及排查，判斷形成此次故障的原因是產品設計時未充分考慮防靜電設計，防靜電能力不足。

5 改進措施及試驗驗證

根據上述分析結果，只有對產品部分結構進行改進或完善，才能徹底解決該型電點火具“腳-殼”靜電發火故障。

5.1 方案一

5.1.1 方案內容

產品總體結構不變，只對點火管絕緣套管進行調整。將絕緣套管材料由酚醛模塑料調整為聚四氟乙烯，l1、l2長度為8 mm，承受電壓冗余為23%；壁厚δ為0.6 mm，根據U=εl，聚四氟乙烯可承受電壓為36 kV(ε聚四氟乙烯=6 kV/mm)，承受電壓冗余為41.2%。改進后的點火管如圖6所示。

圖6 改進后的點火管實物圖

5.1.2 試驗驗證

1)按照圖6點火管結構進行生產。將絕緣套管口部與殼體內壁接觸，絕緣套管側面與殼體底部接觸(見圖7)。隨機抽取生產的點火管100發，進行“腳-殼”及“腳-腳”靜電感度試驗，均未有點火管發火現象。

圖7 點火管與殼體裝配方式

2)將點火管裝配成電點火具280發，產品尺寸、藥量、電阻及絕緣電阻全部符合技術要求。50發經落高15 cm、頻率1 Hz、30 min震動后進行“腳-殼”及“腳-腳”靜電感度試驗；230發直接進行“腳-殼”及“腳-腳”靜電感度試驗。試驗結果為280發產品均未出現發火現象，對280發產品輸入發火電流后，產品均發火。

5.2 方案二

5.2.1 方案內容

產品結構不調整，按照圖5進行導靜電膠液涂覆。

5.2.2 試驗驗證

按照方案內容裝配電點火具產品100發，檢測產品尺寸、藥量、電阻全部合格，但產品絕緣電阻值有36發為0，原因是：與殼體接觸部位點火頭腳線去掉絕緣皮的芯線直接與殼體接觸，導靜電膠液未將兩者隔離，使產品“腳-殼”發生短路，絕緣電阻為0。其余64發產品的絕緣電阻值范圍為0.1～3.1 MΩ，不符合絕緣電阻≥10 MΩ的技術指標要求。對50發產品進行“腳-殼”及“腳-腳”靜電感度試驗，結果產品均未出現發火現象。

5.3 方案確定

根據上述方案改進及試驗結果分析，方案一在沒有改變總體結構的情況下，調整絕緣套管材料及尺寸，能夠滿足產品設計及生產要求；方案二雖然能夠解決產品防靜電要求，但產品生產過程工藝性較差，良品率低，且絕緣電阻不符合研制總要求。因此，產品改進應采用方案一。

6 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)該型電點火具靜電發火的原因是由于產品在結構設計時未充分考慮產品防靜電的能力，產品設計完成后未進行防靜電試驗驗證，致使產品在用戶試驗條件要求下出現“腳-殼”靜電感度試驗發火現象。

2)產品設計是產品質量控制的源頭，源頭未得到充分技術確認及試驗驗證，“先天”的質量隱患隱藏在批生產過程中，增加了產品的質量風險。

3)火工品的質量與安全是相輔相承的，質量問題會帶來安全隱患，即火工品既要有高可靠性，又要有高安全性。