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(tuán)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(zhàn)略性常規(guī)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(gòu)成威脅的重要因素，也是水雷生存的根本。在水雷武器系統(tǒng)中，水中分離、展開常采用火工式分離裝置，其功能是在規(guī)定的時間和預(yù)定的深度內(nèi)，利用炸藥的爆炸或火藥的快速燃燒對物體做功，實現(xiàn)系統(tǒng)相關(guān)載荷的分離。一般水雷總體對其分離機(jī)構(gòu)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(xiàn)代智能水雷中，系統(tǒng)復(fù)雜，要執(zhí)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(zhí)行載荷分離或其他動作時噪聲過大，不但泄露我方水雷戰(zhàn)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(jiān)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(tǒng)是否能在預(yù)定海域安靜展開，使水雷悄然進(jìn)入戰(zhàn)斗狀態(tài)的效果，同時決定水雷戰(zhàn)役的有效性、隱蔽性和突然性，還將對該武器系統(tǒng)未來生存空間產(chǎn)生較大的影響。所以對水雷的分離噪聲特性進(jìn)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(tǒng)作戰(zhàn)性能具有較高的軍事應(yīng)用需求。

1 火工品的發(fā)聲機(jī)理

爆炸是指一種極為迅速的物理或者化學(xué)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(zhì)中發(fā)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(fā)出爆炸聲。而爆炸聲的大小必然與裝藥量有著直接關(guān)系。當(dāng)承載炸藥的殼體強(qiáng)度足夠大時，爆炸產(chǎn)生的沖擊波只能在殼體內(nèi)將空氣脈動通過殼體轉(zhuǎn)化成水中沖擊振動，經(jīng)過水介質(zhì)傳播出去，成為水中爆炸噪聲，在監(jiān)測噪聲用的水聽器表面產(chǎn)生正壓和負(fù)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(chǔ)上，降低噪聲的方法主要從以下3個方面考慮:①選定反應(yīng)慢、產(chǎn)氣量高的主裝藥，來減少瞬態(tài)高壓氣體在水中的振動;②過理論計算適當(dāng)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(biāo)一對矛盾體之間的平衡關(guān)系。

2 火工分離裝置

所設(shè)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(nèi)產(chǎn)生高壓氣體，高壓氣體作用到活塞上使其產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的噪聲;

2)分離裝置工作過程中剪斷銷釘產(chǎn)生的噪聲;

3)由于火工品的特性，內(nèi)裝火藥在燃爆過程中必然產(chǎn)生較大的聲音。

針對以上3種噪聲源進(jìn)行對比測試發(fā)現(xiàn):活塞撞擊殼體及剪切銷釘產(chǎn)生的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于火藥燃爆時產(chǎn)生的噪聲，而且容易通過設(shè)計緩沖墊、更換不同的材料來降低，經(jīng)過降噪設(shè)計后不會對分離噪聲聲源級產(chǎn)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(shù)據(jù)的一致性，首先要明確試驗條件:

1)采用標(biāo)準(zhǔn)的水聲測試設(shè)備、信號放大器。

2)為避免測試數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理公式為

脈沖的有效聲源級為

式中:SL為瞬態(tài)脈沖聲源級，dB;V為脈沖持續(xù)時間內(nèi)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(jī)距離，m。

依據(jù)式(1)，可以計算出在脈沖持續(xù)時間τ0內(nèi)的瞬態(tài)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(shù)據(jù)

測試樣機(jī)理論裝藥量為50 mg，在陸上及水下進(jìn)行了100多發(fā)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(guī)范》，最小裝藥量一般可以控制在下限50%以內(nèi)，所以此次測試樣機(jī)裝藥量分別設(shè)計為25，32，35，40和50 mg五種狀態(tài)。具體測試后處理的聲源級結(jié)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(jié)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(jī)的外觀狀態(tài)發(fā)現(xiàn):5種樣機(jī)狀態(tài)，在受力情況進(jìn)行點火，其中25 mg，32 mg都有1發(fā)出現(xiàn)了起爆器完全作用，而連接桿分離不完全的現(xiàn)象，其余樣機(jī)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(xiàn)連接桿分離不完全的現(xiàn)象，就會產(chǎn)生連接桿卡死而導(dǎo)致分離功能失敗。

分析5種裝藥量的聲源級數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):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(shè)備所產(chǎn)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(jī)的裝藥量可以40 mg為設(shè)計依據(jù)，分離噪聲基本可控制在160 dB以下。

4 結(jié)語

根據(jù)以上研究數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn):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(dá)到降低分離噪聲的目的。為了讓火工分離裝置更好地應(yīng)用于各行業(yè)，后續(xù)還需進(jìn)行更多的相關(guān)減振降噪研究。

［1］王澤山，歐育湘，任務(wù)正，等.火炸藥科學(xué)技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)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(xué)院出版社，1990.ROBERT J U.Principles of underwater sound［M］.Harbin:Harbin Engineering University，1990.