新型柔軟抗核電磁脈沖電纜的研制

鞠晨雁， 李金明， 李國強(qiáng)

（1.淮南新光神光纖線纜有限公司，安徽淮南232008；2.遠(yuǎn)東電纜股份有限公司，江蘇無錫210012）

新型柔軟抗核電磁脈沖電纜的研制

鞠晨雁1， 李金明1， 李國強(qiáng)2

（1.淮南新光神光纖線纜有限公司，安徽淮南232008；2.遠(yuǎn)東電纜股份有限公司，江蘇無錫210012）

隨著國防武器現(xiàn)代化的需要，在高科技武器中軍用電子裝備的抗電磁干擾能力是檢驗(yàn)裝備可靠性水平的重要指標(biāo)。為了滿足現(xiàn)代高科技武器對(duì)電纜更高的抗核電磁脈沖性能的要求和更廣的適用范圍，研制了新型柔軟抗核電磁脈沖電纜，該電纜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、柔軟性好、重量輕，抗核電磁脈沖性能更高，有效提高了武器系統(tǒng)性能和可靠性。

抗核電磁脈沖電纜；屏蔽效能；核電磁脈沖；柔軟

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的電子對(duì)抗和信息對(duì)抗能力的強(qiáng)弱是決定成敗的關(guān)鍵。第三代核武器，主要就是提高產(chǎn)生更強(qiáng)電磁脈沖能量的能力，以達(dá)到摧毀對(duì)方的指揮、控制、通訊、信息情報(bào)系統(tǒng)。改進(jìn)軍用電子裝備抗核電磁脈沖能力方面的措施將直接關(guān)系到國防武器的生命力。研究如何在提高抗核電磁脈沖電纜性能的同時(shí)簡(jiǎn)化電纜結(jié)構(gòu)和重量、提高柔軟度、降低電纜制造成本、擴(kuò)大電纜可適用范圍，這對(duì)于我國國防武器受到核電磁脈沖輻射時(shí)仍能保證快速機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)的能力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前國內(nèi)抗核電磁脈沖電纜普遍采用多層金屬編織和金屬薄膜繞包屏蔽的組合，由于材料與結(jié)構(gòu)的受限，存在一定的缺陷，不能滿足現(xiàn)代高科技武器對(duì)電纜更高的抗核電磁脈沖性能的要求和更廣的適用范圍。筆者根據(jù)該產(chǎn)品使用的特殊環(huán)境條件及相關(guān)國內(nèi)外資料，研制了一種新型柔軟抗核電磁脈沖電纜。本文介紹該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用及工藝要求，供有關(guān)人員參考。

1 新型柔軟抗核電磁脈沖電纜的研制

1.1 產(chǎn)品的典型性能要求

（1）電纜工作溫度：-40～105℃。

（2）電纜抗核電磁脈沖性能。電纜在核電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)為50 kV/m，上升沿2.5 ns，半高寬23 ns，頻譜范圍不大于100 MHz的條件下，其屏蔽效能不小于70 dB。

（3）整體抗拉性能。電纜在室溫下應(yīng)能承受自身100 m重量的拉力而不損壞。試驗(yàn)后試樣經(jīng)受工頻交流50 Hz、1 000 V（有效值）電壓，2 min不擊穿。

（4）彎曲和扭繞性

彎曲性---常溫下，電纜應(yīng)能承受反復(fù)收放循環(huán)100次，護(hù)套表面不應(yīng)有目力可見的裂紋，試驗(yàn)后試樣經(jīng)受工頻交流50 Hz、1 000 V（有效值）電壓，2 min不擊穿。

扭繞性---常溫下，電纜應(yīng)能承受20次扭繞，護(hù)套表面不應(yīng)有目力可見的裂紋，試驗(yàn)后試樣經(jīng)受工頻交流50 Hz、1 000 V（有效值）電壓，2 min不擊穿。

（5）耐磨性。刮磨次數(shù)300次，試驗(yàn)后護(hù)套任何內(nèi)層的裸露均作為失效。

（6）電纜2 000次彎曲試驗(yàn)。常溫下，電纜承受反復(fù)彎曲2 000次試驗(yàn)后，護(hù)套表面不應(yīng)有目力可見的裂紋，印字可辨，導(dǎo)通試驗(yàn)通過。耐壓測(cè)試（2 000 V，2 min）不擊穿。

（7）電纜應(yīng)通過GJB 150.11規(guī)定的防煙霧96 h試驗(yàn)，無腐蝕。

1.2 設(shè)計(jì)理念

提高屏蔽效能是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，電磁波不但有電場(chǎng)分量，還有磁場(chǎng)分量，設(shè)計(jì)時(shí)高磁導(dǎo)率和高電導(dǎo)率同等重要。由于低頻電磁波比高頻電磁波具有更強(qiáng)的磁場(chǎng)分量，因此，對(duì)于低頻電磁干擾，屏蔽材料的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)比高頻時(shí)更為重要，要優(yōu)先選用導(dǎo)磁率較高的材料。高頻電磁干擾應(yīng)主要考慮電場(chǎng)分量，選用表面轉(zhuǎn)移阻抗很低的高電導(dǎo)率材料。由此可見，對(duì)于要求高的電纜，必須采用多層屏蔽，這樣才能從根本上解決高頻屏蔽效能低的問題。

目前國內(nèi)外抗核電磁脈沖電纜的屏蔽層一般采用一層軟磁合金帶加多層金屬帶繞包和多層金屬絲編織組合而成，此種電纜存在整體發(fā)硬、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易彎曲的缺點(diǎn)；野外使用經(jīng)常出現(xiàn)軟磁合金帶劃傷線芯或破裂，造成電纜短路或抗核電磁脈沖性能下降，不能滿足野戰(zhàn)機(jī)動(dòng)對(duì)電纜柔軟、減重的要求。

為解決此問題，采用繞包屏蔽、編織屏蔽交叉組合的方式，并首次采用銅鎳合金布帶和鐵鎳合金布帶繞包代替軟磁合金帶等金屬繞包材料。主要由導(dǎo)體、絕緣、成纜、復(fù)合屏蔽層、護(hù)套組成，所述的復(fù)合屏蔽層由“銅鎳合金布帶+鍍錫銅編織+聚四氟乙烯微孔帶+鐵鎳合金布帶+鍍鎳銅絲編織”組成。

1.3 典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

綜合上述設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)出新型柔軟抗核電磁脈沖電纜結(jié)構(gòu)見圖1。

1.4 重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目

根據(jù)產(chǎn)品的特性，研制成功與否的關(guān)鍵為：（1）電纜在核電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)為50 kV/m，頻譜范圍不大于100 MHz的條件下，其屏蔽效能不小于70 dB；（2）電纜外徑、重量和柔軟度必須比現(xiàn)有抗核電磁脈沖電纜具有優(yōu)勢(shì)。

因此，把研制工作的重點(diǎn)確定在屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料的選擇、生產(chǎn)工藝的改進(jìn)上。

圖1 電纜典型規(guī)格36×0.5 mm2截面示意圖

1.5 產(chǎn)品關(guān)鍵材料選型

（1）絕緣

絕緣材料為符合GJB 773A規(guī)定的乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）材料。它屬于氟聚物中較輕的塑料，密度只有1.7 g/cm3，又因其強(qiáng)度高、耐開裂性能好，可使絕緣層適當(dāng)減薄，所以同等電壓等級(jí)的電線，ETFE絕緣的電線重量相對(duì)較輕。

通過選用性能優(yōu)異的ETFE材料作為絕緣，使電線具有外徑小、重量輕、耐高低溫、阻燃、耐氣候等優(yōu)越性能。

（2）屏蔽材料

銅鎳合金布帶和鐵鎳合金布帶是采用磁控濺射與復(fù)合鍍膜技術(shù)在輕盈紡布基表面覆金屬銅及鎳鈷合金或鐵鎳合金制成的導(dǎo)電織物。

屏蔽結(jié)構(gòu)中的兩層編織，雖編織密度不高，但因其相對(duì)較厚，在低頻段起主要屏蔽作用；銅鎳合金布帶和鐵鎳合金布帶繞包層，在高頻段起主要屏蔽作用。通過不同材質(zhì)、不同阻抗特性的合理搭配，使其形成多個(gè)屏蔽反射界面，有效提高了高頻段的屏蔽效能。

采用此屏蔽材料不僅使電纜具有優(yōu)異的抗電磁脈沖性能，而且還解決了多層金屬帶繞包易造成電纜偏硬、不易彎曲的問題。合金布帶的主要性能見表1。

（3）聚四氟乙烯微孔帶

聚四氟乙烯微孔帶是以聚四氟乙烯細(xì)粉通過擠出壓延和拉伸等一系列機(jī)械拉伸操作，使結(jié)晶分子從粉狀顆粒形成纖維，并交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成含有無數(shù)孔徑為0.1～10μm的微孔且具有分離作用的膜材料。

表1 合金布帶的主要性能

該微孔帶密度小、強(qiáng)度高、超柔軟，減輕了電纜整體重量，提高了柔軟度；隔離鍍錫銅絲編織層和鐵鎳合金布帶，起到緩沖作用，避免兩者產(chǎn)生摩擦。

（4）護(hù)套材料

根據(jù)使用環(huán)境和電纜正常運(yùn)行狀態(tài)，重點(diǎn)攻關(guān)的是低溫柔軟性和耐磨性。護(hù)套材料選用聚醚型熱塑性聚氨酯，不僅有優(yōu)異的抗撕裂強(qiáng)度、耐候性、耐低溫、無鹵阻燃性能，而且還具有優(yōu)異的耐水性、耐磨性。

1.6 關(guān)鍵工序的控制

（1）解決編織屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)電纜柔軟性的影響。編織層過緊，電纜的柔軟性會(huì)明顯降低；編織層過松，則編織結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，無法保證屏蔽效果。編織層的松緊程度與編織股線張力、編織角度和收放線張力有很大關(guān)系，需要做合理的控制。

（2）合金布帶繞包屏蔽對(duì)電纜的柔軟性的影響比編織屏蔽要大，繞包屏蔽結(jié)構(gòu)是采用帶材重疊繞包，重疊螺旋形成一個(gè)管筒狀屏蔽層，可彎曲性比編織屏蔽結(jié)構(gòu)要差。繞包屏蔽可彎曲性與繞包帶的張力、寬度、重疊率有關(guān)。纜芯直徑越大、帶越窄、重疊率越小，彎曲時(shí)屏蔽層所形成阻礙彎曲的應(yīng)力就越小，電纜柔軟性就越好。

2 新型柔軟抗核電磁脈沖電纜性能測(cè)試

電纜典型規(guī)格36×0.5 mm2經(jīng)檢測(cè)驗(yàn)證，其結(jié)構(gòu)尺寸、性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品主要性能見表2。

表2 電纜主要性能

電纜委托中國人民解放軍國防工程電磁脈沖防護(hù)測(cè)試研究中心，利用三同軸法，測(cè)量電纜對(duì)高空核爆炸電磁脈沖（HEMP）的屏蔽效能。毫微秒高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出的典型電壓波形如圖2所示，上升沿為2.487 ns，半峰值寬為23.95 ns（脈沖源電壓50 kV），電纜探頭系數(shù)為5.02 V/A。被測(cè)電纜的典型波形圖如圖3、圖4所示。表3是核電磁脈沖屏蔽效能測(cè)試結(jié)果，性能完全滿足要求。

表3 核電磁脈沖屏蔽效能測(cè)試結(jié)果

圖2 毫微秒高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出的典型電壓波形

圖3 電纜芯線注入電壓波

圖4 電纜屏蔽層耦合電壓波形

3 新型柔軟抗核電磁脈沖電纜的特點(diǎn)

（1）通過選用優(yōu)質(zhì)的乙烯-四氟乙烯共聚物作為絕緣，使得電線具有外徑小、重量輕、耐高低溫、阻燃、耐氣候等優(yōu)越性能。

（2）采用銅鎳合金布帶和鐵鎳合金布帶代替金屬帶繞包，簡(jiǎn)化了電纜屏蔽結(jié)構(gòu)，提高了電纜的柔軟度，具備了更小的彎曲半徑，便于在野外復(fù)雜工況環(huán)境下使用。

（3）合理簡(jiǎn)化的屏蔽工藝設(shè)計(jì)和選材使電纜的抗核電磁脈沖性能顯著提高，平均屏蔽效能達(dá)到82.9 dB。

（4）重點(diǎn)在電纜結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了彎曲和扭繞性能，電纜承受反復(fù)彎曲2 000次試驗(yàn)后，護(hù)套表面無目力可見的裂紋，屏蔽效能不降低。

4 結(jié)束語

產(chǎn)品委托中國人民解放軍國防工程電磁脈沖防護(hù)研究測(cè)試中心進(jìn)行抗核電磁脈沖性能測(cè)試，完全滿足電纜對(duì)高空核爆炸電磁脈沖（HEMP）的屏蔽性能要求。

通過對(duì)電纜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用新型高導(dǎo)電率和高導(dǎo)磁率的合金布帶與編織屏蔽層組成復(fù)合屏蔽，使電纜具有耐高溫、外徑小、重量輕、柔軟性好等特點(diǎn)，滿足野外快速機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)的要求，可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜電磁干擾環(huán)境中的武器裝備電子系統(tǒng)。

［1］ 鄭玉東.通信電纜［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［2］ 宋守清，李才有.抗核電磁脈沖電纜的屏蔽研制［J］.電線電纜，2014（1）：6-9.

［3］ 梁海珊.抗電磁干擾（EMI）技術(shù)［J］.杭州電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，22（3）：59-62.

［4］ 多芯屏蔽電纜屏蔽效能測(cè)試報(bào)告（編號(hào)：LXP-2013-004）［R］.中國人民解放軍國防工程電磁脈沖防護(hù)測(cè)試研究中心，2013.

Development of New Soft Anti Nuclear Electromagnetic Pulse Cable

JU Chen-yan1，LIJin-ming1，LIGuo-qiang2
（1.Huainan Sunbeam God fiber optic cable Co.，Ltd.，Huainan 232008，China；2.Far East Cable Co.，Ltd.，Wuxi210012，China）

With themodernization of national defense weapons needed in high-tech weapons in anti-electromagnetic interference capability ofmilitary electronic equipment is an important indicator of the level of reliability test equipment.In order to achieve amodern high-tech weapons for higher cable anti-nuclear electromagnetic pulse performance requirements and wider scope，developed a new type of softanti-nuclear electromagnetic pulse cable that simple structure，flexibility，lightweight，anti-nuclear electromagnetic higher pulse performance，improve theweapon system performance and reliability.

electromagnetic pulse resistant cable；shielding effectiveness；nuclear electromagnetic pulse；soft

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1672-6901（2014）06-0031-04

2014-07-24

鞠晨雁（1984-），女，助理工程師.

作者地址：安徽淮南市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)建設(shè)南路39號(hào)［232008］.