電熱火工品復雜電磁波環(huán)境綜合適應性設計方法研究

褚恩義，白穎偉，王可暄，趙冬亞，尹 明

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電熱火工品復雜電磁波環(huán)境綜合適應性設計方法研究

褚恩義，白穎偉，王可暄，趙冬亞，尹 明

（陜西應用物理化學研究所 應用物理化學國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

電火工品；脈沖電磁波；連續(xù)電磁波；環(huán)境適應性；發(fā)火；輸出

隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨復雜，作為武器系統(tǒng)中最敏感部件的火工品，其抵御復雜電磁環(huán)境的能力，是保證武器裝備具備突防能力和抗干擾能力的重要保證。目前國內(nèi)外在火工品電磁波環(huán)境作用機理和環(huán)境適應性方面已進行了大量工作。美軍標MIL-STD -1901《彈藥火箭和導彈發(fā)動機點火系統(tǒng)安全性設計準則》要求點火系統(tǒng)在正常壽命周期內(nèi)，暴露于電磁輻射、靜電放電、電磁脈沖、電磁干擾、雷電作用和電源瞬變等環(huán)境之后，不發(fā)生意外的解除保險或作用[1]。對于軍用設備和分系統(tǒng)，美軍標461系列標準詳細規(guī)定了軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量方法和限制要求[2]，這些標準和措施的實施大大降低了武器系統(tǒng)電磁危害的事故率。此外，美國等一些國家先后采用羰基鐵粉和鐵氧體材料在高壓下壓制成塞子，這種射頻衰減電極塞已用于美國陸軍的橋絲式電雷管。

國內(nèi)從20世紀80年代開始對電火工品防靜電、防射頻等方面進行研究，移植并建立了系列的武器系統(tǒng)抗電磁環(huán)境干擾的軍用標準[3]，但火工品電磁波環(huán)境適應性設計方法還處在初步研究階段[4]。陜西應用物理化學研究所對電熱火工品電磁波環(huán)境適應性進行了長期的研究，主要進行了低發(fā)火能量電熱火工品在電磁波環(huán)境下的效應試驗及響應規(guī)律研究[5]，以及換能元并聯(lián)TVS二極管的電熱火工品在脈沖電磁波環(huán)境中的適應性研究[6]。

在很多情況下，連續(xù)電磁波和脈沖電磁波對電熱火工品的作用同時存在，本文把這種情況統(tǒng)稱為復雜電磁環(huán)境。只要能同時滿足連續(xù)和脈沖電磁波環(huán)境適應性設計要求，就能滿足復雜電磁環(huán)境適應性要求，本文針對電熱火工品開展相關研究。

1 連續(xù)和脈沖電磁波環(huán)境對電熱火工品的作用機理分析

連續(xù)電磁波對電熱火工品的影響主要是以電流的形式通過腳線作用于橋絲換能元，使橋絲換能元產(chǎn)生感應電流導致熱積累。電熱火工品在受到電刺激后的響應特性、電阻絲及其四周裝藥的溫度分布與許多難以量化的電熱參數(shù)有關，當溫度積累不能很快達到點火藥和起爆藥起爆溫度，就可能在接近于發(fā)火點的溫度下保持相當長的時間，由于高溫變質(zhì)效應可能使點火藥和起爆藥在發(fā)火前性能發(fā)生變化，從而改變了電熱火工品的發(fā)火性能。這種情況對鈍感型電熱火工品可能會引起感度變化，進而引起瞎火；而對低發(fā)火能量電熱火工品的影響可能是意外發(fā)火。

脈沖電磁波對電熱火工品的影響主要以電壓形式加在腳-殼之間，使電熱火工品局部出現(xiàn)過熱。這種情況下，低發(fā)火能量電熱火工品出現(xiàn)意外發(fā)火或瞎火的可能性較大，鈍感型電熱火工品由于其本質(zhì)能承受較大的短脈沖電流沖擊，出現(xiàn)意外發(fā)火或瞎火的可能性較小。

2 常用的電熱火工品電磁波環(huán)境適應性設計方法

目前電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境適應性設計可采用的方法有以下幾種：（1）復合導線法：利用集膚效應原理，采用銅芯不銹鋼復合導線使得電磁場的感應電流都集中在外層的不銹鋼表層上，從而增大了損耗電阻。但由于常用電火工品腳線長度較短，復合導線衰減作用有限，因此很少采用。（2）屏蔽技術：利用金屬板等屏蔽體阻止或減小電磁能量傳播的電磁干擾。可以選擇電導率與磁導率較大的材料作為電熱火工品的包裝材料，以有效防止電磁危害。這種方法在武器系統(tǒng)設計時，通過引信或傳爆系統(tǒng)的總體設計來實現(xiàn)，本文不進行研究。（3）濾波：為了將電磁波過濾，減少電磁波對電熱火工品的危害，常用的方法是設計適合的濾波器。常規(guī)電熱火工品多采用直流發(fā)火，可以選用低通濾波器進行濾波。（4）改變換能元的設計：如將橋絲改為橋帶以增大散熱面積等，從而提高火工品的安全性。

電熱火工品脈沖電磁波環(huán)境適應性設計方法一般采用在電熱火工品換能元件中設計特定功能的保護電路，在意外受到高能量的電磁波干擾時，保護電路瞬時導通，將大部分具有破壞能力的能量泄放，從而使電熱火工品受到保護，避免意外發(fā)火。具體有火花隙、半導體擊穿器件等?；鸹ㄏ妒且环N介質(zhì)擊穿器件，利用某些晶體材料在強電場中從介質(zhì)表面發(fā)射電子，在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生電弧形成放電通道，從而使高電壓在瞬間瀉放掉的原理制成。半導體擊穿器件包括TVS二極管、整流二極管、齊納二極管和非線性電阻器等。TVS二極管可與被保護電路并聯(lián)，高電壓時產(chǎn)生雪崩，為瞬態(tài)電流提供通路，使電路免遭高電壓的擊穿過熱而起爆。這些器件在高電壓時電阻較小，響應迅速，能瞬間泄放掉靜電高壓等電磁能量，而低電壓條件下呈高阻狀態(tài)，不影響電熱火工品正常發(fā)火，具有理想的保護作用。

3 樣機試制及試驗

在控制溫度干燥條件下，辣椒干燥后的品質(zhì)和綜合得分均相差不大?？刂茰囟葪l件下辣椒的綜合得分普遍高于恒溫干燥條件下辣椒的綜合得分。

3.1 脈沖電磁波環(huán)境適應性

文獻[6]中，采用TVS二極管進行了電熱火工品脈沖電磁波環(huán)境適應性研究。裝配后TVS二極管與電熱火工品換能元結構如圖1所示，無論電磁波感應電流是從A端進入，還是從B進入，當達到擊穿電壓時，TVS二極管都會瞬時導通，泄放掉感應能量。而在產(chǎn)品正常發(fā)火時，由于TVS二極管在A、B兩個方向上都不會導通，發(fā)火能量將直接作用到電熱火工品換能元上，使產(chǎn)品正常作用。

圖1 脈沖電磁波環(huán)境下TVS二極管與換能元連接等效關系圖

脈沖電磁波環(huán)境試驗采用電磁脈沖源輸出波形參數(shù)，上升時間≤3ns，半高寬約20ns，基本符合MIL-STD-461E波形參數(shù)。試驗進行了并聯(lián)TVS二極管前后的對比試驗，結果見表1。

表1 電火工品脈沖波環(huán)境適應性設計試驗結果

Tab.1 Experimental result of pluse-wave adaptability design of electric explosive device

序號放電電壓/kV場強/(kV·m-1)發(fā)火情況 未防護TVS二極管防護 12303523.027.00100 34405031.038.51100 56550.010

注：0為不發(fā)火，1為發(fā)火。

從表1試驗結果可以看出，并聯(lián)TVS二極管后，電點火頭未出現(xiàn)發(fā)火狀態(tài)，其脈沖電磁場環(huán)境下的安全性得到了提高，選用的低發(fā)火能量電點火管在此條件下能滿足國軍標GJB 151A-97要求。

3.2 連續(xù)電磁波環(huán)境適應性

對于連續(xù)電磁波適應性設計，本研究主要利用TVS二極管在連續(xù)電磁波環(huán)境下形成的PN結電容進行濾波。裝配后TVS二極管與電熱火工品換能元結構如圖2所示。

圖2 連續(xù)電磁波環(huán)境下TVS二極管與換能元連接等效電路圖

選用的TVS二極管具有較高的PN結電容，利用該電容實現(xiàn)電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境適應性設計。對于未超過TVS二極管擊穿電壓的感應電流，則以PN結電容的方式進行分流。由于選用的TVS二極管擊穿電壓較高，不會影響電熱火工品正常發(fā)火。原理試驗中，TVS二極管與電熱火工品電極塞的連接試件如圖3所示，利用該電極塞制成電發(fā)火頭進行試驗。

圖3 貼片式TVS管與電極塞腳腳連接圖

圖4 連續(xù)電磁場產(chǎn)生與測試系統(tǒng)

利用圖4所示的GTEM傳輸裝置（吉赫茲橫電磁波傳輸室）模擬產(chǎn)生連續(xù)電磁場輻射環(huán)境，其它輔助設備包括信號發(fā)生器、功率放大器、場強測量計等。試驗在場強為30V/m、40V/m、50V/m下，用100MHz、200MHz、300MHz、400 MHz、500 MHz、600MHz、700MHz、800MHz等8個不同頻率進行試驗，并將試驗結果與腳腳并聯(lián)電容（形成單容型低通濾波器）結果進行比較。表2為40V/m場強條件下濾波元件對連續(xù)電磁波的防護效應試驗結果。

表2 40V/m場強條件下濾波元件對連續(xù)電磁波的防護

效應試驗結果 (mA)

Tab.2 Protective effect result of filter element for continuous electro magnetic wave with 40V/m

序號腳線狀態(tài)頻率/MHz平行垂直 無防護并聯(lián)TVS管并聯(lián)電容無防護并聯(lián)TVS管并聯(lián)電容 11002.03 1.78 1.2116.2810.6310.63 22003.74 0.98 2.9747.10*23.8822.03 330018.22 11.17 11.9727.4115.7817.30 440010.424.47 4.1018.7511.0410.79 55002.721.031.4118.1810.3410.22 66004.979.144.4320.0014.4910.87 77002.482.192.853.095.064.21 88004.243.373.492.682.052.25

注：電點火頭有發(fā)火現(xiàn)象。

試驗結果表明，并聯(lián)TVS二極管對電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下的感應電流具有一定的衰減作用，有些頻率下并聯(lián)兩個電容有更好的防護效果。尤其在最危險的諧振頻率點，濾波效果達到了50%以上。因此，TVS二極管可用于電熱火工品連續(xù)及脈沖電磁波環(huán)境適應性綜合設計。

3.3 電熱火工品復雜電磁波環(huán)境適應性驗證試驗

采用圖5所示動態(tài)斜坡發(fā)生器進行了電點火頭的感度試驗，試驗結果見表3。

表3 電點火頭動態(tài)斜坡法試驗結果

Tab.3 Experimental result of electric explosive device by the ramp current method

序號樣品狀態(tài)電阻/Ω發(fā)火電流/mA平均發(fā)火電流/mA 1未加固6.93255255 27.14259 37.29251 46.87268 56.90245 6并聯(lián)TVS二極管7.32292298 77.17288 86.81300 96.99300 107.20309

從表3試驗結果可以看出，并聯(lián)TVS二極管后，電點火頭的平均發(fā)火電流由255mA增大為298mA，說明并聯(lián)TVS二極管的電點火頭安全性得到了提高。對于這種變化對發(fā)火性能的影響，本文也進行了試驗測試。采用高速攝影來判定電點火頭的輸出性能變化，并聯(lián)TVS二極管前后的電點火頭輸出圖像見圖6。

（a） 未并聯(lián)

（b） 并聯(lián)

從高速攝影結果來看，并聯(lián)TVS二極管前后電點火頭的輸出火焰長度無顯著變化，分別為47mm和45mm，證明這種方法不會影響電熱火工品的正常使用。

4 結語

本文選用具有較高PN結電容的TVS二極管，進行了電熱火工品連續(xù)和脈沖電磁波環(huán)境適應性設計研究。研究證明并聯(lián)TVS二極管對電熱火工品連續(xù)及脈沖電磁波環(huán)境下的感應電流均有很好的抑制或分流作用，能滿足電熱火工品復雜電磁波環(huán)境設計要求。

目前初步解決了TVS二極管與電極塞玻璃體的連接技術，但改進后的電極塞各項性能，如抗過載、強度等，能否滿足火工品設計要求還需進一步驗證。下一步打算只采用未封裝的TVS二極管芯片結構，將電極塞設計與TVS二極管封裝技術結合起來，實現(xiàn)TVS二極管與小尺寸電熱火工品的一體化設計。

[1] MIL-STD-1901 彈藥火箭和導彈發(fā)動機點火系統(tǒng)安全性設計準則[S],1992.

[2] MIL-STD-461F 電磁干擾發(fā)射和敏感度控制要求[S],2007.

[3] GJB 151A-97軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].國防科學技術工業(yè)委員會,1997.

[4] GJB 1389A-2005系統(tǒng)電磁兼容性要求[S]．國防科學技術工業(yè)委員會,2005.

[5] 王可暄,白穎偉,任煒,等.低發(fā)火能量電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下作用規(guī)律研究[J].含能材料,2012(5):610-613.

[6] 褚恩義,任煒,白穎偉,等.電熱火工品脈沖電磁波環(huán)境適應性設計方法研究[J].火工品, 2013(4):15-17.

Study on the Complex Electromagnetic Compatibility Designing Method for Hot Bridge-wire EEDs

CHU En-yi，BAI Ying-wei，WANG Ke-xuan，ZHAO Dong-ya，YIN Ming

(National Key Laboratory of Applied Physics and Chemistry，Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institue, Xi’an，710061)

In order to propose the compatibility designing method of hot bridge-wire electric explosive device(EEDs) in complex electromagnetic environment, several general designing methods were compared, and the method of TVS diodes added in hot bridge-wire EEDs was studied emphatically. Meanwhile, the tested samples were prepared, and the fire and output tests were carried out. The study showed that TVS diodes can effectively attenuate the induced current in complex electromagnetic environment, and the performance of tested samples hasn’t changed obviously.

Electric explosive device；Continuous electromagnetic wave；Pulsed electromagnetic wave；Fire；Output

TJ450.1

A

[7]2015-10-29

褚恩義（1965 -），男，研究員，主要從事高新技術火工品作用機理與故障抑制技術研究。