高空核電磁脈沖對(duì)爆炸箔起爆器安全性的影響

同紅海，褚恩義，周密，王寅，李蛟

高空核電磁脈沖對(duì)爆炸箔起爆器安全性的影響

同紅海，褚恩義，周密，王寅，李蛟

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，西安 710061）

評(píng)估爆炸箔起爆器（EFI）在高空核電磁脈沖下的安全性。通過吉赫茲橫電磁波室（GTEM）強(qiáng)電磁脈沖模擬系統(tǒng)，開展輻射方式下EFI電極塞在模擬高空核電磁脈沖（HEMP）下的感應(yīng)電流試驗(yàn)測試。HEMP主要是通過電磁輻射方式在EFI腳線上耦合能量，在爆炸箔上產(chǎn)生感應(yīng)電流，用光纖場強(qiáng)計(jì)監(jiān)測模擬HEMP的電場強(qiáng)度，并在EFI爆炸箔電極塞腳線上套裝電流環(huán)，通過示波器監(jiān)測爆炸箔上的感應(yīng)電流波形。在爆炸箔電極塞兩根腳線上分別連接相同長度的導(dǎo)線，按導(dǎo)線長度不同分為5、10、20、30、40、50 cm共6組，使導(dǎo)線成180°狀態(tài)，EFI的腳線可等效為偶極天線，感應(yīng)電流隨腳線長度增加而增大，兩者呈線性關(guān)系。EFI在HEMP下的感應(yīng)電流遠(yuǎn)小于發(fā)火電流，對(duì)核電磁脈沖環(huán)境具有較高的耐受能力，具有較高的安全性。

高空核電磁脈沖；爆炸箔起爆器；感應(yīng)電流；安全性

高安全性是現(xiàn)階段武器彈藥的主要發(fā)展趨勢(shì)之一，這也是鈍感彈藥相比傳統(tǒng)彈藥的突出優(yōu)點(diǎn)。美國等北約國家即將裝備或在研的武器彈藥在設(shè)計(jì)階段都考慮了鈍感彈藥的相關(guān)技術(shù)要求，試驗(yàn)項(xiàng)目和結(jié)果均需符合鈍感彈藥相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)要求。爆炸箔起爆器（EFI）是本質(zhì)安全性火工品的典型代表，EFI的作用過程是在電容上千伏高電壓放電產(chǎn)生的陡脈沖大電流作用下，金屬橋箔瞬間爆炸汽化，產(chǎn)生高溫高壓等離子，驅(qū)動(dòng)薄飛片通過加速膛高速撞擊炸藥，當(dāng)飛片撞擊炸藥產(chǎn)生的沖擊脈沖壓力和持續(xù)時(shí)間滿足非均質(zhì)炸藥窄脈沖起爆判據(jù)時(shí)，引起炸藥爆轟[1]。EFI所用藥劑是直列式許用藥劑六硝基茋（HNS），可用于直列式起爆序列，在鈍感彈藥中應(yīng)用具有一定優(yōu)勢(shì)[2-3]。EFI發(fā)火條件苛刻，功率高達(dá)兆瓦級(jí)，人體靜電、雜散電流、射頻等普通電磁環(huán)境不可能產(chǎn)生EFI的發(fā)火條件，因此EFI是現(xiàn)階段最安全的電火工品之一。

核電磁脈沖是由離地面30~500 km的高空區(qū)域發(fā)生核爆炸產(chǎn)生的γ射線激發(fā)電離大氣層產(chǎn)生的電磁脈沖，也被稱為高空電磁脈沖（HEMP）。由于大氣的衰減作用，高空核爆炸產(chǎn)生的熱、沖擊波、輻射等效應(yīng)，對(duì)地面設(shè)施的危害不如電磁脈沖效應(yīng)大。隨著核技術(shù)的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家已研制出核電磁脈沖彈，增強(qiáng)了電磁脈沖效應(yīng)，電磁脈沖的破壞力明顯增大。HEMP具有峰值場強(qiáng)高、上升時(shí)間短、頻譜寬、覆蓋面積廣等特點(diǎn)[4]，會(huì)對(duì)武器裝備中的指揮、控制、通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，對(duì)彈藥引信起爆系統(tǒng)的危害可能會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性后果。軍事強(qiáng)國都十分重視武器裝備電磁環(huán)境效應(yīng)和防護(hù)加固技術(shù)的研究，美國針對(duì)核電磁脈沖的嚴(yán)重威脅，要求每開發(fā)一種武器，必須考慮電磁脈沖防護(hù)能力。MIL-STD-464C和MIL- STD-331D分別對(duì)電磁脈沖影響系統(tǒng)要求和引信電爆裝置的HEMP測試提出了具體要求[5-6]。國內(nèi)對(duì)起爆系統(tǒng)電磁防護(hù)的研究，基本都停留在電磁兼容范疇內(nèi)，未重視電磁脈沖防護(hù)。EFI作為本質(zhì)安全性火工品的代表，研究其在HEMP下的響應(yīng)特性，對(duì)明確EFI在核電磁脈沖環(huán)境下的安全性具有重要意義。

1 HEMP特征及EFI對(duì)其響應(yīng)方式

1.1 HEMP波形及參數(shù)

核電磁脈沖中HEMP的破壞力最強(qiáng)，其波形呈雙指數(shù)曲線，上升時(shí)間為3~10 ns，持續(xù)時(shí)間為0.2~1 μs，峰值場強(qiáng)約50 kV/m[7]。關(guān)于HEMP的標(biāo)準(zhǔn)和公開出版物一般都用雙指數(shù)函數(shù)來描述其典型波形[8-9]。

()=0(e－α－e－β)

式中：()為瞬變場強(qiáng)；0為電場強(qiáng)度峰值；為修正系數(shù)；和為衰減指數(shù)。

文中試驗(yàn)用HEMP波形參考MIL-STD-461E[10]，其波形參數(shù)為：=4×10－7s，=6×108s，=1.3，上升時(shí)間r≈(2.3±0.5) ns，半高寬FWHM≈(23±5) ns，峰值場強(qiáng)0=50 kV/m，波形如圖1所示。

1.2 EFI對(duì)HEMP的響應(yīng)方式

任何暴露于電磁場中的金屬導(dǎo)體均可認(rèn)為是天線，電火工品中的金屬導(dǎo)體、導(dǎo)線、引線等都可以作為天線耦合電磁波產(chǎn)生電壓或電流。HEMP對(duì)EFI的能量耦合方式有兩種：一是傳導(dǎo)方式，即通過直接的電氣通道向EFI注入HEMP能量；二是輻射方式，即通過電磁輻射向EFI耦合HEMP能量。當(dāng)EFI處于核電磁脈沖場中時(shí)，其腳線可接收電磁脈沖能量，在金屬爆炸箔上產(chǎn)生感應(yīng)電流。如果感應(yīng)電流幅值很大，參數(shù)接近發(fā)火條件時(shí)，可能會(huì)使EFI誤作用，帶來嚴(yán)重后果。

圖1 MIL-STD-461E定義的HEMP波形

實(shí)際使用狀態(tài)中，HEMP主要是通過電磁輻射方式在EFI腳線上耦合能量，在爆炸箔上產(chǎn)生感應(yīng)電流。因此，文中研究輻射方式下EFI爆炸箔電極塞在模擬HEMP中的感應(yīng)電流。

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)研究EFI腳線作為偶極天線接收HEMP電磁能量時(shí)，爆炸箔上的感應(yīng)電流大小與腳線長度的關(guān)系，測試不同腳線長度下的感應(yīng)電流波形，以評(píng)估EFI在HEMP作用下的安全性。

2.1 測試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)室參照GJB 151B—2013中的方法RS105瞬態(tài)電磁場輻射敏感度，建立了電火工品抗核電磁脈沖模擬測試系統(tǒng)，對(duì)電火工品進(jìn)行模擬核電磁脈沖測試技術(shù)研究[11]。借助吉赫茲橫電磁波室（GTEM）強(qiáng)電磁脈沖模擬系統(tǒng)，可進(jìn)行核電磁脈沖測試技術(shù)研究。其中HEMP的參數(shù)按MIL-STD-461E執(zhí)行，GTEM強(qiáng)電磁脈沖電磁場模擬系統(tǒng)用于爆炸箔起爆器感應(yīng)電流測試的框圖組成如圖2所示。試驗(yàn)測試系統(tǒng)模擬的HEMP波形如圖3所示，波形參數(shù)：上升時(shí)間r≈3 ns，半高寬FWHM≈23 ns，峰值場強(qiáng)0≈50 kV/m。

2.2 試驗(yàn)方法

核電磁脈沖對(duì)EFI的輻射測試是在GTEM小室內(nèi)產(chǎn)生模擬HEMP，將EFI的爆炸箔電極塞腳線打開，并豎直放置在GTEM小室中。為降低測試過程的電磁干擾，用光纖場強(qiáng)計(jì)監(jiān)測模擬HEMP的電場強(qiáng)度，并在EFI爆炸箔電極塞腳線上套裝電流環(huán)，通過示波器監(jiān)測爆炸箔上的感應(yīng)電流波形。在爆炸箔電極塞兩根腳線上分別連接相同長度的導(dǎo)線，按導(dǎo)線長度不同分為5、10、20、30、40、50 cm共6組，使導(dǎo)線成180°狀態(tài)。此時(shí)，EFI的腳線可等效為偶極天線，如圖4所示。

1-功率源,2-控制臺(tái),3-GTEM小室,4-電流探頭, 5-爆炸箔起爆器, 6-場強(qiáng)計(jì),7-接收器,8-示波器

圖3 試驗(yàn)?zāi)MHEMP波形

圖4 試驗(yàn)用爆炸箔電極塞

將接有導(dǎo)線的爆炸箔電極塞兩根導(dǎo)線拉直，并成180°，分別固定在有機(jī)玻璃試驗(yàn)架子上，豎直放置在GTEM小室中，測試腳線延長的爆炸箔在模擬HEMP下的感應(yīng)電流波形。此時(shí)，爆炸箔電極塞的導(dǎo)線可等效為偶極天線接收、耦合HEMP的電磁脈沖能量。在此狀態(tài)下，爆炸箔上的感應(yīng)電流最大，這是為了得到最惡劣情況下EFI爆炸箔上的感應(yīng)電流，以評(píng)估其安全性。爆炸箔電極塞在GTEM小室中的放置狀態(tài)如圖5所示。

圖5 爆炸箔電極塞測試狀態(tài)

3 結(jié)果及分析

對(duì)6組導(dǎo)線長度不同的爆炸箔電極塞在模擬HEMP下的感應(yīng)電流進(jìn)行了測試。為了對(duì)比并保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，每組分別測兩次感應(yīng)電流，測試試驗(yàn)參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。圖6給出了表1中6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的6個(gè)感應(yīng)電流示波器記錄波形，感應(yīng)電流峰值分別為0.77、2.88、8.01、12.39、16.24、19.49 A。經(jīng)過HEMP試驗(yàn)后的爆炸箔在外觀上沒有變化，電阻正常。試驗(yàn)后的爆炸箔電極塞裝配成EFI后可以正常發(fā)火。

表1 感應(yīng)電流測試數(shù)據(jù)

圖6 感應(yīng)電流波形

EFI的發(fā)火條件是電流峰值達(dá)上千安培的窄脈沖大電流，從感應(yīng)電流測試結(jié)果可以看出，感應(yīng)電流峰值隨腳線長度增加而增大。導(dǎo)線長度增加到50 cm時(shí)，感應(yīng)電流峰值不超過20 A。這比沒有加延長導(dǎo)線的爆炸箔的感應(yīng)電流顯著增大，根據(jù)表1可知，腳線長度5 cm時(shí)，爆炸箔上的感應(yīng)電流約為0.77 A。正常狀態(tài)下，EFI的爆炸箔腳線長度不超過5 cm，因此HEMP對(duì)EFI的安全性不會(huì)產(chǎn)生危害。這可從試驗(yàn)后的爆炸箔沒有破壞，外觀和電阻正常得到證明。6個(gè)感應(yīng)電流波形的電流峰值和其對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線長度的擬合關(guān)系如圖7所示，可以看出，兩者呈線性關(guān)系。

圖7 感應(yīng)電流與導(dǎo)線長度的擬合曲線

4 結(jié)論

1）在試驗(yàn)?zāi)MHEMP作用下，EFI爆炸箔上的感應(yīng)電流隨腳線長度的增加而增大，兩者呈線性關(guān)系。EFI腳線長度延長后，感應(yīng)電流最大19.49 A，遠(yuǎn)低于EFI上千安培的發(fā)火電流。

2）在試驗(yàn)?zāi)MHEMP作用下，EFI爆炸箔上的感應(yīng)電流未對(duì)其產(chǎn)生破壞性影響，EFI在核電磁脈沖環(huán)境中具有很高的適應(yīng)性和安全性。

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Effects of HEMP on Safety of Exploding Foil Initiator

TONG Hong-hai, CHU En-yi, ZHOU Mi, WANG Yin, LI Jiao

(Shaanxi Applied Physical Chemistry Research Institute, Xi′an 710061, China)

To assess the safety of the exploding foil initiator (EFI) under the nuclear electromagnetic pulse.The induced current of exploding foil under simulated high-altitude nuclear electromagnetic pulse (HEMP) was tested in a GTEM intensive EMP simulation system. HEMP mainly coupled energy on EFI by electromagnetic radiation to generate induced current on explosive foil, and monitor the electric field intensity of HEMP by optical fiber field intensity meter. An electric current loop was installed on the foot of the EFI to monitor the induced current waveform on explosive foil by oscilloscope.The same length of wires were connected on the two feet of the EFI, according to the length of wires, they were divided into six groups: 5, 10, 20, 30, 40 and 50 cm. Each pair of wires were kept at 180 degrees, which might be equivalent to dipole antenna. The induced current increased with the increase of the wire length. The induced current and wire length were a linear relationship.The induced current of EFI under HEMP is much less than the ignition current, and it has high tolerance and safety to HEMP.

HEMP; EFI; induced current; safety

10.7643/ issn.1672-9242.2019.09.006

TJ450

A

1672-9242(2019)09-0040-04

2019-03-19；

2019-04-27

同紅海（1976—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦咝禄鸸ぜ夹g(shù)。