電熱火工品脈沖電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法研究

褚恩義，白穎偉，任 煒，程加奇

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

電熱火工品是我國(guó)現(xiàn)役武器裝備較多的火工品，廣泛應(yīng)用在海陸空天等裝備中。該類火工品采用電熱橋絲作為換能元，換能機(jī)理為電熱換能機(jī)理，火工藥劑為以氮化鉛為主的敏感起爆藥，以及斯蒂芬酸鉛為主的點(diǎn)火藥。電熱火工品的作用機(jī)理和裝藥種類決定了它可低能量發(fā)火，但同時(shí)易受電磁信號(hào)的干擾[1]。根據(jù)對(duì)電熱火工品作用機(jī)理的不同，電磁信號(hào)可分為連續(xù)電磁波和脈沖電磁波。脈沖電磁波主要以電壓形式加載在電熱火工品腳-殼或腳-腳之間，若電熱火工品局部出現(xiàn)過(guò)熱，則可能出現(xiàn)意外發(fā)火或瞎火。電熱火工品的電磁脈沖感應(yīng)為絕熱過(guò)程，需要的電磁能量小，因而電磁脈沖感度高[2]。

GJB 151A-97對(duì)脈沖電磁波形參數(shù)規(guī)定為：上升時(shí)間（10%～90%）不大于10ns，波寬約為85ns，場(chǎng)強(qiáng)為50kV/m[3]，與MIL-STD-461D規(guī)定的波形基本相同。而美軍標(biāo)中有關(guān)波形總的變化趨勢(shì)是前沿變陡，持續(xù)時(shí)間變短，相應(yīng)的高頻分量增多，對(duì)電熱火工品的耦合作用有所加強(qiáng)，對(duì)電熱火工品的危害加劇[4-5]。前期的研究發(fā)現(xiàn)，安全電流在 50mA以下的低能量發(fā)火電熱火工品，在此脈沖電磁波形下發(fā)火，不能滿足GJB 151A對(duì)試件的要求[6]。

本文通過(guò)分析一種低能量發(fā)火電熱火工品對(duì)脈沖波的響應(yīng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了具有特定功能的保護(hù)電路，選擇了一種TVS二極管進(jìn)行電磁波環(huán)境適應(yīng)性研究，為低能量發(fā)火電熱火工品滿足國(guó)軍標(biāo)抗電磁脈沖要求提供一種設(shè)計(jì)方法。

1 電熱火工品在脈沖電磁波環(huán)境中的作用規(guī)律

本文采用陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所建立的脈沖效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，以某低發(fā)火能量電點(diǎn)火管為研究對(duì)象，研究其在模擬脈沖波環(huán)境下的作用現(xiàn)象。由電磁脈沖發(fā)生裝置和 GTEM 傳輸裝置組成的電磁脈沖系統(tǒng)可模擬產(chǎn)生不同標(biāo)準(zhǔn)波形的電磁脈沖，利用寬頻帶光纖測(cè)量系統(tǒng)，對(duì) GTEM 傳輸裝置內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，采用電流環(huán)對(duì)火工品換能元的感應(yīng)能量進(jìn)行定量測(cè)試，通過(guò)積分計(jì)算其耦合能量。

測(cè)試時(shí)選擇的脈沖電磁波形如圖1所示，參數(shù)為上升時(shí)間≤3ns，半高寬約 23ns，放電電壓分別選擇3×10-4V、3.5×10-4V、4×10-4V、5×10-4V和6.5×10-4V進(jìn)行試驗(yàn)，試件裝配方式見(jiàn)圖2，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 典型的試驗(yàn)波形及參數(shù)Fig.1 Typical experimental waveform and parameters of pulse electromagnetic environment

圖2 電磁脈沖輻射式裝配結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Assembly structure of electromagnetic pulse radiation environment simulation test

表1 某低能發(fā)火電點(diǎn)火管脈沖電磁波環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental results of the effects of pulse electromagnetic wave on hot-wire EED

從表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著系統(tǒng)放電電壓的增加，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)呈比例遞增，峰值感應(yīng)電流隨之增加，感應(yīng)能量也隨之增大。低能發(fā)火電點(diǎn)火管在這種裝配狀態(tài)下，當(dāng)承受的脈沖電磁波場(chǎng)強(qiáng)約為27 kV/m時(shí)發(fā)火，不能滿足國(guó)軍標(biāo)151A要求。

2 電熱火工品脈沖電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法

為了確保電熱火工品在脈沖電磁波環(huán)境中的安全性和可靠性，通常設(shè)計(jì)特定功能的保護(hù)電路，在意外受到高能量的電磁波干擾時(shí)，保護(hù)電路瞬時(shí)導(dǎo)通，將大部分具有破壞能力的能量泄放掉，從而使電熱火工品受到保護(hù)，避免意外發(fā)火。保護(hù)電路大多采用火花隙、半導(dǎo)體擊穿器件等，其原理是利用某些晶體材料在強(qiáng)電場(chǎng)中從介質(zhì)表面發(fā)射電子，在周?chē)橘|(zhì)中產(chǎn)生電弧形成放電通道，從而使高電壓在瞬間泄放。半導(dǎo)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，這些器件在高電壓時(shí)電阻較小，響應(yīng)迅速，能瞬間泄放掉靜電高壓等電磁能量，而在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(hù)作用。本文選擇的 TVS二極管體積小、瞬態(tài)電壓擬制性能高，能方便地與電熱火工品的電極塞集成設(shè)計(jì)，可與被保護(hù)換能元并聯(lián)，在高電壓時(shí)產(chǎn)生雪崩，為瞬態(tài)電流提供通路，使換能元免遭高電壓的擊穿而起爆。

3 TVS二極管在電熱火工品脈沖電磁波適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法中的應(yīng)用

本文首先利用TVS二極管進(jìn)行試驗(yàn)，該TVS二極管的擊穿電壓為15.8V，動(dòng)態(tài)電阻小于0.6?，外形結(jié)構(gòu)如圖3所示，脈沖源輸出波形參數(shù)與前文相同，試件同樣選用低能量電點(diǎn)火管，裝配方式見(jiàn)圖4，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2試驗(yàn)結(jié)果可以看出，TVS二極管能較好地泄放脈沖電磁波環(huán)境下的感應(yīng)能量，選用的低發(fā)火能量電點(diǎn)火管能滿足國(guó)軍標(biāo)151A要求。

為了驗(yàn)證 TVS二極管對(duì)電熱火工品電爆性能的影響，首先采用動(dòng)態(tài)斜坡法進(jìn)行了該電點(diǎn)火管的感度試驗(yàn)[7]，以平均發(fā)火電流和標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化來(lái)判定該方法對(duì)電熱火工品的性能影響，試驗(yàn)采用斜升率為1A/s，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 TVS二極管Fig.3 TVS diode

圖4 并聯(lián)TVS二極管的實(shí)驗(yàn)布置示意圖Fig.4 Schematic of experimental facility using TVS diode in parallel connection

表2 低能量發(fā)火電點(diǎn)火管脈沖波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of hot-wire EED after environmental adaptability design

表3 低發(fā)火能量電點(diǎn)火管動(dòng)態(tài)斜坡法試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of dynamic ramp method on hot-wire EED

按公式（1）和（2）分別求得并聯(lián)TVS二極管前后的平均發(fā)火電流和標(biāo)準(zhǔn)偏差：

從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，并聯(lián)TVS二極管后，電點(diǎn)火管的平均發(fā)火電流有了較大的改變，說(shuō)明并聯(lián)TVS二極管的電點(diǎn)火管安全性得到了極大的提高。采用高速攝影來(lái)判定電點(diǎn)火管的輸出性能變化，并聯(lián)TVS二極管前后的電點(diǎn)火管輸出圖像見(jiàn)圖5～6。從高速攝影結(jié)果來(lái)看，并聯(lián) TVS二極管前后電點(diǎn)火管的輸出火焰長(zhǎng)度無(wú)顯著變化，分別為47mm和45mm，證明TVS二極管不會(huì)影響電熱火工品正常使用。

圖5 未并聯(lián)TVS二極管電點(diǎn)火管輸出高速攝影圖Fig.5 High speed photography images of electric igniter without TVS diode

圖6 并聯(lián)TVS二極管電點(diǎn)火管輸出高速攝影圖Fig.6 High speed photography images of electric igniter with TVS diode

4 結(jié)語(yǔ)

本研究選擇的 TVS二極管體積小、瞬態(tài)電壓抑制性能高，可與被保護(hù)換能元并聯(lián)，在高電壓時(shí)產(chǎn)生雪崩，為瞬態(tài)電流提供通道，從而保護(hù)換能元。試驗(yàn)表明加入 TVS二極管后，電熱火工品的脈沖電磁波環(huán)境適應(yīng)性能滿足相關(guān)國(guó)軍的要求。下一步研究首先要解決 TVS二極管與電極塞玻璃體的共燒技術(shù)，一方面要確保電極塞成型，另一方面電極塞的各項(xiàng)性能，如抗過(guò)載、強(qiáng)度等，需滿足火工品設(shè)計(jì)要求。

[1]王可暄,白穎偉,任煒,等.電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下作用規(guī)律[J].含能材料,2012,(20)5:610-613.

[2]姚洪志,封青梅,紀(jì)向飛,等.電火工品電磁脈沖效應(yīng)[C]//首屆電磁效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)研討會(huì)論文集.西安:解放軍軍械工程學(xué)院, 2009.

[3]GJB 151A-97軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1997.

[4]MIL-STD-461E電磁干擾發(fā)射和敏感度控制要求[S].1998.

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

[6]紀(jì)向飛，封青梅，李錦榮,等.電火工品抗核電磁脈沖測(cè)試技術(shù)研究[J].國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ),2008(3): 21-24.

[7]白穎偉,蔣莊德,趙玉龍,等.火工品感度測(cè)試動(dòng)態(tài)斜坡法與升降法比較研究[J].含能材料,2006, 14 (3):200-204.