火工分离装置水下分离噪声与装药量研究

陈 霞，田荣艳

(中国船舶重工集团公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003)

0 引言

水雷作为水中兵器战略性常规武器，潜伏过程的隐蔽性和攻击过程的突然性是其最重要特性，是对敌方舰船构成威胁的重要因素，也是水雷生存的根本。在水雷武器系统中，水中分离、展开常采用火工式分离装置，其功能是在规定的时间和预定的深度内，利用炸药的爆炸或火药的快速燃烧对物体做功，实现系统相关载荷的分离。一般水雷总体对其分离机构有以下基本要求:分离过程安全可靠;分离过程低噪隐蔽;分离过程的快捷性与同步性。

在现代智能水雷中，系统复杂，要执行各种分离的动作较多，多处使用火工分离装置，如果水雷在每次执行载荷分离或其他动作时噪声过大，不但泄露我方水雷战略意图，还可能暴露我布雷平台水域的行踪，使其处于危险境地。所以，在水下监测手段日臻完善的情况下，火工分离装置的噪声大小不但影响整个武器系统是否能在预定海域安静展开，使水雷悄然进入战斗状态的效果，同时决定水雷战役的有效性、隐蔽性和突然性，还将对该武器系统未来生存空间产生较大的影响。所以对水雷的分离噪声特性进行研究，变得越来越迫切和急需，降低水雷的水中分离噪声对提高水雷武器系统作战性能具有较高的军事应用需求。

1 火工品的发声机理

爆炸是指一种极为迅速的物理或者化学的能量释放过程。爆炸的最重要的特征是在爆炸点周围介质中发生急剧的压力突变，而这种压力突变伴随着爆炸声波的传出发出爆炸声。而爆炸声的大小必然与装药量有着直接关系。当承载炸药的壳体强度足够大时，爆炸产生的冲击波只能在壳体内将空气脉动通过壳体转化成水中冲击振动，经过水介质传播出去，成为水中爆炸噪声，在监测噪声用的水听器表面产生正压和负压变化。

为了使火工分离装置水中分离噪声降低，分离装置在完成各项连接与分离或者回收功能的基础上，降低噪声的方法主要从以下3个方面考虑:①选定反应慢、产气量高的主装药，来减少瞬态高压气体在水中的振动;②过理论计算适当减小装药量值，减小总能量;③ 阻断声波在水中的传播途径。因此本文研究的重点是以某种特定主装药为对象，在满足分离可靠性的前提下，尽量减少主装药的重量，降低分离噪声，以探寻爆炸噪声声源级与分离可靠性指标一对矛盾体之间的平衡关系。

2 火工分离装置

所设计的火工分离装置由起爆器、耐压壳体即压力腔、运动活塞、剪切销钉及连接杆等组成，如图1所示。作用原理为:起爆器作用后在压力腔内产生高压气体，高压气体作用到活塞上使其产生运动，固定连接杆的剪切销钉受剪切力被剪断，连接杆解锁后受力向前 (或者反向回缩)移动，解除与被解脱体之间的连接，完成分离功能 。因此在一系列的运动中，产生分离噪声的主要来源有:

1)分离装置连接杆到位时活塞与壳体撞击产生的噪声;

2)分离装置工作过程中剪断销钉产生的噪声;

3)由于火工品的特性，内装火药在燃爆过程中必然产生较大的声音。

针对以上3种噪声源进行对比测试发现:活塞撞击壳体及剪切销钉产生的噪声远远小于火药燃爆时产生的噪声，而且容易通过设计缓冲垫、更换不同的材料来降低，经过降噪设计后不会对分离噪声声源级产生很大的影响。因此要想从根本上降低分离装置的声源级，必须在满足爆炸分离功能裕度的前提下，尽可能减少主装药装药量。

图1 分离装置示意图Fig.1 The schematic of the pyrotechnic separation device

3 分离装置装药量与水下噪声声源级测试

3.1 测试条件

在噪声测试对比试验开始前，为保证试验数据的一致性，首先要明确试验条件:

1)采用标准的水声测试设备、信号放大器。

2)为避免测试数据的反射叠加，要求水域范围大于20 km，水域深度大于15 m，水声传感器与分离装置置于水下同一深度。

3)数据处理公式为

脉冲的有效声源级为

式中:SL为瞬态脉冲声源级，dB;V为脉冲持续时间内的电压均方根有效值，V;20lgK为测量放大器的增益，dB;20lgM为水听器接收灵敏度，dB，0dB参考值1 V/μPa;R为水听器和测试样机距离，m。

依据式(1)，可以计算出在脉冲持续时间τ0内的瞬态声源级。代入式(2)就可以得到脉冲声的有效声源级。

3.2 测试数据

测试样机理论装药量为50 mg，在陆上及水下进行了100多发的分离功能打靶试验，分离全部正常，可见50 mg的装药量完全满足可靠性装药要求。为了降低分离噪声，降低药量是最好的方法。按照《火工品可靠性裕度试验规范》，最小装药量一般可以控制在下限50%以内，所以此次测试样机装药量分别设计为25，32，35，40和50 mg五种状态。具体测试后处理的声源级结果及分离曲线如表1所示，图2为分离装置水下噪声的时域曲线，图3为不同装药量测试的声源级对比图。

表1 分离装置分离有效声源级测试结果比较Tab.1 Sound source level vs.charge weight

图2 分离噪声曲线Fig.2 The curves of separation sound

图3 不同药量分离装置分离噪声声源级对比Fig.3 The comparison of source levels

从试验后测试样机的外观状态发现:5种样机状态，在受力情况进行点火，其中25 mg，32 mg都有1发出现了起爆器完全作用，而连接杆分离不完全的现象，其余样机均可靠分离。分离装置在与被分离体紧固后，必然受到一定的径向力，如果出现连接杆分离不完全的现象，就会产生连接杆卡死而导致分离功能失败。

分析5种装药量的声源级数据发现:每减少10 mg左右的装药量，噪声声源级降低6～8dB(不考虑测试设备所产生的误差，一般在1%左右)。在满足分离可靠性裕度的情况下，此测试样机的装药量可以40 mg为设计依据，分离噪声基本可控制在160 dB以下。

4 结语

根据以上研究数据进行对比分析发现:分离装置通过减少装药量可以有效地降低分离噪声。为了降低分离噪声，在满足分离功能可靠性的情况下，装药量可以采用比理论值减少20%来达到降低分离噪声的目的。为了让火工分离装置更好地应用于各行业，后续还需进行更多的相关减振降噪研究。

［1］王泽山，欧育湘，任务正，等.火炸药科学技术［M］.北京:北京理工大学出版社，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.水声原理(第三版)［M］.洪申，译.哈尔滨:哈尔滨工程学院出版社，1990.ROBERT J U.Principles of underwater sound［M］.Harbin:Harbin Engineering University，1990.