一种无起爆药钝感电火工品的射频感度试验研究

杨三斌，先明春，王 建，庹昌春，陈云波

（1.海军驻泸州地区代表室，四川 泸州，646005；2.中国航天科技集团公司七院六九二厂，四川 泸州，646005)

电火工品作为实现武器系统功能的始发元件，其安全性与可靠性直接关系到武器系统的整体安全性与可靠性。因此，采用有效的实验手段和方法研究及评价电火工品抗电磁环境能力，以及通过试验手段来找出影响电火工品抗射频能力的影响因素，从而采用有效的电磁加固手段，对电火工品的战场生产能力具有十分重要的意义。

本文主要针对一种无起爆药钝感电点火器的射频感度进行试验研究，由于该无起爆药钝感点火器射频感度高于装配敏感装药的桥带和半导体桥火工品，笔者通过试验进行了分析和验证，找到了钝感无起爆药电火工品射频感度偏高的失效机理，并采取了射频加固措施，对后续进行电火工品的抗射频设计具有一定的指导意义和参考价值。

1 射频感度试验的原理和方法

1.1 射频感度试验原理

射频感度试验的目的是通过试验频率和输出功率可调的射频源，经过配偶装置给电火工品施加射频能量，确定电火工品在不同的发火模式下（脚-脚、脚-壳）不同频率的发火感度，找出敏感频率点[1]；再在敏感频率点通过升降法或兰利法等统计方法进行试验，计算出敏感频率点的发火功率，本次试验主要考核电火工品的脚-脚模式的抗射频能力。

1.2 射频感度试验方法

电火工品的射频感度试验系统框图见图1。

图1 射频感度试验系统框图Fig.1 Block diagram of RF sensitivity test system

试验系统主要由射频源、放大器、双定向耦合器、同轴开关、反射开关、功率探头、功率计、匹配装置、同轴连接器等组成。工作过程为：射频源设定不同的频率，经过放大器功率放大后进入双定向耦合器，双定向耦合器把主要的射频能量通过同轴电缆传输到同轴开关；另外一部分能量经过射频反射进入反射开关，反射开关经过手动控制，可以打到标准负载上或者到功率探头上，对反射功率进行测试；同轴开关为一个双定向功率开关，其中1口为常开输出，2口为常闭输出，在没有供电的情况下射频功率从2口输入到入射功率衰减器上，可以实现对入射功率的测试；在对同轴开关供电的情况下，射频功率从1口输出到匹配装置上，通过同轴连接器施加到电火工品上，同时经过对同轴开关的供电时间的控制实现对射频信号施加到电火工品上时间长短的控制。

2 射频感度试验

本研究的钝感电火工品为新研制的无起爆药钝感桥带式电点火器，最大的特点为取消了斯蒂芬酸铅敏感装药，第1层装药采用锆-高氯酸钾（Zr/KClO4）作为始发药剂，实现了桥带火工品的钝感装药，满足1.5A、2.25W、5min安全性能要求，单桥结构，电阻范围为 0.9～1.2Ω，额定发火电流为大于 6A。锆/高氯酸钾（Zr/KClO4）制造工艺采用采用机械混合方式制成，是美国NASA标准起爆器使用药剂，但在国内为首次作为桥带火工品的始发装药使用。

本次研究目的主要为了验证新研制的无起爆药钝感电点火器的抗射频能力，所以选择了传统的桥带式电火工品和半导体桥钝感电火工品进行了对比。

2.1 装配斯蒂芬酸铅的电火工品试验

桥带电爆管属于第2代火工品，满足1A、1W、5min安全性能要求，单桥结构电阻范围为0.9～1.2Ω，额定发火电流为大于5A，第1层装药为斯蒂芬酸铅，是现在使用最为广泛的电火工品，能够代表典型的桥带类含起爆药电火工品的特性。试验方案为选择 12发产品，按设备最大的能力（20W）进行输入，在0～18GHz范围内分别选取12个频率点，摸索桥带电爆管的抗射频能力。结果表明桥带电爆管在0～18GHz范围能够满足 20W/10s输入功率不起爆的抗射频能力。

半导体桥起爆器为典型的半导体桥火工品，属于第2代火工品，满足1A、1W、5min安全性能要求，单桥结构，电阻范围为 0.9～1.1Ω，额定发火电流为大于5A，第1层装药为斯蒂芬酸铅，发火时间小于1ms。试验方案为在0～18GHz范围内选取6个典型的频率点进行试验，每个频率点进行 10发产品，各频率点按设备的最大输入功率（20W）进行输入。试验结果表明，该半导体桥起爆器在各个频率点通入20W射频输入功率，均未发火。

通过以上试验可以初步认为：以斯蒂芬酸铅为首发药的桥带和半导体桥电火工品在0～18GHz范围内具有20W/10s不发火的抗射频能力。

2.2 装配锆/高氯酸钾的无起爆药电点火器试验

第1次试验发现在0～18GHz范围内7.6GHz为无起爆药电点火器的敏感频率，采用兰利法感度试验方法进行发火功率试验，试验情况见表1。通过兰利法计算的敏感频率点（7.6GHz）的 50%发火功率为4.05W。而装配斯蒂芬酸铅的桥带和钝感电火工品在各频率下均能满足20W/10s不发火要求，所以设计的无起爆药点火器相对装配斯蒂芬酸铅的桥带和钝感电火工品具有更高的射频感度。

表1 兰利法试验情况Tab.1 Results of Langlie method test

3 钝感无起爆药电火工品射频感度偏高的原因分析

通过比较可知钝感无起爆药电火工品在安全性能上相对含起爆药的桥带式电火工品有所提高，但是其射频感度相对偏高，以下进行分析以查找原因。

3.1 结构设计问题验证试验

为了验证导致钝感无起爆药电火工品射频感度偏高的原因是否为结构设计问题，采用无起爆药点火器药室组件，第1层药装斯蒂芬酸铅，其余结构和无起爆药点火器设计状态完成相同，进行射频感度试验。试验数量为10发，试验结果为：全部满足20W/10s不起爆的要求，和含起爆药的桥带式电爆管抗射频能力相当，所以通过该试验可以排除射频感度偏高是由于结构设计造成的。

3.2 药剂问题验证试验

为了验证导致钝感无起爆药电火工品射频感度偏高的原因是否为药剂造成，对锆/高氯酸钾组分进行了改变；新制备的药剂中把金属锆粉的含量降低了15%，加入了15%的非金属硼粉，其余结构和无起爆药点火器原设计状态相同，装配成产品后进行了发火测时试验，试验情况见表2。从表2可以看出含硼药剂的发火性能和原设计状态相当，发火时间短于原设计状态产品。采用含硼粉药剂装配的产品在敏感频率点（7.6GHz），利用兰利法进行射频感度试验，试验数据见表3。

表2 点火器发火时间测试结果Tab.2 Test data of firing time

表3 含硼粉药剂点火器的射频感度试验数据Tab.3 RF sensitivity test data of ignitor containing boron powder

通过表3数据计算添加硼粉的点火器的射频感度为：99.9%发火功率 7.85W，50%发火功率 6.75W，0.1%发火功率 5.63W。和原设计状态的敏感频率点50%发火功率为4.05W相比有较大提高。

3.3 问题定位及机理分析

通过以上试验结果可知第 1层装药锆/高氯酸钾是影响射频感度的一个关键因素。通过在锆/高氯酸钾中降低锆粉含量、增加非金属物质硼粉，在 7.6GHz的射频感度试验时50%发火功率从4.05W 提高到了6.75W，说明降低金属粉末含量、提高锆/高氯酸钾绝缘性能，有利于产品射频感度的降低。

锆/高氯酸钾自身含有金属粉末，而在锆粉之间高氯酸钾为绝缘材料，形成类似电容的结构，在交变的射频电流的作用下金属锆粉之间形成电势差，锆粉颗粒之间会产生电场，当两个锆粉颗粒之间的电压差大于其击穿电压时即会产生击穿起爆；当降低锆粉含量时，锆粉之间的平均距离增加导致击穿电压提高，所以射频感度降低。

4 射频加固措施

研制及初期钝感电起爆器使用的锆/高氯酸钾烟火药均采用机械混制，采取此方法生产的锆/高氯酸钾中的金属锆粉处于游离状态，见图2。药剂绝缘性能偏低，并且在研制过程中曾经出现过25 000V静放电试验产品意外发火的情况。产品在进行射频感度试验时，游离的锆粉带电，形成击穿起爆。因此解决思路就是尽可能减少锆/高氯酸钾烟火药中的游离态锆粉，而应用化学包覆是一条比较好的思路。

图2 机械混合药剂Fig.2 Mixed powder by machine

Zr/KClO4烟火药的化学包覆以锆粉为晶核，在水介质中通过复分解反应析出高氯酸钾，高氯酸钾吸附在锆粉表面形成 Zr/KClO4共沉淀聚结晶体。经查，高氯酸钾可由高氯酸钠与氯化钾在水介质中通过复分解反应制得，利用高氯酸钾水中溶解度较小的特点析出晶体，反应方程式见式（1），与锆粉形成共沉淀聚结晶体方程式见式（2），采用化学包覆制造的药剂见图3。

图3 化学包覆药剂电镜照片Fig.3 SEM photo of the coated powder

采用化学包覆的药剂装配无起爆药点火器，在7.6GHz敏感频率下利用兰利法进行射频感度试验。射频感度试验结果为：50%发火功率18.75W，其余频率点满足20W/10s不发火，和原设计状态的50%发火功率4.05W相比有很大的提高；并且进行2 5000V静放电试验，未出现意外发火现象。

5 结论

（1）装配斯蒂芬酸铅的桥带式电爆管及以半导体桥起爆器为代表的半导体桥火工品能够承受的最大射频功率为20W/10s；（2）以锆/高氯酸钾为始发药剂的钝感无起爆药点火器的抗射频能力和锆/高氯酸钾中金属锆粉含量有一定关系，在一定范围内金属锆粉含量越高射频感度越高，游离态锆粉是导致射频感度高的主要原因；（3）通过化学包覆的方法可减少游离态锆粉的存在；（4）在后续进行新型钝感电火工品的研究过程中，为了提高其抗射频能力，始发药剂需尽量选用不含金属成分的药剂。

[1]李锦荣.电火工品射频发火机制及其射频感度的应用简介[J].火工品,1999(1):51-53.

[2]李锦荣.电火工品射频阻抗测量及其应用[J].火工品,1995(1):11-14.

[3]李锦荣.电火工品的射频感度[J].火工品,1994(1):15-18.

[4]杨洁,马宏萱,王海.电火工品抗电磁危害加固技术的研究[J].火工品,2002(4):45-47.