电热火工品复杂电磁波环境综合适应性设计方法研究

褚恩义，白颖伟，王可暄，赵冬亚，尹 明



电热火工品复杂电磁波环境综合适应性设计方法研究

褚恩义，白颖伟，王可暄，赵冬亚，尹 明

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

电火工品；脉冲电磁波；连续电磁波；环境适应性；发火；输出

随着战场电磁环境日趋复杂，作为武器系统中最敏感部件的火工品，其抵御复杂电磁环境的能力，是保证武器装备具备突防能力和抗干扰能力的重要保证。目前国内外在火工品电磁波环境作用机理和环境适应性方面已进行了大量工作。美军标MIL-STD -1901《弹药火箭和导弹发动机点火系统安全性设计准则》要求点火系统在正常寿命周期内，暴露于电磁辐射、静电放电、电磁脉冲、电磁干扰、雷电作用和电源瞬变等环境之后，不发生意外的解除保险或作用[1]。对于军用设备和分系统，美军标461系列标准详细规定了军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量方法和限制要求[2]，这些标准和措施的实施大大降低了武器系统电磁危害的事故率。此外，美国等一些国家先后采用羰基铁粉和铁氧体材料在高压下压制成塞子，这种射频衰减电极塞已用于美国陆军的桥丝式电雷管。

国内从20世纪80年代开始对电火工品防静电、防射频等方面进行研究，移植并建立了系列的武器系统抗电磁环境干扰的军用标准[3]，但火工品电磁波环境适应性设计方法还处在初步研究阶段[4]。陕西应用物理化学研究所对电热火工品电磁波环境适应性进行了长期的研究，主要进行了低发火能量电热火工品在电磁波环境下的效应试验及响应规律研究[5]，以及换能元并联TVS二极管的电热火工品在脉冲电磁波环境中的适应性研究[6]。

在很多情况下，连续电磁波和脉冲电磁波对电热火工品的作用同时存在，本文把这种情况统称为复杂电磁环境。只要能同时满足连续和脉冲电磁波环境适应性设计要求，就能满足复杂电磁环境适应性要求，本文针对电热火工品开展相关研究。

1 连续和脉冲电磁波环境对电热火工品的作用机理分析

连续电磁波对电热火工品的影响主要是以电流的形式通过脚线作用于桥丝换能元，使桥丝换能元产生感应电流导致热积累。电热火工品在受到电刺激后的响应特性、电阻丝及其四周装药的温度分布与许多难以量化的电热参数有关，当温度积累不能很快达到点火药和起爆药起爆温度，就可能在接近于发火点的温度下保持相当长的时间，由于高温变质效应可能使点火药和起爆药在发火前性能发生变化，从而改变了电热火工品的发火性能。这种情况对钝感型电热火工品可能会引起感度变化，进而引起瞎火；而对低发火能量电热火工品的影响可能是意外发火。

脉冲电磁波对电热火工品的影响主要以电压形式加在脚-壳之间，使电热火工品局部出现过热。这种情况下，低发火能量电热火工品出现意外发火或瞎火的可能性较大，钝感型电热火工品由于其本质能承受较大的短脉冲电流冲击，出现意外发火或瞎火的可能性较小。

2 常用的电热火工品电磁波环境适应性设计方法

目前电热火工品连续电磁波环境适应性设计可采用的方法有以下几种：（1）复合导线法：利用集肤效应原理，采用铜芯不锈钢复合导线使得电磁场的感应电流都集中在外层的不锈钢表层上，从而增大了损耗电阻。但由于常用电火工品脚线长度较短，复合导线衰减作用有限，因此很少采用。（2）屏蔽技术：利用金属板等屏蔽体阻止或减小电磁能量传播的电磁干扰。可以选择电导率与磁导率较大的材料作为电热火工品的包装材料，以有效防止电磁危害。这种方法在武器系统设计时，通过引信或传爆系统的总体设计来实现，本文不进行研究。（3）滤波：为了将电磁波过滤，减少电磁波对电热火工品的危害，常用的方法是设计适合的滤波器。常规电热火工品多采用直流发火，可以选用低通滤波器进行滤波。（4）改变换能元的设计：如将桥丝改为桥带以增大散热面积等，从而提高火工品的安全性。

电热火工品脉冲电磁波环境适应性设计方法一般采用在电热火工品换能元件中设计特定功能的保护电路，在意外受到高能量的电磁波干扰时，保护电路瞬时导通，将大部分具有破坏能力的能量泄放，从而使电热火工品受到保护，避免意外发火。具体有火花隙、半导体击穿器件等。火花隙是一种介质击穿器件，利用某些晶体材料在强电场中从介质表面发射电子，在周围介质中产生电弧形成放电通道，从而使高电压在瞬间泻放掉的原理制成。半导体击穿器件包括TVS二极管、整流二极管、齐纳二极管和非线性电阻器等。TVS二极管可与被保护电路并联，高电压时产生雪崩，为瞬态电流提供通路，使电路免遭高电压的击穿过热而起爆。这些器件在高电压时电阻较小，响应迅速，能瞬间泄放掉静电高压等电磁能量，而低电压条件下呈高阻状态，不影响电热火工品正常发火，具有理想的保护作用。

3 样机试制及试验

在控制温度干燥条件下，辣椒干燥后的品质和综合得分均相差不大。控制温度条件下辣椒的综合得分普遍高于恒温干燥条件下辣椒的综合得分。

3.1 脉冲电磁波环境适应性

文献[6]中，采用TVS二极管进行了电热火工品脉冲电磁波环境适应性研究。装配后TVS二极管与电热火工品换能元结构如图1所示，无论电磁波感应电流是从A端进入，还是从B进入，当达到击穿电压时，TVS二极管都会瞬时导通，泄放掉感应能量。而在产品正常发火时，由于TVS二极管在A、B两个方向上都不会导通，发火能量将直接作用到电热火工品换能元上，使产品正常作用。

图1 脉冲电磁波环境下TVS二极管与换能元连接等效关系图

脉冲电磁波环境试验采用电磁脉冲源输出波形参数，上升时间≤3ns，半高宽约20ns，基本符合MIL-STD-461E波形参数。试验进行了并联TVS二极管前后的对比试验，结果见表1。

表1 电火工品脉冲波环境适应性设计试验结果

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

序号放电电压/kV场强/(kV·m-1)发火情况 未防护TVS二极管防护 12303523.027.00100 34405031.038.51100 56550.010

注：0为不发火，1为发火。

从表1试验结果可以看出，并联TVS二极管后，电点火头未出现发火状态，其脉冲电磁场环境下的安全性得到了提高，选用的低发火能量电点火管在此条件下能满足国军标GJB 151A-97要求。

3.2 连续电磁波环境适应性

对于连续电磁波适应性设计，本研究主要利用TVS二极管在连续电磁波环境下形成的PN结电容进行滤波。装配后TVS二极管与电热火工品换能元结构如图2所示。

图2 连续电磁波环境下TVS二极管与换能元连接等效电路图

选用的TVS二极管具有较高的PN结电容，利用该电容实现电热火工品连续电磁波环境适应性设计。对于未超过TVS二极管击穿电压的感应电流，则以PN结电容的方式进行分流。由于选用的TVS二极管击穿电压较高，不会影响电热火工品正常发火。原理试验中，TVS二极管与电热火工品电极塞的连接试件如图3所示，利用该电极塞制成电发火头进行试验。

图3 贴片式TVS管与电极塞脚脚连接图

图4 连续电磁场产生与测试系统

利用图4所示的GTEM传输装置（吉赫兹横电磁波传输室）模拟产生连续电磁场辐射环境，其它辅助设备包括信号发生器、功率放大器、场强测量计等。试验在场强为30V/m、40V/m、50V/m下，用100MHz、200MHz、300MHz、400 MHz、500 MHz、600MHz、700MHz、800MHz等8个不同频率进行试验，并将试验结果与脚脚并联电容（形成单容型低通滤波器）结果进行比较。表2为40V/m场强条件下滤波元件对连续电磁波的防护效应试验结果。

表2 40V/m场强条件下滤波元件对连续电磁波的防护

效应试验结果 (mA)

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

序号脚线状态频率/MHz平行垂直 无防护并联TVS管并联电容无防护并联TVS管并联电容 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：电点火头有发火现象。

试验结果表明，并联TVS二极管对电热火工品连续电磁波环境下的感应电流具有一定的衰减作用，有些频率下并联两个电容有更好的防护效果。尤其在最危险的谐振频率点，滤波效果达到了50%以上。因此，TVS二极管可用于电热火工品连续及脉冲电磁波环境适应性综合设计。

3.3 电热火工品复杂电磁波环境适应性验证试验

采用图5所示动态斜坡发生器进行了电点火头的感度试验，试验结果见表3。

表3 电点火头动态斜坡法试验结果

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

序号样品状态电阻/Ω发火电流/mA平均发火电流/mA 1未加固6.93255255 27.14259 37.29251 46.87268 56.90245 6并联TVS二极管7.32292298 77.17288 86.81300 96.99300 107.20309

从表3试验结果可以看出，并联TVS二极管后，电点火头的平均发火电流由255mA增大为298mA，说明并联TVS二极管的电点火头安全性得到了提高。对于这种变化对发火性能的影响，本文也进行了试验测试。采用高速摄影来判定电点火头的输出性能变化，并联TVS二极管前后的电点火头输出图像见图6。

（a） 未并联

（b） 并联

从高速摄影结果来看，并联TVS二极管前后电点火头的输出火焰长度无显著变化，分别为47mm和45mm，证明这种方法不会影响电热火工品的正常使用。

4 结语

本文选用具有较高PN结电容的TVS二极管，进行了电热火工品连续和脉冲电磁波环境适应性设计研究。研究证明并联TVS二极管对电热火工品连续及脉冲电磁波环境下的感应电流均有很好的抑制或分流作用，能满足电热火工品复杂电磁波环境设计要求。

目前初步解决了TVS二极管与电极塞玻璃体的连接技术，但改进后的电极塞各项性能，如抗过载、强度等，能否满足火工品设计要求还需进一步验证。下一步打算只采用未封装的TVS二极管芯片结构，将电极塞设计与TVS二极管封装技术结合起来，实现TVS二极管与小尺寸电热火工品的一体化设计。

[1] MIL-STD-1901 弹药火箭和导弹发动机点火系统安全性设计准则[S],1992.

[2] MIL-STD-461F 电磁干扰发射和敏感度控制要求[S],2007.

[3] GJB 151A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].国防科学技术工业委员会,1997.

[4] GJB 1389A-2005系统电磁兼容性要求[S]．国防科学技术工业委员会,2005.

[5] 王可暄,白颖伟,任炜,等.低发火能量电热火工品连续电磁波环境下作用规律研究[J].含能材料,2012(5):610-613.

[6] 褚恩义,任炜,白颖伟,等.电热火工品脉冲电磁波环境适应性设计方法研究[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

褚恩义（1965 -），男，研究员，主要从事高新技术火工品作用机理与故障抑制技术研究。