核电磁脉冲辐射下电火工品的安全性分析

王殿湘, 张 蕊, 纪向飞, 姚洪志, 赵 团



核电磁脉冲辐射下电火工品的安全性分析

王殿湘1, 张 蕊2, 纪向飞2, 姚洪志2, 赵 团2

(1. 海军装备部, 陕西西安, 710061; 2. 应用物理化学国家级重点实验室, 陕西西安, 710061)

针对美军标中提出2.3/23 ns核电磁脉冲辐射作用会对武器系统及电火工品造成严重威胁的问题, 利用电火工品核电磁脉冲辐射效应试验系统, 展开其在电磁脉冲辐射作用下安全性研究, 获得了火工品的桥丝电阻和脚线长度与电磁脉冲辐射作用下的感应电流和感应能量关系。研究结果表明, 桥丝电阻消耗能量的速率一定, 当桥丝电阻逐渐增大时, 电阻消耗的能量不断增多, 感应能量随桥丝电阻的增大线性增大; 桥丝上的感应电流峰值主要由等效天线的等效阻抗决定, 桥丝电阻改变基本不影响峰值感应电流; 峰值感应电流随脚线长度的增大线性增大, 感应能量随脚线长度增加呈指数增大关系。文中研究可为提高电火工品核电磁脉冲效应适应性提供设计依据。

电火工品; 高空核电磁脉冲; 感应电流; 安全性

0 引 言

电火工品广泛用于现役武器装备, 在战斗部起爆、导弹发动机点火及各类分离机构中, 都会大量使用电雷管和电点火器等电火工品。由于电火工品的2个发火脚线通常可作为天线在电磁场中吸收能量, 馈入电火工品的桥丝会因发热而导致火工品意外发火, 出现安全性问题。随着对海军舰船武器装备在复杂电磁环境下的安全性要求的不断提高, 其所装载的火工品的电磁安全性正受到前所未有的关注。

火工品通常面临的电磁环境有电磁辐射、静电、雷电及核电磁脉冲等多种。在火工品技术领域, 针对静电和电磁辐射的安全性研究较多。而针对核电磁脉冲环境下火工品的安全性研究较少。由于高空核电磁脉冲等瞬变电磁现象具有场强高、上升沿陡、持续时间短和频带宽等特点[1], 可对火工品的安全性构成威胁。电火工品结构简单、发火能量低[2], 在强电磁脉冲作用下, 更容易在桥丝上产生感应电流, 导致安全性(如早爆)或可靠性(如失效)方面的问题[3]。美军标MIL-STD- 464C和MIL-STD-461F中指出2.3/23 ns核电磁脉冲辐射作用会对武器系统及电火工品造成威胁。因此, 分析研究电火工品在电磁脉冲辐射环境下的感应效应, 确定电火工品在电磁脉冲辐射环境中的安全性意义重大。

国外针对电火工品的电磁脉冲辐射安全性研究极少有报道, 只能从有限的公开发表的脉冲试验要求和脉冲波形参数来分析该领域相关性研究的水平和重点研究方向。

国内对电火工品在连续波电磁环境辐射作用下的效应及安全性方面进行了较多研究[4], 但对火工品的电磁脉冲效应及安全性研究较少。为此, 文中选取了典型电火工品, 研究了电火工品的桥丝电阻、脚线长度与电磁脉冲感应电流、感应能量关系, 经分析电火工品在核电磁脉冲环境下的安全性。

1 核电磁脉冲辐射下电火工品安全性分析

1.1 电火工品的结构特点影响对其安全性造成影响

文中的电火工品特指桥丝式电火工品, 通常由管壳、电极塞、电极脚线、桥丝、起爆药和输出装药等组成[5], 结构如图1所示。电火工品的作用机理是桥丝通电发热, 会因接触起爆药产生剧烈的化学反应, 瞬间释放燃烧和爆轰能量, 引发下一级装药, 输出火焰或爆轰能量。因此, 作为换能元的桥丝在电磁环境中是否会有电流通过产生足够的热引发起爆药化学反应, 对于火工品的安全性控制十分重要。

一般情况下, 电火工品的脚线为金属线, 当其处于电磁脉冲场中时, 其脚线如同天线一样, 会从电磁场中拾取电磁能量, 产生感应电流。感应电流在桥丝中流通, 按焦耳一楞次定律, 转化成热能,传递到与桥丝接触的起爆药上, 当热量达到起爆药的临界发火能量时, 药剂发生燃烧或爆炸; 当热量不能达到起爆药的临界发火能量时, 则有可能使起爆药发生缓慢的热分解反应, 造成电火工品性能降低, 或导致瞎火, 影响火工品的可靠性。

1.2 典型电磁脉冲环境对火工品的影响

一般核爆炸所产生电磁脉冲的场强可以用简单的双指数函数表示

美军标MIL-STD-464A[7]、MIL-STD-461F[8]、IEC61000-2-9[9]等标准中规定了高空核电磁脉冲波形参数, 即s–1,s–1,,kV/m, 脉冲上升时间2.3±0.5 ns, 半高宽(从上升沿50%到下降沿50%的时间)为23±5 ns。典型高空核电磁脉冲波形如图2所示。

研究表明, 核电磁脉冲主要以辐射耦合方式对电火工品作用。辐射方式对电火工品造成损伤主要是电磁脉冲对电火工品辐射电磁场能量, 并在电火工品自身形成的电路中产生平衡模式和共模式电流。平衡模式的电流可以在电火工品换能元上产生热效应。共模式电流对电火工品的影响有2种方式, 一是在电火工品脚线和管壳之间产生高电压, 发生脚壳击穿; 二是向平衡模式转换,对电火工品产生热效应[10]。这2种方式都会对电火工品的安全产生影响。电磁脉冲能量耦合进入电火工品能量的大小与电火工品的脚线长度有很大关系。脚线长度不同, 等效天线的工作频率就不同。电磁脉冲频带越宽, 相同总能量下分布在各个频带内的能量也就越小; 而带宽越窄, 覆盖等效天线带宽的概率也就越小, 但其分布在各个频带内的平均功率却越大。一般情况下, 高空核电磁脉冲带宽要比等效天线的带宽大得多, 可完全覆盖等效天线的工作带宽。

目前电磁脉冲耦合进入电火工品的能量计算比较困难, 一般通过仿真计算或试验测试获得响应能量。由于电磁脉冲问题的复杂性和波形特征的宽谱特性, 一旦武器系统与脉冲场方向发生变化或内部布线改变, 则脉冲场耦合进电火工品的能量将发生很大改变。因此为进行安全性评估试验, 需做一些简化处理。假设武器装置的所有电路, 对脉冲场呈最佳接收、传输状态, 其外壳不产生衰减, 即假定武器装置既能最大限度地接收脉冲场能量, 又能使该能量全部进入电火工品。这就是所谓最坏情况电磁危害分析, 也叫最不利情况分析[11]。一般认为, 在最不利情况试验条件下, 火工品是安全的, 则在实际使用中, 极可能是安全的。而如果在最不利情况试验条件下, 存在危险性, 则需做进一步分析, 可在使用状态下取一定裕度进行测试。

1.3 核电磁脉冲辐射作用下电火工品特征参数影响分析

1.3.1 电火工品核电磁脉冲辐射效应试验系统

文中采用核电磁脉冲辐射效应试验系统对火工品的电磁脉冲效应进行研究。该系统包括脉冲源、千兆赫横电磁波(gigahertz transverse electromagnetic cell, GTEM)传输装置、电场监测设备、感应电流光纤测试设备等组成。其原理如图3所示。试验时, 在GTEM传输室内建立符合标准要求的模拟脉冲场, 将电火工品以偶极天线放置于GTEM传输室内进行辐照试验, 获得电火工品在辐射场下的感应电流及其响应情况。电火工品在GTEM内的放置状态如图4所示。

1.3.2 核电磁脉冲辐射对不同桥丝电阻电火工品的安全性影响

一般在连续波辐射环境中, 最不利情况分析对应的是该频率下的半波长偶极天线模式。由于脉冲波属于宽频带波形, 2.3/23 ns脉冲中96%的能量分布在100 kHz~100 MHz。对应的偶极天线波长应大于100 cm, 但由于试验系统的空间局限性, 文中采用偶极天线模式时选取脚线长度为100 cm。

选取阻值大小为1W、2W、5W、10W和20W电阻替代电火工品桥丝电阻, 试验样品见图5。以经偶极天线模式, 脚线长度为100 cm, 2只脚线各长50 cm, 在2.3/23 ns波形环境中进行辐射效应试验。采用电流测试系统监测脚线上的感应电流。试验现场布局如图6所示。不同电阻在GTEM传输装置中的辐射效应试验结果见表1。电阻与感应电流、电阻与感应能量关系曲线如图7和图8所示。

表1 不同阻值电阻辐射效应试验数据

从试验结果可看出: 1) 几种电阻感应的电流基本为定值, 与桥丝电阻大小关系不大, 主要原因是由于1 m长的天线等效阻抗远大于电火工品的桥丝电阻值, 回路电流主要由脚线形成的偶极天线等效阻抗决定; 2) 感应能量随电阻增大线性增大(依据计算得到感应能量), 当感应电流不变时, 感应能量随电阻增大线性增大。

为了验证以上结果, 文中选取DD12、DD4.5和LD14等3种不同桥路电阻的火工品, 对其在电磁脉冲辐射条件下的安全性进行研究(见图9), 结果见表2。

从表2可知, 3种电火工品的峰值感应电流均在45 A左右, 与桥丝电阻无关, 3种电火工品的感应能量与桥丝电阻满足线性关系, 与表1中的试验结论一致。DD4.5电火工品传导发火能量为1 660 µJ, 远大于其在电磁脉冲辐射条件下最大的感应能量184.9 µJ; LD14电火工品传导发火能量为1150 µJ, 远大于其在电磁脉冲辐射条件下感应能量273 µJ。因此, DD4.5和LD14在电磁脉冲辐射环境下安全性良好。而DD12电火工品传导发火能量为160 µJ, 小于其在电磁脉冲场中最小的感应能量352.8 µJ, 因此, 在电磁脉冲辐射FDD12样品全部发火。由此可见, 电火工品在电磁脉冲辐射环境下的安全性与感应能量有关。

表2 3种典型电火工品偶极天线模式下辐射效应试验

1.3.3 核电磁脉冲辐射对不同脚线长度电火工品的安全性影响

选取脚线长度分别为15 cm, 40 cm, 60 cm, 80 cm和100 cm的DD12电火工品样品, 以偶极天线模式, 按图10所示布局, 在2.3/23 ns波形环境中进行辐射效应试验, 获得的试验结果见表3。

图11给出了脚线长度与峰值感应电流的关系, 不同脚线长度下桥丝上的峰值感应电流随脚线长度的增加而线性增大, 二者成正比关系。

图12为脚线长度与感应能量间的关系曲线。从图中可以看出, 随脚线长度增加感应能量呈指数增大。

从表3中还可以看出, 当DD12电火工品脚线长度超过80 cm, 达到100 cm时, 其感应能量中已达到300~400 µJ, 远大于其传导发火能量160 µJ。因此, 样品出现安全性问题, 全部发火。而当脚线长度小于80 cm时, 感应能量小于170 µJ, DD12电火工品在同样强度的电磁脉冲环境下使用安全。

表3 不同脚线长度偶极天线模式下火工品辐射效应验证试验

2 结束语

文中选取典型桥丝火工品, 采取最不利情况即偶极天线模式, 进行了电火工品的电磁脉冲辐射效应和安全性分析研究, 获得了桥丝火工品的桥丝电阻和脚线长度与电磁脉冲辐射作用下的感应电流和感应能量关系。主要结论如下:

1) 电火工品的结构特点决定了其在核电磁脉冲环境下存在安全性问题;

2) 电火工品在核电磁脉冲环境下的安全性与电火工品的感应能量有关, 在脚线长度一定时, 电火工品的桥丝电阻越大, 感应能量越大。当桥丝电阻一定时, 脚线长度与感应能量呈指数变化关系;

3) 电火工品在核电磁脉冲环境下的安全性与电火工品的本质特性有关, 当感应能量大于其传导发火能量时, 将会导致安全性问题。

文中的研究为电火工品核电磁脉冲效应研究提供分析方法和试验手段。对于开展核电磁脉冲辐射作用下火工品及武器系统的安全性分析具有重要意义。下一步研究重点将针其他类型电火工品(如, 桥带式火工品和半导体桥火工品等)开展其在最不利情况下的脉冲辐射效应研究, 以及火工品在工作环境与状态(如, 放置在引信或弹内等)下的电磁脉冲辐射效应安全性分析。

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(责任编辑: 杨力军)

Safety Analysis of EED in Nuclear Electromagnetic Pulse Radiation

WANG Dian-xiang, ZHANG Rui, JI Xiang-fei,YAO Hong-zhi,ZHAO Tuan

(1. Navy Armament Department Navy, Xi′an 710061, China；2. Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics-chemistry Research Institute, Xi′an 710061, China)

To solve the problem that the 2.3/23 ns high-altitude nuclear electromagnetic pulse(HEMP) radiation proposed in United States military standard can seriously affect weapon system and electric explosive device(EED), the testing system of HEMP radiation effect was employed to perform safety research on EED under electromagnetic radiation. The relationships of bridge-wire resistance and foot line length of EED with the induced current and energy under HEMP radiation were obtained. The results show that: 1) the energy consumption rate of the bridge-wire resistance is constant; 2) the energy consumed by the resistance rises and the induced energy rises linearly with the bridge-wire resistance; 3) the peak induced current in bridge-wire depends on the equivalent impedance of equivalent antenna, and the change in bridge-wire resistance will not affect the peak induced current; and 4) the peak induced current increases linearly with the foot line length, and the induced energy increases exponentially with the foot line length. This research may provide design basis for improving the adaptability of EED to nuclear electromagnetic pulse effect.

electro explosive devices(EED); high-altitude nuclear electromagnetic pulse(HEMP); induced current; safety

10.11993/j.issn.1673-1948.2017.01.0012

TJ630; TQ560.7

A

1673-1948(2017)01-0059-06

2016-10-19;

2016-11-17.

王殿湘(1963-), 高级工程师, 主要研究方向为弹药工程.