提高桥丝电雷管抗径向冲击的低波阻抗套管结构

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(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

当侵爆弹打击坦克装甲、舰船、机库、建筑物等硬目标时，战斗部内装药和引信同时要承受数万g、数毫秒脉宽、持续性瞬态冲击，该冲击会致使战斗部主装药爆燃，引信中电路、火工品和机械结构出现物理形式破坏。

文献[1]以普通桥丝电雷管为试样，进行霍普金森杆应力波加载试验，试后样品进行X射线CT层析扫描，指出高加速度过载尤其径向高加速度过载造成桥丝由于塑性波作用被拉长变细，从而导致阻值增大或无穷大，雷管发生结构失稳变形导致脚线间距增大，阻值也会增大。文献[2]基于解析几何学基本原理，指出当桥丝的初始角度小于45°，桥丝未受拉伸作用，电雷管最佳放置方式是桥丝平行于电雷管的运动方向。文献[3]从能量角度探讨和研究缓冲机理，通过防护装置缓冲前后加速度历程曲线对比，分析了复合缓冲结构的缓冲效果。文献[4]根据应力波理论设计存储器的缓冲隔振结构，同时兼顾缓冲与隔振，配置合理的广义阻抗比，解决了狭小空间的抗冲击问题。文献[5]通过在延期体端面放置纸质垫片的途径来实现界面加固，用霍普金森杆加载试验证明纸垫可以有效地衰减作用到延期体上的应力波，减少延期体的变形量，增强延期体的抗过载能力。文献[6]提出制式桥丝式独角电雷管的聚四氟乙烯抗过载加固方法，采用在雷管底部和外壁衬垫一定厚度聚四氟乙烯材料的方法减缓冲击应力波和惯性过载的强度。衬垫缓冲层隔离了冲击应力波和缓冲了雷管质量惯性，保护作用明显。综上文献可见，衰减应力波的缓冲与隔振措施可以应用于雷管防护。

但是，在实际工程应用时，保险机构本体上雷管预制孔扩孔以加厚雷管防护层或阻尼层，或者雷管底部设置非金属垫片均会影响爆轰波可靠传递，并且，薄壁纸护套加工和制作工艺性差，聚四氟乙烯材料加工成薄壁护套也存在相似问题。针对上述问题，本文提出了提高桥丝电雷管抗径向冲击的低波阻抗套管结构。

1 应力波传播理论与雷管传统防护方式

1.1 应力波在介质界面传播理论

当运动物体与静止物体发生碰撞时，由于运动物体内部填充的材料不同，依据应力波传播理论，应力波在不同材料构成的介质界面处发生反射和透射，如图1所示，应力波在介质1与介质2的连接界面X1处、在介质2与介质3的连接界面X2处会发生反射和透射，在介质界面处应力波输入值、应力波透射值、应力波反射值与材料的波阻抗之间存在如式(1)—式(4)的数值关系[7]。

(1)

σR=FσI

(2)

1+(ρC0)1/(ρC0)2=2/T

(3)

C02=E/ρ

(4)

其中，σI为界面处的应力输入值，σT为透射的应力值，σR为反射的应力值，透射系数T，反射系数F=T-1；(ρC0)为材料的波阻抗，表征材料在动态载荷下力学性能；C0为单轴应变状态下材料弹性波波速，E为材料的弹性模量，ρ为材料密度。

在介质内部，弹性波传播沿特征线方向上应力波衰减规律为[7]：

σ=σ0e(-α x)

(5)

其中，σ0为初始应力，α为衰减系数，x为传播距离。

由式(5)可知应力波在弹性材料中应力波衰减呈现指数规律，应力幅值随传播距离增大而减少的衰减特性[8]。

如图1所示，当应力波直接从本体传递给隔振层时，经过介质界面X1，界面X1处应力波透射系数为T12。应力波经本体透射到隔振层的应力波幅值满足σX12=T12σ0，当透射系数T12<1时，应力幅值反射被衰减，能够提高被保护元件的抗冲击性能。

文献[9]提出聚四氟乙烯垫片提高引信零部件抗冲击能力的机理是应力波反射衰减，即机械滤波。通过仿真表明，与从缓冲吸能角度解释聚四氟乙烯垫片提高引信零部件抗冲击能力的机理相比，从机械滤波角度解释该机理更合理；垫片材料的波阻抗越小，机械滤波效果越好；只要垫片厚度远小于有效缓冲厚度，增大垫片厚度对机械滤波效果贡献不大。

1.2 雷管传统防护方式

战斗部侵彻硬目标，战斗部头部受到持续冲击，冲击应力波沿侵彻体、炸药、引信外壳传入引信内部，引信内部的电路部件、火工品等受力情况复杂。根据应力波理论，引信内部的缓冲隔振结构设计时合理配置的材料界面的阻抗比，用缓冲隔振、机械滤波方式对引信进行防护。缓冲隔振结构对引信保险机构、起爆控制模块防护的同时，也对火工品进行防护。

电雷管传统装配结构是，雷管外壁涂少量胶后插入保险机构本体预制孔底部，雷管顶部用胶木压螺压实，雷管引线孔用胶灌封，雷管传统装配结构如图2所示。侵彻引信内电雷管采用传统装配结构，雷管自身并没有采取防护，雷管的防护方式主要依赖引信内部保险机构和起爆控制模块采取的防护措施，这种雷管防护方式经前期型号的实践，对亚音速、超音速条件下战斗部侵彻硬目标有效。战斗部为增强侵彻能力向高超音速发展是大势所趋，桥丝电雷管自身抗径向过载能力先天不足，若战斗部大着角高速侵彻硬目标时，雷管传统防护方式中，电雷管抗径向冲击性能稍差，可能会出现径向冲击致使雷管桥丝损伤，引信不能起爆战斗部。

2 提高桥丝电雷管抗径向冲击的低波阻抗套管结构

2.1 防护雷管的低波阻抗套管结构

雷管采用低波阻抗套管结构防护可以提高雷管抗径向冲击性能。防护雷管的低波阻抗套管结构如图3所示，电雷管双引脚锡焊续导线后，裁减内径稍大于雷管外径的氟橡胶热缩套管作为雷管防护套，氟橡胶热缩套管套入雷管外壁后用热风枪远距离热缩，氟橡胶热缩套管与雷管热缩成为一体构成雷管部件。在雷管防护套外壁涂少量胶后，立即将雷管部件插入保险机构本体预制雷管孔底部，雷管顶部引线孔用固化后轻而硬的粘结剂灌封。氟橡胶热缩套管材料具有低波阻抗特性，其与本体构成机械滤波介质界面。雷管顶部用轻而硬的灌封料灌封，以降低雷管轴向外部压力。此外，雷管采用低波阻抗套管结构防护后，雷管与其他部件之间的绝缘电阻增大，雷管绝缘电阻增大后引信的安全性提高。

2.2 低波阻抗套管结构提高引信中雷管抗冲击性能机理

桥丝电雷管自身抗轴向冲击能力强，抗径向冲击性能稍差。桥丝电雷管采用低波阻抗套管结构防护，这种结构能在一定程度上提高雷管抗径向冲击性能。下面从应力波衰减和能量转化角度分别分析该结构提高雷管抗径向冲击性能的机理。

从应力波衰减角度分析，根据应力波在不同介质界面的反射与透射理论，战斗部侵彻钢板目标时，战斗部头部与硬目标的作用力传递到引信内部。引信内部对保险机构、起爆控制模块的防护构成电雷管的第一道防护，低波阻抗套管结构构成电雷管的第二道防护。由于雷管防护套氟橡胶材料具有低波阻抗特性，应力波在铝本体与氟橡胶套界面发生机械滤波，应力波在通过界面时大部分应力波被衰减，氟橡胶防护套降低应力波传递效率，能显著衰减骑在质心加速度曲线上的应力波，降低二者的合力尖峰，减少电雷管物理破坏风险。如前所述，隔振层的厚度对机械滤波效果影响不大，所以防护套虽然很薄，仍能有效保护雷管。

从能量转化角度分析，雷管防护套氟橡胶是非金属粘弹性材料，构成阻尼层；与阻尼层外部相邻层的本体是金属弹性材料，构成约束层；与阻尼层内部相邻层为雷管外壳为金属，构成基层。约束层本体和基层雷管外壳材料的弹性模量均比阻尼层氟橡胶材料的弹性模量大，基层和约束层均会对阻尼层产生约束作用，阻尼层的阻尼特性使其应变与应力的关系并非同步的，而总会滞后于应力一个相位角，这种变形滞后意味着产生能量消耗，从而传递到引信内部雷管处的冲击或振动能量会从机械能转变为热能耗散掉。

3 验证

3.1 理论计算验证

3.1.1计算方法

战斗部高速侵彻硬目标时，在战斗部的表面和内部都会产生瞬时高强度轴向和径向冲击载荷，冲击载荷以应力波形式从弹头向弹尾传播。电雷管装配在引信保险机构本体内，保险机构本体具有足够强度不会产生物理性破坏。电雷管同时受自身惯性力、顶部灌封料压力、战斗部头部冲击载荷三重作用，致使雷管表面变形、内部桥丝电极等破坏，雷管破坏机理是内部质点发生位移、应力应变传播以及他们之间相互作用所致的极其复杂的变形-破坏行为。应力波从弹头向弹尾传播，径向应力波途经保险机构本体、氟橡胶防护套传播到雷管，由于铝本体与氟橡胶防护套两种材料介质的波阻抗不同，氟橡胶防护套材料具有低波阻抗特性，应力波在两种材料介质界面处发生衰减。铝本体、氟橡胶防护套材料参数[9-10]及材料波阻抗计算结果见表1。

3.1.2计算结果及分析

根据式(1)和表1数据，计算铝本体与雷管防护套介质界面处透射波与入射波的关系，得到铝本体与雷管防护套界面的透射系数T，透射系数T=0.12，即透射波强度仅为入射波强度的0.12倍。从应力波衰减角度分析，传播到引信内部向雷管内部传递的径向应力波经铝本体与雷管防护套介质界面后，径向应力波在经两种材料介质界面处传播时会发生衰减，因而使得雷管所受过载得到了整形，径向冲击致使雷管桥丝损伤程度降低。

表1 相关材料波阻抗(ρC0)参数Tab.1 Related material wave impedance (ρC0) parameter

3.2 空气炮试验验证

3.2.1试验方法

利用空气炮对电雷管进行加载试验，用空气炮将试验弹发射铝质试验弹，网靶测速弹丸炮口速度，试验弹撞击12 mm厚钢板靶标，空气炮加载试验装置如图4所示。

改装引信的保险机构本体，雷管在试验弹内放置成轴向放置后，靶板布置成倾斜45°以模拟雷管的径向和轴向同时加载，雷管放置状态如图5所示。每次试验2枚雷管，加载试验前后测试雷管电阻，加载试验后起爆雷管。空气炮试验采用对比试验形式，电雷管采用低波阻抗套管结构与传统安装结构进行对比，两种结构方案加载试验各3次。

3.2.2试验结果及分析

试验前准备好12枚双脚线桥丝电雷管，利用空气炮对雷管开展径向冲击和轴向冲击试验，试验弹炮口出速在130～140 m/s范围内。试验前雷管电阻范围5.4～6.2 Ω，依据试验前、后所测试的电阻数据，剔除试验后电阻值异常雷管样本，计算雷管阻值变化率=(试验后电阻值-试验前电阻值)/试验前电阻值，最后将雷管起爆，电雷管试验阻值变化结果如表2所示。

表2 电雷管试验后阻值变化Tab.2 Variation of resistance after detonator test

从表2可以看出试验后雷管阻值有增大趋势。文献[1]对电雷管电阻增大的机理进行了深入剖析，雷管电阻值变大的原因是桥丝拉伸变形大。与雷管采用传统安装结构相比，采用低波阻抗套管结构的雷管电阻值变化率小，电阻平均值变化也较小，即桥丝拉伸变形小。传统安装结构的电雷管经空气炮加载试验后出现1枚断桥现象(电阻值大于20 MΩ)，且未能起爆。雷管加载试验均是在径向冲击和轴向冲击双重环境下进行，两种防护结构中的区别特征是氟橡胶防护套，雷管阻值变化和起爆性能呈现差异，说明区别特征对雷管防护起了积极作用，防护雷管的低波阻抗套管结构降低雷管承受的径向冲击，使雷管桥丝拉伸变形和损伤程度降低，在一定程度上防护了雷管。

3.3 火炮动态试验验证

3.3.1试验方法

用125滑膛炮平台验证起爆电路的工作性能和爆炸序列防护措施改进效果，引信的技术状态变化仅是雷管防护形式改进，其余技术状态不变。试验引信中传爆序列的电雷管采用低波阻抗套管结构防护，125尾翼稳定试验弹出膛后距离靶标60 m，弹速(700±30) m/s试验弹以弹60°着角侵彻12 mm厚钢板靶标，靶板布置如图6所示。弹着角60°侵彻目标是为了模拟试验弹的轴向和径向同时加载。为验证弹丸加载后引信工作性能，要求弹丸碰靶后延时10 ms起爆，验证引信能否正常起爆，同时验证爆炸序列始发能源电雷管的防护措施改进效果。

3.3.2 试验结果及分析

用高速摄像观察弹丸飞行状态及爆炸情况，试验弹着靶后由于金属与金属摩擦产生右侧第1团火光，试验弹穿靶后按引信事先装订的10 ms正常作用，引信起爆主装药产生第2团火光和沿弹丸运动方向的向前爆轰，125弹穿爆状态如图7所示。共计开展3次125炮动态发火试验，3发弹均正常爆炸，试验结果表明，雷管低波阻抗套管结构防护在雷管抗径向冲击产生积极作用，没有产生副作用。

3.4 低波阻抗套管结构防护雷管效果分析

前期试验中出现的战斗部大着角侵彻硬目标时，靶板出现椭圆形孔洞表明战斗部着靶姿态异常，引信没能正常作用，拆解后测试引信雷管电阻大于20 MΩ，但雷管没能起爆，分析是雷管桥丝损伤导致不发火，桥丝损伤的可能原因是电雷管传统装配结构对雷管径向防护不足，战斗部以大着角侵彻硬目标时，出现极大径向过载致使雷管桥丝断裂损伤。

与雷管传统装配结构相比，雷管采用低波阻抗套管结构进行防护后，氟橡胶套衰减并隔离部分径向应力波，过载所致的雷管的桥丝、电极等部件损伤程度降低，雷管的抗径向冲击性能提高，战斗部大着角侵彻硬目标时引信的作用可靠性提高。

4 结论

本文提出了提高桥丝电雷管抗径向冲击的低波阻抗套管结构。该结构是雷管外壁套上氟橡胶热缩套管并热缩，形成雷管防护套，雷管顶部引线孔用固化后轻而硬的粘结剂灌封。氟橡胶热缩套管材料具有低波阻抗特性，其与本体构成机械滤波介质界面。雷管顶部的灌封料轻而硬，可以降低雷管轴向外部压力。理论计算及试验结果表明，雷管采用低波阻抗套管结构进行防护，径向冲击致使雷管桥丝损伤程度降低，雷管抗径向冲击性能改善，引信作用可靠性提高。

雷管顶部引线孔必须灌封确实，灌封料不能影响到保险机构本体上的转子孔，否则会影响转子的运动灵活性，灌封料优选固化后轻而硬、残留物容易清理的材料，灌封工艺和灌封料的选用需进一步研究。

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