褚恩義，白穎偉，王可暄，趙冬亞，尹 明

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電熱火工品復(fù)雜電磁波環(huán)境綜合適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法研究

褚恩義，白穎偉，王可暄，趙冬亞，尹 明

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

電火工品；脈沖電磁波；連續(xù)電磁波；環(huán)境適應(yīng)性；發(fā)火；輸出

隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，作為武器系統(tǒng)中最敏感部件的火工品，其抵御復(fù)雜電磁環(huán)境的能力，是保證武器裝備具備突防能力和抗干擾能力的重要保證。目前國內(nèi)外在火工品電磁波環(huán)境作用機(jī)理和環(huán)境適應(yīng)性方面已進(jìn)行了大量工作。美軍標(biāo)MIL-STD -1901《彈藥火箭和導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》要求點(diǎn)火系統(tǒng)在正常壽命周期內(nèi)，暴露于電磁輻射、靜電放電、電磁脈沖、電磁干擾、雷電作用和電源瞬變等環(huán)境之后，不發(fā)生意外的解除保險(xiǎn)或作用[1]。對(duì)于軍用設(shè)備和分系統(tǒng)，美軍標(biāo)461系列標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度測量方法和限制要求[2]，這些標(biāo)準(zhǔn)和措施的實(shí)施大大降低了武器系統(tǒng)電磁危害的事故率。此外，美國等一些國家先后采用羰基鐵粉和鐵氧體材料在高壓下壓制成塞子，這種射頻衰減電極塞已用于美國陸軍的橋絲式電雷管。

國內(nèi)從20世紀(jì)80年代開始對(duì)電火工品防靜電、防射頻等方面進(jìn)行研究，移植并建立了系列的武器系統(tǒng)抗電磁環(huán)境干擾的軍用標(biāo)準(zhǔn)[3]，但火工品電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法還處在初步研究階段[4]。陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所對(duì)電熱火工品電磁波環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了長期的研究，主要進(jìn)行了低發(fā)火能量電熱火工品在電磁波環(huán)境下的效應(yīng)試驗(yàn)及響應(yīng)規(guī)律研究[5]，以及換能元并聯(lián)TVS二極管的電熱火工品在脈沖電磁波環(huán)境中的適應(yīng)性研究[6]。

在很多情況下，連續(xù)電磁波和脈沖電磁波對(duì)電熱火工品的作用同時(shí)存在，本文把這種情況統(tǒng)稱為復(fù)雜電磁環(huán)境。只要能同時(shí)滿足連續(xù)和脈沖電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求，就能滿足復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性要求，本文針對(duì)電熱火工品開展相關(guān)研究。

1 連續(xù)和脈沖電磁波環(huán)境對(duì)電熱火工品的作用機(jī)理分析

連續(xù)電磁波對(duì)電熱火工品的影響主要是以電流的形式通過腳線作用于橋絲換能元，使橋絲換能元產(chǎn)生感應(yīng)電流導(dǎo)致熱積累。電熱火工品在受到電刺激后的響應(yīng)特性、電阻絲及其四周裝藥的溫度分布與許多難以量化的電熱參數(shù)有關(guān)，當(dāng)溫度積累不能很快達(dá)到點(diǎn)火藥和起爆藥起爆溫度，就可能在接近于發(fā)火點(diǎn)的溫度下保持相當(dāng)長的時(shí)間，由于高溫變質(zhì)效應(yīng)可能使點(diǎn)火藥和起爆藥在發(fā)火前性能發(fā)生變化，從而改變了電熱火工品的發(fā)火性能。這種情況對(duì)鈍感型電熱火工品可能會(huì)引起感度變化，進(jìn)而引起瞎火；而對(duì)低發(fā)火能量電熱火工品的影響可能是意外發(fā)火。

脈沖電磁波對(duì)電熱火工品的影響主要以電壓形式加在腳-殼之間，使電熱火工品局部出現(xiàn)過熱。這種情況下，低發(fā)火能量電熱火工品出現(xiàn)意外發(fā)火或瞎火的可能性較大，鈍感型電熱火工品由于其本質(zhì)能承受較大的短脈沖電流沖擊，出現(xiàn)意外發(fā)火或瞎火的可能性較小。

2 常用的電熱火工品電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法

目前電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)可采用的方法有以下幾種：（1）復(fù)合導(dǎo)線法：利用集膚效應(yīng)原理，采用銅芯不銹鋼復(fù)合導(dǎo)線使得電磁場的感應(yīng)電流都集中在外層的不銹鋼表層上，從而增大了損耗電阻。但由于常用電火工品腳線長度較短，復(fù)合導(dǎo)線衰減作用有限，因此很少采用。（2）屏蔽技術(shù)：利用金屬板等屏蔽體阻止或減小電磁能量傳播的電磁干擾。可以選擇電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率較大的材料作為電熱火工品的包裝材料，以有效防止電磁危害。這種方法在武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通過引信或傳爆系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，本文不進(jìn)行研究。（3）濾波：為了將電磁波過濾，減少電磁波對(duì)電熱火工品的危害，常用的方法是設(shè)計(jì)適合的濾波器。常規(guī)電熱火工品多采用直流發(fā)火，可以選用低通濾波器進(jìn)行濾波。（4）改變換能元的設(shè)計(jì)：如將橋絲改為橋帶以增大散熱面積等，從而提高火工品的安全性。

電熱火工品脈沖電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法一般采用在電熱火工品換能元件中設(shè)計(jì)特定功能的保護(hù)電路，在意外受到高能量的電磁波干擾時(shí)，保護(hù)電路瞬時(shí)導(dǎo)通，將大部分具有破壞能力的能量泄放，從而使電熱火工品受到保護(hù)，避免意外發(fā)火。具體有火花隙、半導(dǎo)體擊穿器件等?；鸹ㄏ妒且环N介質(zhì)擊穿器件，利用某些晶體材料在強(qiáng)電場中從介質(zhì)表面發(fā)射電子，在周圍介質(zhì)中產(chǎn)生電弧形成放電通道，從而使高電壓在瞬間瀉放掉的原理制成。半導(dǎo)體擊穿器件包括TVS二極管、整流二極管、齊納二極管和非線性電阻器等。TVS二極管可與被保護(hù)電路并聯(lián)，高電壓時(shí)產(chǎn)生雪崩，為瞬態(tài)電流提供通路，使電路免遭高電壓的擊穿過熱而起爆。這些器件在高電壓時(shí)電阻較小，響應(yīng)迅速，能瞬間泄放掉靜電高壓等電磁能量，而低電壓條件下呈高阻狀態(tài)，不影響電熱火工品正常發(fā)火，具有理想的保護(hù)作用。

3 樣機(jī)試制及試驗(yàn)

在控制溫度干燥條件下，辣椒干燥后的品質(zhì)和綜合得分均相差不大。控制溫度條件下辣椒的綜合得分普遍高于恒溫干燥條件下辣椒的綜合得分。

3.1 脈沖電磁波環(huán)境適應(yīng)性

文獻(xiàn)[6]中，采用TVS二極管進(jìn)行了電熱火工品脈沖電磁波環(huán)境適應(yīng)性研究。裝配后TVS二極管與電熱火工品換能元結(jié)構(gòu)如圖1所示，無論電磁波感應(yīng)電流是從A端進(jìn)入，還是從B進(jìn)入，當(dāng)達(dá)到擊穿電壓時(shí)，TVS二極管都會(huì)瞬時(shí)導(dǎo)通，泄放掉感應(yīng)能量。而在產(chǎn)品正常發(fā)火時(shí)，由于TVS二極管在A、B兩個(gè)方向上都不會(huì)導(dǎo)通，發(fā)火能量將直接作用到電熱火工品換能元上，使產(chǎn)品正常作用。

圖1 脈沖電磁波環(huán)境下TVS二極管與換能元連接等效關(guān)系圖

脈沖電磁波環(huán)境試驗(yàn)采用電磁脈沖源輸出波形參數(shù)，上升時(shí)間≤3ns，半高寬約20ns，基本符合MIL-STD-461E波形參數(shù)。試驗(yàn)進(jìn)行了并聯(lián)TVS二極管前后的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 電火工品脈沖波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

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

序號(hào)放電電壓/kV場強(qiáng)/(kV·m-1)發(fā)火情況 未防護(hù)TVS二極管防護(hù) 12303523.027.00100 34405031.038.51100 56550.010

注：0為不發(fā)火，1為發(fā)火。

從表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，并聯(lián)TVS二極管后，電點(diǎn)火頭未出現(xiàn)發(fā)火狀態(tài)，其脈沖電磁場環(huán)境下的安全性得到了提高，選用的低發(fā)火能量電點(diǎn)火管在此條件下能滿足國軍標(biāo)GJB 151A-97要求。

3.2 連續(xù)電磁波環(huán)境適應(yīng)性

對(duì)于連續(xù)電磁波適應(yīng)性設(shè)計(jì)，本研究主要利用TVS二極管在連續(xù)電磁波環(huán)境下形成的PN結(jié)電容進(jìn)行濾波。裝配后TVS二極管與電熱火工品換能元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 連續(xù)電磁波環(huán)境下TVS二極管與換能元連接等效電路圖

選用的TVS二極管具有較高的PN結(jié)電容，利用該電容實(shí)現(xiàn)電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。對(duì)于未超過TVS二極管擊穿電壓的感應(yīng)電流，則以PN結(jié)電容的方式進(jìn)行分流。由于選用的TVS二極管擊穿電壓較高，不會(huì)影響電熱火工品正常發(fā)火。原理試驗(yàn)中，TVS二極管與電熱火工品電極塞的連接試件如圖3所示，利用該電極塞制成電發(fā)火頭進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 貼片式TVS管與電極塞腳腳連接圖

圖4 連續(xù)電磁場產(chǎn)生與測試系統(tǒng)

利用圖4所示的GTEM傳輸裝置（吉赫茲橫電磁波傳輸室）模擬產(chǎn)生連續(xù)電磁場輻射環(huán)境，其它輔助設(shè)備包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、場強(qiáng)測量計(jì)等。試驗(yàn)在場強(qiáng)為30V/m、40V/m、50V/m下，用100MHz、200MHz、300MHz、400 MHz、500 MHz、600MHz、700MHz、800MHz等8個(gè)不同頻率進(jìn)行試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與腳腳并聯(lián)電容（形成單容型低通濾波器）結(jié)果進(jìn)行比較。表2為40V/m場強(qiáng)條件下濾波元件對(duì)連續(xù)電磁波的防護(hù)效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果。

表2 40V/m場強(qiáng)條件下濾波元件對(duì)連續(xù)電磁波的防護(hù)

效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果 (mA)

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

序號(hào)腳線狀態(tài)頻率/MHz平行垂直 無防護(hù)并聯(lián)TVS管并聯(lián)電容無防護(hù)并聯(lián)TVS管并聯(lián)電容 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：電點(diǎn)火頭有發(fā)火現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)果表明，并聯(lián)TVS二極管對(duì)電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下的感應(yīng)電流具有一定的衰減作用，有些頻率下并聯(lián)兩個(gè)電容有更好的防護(hù)效果。尤其在最危險(xiǎn)的諧振頻率點(diǎn)，濾波效果達(dá)到了50%以上。因此，TVS二極管可用于電熱火工品連續(xù)及脈沖電磁波環(huán)境適應(yīng)性綜合設(shè)計(jì)。

3.3 電熱火工品復(fù)雜電磁波環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)

采用圖5所示動(dòng)態(tài)斜坡發(fā)生器進(jìn)行了電點(diǎn)火頭的感度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 電點(diǎn)火頭動(dòng)態(tài)斜坡法試驗(yàn)結(jié)果

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

序號(hào)樣品狀態(tài)電阻/Ω發(fā)火電流/mA平均發(fā)火電流/mA 1未加固6.93255255 27.14259 37.29251 46.87268 56.90245 6并聯(lián)TVS二極管7.32292298 77.17288 86.81300 96.99300 107.20309

從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，并聯(lián)TVS二極管后，電點(diǎn)火頭的平均發(fā)火電流由255mA增大為298mA，說明并聯(lián)TVS二極管的電點(diǎn)火頭安全性得到了提高。對(duì)于這種變化對(duì)發(fā)火性能的影響，本文也進(jìn)行了試驗(yàn)測試。采用高速攝影來判定電點(diǎn)火頭的輸出性能變化，并聯(lián)TVS二極管前后的電點(diǎn)火頭輸出圖像見圖6。

（a） 未并聯(lián)

（b） 并聯(lián)

從高速攝影結(jié)果來看，并聯(lián)TVS二極管前后電點(diǎn)火頭的輸出火焰長度無顯著變化，分別為47mm和45mm，證明這種方法不會(huì)影響電熱火工品的正常使用。

4 結(jié)語

本文選用具有較高PN結(jié)電容的TVS二極管，進(jìn)行了電熱火工品連續(xù)和脈沖電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究。研究證明并聯(lián)TVS二極管對(duì)電熱火工品連續(xù)及脈沖電磁波環(huán)境下的感應(yīng)電流均有很好的抑制或分流作用，能滿足電熱火工品復(fù)雜電磁波環(huán)境設(shè)計(jì)要求。

目前初步解決了TVS二極管與電極塞玻璃體的連接技術(shù)，但改進(jìn)后的電極塞各項(xiàng)性能，如抗過載、強(qiáng)度等，能否滿足火工品設(shè)計(jì)要求還需進(jìn)一步驗(yàn)證。下一步打算只采用未封裝的TVS二極管芯片結(jié)構(gòu)，將電極塞設(shè)計(jì)與TVS二極管封裝技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)TVS二極管與小尺寸電熱火工品的一體化設(shè)計(jì)。

[1] MIL-STD-1901 彈藥火箭和導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[S],1992.

[2] MIL-STD-461F 電磁干擾發(fā)射和敏感度控制要求[S],2007.

[3] GJB 151A-97軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1997.

[4] GJB 1389A-2005系統(tǒng)電磁兼容性要求[S]．國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),2005.

[5] 王可暄,白穎偉,任煒,等.低發(fā)火能量電熱火工品連續(xù)電磁波環(huán)境下作用規(guī)律研究[J].含能材料,2012(5):610-613.

[6] 褚恩義,任煒,白穎偉,等.電熱火工品脈沖電磁波環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)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

褚恩義（1965 -），男，研究員，主要從事高新技術(shù)火工品作用機(jī)理與故障抑制技術(shù)研究。