陳瑞寧，陳 靜，薛耀輝

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

制導(dǎo)光纖為光纖制導(dǎo)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)提供了長距離無堵塞的數(shù)據(jù)鏈。纏繞狀態(tài)下的制導(dǎo)光纖從線包上高速釋放，應(yīng)避免出現(xiàn)脫匝和垮線故障，一旦光纖斷線或光附加損耗太大，將使傳輸信號嚴重衰減和畸變，最終導(dǎo)致導(dǎo)彈失控[1]。

光纖線包是指制導(dǎo)光纖在線軸上纏繞完成后形成的實體，其半剖截面呈梯形結(jié)構(gòu)。通常選擇在線軸上環(huán)向緊密纏繞方式，每纏繞一圈稱為一匝，每個新繞的匝緊挨著前一匝，當纏繞到線軸一端時就完成一層纏繞，之后退讓幾匝回繞到前一層上，反向開始新的一層纏繞，以此方式繼續(xù)纏繞多層，直至完成整個線包[2]。理想的線包形態(tài)應(yīng)是內(nèi)外端退匝整齊、光纖纏繞致密而表面無松散光纖匝。然而實際纏繞過程中，會由于多種因素的影響而產(chǎn)生缺陷，這些缺陷會給光纖的可靠釋放帶來隱患。因此，需對制導(dǎo)光纖纏繞缺陷與放線故障模式進行分析。

1 光纖纏繞缺陷分析

1.1 概述

按照纏繞工藝規(guī)程分為兩大類：纏繞過程缺陷和線包后處理過程缺陷。

1.2 纏繞過程缺陷

纏繞過程中所產(chǎn)生的缺陷，主要表現(xiàn)為間隙、回疊、凸起、端面退繞不齊等形式。

1)間隙。間隙是指相鄰兩匝光纖間存在明顯空隙。若間隙大于一個線徑，下一層纏繞光纖會在纏繞張力的作用下嵌入間隙，該現(xiàn)象如圖1(a)所示，其中第2層光纖匝用填充斜剖線表示。即使間隙小于線徑，也會出現(xiàn)另一種纏繞缺陷，即后續(xù)纏繞匝塌陷現(xiàn)象，如圖1(b)所示，圖中填充斜剖線的線匝為塌陷線匝。應(yīng)關(guān)注的是，在三角區(qū)內(nèi)的所有后續(xù)各匝都受到影響，塌陷高度h也隨之增加[3-4]。

實際纏繞過程中的間隙見圖2。選擇適當?shù)睦p繞節(jié)距可以消除間隙。設(shè)定節(jié)距時應(yīng)考慮光纖線徑變化帶來的影響，以減小間隙產(chǎn)生的似然度。纏繞張力控制也很重要，張力太大會使上層光纖被拉入下層線匝中并產(chǎn)生間隙。間隙產(chǎn)生后應(yīng)回退纏繞匝至間隙消除，并通過人工干預(yù)進行修復(fù)。

2)回疊?；丿B是指本應(yīng)在同一層上纏繞的光纖在非跨線點出現(xiàn)跨層纏繞的現(xiàn)象(見圖3)。

回疊是非常明顯而嚴重的纏繞缺陷，主要受包括光纖表面摩擦力、饋線速率和饋線滯后角波動等因素影響。饋線滯后角偏大是主要因素。

滯后角定義為饋線與一條垂直于線包回轉(zhuǎn)軸的直線之間的角度。滯后角等于零意味著饋線垂直于線包回轉(zhuǎn)軸。若滯后角為負，則說這個角是導(dǎo)前的，會在繞組的各匝之間形成間隙。保持適當?shù)臏蠼强梢员苊饣丿B。針對不同線徑和纏繞節(jié)距，存在一個最大容許的滯后角[5]。

該缺陷出現(xiàn)后要及時停止纏繞并回退若干匝，去除回疊現(xiàn)象后才可開始后續(xù)纏繞。

3)凸起。凸起是指同一層光纖出現(xiàn)一匝或多匝高于本層的現(xiàn)象(見圖4)。

引起凸起的原因有線徑突然增大、纏繞表面存在膠?；虍愇锏纫蛩?，該缺陷一旦出現(xiàn)將會影響下一層光纖的纏繞。線徑突然增大一般是在編織芳綸的搭接頭處，可通過對搭接頭的梳理來解決。纏繞表面若存在膠?；虍愇铮捎盟⒆訉⒃撎幍哪z?；虍愇锶コ笤龠M行后續(xù)纏繞。

4)端面退繞不齊。端面退繞匝數(shù)不一致稱為端面退繞不齊(見圖5)。

理想狀態(tài)下，端面退繞匝數(shù)一致，線包幾何結(jié)構(gòu)層次分明。產(chǎn)生該缺陷的原因包括纏繞張力波動大、線徑突變和光纖表面摩擦力變小等因素。該缺陷對纏繞長度和纏繞層數(shù)會產(chǎn)生一定影響，但不影響線包的存儲和高速放線。該缺陷若小于一匝，一般不做處理。若大于一匝，視情況進行手工修復(fù)。

1.3 線包后處理過程缺陷

線包纏繞完成后，需在干燥箱中進行規(guī)定時間和規(guī)定溫度的加熱固化，目的是松弛線包內(nèi)部的纏繞殘余應(yīng)力，使線包處于應(yīng)力均衡狀態(tài)。根據(jù)具體應(yīng)用要求，部分產(chǎn)品還要進行篩選，需進行高/低溫貯存、溫沖、振動沖擊等環(huán)境試驗項目來對線包性能進行評估。線包在升溫均熱處理和環(huán)境試驗后產(chǎn)生的缺陷統(tǒng)稱為后處理過程缺陷，主要分為裂縫、擠出、跨線點滑移等。

1)裂縫。裂縫是指在線包表面可以看到的縫隙，一般會延伸到線包內(nèi)部。裂縫可能出現(xiàn)在線包的任意位置，一般在靠近線包端面的位置出現(xiàn)較多(見圖6)。

線包在經(jīng)歷溫變過程中，由于內(nèi)部多種材料的熱膨脹系數(shù)不同，使線包內(nèi)應(yīng)力增加。由于線包纏繞殘余應(yīng)力和光纖粘接劑的作用，造成線包內(nèi)部應(yīng)力分布不均且線膨脹各向異性。通常其徑向應(yīng)變很小，軸向應(yīng)變較大。大多數(shù)裂縫現(xiàn)象屬應(yīng)力腐蝕裂縫，其靜態(tài)機理大都涉及在纏繞匝間局部錯位附近發(fā)生明顯的粘接劑破裂這一因素。當溫度發(fā)生變化時，若粘接劑的完整性遭到局部破壞，該處的光纖匝之間就會產(chǎn)生“裂縫”，并擴展成多層的線包裂縫，尤其是在低溫狀態(tài)下，粘接劑開裂的幾率會明顯增加。寬度較小的裂縫在恢復(fù)到常溫或高溫時大多數(shù)又會閉合。輕微的裂縫不會對光纖放線產(chǎn)生影響，但如果裂縫寬度大于一個線徑且長度大于10 mm時，則可能導(dǎo)致放線斷線。

2)擠出。擠出是指線包出現(xiàn)了層間滑移現(xiàn)象(見圖7)。

產(chǎn)生機理同樣是線包內(nèi)部各組成材料的熱膨脹系數(shù)不同引起內(nèi)應(yīng)力分布不均，應(yīng)力釋放發(fā)生在層與層之間，并最終反映在線包端面上。輕微擠出不影響放線可靠性，嚴重擠出則會對放線產(chǎn)生致命威脅。嚴重擠出是指至少有一處擠出長度超過1/3圈且寬度大于1 mm。

3)跨線點滑移?？缇€點滑移是指該段光纖的位置發(fā)生了變化(見圖8)。

經(jīng)歷環(huán)境試驗篩選后，在光纖線包內(nèi)部應(yīng)力釋放和纏繞芯軸熱脹冷縮的雙重作用下，部分跨線點會因為應(yīng)力集中出現(xiàn)滑移現(xiàn)象?；坪?，跨匝段光纖松弛，增大了跨匝段光纖繼續(xù)滑移的趨勢。輕微滑移不影響放線可靠性，但嚴重滑移會增大光纖放線斷線的幾率。嚴重滑移是指在跨匝點前后出現(xiàn)整圈光纖脫離原有位置的情況。

1.4 纏繞過程缺陷和后處理過程缺陷之間的關(guān)系

兩者同屬線包缺陷，纏繞過程缺陷一定會帶來線包后處理過程缺陷，所以必須進行修正；線包后處理過程缺陷是某些隱形纏繞過程缺陷的放大，一般無法修復(fù)，需要對缺陷嚴重性進行評估后取舍。

1.5 降低或消除纏繞缺陷的管理措施

為了提高產(chǎn)品合格率，必須要及時處理纏繞缺陷。1)針對上述纏繞缺陷的機理分析，有針對性的制定纏繞工藝規(guī)程。2)在現(xiàn)場質(zhì)量管理過程中，必須從人員、設(shè)備、原材料、工藝和環(huán)境等方面嚴格把關(guān)，特別是加強操作人員培訓，持證上崗，并嚴格執(zhí)行纏繞工藝規(guī)程。3)加強產(chǎn)品篩選的質(zhì)量把關(guān)，識別線包后處理過程中存在的嚴重缺陷并剔除不合格產(chǎn)品。

2 光纖放線故障模式分析

2.1 概述

動態(tài)線包不穩(wěn)定性體現(xiàn)在高速放線過程中。光纖從位于導(dǎo)彈尾部的線包上，在橫向纏繞狀態(tài)下沿縱向高速釋放。光纖在線包表面剝離段經(jīng)歷短暫而劇烈的運動之后，在空中處于相對靜止狀態(tài)，這將使釋放出的光纖維持在相對較低的張力水平。但剝離段光纖在極短時間內(nèi)經(jīng)歷強彎曲狀態(tài)，且已釋放光纖與線包表面之間還存在周期性變化的動態(tài)摩擦力，致使光纖在周期性張力作用下呈現(xiàn)螺旋振蕩的放線特征。

光纖纏繞過程造成的對下層光纖的徑向張力具有阻止線包運動的趨勢，這種穩(wěn)定性稱為線包的本征穩(wěn)定性。光纖粘接劑也具有阻止線包意外松動、增強線包穩(wěn)定性的作用。只有光纖纏繞匝的順序釋放，才能不出現(xiàn)斷線故障。放線故障可以分為脫匝故障和垮線故障兩種主要模式。

2.2 脫匝故障

脫匝故障是指光纖逆層剝離至外端面同層最后2～3匝時，產(chǎn)生的軸向推力大于這2～3匝光纖與下層的結(jié)合力(包括摩擦力和粘接力)，引起最后2～3匝同時脫出線包并扭結(jié)在一起，如圖9所示。

其故障機理如下：光纖從線包的纏繞位置抬起并跨過相鄰?fù)瑢庸饫w匝進行釋放的過程稱為光纖逆層剝離。被釋放的光纖與同層光纖產(chǎn)生接觸，解脫粘接劑所需的力導(dǎo)致軸向分力耦合到釋放光纖的相鄰光纖線匝中，該力對同層相鄰光纖匝產(chǎn)生軸向壓力的趨勢，力的方向朝線包的尾部。剝離點處的光纖張力傳播到剝離點前的一小段光纖內(nèi)，當產(chǎn)生的軸向推力大于這2～3匝光纖與下層光纖的結(jié)合力(包括摩擦力和粘接力)時，將引起最外2～3匝光纖同時脫出線包并扭結(jié)在一起，進而導(dǎo)致制導(dǎo)光纖斷線或纖芯斷裂。

2.3 垮線故障

垮線故障是指光纖順層剝離時，釋放段光纖摩擦帶出下二層光纖，引起端面纏繞匝跨線，造成三層光纖同時放線的現(xiàn)象，如圖10所示。

其故障機理如下：當光纖順層剝離時，光纖從線包的纏繞位置抬起釋放，該張力由于摩擦和粘接劑的作用呈指數(shù)倍增加，張力增加的這段特定區(qū)域加上光纖線匝的圓周幾何形狀導(dǎo)致釋放光纖具有切入下層光纖的趨勢，在光纖線包上產(chǎn)生軸向分力和徑向分力。軸向分力的擾動迫使下層光纖受到向線包尾部方向移動的傾向。徑向力會導(dǎo)致被釋放光纖具有切入下層光纖匝間的趨勢。釋放段光纖不斷與線包外端面下層略為突起的跨線點摩擦與碰撞，這種擾動致使跨線點處光纖出現(xiàn)松動并逐漸脫離原來位置，當松動的光纖段達到一定長度后，會與正在釋放的光纖發(fā)生扭結(jié)并一起放線，通常會引起相鄰下兩層光纖一起放線?？寰€故障必然導(dǎo)致制導(dǎo)光纖斷線。

3 光纖地面模擬放線試驗驗證

通過光纖地面模擬放線試驗，可以測量光纖動態(tài)損耗波動和光纖剝離點釋放軌跡，并對纏繞質(zhì)量和釋放性能做出評估。

在進行了纏繞缺陷和放線故障的分析研究后，有針對性的對前期纏繞工藝進行了完善，加強了設(shè)計與樣機試制的工程管理，并進行了大量的地面模擬放線試驗驗證。試驗結(jié)果表明，改進后纏繞質(zhì)量得到大幅提高，斷線故障率下降20%以上。

在光纖地面模擬放線試驗中，通過高速攝影捕捉并驗證了上述兩種放線故障模式。圖11為脫匝故障發(fā)生瞬間的一組圖片，圖12為垮線故障發(fā)生瞬間的一組圖片。

4 結(jié)論

制導(dǎo)光纖纏繞缺陷分為纏繞過程缺陷和線包后處理過程缺陷，前者表現(xiàn)為間隙、回疊、凸起、端面退繞不齊等形式，后者表現(xiàn)為裂縫、擠出、跨線點滑移等形式。放線故障分為脫匝故障和垮線故障兩種模式，對這兩種故障模式進行了機理分析，并在光纖地面模擬放線試驗中，通過高速攝影捕捉并驗證了上述兩種放線故障模式。針對纏繞缺陷提出了相應(yīng)的解決措施，對前期纏繞工藝進行了不斷完善。進行了大量的地面模擬放線試驗驗證，試驗結(jié)果表明，纏繞質(zhì)量得到大幅提高，斷線故障率下降20%以上。