射频波对电火工品的危害及防护设计措施.docx

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射频波对电火工品的危害及防护设计措施

射频波对电火工品的危害及防护设计措施

作者：

杨轶;刘伟

来源：

《价值工程》2010年第17期

        摘要:

本文是从电火工品防射频的角度,对电火工品的设计过程进行分析。

充分考虑电火工品的结构及性能,提出了改善电火工品抗射频性能的方法和措施。

通过实施应用,表明该措施有助于降低射频波对电火工品的危害。

        Abstract:

ThisarticlefromtheRFwaveprotectionofEED,carriesontheanalysistodesignprocessofEED.ConsideringstructureandperformanceofEED,itproposedthemethodsandmeasurestoimprovetheperformanceofEED.Throughtheimplementationapplication,itindicatedthismeasureswashelpfulforenhancingtheperformanceofEED.

        关键词:

射频波;电火工品;可靠性

        Keywords:

radio-frequencywave;electricinitiatingexplosivedevice;reliability

        中图分类号:

TJ45文献标识码:

A文章编号:

1006-4311（2010）17-0139-02

        0引言

        电火工品在现代武器系统中的应用越来越广泛,它不仅用于常规武器弹药的引信中,而且也用于导弹、宇宙飞行器的起爆、点火、多级发动机的分离和爆炸螺栓、爆炸开关以及自毁机构等方面,还用于飞机及舰船上,这些场合都可能遭受无线电、雷达等射频电磁场的影响,并且随着雷达功率的增大,这种影响日益严重。

电火工品在制造、储存和使用过程中,其本身及其相连的有关线路和部件都可能成为接受天线,把周围电磁场的射频能量引入电火工品。

在一般情况下,引入的能量很小,不足以使电火工品发火,但是在适当的条件下,射频能量也可能引起电火工品意外起爆,从而出现安全事故。

但在更多情况下,由于电火工品长期受到低于发火能量的射频作用,可能会使其性能恶化,从而失去正常工作的可靠性。

显然,这种电火工品的意外发火或性能恶化对武器系统所产生的后果都将是毁灭性的。

所以,除靜电外,射频是影响电火工品安全性、可靠性的最重要因素。

电火工品接受射频波的能量后可以产生两种作用,即电流和电场,电流由电火工品的脚线（或插销）输入到桥丝,将桥丝加热到发火点致使电起爆器早爆或失效,这种情况就是按热桥丝的方式发火。

另一种是电场（或电压）作用,即在桥和壳之何（双桥的情况也会在脚—脚之间）产生电场,如果电场足够强,时间足够久,则可能使桥和壳之间的炸药击穿,产生电火花,引起炸药爆炸,这种情况是按火花式和静电作用方式起爆。

如果炸药中掺有金属粉,则在桥与壳之间就容易由于电场起爆,这种情况是按导电药火工品的起爆方式起爆。

        1射频对电火工品可靠性的影响

        如上所述,灼热桥丝火工品在射频能量作用下,桥丝上耦合的射频能量将产生焦耳热,而脉冲射频波则会产生热积累效应。

焦耳热和热积累效应使桥丝温度升高并传递给周围药剂,当药剂达到发火点时,将引起电火工品意外发火,成为安全隐患;而射频能量较小时,药剂只会发生热分解,从而引起性能改变。

这里所说的性能改变包括发火感度、作用时间的改变和产品瞎火两方面。

        1.1射频对电火工品发火感度和作用时间的影响研究射频对桥丝电火工品可靠性的影响时,其步骤如下:

第一,用第一组试样进行射频敏感频率探测试验,得到敏感频率（如f=400MHz）。

第二,在敏感频率下,按感度实验升降法用第二组试样得出50%发火的射频功率及偏差,继而推算5%发火的射频功率。

第三,在敏感频率下,对第三组试样按5%射频发火能量逐发施加射频能量,再得出50%发火感度或作用时间;第四,得出未施加5%射频发火能量的样品组的50%发火感度或作用时间,并进行比较。

施加与未施加射频能量的两组试样的发火感度、作用时间分别见表1和表2所列。

        表1~表2中的数据表明:

第一,经射频试验后产品的发火感度明显低于未经射频试验组的产品,即证明小射频能量对电火工品有钝感作用;第二,经射频试验后的产品的作用时间明显较长;第三,施加射频能量时间长的试样,其作用时间较大。

这些都充分证明桥丝电火工品在小射频能量连续作用时,由于桥丝上产生的热积累使药剂发生了慢分解,相当程度上影响了作用性能。

        1.2射频导致的电火工品瞎火某型号电雷管是一种延期电雷管,装药为压装Si/Pb3O4,该产品经不同能量的射频试验后,进行发火试验的结果见表3所列。

        从表3中可以看出,对桥丝式电火工品施加一定射频能量后,有可能造成电火工品作用失效或瞎火。

在小于射频发火能量下,尤其是在较长时间的射频能量作用下,施加射频能量的大小、时间及其药剂本身的分解温度是射频影响产品可靠性的三个重要因素。

分解温度较低的药剂更易造成火工品射频瞎火。

        2防射频电火工品的设计措施

        电磁辐射对电火工品造成危害必须具备三个要素,即在电火工品所处环境中已出现危险的电磁辐射源;电磁辐射源能将电磁能量祸合到敏感的电火工品上;其耦合能量已超过电火工品的最小发火能量。

防止电火工品遭受电磁辐射危害的主要途径就是降低火工品本身的射频感度,提高内部对射频能量的衰减耗散;或在传输射频路径——发火线上附加衰减器来衰减进入火工品的射频能量。

        从火工品起爆机理上分析,脚—脚间通过桥丝的发火最终是电流作用,所以,一般对直流钝感的火工品,其射频感度也低,而通过改变电桥材料、形状和药剂以提高最小不发火能量为目的的技术,也有益于电火工品的防射频。

在能量许可的情况下,采用钝感电火工品是防射频最简单、最有效的方法。

直接使电火工品具有射频钝感化的技术则是以阻高频、通低频为目的的技术,如复合导线、宽频带衰减电极塞等。

        设计钝感电火工品的核心内容是设计钝感电起爆器（点火器）,该设计有两方面途径:

一方面是设计钝感电桥,例如改变电桥形状和选择合适的电极塞和电桥村料等;另一方面是设计比较钝感的起爆药（或点火药）。

        2.1设计的理论依据当电流通入桥丝式火工品后,在桥丝上按焦耳—楞次定律产生热能,桥丝升温,热量传给药剂,使其发生化学反应。

炸药化学反应释放的热量使药剂继续升温,加速反应直至自动发火。

从能量的变化看,这一发火过程应包括四项内容:

桥丝加热所需的能量、桥丝向外散失的能量、通入的电能和化学反应释放的能量。

由此可看出要使电火工品钝感的主要途径是增大桥丝对周围介质的散热率,即设法增大桥丝的散热面积和散热系数,并减小桥丝电阻值。

        2.2设计的基本措施

        2.2.1电极塞材料的选择假如电桥紧贴电极塞,可以增大电桥的导热性,使电桥通电后产生的热量沿径向分布,通过电极塞传给加强帽,管壳,这是增大电桥热损失的途径之一。

用几种不同材料的电极塞作发火试验结果见表4所示。

        从表4中可以看出,在其它条件相同时,在平均电阻相差很小的情况下,这几种材料电极塞的电爆管发火电流大小顺序是:

98%Al2O3塞>75%Al2O3塞>羰基铁粉塞>铁氧体塞>热固性酚醛塑料塞,这是因为塞子材料的热传导值大小的顺序正好相反的缘故。

即98%Al2O3塞子的导热率为750×10-4（cal/cm·s·c）,75%Al2O3的导热率为500,而热固性酚醛塑料塞的导热率为3~6。

比较起来,目前较多是采用Al2O3电极塞,它的特点是不仅导热率大,而且还能衰减射频能量,加工方便,成本低,因此适宜大量采用。

        2.2.2电桥形状及材料的选择如前所述理由,对于电桥形状及材料的选择,就是要从增大电桥的散热面积和降低电桥的电阻着手。

表5为几种不同形状的电桥实验结果。

        在表中可以看出增大桥丝直径（或横截面积）,会使发火感度下降。

特别是把园柱形的桥丝改成扁平的或带状的,就增大了电桥和药剂,电桥和电极塞的接触面积,使电桥在电加热过程中,热最容易向周围介质散失。

因此电桥电阻相同时,桥带电桥比桥丝电桥的发火感度小。

因为对于厚0.02mm,宽0.1mm的桥带,截面积为2×10-3mm2,周长为0.24mm,而相同截面积的桥丝直径为?

准0.05mm,其周长只有0.05×3.14=0.157mm。

在桥长相同时,电桥的侧面积与周长成正比,因此,桥带的侧面积比桥丝的侧面积增大约0.53倍。

显然这有利于增大电桥的径向热损失。

此外,圆柱形桥丝与电极塞的接触为“线接触”,桥丝的绝大部分侧面积是与药剂接触,带状电桥则是与电极塞为“面接触”。

因此当我们选用的电极塞材料的导热率高于药剂的导热率的情况下,就增大了电桥对电极塞的热传导率,有利于降低发火、感度。

如要降低发火感度,電桥材料的选择原则就是要选择电阻率和电阻温度系数小、热容量大的材料。

        这种电桥的制造工艺简单,可在玻璃或陶瓷的塞子上用印刷电路或光学刻蚀的办法制造,也可制成各种几体形状,其电阻也可以制成零点几欧姆到几欧姆。

研究结果表明,镍铜合金比铁铬合金与镍铬合金钝感,铁铬合金又比镍铬合金钝感。

选用上述材料,再采用合适的电桥形状,就可制得1安培电流1瓦特功率不发火的钝感起爆器。

        由于均匀的带状电桥对电爆管的可靠发火不太有利,因此在设计桥带形状时,既要增大散热面积,又要保证在接近发火时电流通过电桥有一定的电流密度,能可靠发火,所以可以做成各种形状（也可以做成双电桥）。

        2.2.3电极脚线的选择脚线对发火感度的影响是轴向热损失问题,它的影响不但与脚线材料的电阻率、电阻温度系数、热容值有关,而且还与其导热率有关。

实验结果见表7所示。

        由实验结果看出,铜导线作脚线比不锈钢作脚线的电爆管钝感,这是因为铜线的导热率比不锈钢大,所以用铜线作脚线可以增大电桥的轴向热损失,但铜线在强度和药剂的相容性等方面不如不锈钢导线。

        2.2.4选用较钝感的点火药选用较钝感的点火药,配合适当的电桥,也可以制成钝感起爆器。

例如采用直径为0.005英寸的80%镍和20%铬的镍铬合金,电阻值应在0.2-1.0欧姆。

用10-20%的惰性粘合剂钝化点火药,粘合剂的熔点和分解温度最好在300F以上。

较好的粘合剂如聚乙烯醋酸酯和硅橡胶,室温可硫化橡胶最适宜在300F的高温使用,钝化点火药中其余90%-80%的成分为点火药,点火药中可采用10%-15%为镁,50%-90%的二氧化碲。

将这种点火药作成糊状物,涂在桥丝上即成钝感点火头。

        总之,电火工品抗射频可采用的途径很多,通过实验表明,选择合适的电极塞材料、电桥的形状、脚线的材料和钝感点火药可以达到很好的抗射频危害的效果。

很多场合要求电火工品既抗静电又抗射频,则须将抗静电和抗射频的措施结合使用,采用多种途径,才能达到更好的效果。

        参考文献:

        [1]李国新.火工品实验与测试技术.北京理工大学出版社,2007.

        [2]王凯民.军用火工品设计技术.国防工业出版社,2006.

        [3]马宏萱.射频对桥丝式电火工品性能的影响.火工品,2003.

        [4]刘朝华.基于桥丝式电火工品射频感度测试方法的探讨.测试技术学报,2002.

        [5]叶欣.几种对射频钝感的电火工品.火工品,2000.