一種無起爆藥鈍感電火工品的射頻感度試驗研究

楊三斌，先明春，王 建，庹昌春，陳云波

（1.海軍駐瀘州地區(qū)代表室，四川 瀘州，646005；2.中國航天科技集團公司七院六九二廠，四川 瀘州，646005)

電火工品作為實現(xiàn)武器系統(tǒng)功能的始發(fā)元件，其安全性與可靠性直接關(guān)系到武器系統(tǒng)的整體安全性與可靠性。因此，采用有效的實驗手段和方法研究及評價電火工品抗電磁環(huán)境能力，以及通過試驗手段來找出影響電火工品抗射頻能力的影響因素，從而采用有效的電磁加固手段，對電火工品的戰(zhàn)場生產(chǎn)能力具有十分重要的意義。

本文主要針對一種無起爆藥鈍感電點火器的射頻感度進行試驗研究，由于該無起爆藥鈍感點火器射頻感度高于裝配敏感裝藥的橋帶和半導(dǎo)體橋火工品，筆者通過試驗進行了分析和驗證，找到了鈍感無起爆藥電火工品射頻感度偏高的失效機理，并采取了射頻加固措施，對后續(xù)進行電火工品的抗射頻設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。

1 射頻感度試驗的原理和方法

1.1 射頻感度試驗原理

射頻感度試驗的目的是通過試驗頻率和輸出功率可調(diào)的射頻源，經(jīng)過配偶裝置給電火工品施加射頻能量，確定電火工品在不同的發(fā)火模式下（腳-腳、腳-殼）不同頻率的發(fā)火感度，找出敏感頻率點[1]；再在敏感頻率點通過升降法或蘭利法等統(tǒng)計方法進行試驗，計算出敏感頻率點的發(fā)火功率，本次試驗主要考核電火工品的腳-腳模式的抗射頻能力。

1.2 射頻感度試驗方法

電火工品的射頻感度試驗系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 射頻感度試驗系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of RF sensitivity test system

試驗系統(tǒng)主要由射頻源、放大器、雙定向耦合器、同軸開關(guān)、反射開關(guān)、功率探頭、功率計、匹配裝置、同軸連接器等組成。工作過程為：射頻源設(shè)定不同的頻率，經(jīng)過放大器功率放大后進入雙定向耦合器，雙定向耦合器把主要的射頻能量通過同軸電纜傳輸?shù)酵S開關(guān)；另外一部分能量經(jīng)過射頻反射進入反射開關(guān)，反射開關(guān)經(jīng)過手動控制，可以打到標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載上或者到功率探頭上，對反射功率進行測試；同軸開關(guān)為一個雙定向功率開關(guān)，其中1口為常開輸出，2口為常閉輸出，在沒有供電的情況下射頻功率從2口輸入到入射功率衰減器上，可以實現(xiàn)對入射功率的測試；在對同軸開關(guān)供電的情況下，射頻功率從1口輸出到匹配裝置上，通過同軸連接器施加到電火工品上，同時經(jīng)過對同軸開關(guān)的供電時間的控制實現(xiàn)對射頻信號施加到電火工品上時間長短的控制。

2 射頻感度試驗

本研究的鈍感電火工品為新研制的無起爆藥鈍感橋帶式電點火器，最大的特點為取消了斯蒂芬酸鉛敏感裝藥，第1層裝藥采用鋯-高氯酸鉀（Zr/KClO4）作為始發(fā)藥劑，實現(xiàn)了橋帶火工品的鈍感裝藥，滿足1.5A、2.25W、5min安全性能要求，單橋結(jié)構(gòu)，電阻范圍為 0.9～1.2Ω，額定發(fā)火電流為大于 6A。鋯/高氯酸鉀（Zr/KClO4）制造工藝采用采用機械混合方式制成，是美國NASA標(biāo)準(zhǔn)起爆器使用藥劑，但在國內(nèi)為首次作為橋帶火工品的始發(fā)裝藥使用。

本次研究目的主要為了驗證新研制的無起爆藥鈍感電點火器的抗射頻能力，所以選擇了傳統(tǒng)的橋帶式電火工品和半導(dǎo)體橋鈍感電火工品進行了對比。

2.1 裝配斯蒂芬酸鉛的電火工品試驗

橋帶電爆管屬于第2代火工品，滿足1A、1W、5min安全性能要求，單橋結(jié)構(gòu)電阻范圍為0.9～1.2Ω，額定發(fā)火電流為大于5A，第1層裝藥為斯蒂芬酸鉛，是現(xiàn)在使用最為廣泛的電火工品，能夠代表典型的橋帶類含起爆藥電火工品的特性。試驗方案為選擇 12發(fā)產(chǎn)品，按設(shè)備最大的能力（20W）進行輸入，在0～18GHz范圍內(nèi)分別選取12個頻率點，摸索橋帶電爆管的抗射頻能力。結(jié)果表明橋帶電爆管在0～18GHz范圍能夠滿足 20W/10s輸入功率不起爆的抗射頻能力。

半導(dǎo)體橋起爆器為典型的半導(dǎo)體橋火工品，屬于第2代火工品，滿足1A、1W、5min安全性能要求，單橋結(jié)構(gòu)，電阻范圍為 0.9～1.1Ω，額定發(fā)火電流為大于5A，第1層裝藥為斯蒂芬酸鉛，發(fā)火時間小于1ms。試驗方案為在0～18GHz范圍內(nèi)選取6個典型的頻率點進行試驗，每個頻率點進行 10發(fā)產(chǎn)品，各頻率點按設(shè)備的最大輸入功率（20W）進行輸入。試驗結(jié)果表明，該半導(dǎo)體橋起爆器在各個頻率點通入20W射頻輸入功率，均未發(fā)火。

通過以上試驗可以初步認(rèn)為：以斯蒂芬酸鉛為首發(fā)藥的橋帶和半導(dǎo)體橋電火工品在0～18GHz范圍內(nèi)具有20W/10s不發(fā)火的抗射頻能力。

2.2 裝配鋯/高氯酸鉀的無起爆藥電點火器試驗

第1次試驗發(fā)現(xiàn)在0～18GHz范圍內(nèi)7.6GHz為無起爆藥電點火器的敏感頻率，采用蘭利法感度試驗方法進行發(fā)火功率試驗，試驗情況見表1。通過蘭利法計算的敏感頻率點（7.6GHz）的 50%發(fā)火功率為4.05W。而裝配斯蒂芬酸鉛的橋帶和鈍感電火工品在各頻率下均能滿足20W/10s不發(fā)火要求，所以設(shè)計的無起爆藥點火器相對裝配斯蒂芬酸鉛的橋帶和鈍感電火工品具有更高的射頻感度。

表1 蘭利法試驗情況Tab.1 Results of Langlie method test

3 鈍感無起爆藥電火工品射頻感度偏高的原因分析

通過比較可知鈍感無起爆藥電火工品在安全性能上相對含起爆藥的橋帶式電火工品有所提高，但是其射頻感度相對偏高，以下進行分析以查找原因。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計問題驗證試驗

為了驗證導(dǎo)致鈍感無起爆藥電火工品射頻感度偏高的原因是否為結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，采用無起爆藥點火器藥室組件，第1層藥裝斯蒂芬酸鉛，其余結(jié)構(gòu)和無起爆藥點火器設(shè)計狀態(tài)完成相同，進行射頻感度試驗。試驗數(shù)量為10發(fā)，試驗結(jié)果為：全部滿足20W/10s不起爆的要求，和含起爆藥的橋帶式電爆管抗射頻能力相當(dāng)，所以通過該試驗可以排除射頻感度偏高是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計造成的。

3.2 藥劑問題驗證試驗

為了驗證導(dǎo)致鈍感無起爆藥電火工品射頻感度偏高的原因是否為藥劑造成，對鋯/高氯酸鉀組分進行了改變；新制備的藥劑中把金屬鋯粉的含量降低了15%，加入了15%的非金屬硼粉，其余結(jié)構(gòu)和無起爆藥點火器原設(shè)計狀態(tài)相同，裝配成產(chǎn)品后進行了發(fā)火測時試驗，試驗情況見表2。從表2可以看出含硼藥劑的發(fā)火性能和原設(shè)計狀態(tài)相當(dāng)，發(fā)火時間短于原設(shè)計狀態(tài)產(chǎn)品。采用含硼粉藥劑裝配的產(chǎn)品在敏感頻率點（7.6GHz），利用蘭利法進行射頻感度試驗，試驗數(shù)據(jù)見表3。

表2 點火器發(fā)火時間測試結(jié)果Tab.2 Test data of firing time

表3 含硼粉藥劑點火器的射頻感度試驗數(shù)據(jù)Tab.3 RF sensitivity test data of ignitor containing boron powder

通過表3數(shù)據(jù)計算添加硼粉的點火器的射頻感度為：99.9%發(fā)火功率 7.85W，50%發(fā)火功率 6.75W，0.1%發(fā)火功率 5.63W。和原設(shè)計狀態(tài)的敏感頻率點50%發(fā)火功率為4.05W相比有較大提高。

3.3 問題定位及機理分析

通過以上試驗結(jié)果可知第 1層裝藥鋯/高氯酸鉀是影響射頻感度的一個關(guān)鍵因素。通過在鋯/高氯酸鉀中降低鋯粉含量、增加非金屬物質(zhì)硼粉，在 7.6GHz的射頻感度試驗時50%發(fā)火功率從4.05W 提高到了6.75W，說明降低金屬粉末含量、提高鋯/高氯酸鉀絕緣性能，有利于產(chǎn)品射頻感度的降低。

鋯/高氯酸鉀自身含有金屬粉末，而在鋯粉之間高氯酸鉀為絕緣材料，形成類似電容的結(jié)構(gòu)，在交變的射頻電流的作用下金屬鋯粉之間形成電勢差，鋯粉顆粒之間會產(chǎn)生電場，當(dāng)兩個鋯粉顆粒之間的電壓差大于其擊穿電壓時即會產(chǎn)生擊穿起爆；當(dāng)降低鋯粉含量時，鋯粉之間的平均距離增加導(dǎo)致?lián)舸╇妷禾岣?，所以射頻感度降低。

4 射頻加固措施

研制及初期鈍感電起爆器使用的鋯/高氯酸鉀煙火藥均采用機械混制，采取此方法生產(chǎn)的鋯/高氯酸鉀中的金屬鋯粉處于游離狀態(tài)，見圖2。藥劑絕緣性能偏低，并且在研制過程中曾經(jīng)出現(xiàn)過25 000V靜放電試驗產(chǎn)品意外發(fā)火的情況。產(chǎn)品在進行射頻感度試驗時，游離的鋯粉帶電，形成擊穿起爆。因此解決思路就是盡可能減少鋯/高氯酸鉀煙火藥中的游離態(tài)鋯粉，而應(yīng)用化學(xué)包覆是一條比較好的思路。

圖2 機械混合藥劑Fig.2 Mixed powder by machine

Zr/KClO4煙火藥的化學(xué)包覆以鋯粉為晶核，在水介質(zhì)中通過復(fù)分解反應(yīng)析出高氯酸鉀，高氯酸鉀吸附在鋯粉表面形成 Zr/KClO4共沉淀聚結(jié)晶體。經(jīng)查，高氯酸鉀可由高氯酸鈉與氯化鉀在水介質(zhì)中通過復(fù)分解反應(yīng)制得，利用高氯酸鉀水中溶解度較小的特點析出晶體，反應(yīng)方程式見式（1），與鋯粉形成共沉淀聚結(jié)晶體方程式見式（2），采用化學(xué)包覆制造的藥劑見圖3。

圖3 化學(xué)包覆藥劑電鏡照片F(xiàn)ig.3 SEM photo of the coated powder

采用化學(xué)包覆的藥劑裝配無起爆藥點火器，在7.6GHz敏感頻率下利用蘭利法進行射頻感度試驗。射頻感度試驗結(jié)果為：50%發(fā)火功率18.75W，其余頻率點滿足20W/10s不發(fā)火，和原設(shè)計狀態(tài)的50%發(fā)火功率4.05W相比有很大的提高；并且進行2 5000V靜放電試驗，未出現(xiàn)意外發(fā)火現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）裝配斯蒂芬酸鉛的橋帶式電爆管及以半導(dǎo)體橋起爆器為代表的半導(dǎo)體橋火工品能夠承受的最大射頻功率為20W/10s；（2）以鋯/高氯酸鉀為始發(fā)藥劑的鈍感無起爆藥點火器的抗射頻能力和鋯/高氯酸鉀中金屬鋯粉含量有一定關(guān)系，在一定范圍內(nèi)金屬鋯粉含量越高射頻感度越高，游離態(tài)鋯粉是導(dǎo)致射頻感度高的主要原因；（3）通過化學(xué)包覆的方法可減少游離態(tài)鋯粉的存在；（4）在后續(xù)進行新型鈍感電火工品的研究過程中，為了提高其抗射頻能力，始發(fā)藥劑需盡量選用不含金屬成分的藥劑。

[1]李錦榮.電火工品射頻發(fā)火機制及其射頻感度的應(yīng)用簡介[J].火工品,1999(1):51-53.

[2]李錦榮.電火工品射頻阻抗測量及其應(yīng)用[J].火工品,1995(1):11-14.

[3]李錦榮.電火工品的射頻感度[J].火工品,1994(1):15-18.

[4]楊潔,馬宏萱,王海.電火工品抗電磁危害加固技術(shù)的研究[J].火工品,2002(4):45-47.