提高橋絲電雷管抗徑向沖擊的低波阻抗套管結構

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(西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

當侵爆彈打擊坦克裝甲、艦船、機庫、建筑物等硬目標時，戰斗部內裝藥和引信同時要承受數萬g、數毫秒脈寬、持續性瞬態沖擊，該沖擊會致使戰斗部主裝藥爆燃，引信中電路、火工品和機械結構出現物理形式破壞。

文獻[1]以普通橋絲電雷管為試樣，進行霍普金森桿應力波加載試驗，試后樣品進行X射線CT層析掃描，指出高加速度過載尤其徑向高加速度過載造成橋絲由于塑性波作用被拉長變細，從而導致阻值增大或無窮大，雷管發生結構失穩變形導致腳線間距增大，阻值也會增大。文獻[2]基于解析幾何學基本原理，指出當橋絲的初始角度小于45°，橋絲未受拉伸作用，電雷管最佳放置方式是橋絲平行于電雷管的運動方向。文獻[3]從能量角度探討和研究緩沖機理，通過防護裝置緩沖前后加速度歷程曲線對比，分析了復合緩沖結構的緩沖效果。文獻[4]根據應力波理論設計存儲器的緩沖隔振結構，同時兼顧緩沖與隔振，配置合理的廣義阻抗比，解決了狹小空間的抗沖擊問題。文獻[5]通過在延期體端面放置紙質墊片的途徑來實現界面加固，用霍普金森桿加載試驗證明紙墊可以有效地衰減作用到延期體上的應力波，減少延期體的變形量，增強延期體的抗過載能力。文獻[6]提出制式橋絲式獨角電雷管的聚四氟乙烯抗過載加固方法，采用在雷管底部和外壁襯墊一定厚度聚四氟乙烯材料的方法減緩沖擊應力波和慣性過載的強度。襯墊緩沖層隔離了沖擊應力波和緩沖了雷管質量慣性，保護作用明顯。綜上文獻可見，衰減應力波的緩沖與隔振措施可以應用于雷管防護。

但是，在實際工程應用時，保險機構本體上雷管預制孔擴孔以加厚雷管防護層或阻尼層，或者雷管底部設置非金屬墊片均會影響爆轟波可靠傳遞，并且，薄壁紙護套加工和制作工藝性差，聚四氟乙烯材料加工成薄壁護套也存在相似問題。針對上述問題，本文提出了提高橋絲電雷管抗徑向沖擊的低波阻抗套管結構。

1 應力波傳播理論與雷管傳統防護方式

1.1 應力波在介質界面傳播理論

當運動物體與靜止物體發生碰撞時，由于運動物體內部填充的材料不同，依據應力波傳播理論，應力波在不同材料構成的介質界面處發生反射和透射，如圖1所示，應力波在介質1與介質2的連接界面X1處、在介質2與介質3的連接界面X2處會發生反射和透射，在介質界面處應力波輸入值、應力波透射值、應力波反射值與材料的波阻抗之間存在如式(1)—式(4)的數值關系[7]。

(1)

σR=FσI

(2)

1+(ρC0)1/(ρC0)2=2/T

(3)

C02=E/ρ

(4)

其中，σI為界面處的應力輸入值，σT為透射的應力值，σR為反射的應力值，透射系數T，反射系數F=T-1；(ρC0)為材料的波阻抗，表征材料在動態載荷下力學性能；C0為單軸應變狀態下材料彈性波波速，E為材料的彈性模量，ρ為材料密度。

在介質內部，彈性波傳播沿特征線方向上應力波衰減規律為[7]：

σ=σ0e(-α x)

(5)

其中，σ0為初始應力，α為衰減系數，x為傳播距離。

由式(5)可知應力波在彈性材料中應力波衰減呈現指數規律，應力幅值隨傳播距離增大而減少的衰減特性[8]。

如圖1所示，當應力波直接從本體傳遞給隔振層時，經過介質界面X1，界面X1處應力波透射系數為T12。應力波經本體透射到隔振層的應力波幅值滿足σX12=T12σ0，當透射系數T12<1時，應力幅值反射被衰減，能夠提高被保護元件的抗沖擊性能。

文獻[9]提出聚四氟乙烯墊片提高引信零部件抗沖擊能力的機理是應力波反射衰減，即機械濾波。通過仿真表明，與從緩沖吸能角度解釋聚四氟乙烯墊片提高引信零部件抗沖擊能力的機理相比，從機械濾波角度解釋該機理更合理；墊片材料的波阻抗越小，機械濾波效果越好；只要墊片厚度遠小于有效緩沖厚度，增大墊片厚度對機械濾波效果貢獻不大。

1.2 雷管傳統防護方式

戰斗部侵徹硬目標，戰斗部頭部受到持續沖擊，沖擊應力波沿侵徹體、炸藥、引信外殼傳入引信內部，引信內部的電路部件、火工品等受力情況復雜。根據應力波理論，引信內部的緩沖隔振結構設計時合理配置的材料界面的阻抗比，用緩沖隔振、機械濾波方式對引信進行防護。緩沖隔振結構對引信保險機構、起爆控制模塊防護的同時，也對火工品進行防護。

電雷管傳統裝配結構是，雷管外壁涂少量膠后插入保險機構本體預制孔底部，雷管頂部用膠木壓螺壓實，雷管引線孔用膠灌封，雷管傳統裝配結構如圖2所示。侵徹引信內電雷管采用傳統裝配結構，雷管自身并沒有采取防護，雷管的防護方式主要依賴引信內部保險機構和起爆控制模塊采取的防護措施，這種雷管防護方式經前期型號的實踐，對亞音速、超音速條件下戰斗部侵徹硬目標有效。戰斗部為增強侵徹能力向高超音速發展是大勢所趨，橋絲電雷管自身抗徑向過載能力先天不足，若戰斗部大著角高速侵徹硬目標時，雷管傳統防護方式中，電雷管抗徑向沖擊性能稍差，可能會出現徑向沖擊致使雷管橋絲損傷，引信不能起爆戰斗部。

2 提高橋絲電雷管抗徑向沖擊的低波阻抗套管結構

2.1 防護雷管的低波阻抗套管結構

雷管采用低波阻抗套管結構防護可以提高雷管抗徑向沖擊性能。防護雷管的低波阻抗套管結構如圖3所示，電雷管雙引腳錫焊續導線后，裁減內徑稍大于雷管外徑的氟橡膠熱縮套管作為雷管防護套，氟橡膠熱縮套管套入雷管外壁后用熱風槍遠距離熱縮，氟橡膠熱縮套管與雷管熱縮成為一體構成雷管部件。在雷管防護套外壁涂少量膠后，立即將雷管部件插入保險機構本體預制雷管孔底部，雷管頂部引線孔用固化后輕而硬的粘結劑灌封。氟橡膠熱縮套管材料具有低波阻抗特性，其與本體構成機械濾波介質界面。雷管頂部用輕而硬的灌封料灌封，以降低雷管軸向外部壓力。此外，雷管采用低波阻抗套管結構防護后，雷管與其他部件之間的絕緣電阻增大，雷管絕緣電阻增大后引信的安全性提高。

2.2 低波阻抗套管結構提高引信中雷管抗沖擊性能機理

橋絲電雷管自身抗軸向沖擊能力強，抗徑向沖擊性能稍差。橋絲電雷管采用低波阻抗套管結構防護，這種結構能在一定程度上提高雷管抗徑向沖擊性能。下面從應力波衰減和能量轉化角度分別分析該結構提高雷管抗徑向沖擊性能的機理。

從應力波衰減角度分析，根據應力波在不同介質界面的反射與透射理論，戰斗部侵徹鋼板目標時，戰斗部頭部與硬目標的作用力傳遞到引信內部。引信內部對保險機構、起爆控制模塊的防護構成電雷管的第一道防護，低波阻抗套管結構構成電雷管的第二道防護。由于雷管防護套氟橡膠材料具有低波阻抗特性，應力波在鋁本體與氟橡膠套界面發生機械濾波，應力波在通過界面時大部分應力波被衰減，氟橡膠防護套降低應力波傳遞效率，能顯著衰減騎在質心加速度曲線上的應力波，降低二者的合力尖峰，減少電雷管物理破壞風險。如前所述，隔振層的厚度對機械濾波效果影響不大，所以防護套雖然很薄，仍能有效保護雷管。

從能量轉化角度分析，雷管防護套氟橡膠是非金屬粘彈性材料，構成阻尼層；與阻尼層外部相鄰層的本體是金屬彈性材料，構成約束層；與阻尼層內部相鄰層為雷管外殼為金屬，構成基層。約束層本體和基層雷管外殼材料的彈性模量均比阻尼層氟橡膠材料的彈性模量大，基層和約束層均會對阻尼層產生約束作用，阻尼層的阻尼特性使其應變與應力的關系并非同步的，而總會滯后于應力一個相位角，這種變形滯后意味著產生能量消耗，從而傳遞到引信內部雷管處的沖擊或振動能量會從機械能轉變為熱能耗散掉。

3 驗證

3.1 理論計算驗證

3.1.1計算方法

戰斗部高速侵徹硬目標時，在戰斗部的表面和內部都會產生瞬時高強度軸向和徑向沖擊載荷，沖擊載荷以應力波形式從彈頭向彈尾傳播。電雷管裝配在引信保險機構本體內，保險機構本體具有足夠強度不會產生物理性破壞。電雷管同時受自身慣性力、頂部灌封料壓力、戰斗部頭部沖擊載荷三重作用，致使雷管表面變形、內部橋絲電極等破壞，雷管破壞機理是內部質點發生位移、應力應變傳播以及他們之間相互作用所致的極其復雜的變形-破壞行為。應力波從彈頭向彈尾傳播，徑向應力波途經保險機構本體、氟橡膠防護套傳播到雷管，由于鋁本體與氟橡膠防護套兩種材料介質的波阻抗不同，氟橡膠防護套材料具有低波阻抗特性，應力波在兩種材料介質界面處發生衰減。鋁本體、氟橡膠防護套材料參數[9-10]及材料波阻抗計算結果見表1。

3.1.2計算結果及分析

根據式(1)和表1數據，計算鋁本體與雷管防護套介質界面處透射波與入射波的關系，得到鋁本體與雷管防護套界面的透射系數T，透射系數T=0.12，即透射波強度僅為入射波強度的0.12倍。從應力波衰減角度分析，傳播到引信內部向雷管內部傳遞的徑向應力波經鋁本體與雷管防護套介質界面后，徑向應力波在經兩種材料介質界面處傳播時會發生衰減，因而使得雷管所受過載得到了整形，徑向沖擊致使雷管橋絲損傷程度降低。

表1 相關材料波阻抗(ρC0)參數Tab.1 Related material wave impedance (ρC0) parameter

3.2 空氣炮試驗驗證

3.2.1試驗方法

利用空氣炮對電雷管進行加載試驗，用空氣炮將試驗彈發射鋁質試驗彈，網靶測速彈丸炮口速度，試驗彈撞擊12 mm厚鋼板靶標，空氣炮加載試驗裝置如圖4所示。

改裝引信的保險機構本體，雷管在試驗彈內放置成軸向放置后，靶板布置成傾斜45°以模擬雷管的徑向和軸向同時加載，雷管放置狀態如圖5所示。每次試驗2枚雷管，加載試驗前后測試雷管電阻，加載試驗后起爆雷管?？諝馀谠囼灢捎脤Ρ仍囼炐问?，電雷管采用低波阻抗套管結構與傳統安裝結構進行對比，兩種結構方案加載試驗各3次。

3.2.2試驗結果及分析

試驗前準備好12枚雙腳線橋絲電雷管，利用空氣炮對雷管開展徑向沖擊和軸向沖擊試驗，試驗彈炮口出速在130～140 m/s范圍內。試驗前雷管電阻范圍5.4～6.2 Ω，依據試驗前、后所測試的電阻數據，剔除試驗后電阻值異常雷管樣本，計算雷管阻值變化率=(試驗后電阻值-試驗前電阻值)/試驗前電阻值，最后將雷管起爆，電雷管試驗阻值變化結果如表2所示。

表2 電雷管試驗后阻值變化Tab.2 Variation of resistance after detonator test

從表2可以看出試驗后雷管阻值有增大趨勢。文獻[1]對電雷管電阻增大的機理進行了深入剖析，雷管電阻值變大的原因是橋絲拉伸變形大。與雷管采用傳統安裝結構相比，采用低波阻抗套管結構的雷管電阻值變化率小，電阻平均值變化也較小，即橋絲拉伸變形小。傳統安裝結構的電雷管經空氣炮加載試驗后出現1枚斷橋現象(電阻值大于20 MΩ)，且未能起爆。雷管加載試驗均是在徑向沖擊和軸向沖擊雙重環境下進行，兩種防護結構中的區別特征是氟橡膠防護套，雷管阻值變化和起爆性能呈現差異，說明區別特征對雷管防護起了積極作用，防護雷管的低波阻抗套管結構降低雷管承受的徑向沖擊，使雷管橋絲拉伸變形和損傷程度降低，在一定程度上防護了雷管。

3.3 火炮動態試驗驗證

3.3.1試驗方法

用125滑膛炮平臺驗證起爆電路的工作性能和爆炸序列防護措施改進效果，引信的技術狀態變化僅是雷管防護形式改進，其余技術狀態不變。試驗引信中傳爆序列的電雷管采用低波阻抗套管結構防護，125尾翼穩定試驗彈出膛后距離靶標60 m，彈速(700±30) m/s試驗彈以彈60°著角侵徹12 mm厚鋼板靶標，靶板布置如圖6所示。彈著角60°侵徹目標是為了模擬試驗彈的軸向和徑向同時加載。為驗證彈丸加載后引信工作性能，要求彈丸碰靶后延時10 ms起爆，驗證引信能否正常起爆，同時驗證爆炸序列始發能源電雷管的防護措施改進效果。

3.3.2 試驗結果及分析

用高速攝像觀察彈丸飛行狀態及爆炸情況，試驗彈著靶后由于金屬與金屬摩擦產生右側第1團火光，試驗彈穿靶后按引信事先裝訂的10 ms正常作用，引信起爆主裝藥產生第2團火光和沿彈丸運動方向的向前爆轟，125彈穿爆狀態如圖7所示。共計開展3次125炮動態發火試驗，3發彈均正常爆炸，試驗結果表明，雷管低波阻抗套管結構防護在雷管抗徑向沖擊產生積極作用，沒有產生副作用。

3.4 低波阻抗套管結構防護雷管效果分析

前期試驗中出現的戰斗部大著角侵徹硬目標時，靶板出現橢圓形孔洞表明戰斗部著靶姿態異常，引信沒能正常作用，拆解后測試引信雷管電阻大于20 MΩ，但雷管沒能起爆，分析是雷管橋絲損傷導致不發火，橋絲損傷的可能原因是電雷管傳統裝配結構對雷管徑向防護不足，戰斗部以大著角侵徹硬目標時，出現極大徑向過載致使雷管橋絲斷裂損傷。

與雷管傳統裝配結構相比，雷管采用低波阻抗套管結構進行防護后，氟橡膠套衰減并隔離部分徑向應力波，過載所致的雷管的橋絲、電極等部件損傷程度降低，雷管的抗徑向沖擊性能提高，戰斗部大著角侵徹硬目標時引信的作用可靠性提高。

4 結論

本文提出了提高橋絲電雷管抗徑向沖擊的低波阻抗套管結構。該結構是雷管外壁套上氟橡膠熱縮套管并熱縮，形成雷管防護套，雷管頂部引線孔用固化后輕而硬的粘結劑灌封。氟橡膠熱縮套管材料具有低波阻抗特性，其與本體構成機械濾波介質界面。雷管頂部的灌封料輕而硬，可以降低雷管軸向外部壓力。理論計算及試驗結果表明，雷管采用低波阻抗套管結構進行防護，徑向沖擊致使雷管橋絲損傷程度降低，雷管抗徑向沖擊性能改善，引信作用可靠性提高。

雷管頂部引線孔必須灌封確實，灌封料不能影響到保險機構本體上的轉子孔，否則會影響轉子的運動靈活性，灌封料優選固化后輕而硬、殘留物容易清理的材料，灌封工藝和灌封料的選用需進一步研究。

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